电网无功功率补偿控制系统的设计

    摘要：文中介绍了一种用单片机系统、输入/输出电路、键盘显示电路和通信接口电路组成的电网无功功率补偿控制系统的设计方法，详细介绍了这种设计方法的系统硬件组成和软件设计方案并给出了其抗干扰的方法，最后给出了该控制系统的软件设计流程图。

    关键词：无功功率 补偿 可控硅 电网

1 前言

在电力系统中，电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之，而无功与电压有着极为密切的关系。一方面，电压变化时无功负荷的变化远远大于有功负荷的变化；另一方面，无功负葆引起的电压波动也远大于有功负荷的变化。如果电力系统的无功电源比较充足，就能满足较高水平下无功平衡的需要，系统也将具有较高的运行电压水平，反之，无功不足就反映为运行电压水平偏低，可能造成电压崩溃，从而破坏电力系统的安全运行和运行稳定性。因此，电压和无功的合理调整在提高电能质量、降低网损、操作电网运行的稳定性和安全性等方面具有极为重要的意义。

调整无功的方法就是根据无功功率的大小来调整电网补偿电容器的大小。因为无功功率传输损耗大，不宜长距离输送，因此，负荷所需的无功应尽量做到就地供应。

2 系统硬件设计

本电网无功功率补偿控制系统的硬件组成框图如图1所示。它主要有单片机系统（由80196单片机、74LS373、FLASH MEMERY 29C256组成的自复位电路）、键盘显示电路、输入电路、输出电路和通信接口电路MAX232等部分组成。

2.1 单片机系统

该系统的核心部分一片80196KB微处理器，80196KB为MCS-96系列16位处理器；其强大的功能，丰富的资源和高效率等优点，为整个系统的快速、实时运转奠定了基础。

2.2 输入电路

输入电路由电压、电流的相位差检测电路和电压、电流有效值检测电路两部分组成。电压、电流相位差检测电路由PT（电压互感器）、CT（电流互感器）和过零检测电路组成。PT可用于将电网上的高压转变成低压信号，并经过过零检测转变成方波信号。CT则可将电网上的电流转变成电压信号，同时经过过零检测也转变成方波。CPU通过检测这个方波的上升沿计算出时间差Δt，然后与其测得的周期T相比较即得到相位差φ，即：

φ=2πΔt/T

电压电流有效值检测电路由PT、CT、V/F电路和计数器8254组成。V/F电路采用交流V/F电路，这种V/F电路具有以下优点：

●加快了对被测量变化的跟踪速度。

●减少了中间环节，从而减少了误差和干扰源。

●简化了安装和配线。

●减少了对变送器的硬件投资。

●可以通过软件在采样速度和精度之间作出合理选择。

8254芯片为计数器，通过它的定时计数，可以得到一系列电压、电流信号的瞬时值，然后利用软件及一系列算法得到电压、电流的有效值。常见的算法有全波傅氏算法、半波傅氏算法、两点乘积算法、导数算法等。本系统采用全波傅氏算法，因为该算法比其它算法的精度要高，便其所需的数据窗较长，计算过程较慢，因此，考虑到系统的速度和精度，笔者选用了精度较高的算法。

全波傅氏算法的思想是建立在傅里叶级数的基础上的，因为电压、电流信号是一个周期性函数，因而可分解为直流分量、基波和次谐波的无穷级数。即：

    由此可得到基皮电流：

    本系统采用13点算法，即N=13。

2.3 输出电路

输出电路经光耦隔离后可驱协可控硅控制电路，从而控制可控硅工作的通断，即电容器是否投用。另外，当需要调压时，还可以控制变压器的升压和降压。

2.4 通信接口

该控制系统的通信接口采用232接口，其接口电路采用MAXIM公司生产的MAX232专用232接口电路芯片来设计，该芯睡具有使用简单，性能可靠的特点。

3 软件设计

本系统软件采用PLM96语言编写，其主程序框图如图2所示。同时程序还开放了三个中断：HIS中断、定时器中断和串行中断。HIS中断用来准确记录电压、电流方波上升沿的时间，并及时为主程序计算相位差提供实时值，定时中断用于对电压、电流进行定时采样；串行中断则用于在系统联网时实现通信功能。为了使这三种中断互不影响，各中断子程序耗时应尽量短，也可考虑各中断的嵌套。本系统软件在串行中断中又开放了定时中断和HIS中断。这两种中断的实时性要求比较高，并且中断时间也很短。

通过三种中断的开放可使系统各参数的实时性得到提高，同时也将主程序更加简单和高效。

4 结束语

本系统自投入使用以来，运行稳定，给厂家和用户节省了很多开支，从而增加了经济效益，深受用户和厂家的好评。