智能三相功率补偿器的设计说明

1、 .PAGE31 / NUMPAGES31绪 论随着国民经济的飞速发展，用电量的日益增加，电网的经济运行已是一个不可忽视的问题。因此，如何降低网损，提高电力系统的输电效率，保证电力系统的经济运行是电力系统面临的实际问题，也是电力系统研究的主要方向之一。电力系统在运行过程中，由于感性负载的存在，使电网无功功率大量增加。另外，近些年来，国民经济各部门大力推广使用各种新型的电力电子整流装置，他们在减少能量耗损的同时，也带来了功率因数下降、电压波动、闪变、三相不平衡以与谐波干扰等问题。其最终结果都是使配电设备的使用效能得不到充分发挥，设备的附加功耗增加。因此，进行有效的无功功率补偿，提高功率因数是电网

2、与电力系统安全经济运行的重要保证。毫无疑问，无功功率补偿的研究势在必行。我国与世界上发达国家相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距，因此在我国大力推广无功补偿技术尤为迫切。 特别是在低压配电系统中，多数电器设备都是感性负载，它造成电流相位滞后于电压相位，电力能源消耗在电网传输线上，使得电网供电质量下降。为此，必须采取相应的补偿措施来弥补感性负载带来的影响。目前，在变电所和工矿企业，已安装有无功功率补偿装置，这些装置安装于配电室，对本部门的无功功率进行补偿。但大量为城乡居民供电的配电变压器位于户外，无人值守，也没有安装无功功率补偿装置，谐波无法消除，造成配电变压器和变电站之间无功

3、电流的流动和线损。现在进行的城乡电网改造重点在于线路，无功功率补偿问题尤为重要。随着改造工作的深入，必将会考虑到这些配,变压器的无功功率补偿问题，但在低压配电系统中常用的无功功率补偿器主要存在以下缺点：体积大、采样精度不高、未考虑低压负荷三相不平衡因素、三一样时投切、投切电容器级数少、抗干扰能力和可靠性差等，经常造成电网过补偿或欠补偿。因此，我们根据上述需求研制了一种智能化无功功率自动补偿控制器。本文介绍的基于AT89C52控制的高精度低压无功功率补偿器，能克服以上缺点，具有对电网冲击小、响应快、抗干扰能力强、精度高、可分相投切。第1章 系统的总体设计1.1引言 电力系统的负载大多是电感性的，

4、会消耗无功功率，使得负载电流相位滞后于电压，相角差越大，无功功率需求越大，要供给固定的有功功率，势必提高电流而增加线路损耗。同时，电力网络中的用电设备消耗的无功功率也必须从网络中某个地方获得，显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应该是在需要无功功率的地方产生无功功率。因此，我们根据上述需求研制了一种智能化无功功率自动补偿控制器。本文介绍的基于AT89C52控制的高精度低压无功功率补偿器，能克服以上缺点，具有对电网冲击小、响应快、抗干扰能力强、精度高、可分相投切。1.2无功功率补偿概述1.2.1无功补偿的原理电网输出的功率包括两部分：一是

5、有功功率，二是无功功率。直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能做功，这部分功率称为有功功率；不消耗电能；只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够做功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能。电流在电感元件中做功时，电流超前于电压90。而电流在电容元件中做功时，电流滞后电压90。在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180。如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小，从而提高电能做功的能力,总之无功

6、补偿的基本原理就是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。 无功补偿的原则是提高用电单位的自然功率因数，无功补偿分为集中补偿，分散补偿和随机随器补偿，应该遵循全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡；集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主的原则。1.2.2无功补偿的意义(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数。 (2)减少发、供电设备的设计容量，减少投资。例如当功率因数cos=0.8增加到cos=0.95时

7、，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW。对原有设备而言，相当于增大了发，供电设备容量。因此对新建、改建工程，应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。(3)降低线损。假设cos1为补偿后的功率因数，cos2为补偿前的功率因数，由公式P%=(1-cos/cos)X100%得 cos2cos1，所以提高功率因数后，线损率也下降了。减少设计容量，减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以与降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。因此功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。（4）无功补偿可以改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设

8、备潜力、无功补偿减少用户电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。不过在确定无功补偿容量时应注意在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功功率势必造成功率损耗增加；另外功率因数越高，补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿。1.2.3无功补偿装置的组合元件常用低压无功补偿设备的组合元件：无功功率自动补偿器无触点可控硅模块或智能复合开关 电容器(带放电电阻) 熔断器 电流互感器 避雷器 开关 电抗器(对无触点开关起到过电流保护作用;对防止电容器过电流也起到抑制作用)。为了达到节能减低损的目的，应积极采取措施减少用电设备对配电系统的无功功率的吸收量，即平衡用电的无功功率

9、，提高网络的功率因素。否则, 将会使系统电压降低，损耗增加，设备损坏。功率因数下降严重时会引起电压崩溃、系统解裂, 造成大面积停电事故。因此, 解决电网的无功容量不足，增装无功补偿设备，提高网络的功率因数，对电网的降损节电，安全可靠运行有着极为重要的意义。1.3控制器的结构“智能化无功功率自动补偿控制器”（以下简称控制器）采用先进的单片机技术设计，集无功功率智能化补偿控制、电能参数的测量和质量监测、长时间记录功能于一体，是电容器柜的核心控制部件，是传统控制器的升级换代产品。 控制器由分压电路、电流变换电路、A/D 转换器、从处理器、接口电路、主处理器、实时时钟电路、FLASH存储器、输出控制电

10、路、键盘显示电路和通讯接口电路等组成。控制器电路方框图如图1-1所示图1-1控制器电路方框图1.4控制器的原理控制器核心为新型高性能的AT89C52单片机电路，配以高精度的 A/D 转换器，可对三相电压和电流进行交流同相采样；采用智能化快速投、切的算法与程序，根据无功功率的大小进行计算，控制补偿电容器的智能化快速投、切，一次补偿到位；对线路中各相的无功电流进行分相补偿，使之处于最优运行状态，最大限度地节约电能；采用大容量的串行 FLASH存储器，可对供电参数进行监测；看门狗(WATCHDOG)集成电路 DS1232，具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点，应用在单片机产品中能够很好地提高硬件的

11、抗干扰能力。 控制器的工作过程如下：将三相电压经电阻分压后变为较低电压的信号，由 A/D 转换器对其采样；将三相电流经精密互感器变换为电压信号，然后经 A/D转换器采样。A/D转换器设有 6个通道，可同时对上述 6个信号进行采样，采样后的信号送入一片专用的微处理器，经从处理器分析、计算后得出三相电压、三相电流的有效值、三相有功功率、三相无功功率和三相的功率因数等。控制器的其他工作由另一片微处理器主处理器完成，两片处理器之间通过接口电路连接交换数据；主处理器将测量得到的各相功率因数与事先预置的功率因数进行比较，再考虑到无功功率的大小经计算后得到最佳的补偿电容值，再通过输出控制电路控制补偿电容器的

12、投入或切除，实现快速补偿。主处理器有一大容量的串行 FLASH 存储器和实时时钟电路。控制器的结构主处理器带有显示电路和按键电路，利用键盘和显示器，用户可以设定控制器的工作参数或查询记录数据。微处理器还带有通讯接口，可利用某种通信媒质与上位计算机通信，以组成实时的监控系统，通讯协议符合有关标准。控制器的软件用 C语言程序编写，分别控制主处理器和从处理器进行电压和电流的数据采样、无功功率的分析和计算、电容器的投入和切除、数据的显示和记录等。输出控制电路是控制器的重要电路，为使控制可靠，本控制器的输出电路采用了“符合”检测电路。工作时，微处理器分两次输出控制信号。分别将控制信号保存在两个锁存器里，

13、只有当两个锁存器的输出一样时控制电路才会动作，驱动光电耦合器工作，控制补偿电容器的投入或切除，否则控制电路拒动，并向微处理器发出“出错”信号。 1.5电压电流的检测相位检测和功率因数的计算要检测相电压、相电流、相位差，另外还要检测相电压超前相电流的时间t。信号送入正相比较电路，到方波TU和TI,再经与非门得到TUTI，送至单片机的HSI1端，经单片机测得t值。用定时器1作记录事件变化的时间基准，把各个输入端的变化时刻记录在FIF0中。1.6功率的计算U、I、P、Q、S的计算由AT89C52的片来完成，A/D作为数据采集器，可以对信号进行逐点瞬间采样。A/D转换字长可设为10位，利用AT89C5

14、2A/D转换器对电压、电流波形进行逐点数据采集,设在一个周期采样电压序列为j,采样电流序列为ij,采采集次数为n，则电压、电流的有效值U、I分别为平均功率 ,式中(t)、i(t)分别为在一个周期电压、电流的瞬时值，T为周期信号。参数Ku、Ki、Kp是常量，与电压互感器、电流互感器的变化、电路的参数有关，经过试验标定可得出其值。为了以较高采样频率采样，保证测量精度，可以每一周采样50100点。其中视在功率S=UI 无功功率为Q。1.7补偿容量的计算如果用电设备的有功功率为P(kW)，用电设备的无功功率Q(kvar)；补偿前的功率因数为cos1，补偿后功率因数为cos2，则补偿容量为则待补或待切的

15、电容值为，中n为相数(三相n =3,单相n =1),U为电网电压(kV)，为角频率(工频=314rad/s)。补偿容量可按二进制数字编码组合，容量按8421比例配置，如有4组电容器，就可以组合成15级容量的电容值进行投切。如果每级级差足够小，基本上实现了连续补偿进行无级调节。第2章 系统硬件设计2.1控制器结构与工作原理图2-1是该系统硬件结构框图，单片机AT89C52是本系统的核心，实现数据处理、输入、输出控制等功能。外围电路包括电压、电流相位差检测电路；三相功率因数显示电路；投切电容器电路；还预留RS-232接口，向上位机传递系统运行状态信息，以适应将来配电网控制的发展趋势。为了减少外围芯

16、片数量，本系统也可采用一块CPLD，芯片isp-LSI1048E，把74LS373、D触发器、与门、非门等外围器件写入其中。图2-1系统硬件结构框图2.2 中央控制单元本无功功率控制器的中央控制单元是有AT司的AT89C52，它与相位差检测单元、电容投切电路等构成完整的硬件电路图，如图2-2所示。 其硬件电路主要特点是：最高工作频率24MHz，8K*8位的 PEROM，256*8 位的RAM，4个8位端口，3 个 16 位定时器/ 计数器，8 个中断源，2 级优先级。软件用C51语言编写，调试方便，开发周期短。图2-2硬件接口电路图2.3电源输入接口电路为了保护硬件接口端，增加可靠性，可采用如

17、图2-3所示的输入接口电路。图2-3 输入接口电路其中2个二极管D1和D2起过载保护作用，当输入电压高于VREF07 V左右时，D1导通，输入电平被箝位在VREF07 V的水平上；当输入电压低于07 V的水平上。这种过载往往是尖峰干扰，持续时间很短。89C52的技术条件规定模拟输入端对模拟地ANGND的电压不能低于03 V，这一点可靠输入端的低通滤波器R4和C1来保证。图中此滤波器的时间常数R4C127000127s，若以07 V作为此滤波器的阶跃输入，则此滤波器输出端（即89C52的模拟信号输入端）达到03 V的电平需耗时：tln（10307）115s而通常这类尖峰噪声的峰值持续时间远小于上

18、述时间，因此，这一输入电路可有效地起到过载保护作用。2.4电压、电流信号的形成与变化电路2.4.1.电压信号形成与变换电路电压信号形成与变换电路如图2-4所示。图中SPT204是一款毫安级精密电流互感器，额定输入、输出电流均为2mA , 为限流电阻，不论额定输入电压多高,调整的阻值，可使输入电流为2mA。副边电路是电流/电压变换电路，调整图中的反馈电阻的值可得到所需要的电压输出。电容C1和电阻是用来补偿相移的。电容C2和C3参数为400-1000pF,用来去耦和滤波。两个反并联的二极管是起保护运放的作用，运用性能好的运放可达到较高的精度和较好的稳定性。图2-4电压信号形成与变换电路2.4.2.

19、电流信号形成与变换电路电流信号形成与变换电路如图2-5所示。图中CT52是一款毫安级的高精度电流互感器，相移小、线性度好。额定输入、输出电流比为5A/2mA，选取反馈电阻为0.8千欧，电流在上形成0-1.6V电压信号。图2-5电流信号形成与变换电路图2-5中其它电路的作用与原理与电压形成与变换电路一样。2.5相位差检测电路每相的电压与电流相位差是通过单片机外围扩展心片8253来测试的。8253是一种可编程的定时器/计数器，它提供三个独立的16位减1计数器，最高计数速率为2.6MHz。AT89C52的时钟为12MHz，ALE与GATE0、GATE1和GATE2相连，因此8253计数速率为2MHz

20、。8253每个计数器的工作方式可由软件编程选择，选择二进制计数。以A相为例，8253的计数经软件设定为0工作方式，A相的电压由电压互感器降压隔离后加到电压比较器的输入端，A相的电流有电流互感器经I/U变换后加在另一电压比较器的输入端。两电压比较器将输入的交流信号变成方波信号u1、u2，经过由D触发器构成的监相电路后，输出信号u0的宽度反映了两信号之间的相位差，如图2-2所示。u0通过与门加到8253的计数器0的门控信号GATE0上，当GATE0为高电平时，计数器计数；GATE0为低电平时，计数器停止计数。门控信号同时还受AT89C52的P1.0控制，P1.0为高电平时禁止计数，只有当P1.0为

21、低电平时才允许计数，AT89C52的P3.2检测到计数结束信号后，通过总线从8253读出计数值，供单片机处理。2.6电容器电路如图2-2所示,投切电容器电路是由一片8255A、三片74LS373、若干光耦和过零型固态继电器组成。该电路的8255A软件控制字方式为2，即使用PC口的位操作功能，可分别控制8个量；通过AT89C52的P1.5、P1.6、P1.7控制过零触发原理图图2-6和锁存器图2-7,进行位操作扩展，可控制24个电容器，使每相具有8级投切固定电容的级数，使该补偿器功率因制精度可小于0.05，具有较高的精度。投切开关采用过零型固态继电器，如图2-6所示为过零型固态继电器工作原理,只

22、有当单片机发出投切信号且过零检测有同步脉冲信号时，“产生触发脉冲”模块才产生触发脉冲并保持，使过零型固态继电器部的晶闸管接通，电容平稳投入。需要切除时只要单片机发出切除信号，固态继电器在其流过的电流过零时自然关断,电容器被切除。采用过零型固态继电器能实现等电压投入，零电流切除，所以该控制器对电网冲击小。图2-6过零触发原理图2.7三相功率因数显示电路如图2-2所示，三相功率因数显示电路由三片8255A和9个共阳LED数码管组成用来显各相功率因数，为简明起见，图中只画出A相功率因数显示电路。8255A是一种通用可编程的并行接口电路，具有3个8位平行口PA、PB、PC。显示电路8255A的软件设定

23、为0工作方式，其中PA口显示零，PB口显示小数后第一位，PC口显示小数后第二位，功率因数显示精度为0.01。A相、B相、C相功率因数的显示分别受AT89C52的P2.5、P2.6、P2.7控制。2.8输出控制电路图2-7中，U12是一片八锁存器，其输入端与主处理器的 P0口对应相接，其输出端（Q1、Q5）、（Q2、Q6）、（Q3、Q7）、（Q4、Q8）分别与 U13A、U13B、U13C、U13D对应相接；U13的型号为 74HC136，是集电极开路的异或门，用于实现输出控制信号的“符合”检测，同时分别经限流电阻器 R14、R15、R16、R17驱动光电耦合器 U14、U15、U16、U17，

24、光电耦合器的输出可用来驱动继电器或可控硅等实现补偿电容器的投、切。本实施方案采用的是分 4组或 8组投切，也可分为更多组。主处理器输出控制信号时数据的高半字节和低半字节的容是完全一样的，U13 对锁存在U12里的高、低半字节进行比较，若相符才能驱动光电耦合器工作，从而提高了控制器的可靠性。图2-7控制器的输出控制电路2.9 监控电路为了防止单片机在程序运行中出现“跑飞”现象，采用X25045进行监控。X25045是集电压监控、看门狗定时和EPROM为一体的器件。芯片为SPI接口方式，占用CPU的I/O线少，是较理想的接口芯片。看门狗定时对CPU提供了稳定的保护系统。当系统故障时，在可选的超时周

25、期（200ms,400ms或1.6s）之后X25045将以RESET信号作出响应。利用X25045低Vcc检测电路，可以避免低电压状况的影响，当Vcc降低到4.5V以下时，系统复位。X25045的存储器部分是CMOS的4096位串行EPROM，它在部以5128位组织。X25045的特点是允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议。第3章 软件系统设计单片机系统中的程序存储器只有写入相应的程序后，控制器才能运行，实现所要求的功能，而使所求功能实现的过程就是系统的软件设计。系统的软件采用了模块化结构设计。对于实时性要求较高的部分，由于汇编语言具有灵活性好、代码转换速度快等特点，可采用汇编语言来

26、编写 程序，其他部分采用高级语言编写，程序可读性好。 整个软件系统包括主程序、初始化子程序、中断服务子程序、显示子程序、键盘子程序等，3.1主程序流程图主程序如图3-1所示，首先初始化，然后触发A/D对各项进行采样、分析计算，从而确定投切电容数量，并对补偿情况做详细记录，通过显示设备显示出来，进而对后面的检测控制做指导作用。初始化程序使将要使用的数据存储器清零或者放入设定数据。电压检测程序进行电压测量，并对每次电压测量值进行分析，找出电压过零点，记下过零点的时间。由于被测信号是正弦半波，其有效值可以用峰点值或者半波的平均值代替（平均值比峰点值准确）。如果2040s时间电压持续高于正常值，则作为

27、过电压处理。电流检测程序与电压检测程序相似。根据电压、电流的过零点时间差得到其相位差，再通过计算或查表求得cos（功率因数）和sin，把电压、电流、sin和系数 这四者相乘，就得到需要补偿的无功功率量，然后将此与电容器组的功率进行比较，决定是否投切电容器组。投切电容器组要体现反时限特性，即如果偏差值较大，相应地缩短两次动作的间隔时间。在计时、相位检测和对自复位电路输出一定频率的方波过程中，都需要一个时间基准。这可以使用89C52部定时器，在程序安排中采用中断方式。图3-1主程序流程图3.2基本程序流程图基本程序流程如图3-2所示，首先程序开始进行初始化，然后触发A/D对各相进行采样，n个数据采

28、完为止，分别开始计算，将各相当前运行状态进行循环显示，利用键盘进行工作方式控制，固定状态显示、可以设置参数(包括功率因数上限、过压保护值、过流保护值、延时投切值)、进行手动或自动投切，若为手动则手动投入或切除一组电容,若为自动则通过计算，根据需要补偿的容量，进行自动投切，之后返回到采样阶段，从而进行实时控制。 图3-2基本程序流程3.3指令冗余技术CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数，当PC受干扰出现错误。程序便脱离正常轨道“跑飞”，当“跑飞”到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。 若“飞”到了三字节指令，出错机率更大， 在程序的关键地方人为插入一些单

29、字节的空操作指令NOP，或将有效的单字节指令重写，称为指令冗余。通常在双字节指令和三字节指令之后插入两条单字节的NOP指令，可保证其后的指令不被拆散。对于程序流向起重要作用的指令如RET，RETI，LCALL，LJMP，JC 等，在其前面插入两条NOP指令，这样即使失控程序“跑飞”到操作数上，由于空操作指令NOP 的存在，也可避免后面的指令被当作操作数执行，程序会自动纳入正轨。采用指令冗余使“跑飞”的程序恢复正常是有条件的，首先“跑飞”的程序必须落在程序区，其次必须能够执行到所设置的指令冗余。在一个程序中指令冗余不能使用过多，否则会降低程序的执行效。3.4 软件“看门狗”技术如果“跑飞”程序陷

30、入死循环中，指令冗余和软件陷阱都将无能为力，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术，使程序脱离死循环。单片机应用系统的程序往往采用循环运行方式，每一次循环时间基本固定，“看门狗”技术就是不断监视程序循环时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，然后强迫程序转向出错处理，使系统运行纳入正轨。以下面一段程序为例构成的定时约为10ms 的软件“看门狗” 假定系统时钟60MHz。MOV TMOD ; 设置T0 为16位定时方 SETB ET0 ; 允许T0中断 SETB PT0 ; 设置T0为高级中断MOV TH0,#0E0H ; 定时T0约为10msSETB TR0 ; 启动

31、T0SETB EA ;开中断软件“看门狗”启动后，系统工作程序必须每隔小于10ms 的时间执行一次MOV TH0,#0E0H 指令：重新设置T0 的计数初值。如果程序“跑飞”后执行不到这条指令，则在10ms 会产生一次T0 溢出中断： 在T0中断向量区安排一条LJMP ERR 转入出错处理即可使程序自动入轨。3.5 重要数据备份与恢复系统受到干扰时，会使RAM中的一些数据遭到破坏,因此系统重要信息应采取备份措施。 下面介绍一种三重数据冗余编码，它是将每个重要的系统信息重复存放在三个互不相关的地址单元中，建立双重数据备份。 如果系统采用了片外RAM，应在片外RAM中对重要信息进行双重备份，因为片

32、外RAM中的信息只有MOVX指令才能对它进行修改，而能够修改片RAM息的指令则要多得多。当系统受到干扰后#可以根据这些备份信息进行系统信息的恢复，通常采用三中取二的表决流程。所有重要系统信息都要一一进行表决，对表决成功的信息将结果再写回到原来的地址，以进行统一，对于表决失败的信息要进行登记。若表决全部成功，系统将得到满意的恢复，如果有失败者，则应根据失败信息的特征采取其他的补救措施，如从现场采集数据来帮助判断，或按该信息的初始值处理等。第4章 系统稳定设计4.1影响稳定性的因素影响单片机系统可靠安全运行的因素主要来自系统部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺的影响

33、。这些都构成单片机系统的干扰因素，常会导致单片机系统运行失常，轻则影响产品质量和产量，重则会导致事故，造成重大经济损失。干扰形成的基本要素有3个: (1) 干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号,如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 (2) 传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 (3) 敏感器件。指容易被干扰的对象。如:APD、DPA 变换器,单片机,数字IC ,弱信号放大器等。1.无功补偿装置电流谐波放大与其抑制措施在低压配电系统中，采用微机控制晶闸管投切电容组实现基波无功的跟踪补偿。当配电系统非线性用电负荷

34、比重较大时，并联电容组的投入，一方面由于电容器组的谐波阻抗小，注入电容器组的谐波电流大，使电容器过负荷，严重影响其使用寿命；另一方面，当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放大，其结果是电容器因过热而损坏，系统电压严重畸变，影响其他用电设备的安全运行。因此，应采取抗谐波措施，以确保并补电容器的安全运行。2.谐波电流的放大由于电力系统中的谐波源主要是电流源，电流源的阻抗很大，当外阻抗发生变化时其电流基本不变。谐波电流源的负荷是整个供电系统，它包括主系统和所有用户的电力设备。电容器引起的谐波电流放大的基本原理可用图4-1和图4-2说明。图4-1谐波电流放大系

35、统接线图图4-2系统电流放大等效电路图设谐波源h次谐波电流为Ih，进入主系统的电流为Ish,进入电容器的电流为Ich。在IshIh时，称作系统谐波电流放大；在IchIh时，称作电容器谐波电流放大；在IshIh和IchIh同时发生时，称为谐波电流严重放大。3.三相不平衡负荷化补偿实验通过进行负荷二相短路且一相开路等不对称运行工况的平衡化补偿实验来观察平衡化处理的效果。平衡化效果如表4-3所示。从表中可见，该补偿控制系统基本上实现了对不平衡负荷的平衡化处理，从电源侧向负荷看去。不对称负荷等效为三相对称负荷。表4-3平衡化效果图负荷情况负荷电流La Lb Lc补偿前系统电流Ia Ib Ic补偿后系统

36、电流Ia Ib Ic R=1011.5 11.5 011.5 11.5 02.0 1.9 1.8R=2010.2 10.2 010.2 10.2 03.2 3.1 3.0R=308.7 8.7 3.20 8.7 8.7 0 3.4 3.44.经济效益分析和社会效益分析 (1)经济效益分析智能型静止式无功功率自动补偿控制系统，特别适用于那些会对电网造成严重电压波动和电压闪变并且会产生大量负序和高次谐波的不对称冲击负荷。这种附和的无功冲击大而且会急剧波动，最大的无功波动值一般可以达其额定容量。无功的急剧变化会引起电网电压的急剧变动，造成设备的功率下降而影响产品的加工质量。使用了智能型控制静止式补偿

37、控制系统后，将使电网母线电压稳定，无功冲击的电压波动得到抑制，提高了设备的工作效率，降低了产品生产成本，可获得明显的经济效益。 (2)社会效益分析改善无功冲击引起的闪变指标；无功冲击引起电压闪变，使灯光、电视机闪烁，引起人们视觉疲劳，还会影响自动控制系统，使之失控，也会使轻纺机械加工行业造成产品质量下降。投入智能型静止补偿系统后，上述现象将得到抑制，社会效益十分明显。减少高次谐波的危害；大功率线形负荷的电流是在不断的不规则急剧变化。电压和电流的波形为不对称的非正弦波，并会有高次谐波的成分，高次谐波会引起电气设备发热振动，增加损耗，缩短电气设备寿命干扰通讯，引起自控设备失控等弊端。使用智能型静补

38、控制系统后将使谐波大大下将，很大程度上减少了以上弊端，带来很大的社会效益。4.2单片机系统中硬件抗干扰设计硬件抗干扰技术是系统设计首选的抗干扰措施，他能有效的抑制干扰源，阻断干扰的传输信道，一个好的电路设计，应在设计过程中充分考虑抗干扰性的要求。分析系统中可能引起干扰的部件，采取必要的硬件抗干扰措施，抑制干扰源、切断干扰传播途径。 1.合理选择元器件 根据电器参数选择合理器件以满足系统性能要求，尽量选用集成度高、温漂小、抗干扰性能好以与功耗小的元器件。 2.电源干扰的抑制 在交流电网进线端并接压敏电阻，吸收浪涌电压，也可防雷。高频电感与电路电容组成的低通滤波器，可抑制电网引入的高频噪声。可采取

39、模拟电路与数字电路的电源分开、电源浮空技术、使用电源隔离变压器、隔离电源技术和电源滤波技术。在设计滤波器时必须注意让谐振频率远小于干扰频率。3.电场、磁场干扰的抑制采用由导电性能良好的金属作屏蔽盒，并接，则屏蔽盒电力线不会影响外部，同时外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入部，前者可抑制干扰源，后者可阻截干扰的传输途径，起电场隔离的作用。磁路屏蔽是采用高磁材料并以封闭式结构为妥，并接。4. 接地技术单片机测控系统中的高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地；交流地和信号地不能共用；将系统的各个部分全部与浮置起来，但系统中的各机壳接地；对于数字地，印刷板中的地线应成网状，而且其他布线不要形成环路，特

40、别是环绕外周的环路，印刷板中的条线不能长距离平行，不得已时，应加隔离电极和跨接线或屏蔽；当A/D转换器的模拟信号较弱时，可采用三线采样双层屏蔽浮地技术提高抗共模干扰的能力；系统中的高增益放大电路最好用金属罩屏蔽起来。将屏蔽体接到放大电路的公共端，将寄生电容短路防止反馈，避免放大器的震荡；对于功率地，由于地线的电流较大，接地线的线径应较粗，且与小信号地线分开，连直流地；对于小信号前置放大电路本身采用一点接地，不能一个电路多点接地，A/D前置放大电路一般浮空。存放大电路的印刷电路板上一点入地，这类放大器的地线一定要远离功率地和噪声地。5. 通道干扰 1) 隔离技术 隔离分对模拟信号的隔离和对数字信

41、号的隔离，对数字信号的隔离通常采用光电耦合器。因这种方法信号的传递是通过光信号实现的没有直接的电信号连接，因此隔离了干扰的传递途径，但这种方法隔离不断辐射，感应干扰，且光电耦器件隔离传导干扰的能力只有1kV左右。在具体电路设计时在A/D后和D/A前加光电耦合器，其电源与微机的电源必须独立，地线必须分开，保证微机与现场仅有光的联系，切断干扰通路也避免形成环流，对于强干扰或长线传输可采用两次隔离，既可消除干扰，又能解决长线驱动和阻抗匹配等问题。对于模拟信号的隔离，通常采用隔离放大器，利用隔离放大器的变压器将信号磁耦合，隔断通路的线路连接，从而切断干扰源，也可采用光电耦合器实现模拟信号隔离，即由电压

42、-频率转换器VFC把模拟信号转换成数字信号再通过光电耦合器隔离，而光电耦合器的输出信号在由频率-电压转换器FVC转换成模拟信号。在多点巡回检测微机系统中若被测信号变化较慢，其多路模拟开关可选用由干簧继电器或湿簧继电器做成的电容飞渡式多路模拟开关来切断被测信号与信号通道的连线，从而起到抗干扰作用。由于负脉冲传输抗干扰能力比正脉冲强，所以，一般在长线传输时，采用负脉冲传输。而且速度不高时，在始端用驱动器比用一般的TTL效果要好。用OC门作双向总线传输可以把输出端连在一起，直接用来单向、双向总线传输。 2) 通道中器件选择与抗干扰多路转换器的输入常常受到各种环境噪声的污染，尤其易受到共模噪声的干扰。

43、在多路转换器输入端接入共模扼流圈，可抑制外部传感器引入的高频共模噪声。转换器高频采样时产生的高频噪声，应在单片机与A/D之间采用光电耦合器隔离。在传感器工作环境复杂和恶劣时，应选择测量放大器，使其在微弱信号系统中广泛用作前置放大器。为了防止共模噪声窜入系统可以采用隔离放大器。采样保持器电路(S/H)在采样与保持两种状态转换时，会窜入干扰，为了减少误差，印刷电路布线时，使逻辑输入端的走线与模拟输入端尽可能距离远些，或者将模拟输入端用地线包围起来，以降低线间寄生电容耦合和隔断漏电通路。降低逻辑输入信号的幅度也可以减少寄生耦合和漏电耦合干扰。配置总线驱动器可提高总线的负载能力，改善信号波形。当总线的

44、负载接近负载总线的驱动能力时，可能会影响总线信号的逻辑电平，可通过连接某I/O线到数据线来改善总线的不平衡程度，提高系统的可靠性。在总线上适当安装上拉电阻也可提高总线信号传输的可靠性。6.布线抗干扰设计为防止长线传输中的窜扰，采用交差走线是行之有效的办法。长线传送时，功率线、载流线和信号线分开，电位线和脉冲线分开。把空余的输入端与使用端并联。把空余的输入端通过一个电阻接高电平，这种方法适用于慢速、多干扰的场合。把空余的输入端悬空，用一反相器接地。这种方法适用于要求严格的场合。在数字电路的每块组件上，都要分别装设高频去耦电容，而且这些电容应充分靠近集成块，而不应集中在印刷板上每一端。每块印刷板的

45、电源引进端也应加去耦电容。直流配电线的引出端应尽量作成低阻抗传输线。由于快速逻辑电路产生高频干扰，所以这些电路均应按高频电路处理，应将逻辑电路的印刷板良好接地。存储器的布线抗干扰设计，一般采取的措施有：数据线、地址线、控制线要尽量缩短，以减少对地电容。由于开关噪声严重，要在电源入口处以与每片存储芯片的VCC与GND之间接入去耦电容。由于负载电流大，电源线和地线要加粗，走线尽量短。印制板两面的三总线互相垂直，以防止总线之间的电磁干扰。总线的始端和终端要配置合适的上拉电阻，以提高高电平噪声容限，增加存储器端口在高阻状态下抗干扰能力和削弱反射波干扰。三总线与其他扩展板相连接时，通过三态缓冲门后连接。

46、可以有效防止外界电磁干扰，改善波形和削弱反射干扰。 4.3单片机系统软件的抗干扰尽管采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因很复杂，且有很大的随机性，因此在采取硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干扰措施加以补充。常见的软件抗干扰技术有：数字滤波、指令冗余和“看门狗”技术、系统运行状态监视等。4.3.1.模拟输入信号抗干扰叠加在系统模拟输入信号上的噪声干扰，会导致较大的测量误差。但由于这些噪声的随机性，可以通过数字滤波技术剔除虚假信号，求去真值。常用方法如下：（1）算术平均滤波法算术平均滤波法就是连续取N个值进行采样，然后求其平均值。该方法适应于对一般具有随机性干扰的信号进行滤波。这种滤波

47、法的特点是：N值较大时，信号的平滑度好，但灵敏度低；当N值较小时，平滑度低，但灵敏度高。（2）递推平均滤波法该方法是把N个测量数据看成一个队列，队列的长度为N，每进行一次新的测量，就把测量结果放入队尾，而扔掉原来队首的一次数据。计算N个数据的平均值。对周期性的干扰，此方法有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低。但对偶发脉冲的干扰抑制作用差。（3）防脉冲干扰平均值滤波法在脉冲干扰比较严重的场合，如果采用一般的平均滤波法，则干扰将会“平均”到结果中去，故平均值法不易消除由于脉冲干扰而引起的误差。为此，在N个采样数据中，取掉最大值和最小值，然后计算N2个数据的算术平均值。为了加快测量速度，N一般取值为

48、4。4.3.2.“死机”现象的处理当干扰通过总线或其他口线作用到CPU时，就会造成程序计数器PC值的改变，引起程序混乱，使系统失控。因此，在设计单片机系统时，如何发现CPU受到干扰，并尽可能无扰地使系统恢复到正常工作状态是软件设计应考虑的主要问题。无论何种控制系统，一般讲，死机现象都是不允许的。克服死机现象最有效的办法就是采用单片机工加了硬件看门狗电路后仍然有死机现象，分析原因，可能有以下方面：1）因为某种原因，程序混乱后，看门狗电路虽然发出了复位脉冲，但在程序刚刚正常还来不与发出一个脉冲信号，此时程序再次被干扰，而这时看门狗电路已处于稳态，不能再发出复位脉冲。2）程序进入死循环，在该死循环中

49、，恰好是IO口上操作的指令。而该IO口仍有脉冲信号输出，看门狗检测不到这种异常情况。3）在有严重干扰时，中断方式控制字有时会受到破坏，导致中断关闭。可见，只用硬件看门狗电路是无法确保单片机正常工作的。因此，可采用以下方法作为补充：1）软件“看门狗”的应用选用定时器T0作为看门狗，将T0的中断定义为最高级中断。看门狗启动后，系统必须与时刷新T0的时间常数。2）指令冗余技术（1）NOP的使用在89C52单片机指令系统中所有指令都不超过3个字节。因此，在程序中连续插入3条NOP指令，有助于降低程序计数器发生错误的概率。（2）重要指令冗余对于程序流向起决定作用的指令（如RET，RETI，ACALL，L

50、JMP，JZ等）和某些对系统工作状态有重要作用的指令（如SETBEA等）的后面，可重复写下这些指令，以确保这些指令的正确执行。3）软件陷阱法单片机系统程序跑飞意味着CPU执行不正确流程程序。而当乱飞程序进入非程序区，采用冗余技术无法使程序纳入正确轨道，此时可采用软件陷阱法，拦截乱飞程序。软件陷阱就是用引导指令（如LJMP）将扑获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此对程序进行出错处理，使其纳入正轨。（1）软件陷阱格式NOPNOPLJMP0000H（2）软件陷阱的安排未使用的中断区；未使用的大片ROM空间；程序区；中断服务程序区。系统复位特征4.3.3 单片机的复位问题单片机应用系统采用看

51、门狗电路后，在一定程度上解决了系统死机现象，但是每次发生复位都使系统执行初始化，这在干扰较强的情况下仍不能正常工作。同时系统虽然没有死机，但工作状态频繁改变，这同样是不能容忍的。理想的复位特征应该是：系统可以鉴别是首次上电复位（又称冷起动），还是异常复位（又称热启动）。首次上电复位则进行全部初始化，异常复位则不需要进行全部初始化，测控程序不必从头开始执行，而应故障部位开始。（1）上电标志的设定方法 SP建立上电标志。 PSW5建立上电标志。 RAM建立上电标志。（2）软件复位与中断激活标志当系统执行中断服务程序时，来不与执行RETI指令而受干扰跳出该程序后，程序乱飞过程中由软件陷阱或软件“看门

52、狗”将程序引向0000H，显然这时中断激活标志并未清除，这样就会使系统热启动时，不管中断标志是否置位，都不会响应同级中断的请求。因此，由软件陷阱或“看门狗”捕获的程序一定要完成清除MSC-51系列中中断激活标志，才能消除系统热启动后不响应中断的隐患。（3）程序失控后恢复运行的方法一般来说，主程序是由若干个功能模块组成，每个功能模块入口设置一个标志，系统故障复位后，可根据这些标志选择进入相应的功能模块。这一点对一些自动化生产线的控制系统尤为重要。总之，微机测控系统由于受到严重干扰而发生程序乱飞、陷入死循环以与中断关闭等故障。系统通过冗余技术、软件陷阱技术和“看门狗”技术等，使程序重新进入0000H单元，纳入正轨。因故障而进入0000H后，系统要执行上电标志判定、RAM数据检查与恢复、清除中断激活标志等一系列操作，决定入口地址。第5章 展望无功补偿实现手段正趋于电力电子技术的应用。主要表现在三个方面