配电房无功补偿电容自动投切系统设计

1、皖西学院本科毕业论文（设计）皖 西 学 院本科毕业论文（设计）论 文 题 目配电房无功补偿电容自动投切系统设计姓名（学号） Mark（2009011746）院 别机械与电子工程学院专 业电气工程及其自动化导 师 姓 名刘林配电房无功补偿电容自动投切系统设计作 者指导教师刘摘要:最近几年来，随着我国经济的发展，对电力的需求,以及全球能源危机，加强电能的质量和能耗的降耗变得很重要。 电网中在传输电能时会产生的电能损耗，这是很大的浪费。最严重的是中低压配电网中的电能耗损占了大部分。用晶闸管投切电容器来进行无功补偿来提高功率因数，降低线损这些都是很有效的方法。在电网中安装的无功补偿设备有晶闸管控制电容

2、器的投切、有固定配置的并联电容器等。出于对电能质量和经济运行的均衡考虑，用晶闸管控制电容器的投切在近年来都是首选的方式。本文是使用的单片机是AT89C52，通过对单片机的编程来实现无功补偿系统的自能监测和自动控制，通过电容器的投切来调整功率因数，使其得到优化，并提高电网供电能质量以及经济运行。关键词：配电网 无功补偿 电容器 AT89C5212目录第一章 绪论11.1 课题的研究背景11.2 目前无功补偿存在的缺陷1第二章 无功补偿原理和算法32.1 无功功率补偿的原理32.2 无功功率补偿的方式62.3 无功补偿投切的就地控制算法6第三章 系统硬件设计83.1 无功补偿电容自动投切系统总体框

3、图83.2 AT89C52单片机83.2.1 AT89C52单片机的硬件结构93.2.2 主要性能参数103.2.3 AT89C52管脚说明113.2.4 存储器结构133.3 相位差检测单元电路的设计143.3.1 相电压、相电流输入电路143.3.2 相位差的检测153.3.3 相位差的计算183.4 投切电容电路的设计203.5 三相功率因数的显示电路设计243.5.1 LED显示器243.5.2 8255A与LED显示器的接口263.6 电源电路设计28第四章 系统软件部分设计304.1 主程序设计流程图304.2 子程序设计流程图31结 论32致 谢33参考文献：343 第一章 绪论

4、1.1 课题的研究背景我们把完整的电力系统分为发电、高压输电和次高压输电、配电、负载四个部分。输电和配电系统所输送的电能有功功率和无功功率两个部分。配电网的总负荷是有功电流和无功电流在流经输电线路，配电设备时会产生的有功功率损耗和无功功率损耗，以及电力系统用户消耗的无功功率和有功功率。在整个电网中，每个时刻，电网中的无功负荷和有功负荷都一定和无功电源和有功电源相互平衡。有功电源是发电机，无功电源可以是发电机，也可以是并联的电容器等无功补偿装置。随着我国经济的高速发展，对电力需求不停的增长，电网规模不停的增大，电力工业也有相应的发展，但于此同时供电的质量等问题也越来越严重。其中比较明显的是无功功

5、率的不足。在配电网中的配电线路、中低压变压器、异步电机等较多电感性负荷的存在都会产生无功损耗。无功功率的不足造成了较多的无功电流在配电网络中传输，造成不良后果，第一，增加了有功网损，而降低原配电网运行的经济性；其次，降低了供电电能质量以及供电的可靠性；第三，降低了配电系统对有功功率输送的能力，因此电力系统的使用效率降低。实现就地无功功率的平衡是解决无功功率的不足重点之处。对于中，低压配电网络和电力系统用户来说，安装并联电容器是很经济实用的办法。1.2 目前无功补偿存在的缺陷 数据表明，在中国国内城镇乡、村配电网无功损耗数据如下：0.4kV级损耗占约51%左右，0.4kV-10kV级损耗占约18

6、%左右，35kV以上损耗占约31%左右。在农村电网中，较长距离供电很普遍，10kV线路耗损很大；而在城市电网中，配点网络的耗损主要在0.4kV。由此可见10kV等级电压以下的无功损耗占了很大的比例。因此，做好这部分的无功补偿很重要。最近几年，计算机技术的快速发展，无功补偿也己经得到了巨大的成就，无功补偿设备已经进入一个崭新的阶段。但是，许多输电系统中依然会出现无功功率补偿不足。无功补偿主要有以下的问题：无功补偿容量不足，集中补偿居大多数第 1 页第二章 无功补偿原理和算法2.1 无功功率补偿的原理电力网络中的电动机，变压器的工作原理是法拉第的电磁感应原理。磁场所拥有的磁场能均是由电源提供。电动

7、机的线圈和变压器的线圈在能量转化过程就是交变磁场。在一个周期内线圈吸收与释放的功率相等或者交流电网中的电容器充电与放电功率相等，它们被称为无功功率。无功功率主要用来建立静电场和磁场，并且会在电力系统元件中流动，这就是无功电流。无功电流的存在会引起电压损耗和功率损耗，降低电网供电能质量以及电网的经济运行。通过对无功功率的补偿可以改变这一状况。无功补偿的原理就是在一个电路中通过电感与电容器的并联，即电感吸收（释放）电能，而电容器可以释放（吸收）电能。电能在电感与电容之间相互转化，即无功补偿。无功补偿的原理可由图2-1来说明：图2-1 无功功率补偿原理图设负载需从电源吸收的无功功率为“Q”，装设无功

8、补偿装置后，无功补偿功率为“”，这样电源输出的无功功率为“QQ1-”，功率因数从“”升高到“”在功率从“S”降低到“S”。由电力系统功率损耗的计算公式： （2-1） 使用无功补偿设备进行无功补偿后，电源输送的总功率减少。 由电压损耗计算公式 （2-2）使用无功补偿设备进行无功补偿后，电力网无功功率的减少，提高了电网供电能质量以及电网的经济运行。在输电网络中，电器设备的线圈可以等效看做电感L与电阻串联的电路，设 （2-3）式中：我们把被定义为电力网的功率因数。在电力系统运行中，越大越好，这样可以降低无功功率的损耗。将R，L电路并联电容C后，电路如图2-2（1）所示，该电路的总电流是流经电容C的电

9、流和流经R，L的电流之和。由图2-2（2）的相量图可知，并联电容器后，的值提高了，电流I的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。 （1）电路图 （2）向量图（欠补偿） （3）向量图（过补偿）图2-2无功补偿功率的电路和向量 由电容C提供的电流过大，电压的相位滞后于电流I，这种情况称为过补偿，其向量图如图3-2（3）所示。电力系统中的无功功率，有功功率P，还有视在功率S之间有以下关系，即 （2-4）而因此功率因数可以用以下公式表示 （2-5）式中：U表示线电压I表示线电流可见在电压、电流一定的情况下，提高，可增大输出的有功功率。 2.2 无功功率补偿的方式 低压配电网是处于电力系统的尾端，因此电网

10、补偿的重点在低压配电网。作好低压无功补偿有以下好处，减轻上一级电力系统无功补偿的压力，提高低压配电变压器的使用效率，提高供电电压质量，减少电能损耗。无功补偿的目标，是实现无功功率的就地平衡，我们一般采用以下三种方式：跟踪补偿、变压器侧补偿、随机补偿。2.3 无功补偿投切的就地控制算法由于各个补偿点现场调压、调相设备以及调控目标的不同，目前并无统一的标准进行补偿电容器的就地自动控制投切。一般按以下三种方式进行投切操作。(1)功率因数。电力系统中按功率因数的大小进行补偿电容器的投切是传统的方法，但这样容易在有功负荷轻载的时候形成投切振荡。(2)电压和功率因数控制投切。电压和功率因数控制投切由电压和

11、功率因数共同决定、判断进行无功补偿电容器的投切。采用电压和功率因数控制投切方式经常使无功补偿电容器出现投切振荡。(3)电压和无功功率控制投切。与电压和功率因数控制投切方法相比，电压和无功功率控制投切的方法有以下优点；能准却地跟踪无功功率，能准却的进行补偿电容器的投切。九区图控制法是目前使用最为广泛的控制方式，由电压、无功功率两个因数共同决定，电压、无功功率的上下限如下图2-3所示。图2-3 电压无功功率复合控制九区图1区域；U越上限、Q正常。控制策略是切电容器。2区域；U越上限、Q越上限。控制策略是切电容器。3区域；U正常、Q越上限。控制策略是投电容器。3区域；U正常偏高、Q越上限。若入电容器

12、则可能会跳到区域，所以控制策略是电容器保持不动。4区域；U越下限、Q越上限。控制策略是投电容器。5区域；U越下限、Q正常。制控策略为投是电投容电器容。6区域；U越下限、。Q越下限。控制策略是投电容器。7区域；U正常、Q越下限。控制策略是切电容器。7区域；U正常偏低、Q越下限。若入电容器则可能会跳到区域5，所以控制策略为电容器保持不动。8区域；U越上限、Q越下限。控制策略是切电容器。9区域；U正常、Q正常。控制策略是电容器保持不动第三章 系统硬件设计3.1 无功补偿电容自动投切系统总体框图该系统硬件结构框图如图3-1所示，主要由单片机AT89C52来进行数据处理、输入、输出控制。补偿电路的功率因

13、数由计数器8031计算，并由LED进行显示，通过单片机将8031计算出的功率因数进行判断，当功率因数小于0.9时，则由单片机控制固态继器来控制补偿电容器的投入，对补偿电路进行补偿。无功补偿电容自动投切系统有五大部分组成；相位差检测模块，功率因数显示模块，补偿电容器投切模块，电源模块和单片机系统。图 3-1系统硬件结构框图图3-2 系统原理图3.2 AT89C52 AT89C52其特点：CPU： 拥有八位 寻址空间（用户）： 拥有128个振荡器(片内)： 1.212 MHZ数据存储器（片内）： 128B程序存储器（片内）： 4KB特殊功能寄存器： 21个字符并行I/O接口： P0，P1，P2，P

14、3定时计数器： 十六位 两个数据存储器（片外）： 64KB寻址空间程序存储器： 64KB寻址空间特殊功能寄存器： 二十一个字节指令： 111条（乘法，除法指令）在内片内结构： 总线结构中断源： 五个（两个优先级别）  图3-3 AT89C52外部引脚图Vcc：电源电压GND：地P0，P1，P2，P3并行I/O接口，这几个接口都有输入以及输出的接口的作用，除了三态双向口是P0以外，像P1，P2，P3这三个接口都是作为准双向口来使用的，然而这四个口却有着不同的另外的作用。P0口除了作为普通的输入输出接口外，另一个作用是分时复用的接口的作用，它的组成与其余的三口类似，但较复杂点，GND接地

15、，Vcc接电源，V1管与输出锁存器接转换开关MUX,且接反相器的输出端接V1.锁存器D端接内部总线。CKL端接写锁存器，两个三态缓冲器连接内部总线。P1口结构较P0口简单，输入时，与其一样。输出时较为简单，因为P1口有上拉电阻。GND接地，Vcc接电源，通用接口是它的唯一作用，它用到了上拉电阻，与V1管相接没有MUX转换开关，V1管与输出锁存器接转换开关MUX,且接反相器的输出端接V1.锁存器D端接内部总线。CKL端接写锁存器，两个三态缓冲器连接内部总线。它能够驱动负载，。P2口包含了P1口的MUX转换开关，而且又有P1口的上拉电阻。GND接地，Vcc接电源，V1管与输出锁存器接转换开关MUX

16、,且接反相器的输出端接V1.锁存器D端接内部总线。CKL端接写锁存器，两个三态缓冲器连接内部总线。内部上拉电阻接V1管，V1管再借MUX转换器。它两一个用途是高八位的地址线。P3口除了没有转换开关外，其余部分与P2口相似，锁存器与两个三态双向口相接通过内部总线与锁存器D端相接。第二功能是其另一个作用，闲显的尤为重要。3.3 相位差检测模块的设计 相位差检测模块的设计有以下几部分，如图3-4所示： 1. 信号的采集是通过电流互感器间接进行的。由于直接采集到的线路电压和电流都比较大，不能直接进行分析和控制。可以将采集到的线路电压U和电流I分别经过电压/电流互感器处理后再进行分析。为了操作方便，将电

17、流互感器采集的电流I经过I/U变换电路转变成Ui信号。2. 在将得到的U和Ui信号分别传送到电压比较器中，可以得到两组方波信号µ1、µ2。 3. 将得到的方波信号µ1、µ2输入鉴相电路。输出信号µ0，其宽度表明两信号之间的相位差。 4. 将送入µ0计数器8253处理。通过总线AT89C52从8253读出计数值，并处理。 图 3-334相位差检测框图3.3.1 相电压、相电流输入电路实际的输电线路上的电压和电流都很大，只能通过互感器来间接采集。互感器分为电压互感器、电流互感器，它们的工作原理和在电路中的作用基本相同。电压互感器可分为和电

18、容分压式电磁感应式两大类。电磁感应式电压互感器常用于220kV以下的电力系统中。电容分压式电压互感器常用于110kV以上的电力系统中。电压互感器、电流互感器工作原理是法拉第的电磁感应原理。此设计是对低压电力系统进行无功补偿的，因此可以采用电压等级相对较低的电感式电压互感器。图 3-5 A相电压、A相电流输入电路如上图3-5所示，以A线为例，从三相交流输电线的A相取电压信号U，从A相取电流信号I。U通过电压互感器转变换成5V电压信号UU，I通过电流互感器和I/U转换器转换成同相位的电压信号Ui。图中的电阻R1、R2、起分压作用。3.3.2 相位差的检测为了将得到的电压信号转化为数字信号进行分析，

19、可以先把电压和电流的余弦波形经过一定的方法转化为方波信号。可以采用电压比较器等电力电子器件实现。电压比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元。信号可以通过电压比较器是进行鉴幅与比较。此设计的电路中只有一个阀值电压，故可采用过零比较器，其阀值电压UT=0V。电路如图3-6所示图3-6 过零比较器电路 二极管限幅电路主要作用是限制集成运放差模输入电压并保护输入端，如下图3-7所示。 图 3-7 电压比较器电路图把得到的电压信号输入由D触发器构成的鉴相电路（如图3-8）后可以得到两信号的相位差。图 3-8 由D触发器构成的鉴相电路 以A相为例，由互感器采集到的电压U，电流Ui（电流I经过I/U 变换后

20、为Ui）加到电压比较器的输入端，电压比较器将U和Ui转变为方波信号1、2，通过鉴相电路后输出的信号0的宽度表示两信号1、2之间的相位差，如下图3-9所示。 图 3-9 相位检测波形图3.3.3 相位差的计算相位差检测电路图 3-10 相位差检测电路图计数器8253需要 4个接口地址，是片选信号。A0和A1连接到锁存器74LS373上，用来寻址计数器8253芯片内部的3个计数器以及控制寄存器。8253的各种读写操作由信号、A0、A1与读信号、写信号相结合来实现。U0通过与门输入计数器8253的计数器0的门控信号GATE0上，如果GATE0为高电平时，则计数器计数；如果GATE0为低电平时，则计数

21、器停止计数。同时AT89C52可以通过 P1.2口控制与门来控制门控信号，若P1.2为高电平时，禁止计数。当P1.2为低电平时，允许计数。计数器8253计数结束后，单片机AT89C52通过总线从8253读出计数值并处理。计数器8253的初始化程序：0计数器地址为0800H；1计数器地址为0801H；2计数器地址为0802H；计数器控制寄存器地址为0803H。0计数器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A,#30H ；MOVX DPTR,A ；MOV DPTR , # 0800H ；MOV A, # 0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；1计数器

22、初始化：MOV DPTR ，#0803H ；MOV A, #70H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR ,#0801H ；MOV A,#0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；2计数器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A ,#B0H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR , #0802H ；MOV A, #0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ； 3.4 投切电容电路的设计使用过零型故态继电器作为控制开关可以实现系统的柔性控制。在单片机测控系统中，单片机对电力系统的各个电气设备是间接控制的。因此

23、，单片机系统与电气电路的各个被控电气设备之间存在连接问题。要保证单片机系统与被控电气设备之间有良好的隔离，又要保证单片机系统能有效的控制执行电路。单片机系统，被控电气设备用继电器作为桥梁。固态继电器是一种无触点的半导体器件, 有以下优点：: (1)控制电压低。 (2) 输出无触点、无噪声、无火花, 开关速度快。 (3) 输出、输入之间需要光电隔离。 (4) 即有交流，又有直流输出方式。 (5) 采用环氧树脂密封寿命长。由于上述优点,固态继电器在单片机测控系统的应用很广泛。ACSSR (Z 型)在无功功率补偿电路中的工作原理如下图3-13所示。只有当单片机发出投切信号且过零检测有同步脉冲信号时，

24、“产生触发脉冲”模块才产生触发脉冲并保持，ACSSR (Z 型)内部的晶闸管接通的条件是由单片机发出投切信号，过零检测有信号。ACSSR (Z 型)导通，电容投入，对系统进行无功补偿。电容器需要被切除时，单片机发出切除信号，ACSSR (Z 型)自然关断。图 3-12过零型固态继工作原理图 图 3-13过零型固态继电器工作波形图 图3-14是由固态继电器构成的投切电容电路，通过ACSSR (Z 型)的控制可以达到柔性投切。 图 3-14 由固态继电器构成的电容投切电路如图3-15所示，投切电容器模块主要用到8255A对单片机端口进行扩展、锁存器74LS373、ACSSR (Z 型)等元器件。

25、图 3-15 投切电容电路图该电路的8255A使用PC口的位操作功能，可控制8个量。通过AT89C52的P1.5、P1.6、P1.7控制锁存器74LS373，并通过8255A进行位操作扩展，可控制24个电容器。每相最多可投入8个补偿电容器。投切初始化程序投切8255A控制字地址1003H。MOV DPTR，#1003 H ；MOV A ,00H ；MOVX DPTR ,A ；MOV A, # 02H ；MOVX DPTR , A ；MOV A,# 04H ；MOVX DPTR , A ；3.5 三相功率因数的显示电路设计3.5.1 LED显示器 发光二极管英文名称的缩写是LED。LED显示器是

26、发光二极管构成的，其在单片机系统中的使用非常广泛。图 3-16 外型及引脚LED显示器的结构：常用的LED显示器为8段，如图3-16所示。每一个发光二极管对应一个段，共阴极LED显示器的发光二极管的阴极是公用的。当LED某段发光二极管的阳极为高电平，阴极为低电平，则发光二极管点亮，相应的段被显示。共阳极LED显示器与共阴极LED 显示器是刚好是相反的。LED显示出不同的字符就需要点亮不同的段，因此需要为LED显示器提供代码，代码与段是一一对应的，因此该代码称之为段码或称为字型码。 八段发光二级管是由七段发光二极管再加上1个小数点位构成的。LED显示器的段码是1B。各段段码与字节各对应如下： 代

27、码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba 表 3.2 8段LED段码显示字符共阳极字型码共阴极码显示字符共阳极字型码共阴极字型码03FHC0H96FH90H106HF9HA77H88H25BHA4HB7CH83H34FHB0HC39HC6H466H99HD5EHA1H56DH92HE79H86H67DH82HF71H8EH707HF8HH76F89H87FH80HP73H8CH 3.5.2 8255A与LED显示器的接口此设计采用的是共阳极LED显示器，阳极连接在+5V上，每位的段代码可以与单片机的P0、P1、P2端口相连。要使字符显示，只要在该位的段码上保持段码电平就能持

28、续显示。如图 3-18所示， 以8255A的PA口为例。介绍8255A与LED显示器的接口。 图 3-18 8255A与共阳LED连接图 图 3-18 A相功率因数显示电路图由三片8255A对单片机的端口扩展来连接九个共阳LED 数码管，这样就组成三相功率因数显示电路，用来显示A相、B相、C相相对应的功率因数。下图3-18只画出A相功率因数显示电路，8255是常用的并行接口电路。AT89C52 的P2.5、P2.6、P2.7分别控制A相、B相、C相功率因数的显示。显示初始化程序1. A相显示， A口地址：2000H，B口地址：2001H，C口地址2002H；8255A控制字地址：2003H，A

29、相显示数码管初始化MOV DPTR，#2003H ；MOV A, 80H ；MOV DPTR , A ；MOV DPTR, #2002H ；MOV A , # 40H ；MOVX DPTR, A ；2. B相显示，A口地址4000H；B口地址4001H；C口地址4002H；8255A控制地址4003HMOV DPTR，#4003H ；MOV A, 80H ；MOV DPTR , A ；MOV DPTR, #2002H ；MOV A , # 40H ；MOVX DPTR, A ；3. C相显示，A口地址4000H；B口地址4001H；C口地址4002H；8255A控制地址8003H。MOV DP

30、TR，#8003H ；MOV A , 80 H ；MOV DPTR, A ；MOV DPTR , # 2002H ；MOV A , # 40H ；MOVX DPTR, A ；3.6 电源电路设计目前的单片机系统大都是采用民用电供电，即220V，50Hz。单片机系统的控制电路一般都是弱电（3V-12V），因此不能由民用电直接单片机供电，单片机系统和民用电之间必须配备稳压电源来保证供电的质量。如图3-19所示，用变压器将220V交流电变成12V的交流电，12V的交流电压经过四个二极管组成的整流电路后变成12V的直流电为固态继电器供电。再用芯片7805把12V的电压转化为+5V的直流电为单片机供电。

31、在电路中加入了滤波电容，能有效的消除电网电源波动引起的扰动。 图 3-19 直流电源电路 第四章 系统软件部分设计根据国家规定，功率因数一般应大于0.9，如果功率因数小于0.9就要进行补偿。功率因数小于0.5的电力系统是要被停电处理的。该控制软件用C语言编程，由主程序和显示、投切电容子程序组成。由AT89C52对功率因数进行检测，根据功率因数大小，判断投切电容数量。如果电容器投入数量大时，需要把电容器分为多个组多次投切来完成，这样可以避免对电网造冲击。4.1 主程序设计流程图 程序主程序设计流程图如4-1所示。在主程序中首先将芯片进行初始化操作，然后设置A相控制参数。在设置好参数后分别调出显示

32、和投切子程序，A相投切完毕后，再对B、C相分别进行相同的操作。以完成对三相的无功功率补偿。 图 4-1 程序主程序设计流程图4.2 子程序设计流程图如图4-2所示为显示和投切子程序设计流程图。先确定某相为控制对象，然后从线路上采集所需要的数据，单片机通过对数据进行的分析后确定其功率因数。接下来判断该相的功率因数是否大于0.9如果大于0.9不进行补偿，如果小于0.9再进行补偿。图 4-2 显示和投切子程序设计流程图结 论随着我国经济飞速发展，电力系统的也有所发展。但电力系统的发展滞后于经济，对电力的需求,以及全球能源危机，加强电能的质量和能耗的降耗变得很重要。电网中在传输电能时会产生的电能损耗，这是很大的浪费。最严重的是中低压配电网中的电能耗损占了大部分。用晶闸管投切电容器来进行无功补偿来提高功率因数，降低线损这些都是很有效的方法。在电网中安装的无功补偿设备有晶闸管控制电容器的投切、有固定配置的并联电容器等。出于对电能质量和经济运行的均衡考虑，用晶闸管控制电容器的投切在近年来都是首选的方式。通过无功补偿装置对电力系统进行无功补偿以可充分发挥电力系统中的电力