CN101340096B - 电力无功补偿控制器 - Google Patents

Abstract

一种电力技术领域的电力无功补偿控制器，包括：低压配电网无功补偿模块和主控模块，低压配电网无功补偿模块包括：电压检测模块、功率因数检测模块、单片机，其中：电压检测模块、功率因数检测模块分别测量电压、功率因数角，单片机计算需无功补偿的容量；主控模块包括：看门狗电路模块、键盘输入模块、显示模块、电压电流A/D模块、串口通信电路模块、下层控制器串口模块等，其中：看门狗电路模块起到保护电路的作用；键盘输入模块和显示电路模块实现人机通信；串口通信电路模块负责将单片机中需无功补偿的容量数据信息传递至下层控制器串口模块；下层控制器串口模块控制补偿电容器组。本发明能够提高配电网低压侧用户的功率因数。

Description

电力无功补偿控制器

技术领域

本发明涉及一种电力技术领域的控制装置，具体是一种电力无功补偿控制器。

背景技术

电力系统中，常见的无功控制方法有同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等，并联电容器是配电网中应用最广泛的无功补偿设备，在调节效果相近的情况下，费用远远低于同步调相机，因而已大面积取代了同步调相机。用并联电容器进行无功补偿是应用最广泛的无功补偿方式。配置无功补偿设备时，原则上应要求全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡。目前在我国城镇，低压用户的用电量大幅增长，直接对用户末端进行无功补偿将最恰当地降低电网的损耗和维持网络的电压水平。

无功功率的传输不但会产生很大的有功损耗而且沿传输途径还会产生很大的电压降落，因而电网中各中枢点的电压特性更具地区性质，即不同地区的无功功率供需分布关系不同，那么不同点的电压在同一时刻的表现也就不同，无功功率的平衡只能靠就地平衡。电力系统中的无功功率是在正弦电路中，当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电力磁场和提供电压稳定的不可缺少功率之一，无功反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压的高低直接反映本级无功的平衡，是电能质量的重要指标之一。

经对现有技术文献检索发现，中国专利号为200520101269.5的实用新型专利，专利名称为《智能化无功功率补偿控制器》，该实用新型公开了一种智能化无功补偿控制器，它包括电源电路以及依次相连接的电压采样电路、选择开关电路、A/D转换电路和主控CPU，在主控CPU上连接有复位存储电路和显示电路，所述主控CPU分别与功率因数测量电路、补尝电容投切电路、红外通讯电路和通讯控制CPU相连接，所述通讯控制CPU与信号收发装置相连接。但该专利的不足之处在于：该专利不能实现分布式控制，同时人机交互性能较差。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提出了一种电力无功补偿控制器，满足用户在低压侧的无功补偿设备的功能和质量，使用单片机作为控制核心，通过对关联电容器的投切控制，实现对线路上的功率因数的快速反应，调整功率因数，改善电能质量。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：低压配电网无功补偿模块和主控模块，其中：

低压配电网无功补偿模块包括：电压检测模块、功率因数检测模块、单片机，其中：

电压检测模块、功率因数检测模块分别测量电压以及功率因数角，并将电压以及功率因数角的数值传输给单片机；

单片机根据功率因数角和电压计算得到电流量，并将电压、电流量、功率因数角作为控制的核心参数，得出电压、电流的实际大小，以及电压、电流值是否在预设的范围内，并计算出线路需无功补偿的容量，将需无功补偿的容量传输给主控模块；

主控模块包括：电源电路模块、看门狗电路模块、键盘输入模块、显示模块、电压电流A/D模块、串口通信电路模块、下层控制器串口模块，其中：

电源电路模块，为单片机提供+3.3V电压工作，为其它逻辑元件提供+5V电压工作；

看门狗电路模块，防止低压配电网无功补偿模块中的单片机在执行某条指令时受干扰的冲击，使单片机的操作码或地址码发生改变致使该条指令出错；

键盘输入模块，是由若干个按键组成的开关矩阵，作为单片机的输入设备，操作员通过键盘输入数据或命令，实现人机通信；

显示电路模块，负责显示单片机处理后的数据信息；

电压电流A/D模块，将外界传感器传输过的数据通过电阻分压，并将分压后的数据交由单片机，由单片机对电压、电流测量；

串口通信电路模块负责将单片机中需无功补偿的容量数据信息一位一位地依次传递至下层控制器串口模块；

下层控制器串口模块获得串口通信电路模块的数据后，将数据处理为异步通信的9个信号，提供给投切控制电路，由投切控制电路控制补偿电容器组。

所述电源电路模块，包括：交流变压器、稳压管、整流电路，交流变压器为带中间抽头的变压器，交流变压器与不同型号的稳压管相连，稳压管与全波电流桥整流电路相连，稳压管包括若干种型号，以获得若干等级的电压。

所述看门狗电路模块，负责监视程序的运行，若单片机在执行某条程序指令时，受干扰的冲击，而使操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错，看门狗电路模块产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。

所述键盘电路模块，由若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机的输入设备，操作员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信，当键盘上某一键闭合时，该键所对应的行线与列线短路，此时该行线的电平将由被短路的列线电平所决定，如果将行线接至单片机的输入端口，列线接至单片机的输出端口，则在单片机的控制下使列线为低电平，其余列线为高电平，然后单片机读输入口状态(即键盘行线状态)，若输入端口均为高电平，则表示这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和相交的键处于闭合状态，逐行逐列地检查键盘状态。

所述显示电路模块，包括并行通讯和串行通讯两种通讯方式，具体有4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式，并行方式响应速度比较快，不过，要占用比较多的IO资源，串行方式虽然速度相对来说比较慢，但是本系统对实时性要求并不是很高，采用了串行通讯方式。

所述串口通信电路模块，将数据的各位一位一位地依次传送，使之适合于计算机之间、计算机与外部设备之间的远距离通信，传输方式为：单工方式、半双工方式或全双工方式，单工方式：数据仅按一个固定的方向传送，因为这种传输方式的用途有限，常用于串行口的打印数据传输与简单系统间的数据采集；半双工方式：数据可以实现双向传送，但不能同时进行，实际的应用采用某种协议实现收发开关转换；全双工方式：允许双方同时进行数据双向传送，设备比较复杂。接收方式为异步通信方式或同步通信方式，异步通信：在这种通信方式中，接收器和发射器有各自的时钟，他们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，其内容如下：一个起始位，紧接着是若干个数据位；同步通信：同步通信格式中，发送器和接收器由同一个时钟源控制，为了克服在异步传输中，每传输一帧字符都必须加上起始位和停止位，占用了传输时间，在要求传送的数据量较大。

所述下层控制器串口模块，采用直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方可发也可收，通信双方的任何一方，只要请求发送端有效和数据终端有效就能开始发送和接收。

本发明工作时，电压检测模块、单片机、功率因数检测模块分别检测线路和电容器的电压、电流、有功功率、无功功率，并由单片机计算得到电压、电流的实际大小，以及电压、电流值是否在正常范围内，计算出线路需无功补偿的容量，并将需补偿的容量通过串口通信电路模块传递致下层控制器串口控制投切控制电路，实现电容器的投切；在电路运行过程中，看门狗电路模块具有保护电路的功能，包括过压、欠压、失压、过流等保护，以保证设备的安全运行；同时，由键盘输入模块和显示电路模块配合完成，可通过键盘把参数定值、功能设置等输入单片机，单片机按设定信息工作，并将参数设置、运行结果等显示。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中，功率因数角的测量实时性非常好，采用了流行的新方法；串口通信方面则让单片机与下层控制器通信，可实现分布式控制；显示电路模块中LCD液晶的应用使得测量数据可在显示屏上实时显示，键盘输入模块使得各显示画面的人机交互性很强，实现人性化、简易化操作；大多数的程序是相互独立的，可方便实现功能的扩展与维护。本发明能够将配电网低压侧用户的功率因数从0.8提高到0.95以上，并且本发明免维护，体积小，易安装，功能完善，造价较低。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明中的看门狗电路模块的电路图。

图3是本发明中的键盘输入模块的结构示意图；

其中：(a)是独立式的键盘输入模块，(b)是行列式的键盘输入模块。

图4是本发明中的显示电路模块的串行接口与单片机连接的电路图。

图5是本发明中电压电流A/D模块与单片机连接的电路图。

图6是本发明中的串口通信电路模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：低压配电网无功补偿模块和主控模块，其中：

低压配电网无功补偿模块，包括：电压检测模块、功率因数检测模块、单片机，其中：

电压检测模块、功率因数检测模块分别测量电压以及功率因数角，并将电压以及功率因数角的数值传输给单片机；

单片机其型号为STC89LE516AD，根据功率因数角和电压计算得到电流量，并将电压、电流量、功率因数角作为控制的核心参数，得出电压、电流的实际大小，以及电压、电流值是否在预设的范围内，计算出线路需无功补偿的容量，并将需补偿的容量通过下层控制器串口控制投切控制电路，实现电容器的投切。

主控模块，包括：电源电路模块、看门狗电路模块、键盘输入模块、显示电路模块、电压电流A/D模块、串口通信电路模块、下层控制器串口模块，其中：

电源电路模块，为单片机提供+3.3V的工作电压，其它逻辑元件在+5V的工作电压；

看门狗电路模块，防止低压配电网无功补偿模块中的单片机在执行某条指令时受干扰的冲击，使单片机的操作码或地址码发生改变致使该条指令出错；

键盘输入模块，是由若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机的输入设备，操作员通过键盘输入数据或命令，实现人机通信；

显示电路模块，负责显示单片机处理后的数据信息，能够实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。

，将外界传感器传输过的数据通过电阻分压，并将分压后的数据交由单片机，由单片机对电压、电流测量；

串口通信电路模块采用RS232标准，将单片机中的数据一位一位地依次传递至下层控制器串口，使之适合于计算机之间、计算机与外部设备之间的远距离通信；

下层控制器串口模块是获得串口通信电路模块的数据后，处理为异步通信的9个信号，提供给投切控制电路，由投切控制电路控制补偿电容器组。

所述单片机，其P1口8路A/D采集电压电流A/D模块传输的数据，并可通过液晶显示，STC89LE516AD单片机自带模数转换功能，不需外接A/D转换器。因为STC89LE516AD有足够的I/O口资源，键盘输入模块采用I/O口直接连接的4*4矩阵式键盘，连接至P2口，行列的键对应相应的I/O口，编程容易控制，实现方便。

本实施例中使用Protel开发工具，完成无功补偿装置的显示电路模块与键盘输入模块、各测量电路和通信电路的软件和硬件设计，给出电路图和印刷电路板图，以及系统接线图。

本实施例中的电路设计采用自动化EDA(Flectronic Design Automation)。

所述电源电路模块，包括：交流变压器、稳压管、整流电路，交流变压器为带中间抽头的变压器，交流变压器与不同型号的稳压管相连，稳压管与全波电流桥整流电路相连，获得不同等级的电源，满足单片机和其他逻辑元件的不同电压需求。交流变压器用220V交流～2*15V的带中间抽头的变压器。全波电流桥整流电路采用封装好了的整流桥堆。稳压管可选用7805、7812、7912、LM1117T-3.3等型号，获得+3.3、+5V、±12V的电源。单片机正常工作时的功耗为4-7mA，LM1117能提供的正常输出电流为10mA，最大可达15mA，满足单片机的需求；7805、7812、7912的输入电压适应范围大(超过20V)、输出电流也可以很大(上百mA)，可以完全适应相应芯片的功耗与电压要求。

如图2所示，所述看门狗电路模块，采用MAX813L芯片，负责实现看门狗功能、电源故障监视功能和手动、自动复位功能，MAX813L芯片引脚的具体功能如下：

手动复位输入端(SW-PB)：当该端输入低电平保持140ms以上，MAX813L就输出复位信号，该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。MR与TTL/CMOS兼容；

工作电源端(VCC)：接+5V电源；

电源接地端(GND)：接0V参考电平；

电源故障输入端(PFI)：当该端输入电压低于1.25V时，4号引脚输出端的信号由高电平变为低电平；

电源故障输出端(PFO)：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平；

看门狗信号输入端(WDI)：程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，6号引脚由高电平变为低电平；

复位信号输出端(RST)：上电时，自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出；

看门狗信号输出端(WDO)：正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。

所述键盘电路模块，包括独立式和行列式两种，如图3(a)所示，为一个具有4个按键的独立式键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接MCU的I/O口。独立式键盘每一按键都需要一根I/O线，占用MCU的硬件资源较多。因此独立式键盘只适合按键较少的场合；

本实施例中采用一个4行×4列的行列式键盘结构，如图3(b)所示，图中键盘的行线X₀～X₃通过电阻接VCC，当键盘没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线X₀～X₃均呈高电平。当键盘上某一键闭合时，该键所对应的行线与列线短路，此时该行线的电平将由被短路的列线电平所决定。如果将行线接至单片机的输入端口，列线接至单片机的输出端口，则在单片机的控制下使列线Y₀为低电平，其余三根列线Y₁、Y₂、Y₃均为高电平，然后单片机读输入口状态(即键盘行线状态)，若X₀、X₁、X₂、X₃均为高电平，则Y₀这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Y₀相交的键处于闭合状态。如果Y₀这一列没有键闭合，紧接着使列线Y₁为低电平，其余列线为高电平，用同样的方法检查Y₁这一列有无键闭合，如此类推。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的扫描。键盘上每一个键均有一个唯一的键值，一般用直接赋值方法定义键值，每个键的键值为当它按下时，键扫描程序的列码和行码按一定顺序由二进制数排列。例如当0键按下时，键扫描程序输出的列码为1110，读入的行码为1110，将它们按D7～D0的顺序排列为：11101110，则0键的键值定义为EEH。类似的方法可得到其他键的键值。键扫描程序中只要将列码输出，再读入行码，然后将行列码拼接，与键值比较，即可确定为哪一键按下。

如图4所示，所述显示电路模块，采用的是金鹏电子公司生产的OCM4x8C系列128X64点阵带中文字库的液晶显示器，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。为便了和多种微处理器、单片机接口，模块提供了4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。LCD有并行通讯和串行通讯两种通讯方式，并行方式响应速度比较快，不过，要占用比较多的IO资源，串行方式虽然速度相对来说比较慢，但是系统对实时性要求并不是很高，完全可以采用串行通讯方式。

显示电路模块通过LCD串行接口与STC89LE516AD的连接，其中，驱动芯片4050用于MCU的输出驱动LCD，当显示电路模块的15号脚接低电平时，模块即进入串行接口模式。串行模式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据，即构成2线串行模式。OCM4X8C还允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。此时，要利用片选端“RS”构成3线串行接口方式，当“RS”接高电位时，模块可正常接收并显示数据，否则模块显示将被禁止。通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，“RS”可连接固定的高电平。

如图5所示，所述电压电流A/D模块，包括若干分压电阻，Ubc转换电压由于越界，超出P1口的电压极限，P16处通过电压电流A/D模块的分压电路，将变送器PT的输出直接连在单片机的P1口，变送器包括电流传感器、电压传感器(单相)。

电压互感器采用南京中旭电气公司生产的GGV500T系列光耦电压传感器。此光耦电压传感器具有精度高、频响宽、线性好、高隔离、低漂移、低功耗、宽温度、交直流通用等优点，适用于各类电网或电路中的交直流电压进行实时测量。

电流互感器采用南京中旭电气公司生产的HDC040G系列霍尔电流传感器。HDC040G系列霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理的新一代电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。

如图6所示，所述串口通信电路模块，其采用的模块型号为MAX202E，其中，T1_in，T2_in可直接接TTL/CMOS电平的MCS-51型单片机的串行发送端TXD；R1_out，R2_out可直接接TTL/CMOS电平的MCS-51型单片机的串行接受端RXD；T1_out，T2_out可直接接PC机的RS-232串口接受端RXD；R1_in，R2_in可直接接PC机的RS-232串口发送端TXD。串口通信的硬件连接采用三线制连接串口，就是说和PC的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对本发明来说已经足够了，MAX202E的第11脚和单片机的11号引脚连接，第12脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。MAX202E的第14脚和PC机串口的2号引脚连接，第13脚和PC机串口的3号引脚连接，第15脚和PC机串口的5号引脚连接。MAX202E的第7、8脚下层MCU的通信接口连接。

所述下层控制器串口模块，选择DB9连接器，获得串口通信电路模块的数据后，处理成异步通信的9个信号，该连接器采用直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方可发也可收。在这种方式下，通信双方的任何一方，只要请求发送端有效和数据终端有效就能开始发送和接收。

本实施例工作时，电压检测模块、单片机、功率因数检测模块分别检测线路和电容器的电压、电流、有功功率、无功功率，并由单片机计算得到电压、电流的实际大小，以及电压、电流值是否在正常范围内，计算出线路需无功补偿的容量，并将需补偿的容量通过串口通信电路模块传递致下层控制器串口控制投切控制电路，实现电容器的投切；在电路运行过程中，看门狗电路模块具有保护电路的功能，包括过压、欠压、失压、过流等保护，以保证设备的安全运行；同时，由键盘输入模块和显示电路模块配合完成，可通过键盘把参数定值、功能设置等输入单片机，单片机按设定信息工作，并将参数设置、运行结果等显示。

本实施例中，功率因数角的测量具有很好的实时性，单片机与投切控制电路之间串口通信，实现分布式控制；键盘输入模块和显示电路模块使得各显示画面的人机交互性很强，实现人性化、简易化操作。

Claims (7)

1.一种电力无功补偿控制器，其特征在于，包括：低压配电网无功补偿模块和主控模块，其中：

低压配电网无功补偿模块，包括：电压检测模块、功率因数检测模块、单片机，其中：电压检测模块、功率因数检测模块分别测量电压以及功率因数角，并将电压以及功率因数角的数值传输给单片机；单片机根据功率因数角和电压计算得到电流量，并将电压、电流量、功率因数角作为控制的核心参数，得出电压、电流的实际大小，以及电压、电流值是否在预设的范围内，并计算出线路需无功补偿的容量，将需无功补偿的容量传输给主控模块；

主控模块，包括：电源电路模块、看门狗电路模块、键盘输入模块、显示模块、电压电流A/D模块、串口通信电路模块、下层控制器串口模块，其中：电源电路模块，为单片机提供+3.3V电压工作，为其它逻辑元件提供+5V电压工作；看门狗电路模块，防止低压配电网无功补偿模块中的单片机在执行某条指令时受干扰的冲击，使单片机的操作码或地址码发生改变致使该条指令出错；键盘输入模块，是由若干个按键组成的开关矩阵，作为单片机的输入设备，操作员通过键盘输入数据或命令，实现人机通信；显示电路模块，负责显示单片机处理后的线路需无功补偿的容量；电压电流A/D模块，将外界传感器传输过的数据通过电阻分压，并将分压后的数据交由单片机，由单片机对电压、电流测量；串口通信电路模块负责将单片机中线路需无功补偿的容量一位一位地依次传递至下层控制器串口模块；下层控制器串口模块获得串口通信电路模块的数据后，将数据处理为异步通信的9个信号，提供给投切控制电路，由投切控制电路控制补偿电容器组。

2.根据权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是，所述电源电路模块，包括：交流变压器、稳压管、整流电路，交流变压器为带中间抽头的变压器，交流变压器与稳压管相连，稳压管与全波电流桥整流电路相连，稳压管包括若干种型号，以获得若干等级的电压。

3.根据权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是，所述看门狗电路模块，负责监视程序的运行，若单片机在执行某条程序指令时，受干扰的冲击，而使操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错，看门狗电路模块产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。

4.根据权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是，所述键盘电路模块，为由若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机的输入设备，操作员通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信，当键盘上某一键闭合时，该键所对应的行线与列线短路，此时该行线的电平将由被短路的列线电平所决定，如果将行线接至单片机的输入端口，列线接至单片机的输出端口，则在单片机的控制下使列线为低电平，其余列线为高电平，然后单片机读输入口状态，若输入端口均为高电平，则表示这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和相交的键处于闭合状态，逐行逐列地检查键盘状态。

5.根据权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是，所述显示电路模块，包括并行通讯和串行通讯两种通讯方式，具体有4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。

6.根据权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是，所述串口通信电路模块，将数据的各位一位一位地依次传送，使之适合于计算机之间、计算机与外部设备之间的远距离通信，其传输方式为单工方式、半双工方式或全双工方式，接收方式为异步通信方式或同步通信方式。

7.根据权利要求1所述的电力无功补偿控制器，其特征是，所述下层控制器串口模块，采用直连方式时，把通信双方都当作数据终端设备看待，双方可发也可收，通信双方的任何一方，只要请求发送端有效和数据终端有效就能开始发送和接收。

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