CN1060723A - 功率因数监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率因数监控方法及装置，它 对同一相电压、电流进行定时采样，利用“十二点傅氏 算法”计算电网的有功功率、无功功率和功率因数值， 将计算值起设定的基准值相比较，依据比较结果控制 补偿电容器(组)的投切。本装置采用Z80或 MCS-51系列微处理器，简化了硬件电路。

Description

本发明涉及一种实时在线检测电网的有功功率、无功功率、功率因数，准确控制补偿电容器（组）投入或切除的功率因数监控方法以及使用该方法的监控装置。

电网的视在功率（S）是由有功功率（P）和无功功率（Q）两部分构成，即S＝P+jQ。为了充分有效地利用电网的视在功率，则要求提高电网视在功率中有功功率所占的比例，降低无功功率所占的比例，所以目前一般采用投切静电补偿电容器（组）来就地补偿负载的无功需求的措施，以达到提高电网的功率因数（cosφ＝ (P)/(S) ），节约电能的目的。

传统的监控方法采用检测功率因数方式或检测无功功率方式来控制补偿电容器（组）的投入或切除。如图9、图10所示。

不论是检测无功功率方式还是检测功率因数方式，皆是预先设定被检测参数的下限基准值和上限基准值，将检测电路的输出信号V₀₁或V₀₂与设定的基准值进行比较来控制补偿电容器（组）的投入或切除。这种监控模式存在许多不足之处。其一是难以避免在某一设定值附近的反复多次投切动作和在负荷反复地发生微小变化或负荷很小，特别是小于一组电容器容量时发生反复多次的投切动作。这种现象无助于改善电网的功率因数，反而给电网增加不稳定因数并缩短了监控装置的使用寿命。为解决上述问题中国专利85100197提供了一种消除反复投切的闭锁电路。这种电路措施只有在至少出现两次误动作（投切各一次）时才将装置闭锁。同时不能克服因负荷波动引起的“不必要投切”。同样为解决上述问题，中国专利87100007提供了一种旨在彻底消除补偿电容器（组）投入或切除误动作，精确调整投入电网补偿电容器数量的监控装置。该装置依据无功功率的上、下限基准值，将控制区域分为投入区、切除区、波动区和稳定区。根据电网对无功功率的要求和所要求的功率因数作出综合判断来控制补偿电容器的投入或切除，从而将补偿电容器的投入切除次数减少到最低限度。然而，这种方法只有在掌握某一特定电力负荷的变化规律并采用特定容量的电容器及其分组后才能实现，否则，只要补偿电容器的单组容量不是足够小，反复投切现象还是难以避免的，因此这种方法通用性差。

其二，传统监控模式中的无功功率信号 V₀₁和功率因数信号 V₀₂皆是由模拟件组成的电路产生，由于器件的性能参数受电气环境温湿度、老化程度的影响较大，使输出信号 V₀₁、 V₀₂的误差大并不可测，由此产生补偿装置的误投切。

其三，传统装置由于cosφ设定值的不变性，使检测装置的通用性降低。因为在用电环境恶劣的情况下，如大电机负荷的频繁起动、停止，可控硅装置的投入、调节和切除，必然引起cosφ值的频繁变化，使装置发生反复投切动作。

本发明的目的就是为克服以上已有技术的缺陷，而向电力用户提供一种精确测量电网功率因数、有功功率、无功功率，最低限度地消除补偿电容器（组）的投入、切除“误动作”，使电网及功率因数稳定在一个经济合理范围内的一种智能化的功率因数监控方法及使用该方法的监控装置。

本发明是采用下面的措施来实现其目的的。一种功率因数监控方法：它首先对同一相电压、电流及功率因数下限设定值进行定时连续采样，并将上述三参数I_i、V_i、cosφ下限设定值经A/D转换为数字量，设定一个负荷电流最小值I_min，当负荷电流小于最小设定值I_min时，则全部切除补偿电容器

否则将利用“十二点傅氏算法”在线计算电网的有功功率、无功功率和功率因数值。再将计算值与下、上限设定值比较，判断电网是处于欠补偿、过补偿或正常状态。对欠补偿或过补偿状态进行连续计数，只有在负荷电流大于设定的负荷电流量小值及连续计数次数达到设定次数时才驱动补偿电容器（组）的投入或切除。对欠补偿或过补偿状态连续计数的设定次数为5～15次。计数时间为2.5～22.5秒。而设定的最小负荷电流为10～25安培。

一种使用上述功率因数监控方法的功率因数监控装置。它由中央微处理器，程序存贮器，数据存贮器，模数转换器，计数/定时器，数码显示器和平行接口电路组成。电压检测电路、电流检测电路及cosφ设定电路与模数转换器的三个输入端相联。平行接口电路的输出端接有输出开关电路和报警电路。

附图的图面说明如下：

图1为本发明所述方法的方框图，

_c为cosφ下限设定电压。图2为本发明所述装置的原理框图。图3为本发明所述装置的结构示意图。图4为本发明所述装置的电压检测电路图。图5为本发明所述装置的电流检测电路图。图6为本发明所述装置的输出开关电路图。图7为本发明所述装置的主控程序流程图。图8为同一相电压、电流波形曲线及一周期内12点采样示意图。图9为传统监控方法中按无功功率方式的监控原理框图。图10为传统监控方法中按功率因数方式的监控原理框图。

下面结合附图对本发明做进一步的详述。

本发明所述的方法首先是对同一相的电压（V_i）、电流（I_i）进行连续检测，检测到的模拟信号（

）进行模数转换，形成数字信号（I_L，V_L），运用“十二点傅氏算法”根据数字信号V_L和I_L计算出被监控电网的无功功率、有功功率和功率因数。

十二点傅氏算法简单介绍如下：

如图八所示。

首先对A/D转换后的信号（V_L、I_L）定时采样12次，定时采样周期△T＝ 5/3

1.667ms，即每隔1.667ms对V_L和I_L信号同时采样一次，而在一个周期T内采集V和I信号各12点即V₀……V₁₁、I₀……I₁₁，显然采样频率f_c＝50×12＝600Hz。

由于V_L和I_L信号经过电压、电流检测电路（I）（V）的低通滤波环节，6次以上谐波分量已基本被滤掉，故V_L和I_L信号中最高次谐波分量为6次（300Hz）。故f_c＝600Hz＝2f_max（f_max为最高谐波分量频率），满足采样定理f_c≥2f_max，故“十二点傅氏算法”完全可以无畸变地拟合原来的信号V和I。

A·G·Phadke等推出的正序电量的基频分量的实、虚部以离散化形式表达如下：

即有

$\mathrm{Ix}=\frac{1}{6}[(i_0-i_6)+\frac{\sqrt{3}}{2}(i_1-i_5-i_7+i_{11})+\frac{1}{2}(i_2$ $-i_4-i_8+i_{10}\left)\right]$ $I_R=\frac{1}{6}[(i_3-i_9)+\frac{\sqrt{3}}{2}(i_2+i_4-i_8-i_{10})+\frac{1}{2}(i_1$ $+i_5-i_7-i_{11}\left)\right]$ $\mathrm{Vx}=\frac{1}{6}[(V_0-V_6)+\frac{\sqrt{3}}{2}(V_1-V_5-V_7+V_{11})+\frac{1}{2}(V_2$

$-V_4-V_8+V_{10}\left)\right]$ $V_R=\frac{1}{6}[(V_3-V_9)+\frac{\sqrt{3}}{2}(V_2+V_4-V_8-V_{10})+\frac{1}{2}(V_1$ $+V_5-V_7-V_{11}\left)\right]$

由于

＝V_R+jV_x

＝I_R+jI_x

视在功率S=

S＝（V_R+jV_x）（I_R-jI_x）

＝（V_RI_R+V_xI_x）+j（V_xI_R-I_xV_R）

＝P+jQ

则 有功功率P＝V_RI_R+V_xI_x

无功功率Q＝V_xI_R-I_xV_R

设V、I之间夹角为φ

那么：ctgφ＝ (P)/(Q) ＝X

(cos²φ)/(1-cos²φ) = X²

在监控系统中设置一个可调的功率因数（cosφ）下限基准电压，该电压也经模数转换形成数字量，将采样计算出的功率因数值与设定的基准值进行比较，判断电网是过补偿，还是欠补偿，或者是正常状态，若是过补偿或欠补偿状态时，则分别进行累加计数，当累加计数达到设定次数，并且负荷电流大于设定的负荷电流最小值时，则控制补偿电容器投入或切除。累加计数的设定次数为5～15次，计数时间为2.5～22.5秒，即计数5～15次应进行2.5～22.5秒。设置累加计数的目的是为了避免由于功率因数在基准值附近微小波动所产生的反复投切。设定的负荷电流最小值为10～25安培，当负荷电流小于设定的最小值时，应将全部补偿电容器切除，此举是因为当负荷电流小于一定值时，投切补偿电容器已成为无意义。

使用本发明所述方法的功率因数监控装置是由模数转换器，中央处理器，数据存贮器，程序存贮器，计数/定时器，数码显示器和平行接口电路所组成，构成一个基本的微处理系统，中央处理器可采用Z80或MCS-51系列。模数转换器的三个输入端分别与电压检测电路、电流检测电路和功率因数下限基准电压的设定电路相联接，平行接口电路的输出端接有输出开关电路和报警电路。

如图4所示，相电压（ _i）检测电路，由波形变换器（PT），加法器和低通滤波器构成。

如图5所示，相电流（

_i）检测电路，由波形变换器（CT），加法器和低通滤波器构成。

如图6所示，输出开关电路，由放大器和固态继电器构成。由于固态继电器内部采用光电耦合器，使装置和电网之间有很强的电气隔离作用，装置具有很强的抗干扰能力。

如图7所示，微机上电复位后，开始初始化，并检查功能键的状态，若功能键压下则转去功能键处理程序。然后检测负荷电流大小，若I_L＜I_min则全部切除补偿电容器并返回。若I_L＞I_min则依据“十二点傅氏算法”计算电网的有功功率、无功功率和功率因数，经过较强的数字滤波环节后显示功率因数（规定：

滞后

时cosφ为正值;超前

时cosφ为负值）。

1、当cosφ为正值时，与下限基准值C_x比较，若C＞C_x时对欠补偿计数器清零并返回;若C＜C_x时，对欠补偿状态连续计数，当连续次数＞N₁时投入一组电容器，当计数次数＜N₁继续返回计数。

2、当cosφ为负值时，与上限基准值C_s比较，若C＝C_s时，对过补偿计数器清零并返回;若C＜C_s对过补偿状态连续计数，当计数次数＞N₂时，切除一组电容器，当计数次数＜N₂时，继续返回计数。

3、设定的负荷电流量小值I_min为10～25安培，当负荷电流I_L＜I_min时全部切除补偿电容器。此举消除了负荷很小，特别是小于一组电容器容量时引起的反复投切。

4、设定的连续计数次数N₁，N₂为5～15次，计数间隔为0.5～1.5秒/次，此举避免了功率因数cosφ在某一设定值附近反复变化引起反复投切，同时避免了大容量负载的频繁起动、调节、停止引起的反复投切。

综上所述，本发明具有以下特点：

本发明所述的方法，思路新颖，可靠性高，通用性好，所采用的“十二点傅氏算法”彻底抛弃了传统装置由模拟电路产生信号φ₀₁＝K₁Isinφ， V₀₂＝K₂cosφ的方法，最小限度地消除了模拟器件的参数变化或失效所引起装置误动作，并且“十二点傅氏算法”本身隐含强烈的数字滤波作用并配以对硬件电路移相的软件补偿，使本方法的功率因数计算准确。同时，本方法设定一个最小负荷电流I_min和欠、过补偿连续计数次数N₁，N₂及cosφ下限基准值。这种监控方式，功率因数下限设定值是可变的，适用于实际负荷平稳、突变、变化频繁等各种场合，可以全面有效地消除补偿装置的“误动作”。

本发明所述的功率因数监控装置较传统的监控装置相比具有测量准确、操作方便、运行稳定可靠、适用性强等特点。

本装置有效地利用了微处理器的特性，充分灵活地使用了本发明所述的方法，简化了硬件电路。由于本装置所采用的输出开关电路具有很强的电气隔离作用，使装置有很强的抗干扰能力。本装置有自动/手动两种功能，在手动方式运行时，仍能连续显示功率因数值。在欠补偿，过补偿时能给出声、光报警信号，提醒值班人员进行手动投切。

另外，本装置面板设定、调整器件少，操作维护方便。

Claims (6)

1、一种功率因数监控方法，其特征是：

1.1对同一相电压、电流及COSφ设定值进行连续检测，并进行模数转换，在一个周期内定时采得电压、电流各12点数值：V₀、V₁……V₁₁；I₀、I₁……I₁₁，使用正序电量基频分量的实、虚部“十二点傅氏算法”来直接计算电网的有功功率、无功功率和功率因数值；

1.2设定一个负荷电流最小值Imin，当负荷电流小于Imin时，全部切除补偿电容器(组)；

1.3将功率因数实时计算值与上、下限基准值比较，判断电网是处于过补偿、欠补偿或正常状态，对欠、过补偿状态进行连续计数并设定一个连续小数次数N₁和N₂，当连续计数次数达到设定次数N₁或N₂时并且负荷电流I_L＞Imin时便投入或切除补偿电容器(组)。

2、如权利要求1所述的功率因数监控方法，其特征是设定的连续计数次数N₁和N₂皆为5～15次，计数时间为2.5～22.5秒。

3、如权利要求2所述的功率因数监控方法，其特征是设定的最小负荷电流为10～25安培。

4、一种使用权利要求1所述的功率因数监控方法形成的功率因数监控装置，它是由Z80或MCS-51系列8位微处理器、程序存贮器、数据存贮器、模数转换器、计数/定时器、数码显示器和平行接口电路所组成，其特征是模数转换器的三个输入端分别与电压检测电路，电流检测电路和功率因数下限基准值设定电路相联接;平行接口电路的输出端接有输出开关电路和报警电路。

5、如权利要求4所述的功率因数监控装置，其特征在于所述的电压检测电路是由波形变换器（PT），加法器和低通滤波器构成。

6、如权利要求4所述的功率因数监控装置，其特征在于所述的电流检测电路是由波形变换器（CT），加法器和低通滤波器构成。

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