（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的无功补偿控制器设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着电网容量和用电设备的增加，用户对电力系统无功的要求也与臼俱增。 无功功率会导致系统功率因数和电压降低，网络传输能力下降，网损增加，使 电气设备得不到充分的利用，严重时还会导致设备的损坏。所以无功补偿技术 日益引起人们的关注，传统无功补偿补偿器由于主控制器运算能力的限制，难 以对实时信号进行有效分析，影响了补偿效果。 本文首先分析无功补偿的基本工作原理和控制方法，再比较归纳各种无功 补偿的原则和方式的优缺点。然后基于国内电力市场的需求现状，考虑到现代 无功补偿的快速性和精度要求，设计了一种基于a r m 的新型低压智能无功补偿 控制器。 在硬件设计方面，使用l p c 2 1 3 2 作为主控制器，能够实现自动采样计算、 无功自动调节、故障报警保护、数据存储等功能。系统采用倍频电路实时跟踪 电网谐波，投切装置采用过零触发电路投切电容，抑制投切涌流。控制器采用 8 4 2 1 编码电容方式。并具有l c d 液晶菜单显示，直观地显示测量的电网参数。 在软件设计方面，基于a r m 软件开发平台，阐述了基于嵌入式实时操作系 统o c o s 实现无功补偿控制器的软件设计。详细叙述了g c o s i i 在l p c 2 1 3 2 上的移植、各个任务模块的功能、任务的划分和调度。根据软件的功能，引入 i _ t c o s i i 操作系统三层软件设计的思想，用户设计中间件层和用户任务层。重 点详叙任务如下：无功补偿采集任务，对输入信号进行由内部a d 和c d 4 0 4 6 芯片共同完成信号的锁相和同步采样工作，得到电压、电流的瞬时值；计算任 务，通过l p c 2 1 3 2 进行数据运算和处理，实现对重要电力参数的实时、准确计 算；通信任务，系统采用r s 4 8 5 和g p r s 通信方式实现数据传输。 在理论方面，该无功补偿控制策略结合了功率因数和无功功率两种控制方 式的优点，并使用p i d 控制提高控制策略性能。在综合性价比最大原则下，本 无功补偿控制策略原理简单，易于实现，控制效果良好。 最后本文对控制器需要完善的地方进行了分析。该控制器集无功补偿，配 电监测，电网数据传输和存储等功能于一身。本文提出的无功补偿控制器设计 合理可行、性能稳定可靠，达到了预期的功能要求。 关键词：无功补偿，a r m ，嵌入式系统，液晶显示 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fp o w e tc a p a c i t ya n dt h ee l e c t r i c e q u i p m e n t , t h e r e q u i r e m e n to fr e a c t i v ep o w e rg r o w sd a yb yd a y r e a c t i v ep o w e rw i l lc a u s et h ed r o p o fp o w e rf a c t o ra n dv o l t a g e ，t h ed e c l i n eo fc a p a b i l i t yo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n , a n d t h ei n c r e a s eo fa c t i v ep o w e tl o s $ s ot h ee q u i p m e n t sc a nn o tb es u f f i c i e n t l yu t i l i z e d , e r a nb ed a m a g e d t h e r e f o r em o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt or e a c t i v ep o w e t c o m p e n s a t i o n d u et ot h el i m i t e do p e r a t i o na b i l i t vo fm a i nc o n t r o l l e r , t h et r a d i t i o n a l r e a e t i v ep o w e tc o m p e n s a t o ri sd i 伍c u l tt oa n a l y z er e a l t i m es i g n a le f f e c t i v e l ya n d t h u si m p a c t st h er e s u l to f c o m p e n s a t i o n t h ep a p e ra n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p i ea n dc o n t r o lm e t h o do fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n , a n dc o m p a r e sa d v a n t a g e sa n dd e f e c t so fa l lk i n d so fr e a c t i v ep o w e r m e t h o d s t h e nal o w - v o l t a g ei n t e l l i g e n tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o rb a s e do na r m h a sb e e nd e s i g n e df o rt h ep r e s e n te l e c t r i c a lp o w e rm a r k e t n 圮r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e rs a t i s f i e st h er e q u e s t so f l l i 吐s p e e da n dc o n t r o lp r e c i s i o n i nh a r d w a r ed e s i g n , l p c 2 1 3 2 ( a r m 7 1i su s e di nt h ec o m p e n s a t o r , w h i c hc a r r i e s 0 u tt h ef u n c t i o n ss u c ha ss a m p l i n ga n dc a l c l l l a t i n g , r e g a l a t i n gt h er e a c t i v ep o w e r a u t o m a t i c a l l y , g i v i n ga na l a r l na n dp r o t e c t i o ni nc a s eo ff a u l t s , s a v i n gd a t ae t e m u l t i f r e q u e n c yc i r c u i ti sa p p l i e dt ot r a c ke l e c t r i ch a r m o m c az e r ot r i g g e r e dc i r c m t i su s e dt or e s t r i e tt h ei n r u s hc u r r e n ti nt h ec a s t = c t l te q u i p m e n t n 忙c o n t r o l l e rc a r r i e s o u ts w i t c h i n go fc a p a c i t o r sb ys p e c i a l8 4 2 1m o d e f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t r o l l e rc a l l d i s p l a yt h es y s t e mp a r a m e t e r sm o m e n t a r i l yw i t hl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y i ns o f t w a r ed e s i g n , t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g no fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r w i t ha r ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m 1 1 培p a p e r p r e s e n t st h ew h o l ep r o j e c to nt h ee m b e d d e dr e a lt m a eo p e r a t i o ns y s t e ml a c 0 s i i 1 1 圮p a p e ra l s op a r t i e d a r l yd e s c r i b e st h ep o r t i n go fp c o s i io nl p c 2 1 3 2 t h e a r r a n g e m e n to ft h ef u n c t i o na n dt h em i s s i o ns c h e d u l i n g a c c o r d i n gt ot h es o r w a r e f u n c t i o n , w i t ht h et h o u g h to ft h r e el a y e r ss o f t w a r eo fu c ，o s i io p e r a t i n gs y s t e m , u s e r sd e s i g nt h em i d d l e w a r el e v e la n dt h et a s kl e v e l t h ew o r ko fp h a s el o c k i n ga n d s y n c h r o n o u ss a m p l i n gi sc o m p l e t e db y 加a n dc d 4 0 4 6c h i p mp o w e rf a c t o r sa r e o b t a i n e db yl p c 2 1 3 2p r o c e s s e sw i t hc a l c u l a t i n g i nc o m m u n i c a t i o nd e s i g n , r s 4 8 6 a n dg p r sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa d o p t e d , w h i c hi su s e df o rd a t at r a n s m i s s i o n i n t h e o r e t i c a ls t u d i e s , t h ec o n t r o ls t r a t e g 了o fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n c o m b i n e st h ep o w e tf a c t o r 、而也t h er e a c t i v ep o w e rc o n t r o l l i n gm e t h o d a n dp i di s u s e df o ri m p r o v i n gi t sp e r f o r m a n c e b yp r e s e r v i n gt h eb e s ti n t e r e s t s ，t h i sm e t h o do f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni ss i m p l ei np r i n c i p l ea n da l s oe f f i c i e n ti nc a l c u l a t i n g a n ds u p e r i o ri ne f f e c t i nt h ee n d ，t h ep a p e rp r e s e n t e ss o m es h o r t c o m i n go ft h ec o m p e n s a t o rw h i c h n e e db ea m e n d e di nf o t u r e t h ec o n t r o l l e ri n t e g r a t e sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i n g , p o w e rm o n i t o t i n g ，d a t at r a n s m i t i n ga n ds a v i n g ，a n do t h e rf u n c t i o n s t h i sr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o rh a sr e a s o n a b l ed e s i g na n ds t e a d yp e r f o r m a n c e ，w h i c hc a nr e a l i z e t h ef u n c t i o n sa n t i c i p a t e d m 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , a r m ，e m b e d d e ds y s t e m , l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着我国经济的飞速发展，我国的电力工业也有了长足的发展。现代电网 中的无功电流在迅速增大，输配电线路的有功损耗加剧，造成电压不稳，恶化 电能质量。电力网中的无功问题已经越来越引起人们的广泛关注。由于在工业 和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，如异步电动机、变压器以及大 多数家用电器等都是典型的阻感负载。这些负荷的自然功率因数约为o 6 o 8 ， 阻感性负载所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。据 报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达1 5 左右，折算成线损 电量约为1 2 0 0 亿千瓦时。假设全国电力网负载总功率因数为o 8 5 ，采用无功补 偿装置将功率因数从o 8 5 提高到o 9 5 时，则每年可以降低线损约2 4 0 亿千瓦时。 对于挖掘电网的潜力是十分重要的【”。 无功功率增加会导致功率因数偏低，使电流增大，系统电压下降。同时设 备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。无功功率如果不能就地补偿， 用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电 和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化， 严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。 在电网中安装并联电容器等无功补偿装置后，可就地提供感性电抗所消耗 的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供的，并由线路输送的无功功率， 正是由于减少了无功功率在电网中的流动，也就降低了线路和变压器因输送无 功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿，其可以提高功率因数。无功补偿对 电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义，是一项投资少，收效快的降损节 能措施。 在变压器低压侧装设无功补偿装置对电压、电流、有功功率、无功功率、 功率因数等电力参数的准确、快速地检测监控和无功补偿可以及时掌握供电线 路和设备运行状态，及时发现电网中的故障或隐患，进而采取合理和有效的措 施，保证电力系统及设备良好运行。无功补偿的主要作用如下： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的 地点设置动态补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在电力三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的 有功及无功负载。 本课题研究的无功补偿控制器，可以实现无线远程监测电力状况；提高功 率因数：抑制谐波；改善电能质量：有效减少线路损耗；提高电力网传输能力； 维护电力系统安全、稳定地运行田 1 2 无功补偿发展趋势及国内外研究现状 人们认识到电力系统中无功功率给电力设备运行所带来的弊端，很早就对 各种补偿技术进行研究。伴随着电力设备的发展和各种新型控制方法的提出， 无功补偿装置经历了一个由无源到有源，由分级调节到平滑调节，由单纯补偿 无功到无功补偿和滤波相结合的发展道路，同时设备的体积和成本也不断降低。 早期使用机械开关的补偿装置不仅动作速度慢、寿命短，而且在操作时会 引起严重的冲击电流和操作过电压，造成设备的毁坏。随着电力电子技术的发 展及其在电力系统中的应用，给无功补偿设备的发展带来新的突破口，把使用 可控硅技术的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐占据了无功补 偿的主导地位，可控型电力电子器件大量应用到电力系统无功补偿中。由于其 动作时间短且可快速跟踪电网变化，实现电网无功的动态调节，而且采用特定 的控制方法可以避免涌流和过电压，大大延长了设备的使用寿命。随着变流技 术和瞬时无功功率理论等新技术的发展，性能更加先进的无功发生器和有源滤 波器己成为研究的热点。 1 2 1 早期无功补偿技术 早期的无功补偿装置为同步调相机和并联电容器【3 1 。 ( 1 ) 同步调相机 同步调相机可理解为专门用来产生无功功率的同步电机，可根据需要控制 同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的 2 武汉理工大学硕士学位论文 容性或感性无功功率，因此同步调相机可对系统无功进行动态补偿。但是它属 于旋转设备，运行中的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，成本高，且响应 速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。 ( 2 ) 并联电容器 并联电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率。并联电容器简单 经济，灵活方便，但其功率调节性能较差。与同步调相机相比，其费用节省很 多，且维护方便，即可集中补偿，也可分散装设，所以还是我国目前主要的无 功补偿方式。其缺点是电容器只能补偿固定的无功功率，且容易发生并联谐振 而烧坏电容器。 ( 3 ) 同步发电机 同步发电机是通过调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功 功率的同时输出无功功率。与同步调相机类似，目前不常用。 1 2 2 现代无功补偿技术 随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。 电力电子技术是现代无功补偿技术的基础，电力电子器件向快速、高电压、大 功率发展，使采用电力电子器件的无功补偿从根本上改变了交流输电网过去基 本只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的局面，从而为交流输电网提供 了空前快速、连续和精确的控制以及优化潮流功率的能力。随着电力电子器件 的发展，无功补偿控制器在其性能和功能上也出现不同的发展阶段。无功补偿 控制器己由基于s c r 的静止无功补偿器( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r - s v c ) 、晶闸管控 制串联电容补偿器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p c n s a t o r - t c s c ) 发展到基于 g t o 的静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - s v g ) 、静止同步串联补偿器( s t a t i c s y n c h o r o n o u ss e r i e sc o m p c n s a t o r - s s s c ) 、统一潮流控制器( u n i f i c dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r - u p f c ) 、可转换静止补偿器( c o n v c r t i b l es t a t i cc o m p e n s a t o r - c s c ) 等。 ( 1 ) 静止无功补偿器( s v c ) 早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r - s r ) 型，1 9 6 7 年英 武汉理工大学硕士学位论文 国g e c 公司制成了全世界上第一批饱和电抗器型s v c 。饱和电抗器与同步调相 机相比，具有静止型的优点，响应速度快，但因其铁心需磁化到饱和状态，因 而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，所以未能占据静 止无功补偿装置的主流。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中运行了使 用晶闸管的静补装置，1 9 7 8 年美国西屋公司制造的使用晶闸管的静补装置投入 实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特色的系列产品。由于 使用晶闸管的s v c 具有优良的性能，所以十多年来占据了静止无功补偿装置的 主导地位。因此，s v c 一般专指使用品闸管的静补装置【4 】。 s v c 是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容 量，从而改变输电系统的导纳。按控制对象和控制方式不同，分别称之为晶闸 管控制电抗器如s l o rc o n t r o lr e a c t o r - t c r ) ，晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c hc a p a c i t o r - t s c ) 以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，t c r 与固定电容器 ( f i x e dc a p a c i t o r - f c ) 配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与机械投切电 容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c hc a p a c i t o r - m s c ) 配合使用的装置( t c r + m s c ) 。 ( 2 ) 静止无功发生器( s v g ) 静止无功发生器( s v g ) 也称为静止调相机( s t a t i cc o n d e n s e r - s t a t c o n ) ，静止 同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r - s t a t c o m ) 、新型静止无功发生器 ( a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e r a t o r - a s v g ) 。其分为电压型桥式电路和电流型桥式电 路两种类型。 电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗 器并入电网；电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上 电容器后接入电网。迄今投入实用的s v g 大都采用电压型桥式电路，因此s v g 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。 与s v c 相比，s v g 具有如下几个优点：调节速度快，运行范围宽，可以在 从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节，s v g 不需大容量的电容、电 感等储能元件，谐波含量小。 ( 3 ) 统一潮流控制器o i p f c ) 将s v g 中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器，就成为静止同步 串联补偿器( s t a t i cs y n c h o r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r - s s s c ) ，它能实现对线路潮 4 武汉理工大学硕士学位论文 流的快速控制。把一台s v g 与一台s s s c 的直流侧通过直流电容耦合，就构成 了统一潮流控制器u p f c ，s v g 与s s s c 既可配合使用也可解耦独立运行。 由于s v c ，s t a t c o m 只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一 局部同时有多种要求，就需要在该处设置几种装置。这增大了安装、调试的工 作量，同时设备的投资也相当可观。u p f c 的基本思想正是用一种统一的电力电 子控制装置，仅通过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系 统基本参数同时进行控制，从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相 等几种不同的功能，与其它无功补偿装置相比，u p f c 控制范围较大，控制方式 更为灵活。 ( 4 ) 可转换静止补偿器( c s c ) 由纽约电力局n y p a 与e p r i 专家共同建议，并联合西屋公司和p t i 合作研 究的可转换静止补偿器( c s c ) 是强功能新型控制器。正在安装中的美国m a r c y 变 电站中的c s c 由多个同步电压源逆变器构成，可同时控制2 条以上线路潮流( 有 功、无功) 、电压、阻抗和相角，并能实现线路间功率转换。其实质是一种u p f c 的多重组合。因而c s c 具有4 项功能：静止无功发生器的并联无功补偿功能； 静止同步串联补偿器的功能；综合潮流控制器的功能；控制2 条线路以上潮流 的线间潮流控制功甜6 】。 c s c 被认为是最新一代的无功补偿装置，目前仅在美国m a r c y 变电站中安 装了此装置。其中作为s v g 运行的两台1 0 0 m v a r 并联部分己于2 0 0 0 年分别在 两条线路上安装完毕，两台作为s s s c 运行的串联部分目前尚未安装完毕。 由于无功补偿技术及其控制器发展迅猛，一些新的装置不断被开发出来， 使得无功补偿控制器中的新旧装置出现并存发展的局面，无功补偿控制器中的 无功补偿装置s v c ，s v g ，u p f c 及c s c 目前也处于这样一种发展情况。 作为较早出现的无功补偿装置s v c ，由于采用的是传统的半控型器件s c r 成本低，且技术成熟，因此是目前越来越多使用的无功补偿装置。目前对s v c 的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控 制手段被引入s v c 控制系统，使s v c 系统的性能更加提高。 而s v g ，u p f c 及c s c 目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用， 一方面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件，而全控器件目前价格 非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程造价比s v c 高；另一方面，此类 武汉理工大学硕士学位论文 无功补偿装置的技术还不完善，有许多技术问题尚待解决。但大功率电力电子 器件技术本身发展迅速，未来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下 降，此类以g t o 等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步降低。国 际大电网会议曾展开有关s v c 与s v g 的性价比的讨论，不少专家认为，由于 s v g 不需采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年 来比较稳定，不可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会不断下降，故 预计s v g 会比s v c 更有竞争力，由此可见，随着造价的降低和技术的完善，在 不远的将来s v g ，u p f c 及c s c 将成为无功补偿技术的发展方向。 1 2 3 国内外补偿控制设备研究现状 我国对电力参数和无功补偿的研究开发起步较晚，测量仪器整体测量水平 较低，存在着实时性不强，检测指标少，效率低，无功补偿往往和电力参数检 测设备分离等局面。目前国内还在使用一些模拟式和数字式测量仪表，虽然一 些专门的测量控制装置已经在一些部门投入使用，但是多数是一些功能比较单 一的测试仪和分析仪，多功能、精度高的测量补偿装置在市场上比较少见。近 年来，我国的不少厂家通过借鉴国外的设备以及通过与外国公司的合作，不断 研制和推出了各种系列的高性能测量补偿仪器，还具有r s 2 3 2 ，r s - 4 8 5 等通 讯方式。但设备体积较大，功能不全面，功耗高，没有远程无线通信功能，仪 器数据存储量较低，无友好液晶菜单界面和补偿效果较差等缺点【7 j 。 国外对电力测量补偿控制设备的研究和开发起步较早，设备仪器已经进入 智能化时代，进入9 0 年代来，计算机技术、微电子技术、控制技术特别是网络 通讯技术的迅速发展，使得测量控制装置得到空前发展。国外各大公司把这些 技术应用于测量控制装置上，研制推出了众多在世界范围内处于领先的设备仪 器，如美国f l u k e 公司推出的f 4 3 b 电能质量分析仪，瑞典u n i p o w e r 公司的 l i p 系列电能质量测量控制器等，可实时检测电力系统中的所有参数，计算高达 5 1 次的谐波，可以捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流的显示，具有强大的网 络功能，还融合计算机控制、网络技术、总线技术和虚拟仪器相关技术，将测 量、控制、分析集成于一体；这种装置体积小，测量精度较高，具有较强的网 络化和自动化功能，可以测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在 功率、谐波及其他电力参数值的测量，进行多条记录存储、可与计算机进行数 6 武汉理工大学硕士学位论文 据交换、可进行远程实时测量、控制。控制除补偿基波无功外，还具有平衡三 相电压、抑制电压闪变等功能。 1 3 课题研究的目的 目前全国大约有1 0 0 多家企业生产无功补偿自动控制器，其中多数是控制 可靠性低，控制原理按简单的功率因数作为投切电容器的判断依据，没有远程 实时通信，大容量存储等满足现代无功补偿要求的控制器i s 】。 本课题研究的目的是研制一种新型低成本的无功补偿控制器。该控制器能 够连续地在低压侧自动调节供给电网无功功率的大小；数据采集的范围广，包 括：电压、电流、功率因数、有功及无功功率、有功及无功电量、谐波电压； 每日电压和负载电流的最大值和最小值；停电时刻、来电时刻及累计停电时间； 每相过电压、欠电压及缺相时间等参数；具有r s 4 8 5 现场g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 远程采集、监控电网；手动和自动投切相结合，并且补偿速度快， 级数多；还具有故障报警和大容量数据记录功能；显示采用点阵液晶显示器， 具有操作简单灵活等优点。该控制器便于推广利用，从而可以更大范围的提高 电网的供电质量。 1 4 本文主要工作 本文从系统设计、软件设计、硬件设计和控制策略四个方面讨论基于a r m 无功补偿控制器的设计，并对系统设计中的几个关键性问题进行了重点论述。 本文完成的主要工作如下： ( 1 ) 针对以往无功补偿控制器多采用单片机作为主处理器，处理速度和代 码量有限制。本控制器采用p h i l i p s 公司推出的l p c 2 1 3 2 ( 基于a r m 7 处理器) 为处理核心，围绕它设计低压无功补偿系统，包括系统的硬件设计。满足现代 无功补偿控制器可靠性和快速性要求。 ( 2 ) 针对以往无功补偿控制器软件设计多采用前后台的顺序结构，程序修 改困难，实时性较差等缺点。本软件设计嵌入实时多任务操作系统i _ t c o s i i ， 工作包括p c o s i i 移植到l p c 2 1 3 2 ，按照信号调理、同步信号捕捉、信号采样 处理、执行、f f t 谐波计算和人机交互等不同功能划分任务，并逐一进行模块化 7 武汉理工大学硕士学位论文 软件设计。其提高了开发效率，增强了软件系统的质量和可靠性。 ( 3 ) 针对以往无功补偿控制器l e d 显示，小容量数据存储，单一现场通信 方式。本控制器采用l c d 液晶显示，a t 4 5 d b 0 4 1 ( 5 2 8 k 字节) 大容量数据存 储，增加了接入i n t e m e t 的g p r s 无线通信。使得本控制器显示操作界面友好， 实时历史数据存储容量大，拥有无线远程监控功能。 ( 4 ) 分析各种无功补偿控制策略实现方法及优缺点。研究利用瞬时电压、 电流测定有功功率、无功功率、功率因数和电力系统谐波的测量方法和计算方 法。选择符合本无功补偿控制器要求的控制策略和电力参数计算方法。 最后对全文进行总结，在目前研究的基础上，讨论无功补偿控制器以后需 要研究的方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无功补偿基本原理 2 i 无功补偿的一般概念 将电容器与感性负荷并联在同一电路中，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。能量就只在它们之间交换， 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，调相 机、同步电动机等也可以作为无功补偿装置f 9 l 。 2 1 i 电力网络功率理论 电力网除了要负担用电负荷的有功功率p ，还要承担负荷的无功功率q 。有 功功率p 与无功功率q ，还有视在功率s 之间存在功率三角形关系，即如图2 - 1 图2 - 1 功率三角形 公式如下：有功功率p = s c o s p = u l c o s 伞 无功功率q = s s i n 平= u i s i n 妒 视在功率s = u i ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) u 为电压有效值，i 为电流有效值 c o s q ) 被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率p 占 线路视在功率s 的百分数。在电力网运行中，我们希望的是功率因数越大越好， 如果能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减 少无功功率的消耗i l o l 。 设备的自然功率因数和经济功率因数 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 自然功率因数 自然功率因数是指供用电设备在没有采取任何补偿手段的情况下，设备本 身固有的功率因数，称自然功率因数，也就是说在投入无功补偿装置前设备本 身有功功率与视在功率的比值。没各自然功率因数的高低取决于负荷性质和负 荷状态。对于电阻性负荷，其功率因数较高，而对于电感性负荷，其功率因数 就较低。另外在设备负荷很低的时候，其自然功率因数也就低。 ( 2 ) 经济功率因数 经济功率因数是指客户的节能效益和电能质量最佳，支付电费最少的功率 因数。用户安装一定容量的无功补偿装置可提高用户的功率因数，就减少了无 功功率和有功功率损失，用户功率因数提高到何值最为经济，应综合考虑两个 方面：一是为了保证系统正常的运行电压水平，无功电源和无功负荷必须保持 平稳并留有一定的余量；二是按运行费用最小的原则决定用户的经济功率因数。 2 1 2 无功补偿的作用 无功补偿的主要作用是为了提高功率因数，在用户端采用无功补偿装置， 达到我国电力设备的有关规定，即：在电力用户变压器的高压侧功率因数不低 于0 9 ，低压侧功率因数不低于o 8 5 ，目前国内低压无功补偿装置一般都是在用 户端并联电容器【l l 】。并联电容器可提供超前的无功功率以补偿感性负荷，多装 于降压变电所，还可就地补偿。 补偿前后的功率三角形如图2 2 所示，功率因数角由p l 降到9 2 。从功率三 角形可得所需补偿的无功容量为： 9 = p ( t g q , l t g 0 2 ) ( 2 - 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 补偿前后功率三角形 目前大多数补偿装置采用并联电力电容器方法，但电容一旦投入后，它不 随感性负载的变化而变化，因为当负载发生变化时，电网上可能出现超前的或 滞后的无功，即所谓过补偿和欠补偿问题【1 2 1 。 ( 1 ) 滞后的无功功率( 欠补偿) 由于补偿的电容量c 不足，使k 较小，系统中的容性电流不足以补偿感性 电路中电流的无功分量，使负载仍得向电网索取一定数量的无功功率，未达到 补偿要求。 ( 2 ) 超前的无功功率( 过补偿) 由于投入的电容器容量c 较大，使i c 较大，系统中容性电流大于感性负载 中的无功分量，这时从无功电表上看要倒转，整个负载成容性，这时要向电网 倒送无功功率。另外，从经济的角度看，电容器的容量越大，成本也越大。 ( 3 ) 最理想的全补偿 要做到全补偿一般比较困难，另外如实现全补偿的话，将会出现谐振现象， 就会出现谐波放大，损坏电器设备。总之，在感性负载端并入适当大小的电容 器进行补偿，必须从经济、节能的角度综合考虑，确定最优补偿容量和补偿容 量的最优分布。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 并联电容器无功补偿 2 。2 1 并联电容器无功补偿意义 ( 1 ) 安装并联电容器改善电网电压质量 当集中电力负荷直接从电力线路受电时，典型接线和向量图如图2 3 。 5 。i ql + j q ( a ) 接线图( b ) 向量图 图2 - 3 电力线路集中供电的接线图和向量图 线路电压降a u 的简化计算如式( 2 - 5 ) 。 没有无功补偿装置时，线路电压降为a u ! ： a u ：p r + q x( 2 5 ) u 式中：p 、q 分别为负荷有功和无功功率；r 、x 分别为线路等值电阻和电 抗；u 为线路额定电压。 安装无功补偿装置q c 后，线路电压降为a u 2 a u ：p r + ( q - q c ) x( 2 6 ) u 显然a u 2 r ，q x p r ，因此安装无功补偿装 置o c 后，引起母线的稳态电压升高为： a u = a u 广峙竖 ( 2 7 ) u t t 2 若补偿装置连接处母线三相短路容量为s k ，则x = ，代入上式得： k n a u = u 兰 ( 2 8 ) s x 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 或詈= 蚤 式中：l 卜投入并联电容器装置的电压升高值，k v ； u 一并联电容器装置未投入时的母线电压，k v ； q c 一并联电容器装置容量，m v a r ； s - 广并联电容器装置连接处母线三相短路容量，m v a 。 由上式可见，q c 愈大，s k 愈小，u 愈大，即升压效果越显著，而与负荷 的有功功率，无功功率关系不大。因此越接近线路末端，系统短路容量s k 愈小 的场合，安装并联电容器装置的效果愈显著。统计资料表明，用电电压升高1 ， 可平均增产o 5 ；电网电压升高1 ，可使送变电设备容量增加1 5 ，降低线 投2 ；发电机电压升高1 ，可挖掘电源输出l 。 ( 2 ) 安装并联电容器降低线损 线损是电网经济运行的一项重要指标，能源部已颁发线损管理条例。线损与 通过线路总电流的平方成正比，设送电线路输送的有功功率p 为定值，功率因 数为c o s t p l 时，流过线路的总电流为i l ，线路电压为u ，等值电阻为r ，则此时 线损为： p l i = 3 i 耻3 南2 懂 = f l 下一r ( 2 9 ) u c o s 纯 设并联电容器装置后，功率因数提高为c o s o s _ e x tc r i t i c a l ( 卜- o s h a t e x i t ( ) 退出后，再根据 标志位来判断是否需要进行中断级的任务切换。 其次是对o s n c m s r ( ) 修改。o s n c m s r ( ) 首先在被中断任务堆栈中保存 武汉理工大学硕士学位论文 c p u 寄存器的值，然后调用o s i n t e n t e r ( ) 。随后调用o s t i m e t i c k ( ) ，检查所 有处于延时等待状态的任务，判断是否有延时结束就绪的任务。最后调用 o s i n t e x i t ( ) 。如果在中断中( 或其他嵌套的中断) 有更高优先级的任务就绪，并 且当前中断为中断嵌套的最后一层，o s i n t e x i t ( ) 将进行任务调度。如果进行了 任务调度，o s i n t e x i t ( ) 将不再返回调用者，而是用新任务的堆栈中的寄存器数 值恢复c p u 现场，然后实现任务切换。如果当前中断不是中断嵌套的最后一层， 或中断中没有改变任务的就绪状态，o s i n t e x i t ( ) 将返回调用者o s t i c k i s r ( ) ，o s t i c k i s r ( ) 返回被中断的任务。最后就是退出l 临界区和进入临界区函数。 进入临界区时，必须关闭中断，用a r m d i s a b l e i n t ( ) 函数实现。在退出临界区的 时候恢复原来的中断状态，通过a r m e n a b l e i n t ( ) 函数来实现。至于进行任务 级上下文切换，则是由汇编子程序o s c t x s w 实现。 4 2 3p c o s i i 中间件层设计 中间件属于可复用软件的范畴。顾名思义，中间件处于操作系统软件与用户 的应用软件的中间。中间件在操作系统之上，应用软件的下层，总的作用是为 处于自己上层的用户任务层提供运彳亍与开发的函数库，帮助用户灵活、高效地 开发和集成复杂的嵌入式系统应用软件。 如果没有中间件层，用户任务层将直接面向操作系统、a r m 寄存器的配置、 硬件等复杂的操作，开发者不得不面临许多很棘手的问题。如不同c p u 配置的 不同、硬件的多样性，繁杂的通信协议以及软件性能和效率、安全等等。这些 与软件任务没有直接关系