配电网无功优化设计——低压无功补偿控制器的设计

孙文海，张玉华

(1．江西省赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000;2．江西理工大学应用科学学院，江西 赣州 341000)

配电网无功优化设计
——低压无功补偿控制器的设计

孙文海1，张玉华2

(1．江西省赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000;2．江西理工大学应用科学学院，江西 赣州 341000)

以低压电网无功补偿改造为背景，研究了一种低压无功补偿控制器。系统以定时的电网监测数据为依据，以城镇低压电网的无功补偿为对象，研究了无功补偿对电网性能的改善，以及软硬件的配置。

电压质量;无功补偿;单片机

1 引言

随着社会经济的发展，电网的规模也在不断扩大，在电力需求大量增加的同时，对电力系统的安全运行水平和电能质量的要求也在不断的提高。电压是电能质量的重要指标之一，而无功是影响电压质量的一个重要因素，可以说，电压问题本质上是无功问题。因此解决好无功补偿问题，具有十分重要的意义。

2 无功补偿的原理

在正常情况下，用电设备不但要从电源中取得有功功率，同时还需要取得无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需要的电功率，是将电能转变为机械能、热能等其他形式能量的电功率。无功功率则比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它虽然不对外做功，但绝不是无用的功率。

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负载。如果电网中的无功功率不足，这些设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，也就无法维持在额定情况下工作，端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了这些负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要。

当前，国内外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置，它的基本原理是:把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，使得能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率得以补偿。这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小，是目前采取的主要补偿措施。

电网中需要并联多大的电容，可以根据当前的功率因数以及要提高到的功率因数比较计算出来，计算方法如下:

图1 并联电路的RLC电路

在电路图1中，原负载为感性负载，其功率因数为cosφ，电流为I1。在其两端并联电容器C后，并不影响原负载的工作状态。但从相量图可知由于电容电流IC补偿了负载中的无功电流，使总电流I减小，电路的总功率因数提高了。补偿前电流为I1，补偿后电流为I，功率因数从cosφ1提高到了cosφ。

流过电容的电流IC为:

从上面分析可以知道，并联电容器后对原感性负载的工作情况没有任何影响。但是包括电容在内的整个电路的功率因数比单独的感性负载的功率因数提高了。在实际应用中，并不要求把功率因数提高到1，接近于1即可，否则需要并联的电容较大，会增加设备投资。［1］

3 主要硬件设备的选型及设计

图2是该系统硬件结构框图，单片机AT89C52是本系统的核心，实现数据处理、输入、输出控制等功能。电压互感器和电流互感器检测三相电压、电流值，单片机通过这些数据计算出系统功率因数，并将之与规定的功率因数比较，看看是否符合要求。当功率因数低于要求值时，通过控制电容并联补偿电路实现无功功率的补偿。

显示采用LED数码管显示，采用静态显示，以减轻CPU的负担;投切电容电路中用固态继电器作为控制开关以实现柔性投切;此外通过RS-232串行接口与上位机传递系统运行状态信息，以适应将来配电网发展趋势。

图2 系统硬件结构框图

3.1 单片机控制模块的选择

使用美国ATMEL公司的AT89C52单片机，它采用CMOS工艺，是一种低功耗、高性能的8位微控制器。AT89C52内部具有8K字节的Flash存储器，可反复擦写，适合单片机最小系统的开发与研制。［2］

3.2 A相电压零点检测单元

在投切电容器组时应该选择合适的相电压电角度，以防止产生涌流，这就要求控制器具备检测电网电压电角度的功能。［3］以检测A相电压过零点的办法来检测电网电压过零点，电路原理图如图3所示。

当A相电压为正值时，通过限流电阻使得光电耦合器的原边即发光二极管流有合适的电流而发光，此时副边的三极管因为B极受到光照，使得C极和E极导通，导通阻抗接近零，副边PG1处被拉为低电平。相反，当A相电压为负值时，三极管不导通，副边PG1处则为高电平。CPU通过检测PG1口的电平状态便可以知道当前电网A相的电压处于正半周还是负半周，并且可以通过检测PG1口的电平跳变来检测电网A 相的过零点位置［4］。

3.3 三相功率因数的显示电路设计

显示电路由8255和共阳极LED数码管组成，用来显示各相功率因数，图4是以A相功率因数显示电路为例。8255是一种通用可编程的并行接口电路，它具有三个8位平行口 PA、PB和 PC，上拉电阻采用10kΩ的阻值。显示电路8255的软件设定为0工作方式，其中PA口显示零，PB口显示小数后第一位，PC口显示小数后第二位，功率因数显示精度为0.01。A相、B相、C相功率因数的显示分别受 AT89C52的P2.5、P2.6、P2.7 控制。

图4 A相功率因数显示电路图

图5 AT89C52与MAX232的连接图

3.4 RS-232串行通信接口

AT89C52的P3.0与P3.1除了具有一般的I/O口线外，还可以作为串行输入口和串行输出口，可以将P3.0与R1IN连接，P3.1与T1IN连接。MAX232将发送的串行数据转换为RS-232C标准的电平信号发送到接收端，产生发送中断，供计算机处理;反之MAX232将接收的RS-232C标准的电平信号转换为串行的数据传给AT89C52，产生接收中断，供单片机处理，这样就完成了RS-232C接口通信功能。图5为AT89C52与MAX232的电路连接图。

4 软件设计

主程序设计流程图如6所示。在主程序中首先进行初始化，然后设置A相控制参数，在设置好参数后调出显示和投切子程序。A相投切完毕后，再分别对B、C相进行相同的操作，完成对三相的无功功率补偿。

图6 程序主程序设计流程图

图7 显示和投切子程序设计流程图

图7所示为显示和投切子程序设计流程图。首先确定某相为控制对象，单片机通过对该相电压互感器和电流互感器采集的数据进行分析、处理，计算出其功率因数。然后判断该相的功率因数是否大于0.9，如果大于0.9则不需要进行补偿，如果小于0.9则通过投切电容器进行补偿。

5 结束语

电力系统功率因数补偿是一项利国利民的举措，而电容组的投切是当今功率因数补偿的最行之有效的方法之一。本文所研究的是基于单片机的低压无功补偿控制器的设计，系统采用单片机控制电容器组的投切，操作简单、价格便宜，能满足设计要求。

［1］ 王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿［M］．北京:机械工业出版社，1998．

［2］ 曾亚波．单片机无功补偿控制器的设计［J］．2001．5．

［3］ 黄俊，王兆安编．电力电子变流技术［M］．北京:机械工业出版社，2002．3．

［4］ 谷勇刚，肖国春，裴云庆，等．晶闸管投切电容器(TSC)技术的研究现状与发展［J］．2003，37(2)．

Design of Distribution Network Reactive Power Optim ization——Design of Low-Voltage Reactive Power Com pensation Controller

ZHANGWen-hai1，ZHANG Yu-hua2
(1．Jiangxi Ganzhou Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower，Ganzhou 341000，China;2．College of Applied Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

This article designs a controller for low-voltage reactive power compensation in the low-voltage reactive power compensation transformation as background．Based on grid monitoring data timing and as the object to the low-voltage reactive power compensation of the town，the system studies the improvement of reactive power compensation to power grid performance and the configuration of software and hardware．

voltage quality;reactive power compensation;SCM

TM72

B

1004－289X(2013)05－0062－04

2013－06－21