分组投切无功补偿装置控制器设计.doc

目 录1 绪论11.1无功补偿的意义11.2无功补偿国内外发展现状11.3本课题的意义31.4本文研究的内容32 分组投切无功补偿装置原理及功能42.1电容器无功补偿的原理42.1.1电容器无功补偿容量的确定62.1.2电容器的额定电压选择72.1.3电容器的接线方式72.1.4串联电抗器102.1.5接触器102.2无功补偿控制器功能设置112.3并联补偿电容器装置的分组132.3.1分组原则132.3.2分组方式143 无功补偿的测量算法及控制策略163.1 无功检测算法163.2 无功补偿控制策略173.2.1传统“九区图法”控制规则及不足183.2.2模糊控制原理193.2.3模糊控制器的设计214 分组投切无功补偿控制器硬件设计244.1 CPU选型244.1.1存储电路264.1.2串行时钟274.1.3A/D转换器284.2采样测量电路的设计294.3人机接口及通讯部分354.3.1键盘354.3.2液晶显示器(LCD)364.3.3通讯接口374.4投切控制部分384.5看门狗395 分组投切无功补偿控制器软件设计405.1软件结构图405.2采集模块设计415.3电容器组投切部分425.4液晶显示模块436 抗干扰设计456.1硬件抗干扰设计456.2软件抗干扰设计467 结论48参考文献49附录一 控制、通讯及人机接口部分原理图51附录二 模拟量输入部分原理图52附录三 投切控制部分原理图53翻译部分54英文原文54中文译文66致 谢76第75页中国矿业大学2009届本科生毕业设计1 绪论1.1无功补偿的意义在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，不仅系统中存在着有功功率，而且存在无功功率。虽然无功功率本身不消耗能量，它的能量只是在电源及负载间进行传输交换，但是在这种能量交换的过程中会引起电能的损耗。并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列负面影响：(1)电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器，电器设备，导线等容量增大，使用户内部的起动控制设备，测量仪表等规格，尺寸增大，因而会使初期投资费用增大。在传送同样的有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损耗增大。(2)电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压降低，影响正常生产和生活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。(3)降低了电网的功率因数造成大量电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗提高了将近一倍。(4)对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到预定的出力。此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，会导致原动机效率的相对降低。目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型，冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重。如果不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大范围内波动，这不仅使电气设备得不到充分利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏，系统瘫痪，因此，装设无功补偿装置是十分必要的123。1.2无功补偿国内外发展现状电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天，历经了并联电容器、同步调相机、静止无功补偿装置（SVC），直到静止无功发生器（SVG）几个不同阶段：(1)并联电容器并联电容器是电网中用到的一种专用的无功补偿设备。它的特点是，价格便宜，易于安装维护，主要作控制负荷功率因数，也可以作为无功功率补偿调节的手段。并联电容器补偿无功功率方式有三种：集中补偿电容器组集中装设在企业和地方总降压变电所的610kV母线上用来提高整个变电所的功率因数。它可以使该变电所在其供电范围内无功功率基本平衡，可以减少高压线路上的无功损耗，而且提高本变电所的供电电压的质量。分组补偿将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或农村变电所内，也称分散补偿。这种方式具有与集中补偿相同的优点，仅无功补偿容量和范围相对小些。但是分组补偿效果比较明显，采用的较为普遍。就地补偿将电容器组装设在异步电动机旁或感性用电设备附近，就地进行无功补偿。这种方式既能提高负荷的功率因数，又能改善用电质量，对中、小型设备十分适用。(2)同步调相机调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，调节其励磁，既可以发出无功功率，又可吸收无功功率，它是最早采用的一种无功补偿设备，在并联电容得到很大采用后，它退到次居地位。其主要缺点是投资大，运行维护复杂。因此许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。同步调相机的优点是：在系统发生故障引起电压降低时，同步调相机可提供电压支持，还可在短时间内强行励磁，对提高电力系统的稳定性有很大好处。在接受远方大容量系统电源送电的弱系统中，可以在系统故障时提供电压支持，对于较弱的接受端系统，在传送大容量电力的超高压长距离电线的中途，装设同步调相机作为并联补偿，提供动态无功支持，提高送电容量和系统的稳定性。(3)静止无功补偿器（SVC）所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功电流的能力，用于提高系统的功率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。可分为饱和电抗器型无功补偿装置(SR)、晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器（TSC）。(4)基于电力电子逆变技术的无功补偿装置SVG又称静止同步补偿器(STATCOM)，是采用GTO构成的自换相变流器，通过电压源逆变技术提供超前和滞后的无功，再到无功补偿领域。与SVC相比，其调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。不过由于控制复杂且全控器件价格昂贵还没有普及，但其优越性能必将使其成为未来谐波抑制和无功补偿设备的重要发展方向。1.3本课题的意义尽管SVG在理论上拥有无法比拟的优势，能达到快速、安全的补偿效果。但由于控制元件价格昂贵且控制系统较复杂，使得这种系统的可靠性差，容量产生误动作。根据我国目前的发展状况煤矿、农村等35KV变电站安装的大多数还是分组投切无功补偿装置，有的甚至是单组电容器自动投切。因此电容分组自动投切与主变压器有载调压相配合，能有效提高电压水平，提高供电企业的服务质量，满足负荷波动对无功补偿的需求同时也是变电站实现微机保护无人值守的需要。针对现有的无功补偿控制器本设计对其进行提出改进。从无功功率的实时检测和电容器分组投切控制策略进行了研究。再加之单片机的高效处理从而有效地提高控制性能和缩减投资成本。因此采用分组投切无功补偿仍然具有广阔的发展前景234。1.4本文研究的内容本文主要是对分组投切无功补偿装置控制器的设计：（1）介绍了并联电容器无功补偿的原理，以及无功补偿容量的确定，对三种常用的接线方式进行比较最终选定为三角形接法。对无功补偿控制器所具备的功能进行了汇总，采用多种保护功能提高系统的安全稳定运行。（2）本控制器同时采集三相电压、三相电流，利用快速傅里叶变换(FFT)算法对电网中的电参数进行实时测量，提高数据采集的精度，采用先进的模糊控制理论解决了传统无功补偿控制策略的不足。（3）硬件部分：设计了包括信号采样、采样保持及A/D转换电路，MSP430F149单片机最小部分、键盘显示电路、投切控制电路以及通信电路等。（4）软件部分：介绍控制器软件的整体结构流程图。对数据采集、投切控制以及显示单元进行简单分析。（5）从硬件和软件两方面介绍抗干扰的方法，提高其对恶劣环境的适应能力，保证控制器的正常稳定运行。2 分组投切无功补偿装置原理及功能2.1电容器无功补偿的原理电容器与感性负荷并联是传统补偿无功功率的方法，电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量同时电容器释放能量，反之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(如电动机、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5。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看作电阻R与电感L串联的电路，设： （2-1）式中。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。（a） 电路 （b）相量图（欠补偿） （c）相量图（过补偿）图2.1 并联电容器补偿无功功率的电路和相量图如图2.1(a)所示，将RL电路并联电容C后，该电路电流为。由图2.1(b)相量图可知，并联电容器后电压和电流的相位差变小，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流的相位滞后于电压，这种情况称为欠补偿。由图2.1(c)相量图可知，若电容C的容量过大，使得供电电流的相位超前于电压，这种情况称为过补偿。通常不希望出现过补偿的情况，这样会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加电能损耗，如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使温升增大，影响电容器的寿命。电力网除了要负担用电负荷的有功功率，还要承担负荷的无功功率。有功功率与无功功率还有视在功率之间存在下述关系，即 (2-2)而功率因数还可以表示成 (2-3)可见在一定的电压和电流下，提高，其输出的有功功率增大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。无功补偿的目的就是提高电网的功率因数，即提高有用功在电网发出的功率中的比例。2.1.1电容器无功补偿容量的确定采用分组补偿时，补偿容量由式24和式25决定 (2-4)或 (2-5)式中：由变配电所供电的月最大有功计算负载，；月平均负载，一般可取0.70.8；补偿前的功率因数角，可取最大负载时的值；补偿后的功率因数角，参照电力部门的要求确定。电容器补偿率，即每千瓦有功负载需要补偿的无功功率，电容器接法不同时，每相电容器所需容量也是不一样的。(1)电容器组为星形连接时 (2-6)式中：装设地点电网线电压，；电容器组的线电流，；角速度，值为；每相电容器组成的电容量，。考虑到电网线电压的单位常用，的单位为,则星形连接时每相电容器组成的容量（单位：）为： (2-7)(2)电容器组为三角形连接时 (2-8)若线电压的单位为，则每相电容器的容量（单位:）为： (2-9)2.1.2电容器的额定电压选择在并联电容器装置设计中正确地选择电容器的额定电压十分重要。电容器的输出容量与其运行电压的平方成正比(即)、电容器运行在额定电压下则输出额定容量，运行电压低于额定电压则达不到额定输出，因此，电容器的额定电压，取过大的安全裕度就会出现过大的容量亏损。运行电压高于额定电压，如超过1.1倍，将造成不允许的过负荷，而且电容器内部介质将产生局部放电，局部放电对绝缘介质的危害极大。由于电子和离子直接撞击介质，固体和液体介质就会分解产生臭氧和氮的氧化物等气体，使介质受到化学腐蚀，并使介损增大，局部过热，并可能发展成绝缘击穿。为了使电容器的额定电压选择合理，达到经济和安全运行的目的，在分析电容器端子上的预期电压时，应考虑下面几种情况:（1）并联电容器装置接入电网后引起电网电压升高；（2）谐波引起的电网电压升高；（3）装设串联电抗器引起电容器端电压升高；（4）相间和串联段间的容差，将形成电压分配不均，使部分电容器电压升高；2.1.3电容器的接线方式电容器接线方式的不同，决定了补偿方式的不同。目前电容器组的接线方式有3种，分别是三角形接法(接法)、星形接法(Y接法)、三角形和星形相结合接法(-Y接法)。相应的补偿方式为三相共补、三相分补、三相共补与三相分补相结合。三角形接法的优点是投资少、控制方便，缺点是补偿精度差，在三相负载不平衡时，容易出现有的相过补或者有的相补偿不充分，所以三角形接法主要用于三相对称性负荷。星形接法是根据每相的无功功率进行补偿。因此不会造成无功过补，但装置造价要比三角形接线高得多，控制也相对复杂。三角形和星形相结合的接法综合了以上两种接法，在补偿方式上既有共补又有分补6。（1）三角形接线三角形接线对应于三相共补的方式。三相共补的方式是根据控制器统一取样，各相投入相同的补偿容量，这种补偿方式的接线如图2.2所示。适用于三相负载基本平衡、各相负载的功率因数相近的网络。图2.2 并联电容器三角形接法（2）星形接线星形接线对应于三相分补方式。三相分补方式就是各相分别取样，各相分别投入不同的补偿容量。适用于各相负载相差较大，其功率因数值也有较大差别的场合。接线如图2.3所示。图2.3 并联电容器星形接法（3）三角形和星形相结合接线三角形和星形相结合接线对应于三相共补与三相分补相结合方式，接线方案如图2-4所示。三相共补部分的电容器为接线。三相分补部分的电容器为Y接线，这种接线方式的补偿装置，运行方式机动灵活，其成套价格低于图2-3的接线方案，但要高于图2.4的接线方案。图2.4 并联电容器三角形星型接法由以上分析可以看到。电容器的星形接线方式和三角形与星形相结合的接线方式，虽然不会造成无功过补，但这两种方式控制复杂且电容器的造价高；同时，高精度的无功功率和电压检测又是无功补偿的关键环节，这两种接线方式由于分相控制需要，三相电流和电压均要分别检测，不仅大大增加了硬件设备投入，还增大了补偿装置的体积和重量。使得该部分在整个补偿系统造价中占较大比重。本课题的设计是针对三相负载相对平衡的网络，因此采用三角形接线，装置造价低且不易出现过补。主接线如图2.5。图2.5 一次设备主接线图2.1.4串联电抗器串联电抗器的主要作用是抑制谐波和限制涌流，电抗率是串联电抗器的重要参数，电抗率大小直接影响着它的作用。选用电抗率就要根据它的作用来确定。当电网中谐波含量甚少，装设串联电抗器的目的仅为限制电容器组追加投入时的涌流，电抗率可选得比较小，一般为0.1%1%，在计及回路连接电感影响后，可将合闸涌流限制到允许范围。在电抗率选取时可根据回路连线的长短确定靠近上限或下限6。当电网中存在的谐波不可忽视时，则应考虑利用串联电抗器抑制谐波。为了确定合理的电抗率，应查明电网中背景谐波含量，以便对症下药。电网中通常存在一个或两个主谐波，且多为低次数谐波。为了达到抑制谐波的目的，电抗率配置应使电容器接入处综合谐波阻抗呈感性。通常电抗率应这样配置：(1)电容器装置接入处的背景谐波为3次3次谐波含量较小，可选择0.11的串联电抗器，但应验算电容器装置投入后3次谐波放大是否超过或接近国标限值，并且有一定的裕度。3次谐波含量较大，已经超过或接近国标限值，选择12或12与4.56的串联电抗器混合装设。(2)电容器装置接入处的背景谐波为3次、5次。3次谐波含量很小，5次谐波含量较大(包括已经超过或接近国标限值)，选择4.56的串联电抗器，忌用0.1-1的串联电抗器。3次谐波含量略大，5次谐波含量较小，选择0.11的串联电抗器，但应验算电容器装置投入后3次谐波放大是否超过或接近国标限值，并且有一定的裕度。3次谐波含量较大，已经超过或接近国标限值，选择12或12与4.56的串联电抗混合装设。(3)电容器装置接入处的背景谐波为5次及以上。5次谐波含量较小,应选择4.56的串联电抗器。5次谐波含量较大，应选择4.5的串联电抗器。(4)对于采用0.11的串联电抗器，要防止对5次、7次谐波的严重放大或谐振；对于采用4.56的串联电抗器，要防止对3次谐波的严重放大或谐振。2.1.5接触器常用的接触器接通时，由于两侧电压差较大，接通瞬间会产生火花放电现象。同时，电容器在阶跃电压作用下，会出现瞬间峰值电流，峰值电流是额定电流的数倍，这对电容器是极为不利的。为了避免这一系列问题，本设计中选择专用于投切电容器的交流接触器其额定参数主要有电流值、电气寿命、控制端电压。电流值常根据其通断电容器电流的1.31.5倍选择，如KEC2C系列交流接触器这种接触器能抑制接通电容器瞬间所出现的涌流，特别适用于带有微机控制的无功功率自动补偿装置。2.2无功补偿控制器功能设置一个设计良好的无功补偿控制器是智能化的，有很强的适应能力，能兼顾线路的稳定性及检测及补偿效果，并能对补偿装置进行完善的保护及检测。为很好发挥补偿装置的效果，应具备以下功能：1、基本功能（1）数据记录功能：180天内日最高、最低电压、电流、功率因数及出现时间；最近180天内整点电压、电流、无功功率、功率因数；动作前、动作后运行数据；电容器运行时间累计；停电时间记录，上电时间记录。（2）电参数监测功能：对电压、电流、无功功率、功率因数实时监测。（3）显示功能：LCD实时显示时钟、检测的电参数、动作次数、电容器运行时间等。（4）用户设置功能：可通过键盘对其控制定值进行修改，对其时钟进行校准，进行手动与自动投转换。（5）通信接口：配置RS-232/485接口，与上位机通信，可抄取控制器的实时电测参数及控制定值。2、 保护功能（1）电容器放电时间保护：电容器放电时间一般取10分钟，在该时间内，自动控制装置不发合闸命令，即指电容切除后，需延时10min再进入控制。另一方面，装置通电后延时10min后再进入运行状态，在进入任何控制方式之前必须延时10分钟。（2）过电压保护：电容器的过电压包括分、合闸过电压。分闸过电压是由于切除电容器组时因开关的重燃而引起的，当开关断开或电流熄灭后残留在电容器组的电荷在短时间内无法释放，此时电容器组上将残留直流电压，当开关弧隙恢复的速度低于恢复电压增长的速度，则有可能发生重击穿。引起电磁振荡，产生重燃过电压。合闸过电压包括非同期合闸过电压和合闸时触头弹跳过电压。其中非同期合闸过电压是指当一相先合闸使电容充电，而其他两相接通时可能遇到大小相等、方向相反的工况。而产生非同期合闸过电压。合闸时触头弹跳过电压是指真空开关的触头在接通瞬时发生弹跳，而此时电容上已经充有电荷，当触头再次接通时就会产生合闸过电压。当电网电压高于设定的过电压值时，经设定的延时，发跳闸命令，使电容器组脱离电网。电压恢复正常时，自动控制装置正常工作。（3）欠压保护：电容器低电压包括电容器组所接母线的电压短时消失或供电短时中断,发生下列情况会造成过电压。电容器组放电未完毕即合闸，可能产生很大的冲击电流和瞬时过电压,损坏电容器。变电站恢复送电时，若空载变压器与电容器同时被投入，过渡过程可能导致电容器的过电压或过电流。当电网电压低于设定的欠压值时，并经设定的延时，发跳闸命令，使电容器组脱离电网。当电压恢复正常后，自动控制装置正常工作。（4）过电流保护：电容器组的过电流保护，是其引线的相间短路保护，当其定值按电容器组的额定电流1.5倍整定时，对电容器的内部故障，也可以起到一定的保护作用，可以作为电容器内部故障的后备保护。为了躲过投入时的励磁涌流,还需带左右的时限电容器电流大于设定的过电流值，并经设定的延时时间，控制器故障灯亮，并发出跳闸命令，使电容器组脱离电网，并永久闭锁装置，处理后需人工解除闭锁。（5）过流速断保护：当电容器电流大于设定的速断电流值，并经设定的延时时间，发出跳闸命令，使电容器组脱离电网。自动控制装置闭锁30分钟，之后试合闸一次，若电容器电流仍大于设定的速断电流值，控制器故障灯亮，发跳闸命令控制开关跳闸，自动控制装置永久闭锁，处理后需人工解除闭锁。反之，自动控制装置正常工作。（6）缺相保护：自动控制装置检测三相电流当中任意一相为零时，装置发跳闸命令，控制器故障灯亮，并永久闭锁装置，处理后需人工解除闭锁。（7）开关拒动保护：自动控制装置发出控制命令后，开关拒动时，自动控制装置经5分钟时间延时，再发相同控制命令控制开关动作，若再次拒动，故障灯亮，自动控制装置将永久闭锁，处理后需人工解除闭锁。3、 控制功能控制器采用模糊控制策略，除完成根据负荷无功功率投切电容器组外，还具有以下功能特点。(1)采用先进的技术，控制电压和无功功率在一定范围内，同时避免电容器的投切振荡问题。(2)输出程序为先接通先分断，先分断先接通的循环工作方式。(3)设有功率因数滞后、超前和过电压指示，并在过电压时自动快速切除电容器组，分断时小于1分钟。(4)具有手动和自动操作方式，自动时可自动跟踪检测功率因数及无功电流，控制电容器组投切，手动时可人工控制投切。(5)具有一定的抗干扰能力，能抵御从电源直接输入的幅值的干扰脉冲。2.3并联补偿电容器装置的分组当补偿电容总的安装容量确定后，需进一步考虑如何分组。无功分组过多，需要的开关设备就多，投资就大。分组过少，则负荷变化较大的情况下，很难补偿到理想程度。往往造成投入一组会过补偿，切去一组又会欠补偿。因此，分组应按照一定的原则，具体针对性质、设置无功补偿的主要目的、母线电压波动等要求进行切合实际的分组7。2.3.1分组原则并联电容器装置的分组主要由系统根据电压波动、负荷变化等因素确定，根据电气一次设备选择要求提出意见。(1)对于单独补偿的某台设备，例如电动机、小容量变压器等用的并联电容器装置，不必分组，可直接与该设备相连接，并与该设备同时投切。(2)配电所装设的并联电容器装置的主要目的是为了改善电网的功率因数。此时，为保证一定的功率因数，各组应能随负荷的变化实行自动投切。负荷变化不大时，可按主变压器台数分组，手动投切。(3)终端变电所的并联电容器装置，主要是为了提高电压和补偿主变压器的无功损耗。此时，各组应能随电压波动实行自动投切。投切任一组电容器时引起的电压波动不应超过2.5%。(4)对于110220kV、主变压器带有载调压装置的变电所，应按有载调压范围分组，并按电压或功率因数的要求实行自动投切。(5)每组电容器的容量应保证做到：与串联电抗器的额定参数相匹配；使断路器能够正常开断，并尽量不发生重击穿；当一台电容器故障时，本组电容健全电容器向故障电容器的放电能量不得超过单台电容器外壳所允许的爆裂能量值；使通过放电线圈的放电能量不得超过其允许的放电容量值：使各组容量之和应等于或略大于预想的并联电容器装置的容量，即电网需要补偿的最大容性无功量等。2.3.2分组方式当组数确定后，按每组电容量的分配有两种不同的分组方式。一种为等容量分配方式，另一种为非等容量分配方式8。(1)等容量分配方式等容量分配方式就是把总的补偿电容安装容量平均分配到各组。即设分组数为，则每组容量为，投入运行时，这种分组方式可以得到种不同补偿容量的组合。这种分组方式是目前实际应用较多的一种。它要求分组断路器不仅要满足频繁切合并联电容器组的要求，而且还要满足开断短路的要求。由于各组容量均相等，所以运行时可以循环投切。可使各组电容器组投入运行的时间基本相等，以保持相同的寿命，相同的设备检修周期。(2)非等容量分配方式为了使较少的分组数，能得到较多的容量组合，可采用非等容量分配方式。设分组数为，则每组容量为：（n=1,2,3） (2-10)对于第组电容器其电容量最大，但投切该电容器时引起所在母线的电压波动不应超过2.5%。非等容量分配方式的各分组容量之间成级数关系递增，从而使并联电容器装置可按不同投切方式得到多种容量组合，换言之，可用比等容量分组方式少的分组数目，达到更多种容量组合运行的要求，从而节约了回路设备数，减少了设备占地，减少了投资。虽然非等容量分配方式同等容量分配方式同样可以向电网提供可阶梯调节的容性无功，且每一阶梯的无功功率变化幅值相等，但它在改变容量组合的操作过程中，会引起无功功率较大的变化，并可能使分组容量较小的分组断路器频繁操作，使得断路器检修间隔时间缩短，从而使电容器组退出运行的可能性增加。因此这种分组方式在目前运行的变电所中应用较少，应用范围有限。为减少在投切时造成无功功率大的变化和提高电容器组的使用寿命，本设计选择等容量分组方式。3 无功补偿的测量算法及控制策略3.1 无功检测算法受电网中的谐波源影响要想取得无功补偿的最佳效果，首先必须准确地测量电压、电流、有功功率、无功功率等参数。本控制器采用同时采样三相电压、三相电流，利用快速傅里叶变换(FFT)算法对电网中的电参数进行实时测量，只需3次FFT就可计算出三相电压、三相电流的FFT结果。其中一相电压和电流的测量算法如下：若同时采样N点电压序列和电流序列,则可以构造一个复序列： (3-1)对于复序列，其离散傅里叶变换(DFT)为由式(3-1)得: (3-2)对式(3-2)进行DFT变换，并考虑其复共轭性质，则可得到电压、电流的频谱为 (3-3)式中和分别是和的DFT变。系统在数据处理过程中，对式(3-3)进行FFT变换，利用式(3-3)的变换方法得到电压、电流的频谱。设为第次谐波的向量表示为第次谐波的向量表示，则电压、电流向量与其频谱有如下关系： (3-4)这样，可导出此相各次谐波电压、电流的有效值()和有功功率()为： (3-5) (3-6) (3-7)式中和分别为复数的实部和虚部。则此相电压和电流有效值为： (3-8)有功功率、视在功率、无功功率及功率因数为 (3-9) (3-10)这样，系统得到了此相的各项参数。其他两相的各项参数的处理方法与之相同。利用电压、电流向量与其频谱的关系，可以得到电压初相角和电流初相角。利用功率因数的正负可判断是否过补偿。也就是需要系统指示电压、电流的超前或滞后关系。系统利用基波电压、电流初相角，的关系来判断电压、电流的超前或滞后情况，给功率因数赋予“+”“”号，为补偿提供依据9。3.2 无功补偿控制策略控制策略是本设计考虑的重点，对于无功功率型补偿装置现在常用的控制方法基本上还是传统的“九区图法”，本节针对传图“九区图法”存在不足进行分析，使用了一种将模糊控制理论用于电压/无功综合控制的控制策略，对于“九区图法”中的电压、无功的上下限边界进行模糊化处理，以消除在补偿中可能出现的频繁投切现象。从而实现对电容器组的投切控制。3.2.1传统“九区图法”控制规则及不足对于配电网的无功补偿设备，“九区图法”是其中最为常用的控制方法。如图3.1所示，它将补偿点电压和无功的运行状态平面划分为九个区域，每个区域对应有不同的控制规则“九区图法”的控制原则是：若系统的电压在设定的区域内，电容器的投切受无功的控制；若系统电压在设定的区域外，电容器的投切受电压控制10。图3.1 电压/无功的“九区图法”控制各区的控制规则如下：0区间电压和无功都正常，补偿装置不动作。1区间电压正常，无功越上限，切除电容器以降低容性无功。2区间电压越上限，无功越上限，切除电容器，一方面降低容性无功，同时也可降低母线电压值。3区间电压越上限，无功正常，切除电容器来降低母线电压值。4区间电压越上限，无功越下限。补偿装置不动作，等待变电站调分接头降压。5区间电压正常，无功越下限。投入电容器以补偿感性无功，提高功率因数。6区间电压越下限，无功也越下限。投入电容器，一方面补偿感性无功，提高功率因数，同时也可提高母线电压。7区间电压越下限，无功正常，投入电容器以提高电压值。8区间电压越下限，无功越上限，并联电容器不动作，等待变电电站调分接头升压。电压/无功综合控制策略是利用电压、无功两个判别量实行综合调节，以保证电压在合格范围内，实现无功的基本平衡。由于电网电压取决于全系统的无功平衡而不是某一台无功补偿设备，这样就会使得在某些系统工况下出现改善电压质量和提高功率因数相矛盾的情况，如电压在正常范围内时，功率因数低，而投入电容器补偿以后，电压又偏离了正常范围。如果按照以上控制规则进行控制，在某些系统工况下则有可能会出现并联电容器的频繁投切现象。如在图3.1中的a点，电压略偏高，但仍在正常范围内，而无功不足，按照以上的控制规则，应当投入电容器，投入电容器后到b点，无功正常，但电压越上限，按照控制规则，应该切除电容器，切除电容器后，又恢复到a点的情况，如不加处理的话，则会出现电容器组往复投切的现象，影响补偿装置的正常补偿和降低补偿装置的使用寿命。3.2.2模糊控制原理模糊控制就是建立在人类思维的模糊性的基础上的，它与传统控制有着本质的区别，它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控制理论那样需要矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是它用具有模糊性的语言条件语句作为控制规则去执行控制。这里的控制规则往往是由对被控对象十分熟悉的专业人员给出的，所以模糊控制从本质上来说是一种专家控制。这种控制的控制规则充分反映了人的智能活动。目前，模糊控制主要还是建立在人的直觉和经验的基础之上，这就是说操作人员对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是通过操作人员丰富的实践经验和直观的感觉。这种方法可以看成是一组探索决策规则。由于人的决策过程本质上就具有模糊性，因此控制动作并非稳定一致，且有一定的主观性。但是，如果把那些熟练工人或技术人员的实践经验进行总结和形式化描述用语言组成一组定性条件语句和不精确的决策规则，然后利用模糊集合作为工具使其定量化，设计一个控制器，用形式化的人的经验法则模仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制，这就构成了模糊控制。由于模糊控制系统中语言型控制规则和模糊概念的使用，使得模糊控制本身相对于常规控制而言具有独特之处111213。模糊控制的特点：（1）复杂系统的控制问题（2）也适用于简单系统控制（3）非专业性（4）鲁棒性（5）操作时可省去系统参数调节（6）模糊控制系统本身是一严格的控制系统（7）模糊控制系统具有较好的经济性模糊控制器的结构如图3.1所示，从功能上划分，它主要由图中的四个部分组成：模糊化接口、知识库、推理机以及解模糊接口。图3.1 模糊控制器结构图模糊化接口将输入通道采样得到的精确量转换为模糊量，即模糊子集。该接口有两个功能，一是量程转换，把输入信号的数值映射到相应的输入论域上；二是模糊化，输入信号映射到相应论域上的一个点后，把它转化为该论域上的一个模糊子集。知识库包含应用领域方面的知识，主要有数据库和规则库组成。数据库提供所有必要的定义。所有输入、输出变量所对应的论域以及这些论域上所定义的规则库中所使用的全部模糊子集的定义都存放在数据库中。如果论域是离散形式，则模糊子集在数据库中存放的是它在各个离散点上的隶属度，如果论域是连续的，则存放隶属函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。但要说明的是，输入、输出变量的测量数据集不属于数据库存放范畴。规则库存放模糊控制规则。这些规则基于手动操作人员长期积累的控制经验和领域专家的有关知识，是对被控对象进行控制的一个知识模型（不是数学模型)。这个模型建立的是否准确，也就是是否准确地总结了操作人员的成功经验和领域专家的知识，将决定模糊控制器性能的好坏。在无功补偿的应用中，这里的规则对应着各种成功的补偿经验和专家意见。控制规则的表达形式也是按人的直觉推理的语言表示形式，通常由一系列的关系词连接而成，如if、than、else、end等。关系词必须经过“翻译”，才能将模糊规则数据化。在推理时为推理机提供控制规则。推理机采用某种模糊推理方法，由采样时刻的输入和模糊控制规则推导出模糊控制器的控制输出。解模糊接口把推理机的推理结果(模糊量)作一次转换，求得确定的控制量输出14。3.2.3模糊控制器的设计在电压无功综合补偿装置中，有电压和无功两个输入量，输出为电容器组的投或切的命令。所以该模糊控制器可以设计成双输入，单输出的控制器。控制器框图如图3.2所示15。图3.2 模糊控制器结构框图1、输入量的模糊化电压和无功功率作为输入变量，而用表示电容器的投切状态，作为模糊控制器的输出变量。的取值为0，1，-1三种，分别表示不投切电容器组、投一组和切一组。在论域U上定义模糊集：偏低、正常、偏高：同样在论域上定义模糊集：越下限(欠补)、正常、越上限(过补)；隶属函数的选取：在模糊控制中常用的隶属函数有7种，考虑到编程计算的难易和动态补偿的实时性，本文采用的是升梯形和降梯形和梯形隶属度函数。电压和无功功率的隶属度函数分别为图3.3和图3.4所示。图3.3 电压隶属函数图3.4 无功功率隶属函数2、模糊控制规则的确定通过对电容器的投切控制分析，得出模糊控制规则如下:1：If 偏低and 不足then L=12：If 偏低and 正常then L=13：If 偏低and 过剩then L=04：If 正常and 不足then L=15：If 正常and 正常then L=06：If 正常and 过剩then L=-17：If 偏高and 不足then L=08：If 偏高and 正常then L=-19：If 偏高and 过剩then L=-1控制器的输出是投切的电容器组数，为了使得控制器的输出更加平稳以及减小对电网的冲击，采用逐级投切的方法，即每次只投入一组或者切除一组电容器。在本控制器中，并没有考虑有载调压器(OLTC)的调节作用，因此只能够对无功这一个量进行调节。在控制规则中如果遇到需要先调压再投切的情况，则补偿装置的输出为0，即不动作，等待上一级系统的调节。3、输出信息的模糊判决在本设计中，采用的是加权平均法来作为输出信息的判决方法。模糊控制器的输入分别为电压和无功功率，经单值模糊集模糊化后得单点模糊集和，它与第条控规则的隶属度为： (3-11)用加权平均法求得输入为，时的输出为： (3-12)由(3-12)式求出来的值可能是一小数，最后需要对取整运算作为电容器投切的输出。4 分组投切无功补偿控制器硬件设计控制器需要检测的信号共有六路，采样速率必须较高，同时由于采样的精度要求也较高，系统需选用高精度高速率的A/D转换模块。采样任务重，计算与控制的工作量相应也就比较大，作为控制核心CPU的处理速度也需要比较快。为了不影响系统整体性能采用独立的的A/D转换器。为了保证控制器与外部的交互，硬件设计中还必须有通信电路除此之外，时钟电路、存储电路、驱动电路、接口电路、电源电路也是控制所必须的。整个控制器的结构组成如图4.1所示。图4.1 控制硬件结构原理图4.1 CPU选型本文选用的是TI公司的超低功耗Flash型的16位RISC指令集单片机MSP430F14X系列，具有丰富的片内外围设备，是一款功能强大，性价比极高的单片机1617。图4.2为MSP430Fl49的内部结构框图：图4.2 MSP430F149的结构框图MSP430F149单片机内部集成了60K ROM，2K RAM。具有如的特性：低工作电压1.8-1.6V，超低功耗有5种节能模式，其中LPM4数据保持模式仅耗电，活动状态耗电为；从低功耗模式到活动状态只需，功能强大的CPU内核16位RISC结构，高效的内部寻址方式；在8MHz时可得到的指令周期；具有16个快速响应中断，能及时处理各种紧急事件；具有丰富的片内外围模块：l 12位的A/D转换器具有8个外通道、4个内通道。温度传感器、电池电压探测、两路片内基准、数据保持定时器，以及带有可编程自动扫描特性的、可控制的16字转换缓冲器，该数模转换器可提供200KSPS的数据吞吐量；l 16位Timer_A与Timer_B可方便地实现UART，PWM斜坡ADC，并且Timer_A带有5个比较捕获寄存器(CCR)，Timer_B带有7个比较捕获寄存器(CCR)；l 2个通用串行口UARTO和UART1、一个SPI串行口；l 硬件乘法器可快速执行，整型乘法操作，并在一个机器周期立即得到结果；l 6个8位I/O端口Pl-P6，共48条I/O口线。其中P1、P2具有外部中断能力l 灵活的时钟系统由可编程内部电阻控制频率的DC0，由单一电阻控制频率的DC0；可使用外部时钟源；32768Hz晶体产生低频时钟；高频晶体产生高频时钟；l 片上独立的看门狗；l 片内有flash信息存储器，可用于保存数据或程序。4.1.1存储电路系统需要对180天的整点数据和投切、报警数据进行存储，其中仅固定的整点数据就有90K字节的容量，故需要有大容量的数据存储器。在这选用了ATMEL公司研制的串行FLASH芯片AT45DB021这款芯片具有以下主要特征：l 串行数据总线接口，采用SPI总线协议；l 支持单周期的页写操作。主存储器分为1024个页存储块，每页容量是264个字节；l 具有两块SRAM，各264个字节的数据缓冲区；l 可编程和内部时钟控制；l 快速页写操作，典型值是；l 主存储区到数据缓冲区的典型转换时间是最大时钟频率是。l 支持硬件写保护；AT45DB021是一种串行FLASH芯片，它具有264K字节的存储容量。主存储器被分成1024个页存储体，每页容量是264个字节。此外，它还有两个SRAM结构的数据缓冲区，每个缓冲区的大小是264个字节。数据缓冲区能够在芯片进行内部页写操作的同时接收串行数据传来的数据。为更好的适应一般系统的要求，AT45DB021不需要用高电压进行擦写，芯片由2.73.6V的单电源供电。该芯片的控制线也比较简单，共有四根，为片选信号输入引脚，SCK为串行时钟输入引脚，SI为串行数据输入引脚，SO为串行数据输出引脚。主控器给出芯片控制后，AT45DB021按一定时序操作，这些操作都是在主控器给出CS信号端低电平后，给出正确的芯片操作字和缓冲区地址或页地址的情况下进行的，每次数据传输都是先高位后低位的传输过程。图4.3为其接口电路图。图4.3 存储电路AT45DB021无需加上拉电阻也可正常工作，但是由于本系统工作环境及其恶劣，为了提高系统的抗干扰能力和储存数据的可靠性，因此，每一控制线都加了上拉电阻。4.1.2串行时钟由于无功补偿控制器需要历史记录，所以在系统中必须有实钟基准，即时钟芯片。本系统选用Dallas公司研制的串行时钟芯片DS1302，它工作电压2.0-5.5V，且具有写保护位，抗干扰能力较强，数据不易丢失，可长时间运行。DS1302实时时钟，可对秒、分、日、周、月以及带润年补偿的年进行计数，具有31字节的存储单元，用于保存重要数据。DS1302的最大特色是支持双电源供电，VCC2连接主电源，VCC1连接备用电池。当VCC2的电压高于VCC1时，芯片从VCC2处获得能量并且可以通过涓流充电的方式对VCC1连接的电池进行充电；当VCC2的电源断开连接时，芯片内部自动切换到从VCC1处取电，从而保证即使在系统板掉电的情况下，DS1302仍能进行正确计时功能且保存在RAM中的数据不丢失CPU与DS1302的连接示意其引脚和CPU的连线如图4.4所示。图4.4 时钟电路接线图CPU通过其P5.5、P5.6、P5.7端口与DS1302的、I/O、SCLK三个引脚连接，通过这个三个I/O就可以执行对DS1302的全部操作了。DS1302的第1管脚接到了系统板的3.3V电源上，作为芯片的主电源；第8管脚连接了一个CR1220型纽扣电池的正极，为芯片提供系统板掉电后的能量。4.1.3A/D转换器为提高系统的运算速度本设计另选A/D。选用MAX公司生产的MAX1270芯片，MAX1270是8通道、串行输出、逐次逼近型12bitAD转换器。其封装形式有24脚NarrowPDIP和28脚SSOP两种。本设计选用24脚的。各引脚功能如下：VDD，+5V电源输入端；2、4-DGND，数字地；5-SCLK，串行时钟输入端；6-，片选输入端，低电平有效；7-DIN，串行数据输人，即AD转换控制字输人端：8-SSTRB，串行数据输出选通输出端；10-DOUT,串行数据输出端；11-，掉电模式控制输人端，低电平有效；12-AGND，模拟地；1320-CH0CH7，模拟信号输入端；21-REFADJ，参考电压输出/外部调节输入；23-REF，参考电压缓冲输出ADC的参考输入。与单片机和采样输出电路接口如图4.5所示19。图4.5 A/D接口电路4.2采样测量电路的设计电力系统的原始模拟量数值一般都非常大，数量级可达千伏或千安级，经PT、CT变换后一般为、。这个数值仍远超过单片机允许的输入信号范围。因此，需要把来自PT和CT的交流电量进一步降低，并将电流量变换为电压量，达到电平配合的目的。然后把该交