無功補償自控方案在電力設計中的應用比較

朱照紅

(江蘇省靖江中等專業學校技術創新辦公室，江蘇 靖江 214500)

1 無功補償概念

隨著經濟、科技的快速發展，企業大量采用異步電動機和變壓器，大型可控硅裝置的應用和大功率沖擊性負荷的存在，使得電力系統功率因數變低，電壓波動增大。安裝并聯電容器進行無功補償的主要作用是提高功率因數以減少設備容量和功率損耗以及穩定電壓和提高供電質量，在長距離輸電中提高輸電穩定性和輸電能力以及平衡三相負載的有功和無功功率。

根據補償安排方式不同，無功補償可分為:集中補償、分散補償和就地補償3種［1］。集中補償裝設在企業或地方總變電所6～35 kV母線上，補償裝置包括并聯電容器、同步調相機、靜止補償器等，目的是改善輸電網的功率因數、提高終端變電所的電壓及補償主變的無功損耗。分散補償裝設在功率因數較低的車間或村鎮電所的高壓或低壓母線上。這種方式與集中補償有相同的優點，但無功容量較小。分散補償通常采用10 kV戶外并聯電容器安裝在架空線路的桿塔上或另行架桿進行無功補償，以提高配電網功率因數，達到降損升壓目的。因其具有投資小，回收快，補償效率高，便于管理和維護等優點，適用于功率因數較低且負荷較重的長配電線路。就地補償適宜裝設在異步電動機或電感性用電設備附近，既能提高用電設備供電回路功率因數，并且能提高用電設備的電壓質量。《供電系統設計規范》(GB50052－2009)指出:在環境正常的建筑物內，低壓電容器宜分散設置。故對企業和廠礦中的電動機，應進行就地無功補償，即隨機補償。針對小區用戶終端，由于用戶負荷小，波動大，地點分散，無人管理，因此需開發一種新型低壓終端無功補償裝置［2］。

根據補償控制方式的不同又可分為:電子式自動控制補償、單片機控制補償及PLC控制補償等多種。電力設計時，選擇合適的無功補償自動控制方案(要求:智能型控制，免維護;體積小，易安裝;功能完善，造價較低)對于提高供電安全性、降低生產及用電成本意義斐然。

2 典型無功補償自控方案

2.1 電子式自動補償控制方案

傳統的電子式自動補償控制方案由分立元件組裝如圖1所示，分立元件組裝的自動控制系統包括相位和電流檢測單元、無功運算及比較單元、投切控制單元及電容器組等。投切開關多采用交流接觸器。其缺點是產品元件多、設備體積龐大、線路復雜維修困難、可靠性差，響應速度較慢，在投切過程中會對電網產生沖擊涌流，使用壽命短。個別使用單位由于設備無法修復，僅單靠人工手動進行控制。

圖1 電子式自動補償控制方案

2.2 單片機控制技術的無功補償方案

一種典型的基于ATmega16單片機控制技術的無功自控方案如圖2所示，系統主要由信號調理模塊、AVR處理模塊、控制補償模塊、液晶顯示模塊和鍵盤等模塊組成。其中，芯片ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可減緩系統在功耗和處理速度間的矛盾。此外，ATmega16 AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器將直接與運算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大幅提高代碼效率，且具有比普通CISC微控制器最高至10倍的數據吞吐率。該控制方案就是充分利用了ATmega16芯片高速的運算能力和先進的體系結構來完成無功功率的快速檢測、動態補償和配變檢測的功能［3］。

AVR處理信號的過程是:首先對A/D轉換器輸出的信號進行采樣，并將采樣取得的信號進行FFT算法運算處理(計算功率因數、電壓、電流、有功功率等)。隨后判斷電壓是否過壓或欠壓，電流是否低于零，并根據結果決定是否要逐步切除電容器。計算無功功率需要補償的數值，且做出投切決策和輸出投切指令［4］。

系統軟件采用模塊化結構設計，將各功能模塊設計為信號采集模塊、電網參數計算模塊、電容器控制投切模塊、鍵盤與顯示模塊等四個獨立的編程調試程序塊，既便是程序的移植和修改仍方便系統調試和連接。

圖2 基于ATmega16單片機控制技術的無功自控方案

例如，目前常用的WBB礦用隔爆型無功自動補償裝置就是由單片機為核心的控制器通過實時檢測電力系統無功功率和電壓、電流，分組投切電容器，實現無功功率的補償。裝置可實時顯示功率因數、系統電壓、負載電流、無功功率、溫度、諧波百分比及電容器投切狀態。并可實時在線設置變比、投入門限、切除門限、過電壓、欠電壓、諧波百分比上限、無功功率上下限等參數。

另一種基于ADμc812的單片機的智能無功補償控制系統如圖3所示，該系統結構簡單、造價低、工作穩定、適用性強。主要芯片有:ADμc812、8255、ADM202，電容器的投切控制元件采用大功率的過零型固態繼電器SSR，由于該元件本身封裝有過零觸發模塊且自行工作不需CPU控制，既滿足了補償電容無沖擊電流投切的要求，同時仍有效地克服了執行元件采用晶閘管控制模塊所帶來的控制復雜及易受干擾而產生誤動作的弊端，提高了系統的可靠性。該系統的工作原理是:控制器在上電初始化后即打開INT0中斷，過零檢測模塊在相電壓正向過零時刻產生中斷觸發脈沖的下降沿，系統進入中斷。系統在中斷程序運行過程中測得電網無功電流及基波電壓的有效值，從而計算出電網無功功率的盈缺量。系統以此盈缺量并輔之以電網電壓作為投切判據，控制固態繼電器動作，投入或切除補償電容器，從而達到補償無功功率的目的［5］。

2.3 基于PLC控制的無功補償自控方案

PLC是以微機技術為基礎發展起來的新一代工業控制裝置。圖4所示的電氣結構圖是在傳統繼電器接觸器自控系統基礎上改造的基于PLC控制技術的無功補償自控方案。原系統的主回路、相角檢測電路、輸出電路、穩壓電源繼續采用，而加、減法電平轉換與延時電路、時鐘脈沖發生器、可逆計數器、清零電路、譯碼器等硬件電路的控制功能用PLC實現。由于相角檢測電路的輸出信號較弱，不足以驅動PLC的輸入，所以該信號要經放大處理后，作為PLC的輸入信號。根據系統的控制要求，利用PLC的軟件實現自動控制。原輸出電路中的三極管開關電路，用PLC的輸出繼電器實現。由于受到PLC輸出點容量的限制，加入中間繼電器作為輸出電路。

圖3 基于ADμc812的單片機的智能無功補償控制系統

圖4 基于PLC控制技術的無功補償自控方案

控制程序流程如圖5所示。采用模塊化、結構化設計，層次分明，結構清楚。檢測模塊隨時采集用電系統的相角信息，隨后與給定參數進行比較，如不滿足要求，及時投入或切除補償電容器，保證用電系統的功率因數滿足設定要求。

圖5 PLC控制程序流程圖

圖6所示是西門子S7－200PLC在無功補償系統中的應用方案。系統利用PLC內部的時鐘日歷可實現自動實時投切，當檢測電路或模擬單元發生故障時，可按照實時時間自動投切。當檢測、設定、過壓保護線路故障時，可通過軟件編程來避免系統誤動作，防止故障擴大。當系統故障或PLC故障時，軟件仍能保證系統停止輸出，避免誤動作。

圖6 西門子S7－200PLC在無功補償系統中的應用方案

3 無功補償自控方案比較

通過上述分析可看出，傳統電子式自動補償控制方案，響應速度慢、線路復雜，可靠性差。基于單片機控制技術的無功補償自控方案抗干擾能力較差，在中、高壓無功補償領域的可靠性不易保證。此外，電壓等級越高的變電站其輻射范圍、故障的波及面越大。而基于PLC控制技術的無功自動補償方案具有組態方便、便于擴展、可靠性高、抗干擾能力強、線路簡單以及安裝維修方便等優點，是電力系統設計及成套無功補償裝置首選方案。

4 結束語

選擇最優化的無功補償方案對提高功率因數、降低線損率、減少設計容量、減少建設投資意義重大，其直接影響著供、用電企業的經濟效益。文中用比較法，抓住電力無功補償設計的先進性、可靠性、安全性、經濟性等關鍵技術指標，系統地研究了電力無功補償典型技術方案實施過程，以期為電力設計及工程技術人員提供技術支持和幫助。

［1］文哲蓉.微機控制動態無功補償技術的研究［J］.蘭州鐵道學院學報:自然科學版，2000(3):52－55.

［2］王瑞艷.基于PLC的變電站電壓無功綜合控制系統［J］.電力自動化設備，2003(4):34－36.

［3］吳啟濤.新型低諧波靜止無功補償器及其應用［J］.電力系統自動化，2003(5):58－59.

［4］張丹紅，宋長江.混合型APF與HPF并聯運行的方案探討［J］.電子科技，2007，20(9):12 －16.

［5］楊曉萍，王筱東，秦玲，等.復合開關投切電容器無功補償裝置的研究［J］.現代電子技術，2005(11):107－109.

［6］張建軍，杜韓軍，盧蕊.基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測［J］.電子設計工程，2009(3):18－20.