CN87100007A - 单片微机无功功率控制装置 - Google Patents

Abstract

单片微机无功功率控制装置，属于一种能够消除补偿电容器投入、切除“误动作”，精确调节供电网络中无功功率的装置。它包括MCS—48单片微机、程序存贮器、模数转换器、键盘显示、检测电路(无功电流、电压及功率因数)及输出执行电路部分。单片微机针对投入区、切除区、波动区和稳定区四种情况，根据实时检测的电网所需的无功功率和所要求的功率因数综合判断，控制补偿电容器组合理地投入电网或从电网切除。

Description

本发明涉及一种能够消除补偿电容器投入、切除“误动作”，精确调节供电网络中无功功率的控制装置。

传统的无功控制装置一般均采取功率因数方式或无功功率方式控制补偿电容器投入电网或从电网切除。类似美国专利US4359678采用无功功率方式的装置，预先设定投入用的下限基准值和切除用的上限基准值，无功检测电路的输出在下限基准值之下，投入电容器组，无功检测电路的输出在上限值以上，切除电容器组。这类装置的不足点在于当负荷反复地发生微小变动时，无功负荷也跟着波动，在某一个基准值附近就会发生反复多次的投切动作，这种投切动作对改善功率因数无意义，而且缩短了电容器、接触器的使用寿命，此处称为“不必要动作”。已有的技术中为减少这种“不必要动作”，常常将调整幅度（即下限值与上限值之间的幅度）增加到1.5-2倍以上基本电容器的容量（△Q）。这种措施是以降低性能指标为代价的，增大了不能补偿的无功。

按功率因数方式控制的装置，也是预先设定下限值和上限值，当电网功率因数低于下限值时，投入电容器，当功率因数高于上限值时，切除电容器。但在实际的运行中，在同一功率因数下，无功功率是随负荷的大小在变化的，负荷重时投入一组电容器影响不大，但负荷轻时，尤其是无功小于一组电容器容量时，投入一组电容器却往往引起“振荡”问题（即反复投切）。这种“振荡”现象给电网增加了新的不稳定因素，大大缩短了装置的使用寿命。同时这类装置也同样存在着因负荷反复的发生微小变动，在某一基准值附近发生的“不必要动作”问题。本文将“振荡”和“不必要动作”统称为“误动作”。已有技术中为减少这种“误动作”，也往往采取降低功率因数设定值的下限值，即增大不能补偿的无功。这种措施同样也是以降低性能指标来换取“误动作”减少的，不能根本消除“误动作”。

中国专利CN85100197B提出了一种消除“振荡”的闭锁电路，该闭锁电路随时对***是否出现“振荡”进行判断，一旦出现“振荡”时将装置闭锁。可见闭锁电路只有在“振荡”出现后方可动作，因此***每次出现“振荡”时必须最少“振荡”一次（投一次，切一次）以上，即仍要至少出现两次“误动作”，同时还要增加模数转换器、寄存器及数字比较器等电路，另外，这种闭锁措施不能克服负荷波动引起的“不必要动作”问题，这是其不足之处。

本发明主要是为解决上述问题而提出的。其目的是为电力用户提供一种彻底消除补偿电容器投入、切除“误动作”，精确调节接入电网的补偿电容器数量，通用的单片微机无功功率控制装置。

按照本发明的装置是以单片微机为核心的集成化无功功率控制装置。该装置由MCS-48系列单片微机、程序存贮器、模数转换器、检测电路（无功电流、电压及功率因数）、键盘显示及输出执行等部分组成。在单片微机的控制下，通过实时检测电网的无功电流、电压及功率因数，计算出一定时间内（信号周期整数倍）无功功率的平均值 Q、电压及功率因数，同时根据电网电压的变化修正补偿电容器的容量（Q_C＝ωCU²），精确计算投入或切除的补偿电容器的数量。然后根据控制矢量图8，针对投入区、切除区、波动区和稳定区四种情况，根据电网对无功功率的需求和所要求的功率因数综合判断，控制补偿电容器组合理地投入电网或从电网切除，达到提高控制精度，消除“误动作”，从而将补偿电容器的投切次数减到最小限度。本装置面板上安装有显示电压、功率因数、超前或滞后等多种检测量的数码显示器，可以同时作为数字电压表和数字功率因数表，省掉了原控制柜配置的两块模拟表，随时可以观察控制效果。

图1是装置原理框图;

图2是无功电流检测电路原理图;

图3是无功电流检测电路输出特性曲线;

图4是功率因数检测电路原理图;

图5是输出执行原理框图;

图6是判断输出功能图;

图7是无功负荷波动示意图;

图8是控制矢量图;

图9是主控制程序流程图;

图10是另一实施例原理框图。

如图一所示，电网的无功电流、功率因数、电压分别经检测电路（1）、（2）、（3）变换为相应的直流电压，在单片微型机（5）的控制下经模数转换器（4）变为数字量送入单片微机（5）的内部RAM，经软件多重数字滤波，然后根据Q＝ $\sqrt{3}$ UISinφ，求出一定时间内的平均值 Q、电压及功率因数。采样周期的精确定时，由单片机（5）的内部计数/定时器完成。程序存贮器（6）中驻留有主控制程序，其流程图见图9所示。键盘显示由接口电路（8）、驱动器（9）、八位显示器（10）、驱动器（11）及键盘（12）组成。另外还有输出执行（13）、自动恢复电路（15）及供调试用的打印机（14）等。本装置充分利用了单片机（5）的内部资源，简化了***电路。

下面根据本装置控制矢量图8、无功负荷波动示意图7及判断输出功能图6，进一步说明。图7中的曲线表示因负荷波动引起的无功负荷在基准线附近随时间的波动情况（此曲线非常接近于用电设备多、负荷变化较大场合的实际情况）。设某一时刻检出的无功处于a点，需要投入△Q（△Q为基本电容器容量），如果马上投入△Q，则到达稳定区a′点，但实际上延时T秒后，无功已变动到b点，投入△Q后，达到b′点，b和b′点均在稳定区，对改善功率因数无意义。下一控制周期若无功处于C点，需要投入，延时T秒后，投入△Q，从d点到d′点，即从稳定区变到切除区，不仅无益反而还要增加一次切除动作。消除类似b→b′、d→d′的“误动作”，本发明提供了一种按控制矢量图8及判断输出功能图6所示的方法。图8有如下特点：它在两条基准线附近，根据功率因数的要求，又划出了两个扇形的波动区。一般情况下，负荷越重，说明用户投入的电动设备越多，引起负荷变动的几率增大，变动幅度增大，因此这种扇形区的划分与实际是相吻合的。在投入区和切除区，按无功功率方式控制，投入或切除一定量的电容器容量后，一定进入稳定区。比传统装置更接近于p轴。轻负荷时虽然功率因数略低于要求值，但无功不足一个△Q，不输出，所以不会发生“振荡”问题。进入稳定区后，若无功负荷在某一基准线附近反复发生微小波动时，由于此时测得的功率因数已达到要求的目标，单片机判断此时的投切动作必定是“不必要动作”，于是封锁输出。在变压器容量较大或负荷重时，还可以在进入波动区后，再次判断无功负荷，大于一定量时，仍执行输出，否则封锁输出（见图6中虚线框中所示），本方法将调整幅度从传统装置的1.5～2△Q以上进一步减少到1.2△Q左右，不可补偿无功减少20～40%。而且投入或切除一定量的电容器容量后又必定进入稳定区，更靠近p轴，无功波动也发生在p轴附近，因此上、下波动线（即要求的功率因数）可以进一步向p轴移动。实用装置中下波动线可以取0.98左右，上波动线可以取0.995以上，将波动区压窄。这种方法彻底消除了传统装置常常发生的投切“误动作”，在所要求的功率因数范围内，电容器、交流接触器的动作次数减到最小限度，延长了它们的使用寿命，同时进一步提高了控制精度。

无功电流检测原理见图2所示，该电路通过波形变换器（16）将线电压U_AC变换为两个相位差180°的方波，此方波信号与B相电流经电流互感器交流在取样电阻R上产生的电压信号同时输入斩波器（17），其输出信号送入运算放大器（18）相加放大，最后经滤波器（19）输出。若U_AC线电压为u＝U_mSinωt，B相电流为i＝I_mSin（ωt+ (π)/2 -φ）＝I_mCos（ωt-φ），输入电压U_in＝R·I_mCos（ωt-φ），该电路输出电压在一个周期内的平均值则为：

U₀＝ 1/(π) ∫^π ₀K·R·I_mCos（ωt-φ）

＝

K·RISinφ（式中R为取样电阻，K为放大系数，I为输入电流有效值，φ为相位差）

上式表明：电路的输出电压平均值与无功电流（ISinφ）成正比。在不对称三相制中，需要两个上述的无功电流检测电路。

功率因数检测原理见图4所示，它由波形变换器（20）、斩波器（21）放大器（22），滤波器（23）及限幅放大器（24）组成。若以B相电压为参考电压U_B，B相电流在R上的电压降作为输入电压，此电路的输出电压平均值 U₀＝K·Cosφ。

上述无功电流和功率因数检测电路中的波形变换器、斩波器及放大器，可以采用相应的功能电路组合起来;也可以采用含有波形变换器、斩波器及放大器的单片相敏放大电路。本发明的优选实施例采用后者。包括单片相敏放大电路、滤波器及限幅放大器等电路的上述两种检测电路，集成度高，温度漂移小，调整方便，输入电压范围宽（0～6V），而传统的相敏电路在输入电流小于1A时就不能正常工作。抗干扰性能好，能适用于使用可控硅所引起波形畸变的工业现场。另外在软件上采用分段线性拟合处理、多重数字滤波，使精度进一步提高。同时降低了对器件参数一致性的要求，生产调试极为方便。图3是无功电流检测电路输出特性曲线。

图5为输出执行原理框图。它包括指示各路电容器投切状态的LED指示器、驱动器、继电器、交流接触器以及按一定比例组合的电容器组。输出为四路，等容循环方式与差容方式均可，勿需改变控制电路。

本装置具有软件硬件结合的输入输出在线自检功能和自动恢复功能，软件上采取平均值滤波和中位值滤波，使装置在环境温度较高，电气环境恶劣的场合仍能稳定可靠运行。

本发明的装置与传统装置相比，具有下述优点：

1、本装置以单片微机为核心，输入输出全集成化，硬件电路通用，改变内部存贮器若干单元的内容，可适用于1000KVA以下的所有电力用户。调试简便，操作简单，无需用户现场调整，成本低廉，利于批量生产。

2、本装置在精确检测和计算无功功率、功率因数的基础上，针对投入区、切除区、波动区和稳定区四种情况，根据电网对无功功率的需求和所要求的功率因数综合判断，控制电容器组的合理地投入电网或从电网切除，提高了控制精度，消除了“误动作”，延长了电容器、接触器的使用寿命。

3、具有八位数码显示器，同时可以显示电压，功率因素，超前/滞后（L/C）等，省掉了传统装置控制柜配置的模拟电压表和功率因数表。

4、具有软硬件结合的输入输出在线自检功能，自动恢复功能和过压保护等功能，软件上采用平均值，中位值等多种数字滤波，抑制了干扰，使装置在环境温度较高，电气环境恶劣的场合仍能稳定可靠运行。

5、输出具有等容循环方式和差容方式，输出程序有：

p_4-4＝1：1：1：1，p_4-15＝1：2：4：8，

p_4-8＝1：2：4：1，p_4-9＝1：2：4：2，……等多种，可以根据用户情况选用。

一个试用本装置的用户（315KVA）运行测试数据如下表所示。

为了满足农电等小电力用户节电、降损的需要本发明提供更为便宜的，可以八路输出循环投切的另一实施例，其原理框图见图10所示。

图10中：1-无功电流检测电路

2-功率因数检测电路

3-电压检测电路

4-模数转换器

5-单片微机8749

6-输出执行

7-自动恢复电路

Claims (7)

1、一种能够消除补偿电容器投入、切除“误动作”，精确调节供电网络中无功功率的装置，其特征在于：

a、该装置由MCS-48系列单片微机、程序存贮器、模数转换器、无功电流检测电路、电压检测电路、功率因数检测电路、键盘显示及输出执行等部分组成；

b、该装置通过实时检测电网的无功电流、电压及功率因数，计算出一定时间内无功功率的平均值、电压及功率因数，同时根据电网电压的变化修正补偿电容器的容量，精确计算投入或切除的补偿电容器的数量；

c、该装置针对投入区、切除区、波动区及稳定区四种情况，根据电网对无功功率的需求和所要求的功率因数综合判断，控制补偿电容器组合理地投入电网或从电网切除。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置的无功电流检测电路由波形变换器（16）、斩波器（17）、放大器（18）及滤波器（19）组成。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于所述的无功电流检测电路中包括一个含有波形变换器（16）、斩波器（17）及放大器（18）三部分电路的单片相敏放大电路。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置的功率因数检测电路由限幅放大器（24）、波形变换器（20）、斩波器（21）、放大器（22）及滤波器（23）组成。

5、如权利要求4所述的装置，其特征在于所述的功率因数检测电路中包括一个含有波形变换器（20）、斩波器（21）及放大器（22）三部分电路的单片相敏放大电路。

6、如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置面板上装有显示电压、功率因数、超前/滞后等多种检测量的八位数码显示器。

7、如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置具有软件硬件结合的输入输出在线自检功能和自动恢复功能，软件上采取平均值滤波和中位值滤波，使装置在温度较高，电气环境恶劣的场合仍能稳定可靠运行。

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