一种柱上式无功补偿装置硬件设计

徐志高 龚康 王雅铭

摘 要：近些年，随着我国电网规模扩大，占有电网很大比例的配电网板块无功消耗问题日益突出，针对10kV线路配电网系统的无功补偿问题，本文研制了一种新型的柱上式无功补偿装置。由于柱上式无功补偿装置的工作环境恶劣、集成的功能复杂、位置偏远不便维护，因此装置的可靠稳定是硬件设计首先要考虑的问题。本文采用模块化的设计思路，分主控、电源、采集、通信、交互等几个功能对装置进行了设计。

关键词：柱上式无功补偿装置；硬件设计；模块化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.099

0 引言

在10kV及以下配电网无功损耗问题最为严重[1-2]。采用10kV柱上无功补偿装置进行无功补偿，能够有效提高配电网输电线路功率因数，达到降损目的。柱上无功补偿具有补偿效率高、投资小、回收快，便于管理和维护及检修费用低等优点，得到广泛应用。图1是一种柱上式无功补偿装置的拓扑图。

由于柱上式无功装置的工作环境恶劣，且地理上分布偏远，不便进行频繁的维护，因此，柱上式无功补偿装置必须稳定可靠，最终希望能达到免维护，这样的设计需求，能够大大降低工作人员工作强度，降低设备等额运维成本。

1 柱上式无功补偿装置需要满足的技术要求

无功补偿装置的设计遵从以下设计要求：

（1）工作电压：线电压为10kV的配电网线路，电压10%上线波动可以长期工作运行，电压波动范围大于10%则按照相关规定和实际情况缩短工作时间，额定频率：50HZ±0.5。

（2）控制方式：采用电压优先控制，其次满足无功平衡的控制方式。

（3）控制器具有同时进行数据存储及通信功能，可以存储多种数据，且可通过GPRS模块接受主站指令上传数据或远方遥控。

（4）具有数据采集及显示功能，能够实时采集10kV输电线路的电压、电流、无功、有功等相关的电气量，并且能够通过液晶显示屏和LED指示灯显示相应数据。

（5）具有保护功能，当线路出现工频过电压、短路及过电流、瞬态过电等状况的时候电容器应能够在规定的时间内起动保护动能，切除电容。

2 硬件设计

根据上述设计的技术要求，本文所设计的柱上式无功补偿装置的功能模块图分别如图2所示。

2.1 微控制单元的选取

本文选择的微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）是飞思卡尔Kinetis K60芯片，Kinetis是扩展性很强的微控制器，具有功耗低、兼容性优越、能够处理混合信号等优点。且该芯片系列包含超过两百种器件，功能各异，使用面广。K60微控制器不仅功能强大，便于扩展，而且价格低廉，是柱上式无功补偿装置控制单元理想的选择。

2.2 电源模块的设计

本柱上式无功补偿装置中电力电子器件中所使用的电流都是低压直流电，有±24V、+4V、+5V、+3.3V等。24V电压在光耦合开入模块以及电压反馈模块中有使用，+4V为GPRS模块供电电压，+5V为装置中基本电压信号，+3.3V电压用途很广，按键模块，A/D转换模块以及端口输入输出模块电路产生的电平信号等。

10kV电压接通电压互感器一次侧，其二次侧电压为100V，经过互感器采集线路上的电压变化调整，经整流滤波，就可得到±24V、+5V的电压，+3.3V、+4V直流电压信号则采用电源变换模块得到。

2.3 通信模块的设计

本柱上式无功补偿装置设计有两套通信模块，分别为有线通信和GPRS远程无线通信，有线通信采用专用的凤凰端子接口设计，安装在柱上式无功补偿装置箱体底板上，该有线通信接口设计主要是为了方便在检修人员到装置安装现场进行检修、调试等作业时柱上无功补偿装置与附近设备连接使用。GPRS远程无线通信设计实现了装置与主站之间自动数据交换，实现了装置的自用运行。中国移动公司提供的GPRS通信服务，其信息覆盖面广、性能稳定、实时性突出，非常适合用于户外柱上式无功补偿装置与主站之间进行信息的交流。

2.4 信号输入模块的设计

信号输入端和信号输出端之间采用光耦合开关的设计，信号只能从外部到装置内部单向传输，该器件性能稳定、抗干扰能力强，能够在输入端口和输出端口间形成电气隔离的效应。当外部信号出现高电压时，仅仅能烧毁光耦合开关，由于内部端口与外部端口之间没有电气上的联系，因此内部器件得以保全。

2.5 数据采集模块的设计

10kV线路上的电压、电流经PT、CT变换后，得到100V、5A交流电，该信号进过进一步降压处理后连接到A/D转换电路，A/D转换电路能够实现信号的滤波、稳压限幅，提升了信号的质量。

2.6 人機互动模块的设计

人机互动模块包含按键模块、液晶显示模块和LED指示灯模块。通过按键即可定装置参数。LED指示灯模块和液晶显示莫模块则可向工作人员反映装置的运行状况。指示灯模块安装在柱上式无功补偿装置的面板上，其由五个LED灯组成。五个LED灯能够实时反映装置的各种状态，非常方便反映装置运行状态，供工程人员查阅。工作人员如果需要查看液晶显示屏上的内容，必须通过按键模块才能实现。

3 结论

本文系统性介绍了本柱上式无功补偿装置的硬件设计方案，在硬件的设计上，采用了功能模块化的思想，着重介绍了微控制器、电源模块、通信模块、数据采集模块、人机互动模块的设计方案和每个模块的工作原理。

参考文献：

[1]刘建强，陈刚.配电网四种无功补偿技术方案比较[J].电力电容器，2003（03）：14-18.

[2]张强.农村配电网无功分散补偿方案探讨[J].天津电力技术，2002（04）：44-46.

[3]闫静，金黎，闫青春.10kV柱上无功自动补偿装置的研制[J].电力自动化设备，2004（05）：57-60.