CN202373979U - 智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置它包括微处理器单元、信号采集单元、电能参数分析计量单元、供电电源单元、显示单元、人机对话单元、存储单元、报警单元、温度检测单元、通信单元、驱动输出单元;它集电网监测与无功补偿于一体，不但可以补偿电网中的无功损耗，提高功率因数，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量；同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据，可完成对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出、远程操作等综合管理，为低压配电线路的科学管理提供了第一手的可靠数据。

Description

智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置

技术领域

本实用新型发明属于电力系统电能质量控制技术及节能环保技术领领域，特别涉及一种智能三相低压交流动态无功功率补偿及三相电能参数显示综合控制方法及装置。

背景技术

随着经济的发展和人们生活水平的提高，各行各业对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于配电网处于电网的末端，用户多为低压用户，许多用电器的功率因数很低，且不带补偿装置，这给电网带来很大的功率负担和额外线损，为了维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行，对电网末端变压器进行就地无功补偿就显得非常有必要。

无功功率补偿装置是一种能够稳定电网电压、改善电网三相不平衡、节约电能、提高变压器增容利用率、满足增容需求，消除电磁污染和提高用电安全可靠性的装置。目前，传统的低压无功补偿设备的一般是采集单一信号，低压并联电容器组大多采用三角形接法，无功补偿均为静态补偿，以交流接触器作电力电容器的投切执行元件，投入时冲击电流大，切除时产生过电压，不仅会对电网造成干扰，而且影响电容器使用寿命。自身触头易损，噪声大甚至熔焊，而且投切时间长。在控制环节上基本不能做到分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。在物理量控制方式上一般采用功率因数型，这种控制方式也是很传统的方式，采样、控制也都较容易实现。这种采样方式在运行中既要保证线路系统稳定、无振荡现象出现，又要兼顾补偿效果，这是一对矛盾，只能在现场视具体情况将参数整定在较好的状态下工作。即使调整的比较好，在线路重负荷时也无法祢补这种方式本身的缺陷。

在投切方式上为固定模式的循环投切、编码投切。在控制环节上基本不能做到分相、分级、快速及智能跟踪补偿的要求。

发明内容

本实用新型发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种具有智能化的无功功率自动补偿及电能参数显示的综合装置，采用了恩智浦LPC1114FBD48/301ARM32位微处理器,以及高精度16位A/D三相交流电能芯片ATT7022B，来检测电网无功功率，MCU根据无功量来计算所需补偿电容的容量，控制器依次投入电容。控制器投入采用两种方式，一种方式为用户自行设置每路电容容值，另一种为给用户推荐RCE-1投切编码，采用此方式时电容值不可以随意给定；电压采样信号通过在市电中阻容降压获得，电流信号通过交流互感器获得，显示为12864带中文字库液晶显，用户信息及参数保存在AT24c02 I²C串行CMOSE²PROM这片芯片里；时钟芯片为PCF8583，此芯片具有I²C总线，能为系统提供准确的时间记录，掉电后电池继续为此芯片供电，芯片自动计时；数字温度传感器DS18B20，能精确检测环境温度温度，当出现温度过高时，为了保证电网安全，避免火灾，控制器将自动锁定，不能进行任何操作；通信能采用RS485通信，控制器能进行组网，每台控制器有自己的地址，监控人员能通过上位机软件监控控制器的控制参数；控制器通过检测电网无功量，并结合功率因数，来进行电容的投切，投切算法为PID比例，微分，积分控制算法，此算法为经典的工业控制设备算法。

上位机操作界面（VC++ 2008开发平台），能做出美观的开发界面，创建数据库。上位机软件能为用户提供实时的监控数据，以及各种数据曲线。集电网监测与无功补偿于一体，不但可以补偿电网中的无功损耗，提高功率因数，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量；同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据，可完成对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出等综合管理，为低压配电线路的科学管理提供第一手的可靠数据。

本实用新型发明的技术方案包括以下内容。

在物理量控制方式上采用无功功率（无功电流）型，无功功率（无功电流）型的控制器较完善的解决了功率因数型的缺陷。它具有四象限操作、自动、手动切换、自识别各路电容器组的功率、根据负载自动调节切换时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸变率测量、显示电容器功率、显示cosΦ、U、I、S、P、Q及频率。

接入配电网系统母线上的电流互感器输出的电流信号分别经电流传感器转换成弱电流信号Ia1、Ib1、 Ic1，电压采样信号通过阻容降压获得低压电压信号Ua1、Ub1、 Uc1，同相的电流和电压信号都是同步采集完成。

经过采集后的三相电流及电压信号输送到三相电能计量芯片经过运算后送到微处理器。

微处理器将需要显示的电能参数送到液晶显示器进行显示，同时将电能参数送到存储芯片予以存储，以便用户随时调用。

时钟芯片PCF8583通过I²C总线与微处理器通信，保证时间的准确性。

大多数无功功率补偿器只能作为一个单独的设备使用无法实现远程监控与管理，微处理器与485芯片通信，使得本实用新型发明装置具有网络通信功能，可以实现远距离对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出、远程操作等综等综合管理，为低压配电线路的科学管理提供了第一手的可靠数据。

采用数字温度传感器精确检测环境工作温度，当出现温度过高时，为了保证电网安全，避免火灾，控制器将自动锁定，不能进行任何操作。

附图说明

图1 整体框图

图2电压采样原理图

图3 电流采样原理图

图4电能计量芯片与微处理器接口示意图

图5微处理器与HC595驱动芯片联接示意图

图6存储芯片AT24C512与微处理器联接示意图

图7 485通信接口示意图

图8液晶显示器与微处理器联接示意图

图9 主程序流程图

图10 ATT7022数据采样及校表软件流程图

图11 三相电流采样电路原理详图

图12 三相电压采样电路原理详图

图13 输出控制电原理详图

图14 ATT7022芯片内部框图图。

具体实施方案

下面结合附图做一详细阐述。在图1中三相电源变压器⑴的输出经三相电流互感器⑵变换后输出0-5A到检测单元中的电流检测⑷和电压检测⑸，电流检测采用TA12电流传感器，其变比为1000:1，输入电流0-5A,输出电流0-5mA；电压检测采用电阻分压网络；检测出的三相电流和电压信号送到电能检测芯片AT7220（6）的A/D端口。在ATT7022芯片内部集成了 6 路 16 位 A/D 转换器，电流通道有效值在 2mV 至 1V 的范围内线性误差小于 0.1%；电压通道有效值在 10mV 至 1V 的范围内线性误差小于 0.1%；电压取值在 0.2V 到 0.6V，（电压采样信号小于 0.2V，可用电压通道 ADC 增益选择，将采样信号适当的放大），电流取值在 2mV 至 1V， 电能线性误差小于 0.1%。在图3中可以看到三相电流分别经CT1/CT2/CT3三个电流传感器后分别输入到ATT7022的VxP、VxN端口，IA、IB、IC、IN是电流传感器的一次侧信号同时VxP、VxN需要迭加2. 4V左右直流偏置电压，该偏置电压可以是由芯片的11脚输出参考电压REFOUT获得，当然也可以由外部基准电压提供。

电压采样输入采用电阻分压方式如图2，零线VN与芯片的参考电压输出REFO连起来，偏置电压由芯片的第11脚REFOUT提供，方便地实现了将交流采样信号迭加在2. 4V的偏置直流上，VA、VB、VC与VN接入电网电压的火线和零线。

为保证测量精度，在图2和图3中芯片第5脚外接滤波电容10uF和0. 1uF应尽量靠近管脚处，目两个电容均不可省去。电容的接地点应与采样信号的地线尽可能短的连在一起。

在图2和图3中VxP和VxN输入电路中阻容网络构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证电表获得好的温度特性。

图4是ATT7022与微处理器联接示意图，ATT7022与微处理器有6条连线，其中4条是SPI口线，其中CS是片选信号, SCLK是串行时钟输入, DIN是串行数据输入, DOUT是串行数据输出，还有两条分别是复位控制线RESET，握手信号线SIG，由于ATT7022所有信号高电平为5V，在与3V电源工作的单片机连线时，中间应接电平转换电路。 

 为防止干扰信号对SPI传输信号线的影响，在SPI信号线上都串联一个10Ω电阻，这个电阻与IC输入端的寄生电容C结合起来可构成一个低通滤波器，从而可以消除接受信号的高频干扰。在SPI通讯速率允许的条件下，在信号线的输入端加一个去耦电容Ca/Cb/Cc/Cd，以增强抗干扰能力。

微处理器必须对SIG信号或其状态进行监控。在上电或者ATT7022受干扰复位，必须由外部MCU通 过SPI口对校表数据进行更新，以保证计量的准确性。SIG信号就是用来通知外部MCU的一个握手信号。在ATT7022的SIG端口处接10nF的去耦电容，增强其抗干扰能力。本电路采用检测工作状态寄存器的bit 16是否置位，来确定校表数据是否需要更新。

为了在上电和微处理器复位后，ATT7022能与微处理器同步的工作，ATT7022的RESET信号需要由微处理器控制，复位过程为RESET信号保持大于30ns低电平，芯片复位，此时SIG输出高电平，然后微处理器将RESET信号拉高，大约经500us左右，ATT7022完成初始化，SIG输出低电平信号，此后才能进行SPI操作。在图4中ATT7022的RESET端口处接有复位电路电阻Rs和电容Cs。

图5是驱动输出电路框图，74HC595是8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器芯片， SI(14脚): 串行数据输入端。SCK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位，下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。）RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。(通常将RCK置为低电平，) 当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了。），更新显示数据。OE(13脚): 高电平时禁止输出（高阻态），可以方便地产生闪烁和熄灭效果。图5中74HC595的11/12/13/14脚与微处理器联接，接受来自微处理器的命令进行工作，74HC595的输出信号经过由光耦组成的隔离电路后输出给负载，该负载是智能复合交流接触器。

图6是AT24C02是Atmel公司生产的2K串行电擦出编程存储器，它采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统。在图6中A0/A1/A2地址选择输入端，SDL双向串行数据输入输出日。用于存储器与微处理器之间的数据交换。SCL串行时钟输入。通常在其上升沿将SDL上的数据写入存储器，而在下降沿从存储器读出数据并送往SDL。WP写保护输入。由于AT24C512沿袭了AT24C系列的接口特性，因此与微处理器的连接也叫沿袭传统方法。一般A0/A1/A2/WP接VCC或GND, SDL/SCL接微处理器的P1口即可实现微处理器对AT24C512的操作。

图6中IST1208是INTERSIL公司带后备电池供电SRAM的低功耗实时时钟芯片，振荡器采用外部低成本的32.768kHz的晶体。实时时钟用独立的时、分、秒寄存器跟踪时间，并目还带有日历寄存器用于存储日、月、年和星期。它的1脚是反相放大器的输入端，将连接到外部32.768kHz石英品体的一个引脚也可直接以32.768kHz的晶体源驭动，2脚是反向放大器的输出端，将连接到外部32.768kHz石英晶体的另一个引脚，3脚为器件提供个后备电源电压。在VDD电源失效时，VBAT为器件供电。该引脚在不用时接地，4脚接地，5脚是个双向引脚串行数据(SDA)，用于将串行数据输入或输出器件，6脚串行时钟(SCL)输入被用作数据输入和输出的时钟同步信号，7脚中断输出/频率输出端是多功能，既可用作中断输出引脚又可用作频率输出引脚。通过配置寄存器设置其引脚功能，8脚VDD供电电源。其中时钟输入口SCL、数据输入输出口SDA分别与微处理器的P1.6、P1.7腿相连， Vbat引脚接后备电池。SDA和SCL必须对电源有上拉电阻。当外部电源供电正常时，主电源+5 V通过二极管DC1对电容CC1进行充电。当主电源电压比后备电源的电压至少低50 mV且主电源电压低于2.2 V时，后备电源开始向ISL1208供电。

图7是485通信电路，RS485 的接口芯片采用 MAXIM(美信) 公司的MAX3485. 这是一款全双工 485 收发器, 具有热插拔保 护,网络失效保护,ESD 保护，它的引脚功能如下：

Pin1-RO:接收器输出

Pin2-RE:接收器输出使能(低电平有效)

Pin3-DE:驱动器输出使能(高电平有效)

Pin4-DI:驱动器输入

Pin5-GND:连接地

Pin6-A:驱动器输出接收器输入(同相)

Pin7-B:驱动器输出接收器输入(反相)

Pin8:Vcc

微处理器使用RS485通讯，可以使用全双工和半双工两种模式，本实用新型发明采用半双工比较简单。MAX3485采用通用串行口，增加一个发送/接收控制口(命名为RS485 R/T)，将微处理器TXD接MAX3485的DI，微处理器RXD接MAX3485的RO，MAX3485的RE和DE链接接在MAX3485 R/T上，当MAX3485 R/T为高时，是允许串行通讯输入，为低时，允许串行输出。MAX485输出为A、B差分信号，所以比RS232抗干扰能力强，传输距离相对RS232远。一般我们使用时常要采用光电隔离，以保证可靠性。在 MAX3485输出端接了2个P6KE15CA瞬态抑制二极管，它是一种限压型的过压保护器件,它以pS級的速度把过高异常電压限制在一個安全范围之內,從而起到保护后面的电路不受損坏。将P6KE15CA瞬态抑制二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。  

 图8是微处理器与128X64液晶驱动模块联接示意图，液晶显示模块采用深圳市骏显电子科技有限公司的JM1286401型模块，模块接口方式简单，可以构成全中文人机对话界面，可以显示8X4行16X16点阵字符，模块价格较同类偏低。液晶显示器上面的引脚功能如下：

Pin 1 vss   地

Pin 2 VDD 电源+5V

Pin 3 VO 对比度亮度控制

Pin 4 RS：指令或数据选择指令或数据选择RS=1操作数据,RS=0操作指令代码;

Pin 5 R/S：读/写选择R/S=1读操作,R/S=0写操作; 

Pin 6 E：输入使能；

Pin 7-14  DB0—DB7：数据总线

Pin 15、16芯片选择CS1、CS2：是芯片选择信号A、B,CS1、CS2=1,选通列驱动左、右半部分,CS1、CS2=0,不选通列驱动左、右半部分;

Pin 17 RST:复位端 低电平有效

Pin 18 VOUT   LCD驱动电压输出

Pin 19 LEDA   液晶背光正端+5V

Pin 20 LEDK    液晶背光负端

液晶显示模块与微处理器连接见图8。

 图9是主程序流程图，图10是 ATT7022数据采样及校表软件流程图，软件采用C语言编写。

图11是三相电流采样电路原理图，在图中可以看到三相交流电源是分别通过3个电流互感器cd2/cd3/cd4后送入电能芯片AT7022的V1P/V1N/V3P/V3N/V5P/V5N；图12是三相电压采样电路原理图，在图中可以看到三相交流电源是分别通过3个电阻网络后送入电能芯片AT7022的V2P/V2N/V4P/V4N/V6P/V6N；图13是输出控制电原理图，微处理器控制2片8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器74HC595，再经光耦隔离后输出信号控制复合开关；图14是ATT7022芯片内部框图。

Claims (6)

1.一种智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置，其特征在于:它包括微处理器单元（9）、信号采集单元包括三相电流传感器（4）和三相电压检测电路（5）、电能参数分析计量单元（6）、电源变换单元（3）、显示报警单元（12）、人机对话单元（11）、存储单元（10）、数字温度检测单元（6）、485通信单元（13）、驱动输出单元（14）、光电隔离单元源（15）、功率输出单元（16）；所述的信号采集单元包括电流采样电路（4）和电压采样电路（5）与三相电流互感器相连，分别采集三相交流电源的三相电压和电流，采集后的三相电流和电压信号分别送往电能参数分析计量单元，经过电能专用计量芯片的计算处理后通过光电隔离电路（8）送往微处理器单元（9）；显示报警单元（12）、人机对话单元（11）、存储单元（10）、与微处理器单元（9）相连接，接收微处理器单元（9）的指令进行显示、报警、读取存储器内的信息和将信息存入存储器；485通信单元（13）与微处理器（9）连接，在通信协议指挥下接收和传输数据；驱动输出单元（14）与微处理器（9）连接接受其指令输出控制信号给光电隔离电路（15）及功率输出电路（16），驱动信号经功率输出电路（16）放大后输出一稳定的控制直流信号给复活开关（17），通过复活开关（17）对补偿电容器进行投切；所述的电源变换单元（3）包括AC220V变换电路、DC电源管理模块，输出不同电压等级的稳定的直流电压通过直流工作电源总线总线（18）提供给各个单元和电路。

2.按照权利要求1所述的智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置，其特征在于:所述的微处理器是采用的恩智浦LPC1114FBD48/301ARM32位微处理器，它的I/O口与数字温度传感器相连，接收来自数字温度传感器的温度信号，来自三相交流专用计量芯片AT7220的电能参数测量信息经光电隔离电路隔离后于微处理器的SPI口的2P/13P/26P/38P相连，它的I/O口还分别于存储单元、人机对话单元、显示报警单元、485通信单元及驱动单元相连，通过软件对其进行控制和通信。

3.如权利要求1所述的智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置，其特征在于，所述电能参数分析计量采用了三相交流专用计量芯片AT7220。

4.如权利要求1所述的智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置，其特征在于，三相电流采样采用三个电流互感器，A/B/C三相电流分别通过CT1/CT2/CT3三个电流传感器，将采集的的三相电流信号分别送入三相交流专用计量芯片AT7220的3P/4P/6P/7P/9P/10P;三相电压采样采用了三个电阻降压分压网络，将采集的的三相电流信号分别送入三相交流专用计量芯片AT7220的13P/14P/16P/17P/19P/20P，电流与电压采集的都是是三相交流电而不是单相或其中的两相。

5.如权利要求1所述的智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置，其特征在于，采用了DS18B20数字温度传感器采集补偿电容温度，采集的温度信号送入微处理器进行处理后实现温度的显示、控制及报警。

6.如权利要求1所述的智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置，其特征在于，采用了AT24c02 I²C串行CMOSE²PROM，微处理器与它进行双向通信读出数据到微处理器，将微处理器处理的相关数据写入到存储器进行存放。

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