配電網無功優化設計
——低壓無功補償控制器的設計

孫文海，張玉華

(1．江西省贛州市水利電力勘測設計研究院，江西 贛州 341000;2．江西理工大學應用科學學院，江西 贛州 341000)

配電網無功優化設計
——低壓無功補償控制器的設計

孫文海1，張玉華2

(1．江西省贛州市水利電力勘測設計研究院，江西 贛州 341000;2．江西理工大學應用科學學院，江西 贛州 341000)

以低壓電網無功補償改造為背景，研究了一種低壓無功補償控制器。系統以定時的電網監測數據為依據，以城鎮低壓電網的無功補償為對象，研究了無功補償對電網性能的改善，以及軟硬件的配置。

電壓質量;無功補償;單片機

1 引言

隨著社會經濟的發展，電網的規模也在不斷擴大，在電力需求大量增加的同時，對電力系統的安全運行水平和電能質量的要求也在不斷的提高。電壓是電能質量的重要指標之一，而無功是影響電壓質量的一個重要因素，可以說，電壓問題本質上是無功問題。因此解決好無功補償問題，具有十分重要的意義。

2 無功補償的原理

在正常情況下，用電設備不但要從電源中取得有功功率，同時還需要取得無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需要的電功率，是將電能轉變為機械能、熱能等其他形式能量的電功率。無功功率則比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它雖然不對外做功，但絕不是無用的功率。

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，大部分屬于感性負載。如果電網中的無功功率不足，這些設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，也就無法維持在額定情況下工作，端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了這些負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要。

當前，國內外廣泛采用并聯電容器作為無功補償裝置，它的基本原理是:把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，使得能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率得以補償。這種方法安裝方便、建設周期短、造價低、運行維護簡便、自身損耗小，是目前采取的主要補償措施。

電網中需要并聯多大的電容，可以根據當前的功率因數以及要提高到的功率因數比較計算出來，計算方法如下:

圖1 并聯電路的RLC電路

在電路圖1中，原負載為感性負載，其功率因數為cosφ，電流為I1。在其兩端并聯電容器C后，并不影響原負載的工作狀態。但從相量圖可知由于電容電流IC補償了負載中的無功電流，使總電流I減小，電路的總功率因數提高了。補償前電流為I1，補償后電流為I，功率因數從cosφ1提高到了cosφ。

流過電容的電流IC為:

從上面分析可以知道，并聯電容器后對原感性負載的工作情況沒有任何影響。但是包括電容在內的整個電路的功率因數比單獨的感性負載的功率因數提高了。在實際應用中，并不要求把功率因數提高到1，接近于1即可，否則需要并聯的電容較大，會增加設備投資。［1］

3 主要硬件設備的選型及設計

圖2是該系統硬件結構框圖，單片機AT89C52是本系統的核心，實現數據處理、輸入、輸出控制等功能。電壓互感器和電流互感器檢測三相電壓、電流值，單片機通過這些數據計算出系統功率因數，并將之與規定的功率因數比較，看看是否符合要求。當功率因數低于要求值時，通過控制電容并聯補償電路實現無功功率的補償。

顯示采用LED數碼管顯示，采用靜態顯示，以減輕CPU的負擔;投切電容電路中用固態繼電器作為控制開關以實現柔性投切;此外通過RS-232串行接口與上位機傳遞系統運行狀態信息，以適應將來配電網發展趨勢。

圖2 系統硬件結構框圖

3.1 單片機控制模塊的選擇

使用美國ATMEL公司的AT89C52單片機，它采用CMOS工藝，是一種低功耗、高性能的8位微控制器。AT89C52內部具有8K字節的Flash存儲器，可反復擦寫，適合單片機最小系統的開發與研制。［2］

3.2 A相電壓零點檢測單元

在投切電容器組時應該選擇合適的相電壓電角度，以防止產生涌流，這就要求控制器具備檢測電網電壓電角度的功能。［3］以檢測A相電壓過零點的辦法來檢測電網電壓過零點，電路原理圖如圖3所示。

當A相電壓為正值時，通過限流電阻使得光電耦合器的原邊即發光二極管流有合適的電流而發光，此時副邊的三極管因為B極受到光照，使得C極和E極導通，導通阻抗接近零，副邊PG1處被拉為低電平。相反，當A相電壓為負值時，三極管不導通，副邊PG1處則為高電平。CPU通過檢測PG1口的電平狀態便可以知道當前電網A相的電壓處于正半周還是負半周，并且可以通過檢測PG1口的電平跳變來檢測電網A 相的過零點位置［4］。

3.3 三相功率因數的顯示電路設計

顯示電路由8255和共陽極LED數碼管組成，用來顯示各相功率因數，圖4是以A相功率因數顯示電路為例。8255是一種通用可編程的并行接口電路，它具有三個8位平行口 PA、PB和 PC，上拉電阻采用10kΩ的阻值。顯示電路8255的軟件設定為0工作方式，其中PA口顯示零，PB口顯示小數后第一位，PC口顯示小數后第二位，功率因數顯示精度為0.01。A相、B相、C相功率因數的顯示分別受 AT89C52的P2.5、P2.6、P2.7 控制。

圖4 A相功率因數顯示電路圖

圖5 AT89C52與MAX232的連接圖

3.4 RS-232串行通信接口

AT89C52的P3.0與P3.1除了具有一般的I/O口線外，還可以作為串行輸入口和串行輸出口，可以將P3.0與R1IN連接，P3.1與T1IN連接。MAX232將發送的串行數據轉換為RS-232C標準的電平信號發送到接收端，產生發送中斷，供計算機處理;反之MAX232將接收的RS-232C標準的電平信號轉換為串行的數據傳給AT89C52，產生接收中斷，供單片機處理，這樣就完成了RS-232C接口通信功能。圖5為AT89C52與MAX232的電路連接圖。

4 軟件設計

主程序設計流程圖如6所示。在主程序中首先進行初始化，然后設置A相控制參數，在設置好參數后調出顯示和投切子程序。A相投切完畢后，再分別對B、C相進行相同的操作，完成對三相的無功功率補償。

圖6 程序主程序設計流程圖

圖7 顯示和投切子程序設計流程圖

圖7所示為顯示和投切子程序設計流程圖。首先確定某相為控制對象，單片機通過對該相電壓互感器和電流互感器采集的數據進行分析、處理，計算出其功率因數。然后判斷該相的功率因數是否大于0.9，如果大于0.9則不需要進行補償，如果小于0.9則通過投切電容器進行補償。

5 結束語

電力系統功率因數補償是一項利國利民的舉措，而電容組的投切是當今功率因數補償的最行之有效的方法之一。本文所研究的是基于單片機的低壓無功補償控制器的設計，系統采用單片機控制電容器組的投切，操作簡單、價格便宜，能滿足設計要求。

［1］ 王兆安，楊君，劉進軍．諧波抑制和無功功率補償［M］．北京:機械工業出版社，1998．

［2］ 曾亞波．單片機無功補償控制器的設計［J］．2001．5．

［3］ 黃俊，王兆安編．電力電子變流技術［M］．北京:機械工業出版社，2002．3．

［4］ 谷勇剛，肖國春，裴云慶，等．晶閘管投切電容器(TSC)技術的研究現狀與發展［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