1. 引 言

功率因數(shù)和無(wú)功平衡是衡量電網(wǎng)質(zhì)量的重要標(biāo)志。我國(guó)農(nóng)網(wǎng)普遍存在供電半徑長(zhǎng)、電壓質(zhì)量差、功率因數(shù)低的狀況。如果無(wú)功能得到有效的平衡，不僅能大大降低電網(wǎng)的損耗，而且對(duì)提高電壓質(zhì)量具有重要的意義。但是，目前我國(guó)大部分城鄉(xiāng)電網(wǎng)功率因數(shù)偏低，無(wú)功很不平衡。因此提高電網(wǎng)功率因數(shù)、平衡無(wú)功、提高電壓質(zhì)量、降低線損，是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要課題?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)大部分的無(wú)功補(bǔ)償裝置都是并接電容器固定補(bǔ)償，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。另還有一部分是一路動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，級(jí)數(shù)太少，不能做到精補(bǔ)細(xì)補(bǔ)。因此，如何實(shí)現(xiàn)無(wú)功多路補(bǔ)償，仍是國(guó)內(nèi)外同行關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于兩路不等容編碼控制投切的無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，它能隨電網(wǎng)無(wú)功的變化，實(shí)現(xiàn)四級(jí)補(bǔ)償，基本能達(dá)到精補(bǔ)細(xì)補(bǔ)的目的，使得電網(wǎng)的無(wú)功平衡更科學(xué)合理，因而在農(nóng)網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2. 設(shè)計(jì)思想

本文主要探討基于兩路不等容編碼投切無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制原理以及實(shí)現(xiàn)的方法。在動(dòng)態(tài)跟蹤無(wú)功補(bǔ)償裝置中，如果是單組的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，就可根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功以及電壓的狀況進(jìn)行投切;如果是多組等容量投切補(bǔ)償，可根據(jù)循環(huán)投切的原理去設(shè)計(jì)控制策略;如果是多組不等容投切，其控制策略就要復(fù)雜得多。森寶公司之所以研發(fā)該產(chǎn)品，主要是以下兩方面的原因：

1） 降低成本。眾所周知，單組無(wú)功補(bǔ)償裝置不能做到精細(xì)補(bǔ)償，而多組等容的裝置雖能做到相對(duì)精細(xì)的補(bǔ)償，但是其電容器的組數(shù)要多，每組電容器都要配備相應(yīng)的開(kāi)關(guān)和保護(hù)設(shè)備，這就大大增加了設(shè)備的成本，使節(jié)能降損的先期投入成本較大，也使節(jié)能降損的效益降低。如果使用不等容投切，就可大大減少設(shè)備成本，使用戶的效益最大化。舉例說(shuō)明，要補(bǔ)償300kvar的電容，級(jí)差為100kvar，如果采用等容投切，就需要3臺(tái)電容器和3臺(tái)開(kāi)關(guān)，而如果采用不等容投切，采用補(bǔ)償一個(gè)100kvar和一個(gè)200kvar的方法，就只需要兩臺(tái)電容器和兩臺(tái)開(kāi)關(guān)，這就節(jié)省了1臺(tái)開(kāi)關(guān)和1套保護(hù)裝置的費(fèi)用，并且減少了故障點(diǎn)。

2） 使裝置的體積減小，節(jié)省了空間，也減少故障點(diǎn)。高壓電容器的體積相對(duì)比較龐大，而且對(duì)絕緣距離有一定的要求，電容器的組數(shù)越多，那么體積就會(huì)大大增加，這就增加了施工成本和施工難度。而且，組數(shù)越多，裝置的故障點(diǎn)越多，使裝置的維護(hù)成本增加。使用不等容投切就可以減少這些問(wèn)題。

基于以上思考，本文設(shè)計(jì)了兩路不等容投切的戶外高壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置。

3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及控制器工作原理

圖 1 系統(tǒng)工作原理圖

如圖1，控制柜內(nèi)裝有兩臺(tái)高壓電容器和高壓真空接觸器，通過(guò)單片機(jī)控制高壓真空接觸器的開(kāi)合，完成投切動(dòng)作。采用高壓熔斷器為電容提供保護(hù)。PT采樣高壓電網(wǎng)的B、C相之間的線電壓，除了提供電壓信號(hào)，還為控制器和控制回路提供電源。CT采樣線電流，為控制器提供電流采樣信號(hào)。CT1-CT4采樣電容器電流，電容器的過(guò)流保護(hù)和缺相保護(hù)提供硬件支持?？刂破鲗⒉杉降木€電壓、線電流、電容器電流的信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算，經(jīng)過(guò)判斷，輸出控制信號(hào)，控制真空接觸器關(guān)合和開(kāi)斷。

4. 控制策略

在控制方式上，裝置采用了按無(wú)功投切和按功率因數(shù)投切兩種方式。用戶可以根據(jù)需要來(lái)選擇。單就補(bǔ)償?shù)淖罱K目的而言，筆者推薦使用無(wú)功來(lái)控制比較科學(xué)合理。

兩組電容器由于其容量不等，在投切時(shí)就要考慮兩個(gè)電容器的協(xié)調(diào)問(wèn)題，大致來(lái)說(shuō)，分為如下幾個(gè)情況：

1） 兩組都未投入。那么則根據(jù)所選控制方式，根據(jù)實(shí)際參數(shù)量來(lái)投入合適的容量。

2） 小容量電容器已投入。如果過(guò)補(bǔ)，則切電容;如果需要投入的容量大于小電容器而小于大電容器，那么切電容器;如果需要投入的容量大于大電容器，那么投大電容器。

3） 大容量電容器已投入。如果過(guò)補(bǔ)，那么切電容器;如果需要投入的容量大于小電容器，那么投小電容器。

4） 兩個(gè)都已投入。如果過(guò)補(bǔ)，那么根據(jù)過(guò)補(bǔ)的多少，來(lái)選擇切除哪一組電容器。

5 控制器硬件電路設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，通常的做法是利用微控制器或處理器對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，判斷，然后再對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制。在本設(shè)計(jì)中為了使采集數(shù)據(jù)更精確，軟件編程更簡(jiǎn)潔，使用新型的智能電表芯片替代了傳統(tǒng)的ADC和部分MCU的工作。在軟硬件設(shè)計(jì)中注重了對(duì)動(dòng)態(tài)電容器的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了10分鐘保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、缺相保護(hù)、延時(shí)保護(hù)等多種保護(hù)功能，使得系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定有效。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖2，整體電路由AD，CPU，外圍IC器件組成。使用專用測(cè)量芯片CS5460替代了原先的ADC和部分單片機(jī)的工作，通過(guò)芯片內(nèi)的硬件算法得到Irms、Vrms、P。主CPU使用51系列芯片，其內(nèi)部自帶20K字節(jié)的FLASHROM和512字節(jié)的RAM，設(shè)計(jì)中，全部采用其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外圍IC器件主要包括外部擴(kuò)展的一片E2PROM存儲(chǔ)器，它擁有32K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，用來(lái)存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)定值及歷史數(shù)據(jù);時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)工作提供時(shí)間參考;另外，人機(jī)接口模塊選用了ZLG7289BP鍵盤顯示管理芯片。該芯片可以同時(shí)管理8個(gè)數(shù)碼管和64個(gè)按鍵，采用SPI總線接口，便于進(jìn)行級(jí)聯(lián)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有RS-232串行通訊接口，可以上傳下傳數(shù)據(jù)，進(jìn)行遙控遙測(cè)。

本裝置主要是實(shí)現(xiàn)按實(shí)時(shí)無(wú)功來(lái)控制電容器的投切，具體軟件流程圖如3 所示 。

圖3 控制器軟件流程示意簡(jiǎn)圖

6.1 功能實(shí)現(xiàn)。

軟件必須做到以下功能：采集數(shù)據(jù)并傳給CPU，然后進(jìn)行算法運(yùn)算并處理，發(fā)控制命令，另外還必須有顯示，通信的功能。

本裝置控制器的軟件通過(guò)匯編和C語(yǔ)言混合編程實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1） 采集調(diào)理后信號(hào)，計(jì)算出線路電壓、電流、功率因數(shù)、有功、無(wú)功。

2） 通過(guò)繼電器控制真空接觸器可按照無(wú)功的實(shí)時(shí)情況對(duì)補(bǔ)償電容進(jìn)行合理控制?？刂破鬟€具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、速斷、10Min、動(dòng)作次數(shù)、缺相等保護(hù);

3） 提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘，并能存儲(chǔ)必要的電量數(shù)據(jù)。

4） 數(shù)碼管顯示電量數(shù)據(jù)，并可通過(guò)按鍵調(diào)整參數(shù)。

5） 通過(guò)RS-232串口通信模塊實(shí)現(xiàn)通信。通過(guò)無(wú)線通信能調(diào)出控制器中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。其中歷史數(shù)據(jù)包括近兩個(gè)月的整點(diǎn)數(shù)據(jù)和近100次的動(dòng)作記錄。

6.2 算法實(shí)現(xiàn)

（1） 運(yùn)算算法

運(yùn)算算法結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4

控制器只采集線路上的一個(gè)線電壓和一個(gè)相電流來(lái)對(duì)線路的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數(shù)進(jìn)行計(jì)算。電壓和電流的有效值由CS5460進(jìn)行硬件計(jì)算。在線路的電壓和電流都為三相對(duì)稱的情況下，系統(tǒng)的無(wú)功功率為Q=3UaIasinφ其中φ為功率因數(shù)角。又因?yàn)?比 超前900，幅值相差 倍，所以可得

由上式可知，只要采集Ucb和Ia，并將它們送入CS5460里，按照有功功率的方法進(jìn)行計(jì)算，再乘以 ，就得到實(shí)際線路的無(wú)功功率。有了無(wú)功功率，就可以求出系統(tǒng)的有功功率為

角的正負(fù)由無(wú)功功率的正負(fù)來(lái)判斷，當(dāng)Q》0時(shí)，φ》0，負(fù)載為感性;當(dāng)Q（2） 保護(hù)算法

保護(hù)算法如圖5所示，程序按順序依次判斷是否執(zhí)行各保護(hù)。其中，過(guò)流保護(hù)和過(guò)流速斷保護(hù)判斷的是電容器的電流，當(dāng)電容器中任一相電流超過(guò)保護(hù)設(shè)定值時(shí)，即啟動(dòng)保護(hù)。

過(guò)壓保護(hù)和欠壓保護(hù)以過(guò)壓值和欠壓值來(lái)判斷是否需要啟動(dòng)保護(hù)。缺相保護(hù)是判斷當(dāng)有一相電容器電流為零時(shí)，就啟動(dòng)保護(hù)。當(dāng)電容器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)時(shí)，裝置推出控制。其中過(guò)流和缺相保護(hù)還設(shè)置了保護(hù)位，當(dāng)保護(hù)位被人工清除時(shí)，裝置才可重新進(jìn)入控制狀態(tài)。

圖5 保護(hù)算法

7.結(jié)論

無(wú)功補(bǔ)償是電力傳輸中一個(gè)永遠(yuǎn)的課題，從靜態(tài)補(bǔ)償?shù)絼?dòng)態(tài)單路補(bǔ)償再到動(dòng)態(tài)多路補(bǔ)償是一個(gè)必然的過(guò)程，而兩路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償正好可以成為單路到多路中間一道橋梁，它完全繼承了單路補(bǔ)償?shù)乃袃?yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一定精度的細(xì)補(bǔ)，節(jié)省成本，因此，本裝置對(duì)于現(xiàn)階段10Kv電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，它是一套相對(duì)小成本、高效益的設(shè)備，對(duì)于農(nóng)網(wǎng)節(jié)能降損具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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