基于PIC18F4320和ATT7022B的低壓無功補償控制器的設計分析

摘 要：近些年來，隨著感性負載的大量投入使用，對電網無功功率的要求也逐步提高，種類越來越多的無功補償裝置的被研發、投入到諸多行業領域中，日益發揮著重要作用。低壓電網的就地無功補償有著極為顯著的優點，最為突出的就是其終端用戶的穩定性相對較好，可以有效避免和降低無功功率的遠距離傳輸，此外對于減少網損消耗，節省電力系統的成本也有著重要作用。在諸多低壓無功補償裝置中，低壓無功補償控制的研制在無功補償裝置中起著決定性的作用。就現階段而言，我國的低壓無功補償控制器選用最多的就是利用A/D+MCU計算的方法來對電網的運行狀況加以檢測，通過對系統所需的無功容量加以分析，最終確定所采取的相應的策略投切電容器。

關鍵詞：PIC18F4320；ATT7022B；低壓無功補償控制器；設計分析

引言

電動機等感性負載占電網負載的百分之六十以上，在保證其無功功率一定的情況下，線路功率的因素與線路中流過的電流成反比，其因數越小，電流則呈現相應的增大趨勢，進而有效增加了線路損耗。倘若線路的損耗較為嚴重，則可能會導致用戶端電壓無法達到既定值。為了有效降低和減少無功功率的傳送、有效對線損加以降低、提高負載端的電壓，通常會在電動機附近以及線路的適當位置并聯安裝一定容量的電容器。但是，對于并聯電容的容量是有一定的要求的，要盡量避免其容量過大的情況，選擇最為合適的電容器，推動無功率補償裝置的應用和發展。

以下，作者簡要就一種最為常見的利用PIC單片機PIC18F4320結合高精度三相電能專用計量芯片ATT7022B實現無功補償的控制器，該控制器可以有效對電網的運行狀況進行準確的檢測，進一步控制電容器的投切，有效實現我國低壓配電網的自動無功補償。

1 對于無功補償技術的簡單分析介紹

1.1 無功補償簡述

就我國現階段的發展情況來看，電網中電力負荷中的諸多儀器設備，很多都是感性負載，在該設備使用的過程中，不僅需要消耗無功功率，此外還要吸收一些無功功率，這就極容易導致電網功率因素較低的情況。據諸多實驗、實踐數據分析顯示，大約在整個的負荷中，有百分之六十左右的為感應電動機荷載。在電網中采用并聯的連接方式，可以對輸電線路因輸送無功功率導致的輸電損耗加以有效的降低和減少。很明顯，這些感性負載所吸收的無功效率倘若均需要長距離的輸送，是無法做到的。因此針對這種情況，最好的處理方式就是將電容器的連接方式改為并聯式，有效降低和減少無功功率的流動性，其功率因素也會得到很大的提高。因此，無功補償的本質就是對功率因素的有效提高。

1.2 無功補償方式分析

一般情況下，無功補償的方式主要有三種，分別是三相固定補償方式、單相動態補償方式以及三相動態的補償方式。在這幾種補償方式中，動態補償方式一般會有較為固定的編碼規律，以便獲得良好的補償精度。

2 系統的硬件設計分析

無功補償有效開展的重要前提就是對電網的運行狀況進行準確的測量，其中主要需要對無功功率、無功電流、能量、諧波狀況參數以及電網的功率因素等諸多參數進行準確的掌握和了解。文章中控制器所采用ATT7022B對這些參數加以采集，其數據的準確度較高，內部構造設計較為簡單、通俗易懂；對于存儲設備而言，一般會采用鐵電存儲器，該存儲器的選擇有效保障和提高了其存儲的可靠性；除此之外，還相應的為該系統設置了一些保護檢測單元，有效的對一些電網的不規范現象進行較好的監控和檢測；控制單元均采用的主控芯片是PIC系列PIC18F4320單片機，該單片機含有計量芯片相連接的SPI總線和與鐵電存儲器連接的I2C總線。

2.1 測量單元

電網電壓通過互感器之后，電壓、電流信號被傳送到ATT7022B上面。在ATT7022B中，其內部集成了七路十六位ADC，所有功率、能量、功率因素、參考電壓電路以及頻率測量的數字信號處理等電路，此外還需要將測量值分別放入不同的存儲空間中進行存儲。因此，功率因數不需要在系統軟件中借助相應的算法來計算得出，這不僅有效節省了CPU空間占用，所采集的數據的精度也得到了極大的提高，最終有效提高了無功補償的精度問題。此外，該芯片的另一個重要特點就是其提供了一個額外的SPI接口，為外部CPU與內部之間的參數的交互傳遞提供了保障。

2.2 投切執行單元

ATT7022B 的測量結果以及確定是否需要無功補償等，主要需要借助控制器的CPU進行分析和確定，控制器的CPU所進行的分析和判斷也就是對電容器的投切以及其電容狀態輸入部分的分析，來科學合理的確定所需投入補償的支路。

綜合諸多的無功補償方式，發現在全部的補償方式中，大約有百分之五十的無功補償需要采用的補償方式是固定補償，這種固定補償方式的選用，往往需要在投切動作進行時借助于觸點開關加以輔助，但是當其改變補償方式成為動態補償之后，往往需要頻繁的對開關進行操作。通常來講，電容器的兩端不會無故發生較大的電流沖擊，只有當二者之間的差值較大，這種情況才會出現，但是倘若設有觸點投切電容器，就可以極大程度的避免這種情況的出現。因此針對這種情況，為了更好的保障投切電容器的運行，可以在其晶閘管的兩端電壓處于零的時候進行投切動作。以下作者文章中主要選用控制器型號是Motorola公司的過零觸發控制芯片MOC3061。

在該儀器中，腳1、2分別是不同的兩個輸入口，當這兩處的電流超過5毫安時，那么其芯片內部則會有紅外射線發出。倘若在該儀器的腳4、6之間接入了220V的交流電，那么在這兩者之間將會產生一定的電壓，尤其是這兩個終端觸發電壓的存在，可有效疏通相應的晶閘管，保障過零電壓的疏通。

2.3 人機接口單元

人機接口單元主要包括鍵盤輸入和數碼顯示兩個部分，鍵盤區域中，主要設有上移、下移以及確定三個按鈕鍵，這三個按鈕鍵的主要目的就是為了方便對工作參數、時鐘的設定以及對數碼顯示內容的切換，此外也可以完成電容器的手動投切。八個共陰極數碼管的驅動，可以借助顯示驅動器來有效實現驅動，此外對于電網運行的基本狀況要加以記錄，其主要的數據包括電力、系統的無功功率、電壓以及電容的投切狀態等。

3 軟件設計分析

3.1 軟件流程的設計分析

本文中，所采用的電容器投切的主要方式是首先對電網是否存在過壓和欠壓現象加以確定和分析，然后在有效保正電壓穩定性的前提下，對電網實際的無功功率加以分析，之后對電網的功率加以確定，并同其既定值進行比較，最終決定投切容量的大小以及投切方式。

3.2 投切的準確判斷

在進行投切的判斷時，首先需要對工作中的線路的電壓加以掌握，嚴格規范投切的電壓控制，避免非理想狀態下對投切進行判斷，諸如非過壓等情況。其投切的主要依據是功率因數，[0.77，0.95]是投入值的參考范圍，0.95～-0.90是其切除值的參考范圍。當測量值大于或者等于切除值時，對電容器的切除需要延遲其投切的時間，并且需要按照一定的電容器容量順序（從小到大）來進行切除；反之，則需要推遲電容器的投入時間，按照從大到小的電容器容量順序來有序投入電容器。

4 結束語

文中所述的低壓無功率控制器的結構相對而言較為簡單，而且較為可靠，成本較低，因此，ATT7022B專用計量芯片的采用，在對電網的運行參數進行分析時，可以有效降低對CPU的要求，保障了系統運行的穩定性。此外，也有效避免了開關的頻繁操作造成的一系列破壞和損害。

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