单片机控制的电压和无功功率综合自控系统

1　概述　　
　　目前，国内35KV以上的变电站，广泛采用有载调压变压器，并配置适当容量的并联电容器组，以实现变电站电压调整和功率潮流的平衡。但是这些设备如不采取合理的自动控制手段，单靠运行人员手动操作，显然不能充分发挥其应有的作用。本文研究的目的在于利用单片机的计算、判断与记忆等智能，实现系统在线负荷预测并进行控制决策，自动综合调整有载调压变压器分接头和电容器投切开关，以提高电压质量和经济运行。

2　工程控制算法　　
    在考虑具有有载调压变压器和并联无功补偿电容器组两种调压方法时，组合调压的效果为矩阵方程

　　式（2—1）中，ΔKn、ΔQc分别为变压器变化调整量和并联补偿电容器的调整量，ΔU、ΔQ表示系统电压和无功功率的调整效果。A为系数矩阵，它由变电站及供电线路的参数决定。如果计算出系数矩阵A，则在每一次调整变压器变比或并联补偿电容量之前。先计算出调整效果，再作是否决定发出调整命令，从而作到调整效果的预报。但在实际应用中，系数矩阵A很难计算，基于此，笔者提出了如下简化的工程控制算法。
　　电力系统简化网络如图2—1所示，假设有载调压变压器的一次侧电压、二次侧电压和变比分别为Ua、Ub和Kn，用户负载电压、视在功率、有功功率和无功功率分别为Ul、Sl、Pl、Ql，无功补偿容量为Qc，则 　
　　由式（2—2）知，当Pl、Ql变化时，变电站到用户的线路电压损失ΔUl随之变化，为了维持用户电压Ul基本不变，必须调整变压器二次侧电压Ub，以补偿线路电压损失ΔUl，这便是逆调压的基本思想。当要求用户负载电压为UlN时，二次侧电压Ub应为 　　由于变电站系统在一定的负荷下，其功率因数（cosφ）是变化不大或不变化的，因此，式（2—3）中的α和β近似为常数。由此可见，为了维护用户负荷电压Ul＝UlN不变，Ub应随Pl的变化而近似线性变化。即只有真正按负荷大小进行逆调压，才能保证用户电压质量。同样，可以类似地对无功功率补偿分析，限于篇幅，在此不详述。
　　工程控制算法正是基于式（2—3），首先在线检测实时负荷Pl，计算机变压器二次应有的电压Ub。然后根据实时检测的电压U测和无功功率Q测，对U测和Ub、Q测与给定的无功功率Q上限和Q下限进行比较和综合判断，得到14种变电站实际运行情况，如表2—1第2列所示。根据电力系统运行规范，系统设计了对应的控制决策，如表2—1第3列所示。

3　综合自控系统的硬件组成　　
　　图3—1是综合自控系统的硬件结构图，按功能可分为：单片机系统、信号测量与处理模块、输出控制模块、升降位置与投切状态反馈模块、显示及键盘　　输入模块5部分。各部分功能简述如下：

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3．1　单片机系统
　　单片机系统主要由AT89C52、EEPROM构成，它是该系统的核心。为增强控制系统的抗干扰能力，以MAX812L作为电源监控电路，并提供手动复位电路。单片机系统选用的单片机是内部带有8K字节FLASHROM的低功耗AT89C52。EEPROM采用具有电可擦除PROM的93C46芯片。 EEPROM93C46芯片主要用来保存系统设定参数，使综合自控系统在关机或因故障停机后，其运行参数能得到保留，以便下一次开机后使用。
3．2　信号测量与处理模块
　　信号测量与处理模块主要包括PT、CT、变送器、信号采集电路和滤波电路。变送器采用FS系列电压、有功和无功变送器。由于变送器输出的信号包含交流分量达几十mV，为了减小交流分量以及各种干扰对测量精度的影响，必须进行滤波，使各类交流分量的有效值减小为0．1mV以下。信号采集电路选用12位逐次逼近型AD574作为A／D转换器，其转换速度为25μs，转换精度为0．05％，能进行单极性和双极性模拟信号转换，完全满足本系统的要求，从而保证电压调整精度为±0．5％，无功补偿控制精度为±3％。
3．3　输出控制模块
　　本系统要控制2台变压器分接头的升降和16组电容器的投切，由单片机P2口的高4位送出信号，低电平有效。系统中采用了固态继电器SSR作为隔离手段，使单片机系统与被控对象之间没有电的直接联系，有力的保证了本系统的可靠运行。
　　

3．4　升降位置与投切状态反馈模块
　　为了获取变压器分接头位置和电容器投切状态信号，本系统扩展了8255A并行接口。同样，采用了固态继电器SSR作为单片机系统和反馈装置之间的隔离。
3．5　显示和键盘输入模块
　　本系统键盘输入和数码显示均采用串行方式。为实现方便的键控，系统仅采用了14个键，其中包括：复位键（RESET）、调试键（TEST）、运行键（RUN）、参数功能键（PARAMETER）、参数调整键（←→↑↓)停止键（STOP）、自锁键以及变压器并列运行键、解裂运行键、1＃运行键和2＃运行键。

4　综合自控系统的软件设计　　
　　系统软件采用人机对话方式和模块化结构，根据综合自控系统的功能要求，综合自控系统软件主要包括主程序模块、计算与判断决策程序模块、变压器分接头升降管理程序模块、电容器投切管理程序模块、键盘处理子程序模块等。限于篇幅，仅介绍主程序模块。
　　图4—1是系统主程序流程图。首先进行初始化，包括设置堆栈指针、显示分接头当前位置、设置电容器投切指针、设定定时器方式和程序自检等。然后，等待并检测是否有键按下，若有键按下则根据键值执行散转指令操作。若按下运行键，则综合自控系统连续运行，这是主程序的核心。由于系统软件采用人机对话方式和模块化结构，所以主程序主要是调用各功能程序模块。若按下参数键时，将依次显示各个参数，在此状态下可使用有关功能键和参数键可对有关参数进行修改，修改后的参数将被传送到EEPROM中保存。按下调试键时，系统自动进入调试状态，供本系统调试人员使用。参数键和调试键的流程在主程序框图中未画出。

5　抗干扰措施　　
　　针对综合自控系统的干扰情况，提出了下面几种抗干扰措施：
    硬件抗干扰措施：
　　·采用内部带有8K字节FLASHROM的低功耗AT89C52单片机为主处理器，其集成度高，广泛应用于控制和测量系统，抗干扰能力强。

       ·采用高精度的传感器和运算放大器。

　　·采用程序监视器（Watchdog）电路。从根本上解决程序跑飞和程序进入死循环。

       ·采用隔离技术。

       ·采用电源净化技术。

       软件抗干扰措施：[page]

 　  ·为防止本系统出现频繁动作，提出了准动作状态—动作状态的软件设计思想。其基本思想是：当本系统第一次判断出系统处于不正常运行状态时，本系统暂不发控制决策指令，称为本系统处于准动作状态。这时，本系统继续进行采样、比较、综合判断与控制决策，如果本次判断出系统仍处于不正常运行状态，且与上次的状态相同，则本系统发出对应的控制决策指令，称为本系统处于动作状态；如果本次判断出系统仍处于不正常运行状态，但与上一次的状态不同，则仍不发控制决策指令，但本系统处于新的准动作状态；如果本次判断出系统仍处于正常运行状态，则本系统退出上一次的准动作状态。

　　·为提高电力系统设备利用率、完好率和使用寿命，要求对每个电容器投切操作的概率要相等，提出了等概率指针法投切的软件设计思想。

6　结论　　
　　以AT89C52为核心的电压和无功功率综合自控系统，适用于利用有载调压变压器和无功补偿电容器组进行电压和无功功率自动调整的变电站。本系统能真正的按照逆调压原理，在线检测负荷变化，自动调整变压器分接头升降和电容器投切，保证变电站负荷侧母线电压随负荷变化，并使无功功率尽可能就地平衡。本系统抗干扰措施得力，系统可靠性高，操作简单。

［1］J．B．Bunch，System Integrated Voltage and ReactivePower Control［J］．IEEE Trans．Vol PAS101，No2，February，1982

［2］尹克力．电力工程［M］．电力工业出版社，1987

［3］何德康．电气二次回路安装与检验［M］．水利电力出版社，1988

［4］张毅刚等．MCS—51单片机应用设计［M］．哈尔滨工业大学出版社，1990