教育时空 Ｃｈｉｎａ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏ】ｏｇｙ Ｒｅｖｉ ｅｌｙ ●Ｉ 低压动态无功补偿系统的研制 王见乐 （襄樊学院物理与电子工程学院４４１０００） ［摘要］本文介绍了装置的主电路、硬件电路及其特点。硬件方面显著特点为：采用可构成真正的多主冗余系统的ＣＡＮ总线网，同时也采用ＲＳ一４８５通信 网络，可适应不同层次的应用需要 采用先进的投切电容器的方式，具有自动抄表功能。采用自适应差动、速断、过流保护原理，满足运行方式变化剧烈的 要求。解决了动态无功补偿的难点，谐波放大、电容器保护等问题。 ［关键词］动态无功补偿 电容器 硬件 中图分类号：ＴＵ７１２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９ ９１４Ｘ（２０１０）３５—０４３７一Ｏ１ 引言 随着能源的日益紧张，电力系统除安全性外，对经济运行的要求也越来越 高，在低压配电网中，采用投切并联电容器组进行就地无功补偿，可以减少输电 中的无功输送，降低线损，改善电压质量，增加有功输送，既保证供电系统安全 性、又满足了经济运行的要求。针对以往无功补偿系统功率因数低，适时性 不高，单片机做为补偿控制器受的缺点，本文所描述的装置，采用以晶闸管 作为执行元件，选择合适的投入相角，实现了并联电容器组的快速无涌流投切 和可频繁投切。采用ＤＳＰ芯片控制，动态跟踪负荷的无功电流或无功功率， ２０ｍＳ内可适时进行分相分级补偿。应用了电容器预充电技术，克服了电容器 投入时的过渡过程。另外考虑了抑制高次谐波的问题。通信方面采用ＣＡＮ 总线作为配电自动化的局域通信网，同时也配置ＲＳ一４８５通信网络，以适应不同 层次的应用需要。液晶汉字显示，可适时对运行设备的三相和单相有功功 率、无功功率、视在功率、电能、频率、各相电压、电流、功率因数 等有关参数，以及控制器的工作状态、电容器组的投切情况、晶闸管组状态 进行监控。从硬件和算法方面充分考虑抗干扰措施和采样的准确性。 １系统主电路 三相电力电容器采用共补偿和分补偿相结合的形式，两者都分别采用三角 形和星形接法以满足分相补偿的要求。分相补偿每相电容器按１：２：４：８二进 制关系分四组进行补偿，以提高静态补偿精度，不同组的电容容量不同，相应 地，晶闸管的额定电流也不同。根据无功功率的大小选择投入电容器的组 数。母线经熔断器接入晶闸管及与其反并联的二级管，再经串联的电抗器接 入补偿电容器。 ２硬件结构 硬件由交流插件、滤波放大升压电路插件、ＣＰＵ插件、逻辑开出插件、 电容器的保护插件，电源插件、显示键盘面板通信电路等构成。具体各部分 原理介绍如下： ２．１双ＣＰＵ系统 一套集成以微处理器、３２Ｍ的Ｆｌａｓｈ程序存储器、ＲＡＭ、Ｓ／Ｈ、１ ０位 Ａ／Ｄ、ＣＡＮ模块、ＳＰＷＭ输出的时间管理模块的ＴＩ公司的ＴＭＳ２０ＬＦ２４０７型ＤＳＰ 为核心，作为运算通信单元的ＣＰＵ系统，采集三相电流、电压，并计算有效值 及其无功、有功、电能、功率因数等参数，分析单相电流、电压的畸变率， 完成通信和控制晶闸管的功能。一套以Ｐｈｉ１ｉｐｓ公司新一代８０Ｃ５１扩展系列 十六位微Ｐ５１ＸＡ作为监控保护单元的ＣＰＵ系统，从双口ＲＡＭＣＹ７Ｃ１３３中取数，控 制继电器的投切，对键盘，液晶显示器进行控制。 两套系统功能各自，电平匹配，可通过双口ＲＡＭ和握手信号交换数 据。 ２ ２实时监测电路 实时监测电路的采集信号是由ｗＢ系列电压、电流隔离传感器，信号经放 大、升压电路进行调理，并由单限比较电路进入ＤＳＰ内部的采样保持电路、 Ａ／Ｄ转换电路。 该电路采用ＴＩ公司的ＴＰＳ３８２３作为监控电路，用５Ｖ／３．３Ｖ的ＴＰＳ７３３３ＱＰＷ （固定输出电压稳压器）作为电源转换器，为ＤＳＰ提供工作电源：采用ＤＡＬＬＡＳ公 司生产的ＤＳ１２８８７作为安全运行时钟，记录故障和掉电时间：用ＡＴＭＥＬ公司的 并口Ｆ１ａｓｈ存储器ＡＴ４９ＶＦＯ０１ＡＴ对整点数据、投切情况、事故记录进行存 储：采用ＤＳＰ自带的ＳＰＷＭ硬件模块经厚膜驱动芯片Ｍ５７９５７Ｌ作为驱动电路，确 定主电路晶闸管的开通及其次序：采用微软公司的ＣＭＯＳ Ｉ２Ｃ接口ｌ ６ｋ的 ２４ＬＣ１６串行Ｅ２ＰＲＯＭ存储电容器保护定值（可避免总线引出芯片），仅需两根Ｉ／ Ｏ接口相连，可增强抗干扰和带负荷能力：采用驱动器为Ｃ６３６９的液晶显示器显 示数据。 ２．３信息传输电路 ＲＳ一４８５接口芯片采用ＴＩ公司的ＳＮ６５ＨＶＤ１０Ｄ，严格按照１０３传输规约收发 信息。用ＰＣＡ８２Ｃ２５０Ｔ作为带ＣＡＮ控制器的ＤＳＰ芯片与ＣＡＮ卡之间的驱动接 口，提供虽总线的差动和接受功能。将发送缓冲器中的数据发送到ＣＡＮ总线 上，或者将ＣＡＮ总线上的数据发送到缓冲器中。 ３软件设计简介 开发数据采集及其处理系统应用软件的编程语言采用Ｃ语言。软件主程 序流程图如图ｌ。 上电复位并初始化 设置计数器初值 系统自检 事件响应？ 设置事件标志宇 执行事件 外部中断参数计算 主！ 定时中断键盘管理 清空事件？ 串口中断液晶显示 图ｌ软件主程序流程图 ４无功功率的检测算法 对于平衡对称的三相系统，其瞬时功率等于平均功率，只要在一个采样周 期内，通过检测电路采的电压、电流即可计算出无功功率。对于电压、电 流非正弦不对称的三相系统，系统的补偿问题不仅含谐波补偿，还包括无功补 偿及其不对称补偿，因此，本文采用非正弦三相电路瞬时功率的算法作为无功 功率的检测算法。其算法如下： 瞬时有功功率为：Ｐ【Ｄ “ （ｆ） ｆ （ｒ）＝ｑ＇２Ｖｓｉｎ（ｎ￣’ｔ＋ ）‘４２１ｅｏｓ（ｒｎ￣ｔ＋∥） 瞬时无功功率为：叮（，）＝“ ＝￣／２Ｖｓｉｎ（ｎｗｔ＋ ） √２Ｊｓｉｎ（ｎｗｔ＋ ） 其中 为ｎ次谐波电压初相角， 为ｎ次谐波电压和电流的相角差，“ 为 ｎ次谐波电压，ｉ 为ｎ次谐波电流有功分量，ｉ 为谐波电流的无功分量。 ５无功补偿投切控制 文中所论述的无功补偿投切方式采用共补和分补相结合的方式。在电压 较低采用先投入共补电容器组。三相无功由三角形接法的电容器组补偿，其 他单相的，由各自分补电容器组根据电压和无功进行投切补偿：电压较高时，采 用先切除三角形共补电容器，由各相的分补电容器组进行补偿。 ６谐波放大和电窖器保护问题 谐波放大问题： 当非线性负载较大时，并联电容器组的投入会引起谐振，致使某次谐波增 大，导致设备容易烧坏、控制器性能发生改变及其系统电压发生畸变，为此， 本文采取了谐波放大的抑制措施。首先，在电容器上串联电抗器，通过参数设 置，使其在基波频率下，呈现容性，做无功补偿装置，在谐波频率下做滤波器，滤 除高次谐波，降低系统的谐波含量 其次，在控制器上设置谐波超标闭锁保护 装置，及通过软件自动频谱分析（加窗插值的ＦＦＴ算法），得到谐波的幅值和相 位，计算出各次谐波，再算出总的谐波畸变率，自动闭锁保护装置检测该值，看 是否超标，超标启动闭锁。 电容器的保护问题： 电容器组采用相间过压、欠压和过流保护。过压保护按照补偿电容器 在９５％一１０５％的范围内可长期运行，１１０％时运行时间小于６小时设定，保护 的出口逻辑判据为：任意一相线电压大于保护设定值，且时间大于总的延迟时 间。欠电压保护的逻辑判据按照，任何一相线电压大于１０Ｖ、小于且电压保 护设定值，时间大于总的延迟时间。欠电压保护的时间延时可适当长点，因欠 电压为慢速保护。过流保护的动作设定为任意一相相电流有效值大于整定设 定电流值，时间大于延时时间。 科技博览ｌ ４３７
