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山東科技大學學士學位論文摘要PAGE山東科技大學學士學位論文摘要摘要本文從無功補償?shù)默F(xiàn)實意義出發(fā)，分析了無功補償?shù)谋匾院徒?jīng)濟效益。簡單介紹了目前無功補償研究的現(xiàn)狀，探討無功補償?shù)脑聿χ饕膸追N無功補償方式進行了簡要的分析，給出用并聯(lián)電容器組進行補償?shù)闹悄艿蛪簾o功補償裝置。裝置采用ATT7022A檢測電網(wǎng)運行參數(shù)，減少了CPU運算量，提高電網(wǎng)參數(shù)辨識的精度，并可以簡化系統(tǒng)軟件設計。系統(tǒng)以Atlmega64處理器為控制核心，采用功率因數(shù)控制和電壓限制相結(jié)合的方式工作，并給出采用永磁真空開關在特定電壓相角投切電容器的方法，有效解決了電容器投切過程中在線路上產(chǎn)生涌流的缺點，并設有多種保護措施，保護系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行。裝置還設計了友好的人機接口和通訊接口，使用方便。關鍵詞：無功補償、并連電容器、ATT7022A、Atlmega64ABSTRACTThisthesisconsidersthesignificanceofreactivePowercompensationandanalysestheindispensabilityandeconomicbenefitsofreactivePowercompensation.Thedevelopmentstatusofreactivepowercompensationisbrieflyintroduced.Principlesofreactivepowercompensationareexplained.Severalprimaryreactivepowercompensationsolutionsarediscussed.Thisthesisproposedanintelligentlowvoltagereactivecompensationcontrolschemeandimplementeddeviceforshuntcapacitorcompensation.AnATT7022AisadoptedtodetectthepowergridoperationinformationtoreducethecalculationvolumeofCPUandenhancetheprecisionofpowergridparameteridentification.Thisalsosimplifiesdesignworkofthesoftware.Atmega64isutilizedasthemainprocessunitandmethodcombiningpowerfactorcontrolandvoltagelimitationisusedasthesystemworkingmode.Specificvoltagephaseisdeterminedtoswitchingshuntcapacitorviapermanentmagneticvacuumsynchronousswitch.Thusthesurgeproducedduringthetraditionalcapacitorswitchingmethodisgreatlydiminished.Itprovidesdiverseprotectmeasurestoensurethestabilityandreliability.Itbearsfriendlyhumanmachineinterfaceandcommunicationinterfaceandisconvenientforuse.KeyWords:ReactivePowerCompensation,ShuntCapacitors,ATT7022A,Atmega64山東科技大學學士學位論文目錄山東科技大學學士學位論文目錄目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論 11.1課題背景 11.2課題研究的目的和意義 11.3無功補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀 31.4本文研究的主要內(nèi)容 52無功補償?shù)幕纠碚?62.1交流電路的無功功率 62.2并聯(lián)電容器補償無功功率的原理 82.3并聯(lián)電容器的補償方式和接線方式 122.4無功補償容量的確定 152.5無功補償?shù)慕?jīng)濟效益 163傳統(tǒng)靜止無功補償裝置 183.1具有飽和電抗器的無功補償器（SR） 183.2晶閘管控制電抗器(TCR) 193.3晶閘管投切電容器(TSC) 203.4靜止無功發(fā)生器SVG 213.5小結(jié) 214無功補償控制器硬件電路設計 234.1Atmega64(L)微處理器簡介 244.2電量信號采集和預處理 264.3A相電壓零點檢測單元 344.4電容狀態(tài)檢測單元 354.5數(shù)據(jù)存儲單元 364.6實時時鐘電路 384.7液晶顯示和鍵盤電路 404.8溫度檢測部分 414.9通訊部分 424.10系統(tǒng)電源和電源監(jiān)控電路 444.11繼電器輸出電路 474.12硬件電路抗干擾設計 495無功補償控制器軟件設計 525.1軟件組成結(jié)構(gòu) 525.2讀取電網(wǎng)參數(shù)模塊 545.3電容器組投切計算模塊 575.4系統(tǒng)電壓、溫度保護邏輯實現(xiàn)模塊 585.5液晶和鍵盤顯示模塊 596結(jié)論與展望 616.1論文總結(jié) 616.2本文的不足及課題展望 61參考文獻 63致謝 65附錄 66附錄一英文資料 66附錄二中文翻譯 73附錄三配電網(wǎng)自動無功補償裝置系統(tǒng)總圖 79山東科技大學學士學位論文緒論PAGE80山東科技大學學士學位論文緒論1緒論1.1課題背景近30年來，由于超高壓遠距離輸電系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)中無功功率的消耗也日益增大。低壓電網(wǎng)中，隨著居民生活水平的提高和家用電器的普及，以及小工業(yè)用戶的增多，電網(wǎng)的功率因數(shù)大都比較低，尤其是電力電子裝置的應用日益廣泛，而大多數(shù)電力電子裝置的功率因素很低，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，也給電網(wǎng)帶來額外負擔。因此，利用無功補償技術正成為當前世界各國電力設計及決策人員的共識，無功補償裝置的投資己被列入電力投資的整體規(guī)劃中，成為一個不可缺少的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在，美國電力主網(wǎng)設備的功率因素已接近于1，原蘇聯(lián)法律規(guī)定功率因素應大于0.92，日本等國還建立了全國性的無功管理委員會，研究無功補償方面的技術經(jīng)濟政策。從實際情況看，世界上工業(yè)比較發(fā)達的國家，其電網(wǎng)功率因數(shù)都比較高。因此，大力提高電網(wǎng)功率因素，降低線損，節(jié)約能源，挖掘發(fā)電設備的潛力，是當前電力網(wǎng)發(fā)展的趨勢[1]。1.2課題研究的目的和意義有功功率與視在功率的比值稱為功率因數(shù)，無功功率的存在使功率因數(shù)降低，造成如下影響：(1)當有功功率不變時，功率因數(shù)低，使發(fā)電機和變壓器的容量增大，不能充分發(fā)揮原有供電設備的效率。(2)在線路輸送有功功率相同的情況下，功率因數(shù)低，使線路中的電流增加，電壓損失增加，給感應電動機的啟動、運行造成困難，導致供電質(zhì)量下降。若增大導線截面積，相應的增加了有色金屬的消耗量。(3)當電網(wǎng)電壓及有功功率不變時，功率因數(shù)低，使輸電線路中的無功電流增大，功率損耗增加，引起發(fā)電機端電壓的下降。具體說來提高功率因數(shù)有如下作用：·提高電力網(wǎng)的傳輸能力·減少電壓損失，提高電壓質(zhì)量·減少線路損失·降低變壓器的損耗·增加變壓器的輸出功率目前，低壓電網(wǎng)中的負荷大部分是感性負載，因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器可以供給感性電抗消耗的部分無功功率。并聯(lián)電容器補償簡單經(jīng)濟，靈活方便。但當今電力系統(tǒng)中存在著大量如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等無功功率頻繁變化的設備，這就要求補償裝置能夠根據(jù)負荷的變化進行動態(tài)補償。而并聯(lián)電容器只能補償固定無功，容易造成過補或欠補，無法滿足電力系統(tǒng)的實際需要，還有可能和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大。因此，能根據(jù)負荷無功功率的變化對分組的補償電容器組進行自動投切以實現(xiàn)對無功功率動態(tài)補償?shù)难b置，目前在國內(nèi)外得到廣泛應用。解決電網(wǎng)中有功功率損耗大、壓降大的最切實可行的辦法就是采用高性能的無功功率補償裝置，就地補償負載的感性無功功率。因此，尋求一種能綜合現(xiàn)有多種補償裝置的優(yōu)點，且成本較低的無功功率補償裝置，使其能實時檢測供電系統(tǒng)需要補償?shù)臒o功功率，對系統(tǒng)進行跟蹤補償，是低壓電網(wǎng)改造和建設中迫切需要解決的問題。本課題就是在此基礎上提出的[2]。1.3無功補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀1.3.1無功補償?shù)姆诸悷o功補償可以分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償。串聯(lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的阻抗參數(shù)，歐美一些國家普遍采用串聯(lián)補償來提高輸電線的傳輸能力。而我國大多采取并聯(lián)補償?shù)姆绞絹硌a償系統(tǒng)無功，并聯(lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的電壓參數(shù)。并聯(lián)補償按補償對象不同可分為系統(tǒng)補償和負荷補償兩大類。系統(tǒng)補償通常指對交流輸配電系統(tǒng)進行補償，目的是維持電網(wǎng)樞紐點處的電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大線路的輸送能力以及優(yōu)化無功潮流、降低線損等。負荷補償通常是指在靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行補償，目的是提高負荷的功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，減少或消除由沖擊性負荷、不對稱負荷、非線性負荷等引起的電壓波動、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。負荷補償可分為靜態(tài)補償和動態(tài)補償。靜態(tài)補償是根據(jù)三相負荷的平衡化原理，通過在負荷點串、并入無功導納網(wǎng)絡，把三相不對稱負荷補償成對供電系統(tǒng)來說是三相對稱的。該方法優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和控制簡單、造價低，缺點是對工業(yè)電弧爐、電焊機等動態(tài)負荷難以達到理想的補償效果[3]。真正意義上的不對稱負荷動態(tài)補償是從1977年Grandpierre提出分相控制的靜止無功補償器SVC(StaticVarCompensatory)的方法后開始的。分相控制的SVC能根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)角來改變SVC的各相補償度，從而達到補償負荷負序分量和調(diào)整負荷功率因數(shù)的目的。因此，該方法一提出就受到了普遍關注。1.3.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢電力系統(tǒng)是一個典型的非線性大系統(tǒng)，隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)展，社會對電力的需求不斷增加，使現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，系統(tǒng)日趨復雜。大機組、重負荷、超高壓遠距離輸電，大型互聯(lián)網(wǎng)絡的發(fā)展，以及對電力系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性及電能質(zhì)量的高要求，使柔性輸電系統(tǒng)（FACTS）技術成為目前電力系統(tǒng)的一個重要的研究領域。傳統(tǒng)的無功補償設備可滿足一定范圍內(nèi)的無功補償要求，但存在響應的速度慢，故障維護困難等缺點。靜止無功補償器（SVC）近年來獲得了很大發(fā)展，已被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負載無功補償。其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器（TCR）。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應用。除了在控制器件方面的改進，隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，在控制方法上也有很大的進步。采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡、自適應控制等智能型控制方法，研制能同時對電壓、無功功率、三相不平衡、諧波等進行綜合調(diào)節(jié)和補償控制的裝置已經(jīng)成為大家的共識。目前，在城市配電網(wǎng)公用變壓器低壓側(cè)，由于用戶家用電器感性負載的不斷增加，使得其功率因數(shù)較低，導致公用變壓器低壓側(cè)線路損耗大，供電電壓指標不能滿足用戶要求。因此，在公用變壓器低壓側(cè)進行無功功率補償已成為目前研究的另一個熱門。國外，城市、農(nóng)村電網(wǎng)是否安裝戶外無功補償已成為衡量配電網(wǎng)性能的主要指標之一。在日本，配電網(wǎng)系統(tǒng)戶外補償電容器的自動投切率已達86.4%；在美國，許多城市道路旁的電線桿上裝有并聯(lián)電容器組，并采用自動裝置控制。國內(nèi)，無功補償主要采用變電站集中補償和企業(yè)就地補償兩種形式。據(jù)統(tǒng)計，當前，國內(nèi)典型城鄉(xiāng)配電網(wǎng)無功損耗情況如下：按電壓等級劃分，0.4k級損耗占50%，10kV級占30%，35kV以上占20%。在農(nóng)村，長距離供電較為普遍，10kV線路損耗較大；在城網(wǎng)中，配網(wǎng)損耗主要在0.4kV側(cè)，因此，做好10kV等級電壓以下的無功補償具有重要意義。近年來，由于計算機技術的發(fā)展，無功補償技術已得到很大的改進，無功補償裝置的發(fā)展已進入一個新的階段。然而，許多電網(wǎng)仍存在補償不足，調(diào)節(jié)手段落后，電壓偏低，損耗增大等問題[4]。1.4本文研究的主要內(nèi)容本文首先分析無功補償?shù)闹匾饬x，以無功補償技術的原理為基礎，研制真空開關投切電容器組的無涌流低壓無功補償裝置，分析和探討如何設計多功能、智能化的能夠更加合理的進行電容器組投切的無功補償裝置。主要包括以下幾個方面:·分析無功功率補償?shù)幕驹砗头椒āし治鰺o功功率補償?shù)娜萘看_定·根據(jù)要求設計用于三相四線制低壓電網(wǎng)的無功補償裝置，完成控制器的硬件設計?？刂破鞯脑O計需要著重考慮以下幾個方面:·電網(wǎng)運行參數(shù)的準確獲得，為后續(xù)計算提供可靠數(shù)據(jù)·根據(jù)補償要求確定無功補償容量·確定電容器組的投切。采用合理的控制策略避免投切電容時造成涌流，避免產(chǎn)生電容器組的投切振蕩等問題?！は到y(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控和重要數(shù)據(jù)的保存。山東科技大學學士學位論文無功補償?shù)幕纠碚撋綎|科技大學學士學位論文無功補償?shù)幕纠碚揚AGE812無功補償?shù)幕纠碚摕o功功率的概念是與交流電和非純阻性負載聯(lián)系在一起的。在直流系統(tǒng)或者純阻性負載的系統(tǒng)中不存在無功功率的概念，也就不存在無功補償問題。2.1交流電路的無功功率在正弦交流電路中，如果負載是線性的，電路中的電壓和電流都是正弦波。圖2.1無源一端口網(wǎng)絡對于如圖2.1所示的內(nèi)部不含有獨立電源，僅含電阻、電感和電容等無源元件的一端口，設電路中正弦交流電壓為(2.1)一端口等效負載為Z，則流過負載電路中的電流為(2.2)＋當負載Z不是純阻性時，流過負載的電流就會和電壓有一個相角差值，即，此時電流表示為(2.3)其中為負載的模。如果把電流i分解為和電壓同相位的分量和ip與電壓垂直的分量iq,則ip和iq分別為:(2.4)此時電路的有功功率P就是其平均功率，即：(2.5)可以看出，有功功率P不再是電壓U和電流I的有效值乘積，還要乘以二者夾角的余弦值。電路的無功功率定義為:(2.6)可以看出，Q就是式2.5中被積函數(shù)的第2項無功功率分量uiq的變化幅度。uiq的平均值為零，表示了其有能量的流動但是卻并不消耗功率。Q則表示了這種能量交換的幅度。從式2.5中可以看出，真正消耗功率的是被積函數(shù)的第1項有功分量uip產(chǎn)生的。因此，可以把式2.4描述的ip和iq分別稱為正弦電路的有功電流分量和無功電流分量。無功電流分量的產(chǎn)生是由于系統(tǒng)中含有電感性或電容性的負載而產(chǎn)生的，該電流用于建立磁場或靜電場，存儲于電感或電容中，并往返于電源與電感或電容之間，并不會象有功功率那樣被消耗掉。電路中將電壓u和電流i的有效值乘積定義為視在功率，即:(2.7)視在功率只是電壓有效值和電流有效值的乘積，它并不能準確反映能量交換和消耗的強度，并且在一般電路中，視在功率并不遵守能量守恒定律。從式2.5、2.6和式2.7可以看出，有功功率、無功功率、視在功率在數(shù)值上滿足如下關系:(2.8)在正弦波網(wǎng)絡中，當負載為感性時，線路電壓相位會超前線路的電流相位，即此時的φ>0，無功功率Q>0，我們說網(wǎng)絡“吸收”感性無功功率，也可以說是“發(fā)出”容性無功功率;當負載為容性時，線路電壓相位會滯后線路的電流相位，即此時的φ<0，無功功率Q<0，我們說網(wǎng)絡“吸收”容性無功功率，也可以說是“發(fā)出”感性無功功率。無功功率的“發(fā)出”和“吸收”不同于有功功率的發(fā)出和吸收，這只是一種習慣說法而已[5]。2.2并聯(lián)電容器補償無功功率的原理2.2.1概述靜態(tài)無功功率補償指阻抗固定，其補償容量不能實時跟蹤負荷無功功率的變化，主要是用于提供固定無功功率補償容量的一種無功功率補償方式。無功功率補償裝置接入系統(tǒng)的方式有兩種：并聯(lián)和串聯(lián)。以并聯(lián)方式接入系統(tǒng)的無功功率補償裝置稱為并聯(lián)無功功率補償，以串聯(lián)方式接人系統(tǒng)的無功功率補償裝置稱為串聯(lián)無功功率補償。并聯(lián)補償方式因為接線簡單、操作方便、對系統(tǒng)可靠性影響小而廣泛使用，串聯(lián)補償方式因為接線復雜、操作不方便、對系統(tǒng)可靠件影響大順使使用范圍受到限制，一般是在并聯(lián)補償方式不能滿足技術要求的情況下才使用。用于電力系統(tǒng)無功功率補償?shù)撵o態(tài)無功功率補償裝置有并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器及其組合。并聯(lián)電容器用于補償感性大功功率，并聯(lián)電抗器用于補償容性無功功率。串聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器也常用于電力系統(tǒng)。單獨使用時，串聯(lián)電容器用于補償線路等效感抗、降低線路感性無功功率流動和提高線路受電端的電壓。串聯(lián)電抗器用于限制系統(tǒng)短路電流、補償線路等效容抗和降低線路容性無功功率流動；混合使用時，一般是串聯(lián)電抗器串聯(lián)在并聯(lián)電容器支路中，然后與并聯(lián)電容器一起接入系統(tǒng)，補償高頻無功功率，起到抑制高次諧波以及保護并聯(lián)電容器的作用。由于串聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器不如并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器方便，無功功率補償效果也不及并聯(lián)電容器和并聯(lián)屯抗器，因此，靜態(tài)無功功率補償主要采用并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器。并聯(lián)電容器首先是在20世紀10年代中期用于功率因數(shù)的校正。但是，由于早期的電容器使用油作為絕緣介質(zhì)，體積和重量太大而且價格很貴，電容器的應用受到限制。20世紀30年代，由于在電容器生產(chǎn)中引入了較便宜的絕緣材料和其他改進，使得其價格和體積有大幅度下降。因此，自20世紀30年代后期，電容器的使用有顯著的增加。發(fā)展到今天，并聯(lián)電容器成為一種提供大功功率的非常經(jīng)濟的電力裝置，并聯(lián)電容器以價格低廉、安裝靈活、操作簡單、運行穩(wěn)定、維護方便而受到歡迎，已被用在電力系統(tǒng)中的各點上，為提高輸電和配電的效率，保持電力系統(tǒng)無功功率平衡發(fā)揮了很大作用[6]。并聯(lián)電容器的一個缺點是其無功功率輸出與電壓平方成正比，結(jié)果是在低壓時無功功率輸出減小，而這時的系統(tǒng)卻需要更多的無功功率；并聯(lián)電容器的另一個缺點是電容器提供的無功功率在電壓穩(wěn)定時是不變的，不能隨系統(tǒng)大功功率需求的改變而改變，是一種靜態(tài)無功功率補償裝置，適用于大功功率需求穩(wěn)定的場所，但即使這樣，也容易造成欠補償或過補償。2.2.2并聯(lián)電容器補償無功功率的原理在交流電路中，純電阻元件中負載電流與電壓同相位，純電感負載中電流滯后電壓90°，純電容負載中電流超前電壓90°。也就是說．純電容中的電流與純電感中的電流相位相差180°，可以互相抵消，即當電源向外供電時，感性負荷向外釋放的能量內(nèi)容性負荷儲存起來，當感性負荷需要能量時，再出容性負荷向外釋放的能量來提供。能量在兩種負荷之間互相交換，感性負荷所需要的無功功率就可從容性負荷輸出的無功功率中得到補償，實現(xiàn)了無功功率就地解決，達到補償?shù)哪康摹榱吮阌谌菀桌斫怆娙萜餮a償無功功率的原理，首先看一個簡單的并聯(lián)電路。假設電氣負荷正電阻R和電感L組成的并聯(lián)電路，對R、L電路進行人功功率補償，就需要對電路并接人電容C，因而電容器補償?shù)牡戎惦娐放c向量圖如圖2.2所示:在圖2.2(a)所示的電路中，電流方程為(2.9)電容器提供的無功功率為(2.10)由公式(2.9)可知，當并聯(lián)電容器不投入時，=0即不對負荷進行無功功率補償，那么電源即要向負荷提供有功電流，還要提供無功電流，電源向負荷提供的總電流;當并聯(lián)電容器投入時，即對負荷進行無功功率補償，那么電源在向負荷提供有功電流的同時，提供無功電流為，電源向負荷提供的總電流，特別是當時，，電源不需要向負荷提供無功電流，功率因數(shù)等于1。一般情況下，這是可能的情況有兩種：當并聯(lián)電容器的電容C較小，時，負荷中的感性無功電流沒有被完全補償，這時電源的滯后，如圖2.2(c)所示，這種補償稱為欠補償；當并聯(lián)電容器的電容C較大，會出現(xiàn)的情況，這時負荷中的感性無功電流被完全補償之后還有剩余容性電流，電源的超前，如圖2.2(d)所示，這種補償稱為過補償。通常不希望出現(xiàn)過補償情況，因為這樣會引起變壓器二次側(cè)電壓的升高，且容性無功功率在線路上傳輸同樣會增加電能損耗，還會增加電容器自身的損耗，影響電容器的壽命[1]。(a)R、L、C并聯(lián)的等值電路(b)R、L串聯(lián)后與C并聯(lián)的等值電路(c)欠補償?shù)南蛄繄D(d)過補償?shù)南蛄繄D圖2.2并聯(lián)電容器補償?shù)牡戎惦娐穲D向量圖2.3并聯(lián)電容器的補償方式和接線方式2.3.1并聯(lián)電容器的補償方式并聯(lián)電容器組是電網(wǎng)中使用較廣的一種專用于無功功率補償?shù)脑O備，它以其低廉的價格、方便的使用而受到廣泛使用。其補償原理前文己有敘述，這里不再介紹。按照電容器組安裝位置的不同，并聯(lián)電容器組無功功率補償方式一般可以分為集中補償方式、分散補償方式和單機就地補償方式三種。集中補償方式：將電容器組直接安裝在變電所的6～10KV母線上，用來提高整個變電所的功率因數(shù)，使該變電所的供電范圍內(nèi)無功功率基本平衡?？梢詼p少高壓線路的無功損耗，而且能夠提高供電電壓質(zhì)量。分組補償方式：將電容器組分別裝設在功率因數(shù)較低的終端配電所高壓或低壓母線上，也稱為分散補償。這種方式具有與集中補償相同的優(yōu)點，僅無功補償容量和范圍相對小些。但是分組補償效果比較明顯，采用的較為普遍。就地補償方式：將電容器或電容器組裝設在異步電動機或者電感性用電設備附近，就地進行無功補償，也稱為單獨補償或個別補償方式。這種方式既能提高為用電設備供電回路的功率因數(shù)，又能改善用電設備的電壓質(zhì)量，對中小型設備十分適用[5]。2.3.2并聯(lián)電容器的接線方式電容器接線方式不同，相應的補償方式也不同。在無功補償中，線路的補償電容器組有如下三種接線方式：三角形接法(△接法)、星形接法(Y接法)、三角形和星形相結(jié)合接法(△-Y)，相應的補償方式也就分為三相共補、三相分補、三相共補與三相分補相結(jié)合的方式。三角形接線對應于三相共補的方式。如圖2.3所示。傳統(tǒng)的低壓補償大都是采用三相共補的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一采樣，各相投入相同的補償容量。這種補償方式適用于三相負載基本平衡、各相負載的功率因數(shù)相近的網(wǎng)絡。圖2.3并聯(lián)電容器的△接線方式星形接線對應于三相分補方式。三相分補方式就是各相分別取樣，按照需要分別投入不同的補償容量。此種方法適用于各相負載相差較大，其功率因數(shù)值也有較大差別的場合。與三相共補不同的是：控制器分相進行工作,互不影響。當然,其價格高于三相共補的裝置,一般要貴20%～30%。三角形和星形相結(jié)合接線對應于三相共補與三相分補相結(jié)合的方式。三相共補部分的電容器為△接線，三相分補部分的電容器為Y接線。采用此種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活。在造價方面，由于同容量的230V電容器的價格為400V電容器價格的2倍以上，星形接線中，單臺并聯(lián)電容器的額定電壓為230V。因此其造價高于三角形接線的裝置，一般要貴20%～30%。三角形和星形相結(jié)合的方式價格介于二者之間。由以上分析可以看到，后兩種的接線方式雖然不會造成無功過補，但這兩種接線方式控制復雜且電容器的造價高；同時，由于分相控制的需要，三相電流和電壓均要分別檢測，不僅大大增加了硬件設備投入，還增大了補償裝置的體積和重量，使得該部分在整個補償系統(tǒng)中占的比重較大。本課題的設計是針對三相負載相對平衡的網(wǎng)絡，因此采用三角形接線，裝置造價低且不易出現(xiàn)過補。電容器的分組方式有等容分組方式和不等容分組方式。所謂等容分組方式，是指各組電容器的容量相等。由于每組的容量都相等，所以運行時可以替換，實現(xiàn)循環(huán)投切，即先投先切后投后切，使每組運行的時間基本相等，降低了電容器組平均運行溫度，延長了電容器的使用壽命。但這種補償方式補償級差大，要想獲得較小的補償級差，必須增加分組組數(shù)，相應的設備及所占空間也需要增加。所謂不等容分組方式，就是指各組電容器的容量不相等，為了使較少的分組能得到較多的容量組合并獲得較小的補償級差，可采用不等容分組方式。不等容分組方式的分組容量比不宜過大，以不超過1：3為宜。例如：可以補償15kvar無功容量的電容，按照1：2：4：8的比例來分，每組補償容量分別為1kvar、2kvar、4kvar、8kvar，就可實現(xiàn)15級組合，只需4組電容就可以達到1kvar的補償級差；若按等分方式，必須分成15組才能達到1kvar的補償級差。不等容分組方式的缺點是只要最小一組容量可以投切，則總是對該組進行操作，以此類推，順序操作，這樣的結(jié)果是最小一組電容器頻繁進行投切，使用壽命最短，并且不等容分組方式控制也比較復雜?？紤]到裝置實際運行的補償精度和經(jīng)濟效益，本課題中的電容器分組方式?jīng)Q定采用不等容分組方式，雖然軟件控制比較復雜，卻大大節(jié)省了電容器所占用的空間，也大大節(jié)約了電容器投切開關的數(shù)量，實現(xiàn)了較高補償精度的同時也大大節(jié)約了補償裝置的成本[8]。電容器的投切采用永磁真空同步開關，實現(xiàn)電容器組的投入過程無涌流。并聯(lián)電容器組串聯(lián)電抗器來限制合閘涌流和抑制諧波電流。系統(tǒng)的原理如圖2.4所示。圖2.3補償電容器組結(jié)構(gòu)2.4無功補償容量的確定無功補償裝置的用途就是為電網(wǎng)補償無功功率，但是對電網(wǎng)的無功補償容量不是隨意的，需要根據(jù)電網(wǎng)的運行情況來確定，因此確定無功補償容量成為必不可少的步驟。確定無功補償容量最直接的方法就是從提高功率因數(shù)的需要來確定補償容量。如果補償線路有功功率為P1，補償前的功率因數(shù)為cosφ1，補償后的功率因數(shù)為cosφ2，則補償容量可以用下述公式計算:(2.13)上式中QC表示線路中需要的補償容量。有時，為了迅速的求出補償容量，可用查表法。對于補償后的功率因數(shù)cosφ2的設定要適當，通常設為0.9~1.0之間的某個合適的值，該值不宜設的過高。例如對于一個有功功率為100kw功率因數(shù)為0.75的待補償線路，如果將功率因數(shù)補償?shù)?.9，按照式2.13計算所得的補償容量為39.5kvar，如果將功率因數(shù)補償?shù)?.0，計算所得的補償容量則為88.2kvar，可以看出，在超過0.9的高功率因數(shù)下進行無功補償其效益將顯著下降。所以可能的情況下可以將補償后功率因數(shù)適當設置的低些。對于并聯(lián)電容器組補償方式來說，電力電容器組額定容量與其接線方式有關。對于三相電路，電容器容量為:(2.14)上式中：QC表示電容器容量，單位kvarf為交流電網(wǎng)的頻率，f=50HzU為相電壓，單位kVC為單相電容器值，單位μF對于三相三角形接線的系統(tǒng)，線電壓等于相電壓，而對于三相星形接線的系統(tǒng)，線電壓等于相電壓的倍，對于同樣的電容器組三角形接線的無功出力是星形接線的3倍，這也是將并聯(lián)電容器組以三角形連接并聯(lián)于電網(wǎng)的原因[9]。2.5無功補償?shù)慕?jīng)濟效益無功補償?shù)慕?jīng)濟效益主要體現(xiàn)在減少無功功率在電網(wǎng)中的流動，提高電力系統(tǒng)有功輸送容量和供電能力，降低輸電線路因輸送無功功率造成的輸送線路損耗，節(jié)省投資，在有限的輸電網(wǎng)絡中最大可能地為用戶輸送更多地有功電能等幾個方面。根據(jù)有功功率的計算公式2.5有:(2.15)由公式2.15可知負載電流I與線路功率因數(shù)cosφ成反比，如果線路輸送的有功功率一定，那么功率因數(shù)提高則可使線路中的電流降低，根據(jù)線路損耗的計算公式可知，線損下降。安裝無功補償設備的最主要的目的就是為了提高線路的功率因數(shù)，從而降低線路損耗。以廣東省中山供電局李拴怡的文章“低壓無功補償?shù)木C合經(jīng)濟效益”中所寫數(shù)據(jù)為例，按中山供電局電網(wǎng)的供電量，根據(jù)有代表性的五個110kV變電站無功補償?shù)墓?jié)能計算，在10kV系統(tǒng)裝設10000kvar集中補償，可在110kV網(wǎng)絡中獲得年節(jié)電60萬kw.h之利。如果在380V低壓系統(tǒng)中裝設同樣多的無功補償，則在110kV及以下電網(wǎng)中，年節(jié)電量達80萬kw·h。這就等于給地方系統(tǒng)節(jié)省80萬元電力建設資金。也就是說，每降損1kw·h，可節(jié)省電力建設費1元。而給新用戶輸送的80萬kw·h/年電量，不需增加運行費?？梢钥闯?，其經(jīng)濟效益明顯。山東科技大學學士學位論文傳統(tǒng)靜止無功補償器PAGE16山東科技大學學士學位論文無功補償裝控制器硬件電路設計3傳統(tǒng)靜止無功補償裝置所謂靜止無功補償是指它沒有機械運動部件，與同步調(diào)相機相比，靜止無功補償器是完全靜止的設備。但它的補償是動態(tài)的，即根據(jù)無功的需求或電壓的變化自動跟蹤補償。靜止無功補償系統(tǒng)中的各種無功補償器都是用無功器件(電容器和電抗器)產(chǎn)生無功功率，并且根據(jù)需要調(diào)節(jié)容性或感性電流。靜止補償器的另一個特點是依靠晶閘管等電力電子器件完成調(diào)節(jié)或投切功能，它們可以頻繁地調(diào)節(jié)或投切。其動作速度是毫秒級的，遠比機械動作快。對于系統(tǒng)中平衡無功功率或不變動的無功功率常采用傳統(tǒng)的電容器補償或稱為固定電容補償(FC)，開關投切電容器(BSC)，由它們補償無功的不動部分時和動態(tài)的補償結(jié)合起來，形成靜止無功補償裝置(SVC)。靜止無功補償裝置主要有以下三大類型：一類是具有飽和電抗器的靜止無功補償裝置SR(SaturatedReactor)；第二類是晶閘管控制電抗器TCR(ThyristorcontrolReactor)晶閘管投切電容器TSC(ThyristorswitchCapacitor)，這兩類裝置通稱為SVC；第三類就是采用自換相變流技術的靜止無功補償裝置—動態(tài)無功補償器(SVG)[10]。3.1具有飽和電抗器的無功補償器（SR）具有飽和電抗器的無功補償器(SR)根據(jù)電抗器的不同又可以分為自飽和電抗器無功補償裝置和可控飽和電抗器無功補償裝置兩種。由飽和電抗器和固定電容器并聯(lián)組成（帶有斜率校正）的靜止補償器的原理圖和伏安特性如下圖所示。飽和電抗器SR具有這樣的特性，當電壓大于某值后，隨著電壓的升高，鐵芯急劇飽和。從補償器的伏安特性可見，在補償器的工作范圍內(nèi)，電壓的少許變化就會引起電流的大幅度變化。與SR串聯(lián)的電容CS是用于斜率校正的。圖3.1飽和電抗器型精致補償器SR具有損耗大、有較大的振動和噪聲、調(diào)整時間長、動態(tài)補償速度慢等缺點，所以飽和電抗器型靜止無功補償器應用的比較少。3.2晶閘管控制電抗器(TCR)由TCR與固定電容器并聯(lián)組成的靜止補償器示于圖3.2。電抗器與反相并聯(lián)連接的晶閘管相串聯(lián)，利用晶閘管的觸發(fā)角控制來改變通過電抗器的電流，就可以平滑的調(diào)整電抗器吸收的基波無功功率。觸發(fā)角從90o變到180o時，可使電抗器的基波無功功率從其額定值變到零。圖3.2晶閘管控制電抗器型靜止補償器3.3晶閘管投切電容器(TSC)晶閘管控制電抗器常與晶閘管投切電容器TSC并聯(lián)組成靜止補償器，其原理接線示于圖3.3(a)。圖中三組晶閘管投切電容器和一組固定電容器與電抗器并聯(lián)。這種補償?shù)姆蔡匦匀鐖D3.3(b)所示，圖中數(shù)字表示電容器投入的組數(shù)。[7](a)原理圖(b)伏安特性圖3.3晶閘管投切電容器型靜止補償器3.4靜止無功發(fā)生器SVG20世紀80年代以來出現(xiàn)了一種更為先進的靜止型無功補償裝置，這就是靜止無功發(fā)生器。它的主體部分是一個電壓源型逆變器，其原理如圖2.5所示。逆變器中六個可關斷晶閘管（GTO）分別與六個二極管反向并聯(lián)，適當控制GTO的通斷，可以把電容C上的直流電壓轉(zhuǎn)換成與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，逆變器的交流側(cè)通過電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。適當控制逆變器的輸出電壓，就可以靈活的改變SVG的運行工況，使其處于容性負荷、感性負荷或零負荷狀態(tài)。圖3.4靜止無功發(fā)生器SVG具有響應速度快、可以分相調(diào)節(jié)、可以實現(xiàn)對無功功率的連續(xù)補償、諧波電流小、損耗低、噪聲低等優(yōu)點，但是它也有控制復雜的缺點[7]。3.5小結(jié)表3.1各種靜止無功補償裝置性能比較從無功功率補償裝置的應用來看，SVC裝置控制簡單、價格低、能滿大多數(shù)用戶對于無功功率補償?shù)男枰?，應用最為普遍，在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)用戶中擁有廣大市場，是并聯(lián)無功補償?shù)闹饕b置。目前，國內(nèi)外有關SVC的研究多集中在對其應用于輸電補償?shù)母鞣N場合時控制策略和方法的進一步探討上，隨著模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)等智能控制手段相繼被引入SVC控制系統(tǒng)，使SVC系統(tǒng)的性能更加提高，但還有很多理論和實際運用的問題尚待解決。而對SVG的研究除了控制方法以外，還呈現(xiàn)出與有源電力濾波器相結(jié)合的發(fā)展趨勢，但SVG控制復雜，所用全控器件價格昂貴，目前還沒有普及。尤其在我國，大功率電力電子器件基本依賴進口，成本太高，此類裝置的實用化尚需相當長的一段時間。而采用可關斷器件的STATCOM裝置，由于歷史和價格的原因，目前在國內(nèi)外應用的實例并不多。然而STATCOM是性能最優(yōu)的無功補償裝置，是FACTS核心，值得加強研究和推廣使用[9]。山東科技大學學士學位論文無功補償控制器硬件電路設計山東科技大學學士學位論文無功補償裝控制器硬件電路設計4無功補償控制器硬件電路設計控制器的核心為電網(wǎng)參數(shù)檢測和包括控制器內(nèi)的各種邏輯的實現(xiàn)。電網(wǎng)參數(shù)測量采用高精度多功能三相電能專用計量芯片ATT7022A，能夠準確測量所需的各項電網(wǎng)參數(shù)，為CPU的處理提供準確的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)CPU采用ATMEL的Atmega64系列具有精簡指令集結(jié)構(gòu)的高性能處理器，完成電容投切的判斷、通訊、顯示、鍵盤、保護等一系列系統(tǒng)要求的多項邏輯功能?？刂破饔布到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖控制器主要包括用于測量電網(wǎng)參數(shù)的ATT7022A及其外圍電路部分，為實現(xiàn)電容電壓過零點投切以避免產(chǎn)生涌流而必須的相電壓過零檢測電路，為進行電壓諧波分析而必須的相電壓A/D采樣，為投切電容器組做必要參考的電容器組當前狀態(tài)檢測部分，為保護裝置內(nèi)主要元件而設計的元件工作溫度檢測部分，輸出控制動作的控制繼電器輸出部分，以及數(shù)據(jù)存儲、實時時鐘、通訊、液晶、鍵盤等必要的部分組成?？刂破鞲鱾€器件的工作電壓都是直流+5V，即系統(tǒng)中只要求唯一的+5V直流電源，包括CPU、ATT7022A、液晶顯示屏、存儲芯片、時鐘芯片、繼電器、光電隔離器、運算放大器等的工作電壓都是直流單+5V，不存在多個電源混合使用、多種邏輯電平并存的情況，這使控制器的電源設計大大簡化。4.1Atmega64(L)微處理器簡介隨著電力系統(tǒng)自動化水平的不斷提高和人們對電力系統(tǒng)參數(shù)檢測和控制的要求的不斷提高，在控制系統(tǒng)中，需要處理的電網(wǎng)參數(shù)和數(shù)據(jù)量也越來越多，越來越大，對控制系統(tǒng)中的微處理器的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的51和196等處理器由于速度較慢，集成度不高，片內(nèi)資源不夠豐富，抗干擾能力差等缺點逐漸凸現(xiàn)出來，相比現(xiàn)在不斷涌現(xiàn)出來的新型的高速度、高集成度、具有豐富片內(nèi)資源、具有更高的可靠性與抗干擾能力、價格更加低廉的新一代微處理器，越來越顯示出其自身的不足。Atmega64(L)是ATMEL公司設計生產(chǎn)的具有精簡指令發(fā)熱高性能的8位微處理器理器，具有高速度、高集成度、豐富的片內(nèi)資源、更高的可靠性與抗干擾能力、價格更加低廉的優(yōu)點，是采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVRRISC結(jié)構(gòu)的新一代微處理器，其特點如下:·先進的RISC結(jié)構(gòu)。130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，工作于16MHz時性能高達16MIPS。只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。·非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。64K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命可達10，000次；2K字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命100，000次；4K字節(jié)片內(nèi)SRAM；64K字節(jié)可選外部存儲空間。可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密;通過SPI接口進行系統(tǒng)內(nèi)編程?！TAG接口(與工EEE1149.1標準兼容)。符合JTAG標準的邊界掃描功能，支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程?！蓚€具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器，兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的擴展16位定時器/計數(shù)器?！ぞ哂歇毩⒄袷幤鞯膶崟r計數(shù)器RTC。·兩路8位PWM通道，6路編程分辨率從1到16位可變的PWM通道。·8路10位ADC，8個單端通道，7個差分通道，2個具有可編程增益(1x，10x，或200x)的差分通道?！っ嫦蜃止?jié)的兩線接口；可編程的串行USART；可工作于主機/從機模式的SP工串行接口?！?種睡眠模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式，軟件選擇時鐘頻率?！ぞ哂歇毩⑵瑑?nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器?！ぬ厥獾奶幚砥魈攸c：上電復位以及可編程的掉電檢測;片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器?！?3個可編程的通用I/O口。以上特點使得Atmega64(L)得到了廣泛的應用。[11]圖4.2ATmega64的引腳4.2電量信號采集和預處理4.2作為無功補償控制器基礎的電網(wǎng)參數(shù)測量部分在控制器中的地位不言而喻，準確測量電網(wǎng)參數(shù)是控制器一切工作的前提。為了能夠滿足控制器的測量電網(wǎng)參數(shù)要求，測量部分采用了高精度多功能三相電能專用計量芯片ATT7022A。ATT7022A是專為測量電網(wǎng)電能而設計的高精度芯片，包含了電網(wǎng)常用的各項參數(shù)測量功能。[12]1、ATT7022A芯片特性·有功精度滿足0.2S、0.5S，動態(tài)范圍1000:1，支持IEC62053-22的要求。·無功精度滿足0.5S，動態(tài)范圍1000:1，支持IEC1268?！ぬ峁┯泄Αo功電能脈沖輸出?！ぎ斎我庖豁椆β史聪鄷r，有反相指示?！ぬ峁┱蚝头聪蛴泄?無功電能數(shù)據(jù)?！た蓽y量各相和合相瞬時有功、無功、視在功率?！た蓽y量各相電壓、電流、功率因數(shù)，相位以及合相功率因數(shù)、相位。·可測量電網(wǎng)頻率，電壓信號夾角?！ぬ峁╇妷合嘈蚣皵嘞鄼z測功能，提供電流相序檢測功能。·提供失壓判斷功能?！θ嗨木€應用，提供三相電流相量和的有效值。·具有SPI接口，方便的進行軟件調(diào)試電表，讀測量數(shù)據(jù)?！みm用于三相三線和三相四線模式?！た蓽y量含21次諧波的有功和無功功率。ATT7022A支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。ATT7022A提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。所以計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。ATT7022A內(nèi)部的電壓監(jiān)測電路可以保證芯片加電和斷電時正常工作。ATT7022A的外圍電路設計主要包括電源、電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出及SPI通訊接口電路等幾部分。2、內(nèi)部原理框圖圖4.3ATT7022A的內(nèi)部原理框圖3、引腳說明V1P/V1N、V3P/V3N、V5P/V5N為輸入電流信道的正、負模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大信號電平為±1.5V，兩個引腳內(nèi)部都有ESD保護電路。V2P/V2N、V4P/V4N、V6P/V6N為輸入電壓信道的正、負模擬輸入引腳。完全差動輸入方式，正常工作最大輸入電壓為±1.5V，兩個引腳內(nèi)部都有ESD保護電路。REFCAP：基準電壓2.4V，可以外接；該引腳應使用10μF電容并聯(lián)0.1μF瓷介電容進行濾波去耦。REFOUT：基準電壓輸出2.4V，用作外部信號的直流偏置。圖4.4ATT7022B引腳圖SEL：輸入端口，輸入為低電平時選擇三相三線方式、高電平時選擇三相四線方式，內(nèi)部300K上拉電阻。CF1、CF2：輸出有功無功電能脈沖，其頻率反映合相平均有功功率的大小，常用于儀表有功無功功率的校驗，也可以用作電能計量。CS：SPI片選信號，低電平有效。SCLK：輸入端口，SPI串行時鐘輸入（上升沿放數(shù)據(jù)，下降沿取數(shù)據(jù)）。DIN：SPI串行數(shù)據(jù)輸入，DOUT為SPI串行數(shù)據(jù)輸出。OSCI：系統(tǒng)晶振的輸入端，或是外灌系統(tǒng)時鐘輸入。晶振頻率為24.576MHz。OSCO：晶振的輸出端。REVP：輸出端，當檢測到任意相的有功功率為負時，輸出高電平。AGND：電源模擬電路(即ADC和基準源)的接地參考點。AVCC：電源，該引腳提供ATT7022A模擬電路的電源，正常工作電源電壓應保持在5V±5%，為使電源的紋波和噪聲減小至最低程度，該引腳應使用10μF電容并聯(lián)0.1μF瓷介電容進行去耦。GND：數(shù)字地引腳VDD：內(nèi)核電源輸出3.3V。外接10μF電容并聯(lián)0.1μF瓷介電容進行去耦。VCC：數(shù)字電源引腳；正常工作電源電壓應保持在5V±5%，該引腳應使用10μF電容并聯(lián)0.1μF瓷介電容進行去耦。4.2ATT7022A的電源部分設計結(jié)合CPU的電源要求統(tǒng)一考慮，在系統(tǒng)電源設計里單獨論述，這里不作單獨闡述。從電網(wǎng)接入的大電壓、大電流不能直接接入計量芯片的輸入中，必須經(jīng)過變換電路轉(zhuǎn)換為小電壓、小電流。一般電壓電流采樣有兩種方法：一是采用精密電阻輸入變換電路，進行分壓分流得到小電壓小電流；二是采用電壓電流互感器。采用精密電阻電路不會引起相角誤差，但對電阻要求較高，電阻要求具有足夠高的準確度、足夠大的功率溫度系數(shù)和長期穩(wěn)定性。因此，在本設計中采用精密的互感器轉(zhuǎn)換方式。0.5級以下的電子電能表用的互感器二次側(cè)負載較小，因此可以做的很小，鐵心采用高導磁率系數(shù)的坡莫合金或優(yōu)質(zhì)鋼帶制成，以減小鐵心損耗和有限導磁率所產(chǎn)生的相角差。本文闡述的無功補償控制器測量電網(wǎng)參數(shù)采取三相四線制接線，根據(jù)ATT7022A的輸入通道特點，結(jié)合所測量電網(wǎng)電壓可能的變化范圍，系統(tǒng)前向模擬信號輸入通道原理設計如圖4.5所示。圖中只畫出一相的原理圖，其它兩相與之相同。（a）電壓輸入通道（b）電流輸入通道圖4.5前向模擬信號輸入通道前向模擬信號輸入通道主要包括信號的變換與隔離，信號的采樣與放大、輸入信號電平抬升和低通濾波等部分。(1)電壓輸入電壓輸入采用元星電子公司生產(chǎn)的TV31B-02型電流型電壓互感器[16]。元星TV31系列電流型電壓互感器，采用印刷線路板安裝方式，安裝方便，采用環(huán)氧樹脂灌封，絕緣強度高，磁芯為坡莫合金，主要用于高精度、小相位誤差的電壓、功率和電能監(jiān)測設備。TV31B電流型電壓互感器，一次側(cè)串接功率電阻后并聯(lián)與線路中，互感器電流比為2mA/2mA，次級電路不允許開路使用。在三相四線制系統(tǒng)中，A、B、C三相相對于中線N的電壓為220V，先通過串接功率電阻的方法將電壓轉(zhuǎn)換為電流，再通過互感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓的方式。該方式采用了互感器，可以將芯片與電網(wǎng)進行有效地隔離，從而獲得良好的抗干擾性。電壓通道使用的電壓互感器電流比為2mA/2mA，所以串接功率電阻的阻值選擇為（額定電壓為220V）:(4.1)0.13KΩ為TV31B-02的初級電阻選擇帶電阻R=110KΩ(1/2W)?？紤]電壓通道的ADC輸入電壓的參數(shù)一般取0.5V，互感器副邊取樣電阻為：(4.2)采樣電阻阻值選擇為250Ω。輸入信號電平抬升采用芯片內(nèi)部REFOUT引腳提供的2.4V電壓。低通抗混疊濾波器的設計采用簡單的阻容式低通濾波器，電阻電容值采取芯片廠商推薦值。（2）電流輸入電流輸入采用元星TA20型精密交流電流互感器，該系列電流互感器采用環(huán)氧樹脂灌封結(jié)構(gòu)，輸入線圈為內(nèi)置式，次級引線引出，安裝迅速、使用方便，體積小，精度高，電壓隔離能力強、安全可靠?；ジ衅麟娏鞅葹?A/5mA，次級電路不允許開路使用，使用時初級線圈應串聯(lián)于被測電流回路中[17]?？紤]電流通道的ADC輸入電壓的參數(shù)，互感器副邊取樣電阻為：(4.3)采樣電阻阻值選擇為20Ω。輸入信號電平抬升采用芯片內(nèi)部REFOUT引腳提供的2.4V電壓。電壓電流輸入電路中電阻1.2K和電容0.01μF構(gòu)成了抗混疊濾波器，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)要講究對稱，并采用溫度性能較好的元器件，從而使電路達到良好的濾波，抗干擾作用，并保證電能表獲得良好的溫度特性[13][14]。4.2.3ATT7022AATT7022A與單片機有6條連線，其中四條為SPI接口線：CS、SCK、DIN、DOU，一條ATT7022A的復位控制線RESET，一條握手信號線SIG。ATT7022A的數(shù)據(jù)寫入與讀出采用四線制的SPI總線方式，軟件編程考慮采取I/O口模擬SPI總線時序的方式，所以ATT7022A的四條SPI總線連接到CPU的任意四個雙向的I/O口就可以了。ATT7022A的復位信號線和與CPU之間的握手信號線直接接到CPU的雙向I/O口。接線如圖4.6所示。ATT圖4.6ATT7022A與CPU連接圖SPI應用時應注意：1、SPI通訊連線應盡可能短，為了減小干擾，可以在SPI信號線上串聯(lián)一個10?電阻并在信號輸入端加一個去耦電容，這樣電阻電容構(gòu)成一個低通濾波器，從而可以消除接收信號的高頻干擾。注意CS、SCLK、DIN所串電阻和所并電容要盡量靠近芯片，DOUT所串電阻和所并電容要盡量靠近單片機。2、單片機對SIG信號或其狀態(tài)進行監(jiān)控。SIG信號是用來通知外部MCU的一個握手信號。ATT7022A上電復位或者異常原因重新啟動時，SIG將變?yōu)榈碗娖?。當外部MCU通過SPI寫入較表數(shù)據(jù)后，SIG將立即變?yōu)楦唠娖健?、為了在上電和單片機復位后，ATT7022A能與單片機同步工作，ATT7022A的同步信號由單片機控制，復位過程為RESET信號保持大于20us低電平，芯片復位，此時SIG輸出高電平，然后單片機將RESET信號拉高，大約經(jīng)500us左右，ATT7022A完成初始化，SIG輸出低電平信號，此后才能進行SPI操作。在ATT7022A的RESET端口處接0.1μF的去耦電容，增強其抗干擾能力。4.3A相電壓零點檢測單元為了防止在控制器投切電容器組時產(chǎn)生涌流，應該合理選擇投切電容器組時的相電壓的電角度，這就要求控制器具備檢測電網(wǎng)電壓電角度的功能。本控制器采用檢測A相電壓過零點的辦法來檢測電網(wǎng)電壓過零點。電路原理圖如圖4.7所示。圖4.7A相電壓過零檢測電路當A相電壓為正值時，通過限流電阻使得光電隔離器的原邊發(fā)光二極管流有合適的電流而發(fā)光，副邊的三極管結(jié)構(gòu)因為B極的受到光照而使得C極和E極導通，導通阻抗接近零，使得副邊PG1處被拉為低電平，從而使得CPU的PG1口為低電平，CPU通過檢測PG1口的電平狀態(tài)便可以知道當前電網(wǎng)A相的電壓處于正半周還是負半周，并且可以通過檢測PG1口的電平跳變來檢測電網(wǎng)A相的過零點位置。圖中的二極管D5和穩(wěn)壓管D2是防止在A相電壓為負值時，使光電隔離器承受過高的反向電壓損壞而設計的。采用該方法檢測電網(wǎng)過零點的最大優(yōu)點就是電路簡單、隔離效果好，缺點是過零點檢測存在延遲，并且不夠準確，尤其是電網(wǎng)中諧波含量較高時誤差較大。雖然該方法存在上述缺點，但是能夠滿足控制器的要求。4.4電容狀態(tài)檢測單元控制器在每次進行投切電容器組動作之前，都應該檢測當前系統(tǒng)中所有電容器組的投切狀態(tài)，即當前電容器組是投入到電網(wǎng)中運行還是從電網(wǎng)中切除，為本次的電容器組投切動作做參考。該部分電路原理圖如圖4.8所示。圖中包含兩個電容器組的狀態(tài)檢測。圖4.8電容狀態(tài)檢測電路電容狀態(tài)檢測主要是通過檢測電容上電壓來完成的。以檢測第一個電容器的狀態(tài)為例，當電容器投入到電網(wǎng)中運行時，電容器上有電壓，當電壓處在正半周時，通過限流電阻R69使得光電隔離器的3、4腳之間的發(fā)光二極管發(fā)光，1、2腳之間的發(fā)光二極管不發(fā)光，那么副邊的13、14腳之間的等效三極管導通，而15、16腳之間的等效三極管不導通，圖中Cl處被拉低為低電平。當電壓處在負半周時，光電隔離器的1、2腳之間的發(fā)光二極管發(fā)光，3、4腳之間的發(fā)光二極管不發(fā)光，那么副邊的15、16腳之間的等效三極管導通，而13、14腳之間的等效三極管不導通，圖中Cl處被拉高為高電平，這樣，在電容器接入電網(wǎng)中時，C處便會有50Hz的方波，而當電容器從電網(wǎng)中切除后，Cl處便沒有交變的方波，為了防止電容沒有電壓即輸入端沒有輸入電壓時Cl的電平狀態(tài)不穩(wěn)定，在與Cl相連CPU的I/O加有上拉電阻。Cl直接接到CPU的I/O口，通過檢測該I/O口的狀態(tài)便可以知道當前電容器的狀態(tài)了[15]。4.5數(shù)據(jù)存儲單元控制器除了能夠根據(jù)電網(wǎng)有功功率和無功功率狀況進行電容器組的投切之外，還要求具有一定的數(shù)據(jù)記錄功能，包括系統(tǒng)默認參數(shù)的存儲，用戶設定參數(shù)的存儲，系統(tǒng)故障狀態(tài)的存儲以及電網(wǎng)參數(shù)包括電壓、電流、功率因數(shù)等的定時存儲功能，還包括電容的投切次數(shù)、電容的投入率、電網(wǎng)最大電壓、最大電流等。數(shù)據(jù)記錄時效最長為150天，150天后新的數(shù)據(jù)將對前面的數(shù)據(jù)進行覆蓋，采取時間上先存儲的數(shù)據(jù)先被覆蓋的原則。顯然，需要存儲的數(shù)據(jù)量很大，并且要求在系統(tǒng)斷電的情況下存儲的數(shù)據(jù)不能丟失。控制器中存儲器采用了ATMEL公司的大容量串行EEPROM存儲器AT24C512，并且采取在IIC總線上掛接多個芯片的方式以增加系統(tǒng)容量，這種一個總線下掛接多個芯片的方式比采用一片更大容量芯片的方式要靈活一些。電路原理圖如圖4.9所示。AT24C512是容量為64KB的串行電可擦除的可編程存儲器，通訊速度最大可達1MHz，內(nèi)部有512頁，每一頁為128字節(jié)，任一單元的地址為16位，地址范圍為0000—0FFFFH，可以重復擦寫10萬次，數(shù)據(jù)保存時間大于40年。該芯片采取貼片式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大、數(shù)據(jù)保存時間長等特點，并且可以在一個IIC總線上掛接4片芯片，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲要求的系統(tǒng)中。圖4.9系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊AT24C512的SCL和SDA為IIC總線協(xié)議的時鐘線和數(shù)據(jù)線，分別與IIC總線主設備的時鐘線和數(shù)據(jù)線相連。Atmega64具有硬件的兩線串行接口TWI，兼容IIC總線，因此AT24C512的SCL和SDA分別連接到Atmega64的TWI接口的時鐘線和數(shù)據(jù)線。芯片的WP腳用于數(shù)據(jù)保護，當該腳接低電平時，允許對芯片進行讀和寫操作，當該腳接高電平時，只允許對芯片進行讀操作而不允許對其進行寫操作，以保護芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)。芯片的A0與Al腳用來確定自身在IIC總線上的硬件地址。當一個IIC總線上掛接多個設備時，各個設備之間是通過設備的硬件地址來區(qū)分的。AT24C512的二進制硬件地址格式如圖4.10所示。10100A1A0R/WMSBLSB圖4.10AT24C512的二進制硬件地址格式該地址中前5位是固定的，不可更改，通過改變芯片Al和A0兩個管腳的電平狀態(tài)改變圖4.9設備二進制硬件地址中的Al、A0位以改變設備自身的硬件地址，實現(xiàn)IIC總線主機對不同從設備的區(qū)分。R/W位表示對芯片的讀操作和寫操作，對于同一片芯片來說，對它的讀操作和寫操作的地址是不一樣，它們的地址相差1。圖中的電阻R27和R28作為總線上拉電阻，這是IIC總線硬件要求的。IIC總線為了便于在一個總線上掛接多個設備，硬件設計成開漏輸出形式，這要求總線上需要額外增加上拉電阻。4.6實時時鐘電路系統(tǒng)電容器組動作參數(shù)存儲、大量電網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲等都要求有時間參數(shù)，否則記錄參數(shù)將沒有意義。一個高精度的時鐘基準源對于控制器來說成為必須。本系統(tǒng)的實時時鐘選用AMI8563，其原理圖如圖4.11所示。圖4.11系統(tǒng)時鐘電路AMI8563是低功耗的CMOS實時時鐘/日歷芯片，提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過IIC總線接口串行傳遞。最大總線速度為400Kbits/s，每次讀寫后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。AMI8563主要特性如下:·低工作電流:典型值為0.25uA(VDD=3.0V，T=25°C時)。·大工作電壓范圍:1.0V~5.5V?！つ?、月、日、星期、時、分、秒的BCD碼輸入/輸出。·可編程時鐘輸出頻率為:32.768KHz，1024Hz，32Hz，1Hz。·具有報警和定時器功能?！ぞ哂衅瑑?nèi)掉電檢測器?！?nèi)部集成的振蕩器電容?！て瑑?nèi)電源復位功能?！ご蠭IC總線接口，IIC總線從地址：讀，OA3H；寫，OA2H。AMI8563的SCL和SDA為IIC總線協(xié)議的時鐘線和數(shù)據(jù)線，分別與IIC總線主設備的時鐘線和數(shù)據(jù)線相連。在本系統(tǒng)中，AMI8563與三片AT24C512一起掛接在Atmega64的TWI總線上，公用總線上拉電阻。芯片內(nèi)已經(jīng)集成了振蕩器電容，所以，直接給芯片外接32.768Hz的時鐘晶體振蕩器就可以了。圖中D12和D19兩個肖特基二極管用來完成芯片供電電源從系統(tǒng)主電源到電池供電切換。當系統(tǒng)掉電后，系統(tǒng)電壓VCC跌落，當VCC電壓低于電池電壓時，D19截止，D20導通，AMI8563供電電壓由系統(tǒng)電壓切換至電池供電，保證系統(tǒng)斷電后實時時鐘仍能準確計時。4.7液晶顯示和鍵盤電路為方便用戶使用，便于設定系統(tǒng)的運行參數(shù)，為控制器設計了良好的人機界面，包括128×64點陣的大屏幕液晶顯示器和鍵盤以及發(fā)光二極管。系統(tǒng)的運行狀態(tài)和各個運行參數(shù)以滾屏的方式實時的顯示在屏幕上，便于監(jiān)控系統(tǒng)運行，接線原理圖如圖4.12所示。圖4.12液晶顯示和鍵盤電路原理圖中文液晶屏模塊采用LG128643-SLY/SDY，該液晶模塊可實現(xiàn)漢字、ASCII、點陣圖形的同屏顯示，128×64點陣，可視區(qū)達72.0mm×39.0mm，可以顯示4行漢字，每行顯示8個漢字，單5V電源供電，可在-20°C~+70°C下良好工作。帶有LED背光，黃綠底藍字，強光下顯示效果好。液晶顯示屏的控制器為KS0108，并行接口，8位數(shù)據(jù)線與CPU的PC口相連，控制線連接到CPU的I/O口。圖中R71和R72為分壓電阻，將液晶屏內(nèi)部產(chǎn)生負電壓分壓后供給屏幕字體灰度控制線來控制液晶屏顯示字體的灰度，這里采用了固定電阻值的方式，也可以采用電位器調(diào)節(jié)的方式，可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，靈活性較好。中文液晶屏模塊LG128643-SLY/SDY的對外接口并不復雜，包括8位并行數(shù)據(jù)線、控制器片選信號線、讀寫控制線、復位信號線、數(shù)據(jù)指令標志線等，使用方便。考慮按鍵的個數(shù)較少，鍵盤的設計采取直接用一個I/O口接一個按鍵的方式，CPU的I/O口內(nèi)部已有上拉電阻，因此，按鍵不需要額外接上拉電阻。發(fā)光二極管主要用來指示系統(tǒng)狀態(tài)，包括系統(tǒng)電源狀態(tài)和通訊接口的通訊狀態(tài)。因原理比較簡單，這里沒有給出原理圖。4.8溫度檢測部分為防止無功補償裝置內(nèi)部主要元件工作溫度過高，控制器設計有檢測無功補償裝置內(nèi)部主要元件溫度的功能，并根據(jù)設定的溫度保護值確定是否進行溫度保護，主要是溫度過高的保護功能，以避免由于溫度過高而損壞裝置內(nèi)的元件或產(chǎn)生其它不希望的狀況。溫度測量采用K型熱電偶完成。熱電偶是一種感溫元件，其測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)金屬導體緊密相接形成兩個電極，電極接觸面之間就會存在熱電動勢。熱電動勢的大小與溫度有關，即有所謂的熱電偶分度表，如果能夠測量熱電偶電極之間的電動勢大小，根據(jù)分度表便可以知道當前的環(huán)境溫度。MAX6675是具有冷端溫度補償功能的熱電偶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，能將K型熱電偶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，測量范圍0°C~1024°C，完全能夠滿足系統(tǒng)對溫度測量范圍的需要。數(shù)據(jù)輸出為12位分辨率，采用SPI兼容協(xié)議輸出數(shù)據(jù)。該芯片為只讀芯片，不能對其進行寫操作。MAX6675的硬件連接原理圖如圖4.13所示，本系統(tǒng)設計有6路溫度測量。圖4.13MAX6675硬件連接原理圖芯片的CS、SO和SCK分別為片選、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)時鐘線，CPU沒有硬件的SPI總線結(jié)構(gòu)，所以CPU對MAX6675的操作也需要采用I/O口模擬的方式，上述的三根線直接連接到CPU的I/O口就可以了。芯片工作電源為單5V，使用方便。T+和T-為信號輸入端，直接接到K型熱電偶的信號輸出端即可。4.9通訊部分通訊功能是控制器的重要功能單元，是控制器與外接進行數(shù)據(jù)交換的主要途徑。系統(tǒng)存儲的電網(wǎng)電壓、電流等數(shù)據(jù)的定點記錄，電容器組投切次數(shù)，系統(tǒng)故障記錄等數(shù)據(jù)的輸出，控制器接收遠程主機的遙測，遙控等命令并進行解釋執(zhí)行等功能的實現(xiàn)都依靠通訊功能。Atmega64具有兩個同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器(USART)，是一個具有高度靈活的串行通訊功能的設備。系統(tǒng)中設計的通訊接口為標準RS-232接口。RS-232接口是目前最常用的計算機與計算機之間、計算機與外設之間進行數(shù)據(jù)通訊的接口標準。RS-232標準傳輸距離不大于15m，傳輸速率最大為20Kb/s。RS-232通訊標準電平采用負邏輯，即：邏輯“1”為-5V～-15V，邏輯“0”為+5V～+15V。工作方式為全雙工方式，即可以同時進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送工作。本系統(tǒng)的RS-232接口采用9芯連接器。標準9芯連接器中除了地、數(shù)據(jù)收、數(shù)據(jù)發(fā)三根線外，還定義了若干握手信號和功能信號，本系統(tǒng)中只使用了簡單的地、信號收、信號發(fā)三根線。圖4.14RS-232收發(fā)控制器接線原理圖系統(tǒng)的通訊部分的收發(fā)控制器采用MAX232，單5V供電。該器件包含2個發(fā)送驅(qū)動器、2個接收驅(qū)動器和一個電壓發(fā)生器電路提供RS-232電平。該器件符合RS-232標準，每一個接收驅(qū)動器將RS-232電平轉(zhuǎn)換成0～5V的TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送驅(qū)動器將0～5V的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平。收發(fā)控制器接線簡單，使用方便、可靠，只需要很少的外圍器件就可以可靠工作，其接線原理圖如圖4.14所示。圖中RXDT和TXDT表示TTL電平的接收信號和發(fā)送信號，RXD和TXD表示經(jīng)過RS-232