黎春榮 王澳 陳浩 劉開瑞

摘? 要：電力系統(tǒng)無功就地補償器是電力供電系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)設(shè)備，在系統(tǒng)中可以起到提高電網(wǎng)功率因數(shù)的作用，同時它也能夠降低供電變壓器以及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電運行狀態(tài)。該設(shè)計以AT89C52為核心，采用互感器對電網(wǎng)中的電壓與電流的相位角進行測量，并根據(jù)設(shè)定的閾值來確定是否需要向電路中投切電容。經(jīng)過試驗證明，該設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)自動、快速、精準的無功功率補償，有效地改變功率因數(shù)使其達到理想閾值，從而減小電力輸、配電的損耗，提高供電質(zhì)量，具有較好的實用價值。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)? 無功補償? 51單片機? 價值

中圖分類號：TM76 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）09（a）-0059-04

Abstract： Reactive power compensator in power system is an important regulating equipment in power supply system， which can improve the power factor of power grid， reduce the loss of power supply transformer and transmission line， improve power supply efficiency and improve power supply operation status. This design takes AT89C52 as the core， and uses transformer to measure the phase angle of voltage and current in the power grid， and determines whether it is necessary to switch capacitors into the circuit according to the set threshold. Experiments show that the design scheme can realize automatic， fast and accurate reactive power compensation， and effectively change the power factor to reach the ideal threshold， thus reducing the loss of power transmission and distribution， improving the quality of power supply and having good practical value.

Key Words： Power system; Reactive power compensation; 51 single chip; Value

在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)發(fā)、配電過程中，無功功率就地補償器具有一個不可缺少的非常重要的位置。它既是電力系統(tǒng)中改變功率因數(shù)的設(shè)備，也是電力系統(tǒng)中輸電、送電、配電的重要調(diào)節(jié)器。無論無功功率是減少還是增加，都會導致電流的波動幅度增大，并增加了設(shè)備及線路的電能損耗，從而產(chǎn)生大量有功損耗，最終降低電網(wǎng)的功率因素和系統(tǒng)電壓。若符合用戶用電設(shè)備的無功功率全部依靠發(fā)電設(shè)備的長距離供應，而無功功率無法及時得到就地補償，將會導致配、輸電設(shè)備不能完全發(fā)揮作用，而輸電、配電能力也將降低，電網(wǎng)供電出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴重時會有多地區(qū)停電事故發(fā)生的風險。針對這一復雜問題，我們設(shè)計了一個能夠根據(jù)電力線路輸送中電壓的相位變化來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因素的電力系統(tǒng)無功就地補償器，它可以使發(fā)出的電能能夠得到更好的利用。

1? 無功就地補償器的總體設(shè)計

在電網(wǎng)設(shè)備選擇上，合理地選擇無功補償裝置，能夠做到最大限度地減少網(wǎng)損，提高電網(wǎng)運行質(zhì)量，增加設(shè)備的利用率，這也是電網(wǎng)建設(shè)中的必備考慮裝置。在電力系統(tǒng)正常運行的過程中，一般情況下對無功的需求都是動態(tài)變化的，這種變化特點在一些局部電力系統(tǒng)中最為明顯，尤其是在電網(wǎng)末端供電線路中，負載對無功的需求變化一般都會成倍數(shù)的變化，并且其變化趨勢也包含快速突變和緩慢變化，其中突變包含了可預測的和各種不可預測的變化趨勢，使得電力系統(tǒng)無功補償對于精度、速度的要求都比較高。為解決以上難題，我們設(shè)計了一種基于單片機的電力系統(tǒng)無功就地補償器，系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括AT89C52控制芯片、相位差檢測電路、模擬電容投切電路、采樣電路等。此外還有相位顯示電路，其中散熱器用于對主控芯片進行散熱處理;互感器是將電壓電流信號輸送到檢測電路中;自動投切控制器是用來對電網(wǎng)做出電容補償;相位顯示器是對參數(shù)的快速顯示。除此之外，還有備用電源模塊、熔斷器模塊等。

2? 硬件設(shè)計

2.1 相位差檢測電路

如圖2所示，在電力系統(tǒng)三相交流電中，各相交流電壓對稱，即各相電壓大小相等，相位角的角度互差120°，若在輸電線路等其他情況中發(fā)生相位角的變化較大時，則將導致供電系統(tǒng)中的電壓波動，諧波增大等諸多因素。對此，該設(shè)計對其進行相位角偏差的檢測，并用檢測的結(jié)果與人為最初設(shè)定的閾值進行比較，從而使輸電達到理想的運行狀態(tài)。對于電壓的檢測，采用了電壓互感器對其做出了精準的電壓采集，他的實質(zhì)是采用大電阻分壓電路設(shè)計，檢測出較小的電流，將該電流轉(zhuǎn)化為設(shè)備測量范圍內(nèi)的電壓信號。采用電流互感器對電流信號進行采集，它的實質(zhì)是將接入的電流通轉(zhuǎn)化為設(shè)備測量范圍的小電流信號，這樣就完成了數(shù)據(jù)信號采集。

2.2 模擬電容投切電路

電壓（U）、電流（I）作為電力系統(tǒng)中的兩個重要衡量指標，其中電壓更是與無功就地補償有著密切的關(guān)系，它也影響著電能質(zhì)量和功率因素的變化，因此，該系統(tǒng)的設(shè)計采用了三相電壓中各相相位差的變化來制作，當各相位角發(fā)生偏差變化時，ADC采樣模塊會自動得到一個反饋回來的檢測信號，同時控制器還會將該檢測信號與最初設(shè)定的信號進行比較。若不滿足初始設(shè)定條件，自動投切控制器就將會動作，從而自動調(diào)整電網(wǎng)的相位差，改變電網(wǎng)的功率因素。其中功率因數(shù)指的是交流電路中電流與電壓相位角的余弦值（cosφ）。在模擬投切設(shè)備中，設(shè)置了5種投切電容的模式。

（1）若相位脈寬整定值小于10000，電容全部投切。

（2）若相位脈寬整定值大于10000而小于20000，電容一、二進入投切模式。

（3）若相位脈寬整定值大于20000而小于30000，投切設(shè)備不動作。

（4）若相位脈寬整定值大于30000而小于40000，電容二、三進入投切模式。

（5）若脈寬整定值大于40000，則會實現(xiàn)電容無極調(diào)節(jié)，使備用電容設(shè)備做到最大化投切。

波形說明（如圖3所示）：在兩波形交叉的地方會出現(xiàn)一個脈寬，若某一時刻相位角發(fā)生變化時，此脈寬也會發(fā)生相應的改變，因此檢測脈寬的大小變化就能夠確定相位是否發(fā)生改變，從而確定電容投切模式。

2.3 LCD顯示電路

由于LCD顯示器制作的顯示面板廣泛應用于各種電氣設(shè)備中，為了實現(xiàn)相位差的及時顯示，使我們能夠及時了解到電力系統(tǒng)的運行情況。該設(shè)計采用了LCD1602作為硬件設(shè)備，它能夠很好地顯示程序中預設(shè)的功能。該顯示器是一種專門用于字母、數(shù)字、符號等功能顯示的點陣式設(shè)備，同時它具有功耗低下、重量較輕、機身較薄等優(yōu)良的特點，在運行過程中表現(xiàn)出不產(chǎn)生高溫、極其省電的性質(zhì)。如圖4所示，LCD顯示器在該設(shè)計中實現(xiàn)了：（1）相位角偏差大小顯示。（2）自動投切裝置運行模式顯示。（3）相位差變化大小所在閾值區(qū)域顯示。

3? 主程序流程圖

51系列的單片機有著多種開發(fā)環(huán)境，該設(shè)計采用單片機AT89C52芯片做為系統(tǒng)的主控芯片，相比于STM32等其他類型的單片機，該芯片具有功能消耗低下，能夠兼容多種系統(tǒng)程序指令，經(jīng)濟實惠等突出特點。如圖5所示，芯片內(nèi)部有多個中斷源，包含了8K的儲存空間，3個定時/計數(shù)器，8位時鐘頻率為24MHz的CPU。因此，我們采用C語言來進行程序編譯，對成功編寫可執(zhí)行的程序，能夠通過多種仿真軟件進行調(diào)試，這里采用proteus8.6仿真，能夠讓我們觀察到芯片的運行狀態(tài)，對做出及時的修改調(diào)整有很大的幫助。首先是定義我們所需要的控制端口，然后是對系統(tǒng)各端口進行初始化操作，最后對各模塊的功能參數(shù)進行編寫。具體如圖6所示。

4? 性能測試與結(jié)果分析

4.1 檢測方案

首先采用proteus仿真進行模擬檢測，模擬成功后制作并調(diào)試實物。由于我們制作的是簡易的實驗功能模擬作品，故我們采用了自制的外加三相低壓電源作為我們檢測調(diào)試對象，具體操作如下：改變電源輸出的電壓相位，觀察系統(tǒng)是否以最初設(shè)定的理想變化形式而發(fā)生變化。

4.2 測試數(shù)據(jù)及分析

通對波形圖脈寬可以觀察到相位變化，對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若相位角發(fā)生了改變，波形的脈寬也會發(fā)生相應的改變，若超過最初理想的工作值，則就會使得自動投切裝置動作，補償相應的電容使功率因素恢復。如圖6，圖7所示，當相位角相差110°時，脈寬整定值為31207，電容投切進入模式三。當相位角相差120°（正常）時，脈寬整定值為20799，自動投切裝置進入模式二。

5? 結(jié)語

電力是我國目前最主要的二次能源，隨著世界電氣行業(yè)的快速發(fā)展，我國的經(jīng)濟水平不斷的提高，節(jié)電降耗、減少生產(chǎn)成本已成為企業(yè)追逐的目標?；贏T89C52單片機的電力系統(tǒng)無功就地補償器，通過對電力線路的電流電壓的檢測，判斷出三相交流電的各相相位差，可實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中的功率因素進行補償和修正，從而提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量及利用率。正常運行時的功率因素為0.95，這能夠更好的發(fā)展電力，更有助于提高發(fā)電廠的工作效率。

由于團隊設(shè)計水平有限，本設(shè)計有很多不足之處，還有待進步改進。

參考文獻

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