智能無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

1、工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱：智能無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)智能無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)用電量的急劇增加，大量低功率因素的負(fù)荷接 入電網(wǎng)對電網(wǎng)形成的巨大挑戰(zhàn)。而且現(xiàn)在用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，同時(shí)也為了電網(wǎng)的安全運(yùn)行，需要平衡無功負(fù)荷功率。在低壓供電系統(tǒng)中，低壓無功 補(bǔ)償裝置的功能就是向感性負(fù)載設(shè)備就近提供無功功率，低壓無功補(bǔ)償控制器是 無功補(bǔ)償裝置的核心，采用檢測電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，減少了運(yùn)算量，提高電網(wǎng)參數(shù)辨 識(shí)的精度，并可以簡化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?？刂破饕訫CU處理器為控制核心，采用功率因數(shù)控制方式來檢測電壓電流并計(jì)算出功率因數(shù)、無功功率，按照一定的控 制規(guī)律投切電容器組，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。本文

2、首先介紹無功補(bǔ)償?shù)幕驹恚?再詳 細(xì)介紹基于STM32F103RBT和ATT7022E的無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償、控制器、功率因數(shù)、 STM32F103RBT6 ATT7022E一、引言電力是我國的主要二次能源，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)電降耗，減少生產(chǎn)成 本是企業(yè)追逐的目標(biāo)。但是電力系統(tǒng)中先天性的存在著大量的無功負(fù)荷，這些無功負(fù)荷來自電力線路、電力變壓器以及用戶的用電設(shè)備。系統(tǒng)運(yùn)行中大量的無功 功率將降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大線路電壓損失和電能損失，嚴(yán)重影響著電力企 業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，解決這些問題的一個(gè)有效途徑就是進(jìn)行無功補(bǔ)償。功率因數(shù)的提高，不僅能提高供電設(shè)備的供電能力，而且可以降低

3、電力系統(tǒng)的電壓損失，減少 電壓波動(dòng)，改善電能質(zhì)量，降低電能損耗，從而節(jié)省電力提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，在現(xiàn)代電力企業(yè)中，功率因數(shù)是考核配電網(wǎng)運(yùn)行的重要指標(biāo)。 為達(dá)到 考核指標(biāo)，必須結(jié)合本地區(qū)的具體情況，進(jìn)行無功的規(guī)劃 ，其規(guī)劃的目的是：(1) 保證規(guī)劃地區(qū)的無功平衡，維持電力系統(tǒng)的無功穩(wěn)定。(2) 提高地區(qū)電網(wǎng)電壓的質(zhì)量，使地區(qū)電網(wǎng)無功、電壓優(yōu)化運(yùn)行。(3) 提高功率因數(shù)、改善地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。(4) 合理確定無功補(bǔ)償方式、無功補(bǔ)償容量、無功補(bǔ)償?shù)陌惭b地點(diǎn)使補(bǔ)償效果 最佳。電網(wǎng)中的用電負(fù)荷絕大部分是感性負(fù)荷，比如生活中常見的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、 變壓器等，所以為了電網(wǎng)的合理運(yùn)

4、行需要對電網(wǎng)補(bǔ)償一定容量的無功功率。因?yàn)檠a(bǔ)償一定的無功功率可以提高功率因數(shù)，減少線路損耗電量，提高用電效率等。 無功補(bǔ)償方式比較多，常見的有調(diào)相機(jī)、電力電容器、靜止無功補(bǔ)償器等。本文注重介紹智能無功補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，涉及到軟件與硬件設(shè)計(jì)。為了取得比較好的無功補(bǔ)償效果，需要準(zhǔn)確地測量電網(wǎng)的參數(shù)：每一相的電壓、電流。因?yàn)?涉及到有功功率、無功功率、功率因數(shù)等的計(jì)算，因此我們采用了高精度電能計(jì) 量芯片ATT7022E寸采集到的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行處理，得到我們所需要的有功 功率、無功功率、功率因數(shù)等結(jié)果。而主控芯片則采用STM32F103RBT6 二、無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟黼娏W(wǎng)中的變壓器和電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感

5、應(yīng)原理工作的。 磁場所具有的磁場 能是由電源供給的。電動(dòng)機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等， 這種功率稱為感性無功功率。接在交流電網(wǎng) 中的電容器，在一個(gè)周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無功功率。所以無功功率被使用于建立磁場和靜電場，它存儲(chǔ)于 電感和電容中，通過電力網(wǎng)往返于電源和電感、 電容之間。無功功率在電力網(wǎng)元 件中流動(dòng)，將會(huì)在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗， 降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量， 增加電網(wǎng)的線損率。將電容器和電感并聯(lián)在同一電路中， 電感吸收能量時(shí)，電容器釋放能量而電 感放出能量時(shí)，電容器吸收能量。因此能量就只

6、在它們之間交換，即感性負(fù)荷電 動(dòng)機(jī)、變壓器等所吸收的無功功率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補(bǔ)償。 因此把由電容器組成的裝置稱為無功補(bǔ)償裝置。無功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砣鐖D2-1所示。無功功率為Q，使電源輸出的無功功率減少為Q/Q Qc，功率因數(shù)由cos提咼到cos、，視在功率S減少到S/。視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。電力網(wǎng)絡(luò)除了要提供有功功率 P外，還要承擔(dān)負(fù)荷所需要的無功功率 Q。有 功功率P與無功功率Q、視在功率S之間存在下面關(guān)系：S2P2Q2cos被定義為功率因數(shù)，其物理意義是供給線路的有功功率P占線路視在功率S的百分比。在實(shí)際的電網(wǎng)中，我們

7、希望功率因素越大越好。而我們搞無功補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果就是要提高功率因素，提高功率因素有幾大意義：1、改善設(shè)備的利用率功率因素還可以表示為cos P / S P / ,3UI其中U為線電壓、單位為KV; I為線電流，單位為A。根據(jù)式可知在一定的 電壓和電流下，提高cos ，其輸出功率增大。因此改善功率因素是充分發(fā)揮設(shè) 備潛力，提高設(shè)備利用率的有效方法。2、提高功率因素可以減少電壓損耗11U2U1S1圖2-2由電力網(wǎng)的等值電路圖2-2可知，電力網(wǎng)由于無功負(fù)荷而帶來的電壓損耗U的計(jì)算公式為:U UU212 cos R 12 sinP2R QX/ UC為電網(wǎng)中電壓與電流式中：Uc為電力網(wǎng)的額定電壓；6為元件的

8、末端電壓;的相位角；R，X分別為電力網(wǎng)中元件的等效電阻和等效電抗；P2, Q為元件末端 的有功負(fù)荷和無功負(fù)荷3、減少線路損耗當(dāng)線路流過電流I時(shí)，線路的有功損耗3P 3IR 10 KWPUC cos10 3P2 Q2uC10其中無功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)而引起的有功線損Pq的計(jì)算公式為:PqQ2UC線路的有功損耗 P與cos2成反比，cos 越高P越小4、提高電力網(wǎng)的傳輸能力視在功率與有功功率存在如下關(guān)系P S cos可見，在傳送一定的有功功率 P的條件下，cos越高，S越小。三、無功補(bǔ)償方法本智能無功補(bǔ)償控制器主要用于低壓系統(tǒng)。低壓電網(wǎng)一般處于電網(wǎng)的末端， 因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o功負(fù)荷是電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。 作

9、好低壓補(bǔ)償，不但可以減輕上一級(jí) 電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因?shù)和 電壓質(zhì)量，并有效降低電能損失，減少用戶電費(fèi)。因而電壓補(bǔ)償對用戶和供電部 門均有利。低壓無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡，通常采用的方式有三種隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償三種方法。3.1隨機(jī)補(bǔ)償隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并聯(lián) ，通過控制、保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī) 共同投切。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)是用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)， 無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停止運(yùn) 行時(shí)，補(bǔ)償裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。具有投資少，配置靈活，維 修簡單等優(yōu)點(diǎn)。為防止電動(dòng)機(jī)退出運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生自激過電壓， 補(bǔ)償容量一般應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的空 載

10、無功負(fù)荷，通常推薦Q 0. 95 0. 983UNI O式中Un為額定電壓；I o為電動(dòng)機(jī)空載電流；Qc為補(bǔ)償電容器容量對于排灌電動(dòng)機(jī)等所帶機(jī)械負(fù)荷軸慣性大的電動(dòng)機(jī)，補(bǔ)償容量可適當(dāng)增大， 可大于電動(dòng)機(jī)空載無功負(fù)荷，但要小于額定無功負(fù)荷。由于排灌電動(dòng)機(jī)總是在帶 有水泵機(jī)械負(fù)載的情況下斷電，這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將急劇下降，即使補(bǔ)償容量略大 于電動(dòng)機(jī)空在無功負(fù)荷，也不會(huì)產(chǎn)生自激過電壓。一般電動(dòng)機(jī)的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)大 于,選用隨機(jī)補(bǔ)償比其他方式更經(jīng)濟(jì)。用戶的補(bǔ)償投資可在一年內(nèi)全部收回， 補(bǔ) 償電動(dòng)機(jī)無功負(fù)荷效果更佳。3.2隨器補(bǔ)償隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功

11、的補(bǔ)償方式。農(nóng)網(wǎng)配電變壓器，尤其是綜合用戶配電變壓器，普遍存在負(fù)荷輕和“大馬拉 小車”現(xiàn)象。在負(fù)荷低時(shí)接近空載，配電變壓器的空載無功是電網(wǎng)無功負(fù)荷的主 要部分。對于輕負(fù)載配電變壓器而言，這部分損耗占供電量的比例較大， 導(dǎo)致電 費(fèi)單價(jià)增高。由于隨器補(bǔ)償在低壓側(cè)，故而接線簡單，維護(hù)管理方便，且可以有 效地補(bǔ)償配電變壓器空載無功，使該部分無功就地平衡，從而提高配電變壓器的 利用率，降低無功網(wǎng)耗，是目前補(bǔ)償配電變壓器無功的有效手段之一。3.3跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置， 根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況將低壓電容 器組補(bǔ)償在用戶配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償方式。 補(bǔ)償電容器組的固定連接組可起 到跟隨器補(bǔ)

12、償?shù)淖饔?，補(bǔ)償用戶自身的無功基荷；投切電容器組用于補(bǔ)償無功峰 荷部分。考慮到電動(dòng)機(jī)投運(yùn)的不同時(shí)率和單臺(tái)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償容量的限制等因素，采用跟蹤補(bǔ)償比隨機(jī)、隨器補(bǔ)償能獲得更好的補(bǔ)償效果，而且不需要提高補(bǔ)償度， 并可適當(dāng)調(diào)整各組電容器的運(yùn)行時(shí)間，使其壽命相對延長，從而降低電器的購置 更新費(fèi)用。跟蹤補(bǔ)償投切方式分為自動(dòng)投切和手動(dòng)投切兩種。 手動(dòng)投切通過人工投切各 組電容器，達(dá)到改變補(bǔ)償容量的作用，該方法適用于時(shí)間上呈一定規(guī)律變化的負(fù) 荷。由于用戶負(fù)荷有一定的波動(dòng)性，采用人工手動(dòng)投切補(bǔ)償電容不能及時(shí)跟隨無 功負(fù)荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量所要求的指標(biāo)， 使電容補(bǔ)償達(dá) 不到應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益。因此，

13、誕生了與無功補(bǔ)償電容配套的自動(dòng)投切裝置。自動(dòng)投切是微電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用， 控制器根據(jù)測得的電力參數(shù)，計(jì)算出當(dāng) 前電網(wǎng)所需的無功補(bǔ)償量，并輸出指令來控制電容器組的投切，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)?目的。四、智能無功補(bǔ)償控制器的硬件設(shè)計(jì) 4.1電能計(jì)量芯片本智能無功補(bǔ)償控制器采用的電能計(jì)量芯片為ATT7022E該芯片集成了七路二階sigma-delta ADC,其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣， 還有一路可用于零線電流采樣，適用于三相三線和三相四線。芯片還集成了參考 電壓以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號(hào)處理電路， 能夠測量各相以及合相得有功功率、無功功率、視在功率

14、等。VDEllSD1CF1閃CK4ST 1 KItEVP4.2主控芯片本控制器使用 STM32F103RBT6乍為主控芯片。STM32F103RBT是一款基于高性能ARMCor-tex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位微控制器，配備2個(gè)16通道的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個(gè)16位定時(shí)器，時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 72MHz。在中斷方面，內(nèi)嵌的 中斷控制器有43個(gè)可屏蔽中斷通道，采用尾鏈技術(shù)的中斷處理（降至 6個(gè)CPU 周期）；在通信接口方面，高達(dá)9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口；兩個(gè)I2C接口、兩個(gè)SPI接 口、三個(gè)USARTS口、一個(gè)CAN接口、一個(gè)USB2.0全速接口。芯片接口電路圖 如下:U6匚 sm-EKE汪丁1(el<

15、;q1'曲【j'SCSIFME01VM0511匚O*T艮衛(wèi)F 細(xì) WKUP PAIFAZPAJFA+PASP"FA7PflQPB1PB2 BOOT1TB3 nuoF&4 JTTWrPB5F&6PH了USAKT_COTI4LusartFix4Z：USARTl RX 4jtmsJTCKJLL11±4:PASPA1>PAIOPA11 p盤L：PAli'TrM&STlIO PAHnCKS<LK PAI5-TIDI3 9 0 1-345 rO 1111 1* 11 1111 hkbbbbbb1 rr i r r r押KE口K

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17、C3J_IN PCISOSCJ2 OUTCCNIK 1： CONIK.l: CONIK l- CONTK I： CONTE! If圖4-21 T - 3 43SSS-SSSS:V&SAGND4.3控制器的工作原理首先，我們需要采集電網(wǎng)上三相的每一相的電流、電壓，將采集的電流電壓通過互感器轉(zhuǎn)換為微電流信號(hào)，微電流信號(hào)通過電能計(jì)量芯片ATT7022E的計(jì)算處理就能夠得出我們需要的結(jié)果。得到的有功功率、無功功率、功率因數(shù)通過主 控芯片STM32F103RBT6勺處理，判斷是否需要對線路進(jìn)行無功補(bǔ)償，同時(shí)與 STM32F103RBT相連的還有 RS485通訊接口、程序下載接口、 AT24C25

18、6儲(chǔ)存模 塊。12C儲(chǔ)祁耕AT21C256HIM EAmO22ESPI主控芯八STM32F103RBT6圖4-34.4智能無功補(bǔ)償控制器的原理接線路與 PCB板魚 13 芻“S7 *!:=里暨"陀診 1r圖4-4五、智能無功補(bǔ)償控制器的軟件設(shè)計(jì)控制器的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法， 主要由主程序、電能計(jì)量芯片接口程 序、電容投切控制程序、人機(jī)界面程序和通訊程序組成。5.1主程序設(shè)計(jì)主程序主要包括系統(tǒng)初始化和主循環(huán)程序兩部分組成，程序流程圖如下:圖5-15.2電能計(jì)量芯片接口程序設(shè)計(jì)電能芯片接口程序首先對進(jìn)行初始化，初始化完成后向?qū)懭胄１韰?shù)，等待釆樣完成，最后讀取并計(jì)算各個(gè)計(jì)量值。如圖

19、5-2所示：電能芯片的初始化包括設(shè)置電能芯片的工作模式、ADC增益、波形采樣頻率、 功率和電能計(jì)量方式、波形緩沖數(shù)據(jù)源和模擬模塊等。在初始化完成后，判斷 ATT7022E是否完成釆樣，如果完成釆樣，讀取相應(yīng)計(jì)量寄存器的值進(jìn)行校準(zhǔn)，校 準(zhǔn)包括功率增益校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)和電壓、電流有效值校準(zhǔn)。寫入校準(zhǔn)參數(shù)后， ATT7022E會(huì)重新開始釆樣，等釆樣完成后，就可以讀取各個(gè)計(jì)量寄存器的值，并 計(jì)算最終的測量參數(shù)。5.3電容投切控制程序設(shè)計(jì)電容投切控制程序主要根據(jù)線路的無功功率和功率因數(shù)判定電容器是否投 切，并輸出控制命令，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償功能。5.4人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)人機(jī)界面程序主要是指液晶屏與按鍵的程序設(shè)計(jì)。根據(jù)按鍵的要求，在液晶 屏上顯示出各種信息。#include <reg5L. h> #include intrins h>ffdetine uchar Linsigned define uint unsigned ATS12364A-3 端定義茫/ define LCD_data PO sbit LCD_RS 二 sbit LCB_RW 二 P2"lj sbit LCD_EN = P2P, sbit LCDZpSB 二 P芥3char int/制制4J龍/也退J口：科睿電子；“uchar code disL uehar code d