電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 前言

在電力系統(tǒng)中，電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，保證用戶處的電壓接近額定值是電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整的基本任務(wù)之，而無(wú)功與電壓有著極為密切的關(guān)系。一方面，電壓變化時(shí)無(wú)功負(fù)荷的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有功負(fù)荷的變化;另一方面，無(wú)功負(fù)葆引起的電壓波動(dòng)也遠(yuǎn)大于有功負(fù)荷的變化。如果電力系統(tǒng)的無(wú)功電源比較充足，就能滿足較高水平下無(wú)功平衡的需要，系統(tǒng)也將具有較高的運(yùn)行電壓水平，反之，無(wú)功不足就反映為運(yùn)行電壓水平偏低，可能造成電壓崩潰，從而破壞電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，電壓和無(wú)功的合理調(diào)整在提高電能質(zhì)量、降低網(wǎng)損、操作電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性等方面具有極為重要的意義。

調(diào)整無(wú)功的方法就是根據(jù)無(wú)功功率的大小來(lái)調(diào)整電網(wǎng)補(bǔ)償電容器的大小。因?yàn)闊o(wú)功功率傳輸損耗大，不宜長(zhǎng)距離輸送，因此，負(fù)荷所需的無(wú)功應(yīng)盡量做到就地供應(yīng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償控制系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。它主要有單片機(jī)系統(tǒng)(由80196單片機(jī)、74LS373、FLASH MEMERY 29C256組成的自復(fù)位電路)、鍵盤(pán)顯示電路、輸入電路、輸出電路和通信接口電路MAX232等部分組成。

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的核心部分一片80196KB微處理器，80196KB為MCS-96系列16位處理器;其強(qiáng)大的功能，豐富的資源和高效率等優(yōu)點(diǎn)，為整個(gè)系統(tǒng)的快速、實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2.2 輸入電路

輸入電路由電壓、電流的相位差檢測(cè)電路和電壓、電流有效值檢測(cè)電路兩部分組成。電壓、電流相位差檢測(cè)電路由PT(電壓互感器)、CT(電流互感器)和過(guò)零檢測(cè)電路組成。PT可用于將電網(wǎng)上的高壓轉(zhuǎn)變成低壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)過(guò)零檢測(cè)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)。CT則可將電網(wǎng)上的電流轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)過(guò)零檢測(cè)也轉(zhuǎn)變成方波。CPU通過(guò)檢測(cè)這個(gè)方波的上升沿計(jì)算出時(shí)間差Δt，然后與其測(cè)得的周期T相比較即得到相位差φ，即：

φ=2πΔt/T

電壓電流有效值檢測(cè)電路由PT、CT、V/F電路和計(jì)數(shù)器8254組成。V/F電路采用交流V/F電路，這種V/F電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

●加快了對(duì)被測(cè)量變化的跟蹤速度。

●減少了中間環(huán)節(jié)，從而減少了誤差和干擾源。

●簡(jiǎn)化了安裝和配線。

●減少了對(duì)變送器的硬件投資。

●可以通過(guò)軟件在采樣速度和精度之間作出合理選擇。

8254芯片為計(jì)數(shù)器，通過(guò)它的定時(shí)計(jì)數(shù)，可以得到一系列電壓、電流信號(hào)的瞬時(shí)值，然后利用軟件及一系列算法得到電壓、電流的有效值。常見(jiàn)的算法有全波傅氏算法、半波傅氏算法、兩點(diǎn)乘積算法、導(dǎo)數(shù)算法等。本系統(tǒng)采用全波傅氏算法，因?yàn)樵撍惴ū绕渌惴ǖ木纫?，便其所需的?shù)據(jù)窗較長(zhǎng)，計(jì)算過(guò)程較慢，因此，考慮到系統(tǒng)的速度和精度，筆者選用了精度較高的算法。

全波傅氏算法的思想是建立在傅里葉級(jí)數(shù)的基礎(chǔ)上的，因?yàn)殡妷?、電流信?hào)是一個(gè)周期性函數(shù)，因而可分解為直流分量、基波和次諧波的無(wú)窮級(jí)數(shù)。即：

由此可得到基皮電流：

本系統(tǒng)采用13點(diǎn)算法，即N=13。

2.3 輸出電路

輸出電路經(jīng)光耦隔離后可驅(qū)協(xié)可控硅控制電路，從而控制可控硅工作的通斷，即電容器是否投用。另外，當(dāng)需要調(diào)壓時(shí)，還可以控制變壓器的升壓和降壓。

2.4 通信接口

該控制系統(tǒng)的通信接口采用232接口，其接口電路采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232專(zhuān)用232接口電路芯片來(lái)設(shè)計(jì)，該芯睡具有使用簡(jiǎn)單，性能可靠的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用PLM96語(yǔ)言編寫(xiě)，其主程序框圖如圖2所示。同時(shí)程序還開(kāi)放了三個(gè)中斷：HIS中斷、定時(shí)器中斷和串行中斷。HIS中斷用來(lái)準(zhǔn)確記錄電壓、電流方波上升沿的時(shí)間，并及時(shí)為主程序計(jì)算相位差提供實(shí)時(shí)值，定時(shí)中斷用于對(duì)電壓、電流進(jìn)行定時(shí)采樣;串行中斷則用于在系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)實(shí)現(xiàn)通信功能。為了使這三種中斷互不影響，各中斷子程序耗時(shí)應(yīng)盡量短，也可考慮各中斷的嵌套。本系統(tǒng)軟件在串行中斷中又開(kāi)放了定時(shí)中斷和HIS中斷。這兩種中斷的實(shí)時(shí)性要求比較高，并且中斷時(shí)間也很短。

通過(guò)三種中斷的開(kāi)放可使系統(tǒng)各參數(shù)的實(shí)時(shí)性得到提高，同時(shí)也將主程序更加簡(jiǎn)單和高效。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，給廠家和用戶節(jié)省了很多開(kāi)支，從而增加了經(jīng)濟(jì)效益，深受用戶和廠家的好評(píng)。