CN203553956U - 农网10kV电力线路无功补偿控制器 - Google Patents

Abstract

农网10kV电力线路无功补偿控制器，包括：处理器与存储模块，功率计量模块，电源模块，电容器投切控制模块，状态采样模块，通讯模块，键盘与指示灯模块，菜单与显示模块，外部时钟模块。其中：处理器与存储模块包括微处理器芯片电路和外部存储电路；功率计量模块包括功率计量芯片电路和电压电流信号采集电路；电源模块电路包括开关电源电路和经开关电源转换成的各级电压电路；电容器投切控制模块包括驱动电源电路和继电器控制电路；状态采样模块包括开关量采样电路和故障采样电路。本实用新型以高速微处理器为控制核心，采用贴片工艺制造,具有功能强大、抗干扰能力强、运算速度快的特性。并可根据所需无功容量实现电容器组单投和多投控制。

Description

农网10kV电力线路无功补偿控制器

技术领域

本实用新型涉及无功补偿控制技术领域，特别涉及农村10kV电网电力线路使用的高压无功补偿控制器。 

背景技术

随着电网容量和用电设备的增加，用户对电力系统无功的要求也与日俱增。无功功率会导致系统功率因数和电压降低，网络传输能力下降，网损增加，使电气设备得不到充分的利用，严重时还会导致设备的损坏。所以无功补偿技术日益引起人们的关注。特别是在农村电网中，由于种种原因本身电压比城网电压低，再加之农网10kV线路无足够的无功补偿装置，使得农网电压质量长期得不到改善。且传统无功补偿补偿器由于主控制器运算能力的限制，难以对实时信号进行有效分析，影响了补偿效果。 

在我国，静止式电容柜是电力配电系统常用的无功功率补偿装置，无功补偿控制器是其核心控制部分。目前，农村10kV线路无功补偿控制器较广采用A/D+MCU计算的方法检测电网运行状况，分析系统所需无功容量并采取相应策略投切电容器。这种方案中，存在A/D采样精度不高、CPU计算量较大、对CPU计算性能要求高、软硬件设计复杂且难度大、无功补偿精度低、系统响应时间比较长等缺点。 

传统控制器控制方式单一，大多数采用的是以作为投切电力电容的唯一判断依据，即分别设定投入门限和切除门限的

值，如果测量出当前的电网功率因数小于投入门限则投入电容器，若大于切除门限则切除电容器。缺乏组合参数控制方式，数据记录功能不足，缺乏完整的数据记录功能和数据查询功能；缺少短路保护、过压保护、失压保护、过流保护、投切延时保护、防止振荡投切保护、日投切次数限制保护等保护功能；缺乏装置闭锁功能，投切选择没有考虑各个电容器组使用频率和使用次数。 

实用新型内容

本实用新型提供一种农网10kV电力线路无功补偿控制器，能够更加准确地检测电网运行状况，提供多组控制模式，从而更快更加准确合理地投切电容器，更好地实现对农网高压电网的就地无功补偿，提高农网电压水平。 

本实用新型是这样实现的：一种农网10kV电力线路无功补偿控制器，包括：处理器与存储模块，功率计量模块，电源模块，电容器投切控制模块，状态采样模块，通讯模块，键盘与指示灯模块，菜单与显示模块，外部时钟模块。其特征在于： 

1.一种农网10kV电力线路无功补偿控制器，包括：处理器与存储模块，功率计量模块，电源模块，电容器投切控制模块，状态采样模块，通讯模块，键盘与指示灯模块，菜单与显示模块，外部时钟模块，其特征在于： 

所述处理器与存储模块包括微处理器芯片STM32F103VET6，与微处理器芯片集成的A/D采样电路以及 连接的外围电路；包括外部数据存储器电路； 

所述功率计量模块电路包括电压电流信号采集电路； 

所述电容器投切控制电路包括驱动继电器所需的直流电源电路和继电器驱动电路； 

所述状态采样模块包括开关量采样电路和故障采样电路以及与处理器相连的光耦隔离电路； 

所述通讯模块包括GPRS通讯电路和RS485通讯电路两种通讯方式。 

2.如权利要求1所述的农网10kV电力线路无功补偿控制器，其特征在于功率计量模块中的电压电流信号采集电路，其交流电压信号采集电路采用电阻降压采样，交流电流采样信号采用电流互感器采样。 

3.如权利要求1所述的农网10kV电力线路无功补偿控制器，其特征在于电容器投切控制电路可实现电容器组单投和双投控制，且能够起到闭锁控制作用。 

4.如权利要求1所述的农网10kV电力线路无功补偿控制器，其特征在于电源模块电路可通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压，220V交流电首先经过桥式整流和滤波，得到约+300V的直流高压，再通过高频变压器的初级线圈，给开关管提供所需的工作电压。从次级线圈上输出的脉宽调制功率信号，经高频整流滤波，获得+12V、2A稳压输出。 

所述处理器与存储模块包括微处理器芯片，与微处理器芯片集成的A/D采样电路以及连接的外围电路；包括外部数据存储器电路； 

所述功率计量模块电路包括电压电流信号采集电路； 

所述电容器投切控制电路包括驱动继电器所需的直流电源电路和继电器驱动电路； 

所述状态采样模块包括开关量采样电路和故障采样电路以及与处理器相连的光耦隔离电路； 

所述通讯模块包括GPRS通讯电路和RS485通讯电路两种通讯方式。 

所述功率计量模块，其特征在于功率计量模块中的电压电流信号采集电路，其交流电压信号采集电路采用电阻降压采样，交流电流采样信号采用电流互感器采样； 

所述电容器投切控制模块，其特征在于可实现电容器组单投和双投控制，且能够起到闭锁控制作用； 

所述电源模块电路，其特征在于可通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压。220V交流电首先经过桥式整流和滤波，得到约+300V的直流高压，再通过高频变压器的初级线圈，给开关管提供所需的工作电压。从次级线圈上输出的脉宽调制功率信号，经高频整流滤波，获得+12V、2A稳压输出。 

本实用新型所述的一种农网10kV电力线路高压无功补偿控制器，与现有技术相比，本实用新型以高速微处理器为控制核心，采用贴片工艺制造，高强度隔离强电控制与弱电控制区，抗干扰能力强、运算速度快的特性。控制器符合国家、行业等有关标准、规范、要求，并通过各种试验；具智能逻辑控制功能，投切控制合理、准确、迅速；电容分组合理，能用分组达到较多的容量组合；具有电网运行数据的监测、分析、统计功能；设备具有较高的可靠性，具有装置闭锁功能，提高电容器组使用寿命，能在正常使用环境下长期正常运行。本控制器装置内设多套控制策略，可根据不同用户的需求选择控制模式，修改控制参 数。控制器依据控制模式，通过控制补偿电容器自动投切，达到提高功率因素、降低线损、改善电压质量的目的。 

附图说明

图1是本实用新型的控制器原理框图 

图2是本实用新型的电压电流信号采样设计图 

图3是本实用新型的电源模块电路设计图 

图4是本实用新型的电容器投切控制电路设计图 

图5是本实用新型的电容器组单投双投示意图 

图6本实用新型的软件体系结构框图 

具体实施方式

为了使本领域的技术人员能够实施本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式和详细的操作过程作出进一步的描述。 

本实用新型提供了一种农网10kV电力线路无功补偿控制器，如附图1所示，包括： 

处理器与存储模块，包括微处理器电路和外部存储器电路，其中： 

微处理器采用STM32F103VET6型号的单片机，用于控制A/D采样，状态信号采样，根据功率计量模块上传的数据，确定线路无功需量，执行电容器组投切策略，将补偿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。并进行故障诊断和故障处理，分析设备运行状况。 

外部数据存储器，根据控制器的设计规范，系统需要对历史数据进行存储，故需要有大容量的数据存储器。本实用新型采用FM存储器+SST25VF106B串行存储器，FM存储器采用I2C总线协议，SST25VF106B串行存储器采用SPI总线协议，分别与主控芯片对应相连。 

功率计量模块，包括电能计量芯片电路和电压电流采样电路，其中： 

电能计量芯片电路采用ATT7022C，ATT7022C是一款专用的电能计量芯片，能够直接测量分相及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量和无功能量，同时还能测量各项电流有效值、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。提供1个SPI接口，方便与外部处理器之间进行计量参数及校表参数的传递。从而克服了传统控制器存在的A/D采样精度不高、CPU计算量较大、对CPU计算性能要求高、软硬件设计复杂且难度大、无功补偿精度低等缺点。 

电压电流采样电路中：如附图2所示，电压采样电路采用电阻分压式采样电路，通过对电子开关的开断，可将采样信号调节到需要的采样值上。其RC的选取要与电流采样通道的RC匹配，消除因相位失调带来的误差；电流采样电路采用电流互感器式采样结合信号调理电路，输出电流需转化为电压加到计量芯片 的电流通道上，在电流采样的两管脚之间加一电阻，从而达到采样目的。 

电源模块，包括开关电源电路和各电压等级的调压电路。其中： 

开关电源电路采用自行设计的+12V/2A开关电源如附图3所示，通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压。当输入交流电压在110～260V范围内变化时，电压调整率Sv≤1％。当负载电流大幅度变化时，负载调整率SI=5％～7％。接通电源后，220V交流电首先经过桥式整流和滤波，得到约+300V的直流高压，再通过高频变压器的初级线圈，给开关管提供所需的工作电压。从次级线圈上输出的脉宽调制功率信号，经高频整流滤波，获得+12V、2A稳压输出。 

各电压等级的调压电路包括了+5V调压电路,+3.3V调压电路,以及备用电池充电电路以及数字电压和模拟电压之间的隔离电路。其中：+5V调压电路采用LM7805CT电路；+3.3V调压电路采样LM1117I电路；备用电池充电电路采用LM7806CT电路通过二极管对充电电池充电。 

电容器投切控制模块，包括了继电器所需的直流电源电路和继电器控制电路，其中： 

直流电源电路采用220V经整流滤波输出+300V直流电源，并配备大容量电容，用于吸收存储继电器跳合闸产生的剩余电能。 

继电器控制电路采用两套，如附图4所示，每套分别对应一组补偿电容器，两套配置相同。每套采用3个继电器，一个主控继电器，其余两个分别控制合闸和跳闸。当主控继电器接电源，则剩余两个继电器可实现跳闸或合闸操作。合闸继电器合闸时，跳闸继电器闭锁。跳闸继电器跳闸时，合闸继电器闭锁。当主控继电器跳闸时，剩余继电器均闭锁。 

通讯模块，包括GPRS通讯和RS485通讯，其中： 

GPRS通讯采用BENQ公司的M22模块。该模块属于带TCP/IP协议栈的模块，与其他同类型的模块相比价格较低，但其技术性能上已能适应物流监控系统的现场环境，选用该模块很利于本系统的批量推广。可实现远方读取实时数据，上传并查询每日整点数据、极值数据、电容器动作数据，可远方系统对时；可修改设定控制器整定值；可远方遥控投切电容器组。 

RS485通讯采用SP3485EN芯片标准接口电路，与上位机通信时，采用RS485通信协议进行数据的传输，软件编程则采取中断方式。 

人机接口电路模块，包括了键盘与指示灯模块电路和菜单与显示模块电路，其中： 

键盘与指示灯模块电路，控制器面板共有四个按键，分别为下移、右移、确定（进入设置界面或设定）、退出（退出当前界面或取消）；拥有电源指示灯，合闸指示灯，故障指示灯，有功电能脉冲指示灯，无功电能脉冲指示灯。 

菜单与显示模块电路，控制器液晶显示器采用12864液晶显示模块，在各类测量及控制仪表中由于其 功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点而被广泛地应用。该显示器集驱动器与控制器于一体，是专用于字符图形显示的液晶显示控制驱动集成电路；控制器共有两类界面：信息显示界面和参数设置界面。 

外部时钟模块，采用DS1302Z—工业级时钟芯片，为控制器精确受时。为防止系统掉电，添加了3.3V备用电池电路。 

状态采样模块，包括了开关信号采样，故障采样采样，系统掉电信号采样。 

本实用新型硬件电路多处采用抗干扰设计其中包括：屏蔽技术，隔离技术，退耦设计，滤波设计，接地设计。 

屏蔽技术，由于变压器的漏磁干扰，因此将采样变压器单独放在一块板上，采样信号通过屏蔽线输入到印刷电路板上，将屏蔽线的屏蔽层接地，很好的消除了干扰。 

隔离技术，信号隔离的目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。互感器隔离，内部电路与外部电路接口隔离，电路板上的电路单元彼此隔离。 

退耦设计，藕合来源于传输线间分布电容和分布电感引起的电磁祸合，祸合强弱与相邻两信号线间互阻抗和信号线本身的阻抗有关。电源安装尽量远离干扰源，电源的入线端直到电源的配线尽量采用粗导线；电源的出线端和其地线要靠近，平行铺设，并把布线的距离缩短到最短程度，以免输电过程中过长导线产生的感应电势。在PCB板设计中，在电源和交流采样信号入口处分别并接47uF电解电容和0.1uF钽电容，电解电容用于滤除低频成分，但在高频时呈电感特性，而担电容的高频阻抗极小，能抑制高频干扰。 

滤波设计，本控制器中采用RC低通滤波器，在数字量输入端对地并接一个电容以稳定输入电位，使其不随干扰电压变化；或者当干扰电压变化还未达到元件的动作电平时，干扰脉冲即己消失，从而抑制了干扰。 

接地设计，地线阻抗的最大问题是导致部件之间的互相干扰。在本设计中，除了缩短和加粗地线设计外，采用PCB板分区集中并联一点接地，每一分区元件集中于一点接地，自成独立回路，这样可以使地线电流不会流到其它功能模块中去，避免对其它单元的干扰。同时再将各功能模块单元的接地块与输入电源地相连，形成接地。为了减少线路阻抗，地线和电源线采用大面积汇流。 

软件系统方面，本实用新型采用基于嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅱ,控制器软件主要由数据采集模块、计算模块、控制模块、存储模块和通信模块等组成。采集模块完成控制器所需各项原始数据的采集；计算模块完成各项参数的计算工作;控制模块在数据计算的基础上实现系统所需的各种控制操作，例如报警、投切电容等；存储模块完成各项历史数据的存储工作；通信模块实现控制器与外部的数据交换。控制器软件体系结构框图如附图5所示。 

控制模式有以下几种可供选择： 

电压U控制模式 

当实测电压处于电压上下限之间时控制器维持现状不动作。 

当实测电压高于电压上限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出切电容器命令。 

当实测电压低于电压下限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出投电容器命令。无功功率Q控制模式 

当实测无功功率处于无功功率上下限之间时控制器维持现状不动作。 

当实测无功功率大于感性无功投入门限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出投电容器命令。 

当实测无功功率大于容性无功切除门限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出切电容器命令。 

功率因数PF控制模式 

当实测功率因数处于功率因数上下限之间时控制器维持现状不动作。 

当实测功率因数低于感性功率因数投入门限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出投电容器命令。 

当实测功率因数低于容性功率因数切除门限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出切电容器命令。 

电压无功VQ控制模式，该控制模式以电压优先。 

电压大于电压上限无功小于无功下限，切电容器。 

电压大于电压上限，切电容器。 

电压大于电压上限无功大于无功上限，切电容器。 

电压正常，无功小于无功下限，切电容器。 

电压正常，无功大于无功上限，投电容器。 

电压小于电压下限无功小于无功下限，投电容器。 

电压小于电压下限，投电容器。 

电压小于电压下限无功大于无功上限，投电容器。 

电压时间VT控制模式，该控制模式根据时间对应的电压设置值进行电容器的投切。 

当实测电压高于电压限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出切电容器命令。 

当实测电压低于电压限时，延时开始计时，当延时大于预先设定值时，控制器发出投电容器命令。 

保护功能有以下几种： 

控制器上电，并延时电容器投切间隔设置时间（默认10分钟）后便根据用户投入的保护进入保护监测状态。所有保护都相应有声光报警，即处于故障状态时故障指示灯亮，蜂鸣器响（若蜂鸣器没屏蔽）。 

过压保护 

当电压高于过压设定值，并达到过压保护延时时间，切除电容器；电压恢复正常时装置恢复正常控制。欠压保护 

当电压低于欠压定值，并达到欠压保护延时时间，切除电容器；当电压恢复后，自动进入正常控制。过电流保护 

当任线电流值大于过电流保护电流定值时，定时限切除电容器。 

总谐波畸变率保护 

分电压和电流总谐波畸变率保护，当谐波值（HTD）大于设定的谐波值时，延时切电容器。 

投切次数限制保护 

同一组电容器当天（自零点开始的24小时）累计投切次数等于日投切次数限制值时，延时切电容器。 

以上实施方式仅用于说明本实用新型，并非对本实用新型的限制，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构，或直接运用于其他相关领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 

Claims (4)

1.一种农网10kV电力线路无功补偿控制器，包括：处理器与存储模块，功率计量模块，电源模块，电容器投切控制模块，状态采样模块，通讯模块，键盘与指示灯模块，菜单与显示模块，外部时钟模块，其特征在于： 

所述处理器与存储模块包括微处理器芯片STM32F103VET6，与微处理器芯片集成的A/D采样电路以及连接的外围电路；包括外部数据存储器电路； 

所述功率计量模块电路包括电压电流信号采集电路； 

所述电容器投切控制电路包括驱动继电器所需的直流电源电路和继电器驱动电路； 

所述状态采样模块包括开关量采样电路和故障采样电路以及与处理器相连的光耦隔离电路； 

所述通讯模块包括GPRS通讯电路和RS485通讯电路两种通讯方式。 

2.如权利要求1所述的农网10kV电力线路无功补偿控制器，其特征在于功率计量模块中的电压电流信号采集电路，其交流电压信号采集电路采用电阻降压采样，交流电流采样信号采用电流互感器采样。 

3.如权利要求1所述的农网10kV电力线路无功补偿控制器，其特征在于电容器投切控制电路可实现电容器组单投和双投控制，且能够起到闭锁控制作用。 

4.如权利要求1所述的农网10kV电力线路无功补偿控制器，其特征在于电源模块电路可通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压，220V交流电首先经过桥式整流和滤波，得到约+300V的直流高压，再通过高频变压器的初级线圈，给开关管提供所需的工作电压；从次级线圈上输出的脉宽调制功率信号，经高频整流滤波，获得+12V、2A稳压输出。 

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