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1、学拉代号 10532 学 S06093029 分类号 TM761 HUNAN UNIVERSITY 硕士学位论文 低压无功补偿控制器的研究与设计 学位申请人姓名 翁薇 _ 培养单位 电气与信息工程学院 导师姓名及职称 朱志杰副教授 学科专业 测试计量技术及仪器 研 究 方 向 现 代 电 力 电 信 检 测 技 术 论文提交日期 2009年 5月 5曰 学校代号 ： 10532 学 号： S06093029 湖南大学硕士学位论文 低压无功补偿控制器的研究与设计 学位申请人姓名： 翁薇 导师姓名及职称： 朱志杰副教授 培养单位： 电气与信息工程学院 专业名称： 测试计量技术及伩器 论文提交日期：
2、 2009年 5月 5日 论文答辩日期： 2009年 5月 25日 答辩委贸会主席： 滕 召 胖 教 授 Research and Design on Low-voltage Reactive Power Compensation Controller by WENGwei B.E.(Hunan University of Science and Technology)2006 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Mea
3、surement and Instrument Technology in the Graduate School of Hunan University Supervisor Associate Professor ZHU Zhijie May， 2009 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导卜独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 木学位论文作者完全了解学校有关保留、使用
4、学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： zg# 曰期年 S月 y曰 学位论文版权使用授权书 1、 保密 ，在 _ 年解密后适用本授权书。 2、 不保密口。 (请在以上相应方框内打 4 ） 曰 期 ： 年 5 月引曰 日 期 年 月 ？ |日 摘要 随着现代工业的飞速发展，对电能的质量要求越来越高，无功功率的平衡是电能质 量的重要保证。由于用电设备中感性负载设备用电量占整个用电
5、量的三分之二以上。显 然，针对感性负载设备就近提供无功功率对降低线损、降低供电设备容量、改善供电线 路的功率因数以及稳定电力系统的电压等方面都起着至关重要的作用。在电网中感性负 载设备就近处安装并联电容器装置可以减少无功功率在电网中的流动，从而降低输电线 路因输送无功功率造成的输电损耗。 在低压供电系统中，低压无功补偿装置的功能就是向感性负载设备就近提供无功功 率。低压无功补偿控 制器是该装置的核心，它通过检测电压电流计算出功率因数、无功 电流、无功功率，按照一定的控制规律投切电容器组，实现无功补偿。 本文首先介绍了无功补偿的概念，阐述了无功补偿的发展与现状，分析了目前无功 补偿控制器的不足，
6、并在此基础上提出了具有高精度的智能型低压无功补偿控制器的设 计思想，着重阐述了系统的总体设计方案，分析了系统功能和设计思路，提供了低压无 功补偿控制系统的硬件、软件模块以及具体电路。 该无功补偿控制器硬件上采用一款高精度三相电能专用计量芯片 ATT7022B测量电 网运行参数，保证了无功补偿控制器 系统的稳定性及抗干扰性，而且简化了软件设计； 存储设备采用铁电存储器 FM3164， 提高了数据存储的可靠性，容量能满足保存最近 60 天内的历史数据的要求；控制单元采用 AVR系列单片机 ATmegal28作为主控芯片，这种 芯片包含有与计量芯片相连接的 SPI总线和与铁电存储器连接的 I2C总线
7、。电容投切采用 循环队列的运算方法，实现了无功的自动跟踪和电容器组的自动循环投切。控制器与上 位机以 GPRS无线通道相互通信，实现电网运行参数和系统状态的数据传输与远程监测。 同时，采用 RS-232/485通讯口 4现场计量装置连接，这样控制器除了有电容器投切控制 的功能外还具有远程抄表功能。另外，为方便工作人员随时到现场进行对控制器的数据 读取和参数设置，控制器中还设计 USB接口电路。控制器的软硬件设计上都采取了抗干 扰措施。 本文给出了智能型无功补偿控制器各模块的电路原理图及软件设计流程，并且在全 文总结的基础上探讨了基于现有系统设计的进一步改进设想，为后续的进一步研究提出 展望。
8、关键词：无功补偿；智能控制器；自动投切；功率因数 Abstract With the rapid development of modern industry, people have more demand to the quality of power system.The balance of reactive power is one of important guarantee to the quality of power system.Because inductive load equipment in the whole electricity consumption acc
9、ounts for more than two-thirds.Obviously， nearby providing reactive power for inductive load equipment is important for reducing line loss or capacity of power supply equipment, and improving the power systems power factor or voltage. Fix shunt capacitor in the power network can reduce flow of react
10、ive power,thereby reduce transmission loss. In low-voltage power system, low-voltage reactive power compensation equipment can nearby provide reactive power for inductive load equipment.Low-voltage reactive power compensation controller is control core of shunt capacitor,which can detect voltage and
11、 current then figure out power factor,reactive current and reactive power. And it realizes auto-switching capacitor bank and reactive compensation according to definite control law. In this paper: Firstly,the basic theory of reactive power compensation is elaborated and its development and actuality
12、 are also given.This paper analyses the shortage of this controller,on the basis of it,design idea of the high accuracy,intelligent,low-voltage reactive power compensation controller is presented.Secondly,the overall system design is given,the system functions and design ideas are analyzed,and the h
13、ardware,software and specific circuit of low-voltage reactive power compensation controller are provide. The controller uses a high accuracy,three-phase electric energy,metrology chip ATT7022B,which can measure operation parameters of power network,guarantee systems stability and anti-interference a
14、nd simplize the software design.By using the ferroelectric memory FM3164,the controller can store 60 days7 history data and the reliability is improved.lt adopts AVR series ATmegal28 as the control core.This chip contains SPI bus joined with metrology chip and I2C bus joined with memory.Switching of
15、 capacitors adopts operational method called circular queue to realize auto-tracking reactive power and auto-switching capacitor bank.The controller and PC communicate by GPRS wireless mode,which is used to transmit data.Meanwhile,the controller can link other metering device through RS-232/485, whi
16、ch can realize monitoring function. In addition,this controller has USB interface to be convenience for workers when they will set parameters. Each modulesschematic circuit diagram and softwares flow charts are also presented in this paper,and the anti-interference designs are performed in both soft
17、ware and hardware.At the end of this paper,we summarized the whole paper,put forward the method of improvement and the prospect of this research. Key Words:Reactive power compensation;Intelligent controller; Auto-switching; Power factor ABSTRACT m i胃職 . i l.i课题的研究目的及意义 . 1 1.2无功补偿发展与现状 . 2 1.3无功补偿技术
18、背景 . 3 1.3.1无功补偿概述 . 3 1.3.2无功补偿原则 . 3 1.3.3无功补偿方式 . 4 1.4本文的主要研究内容和创新 . 6 第 2章系统的总体设计 . 8 2.1设计的基本思想 . 8 2.2系统的构成与设计方案 . 9 2.2.1系统硬件结构 . 9 2.2.2系统软件结构 . 11 2.3系统基本功能和性能指标 . 11 2.3.1系统基本功能 . 11 2.3.2性能指标 . 12 第 3章控制器硬件设计 . 14 3.1主控芯片 ATMEGA128简介 . 14 3.1.1 ATmegal28 的功能简介 . 14 3.1.2 ATmegal28的最小系统设计
19、 . 15 3.2测量模块设计 . 16 3.2.1计量芯片 ATT7022B简介 . 17 3.2.2 ATT7022B硬件电路设计 . 17 3.3电容器状态输入模块设计 . 21 3.4投切控制模块设计 . 22 3.4.1过零触发原理 . 23 3.4.2投切控制电路设计 . 24 3.5电源模块设计 . 26 3.6存储器模块设计 . 27 3.6.1铁电存储芯片 FM3164简介 . 29 3.6.2铁电存储芯片 FM3164与主控芯片接口设计 . 29 3.7人机接口模块设计 . 30 3.7.1 LED显示电路设计 . 31 3.7.2键盘电路设计 . 32 3.8通讯模块设计
20、 . 33 3.8.1 GPRS无线通讯电路设计 . 34 3.8.2 RS-232通讯电路设计 . 35 3.8.3 RS-485通讯电路设计 . 36 3.8.4 USB通讯电路设计 . 37 3.9其他外围电路设计 . 39 3.9.1实时时钟电路设计 . 39 3.9.2报警电路设计 . 39 3.9.3外部复位电路设计 . 39 第 4章控制器软件设计 . 41 4.1无功补偿控制策略 . 41 4.2主程序设计 . 42 4.3子程序设计 . 44 4.3.1测量模块设计 . 44 4.3.2投切控制模块设计 . 46 4.3.3人机接口模块设计 . 49 4.3.4数据存储模块设
21、计 . 51 4.3.5通讯模块设计 . 54 第五章运行和调试 . 60 5.1硬件调试 . 60 5.2软件调试 . 61 5.3整机调试 . 61 5.3.1 抓式 . 61 5.3.2整机运行调试 . 61 5.4误差分析 . 62 第六章系统抗干扰设计 . 64 6.1常见的干扰源 . 64 6.2系统抗干扰分析 . 65 6.3系统抗干扰设计 . 65 6.3.1硬件抗干扰设计 . 65 6.3.2软件抗干扰设计 . 66 总结与展望 . 68 . 70 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录 . 73 附录 B 硬件电路图和 PCB板图 . 74 附录 C 系统部分程序 .
22、81 SC ffl . 84 第 1 章绪论 1.1课 题 的 研 究 目的 及 意 义 随 着 现 代 工 业 的 飞 速 发 展 ， 对 电 能 的 质 量 要 求 越 来 越 高 ， 电 网 的 经 济运行日益受到重视。然而在电力系统中 60%以上是电动机等感性负载， 它们 在 系 统 运 行 中 会 消 耗 大 量 的 无 功 功 率 1 。 在 有 功 功 率 保 持 一 定 的 前 提 下 ， 线 路 功 率 因 数 越 小 ， 在 线 路 上 流 过 的电 流 就 越 大 ， 导 致 在 线 路 上 的 压 降 以 及 损 耗 就 越 大 。 在 严 重 情 况 下 ， 会导致
23、用 户 端 电 压 达 不 到 规 定 值 。 在 电 动 机 附 近 以 及 线 路 的 适 当 位 置 并 联安装适 当 容 量 的 电 容 器 ， 可 以 减 少 无 功 功 率 的 输 送 ， 从 而 达 到 降 低 线 损 、 提 高负 载 端 电 压 的 目 的 。 当 然 ， 并 联 电 容 的 容 量 是 有 限 制 的 ， 并 联 电 容 器 容 量过 大 ， 导 致 线 路 功 率 因 数 负 值 时 ， 就 会 出 现 补 偿 点 向 电 源 端 传 送 无 功 ， 这是 不 允 许 的 。 因 此 ， 应 用 在 低 压 配 电 网 中 能 根 据 负 载 中 无 功
24、功 率 的 变 化 自动 投 切 补 偿 电 容 器 、 准 确 实 现 无 功 功 率 补 偿 的 装 置 具 有 十 分 迫 切 的 需 求 。 实 现 无 功 功 率 补 偿 ， 提 高 功 率 因 数 对 电 力 系 统 运 行 有 重 要 的 意 义 2 : (1； ) 减 少 发 配 电 设 备 容 量 。无 功 功 率 的 增 加 ，导 致 电 流 的 增 大 和 视 在 功 率 的 增 加 ， 从 而 使 发 电 机 、 变 压 器 、 起 动 及 控 制 设 备 和 导 线 等 电 气 设 备容 量 增 加 。 同 时 ， 电 力 用 户 的 起 动 、 控 制 设 备 及
25、测 量 仪 表 的 尺 寸 和 规 格也要 加 大 。 因 此 对 配 电 网 络 进 行 无 功 功 率 补 偿 可 以 提 高 设 备 利 用 率 ， 减少发配 电 设 备 容 量 。 (2) 减 少 供 电 设 备 及 线 路 损 耗 。无 功 功 率 的 增 加 ，使 总 电 流 增 大 ，因 而 使 供 电 设 备 及 线 路 的 损 耗 增 加 ， 这 是 显 而 易 见 的 。 (3) 降 低 变 压 器 及 线 路 的 电 压 降 。变 压 器 及 线 路 的 电 压 降 增 大 ，使 供 电 网 电 压 产 生 波 动 。 在 电 网 中 ， 有 功 功 率 的 波 动 一
26、般 对 电 网 电 压 的 影 响 较小 ， 电 网 电 压 的 波 动 主 要 是 无 功 功 率 的 波 动 引 起 的 。 如 果 是 冲 击 性 无 功功率 负 载 ， 还 会 使 电 网 产 生 剧 烈 的 波 动 ， 甚 至 发 生 事 故 。 中 国 节 能 技 术 政 策 大 纲 （ 20 06 年 ）（ 国 家 发 展 和 改 革 委 员 会 、科学 技 术 部 ， 2 00 6 年 12月发布 ； ) 中 提 出 了 一 系 列 的 有 关 电 网 节 能 的 具 体 政策和 措 施 。 如 优 化 电 网 运 行 方 式 ， 优 化 变 压 器 分 接 头 配 置 ， 加
27、 强 无 功 补 偿及 其 调 节 能 力 ，提 高 用 电 功 率 因 数 ；发 展 高 性 能 无 功 补 偿 装 置 ，推 广 可 调 节型 低 压 无 功 补 偿 装 置 、 高 压 先 进 性 能 无 功 补 偿 装 置 （ SVC、 SVG等），改 1 进 电 网 供 电 质 量 的 节 电 设 备 ， 如 谐 波 防 治 装 置 等 。 因 此 ， 如 何 跟 踪 并 快 速 有 效 地 补 偿 无 功 功 率 成 为 人 们 关 注 的 焦 点 ， 它对 电 力 系 统 的 运 行 稳 定 ， 改 善 电 能 质 量 ， 降 低 线 损 ， 实 现 电 力 节 能 等 方面起
28、着 重 要 的 作 用 。 本 文 的 研 究 设 计 即 在 这 方 面 开 展 工 作 ， 在 市 场 原 有无功补 偿 装 置 基 础 上 ， 针 对 其 不 足 之 处 进 行 改 进 与 创 新 ， 使 得 研 究 成 果具有非常 广 阔 的 应 用 前 景 和 经 济 效 益 。 1.2无 功 补 偿 发 展与 现 状 国 内 外 针 对 无 功 补 偿 做 了 大 量 的 研 究 工 作 ，取 得 了 大 量 的 研 究 成 果 。 随着 科 学 技 术 的 不 断 发 展 ， 无 功 补 偿 的 研 究 工 作 还 在 继 续 ， 必 将 有 符 合 电力系 统 无 功 补 偿
29、 要 求 的 更 先 进 、 智 能 化 程 度 更 高 的 无 功 补 偿 设 备 涌 现 出来，从 而 更 好 的 保 障 电 网 的 安 全 可 靠 运 行 。 早 期 的 无 功 补 偿 主 要 由 调 相 机 和 电 力 电 容 器 实 现 。 调 相 机 本 质 上 为 空 载 运 行 的 同 步 电 动 机 ， 它 属 于 有 源 补 偿 器 ， 根 据 需要 控 制 同 步 电 机 的 励 磁 ， 使 其 工 作 在 过 励 磁 或 欠 励 磁 的 状 态 下 ， 可 以 控制它 从 电 网 中 吸 收 无 功 功 率 或 者 是 输 出 无 功 功 率 。 调 相 机 主 要
30、 装 设 在 枢纽变电 所 ， 同 电 容 器 补 偿 相 比 ， 有 其 自 身 的 优 点 ： 系 统 电 压 下 降 时 ， 靠维持或提 高 本 身 的 出 力 ，可 以 给 系 统 提 供 紧 急 的 电 压 支 持 3; 但 存 在 着 价 格 较 高 ，运 行 损 耗 比 较 大 ， 维 护 复 杂 等 缺 点 。 并 联 电 容 器 组 的 补 偿 方 式 结 构 简 单 ， 经 济 方 便 。 早 期 的 并 联 电 容 器 的补 偿 方 式 ， 由 于 技 术 的 原 因 ， 不 能 动 态 地 跟 踪 负 荷 无 功 功 率 的 变 化 ， 不能实 现 对 无 功 功 率
31、的 动 态 补 偿 。 电 容 器 的 投 切 主 要 是 由 人 工 手 动 完 成 的，电容 器 的 投 切 实 时 性 差 ， 不 能 及 时 检 测 电 网 的 运 行 状 态 ， 跟 踪 电 网 无 功 负 荷的 变 化 ， 无 法 平 滑 的 对 电 网 进 行 无 功 功 率 的 补 偿 ， 使 得 电 网 的 无 功 波 动 较大 ， 甚 至 还 有 可 能 造 成 涌 流 ， 不 能 保 证 功 率 因 数 和 电 压 质 量 在 规 定 的 范 围内 1 。 研 制 智 能 化 程 度 更 高 的 控 制 器 和 投 切 装 置 来 进 行 电 容 器 的 自 动 投 切、
32、实 现 配 电 网 络 无 功 动 态 补 偿 ， 将 是 近 期 在 无 功 补 偿 方 面 的 主 要 研 究 内 容 。 随 着 计 算 机 技 术 与 电 力 电 子 技 术 的 发 展 以 及 各 学 科 的 交 叉 影 响 ， 新 型的 电 力 电 子 器 件 在 无 功 补 偿 领 域 的 使 用 ，无 功 补 偿 技 术 也 得 到 了 新 的 发展。主 要 表 现 在 以 下 几 方 面 4 : (1) 快 速 准 确 地 检 测 系 统 的 无 功 参 数 ，提 高 动 态 响 应 时 间 ，快 速 投 切 电 容 器 ， 以 满 足 工 作 条 件 较 为 恶 劣 的 情
33、 况 。 随 着 计 算 机 智 能 控 制 理 论 的 发展 ， 可 以 在 无 功 补 偿 中 引 入 一 些 智 能 化 元 素 ， 使 无 功 控 制 实 现 智 能 化 。 2 (2) 电 力 部 门 期 望 在 配 电 变 压 器 的 低 压 侧 实 现 无 功 补 偿 和 配 电 变 压器 运 行 参 数 监 测 ， 因 此 出 现 了 无 功 补 偿 控 制 器 和 配 电 监 测 于 一 体 的 需 求 。 (3) 有 些 特 殊 负 荷 导 致 供 电 网 络 含 有 大 量 谐 波 ，研 制 开 发 兼 有 无 功 补 偿 与 电 力 谐 波 治 理 双 重 作 用 的
34、装 置 ，将 成 为 改 善 系 统 功 率 因 数 、抑 制 谐 波、稳 定 系 统 电 压 、 改 善 电 能 质 量 的 有 效 手 段 。 (4) 随 着 网 络 技 术 的 发 展 ，可 以 使 无 功 补 偿 实 现 远 程 监 控 ，方 便 也 更 加 快 捷 的 对 电 网 运 行 参 数 与 状 态 进 行 实 时 监 控 。 1.3无 功 补 偿 技 术背 景 1.3.1无 功 补 偿概述 无 功 功 率 和 有 功 功 率 一 样 是 输 配 电 网 中 不 可 缺 少 的 组 成 部 分 ， 无 功 功率 对 供 电 系 统 和 负 载 系 统 的 正 常 运 行 是
35、十 分 重 要 的 、 也 是 必 需 的 。 所 谓 无 功 功 率 补 偿 ， 是 指 在 电 网 中 安 装 并 联 电 容 器 、 同 步 调 相 机 等 设备 ， 向 感 性 负 荷 设 备 提 供 无 功 功 率 ， 减 少 由 输 电 线 路 输 送 的 无 功 功 率 ， 从而 减 少 了 无 功 功 率 在 电 网 中 的 流 动 。 在 长 距 离 输 电 线 路 中 选 择 合 适 的 地点设 置 无 功 动 态 补 偿 装 置 ， 还 可 以 改 善 电 网 稳 定 性 能 ， 提 高 输 电 能 力 。 在受电 端 ， 合 理 配 置 无 功 功 率 ， 可 以 提 高 供 用 电 系 统 及 负 载