基于单片机的无功补偿器设计

孙立平，程耕国

（武汉科技大学 信息科学与工程学院 高级运动控制研究室，武汉 430081）

0 引言

随着信息技术的不断发展，居民用电量的急速上升，电力系统中的无功功率无法得到平衡，影响了系统的正常运行，严重的甚至还会导致设备烧坏，系统瘫痪，造成用电的不便[1,2]。针对以上问题，本文采用基于AT89C52的自动补偿系统进行补偿，从而降低线损，稳定电压，保证系统可靠运行。

1 系统总体设计及原理

电力系统中，各设备的参数变量基本相同，通过对某一参数的分析，便可以得到整个设备的运行情况，从而基本实现对整个系统的自动控制[3]。由于现在电网系统中三相不平衡的情况很多，三相动态补偿已无法解决不平衡的问题，因此，采用动态和分相相结合的补偿方式。其框架图如图1所示。系统由AT89C52、相位差检测电路、投切控制模块、显示模块和串行通信等组成。其中，互感器是将采集的线路信号转换成小信号供给相位差检测电路；相位差检测则是检测信号的功率因数；投切控制则负责电容的投切，稳定电压；显示电路进行数据的实时显示。此外，还有RS232接口等。

2 系统的硬件设计

2.1 相位差检测电路

相位差检测电路如图2所示。

图1 系统框架图

图2 相位差检测电路图

如图2所示，为了便于分析，输入的UU、UI通过393电压比较器将正弦波变成同频率的方波μ1、μ2，经D触发器得到相位差μ0。μ0与p1.2相与接到GATE0，作为门控信号；A0、A1与74LS373相连锁存地址；CLK与ALE相连，用于时钟信号计数；CS、WR、RD等对8253进行读写，当CS高电平时，计数结束通过OUT输出。

2.2 投切电容模块

电力系统中，电压是衡量电能质量的一个重要指标，而且电压和无功的关系十分密切，互相影响，因此可以根据电压的变化和无功的分布，对电网进行调节。首先对采集的信号进行判断并计算，然后分析电网得出设定值，将采集信号的参数与设定值比较，最后依据九域图[3,4]判断是否投切电容或升、降电压，保证接近设定值。九域图原理如图3所示。

图3 九域图原理

工作在1区，U>UH，Q>QH，切除电容器组，如U>>UH则降压；在2区时，U稳定，Q>QH，切除电容器组；在3区时，UQH，电压升压，如Q>>QH则切除电容器组；在4区时，Q稳定，UUH，降压；在6区时U>UH，Q

2.3 显示模块

LED显示器分为静态显示器和动态显示器。本设计采用静态显示器对系统参数变量实时显示，了解系统运行状况，及时发现故障。所谓静态显示就是显示某个字符时，相对应的字符一直导通或截止，并被锁存直到显示其他字符为止[5]。以A相为例，其显示电路如图4所示。

图4 A相显示电路

A相显示电路由并行接口8255A、LED、74LS373和AT89C52组成。将LED0、LED1、LED2的共阳极与+5V相连。

8255A作为接口电路：

一方面将PA、PC、PB口分别连接到三个LED的代码段，将A0、A1与锁存器的输出Q0、Q1相连实现显示的锁存；

另一方面CS、WR、RD等与单片机相连完成片选、读写等操作。

2.4 串行通信模块

计算机之间或计算机和终端之间的通信主要采用串行和并行接口通信。RS-232C作为人机接口[6]，在计算机通信中起着十分重要的作用，其主要负责计算机与现场控制器的数据传输。其RS-232C电路如图5所示。

图5 RS-232C电路

3 系统的软件设计

软件设计采用C编写。首先进行系统初始化，确定控制对象并采集测试信号，然后计算并显示，将U、Q与额定值比较看是否位于9区，如位于则结束程序；否则计算投切电容的容量并投切。软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

4 结束语

本文设计了以单片机与计算机相结合的智能无功补偿器的总体方案。该系统以AT89C52为核心，其硬件结构简单，功能强大，并采用了九域图原理提高了系统的功率因数，使系统达到了最优控制。

但由于设计者水平有限，设计比较简单，存在一系列问题，有待进一步改善。

[1] 项莉萍.电力系统的无功优化和无功补偿[J].金华职业技术学院学报,2003,3(3):10-12.

[2] 刘文华,刘炳,王志泳,等.基于IGBT三电平逆变器的DSTATCOM[J].电力系统自动化,2002,10(2):70-73.

[3] 董鹏飞,李建华,李盛.智能无功补偿器的设计和实现[J].自动化仪表,2010,31(12):65-71.

[4] 王荟全,张丽丽,毕学利,等.基于九域图原理的桓台电网电压无功投切方案设计[A].2007年中国城市供电学术年会[C],2007.

[5] 邬芝权,李骐.基于51系列单片机的LED显示屏开发技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[6] 张国忠,吴俊,刘毅,等.基于GSM／GPBS的配电变压器实时监测系统[J].自动化仪表,2009,30(1):42-44.