【文章內(nèi)容簡介】 電容器組的投切， 確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi)，實現(xiàn)就地平衡無功、維持電網(wǎng) 電壓穩(wěn)定 。 東華理 工大學(xué)長江學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計（論文） 方案要求及總體方案 7 電壓互感器 AD 轉(zhuǎn)換裝置 AT89C51 鍵盤及 LED 顯示 投切控制電路 通訊模塊 復(fù)合開關(guān) 復(fù)合開關(guān) 。 復(fù)合開關(guān) 電容器組 電容器組 電容器組 RXD TXD 相位檢測 電流互感器 圖11 控制器總體結(jié)構(gòu)圖 控制器總體結(jié)構(gòu)圖 : ?? ８組 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件部分 8 2. 硬件部分 對于硬件部分的設(shè)計，我本著簡單可靠的思想來設(shè)計。本次設(shè)計的對象是針對一個電力系統(tǒng)，一切當(dāng)然以穩(wěn)定安全為前提。在設(shè)計中我盡量精簡所需的單片機 I/O 口，如A/D轉(zhuǎn)換器與單片機 [13]的串聯(lián)接法， LED 串聯(lián)接法等 等，這都極大的減少了單片機所需的 I/O 口，這樣使我的設(shè)計中所用芯片的數(shù)目得到減少，大大的增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)更加安全可靠。 控制面板 對于整個無功補償裝置對其控制的方式有兩種，一種是利用通訊模塊將單片機與上位機相連，通過上位機實現(xiàn)對單片機的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實現(xiàn)對無功補償裝置的控制，另一種是利用控制面板來實現(xiàn)對單片機的控制，也就是對無功補償裝置的控制。上位機因為自己本身有鍵盤，有自己的輸入輸出設(shè)備，因此只要能夠通訊上就能輕松的完成對單片機的控制，完成對無功補償裝置的控制。面板控制是利用其他與單片 機的匹配的輸入設(shè)備直接對單片機控制來實現(xiàn)對無功補償裝置的控制，對于面板的設(shè)計就顯得猶為重要了，要使它功能齊全，操作方便，同時又不繁復(fù)。 電壓、電流檢測電路 由 于需要采集電流與電壓值來計算無功補償量，互感器 [2]就是必不可少的了。 互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作 ， 變壓器變換的是電壓而電流互感器變換的是電流罷了 。 互感器大致可分為兩類 ： 測量用電流互感器和保護用電流互感器 。 運算放大匹配電路 由電流電壓互感器得到的電流電壓值可能并不適合直接接入硬件電路中，因此我在互感器的輸出端加了一 個運算放大匹配電路以匹配硬件電路。 運算放大電路在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路。對其基本要求是： ① 輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配； ② 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益； ③ 低噪聲； ④ 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移； ⑤ 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無畸變的放大瞬態(tài)信號）； ⑥ 高輸入共模范圍（如達幾百伏）和高共模抑制比； ⑦ 可調(diào)的閉環(huán)增益； ⑧ 線性好、精度高； ⑨ 成本低。 十二位 A/D轉(zhuǎn)換電路 單片機的輸入信號需要的是數(shù)字信號，但是由傳感器出來并經(jīng)過處理的 信號是模擬信號， A/D 轉(zhuǎn)換裝置就是為這個難題孕育而生的， TLC2543 是 其中的代表 。 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件部分 9 TLC2543 是德州儀器公司生產(chǎn)的 12 位開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有三個控制輸入端，采用簡單的 3線 SPI 串行接口可方便地與微機進行連接，是 12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器是過程及儀器儀表、設(shè)備等檢測與控制裝置中應(yīng)用比較廣泛的器件。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低功耗、可編程 [3]、低成本的 A/D 轉(zhuǎn)換器不斷推出，使得微機控制系統(tǒng)的電路更加簡潔，可靠性更高。 相位判別 檢測電路 功率因數(shù) (cosφ )值是電網(wǎng)電壓和電流相位差的余弦值。電網(wǎng)線電壓與相應(yīng)的線電流之間具有一定的向量關(guān)系。對于三相對稱電源，若電網(wǎng)的功率因數(shù)值為 1，即等效總負(fù)載為純阻性，則各相電源的相電流必定與其相電壓同相，相位差 Φ =0176。 ，并與某一線電壓正交，而當(dāng)電網(wǎng)的功率因數(shù)值不為 1時，電流向量與電壓向量之間將存在一定的夾角 φ 。感性負(fù)載時 φ 角滯后 0176。 ～ 90176。 ，容性負(fù)載時 φ 角超前 0176。 ～ 90176。 。因此準(zhǔn)確檢測線電壓與線電流之間的相位差，即可測量出電網(wǎng)的功率因數(shù)角。 單片機 AT89C51 主體芯片我用的是 AT MEL 公司開發(fā)的 AT89C51 單片機 [11]。它不僅繼承了 INTEL公司 80C51 單片機的全部優(yōu)點，還嫁接了 ATMEL 公司先進的 FLASH 技術(shù)，從而成為一種特殊的內(nèi)部含 FLASH 存儲器的單片機。它帶有 4KB 閃速式存儲器， 128B 內(nèi)存，最大工作頻率 24MHz，具有 32 條輸入輸出線， 16 定時 /計數(shù)器， 5 中斷源， 1 個串行口該單片機性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，開發(fā)周期短，且價格低廉，非常適合于對電子設(shè)備進行智能化改造。 LED 顯示電路及鍵盤 LED 顯示電路 在 前面的控制面板設(shè)計中有對當(dāng)前 電壓電流及功率因數(shù)的顯示，也有對當(dāng)前投切狀態(tài)的顯示，在這節(jié)中我給出了顯示電路圖。 對于當(dāng)前電壓電流及功率因數(shù)的顯示我采用了 LED顯示電路。 它利用半導(dǎo)體發(fā)光的器件作為光源，具有體積小、壽命長、能耗低、瞬時啟動、顏色豐富等特點，是一種環(huán)保節(jié)能的冷光源。 為盡量減少所需占用的單片機 I/O 口 [6]我采用了 LED 串聯(lián)顯示電路。 對于當(dāng)前的投切狀態(tài)，即投入了幾級的電容，我利用 了 8個發(fā)光 二極管來顯示。 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件部分 10 鍵盤 前面設(shè)計的控制面板中帶一個鍵 盤，這里的鍵盤我并沒有用專業(yè)的鍵盤。因為如果利用通訊接口連接上了帶有專業(yè)鍵盤的上位機，這里設(shè)計的專業(yè)鍵盤就顯得華而不實，因此我用了幾個簡單的按鍵將它們拼成了一個簡易的鍵盤。下面是按鍵對單片機的接口電路圖。 復(fù)位電路 幾乎所有的單片機都需要復(fù)位電路，對復(fù)位電路 [12]的基本要求是：在單片機上電時能可靠復(fù)位，在下電時能防止程序亂飛導(dǎo)致 EEPROM 中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機現(xiàn)象導(dǎo)致單片機系統(tǒng)無法正Key7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 AT89C51 Key1 +5v +5v ……… 圖 21發(fā)光二極管與單片機的連接圖 圖 22 按鍵對單片機的接口電路圖 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件部分 11 常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充 分利用單片機本身的看門狗定時器（有些單片機無看門狗定時器）外，還需外加個看門狗電路；除此以外，有些單片機系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是很隨機的，因而此類單片機系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時能告知單片機。 直 流穩(wěn)壓電源電路 在設(shè)計中我用到的單片機，運算放大器芯片 [13]以及各種芯片都需要 5V或 5V的直流穩(wěn)壓電源來供應(yīng)電源，而在實際生產(chǎn)中沒有可以直接利用的直流穩(wěn)壓電源供給，因此我利用 CW7905分別設(shè)計 +5V和 5V兩個直流穩(wěn)壓電源。 CW7905 + VO — + Vi — 3 2 1 CO 1μ F C1 022μ F 圖２ 3 5V直流穩(wěn)壓電源電路圖 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件部分 12 無功補償投切電容 晶閘管觸發(fā)電路 晶體管觸發(fā)電路 [5]的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管 [8]的觸發(fā)電路一般應(yīng)滿足一下要求： （ 1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通； （ 2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度； （ 3 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率額定，且在門極伏案特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)； （ 4) 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電器隔離。 圖示晶閘管觸發(fā)電路，它由 V V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖 變壓器 TM 及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng) V V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 VD1和 R3是為了 V V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器 TM釋放其儲存的能量而設(shè)定的。 圖２ 4 無功 補償投切電容 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件部分 13 圖２ 5 晶體管觸發(fā)電路 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 軟件設(shè)計 14 3. 軟件 設(shè)計 主程序流程 整個軟件部分的主程序包含有以下子程序： 相位判別檢測電路子程序 [3]， LED 顯示子程序，看門狗子程序， RS485 通訊子程序，無功補償量計算子程序，控制策略子程序，電容投切子程序，以及一個起穩(wěn)定作用的 CPU抗干擾子程序。 主流程圖 如下： 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 軟件設(shè)計 15 控制策略 投切控制不以功率因數(shù)為判據(jù)（可以以功率因數(shù)為判據(jù)），因?qū)嶋H補償是通過無功功率的投入來實現(xiàn)的，所 以以無功功率為判據(jù)進行補償更為科學(xué)。 為使控制更為合理，依據(jù)低壓測總無功功率的大小，實現(xiàn)電容器的自動投入和切除。 從下圖 32可以看出，相位檢測 調(diào)看門狗子程序 Φ 00 ? 采樣電網(wǎng)參數(shù) Φ =00? 切電容 Ｎ Y 調(diào) A/D 轉(zhuǎn)換子程序 取 cosΦ設(shè)定值 調(diào)相位檢測中斷程序 參數(shù)顯示和按 鍵查詢 有鍵按？下？ 鍵處理程序 Y 參 數(shù) 變？化？ N 寫入?yún)?shù)并更新系統(tǒng) Y 調(diào)計算子程序 N 判斷并做出控制決策 調(diào)投切子程序 啟動下次采樣 圖 31 主程序流程圖 系統(tǒng)初始化 東華理 工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 軟件設(shè)計 16 控制器工作在陰影區(qū)時控制器不動作，當(dāng)不滿足此條件時，控制器靠投切一定數(shù)量的電容器來滿足此條件，使控制器工作在 陰影區(qū)，達到平衡無功的目的。投切原則：三相優(yōu)先，單相互補；電壓缺相自動切除全部電容器；電壓超過設(shè)定值，由小到大逐級切除電容器；電容器因電壓超限分閘后，再次投入時，必須具備以下三個條件： (1)電壓和無功功率滿足投切定值要求， (2)延時一定的時間間隔（ 0～ 30 秒可調(diào)）， (3)根據(jù)投切前后的電壓差值，對當(dāng)前運行參數(shù)（ PQI）進行綜合分析，確保再次投入后不超過上限電壓，并且要有一個電壓富余值。 圖 32 控制策略圖 U上、 U下分別為 電壓約束上、下限， Q上、 Q下分別為無功約束上、下限，各區(qū)動作方案如下 ： 1區(qū)： 電壓超 過 上限，無功超下限。 發(fā)出電容器切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，電壓仍高于 U上時，再發(fā)出變壓器分接頭降壓調(diào)節(jié)指令。 2區(qū)： 電壓超 過 上限，無功超上限。 發(fā)出變壓器分接頭降壓調(diào)節(jié)指令；當(dāng)有載調(diào)壓已處于下限時，再發(fā)出上一級變壓器分接頭調(diào)節(jié)指令。 3區(qū)： 電壓超 過 上限，無功合格。 動作方案同 2 區(qū)。 4區(qū)：電壓合格，無功超下限。發(fā)出電容器切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，運行點仍在該區(qū)，則維持該運行點。 5區(qū)：電壓合格，無功超上限。發(fā)出電容器投入指 令，當(dāng)電容器全部投入后運行點仍在該區(qū)，則維持運行點。 6區(qū)： 電壓超 過 下限，無功超下限。 發(fā)出變壓器分接頭升壓調(diào)節(jié)指令，當(dāng)有載調(diào)壓已處于上限時，再發(fā)出電容器投入指令。 7