低压无功补偿毕业论文

本科生毕业设计（论文） 题 目： 低压无功补偿器设计 学生姓名： 系 别： 专业年级： 指导教师： 2011年 5 月 25 日 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 摘 要 本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景，研制了一种低压无功功 率补偿控制器。作为一种非实时的无功补偿装置，该装置以定时的电网 监测数据为依据，以城镇低压网(220V)的无功补偿为对象。本文主要研究 了无功补偿对电网性能的改善，以及控制器的软硬件的配置。 系统采用 单片机，该单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电5189CAT 压，高性能的 CMOS 8 位单片机，具有运算速度高，实时性好的特点； 软件则使用汇编语言进行编译；人机操作界面采用 LCD 显示,显示效果较 好；A/D 转换采用 ，是一款比较实用的 A/D 转换装置。该装置可09AD 跟踪电网无功功率的变化并自动补偿,实现了无功补偿装置的优化运行,具 有体积小、原理简单、智能投切等优点。 关键词：无功补偿；单片机；低电压 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 1 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) Abstract What this article studies is based on the alteration of reactive power compensation of low voltage, then design an equipment for reactive power compensation of low voltage. As a kind of reactive power compensation, this equipment is basis on the electrical network monitor data ,and provides reactive power for citys low voltage power grids. This thesis has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids ,and introduded the hardware and software of the controller. This devices hardware core is AT89C51 SCM , which has many merits such as high operating speed. This monolithic integrated circuit is the low voltage which American ATMEL Corporation produces, a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits;The software uses the assembly language to carry on the translation;The man-machine operation contact surface uses the LCD demonstration, the demonstration effect is quite good; A/D transformation uses ADC0809 , it is a section of quite practical A/D switching device. This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic compensation, and this installment has the volume to be small, the precision is high, the price compared to the higher merit. Key Words: Reactive power compensation; SCM(Single Chip Micyoco);Low voltage 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 目录 摘 要 0 ABSTRACT .0 目录 0 第一章 绪论 1 11 研究背景 1 12 无功补偿装置的发展状况 2 13 本课题主要研究的内容 4 第二章 无功补偿的原理 5 21 无功补偿的原理 6 22 低压电网中的几种无功补偿的方式 9 23 确定补偿容量的几种方法 10 231 从提高功率因数需要确定补偿容量 10 232 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 10 233 从提高运行电压需要来确定补偿容量 11 24 本章小结 12 第三章 硬件设计 12 31 无功补偿装置的技术要求 12 311 补偿控制应符合技术条件： 12 312 测量精度 12 313 控制器原理 13 32 硬件介绍 13 321 CPU 14 322 A/D 转换器选型 17 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 1 323 看门狗 18 324 LCD 显示 20 33 模拟信号调理电路 21 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 331 互感器信号转换及电流电压转换电路 21 332 电压、电流采样及信号处理电路 23 34 输出控制电路 23 35 本章小结 24 第四章 软件设计 25 41 投切原则 25 42 功率因数计算 26 43 本章小结 28 第五章 总结与展望 29 参考文献 30 致谢 31 附录 1：硬件结构图 .32 附录 2 ：软件程序 .32 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 1 第一章 绪论 11 研究背景 目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较 低、电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用 电设备设计落后，功率因数较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部 发电量的 70%，而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数 往往较低，一般约为 70.cos。 在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜 力是十分必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。 从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。 因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能 看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。2007 年 ，我国年总发电量 为 32559 亿千瓦时，统计线损率为 8.77%，但是这个数字没有包含相当大 的 110 千伏、35 千伏、10 千伏的输电线损及 0.38 千伏的低压电网线损。 据报道，估计实际的统计线损率约为 15%，即 2007 年全国年线损量约为 4800 亿千瓦时。设全国的理论线损与统计线损相一致，其中可变线损约 占理论总线损的 80%，则年可变线损电量约为 3900 亿千瓦时。设当前全 国电力网总负荷的当前功率因数 85.0cos，采用无功功率补偿后，把电 力网总负荷的功率因数提高到 9，则每年可以降低线损约为 390 亿千瓦时，按 0.5 元每千瓦时计，价值约为 185 亿元。设 2007 年全国电 网的最大负荷利用小时数为 5000 小时，则电网的最大负荷约为 2 亿千瓦， 当用无功功率补偿法把功率因数 85.0cos,提高到 95.0cos，全国电网需 总补偿容量约为 0.58 亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力电 2 容器，设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为 50 元，则全国无功补偿 装置的总投资约为 29 亿元。应当指出，节省 240 亿千瓦时约相当于一座 400 万千瓦火电厂的年发电量，而建一座 400 万千瓦的火电厂需综合费用 约为 300 亿元，同时每年需燃烧煤约为 1200 万吨，每年产生 2CO,S等 有害物质约为 600 万吨。由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用 约为新建电厂费用 10%，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功 率补偿的将损节电费用即可全部收回。 综上所述 ，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节 省燃煤及污染等作用，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善 电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。 12 无功补偿装置的发展状况 近 20 年来，世界各地（包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、 日本等国）发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了 各国的高度重视。持续了短短 72 小时的 8.14 美加大停电给美国造成了巨 大的经济损失和社会影响，这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无 功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统 一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供 充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如 1993 年和 1996 年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网 稳定。 早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多用在系统的高 压侧进行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围 广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机， 当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 3 和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高，安装复 杂，维护困难，使其推广使用受到限制。 随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。 在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传 动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没 有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并 以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子 器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的蓬 勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。 无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面： 1是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短(PS 级)，所以能够选择电容的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产 生，提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器 补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。 2是作为无功输出的调节开关。由于电力电子器件的高开关频率， 使其能够方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节， 快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。 3是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的 输入和输出，起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源 滤波器。 由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同，无功补偿器可分为 并联型和串联型两种结构。依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式 不同，现代无功补偿装置大致可分为以下几种类型： 1 TSC (Thyristor Switched Cpacitor)型无功补偿装置，它属于并联 型无功补偿装置。主回路如图 1-1 所示，是由多台电力电容器并联以及由 4 可控硅构成的执行机构组成。装置根据无功电流的大小来决定投入电容 组数。由此可见 TSC 的无功调节是有级的，它无法连续的输出无功，这 使其在使用中存在合理选择电容，适当分级的问题。但它的优点也明显， 即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染等。 I c U I c 1 I c 2 I c 3 C 1 C 2 C 3 图 1-1 TSC 型无功补偿装置主回路 2 FC - TCR( Fixed capacitor-Thyristor Controlled Reactor)型无功补 偿装置，它属于并联型无功补偿装置。其主回路如图 1-2 所示。FC-TCR 方式是用双相可控硅的相位控制，调整电抗器的电流，从而调整无功功 率的方式。当以电压零相位为基准时，调节 TCR 中的可控硅的引燃角 。 可以从 09到 018范围内变化。补偿器的电流 LCii，此电流可随 角 的变化而变化为感性或容性，这样就改变了 FC-TCR 的无功功率，并可 连续均匀的调节。由于 TCR 中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非 正弦的，所以它是一个电流谐波源，对电网有一定的危害。该装置在电 容和电感之间形成无功损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，成本 高。 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 5 L U I c I I L 图 1-2 FC-TCR 型无功补偿器的主回路 3静止调相机ASVC (Advantage Static Var Compensator), 属于串联型 补偿器。它由于输出电压可超前或滞后系统电压，因此可以和系统进行 有功、无功之间的交换。它可以连续调节无功，并且能够抑制谐波，补 偿特性较好。但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和维护都不便， 成本高等问题，不便在全国推广使用。 13 本课题主要研究的内容 本文研究的主要有两方面：一是无功补偿的基本理论和电网中最佳 补偿方式的探讨。首先是对无功补偿中一般问题进行分析，其次是对无 功补偿计算方案的分析。二是在传统的无功补偿装置的基础上，对其控 制器和动作执行机构进行改进，从而开发出一种智能无功补偿器。文中 对这种补偿器的控制器的硬件设计和软件设计作了较详尽的分析。 6 第二章 无功补偿的原理 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的。磁场所具有 的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变 磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性 无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率 与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功 功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网 往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在 电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电 网的线损率。 I 1 S 1 R X I 2 S 2 U 2U 1 图 2. 1 由局部电力网的等值电路图 由局部电力网的等效电路图21可知，电力网中由于无功负荷而带来 的电 压损耗 U的计算公式为： CUXQRPRXIRI 22221 sincos 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 7 式中： CU电网的额定电压 2元件的末端电压 电网中的电压和电流的差角 R X电网中元件的等效电阻和电抗 2P Q元件末端的有功负载和无功负载 由上式可知由负荷的无功功率 2Q在元件引起的损耗 XU的计算公式为：CXU2 。 而由负荷的有功功率 2P在元件中引起的电压损耗的计算公式为：CRUP2 。可见的元件电阻小于电抗的电网中，无功引起的电压损耗占 主要部分。 电网中的线损公式如下： )()(3221 jXRUQpjXRISC 式中： jQPS1， 22jP 其中有功线损 的计算公式为： 221CUQP R， 这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损 QP的计算公式为：RPCQ2 由上述分析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高 用户端的电压质量的重要措施之一，是减少电力网元件中的无功传输， 可以从提高负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。 8 21 无功补偿的原理 将电容器和电感并连在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器 释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就在它们之 间交换，即感性负荷(电动机、变压器等)所吸收的无功功率，可由电容器 所输出的无功功率中得到补偿。因此，把由电容器组成的装置称为无功 补偿装置。此外，同步电动机等也可以作为无功补偿装置。 无功补偿的作用和原理可由图22来解释： 设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为 Q，装设无功补偿装置 后，补偿无功功率为 CQ，使电源输出的无功功率减少为 C，功率 因数由 cos提高到 cos，视在功率 S减少到 。 S S p Q Qc Q 图2. 2 无功补偿补偿原理示意图 视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低 供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数 为0.7 时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可 供900千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可 多供200千瓦负荷，是相当可观的。 )()(2jXRUQPjSC 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 9 可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少了，相应 的也使电网和变压器中的功率损耗的下降，从而提高了供电效率。 由电压损耗计算公式 UXQPRC)( 可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率的减少，降低 了电力网中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。 并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以用图2.3 加以说明。 IqIqUII cI qI 图2.3 并联电容器的补偿电流向量图 图中的用电负荷总电流 I可以分解为有功电流分量 PI，和无功电流分 量 QI(电感性的)。当并联电容器投入运行时，流入电容器的容性电流C 与 方向相反，故可抵消一部分 QI使电感性电流分量 QI降低为CQII ，总电流由 I降为 ，功率因数也由 cos提高到 cos。这时， 负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给，电网只需供给有功功率。 根据第一章的有功电流 )(tIR 与无功电流 )(tIX的定义，还可以用图 2.4理解电力系统中无功补偿的作用与原理。 10 )(tIr )(tIC )(tI )(tU 图2.4 电力系统无功补偿原理图 设负荷实际吸收的电流为 )(tI，为了使输电线路上流过纯有功电流)(tIr ，则需要在负荷端接入一个无功补偿器，补偿器提供的电流为 )(tIC， 则 )()(tItIcr 这里 的 )(tIc就是无功电流 X，这就是电力系统中进行无功补偿的要点。 这是完全的补偿，线路上的电流 )(tIr是为产生负载实际功率(平均功率) 而 携带能量最小的电流，因而在线路上造成的损失是最小的。此时， )(tIr的 波形和 )(tU相同，即电压和电流的相位相同。 22 低压电网中的几种无功补偿的方式 广大市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电 网补偿的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力， 而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量， 并有效降低电能损失。低压补偿对用户及供电部门都有利。 低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用地方式有三 种： 随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置 与电机共同投切。随机补偿地优点是：用电设备运行时，无功补偿投入， 用电设备停止运补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。且具有投 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 11 资少，配置灵活，维修简单等优点。为防止电机推出时产生自激过电压， 补偿容量一般不大于电机的空载无功。 随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧， 以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。有很多的低压配电网中的变压 器，尤其是农网配电变压器，普遍存在负荷轻的现象。在负荷时接近空 载，此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿 由于补在低压侧，可有效地补偿配变空载无功， 且连线简单， 做到无 功地就地补偿。 跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容 器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接可 起到相当于随器补偿的作用，补偿用户的固定无功基荷；可投电容器组 用于补偿无功峰荷部分。由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自 动投切方式。此法对电容器的保护比前二种要更可靠。 上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无 功补偿，降损节能效果好。 23 确定补偿容量的几种方法 231 从提高功率因数需要确定补偿容量 设电网的最大负荷月的平均有功功率为 pjP，补偿前的功率因数为1cos ，补偿后的功率因数为 2cos，则所需要的补偿容量 cQ的计算公式为)(21tgtQpj 若要求将功率因数由 1s提高的 2s而小于 3cos，则补偿容量 c计算为)()( 1tPtgPpjcpj 12 232 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 设补偿前线路中的电流为 1I，相应的有功电流为 1rI，无功电流为 1xI， 补偿无功 Q后线路中的电流为 2，相应的有功电流为 2，无功电流为 2， 则 补偿前的线路损耗为： RIIPr2121)cos(3 补偿后的线路损耗为： IIr22)cos(3 则补偿后线损降低的百分值为： %10)cos(1%0221 lP 若根据要求 %已经确定，则可求得： P1sco2 则补偿容量可以按 )(2tgtPQpjc 来计算 233 从提高运行电压需要来确定补偿容量 配电线路末端电压较低，通常是通过无功补偿来提高供电电压的， 因此，有时要从提高线路电压来确定补偿容量。 设补偿前线路电源电压为 1U，线路末端电压为 2U，线路输送的有功 功率为 P，无功功率为 Q，电阻为 R，电抗为 X，则212QP 补偿无功 c后，线路末端电压升为 U则 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 13 212)(UXQPRc 所以投入无功补偿后末端电压增量 为 22c 故补偿容量 XUQc2 若为三相线路，则所需的补偿容量为 lc2 式中 lU三相线路的线电压增量，KV l2三相线路的线电压，KV 24 本章小结 本章主要介绍了无功补偿的基本原理，本次设计的装置主要是面向低 压电网的，可以采用从提高功率因数需要来确定无功补偿，同时又可取 标准电压作为电容器切除标准，这样既考虑到功率因数的需要，又考虑 到稳定电网电压质量的要求。 14 第三章 硬件设计 在一系列的理论分析之后，本次设计将采用根据功率因数来确定补 偿容量的方法，再根据当前无功补偿技术的发展状况，我们采用TSC并联 电容器型的无功补偿装置。它具有连线和控制方式简单，电容使用效率 高及不产生谐波污染等优点。 31 无功补偿装置的技术要求 311 补偿控制应符合技术条件： 1、 控制方式：可控硅与接触器联合控制，即在投切时采用可控硅， 正常运行时采用接触器的方式。 2、 工作方式：动态跟踪，逻辑判断，自动及时补偿容量。 3、 控制物理量：以无功功率电容器的投切。 4、 补偿方式：采用三相共补 5、 自动延时功能：电容器投切延时至少10秒，同组电容器的投切间 隔时间大于5分钟 。 6、 保护功能： 过电压快速切断功能：当电网电压大于高压保护值时，自动切除 全部电容器。 短路保护：由快速熔断器和空气开关双重保护。 7、 现场参数显示：可现场显示电网运行参数，比如电压、电流、 功率因数。 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 15 312 测量精度 1、电压、电流：1.0级 2、有功功率、无功功率、功率因数：1.0级 313 控制器原理 由以上功能，可得到控制器的机构图如下 电压互感器 电流互感器 A / D 转换 A T 8 9 C 5 1 单片机 控制 部分 L C D 显示 信号 处理 电容器 组 图3.1 控制器结构原理图 32 硬件介绍 321 CPU AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片 机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储（PEROM）和128bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用ATMEL公司的高密度、非易 失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用 8位中央处 理器（CPU）和Flash存储单元。 主要性能参数： 16 与MCS51产品指令系统兼容 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 三级加密程序存储器 1288字节内部RAM 32个可编程I/O口线 2个16位定时/计数器 6个中断源 可编程窜行UART 低功耗空闲和掉电模式 管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向 I/O口，每脚可吸收8TTL门 电流，当P1 口的管脚第一次写 1时，被定义为高阻输入。P0 能够用于 外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时，P0输出原码， 此时P0 外部必须被拉高。 P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 口缓冲 器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可 用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部 上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口： P2口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，P2 口缓冲器可 接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 17 阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低， 将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器 或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在 给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH编程 和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口： P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出4 个TTL门电流。当P3口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作 输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL） 这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周 期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用 于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉 18 冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振 荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然 而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。 如想禁止ALE 的输出可在 SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执 行MOVX，MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期 间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这 两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 （0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， /EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储 器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP） 。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器 可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部 时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一 个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保 证脉冲的高低电平要求的宽度。 322 A/D 转换器选型 ADC0809是一种8路模拟输入逐次比较型 A/D转换器，由于价格适中， 与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 19 泛的使用。 ADC0809由8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三 态输出锁存缓冲器组成。 表3.1 8路模拟开关与输入通道的关系表 同入通 道 IN 0 IN 1 IN 2 IN 3 IN 4 IN 5 IN 6 IN 7 A 0 1 0 1 0 1 O 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 0 0 0 1 1 1 1 ADC0809芯片可以分时处理 8路模拟量输入信号，使用模拟开关切换。 在某一时刻，模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D转 换。表1中C 、B 、A是三条通道的地址线。当地址所存信号ALE为高电平 时，C 、B 、 A 三条线上的数据送入 ADC0809内部的地址锁存器中，经过 译码器译码后选中某一通道。当ALE=0 时，地址锁存器处于锁存状态， 模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。 选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行A/D 转换。只有当转换启动信号端START出现下降沿并延迟 )218(uScTeo后， 才启动芯片进行A/D转换，START的上升沿复位ADC0809。 ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的，ADC0809 的时钟信号由CLOCK端送入，其最高频率为640MHz，在这个最高频率下 ADC0809的A/D转换时间为100uS左右。当 ADC0809用于AT89C51单片机 系统时，若AT89C51采用6MHz的晶振，则ADC0809的时钟信号可以由 AT89C51的ALE 经过一个二分频电路获取。这时ADC0809 的时钟频率为 20 500KHz，A/D转换时间为130uS。ADC0809 常用的时钟电路如图： Q012983CKA4BR()67LS5EGNDO 图3.2 ADC0809常用的时钟电路图 A/D转换结束后，A/D转换的结果(8位数字量 )送到三态锁存输出缓冲 器，此时A/D转换结果还没有现在DB0-DB7八条数字量输出线上，单片机 不能获取之。单片机要想读到A/D转换结果，必须使ADC0809 的允许输出 控制端OE 为高电平，打开三态输了锁存器， A/D转换结果出现在DB0- DB7上。 单片机读取AD转换结果的方法有三种： (1)延迟法单片机启动ADC0809后，延时130uS以上，可以读到正确的 A/D转换结果。 (2)查询法 EOC必须接到AT89C51的一条I/O线上。单片机启动 ADC0809后，延迟10uS，检测EOC，若EOC=0则A/D转换没有结束，继续 检测EOC直到EOC=1 。当EOC=1 时，A/D 转换已经结束，单片机读取 A/D 转换结果。 (3)中断法 EOC必须经过非门接到AT89C51的中断请求输入线INT0或 INT1上， AT89C51的中断触发方式为下降沿触发。单片机启动A/D 转换后 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 21 可以做其它工作，当A/D转换结束时，EOC由01经过非门传到INT端， AT89C51收到中断请求信号，若AT89C51开着中断，则进入中断服务程 序，在中断服务程序中单片机读取A/D转换的结果。 323 看门狗 本系统采用 MAXIM 公司的低成本微处理器监控芯片 MAX813L 构 成硬件狗 7，与 AT89C51 的接口电路如图 33 所示。MR 与 WDO 经过 一个二极管连接起来，WDI 接单片机的 P2.7 口，RESET 接单片机的复位 输入脚 RESET，MR 经过一个复位按钮接地。该监控电路的主要功能如 下： （1）系统正常上电复位：电源上电时，当电源电压超过复位门限电压 4.65V，RESET 端输出 200ms 的复位信号，使系统复位。 （2）对+5V 电源进行监视：当+5V 电源正常时，RESET 为低电平，单 片机正常工作；当+5V 电源电压降至+4.65V 以下时，RESET 输出高电平， 对单片机进行复位。 （3）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时， CPU不能在1.6s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有 一个内部250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出 复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。 （4）手动复位：如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按 钮，就能对系统进行有效的复位。 22 P1.02345678INT/EAVXL9RSDWGC*BOM+ 图3.3 MAX813L与89c51接口图 324 LCD 显示 本次设计采用 1602 型 LCD 显示，现在的字符型液晶模块已经是单 片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602 型 LCD 显示模块具有体 积小，功耗低，显示内容丰富等特点。 1602 型 LCD 可以显示 2 行 16 个字符，有 8 位数据总线 D0D7 和 RS，R/W ，EN 三个控制端口，工作电压为 5V，并且具有字符对比度调 节和背光功能。 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 23 1外型尺寸：80X36X13 （LXWXH） 2接口信号说明 1602 型 LCD 的接口信号说明如表 3.2 所示： 表 3.2 1602 型 LCD 接口信号说明 编 号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 电源正极 10 D3 Data I/O 3 VL 液晶显示偏压信号 11 D4 Data I/O 4 RS 数据/命令选择端 （H/L） 12 D5 Data I/O 5 R/W 读写选择端（H/L） 13 D6 Data I/O 6 E 使能信号 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正极 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源负极 3主要技术参数 表 3.3 1602 型 LCD 的主要技术参数 显示容量 16X2 个字符 芯片工作电压 4.55.5V 工作电流 2.0mA（5.0V） 模块最佳工作电压 5.0V 24 字符尺寸 2.95X4.35(WXH)mm 4与 8051 接口电路 M-162 液晶显示模块可以和单片机 AT89C51 直接接口，电路如图 34 所示。 图 3.4 AT89C51 与 DM-162 接口电路 33 模拟信号调理电路 331 互感器信号转换及电流电压转换电路 在此用到的是北京星格公是司研制的精密电压互感器SPT204A和电流 互感器SCT254AK。其特性分别如下：SPT204 实际上一款毫安级精密电 流互感器，输入额定电流为2mA,额定输出电流为2mA。使用时需要将电 压信号变换成电流信号，推荐使用电路如图3.5所示。图中，R1是限流电 阻，不论额定输入电压多大，调整R1的值，使额定输入电流接近为 2mA，就满足使用条件。副边电路是电流/电压变换电路，当需要电压输 出时采用。调整图中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 25 C2是400 至1000pF 的小电容，用来滤波。 电流 互感 器 r R 1 R 运 放 C 2 输出 V 图3.5 电压互感器的IU转换 运算放大器视精度要求使用，使用性能较好的运算放大器较容易达 到较高的精度和较好的稳定性。此处选用的是BB公司的高精度运放 OPA2277。它具有以下特点: 超低失调电压: P10 超低温漂: V. 超低失调电流: nA 高开环增益:134dB 宽供电范围: V182 OPA2277具有连续的供电范围 V182，这使它不像大多数的OP系 列运放局限于固定的工作电压。而且轨至轨的特性使其输出电压的范围 能跟随电源工作范围，这就能在保证输出电压的大小的前提下，尽可能 的减少工作电压，达到节能的目的。由于OPA2277具有内部补偿失调电流 的电路，故在使用中不需要在输入脚上接上补偿失调电流的电阻，如上 图所示，这同样减少了PCB布板和使用的复杂度。 26 互感器的次级连接是电流转电压电路，该电路是将互感器的电流输 出信号变换成电压信号，以符合CPU采样信号是电压信号的特性。以电流 互感器SCT254AK为例，若互感器的副边电流为 i,要求的输出电压为 u，则iu 特性为: iR R输入和输出脚间的跨接电阻。 选择合适的电阻R，通常采用电阻串接电位器的结构，可以使输出电 压在 V5之间变化。 SCT254A K是一款精密电流互感器，输入额定电流为5A，额定输出 电流为2.5mA。当需要将电流输出信号变换成电压信号时，推荐使用电路 和电压互感器使用电路类似。调整图中反馈电阻R和r的值可得到所需要 的电压输出。电容C2是400至1000pF的小电容，用来去A和滤波。该电流 互感器是接在主回路上的电流互感器之后。主回路的电流互感器的变比 视实际使用中变压器输出的电流而定。当电流较大时，可选用较大变比 的电流互感器，一般有100:1或1000:5等系列可供选用。 332 电压、电流采样及信号处理电路 用电流互感采样得到交变的电流信号，在通过以下电路把电流信号转 变为半波电压信号： r R s + - - + 5 0 A : 5 m A R 1 R 1 C 1 0 . 1 u P 电流互 感器 1 U2U 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 27 图3.6 电流采样调理电路 电容 1C主要起抗干扰和滤波的作用，前个运放可实现 ui转换，根据：iRu ， 输入和输出脚间的跨接电阻， 调节滑动变阻器，使 1U在 V5变化； 第二个运放对电压进行取反，得到输出电压 12U，从而使采样得 到的电压于实际电流同向。 0 . 1 u P R p R 2 3 8 0 V : 3 . 8 V 3U4U 电压互 感器 图3.7 电压采样和调理电路 调节滑动变阻器的滑片同样可以达到调节输出电压大小的效果。 34 输出控制电路 控制电路采用光电隔离电路、驱动电路，控制继电器，再控制电容 器组投切的形式。以下是其中一路光电隔离和驱动电路。 28 r12VA_3/MOC0()DLEQ*器IN47 图3.8 光电隔离及驱动电路 这部分电路的设计采用单片机的I/O口灌电流的方法控制可控硅实现 开关与继电器控制，用光电耦合器MOC3021作为可控硅的驱动器，同时 实现强、弱电的隔离。光电偶合器通过一个非门与89C51的一个输出口连 接，当此脚输出高电平时，使MOC3021打开驱动双向可控硅，使晶体管 导通和继电器吸合，驱动电容器组投入运行，发光二级管发光指示。当 管脚输出为低电平时，将会封锁住MOC3021，则继电器释放，发光二级 管熄灭，电容器组退出电路。 35 本章小结 本章主要介绍了本次设计的要求和采用的硬件装置的基本功能，完 成了各硬件之间的接口连线问题，硬件主要包括的功能有数据采样和条 理、模拟信号转换为单片机可读的数字信号、单片机进行数据处理、单 片机进行对显示和控制电路的控制、看门狗主要起对单片机运行状况进 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 29 行检测，在单片机运行出现问题是及时对其复位。 第四章 软件设计 在软件设计上我们采用汇编语言，用汇编语言用来编制系统软件和 过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快，有着高级语 言不可替代的用途。 30 41 投切原则 本次设计的装置主要的投切标准是功率因数和测量电压，本装置采 用默认的标准功率因数为 90.。 随器补偿应以配变容量的6%8%选择电容器容量效果较好，因为这 大约相当于配电变压器空载时的无功功率，又电容器补偿容量可近似为 21CUQ ，则本次设计一共设了3组容量为25FP电容器组，方便控制和调 节补偿容量，采用三相共同补偿。 当检测到到的功率因数小于0.95是，投入第一组电容器组；再进行 第二次检测，计算得到功率因数再于默认值进行比较，若实际功率因数 仍然小于0.95的话，继续投入第二组电容器组，以次类推，直到实际功 率因数小于标准。 当检测到的三相电压大于标准电压时（通常取400V） ，即电网处于容 性状态，无功补偿过量，则立即切除第三组电容；继续检测电压，若电 压仍然高于标准的话，则切除第二组电容器组，以次类推，直到实际电 压小于标准。 主要的程序流程如下图 中国石油大学胜利学院本科毕业设计(论文) 31 开始 电压检测 初始化 过压 ？ 电流检测 无功计算 补偿 ？ 投电容器 切电容器 Y Y N N 图4.1 单片机程序流程图 42 功率因数计算 在进行控制之前，首先要测量电路的各相参数，比如电压、电流、 无功功率、有功功率、功率因数等。在此采用的是有效值算法，该算法 比平均值算法更具真实性，其原理如下所述。 根据定义，电压 )(tu的有效值U是 )(tu加在电阻R上单位时间内所做的 功，其U数学表达式是： dRtO12 32 即： tdtuU0)( 将上式在时间上进行离散，就得到U的离散表达式： 10)(Niiu 式中： )(tu电压采样周期中的第 个采样点的值 对电流有效值 I有相似的离散表达式： 10)(NkiI 式中： )(ki电流采样周期中的第 i个采样点的值 由上两式可得视在功率 IUS 有功功率P的定义为：单位时间内，电压 )(tu和电流 )(ti所作的不可逆 的功，其数学表达式是： dtitP0)( 对其作离散处理，即每隔一定的时间间隔测得一个电压值和一个电 流值，将其相乘，最后把一个采样周期内的所有乘积值相加并求平均值， 其数学表达式是: 10)(NkiuP 式中： )(ku采样周期内的第 个电压采样值i 采样周期内的第 个电压采样值 电网的功