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1、安徽工程大学毕业论文（设计） 题目名称：电力负载的无功测控电路设计 题目类型： 毕业设计 学生姓名： 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气102 指导教师： 时间： 2012年4月1日至2012年5月23日 目录毕业设计任务书.I文献综述II指导老师审查意见答辩会议记录评阅教师评语中外文摘要前言补偿低压无功负荷是电网无功补偿的重要环节。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网无功补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并能有效地降低电能损失，减少用户电费支出。低压无功补偿对用户和供电部门均有益。现有的无功自动补偿装置种类很多，但基本上都是由检测单元、主控单
2、元、执行单元和电源组成。检测单元的任务是从电网中检测与网络功率因数直接或间接相关的参数，并将此参数信号转换并送人主控单元，由主控单元将其与控制指标值进行比较。作出投切决策。执行单元则根据投切决策通过投切开关(交流接触)控制电容器的投切，完成补偿任务。本文利用单片机8051设计了一种全自动无功补偿控制器。它具有如下功能：(1)实时显示电网功率因数值，同时，还能够显示控制器的工作状态和电容器组的投切情况。(2)功率因数指标可以按不同的补偿要求设定和调整。如：以节能和减少电费支出为指标的无功参数补偿方案；以提高功率因数为目的的补偿方案和为改善电压偏差为主要指标的电压参数调节方案等。(3)利用可控硅做
3、中间驱动单元，使强、弱电分离。提高了系统的可靠性。(4)采用电容器组循环投切方式，以免电容器组长期运行，温升过高等。(5)电容器组切换延时及延时调整等可防止电容器组投切时产生振荡现象。选题背景 电压质量是衡量电力系统电能质量的重要指标之一，它的好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。这不仅关系到电力系统向电力用户提供电能质量的优劣问题，而且还直接影响电网的安全、经济运行。若无功电源容量不足，系统运行电压将难以保证。随着电网容量的不断增加，对电网无功功率的要求也与日增加。因此，还需考虑网络的功率因数和电压，因为网络功率因数和电压的降低会使电气设备得不到充分利用，从而降低网络的传输能力，并引起
4、损耗增加。因此，解决好配电网络无功补偿的问题，对电网的安全和降损节能有着重要的意义。无功补偿点的合理选择以及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性，避免大量无功功率的远距离传输，从而降低有功网损，减少发电费用。我国配电网长期以来无功匮乏，由其造成的网损严重，因此，进行无功功率补偿，能投资少回报高。通常采用的方法是在配电变压器低压侧进行补偿，既可降低线路损耗，也能降低配电变压器损耗，电压质量也有较大的改善。方案论证 功率因数的测量方法:在三相对称交流电路中UA UBC，即+ = 90,(如图1所示。为提高测量精度，可测量一般情况下数值较大的值。由于直接测量日值很难，所
5、以我们采用测量与成正比关系的时间t，再由t折算得到功率因数Cos。测量电路及其波形如图2和图3所示。检测单元通过电压互感器、电流互感器，将电网线电压UBC和相电流IA变换成适当的电压信号送人反相比较电路，得到相应的方波信号TBC和TA，再经与非门送到单片机INT0端。经单片机测得时间值T和t，求出与相位 对应的时问t 。UAUCUBUBCIA电压电流向量图-+- & 80C51IAubccccC测量电路图显然有，t=T/2-t0 = T/2 (T-t) 0(负载呈感性) =t-T/2= =0(负载呈阻性) 0(负载呈容性) 功率因数的计算：为使CPU有能力和时间实施自诊断和二次开发，本文对Co
6、s 的运算采用查表技术c设市电工频5O Hz(周期20ms)，T=10ms，则Cos=c0弧节 Cos*t=Cos（*t/T-/2）事先离线使 按一定步长 递增，并由上式计算得tCos查询表，存人EPROM。其中把t折算为地址，地址内容为Cos 值。这样当采样回路测得 时，就可将其转化为地址，查表即得对应的Cos 。过程论述理解关于无功功率补偿的几个概念1.1 正弦交流电中的无功功率定义正弦电流中的无功功率定义为: 习惯上认为它是由电路中的储能元件(电容或电感)引起。在交流电一个周期的一部份时间内，储能元件从电源吸收能量，另一部时间内将能量返回电源，理想的无损失储能元件在整个周期q平均功率是零
7、。也就是说在外电路和电感或电容之间虽有能量的来回交换，但在储能元件上并没有能量的消耗。无功功率与储能元件相关联。我们可计算功率因数： 1.2 电力系统中无功功率及功率因数电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要负担负荷的无功功率Q。 无功功率O和视A功率S之间存在下述关系: 然而：被定义为电力网的功率囚数，其物理意义是线路的视在功率S供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将人部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。1.2.1 如何提高电力系统功率因数功率因数还可以表示成个述形式:注：U:为线电压，L为:线电流。
8、可见，在一定的电压和电流卜，提高Cos，其输出的有功功率将增大。因此，改善功率因数是充分发挥没备潜力，提高设备的利用率的有效方法。1.2.2 补偿电容以减少线路损失电力网的电压损失可以表示为: 可看出，影响U的因数四个:线路的有功功率P、无功功率o,电阻R和电抗X。如果采用容抗为X。的电容来补偿，则电压损失为:故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失U减小，改善了电压质量。电力系统无功补偿的原理 2. 3. 1配电网无功补偿问题的提出 在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，不仅系统中存在着有功功率，而且存在无功功率。虽然无功功率本身不消耗能量，它的能量只是在电源及负载间进行传输交换，但是在这种
9、能量交换的过程会引起电能的损耗。并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列负面影响:(1) 电网总电流增加，从而会使电力系统。中的元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，使用户内部的起动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投资费用增大。在传送同样的用功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损失增大。(2) 电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电;反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。(3) 降低了电网的功率因数造成大量电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗将近提高了一倍。(4)
10、对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重。如果，不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分的利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏、系统瘫痪。1.3.2
11、 无功补偿向量图在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例:异步电动机、变压器、萤光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比重。电力系统的电抗器和架空线等也要消耗一些无功功率;同时，各种谐波源也要消耗一定的无功功率。阻感负载可看作电阻R与电感L串联的电路，其功率因数为 无功功率测控电路总体设计思路该无功补偿器是以无功功率为判断依据。如何进行无功补偿？设定系统所需要达到的无功功率要求，通过对系统的无功功率的检测，并以此作为是否补偿无功的标准。处理所采集的数据。显示当前系统的状态参数，如何保护补偿装置？怎样处理高压和低压的电气连接所产生
12、的干扰和抑制谐波？重点就是如何测量无功功率，如何投切电容？总的解决方法是将无功补偿分为三个组成部分，功率因数自动调节器执行机构调节对象该无功设计思路：通过互感器采集数据，经过组合电路对电压与电流的过零比较产生其相对落后时间查 差，送入单片机，进行分析，计算，判断，对执行机构进行控制无功的投入与切除。这样就可以实现对负载的无功补偿。 该无功补偿器为单相补偿。3.1 无功功率补偿原理图无功检测电容组负载为单环闭合回路，当设定参数则可以自动调节无功功率，无功检测的数据与设定值的比较结果决定电容组的投切。3.3无功补偿的框图：电压传感器A/D转换 单片机开关投切控制电路电容组投切光隔离复合开关电流传感
13、器功率检测电路显示EEPROM 硬件电路的设计硬件电路分为三大块：采样系统，控制系统，执行系统。分别分担各自的必要功能并构成一个完整的无功补偿电路。4.1采样系统 该无功补偿器是以无功功率为判断依据而进行无功的投切。无功补偿器关键在对无功功率的采集，样无功功率因数。4.1.1 功率因数的测量信号调理电路的设计信号调理电路主要完成强电信号与弱电信号之间的隔离和变换，该电路包括互感器信号转换电路、1)互感器信号转换电路选择带8位的AD转换器，其AD转换的域值电压为33 V，其最大转换时间为。因此对于选择的交流传感器，其采样精度应与选择带8位的AD转换器采样精度相匹配。另外，电压、电流传感器的功用主
14、要在于从主电路上适当的支路或节点处对其电压或电流值进行采样，并将控制电路与主电路进行隔离。因此，传感器的选取就要考虑到主电路及控制电路的电压(或电流)等级。对于容量为100 kvar，电压等级为380 V220 V的三相静止补偿器，所需的电流参数为系统对电网的输出无功电流参数，因此，选用北京星格公司研制的精密电压传感器SPT304和精密电流传感器SCT260SH304是一款电压输出型精密电压传感器，其额定输人为380 V，额定输出为125 V，线性范围为0450 V，最大输人电压为570 V，精度为02(一40+75)，相移5度SCT2601是一款电流输出型精密电流互感器，其额定输人为600
15、A，额定输出为100 mA，线性范围为0720 A，非线性度01 ，相移05。(补偿前)。使用电路如图2所示，互感器副边电路为电流电压变换电路，调节图中反馈电阻R和r的值可得到所需的电压输出(一125 V+125 V)：电容C2是400至1 000 pF的小电容，用来去耦、滤波和相位调节。2) 采集功率因数的电路将比较器输出的两路矩形波信号U1和U2经与门74LS08相与，输出波形再同U1一起送异或门74LS86，其输出波形即显示了相位差角的大小（图2-1）。然后将信号输入89C51单片机的INT0口。先通过软件对寄存器IE赋值，使INT0口关中断。这是因为，定时器/计数器0检测89C51的I
16、NT0口，通过定时器工作方式寄存器TMOD来控制定时器/计数器0的工作方式和操作模式，通过定时器控制寄存器TCON来控制它们的工作状态。由于程序需要当INT0脚由低电平变为高电平时，定时器/计数器0开始计时，为了消除外部干扰，须先将INT0口关中断。定时器/计数器0选择工作方式一，将定时器工作方式寄存器TMOD中GATE位置位，C/T位清零；将定时器控制寄存器TCON中TR0位置位；并将中断允许寄存器IE中EX0位清零。这样，由于电压信号和电流信号经过一个异或门，当电压首先过零而电流未过零时，INT0口就会由低电平跳变为高电平，定时器0同时开始计时；当滞后的电流也过零时，INT0口又由高电平跳
17、变为低电平，定时器0停止计时。随后，程序将计时值送至指定单元。为提高检测精度，又不使计数器溢出，程序连续纪录4个矩形波的时间，算得平均值作为检测值t。 图2-1由于国家电力系统规定工频（50Hz）下工作，单片机的晶振频率也可知，那么就可以求出电压或电流一个变化周期所对应的定时器的计数值T。由 可知，t由单片机定时器/计数器0计时获得。而cos可通过事先在单片机内输入与cos相对应的数表，从而查询取得。单片机算出cos的值后送七段数码管显示，同时与设定的功率因数值相比较，开始可控硅调节。 电压和电流的采集原母线的电压和电流经过电压、电流互感器降低了。而显示需要原始值，这需要软件计算。将互感器的数
18、据值经过D/A转换，送到单片机，再由单片机输出。3）控制系统电路的设计 选取MCS-51单片机作为主控芯片,选取ADC0809进行模数转换 A/D转换的步骤A. 采样-保持为了能不失真的恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率的两倍，这就是采样定理，即 由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。B. 量化与编码模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为A/
19、D转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809芯片完成。 ADC0809 内部结构 存储器和看门狗部分在本设计中，需要设定的参数值，为了保证掉电后数据不丢失。有两种电路可实现数据的非易失性保存。a. 选用静态的RAM，这种结构占用较多的软硬件资源，不宜采用。b. 使用串行的EEPROM作为数据存储器，串行EEPROM具有很强的抗干扰能力，并且与单片机接口比较简单.因为本设计需要写入的数据量比较少，采用了性价比高的的X5045，c. 为了保证系统的稳定性还用到了它的看门狗定时器功能。4)外部看门狗电路在单片机中，由于外部干扰或硬件设备故障，常常出现程序跑飞问题。为解决这个问题，单片机中常采用看门狗
20、(WATCH DOG)。，为保证系统在强干扰下更加可靠地运行，系统设计了一个外部看门狗电路。系统工作时，内外部看门狗电路若能同时启动工作，将使系统对于突发干扰造成的死机问题更容易解决，并可避免CPU死机后导致内部看门狗电路不能正常工作的情况存储电路设计由于系统需要存储较大数量的历史数据，其中仅整点数据就有90 k字节的容量，故需要大容量的数据存储器 显示功能4）无功功率补偿的执行系统单片机输出构成控制电路，其执行由光电组合开关和继电器构成，因为对电容器的控制就会有低压和高压接触，那样会产生很大的干扰，通过光电控制就会很大程度降低干扰。但是由于频繁的操作很容易使器件损坏。设计投切的思路是六个电容
21、器循环投切，并且先投的先断开。这样可以合理投切控制电容器，这样避免了发生有的电容器长时间闲置而有的则一直处于工作状态，这样可以延长器件的寿命，节约成本。 补偿电容的计算=P（tg1-tg2）= “振荡投切”现象的解决方案：无功的投切是根据无功功率的大小与设定值比较的结果而定。当投一组电容器时后测得的无功功率大于所设的无功功率的上限时，控制系统便要切除一组电容器，但是切除一组电容器后测得的无功功率又低于所设无功功率的下限，这样控制系统就要投入一组电容器。这样循环下去便形成投切震荡现象，投切震荡有很大危害，不仅造成器件反复高频率投切，而且会对电力系统供电不稳定。“振荡投切”现象的产生与电容器分组大
22、小、负荷情况、投切时间有关。“循环投切”则要求每组电容器的容量大小相等，只有这样才能保证每组电容器有相等的使用概率。严格地消除“振荡投切”必须实现无功负荷的无级M尝，而这与“循环投切”的条件是矛盾的。粗略地看，电容器分组越多，每组容量越小，就越能精确跟踪无功负荷的变化;但如果分组过多，不仅经济成本增加，体积增大，安装、调试难度增大;而且跟踪时间加长，实时性变差;在大部分时间内，电容器没有充分工作，造成资源浪费。解决办法：在六个电容器中选择第六个电容器的容量为其他五个的一半，当检测到连续两次发生投切震荡时先投入第六个电容器。下一次的投切之前先投切第六个电容器。这样就可以避免长时间的投切震荡。 消
23、除浪涌和抑制谐波 按功率自动投切电容器组，由于操作比较频繁，因而必须考虑投切电容器的滥用电流和电容器的过电压，对投切电容的过电压， 如果电容器不串联附加电抗器，又仅仅依靠线路本身的感抗，浪涌电流系数就很大，当串联电抗时，降低了该系数的大小，显然降低了电容器故障时的短路电流，在补偿电容器电路中串联电抗器除了可以减少接通电容器时的浪涌电流和减少并联电容器组中个别电容器故障造成的危害外，还可以消除电网中同时接有可控硅变流装置和补偿电容器器时产生的并联谐振及谐波电流的危害。 无功负荷的数学分析是寻求在满足补偿标准前提下的最佳电容器组数，使得操作次数最少。 5）总电路图 辅助功能的设计无功补偿控制器是一
24、种强弱电并存的仪器，可靠性对控制器来说至关重要，恶劣的工作环境，严重的噪声环境等都将严重影响控制器的可靠性，为了提高其对恶劣环境的适应，保证控制器的正常运行，必须考虑控制器的抗干扰问题。如何提高可靠性和抗干扰能力是本设计一个非常重要的方面，应从软、硬件两个方面采取措施，保证其长期可靠运行。5.1.1 硬件抗干扰设计1) 电源的抗干扰措施实践表明，系统失效和硬件损坏是由各种干扰引起的而90%左右的干扰源来自电源。可见这种来自电源的干扰对系统的影响相当大。目前有以下几种电源可供选择:阻容分压式: 采用简单的电阻电容分压、滤波。这种电源稳定性能差、电源波动大、带负载能力小、电网干扰极易串入。开关电源
25、: 这种电源稳压性能好、稳波小、但成本较高且对外界电网的干扰也严重。线性电源:这种电源稳压性能好、隔离特性好，价格适中。电源板上所采取的抗干扰措施在电源设计部分已作详细介绍(如加压敏电阻，双绕组扼流圈，瞬变电压抑制器等)这里不再赘述。2) 电路中加光电隔开关量输入输出通道和模拟量输入输出通道，都是干扰串入的渠道，要切段这条渠道，就要去掉对象与输入输出通道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲，所以在驱动电路与开关量反馈电路中我们增加了光电隔离电路。光电祸合器的输入输出部分必须分别采用独立的电源，如果两端共用一个电源，则光电祸合将失去意义。 开关量输入电路接入光电祸合器后，由于光电藕合器的
26、抗干扰作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一边。另外，光电祸合器还起到很好的保障作用，因为光电祸合器的输入输出回路之间可耐很高的电压，有些光电祸合为可达1000V，甚至更高。3) 布线布局上的抗干扰设计电源部分，数字电路和模拟电路分开。印刷电路板应有良好的绝缘，绝缘电阻大于10n。在电路设计，必须严格保证强电与弱电的隔离，除了电路有直接连接外，100V以上的强电印刷布线与弱电印刷布线距离应大于4-5mm。数字地与模拟地分开。在每个印刷电路板入口处的电源线和地线之间并接退祸电容。并接的电容一般为一个大容量的电解电容(l OgF- 100pF )和一个0.01 gF-0.1
27、gF的非电解电容。除了要根据电流大小，尽量加大导线宽度外，采取使电源线、地线走向与数据线传递方向一致，有助于增强抗噪声的能力。对印刷板上容易接受干扰的信号线不能与能够产生干扰或传递干扰的线路长距离范围内平行铺设。必要时在它们之间设置一根地线，以实现屏蔽。所以合理的接地且减少地电阻也是非常必要的。不要在印刷板上留下空白铜箔层，因为它们可充当发射天线或接收天线，因此可将它们接地以减少电磁干扰。5.1.2 软件抗干扰 硬件抗干扰的目的是尽可能的切断干扰进入控制器的通道，但是由于干扰存在的随机性，尤其此控制器工作的环境比较恶劣，尽管采取了硬件抗干扰，但并不能将各种千扰完全拒之门外，所以在编程方面，采用
28、各种软件抗干扰，与硬件抗干扰相结合，可大大的提高工作的可靠性。5.2 滤波器抗干扰单调谐谐波馆波装置交流滤波装置交流滤波装置通常有单调谐和高通滤波器两种形式，如图所示。其中:a图为单调谐交流滤波器，b图为高通滤波器对于低次的谐波电流，分别选定次数设置单调谐滤波器;对于更高的谐波次数，一般选用一组高通滤波器。单调谐滤波器中的电容主要承受两种频率的激励的作用，一个是电网基波频率电压，另一个是调谐频率电流。同样，电抗器也受到这两种频率的激励作用。那么电容容量为:电抗器的大小为过滤谐波很好的减少干扰，使无功补偿更稳定的工作。 软件设计6.1软件大体包括以下几个程序模块：定时检测脉冲宽度（功率因数和无功
29、功率），采集电压电流数据并进行处理，显示，生成加减循环控制投切脉冲。系统初始化主程序开始系统无功计算过零过流过压合适取采样脉冲封锁程序结束参考文献1.基于MSP430系列单片机的智能无功补偿控制器 陈茂勇 郭西进2. 关于低压无功补偿装置的探讨 余兆荣 陈曦3. 配电系统无功补偿技术方案比较 王 强 聂军4.电网功率因数的测量及无功自动补偿控制 刘骏跃5.测控系统原理与设计 孙传友 孙晓斌6. 单片机原理实用教程（基于Proteus 虚拟仿真） 徐爱钧致谢 在毕业设计的过程中，龙从玉老师给予了我极大的帮助。在毕业设计开题报告会中，罗明璋老师给我提出了宝贵的建议。因此，我在此向他们致以衷心的感谢。还有我所用到参考文献的作者陈茂勇，郭西进，余兆荣，陈曦，王 强，聂军，刘骏跃，孙传友，孙晓斌，徐爱钧等也要一并感谢。