智能无功补偿器的设计和实现

修改稿收到日期:2010-03-22。

第一作者董鹏飞,男,1984年生,现为郑州大学自动化专业在读硕士研究生;主要研究方向为模式识别与智能系统。

智能无功补偿器的设计和实现

Desi g n and I m p l e mentati o n o f I ntelli g ent Co mpensator for Reacti v e Power

董鹏飞 李建华 李 盛

(郑州大学电气工程学院,河南郑州 450001)

摘 要:针对电力系统中无功补偿装置的发展现状,通过对无功补偿原理和方式的分析研究,设计了基于P I C18F4520单片机的智能无功功率补偿控制仪。该控制仪以九域图原理作为投切电容器的依据,并通过RS 232/485串行口与GPRS 模块连接,实现与主控中心进行实时数据的传输和交换。实测应用证明,该系统避免了复杂的参数计算,简化了系统结构,且价格低廉、软件编程简单、抗干扰能力强。

关键词:无功补偿 控制器 功率因数 串口通信 GPRS 中图分类号:T M 46 文献标志码:A

Abstract :In accordance w it h t he current stat us o f reacti ve po w er compensati on i n electric po w er syste m,t hrough anal y sis and research on the co mpensation pri nci ple and mode ,t he compensati on controll er based on P I C18F4520si ng l e chi p co mputer has been desi gned .The contro ll er a dopts t he ni ne zone graphic t heory as t he criteria o f connecti ng or disconnecti ng the capac i tor ,and t hrough RS 232/485serial port to connect w ith GPRS modul e t o m i ple ment rea l tm i e dat a trans m i ssi on and exchange w ith ma i n contro l center .T he rea l t est verifi es t ha t t he complicated ca l cu l ati on of the parameters is avo i ded by the syste m ;and t he s yste mati c structure is sm i p lified .The syste m features l o w cos,t ease program m i ng and off ers h i gh anti i nterf erence capability .

K ey words :Compensati on for reactive power Controller Power fact or Seri a l co mmunica ti on GPRS

0 引言

随着国民经济的发展,工厂自动化和办公自动化程度的不断提高,电子设备对供电电源的供电质量要求也越来越高。工厂内碳硅炉的整流设备、电焊机和电子设备等会产生大量的无功功率及高次谐波,这将会严重污染电网,降低电网的运载能力和电能损耗,影响电子设备的正常运行

[1]

。为提高用户的用电质量、

净化电网、提高电网的运载能力、降低电能损耗,避免随之引起的危害和损失,应对无功功率进行治理,而电力网络性能要求的提高增加了无功补偿控制装置的成本。为了解决成本与性能之间的矛盾,设计了以P I C18F4520单片机为核心的智能无功功率补偿装置,系统在降低网损的同时,也有效地提高了配电系统的电压质量。

1 系统的总体结构设计

在电力系统中,由于各用电器的参变量基本相同,通过对这些参变量的数据分析,基本上可以实现对线

路中的设施进行自动控制的目的。无功补偿方式一般采用三相固定补偿、三相动态补偿和单相动态补偿相结合的方式。系统框架如图1所示。

图1 系统架构图F i g .1 Structure of t he sy stem

系统一般在强交电磁场环境中工作,为防止干扰信

号所造成的开关误动作,系统必须具有较强的抗干扰能力。因此,控制器的数据处理部分选用抗干扰能力和计算能力强的PI C18F4520单片机,输入端信号采用双光耦合的线性耦合器件进行隔离。同时,为保证提供的变量以及参变量数据的精度,前级采样互感器采用精度为

5%的互感器,运放采用失真较小的L M 134系列,A /D 转换部分采用AD7656。此外,系统选用20MH z 晶振,

智能无功补偿器的设计和实现 董鹏飞,等

时钟芯片采用DS1302(晶振32.768kH z);显示模块采用12864液晶模块,由ST7920加以驱动;系统在工作状态下的功耗不超过5W[2-4]。

2系统的硬件设计

本系统主要针对电压为230V、频率为50H z的三相交流系统进行无功功率补偿,其主要功能模块包括模拟信号输入模块、CPU和存储器模块、实时时钟模块、通信模块以及人机交互模块。

2.1模拟信号输入模块

模拟信号输入模块包括电压电流形成、低通滤波和基准电压形成等参数,其作用是将电压互感器和电流互感器二次输出的电压、电流模拟量经过上述环节处理成大小与输入量成正比、相位不失真的模拟量,并经A/D转换电路的采样和转换,将其转化为计算机能够接收和识别的数字量,再进行数据处理和计算。

根据采样定理,采用快速傅里叶变换FFT(fast Fouri er transfer)测量谐波,若要求准确测量2n(n=1, 2,3,!)次谐波,则每周期采样点数量最少为2n+1个点。考虑到PI C单片机的数字处理能力以及测量精度的要求,系统的采样频率为3200H z,即每周采样64点,可准确测量32次谐波量。

2.2CPU和存储器模块

CP U和存储器模块是系统的核心。CPU采用H arvard双总线结构的PI C18F4520,其运行速度快(指令周期约160~200ns),能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理;同时,它采用指令流水线结构。存储器模块用以记录每相电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数,以及电容器的投切时间、投切次数等。除此之外,系统还扩展了铁电存储器F M3164,用于保存运行参数。

2.3实时时钟模块

为了能够实时显示系统时间以及实现按时间日期保存采集到的数据的功能,系统扩展了一片并行实时时钟日历芯片D S1302,构成了系统的实时时钟。时钟电路如图2所示。

图2时钟电路

F i g.2C lock c ircu it

D S1302为涓流充电时钟芯片,内含一个实时时钟和31B静态RA M,通过简单的串行接口与单片机进行通信。DS1302与单片机之间的串行通信仅需要3个口线:∀RES(复位);#I/O(数据线);∃SCLK(串行时钟)。在本系统中,时钟电路的主要作用是将当前系统运行的数据和状态及时间写入数据存储器,用于远程通信中历史数据的传输,并为电力系统的分析、调度和管理提供依据。

2.4通信模块

无功补偿控制中常常需要对现场控制器进行远程控制投切[5],读取实时、历史数据和接收故障报警信号等。因此,通信功能是控制器必须具备的功能之一。

通信模块是主控机与现场控制器之间数据传输的桥梁,一方面控制器获得的电网参数可以通过GPRS 网络实时传送到服务器计算机;另一方面,上位机服务器对终端传来的数据和报警信息进行处理,并对各终端的历史数据进行管理,下达各种传输、控制指令,实现双向的数据、指令传输。因此,通信模块是主要的人机接口。本系统通过RS 232/485串口通信进行通信,主要用于进行电网运行参数和系统状态的数据传输、存储器中存储数据的输出及系统时间的校准等。另外,PI C18F4520带有USB设备控制器,方便工作人员随时到现场对控制器的数据进行读取和参数设置。通信接口电路如图3所示。

图3通信接口电路

F i g.3Co mm un ica ti on interface c i rcuit

2.5人机对话模块

为便于实时显示采集的数据、各种权限的设定以及人机交互,设计了人机接口单元[6-7],用户可以直观、方便、快捷地了解电网和控制器的运行状态,及时发现并处理异常和故障情况。该单元包括键盘输入和液晶显示2部分。显示模块采用12864液晶模块(带中文字库),并采用ST7920驱动12864液晶屏。液晶屏能显示电网运行状况,包括电压、电流、功率因数、系统的有功功率、无功功率以及电容的投切状态等。液晶驱动电路如图4所示。

智能无功补偿器的设计和实现董鹏飞,等