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电力系统无功功率补偿摘要随着经济的发展和人们生活水平的提高,各行各业对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求.由于配电网处于电网的末端,用户多为低压用户,许多用电器的功率因数很低,且不带补偿装置,这给电网带来很大的 功率负担和额外线损,为了维护电力系统稳定,保证电能质量和安全运行我们必须完善电力系统无功补偿的研究。在电力系统中，存在着消耗大量无功功率的设备，这些设备的使用会给电力系统电压产生激烈的波动，例如冲击性的无功功率负载：轧钢机，电弧炉，电气化铁道等。同时用户中又有对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机，医用设备等。如果无功功率不能及时控制，就会对电网电压造成不良影响。另外无功储备的不足会导致电网电压水平的降低。鉴于以上原因，如何快速有效解决电力系统中的无功缺额。具有重要的现实意义 关键词：电力系统 无功补偿 功率因数 无功补偿装置- IV -Abstract With the development of economy and the improvement of peoples living standard, people from all walks of life put forward higher requirements on the reliability and quality of power supply. The distribution network in the network terminal, user for low-voltage users, many power factor of electrical appliances is very low, and without compensation device, the network brought power burden and additional the line loss, in order to maintain the stability of the power system, research on power quality and safety operation we must improve the wattless power compensation of power system electrical guarantee.In the power system, there is a device to consume a large amount of no power, the use of these devices will produce the fierce fluctuation of power system voltage, such as the impact of wattless power load: rolling machine, electric arc furnace, electric railway. At the same time, the user also has the high precision equipment requirements of system voltage stability: such as computers, medical equipment etc. If reactive power can not be controlled in time, will affect the power grid voltage. Problems also idle reserves will lead to a lower level of power voltage. In view of the above reasons, how to quickly and effectively solve the lack of reactive power in power system. Has the important practical significanceKeywords: power system, wattless power compensation,power factor, no reactive power compensation device目录摘要IAbstractII目录III前言11 无功功率的基本概述21.1 功率的基本概念21.2 无功功率的产生21.3 无功功率在电网中的作用31.4 无功功率对电网及用电设备产生的影响42 功率因数的概述52.1 功率因数的概念52.2 影响无功功率的因素52.3 功率因数对电气设备的影响62.4 功率因数对电力系统的影响63 无功补偿的原理83.1 无功补偿原理83.2 无功补偿的方式123.2.1 静态无功功率补偿123.2.2 动态无功功率补偿133.3.1 从提高功率因数需要确定补偿容量143.3.2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量143.3.3 从提高运行电压需要来确定补偿容量154 无功功率补装置的设计164.1 无功补偿装置简介164.2 补偿控制的技术条件164.3 测量精度174.4 控制其原理174.5 控制硬件的选型与设计184.5.1 CPU184.5.2 A/D转换器选型204.5.3 微处理器监控芯片MAX813L224.5.4 LCD显示234.5.4.3主要技术参数244.5.4.4与8051接口电路244.5.5 模拟信号调理电路254.5.6. 输出控制电路284.6 软件设计与计算284.6.1 投切原则284.6.2 功率因数计算30总结32致谢33参考文献34前言电力系统中各种电气设备和用电设备都是按其额定电压设计制造的，只有在额定电压下运行，才能取得最佳的运行效果，并保证使用寿命。因此，电压时电力系统正常运行的重要指标之一，调整电压，使其偏移保持在允许范围是电力设备内是电力系统运行调整的基本任务。 无功功率补偿是保持电网高质量运行的一种主要手段，也是当今电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。电网中无功不平衡主要有两方面的原因：一方面是输送部门传送的三相电的质量不高，一方面是用户的电气性能不够好。这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在。在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最重要的指标。为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一就是对电力系统的无功功率进行控制。1 无功功率的基本概述1.1 功率的基本概念功率一般划分为视在功率，有功功率，无功功率视在功率：是指发电机发出的总功率，功率位：KWA 用字母S表示有功功率：是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。单位：瓦（W）或千瓦（KW） 用字母P表示无功功率：是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。无功功率不做功，但是要保证有功功率的传导必须先满足电网的无功功率。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。单位：乏（var）或千乏 (Kvar) 用字母Q表示各种功率之间的关系与计算方法：S2=P2+Q21.2 无功功率的产生在交流电力系统中，发电机在发有功功率的同时也发无功功率，它是主要的无功功率电源；运行中的输电线路，由于线间和线对地间的电容效应也产生部分无功功率,称为线路的充电功率,它和电压的高低、线路的长短以及线路的结构等因素有关。电能的用户（负荷）在需要有功功率 (P)的同时还需要无功功率(Q),其大小和负荷的功率因数有关；有功功率和无功功率在电力系统的输电线路和变压器中流动会产生有功功率损耗(P)和无功功率损耗(Q),也会产生电压降落(U)。 其中P、Q分别为流入输电线（或变压器）的有功功率和无功功率，U 是输电线（或变压器）与P、Q同一点测得的电压,R、X 则分别是输电线（或变压器）的电阻和电抗。1.3 无功功率在电网中的作用在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。无功功率的作用具体体现在一下几个方面：(1) 由于电压时衡量供电质量的重要指标之一，无功功率平衡可以稳定电网的电压，防止因无功不足引起的电网电压波动。 无功功率与电压的关系可以有如下解释：在环网中串入一附加电势，以表示环网各线路阻抗和，表示纵向附加电势，相位与电压一致，表示横向附加电势，其相位与电压差向量图可见，改变无功功率主要是改变电压的大小。(2) 减少电网中无功功率的流动可以减少因其而引起的电能损耗。以一输电线路的等值电路为例： 由电力系统知识，电能在阻抗R+jX的损耗，近视为所以在输送有功功图1.2 无功损耗原理图率一定时，减少输送的无功功率Q可以减少电能损耗。(3) 无功功率可以提高功率因数，不仅有上述节能的作用，还可避免增大设备的容量。 1.4 无功功率对电网及用电设备产生的影响电力系统中的无功功率主要用于电路内电场和磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为系统提供电压支撑，在电源和负荷之间提供电压降落所需的势能。无功功率不直接作为实际消耗之功，但无功功率的交换将引起发电和输电设备上的电压降和电能损失。2 功率因数的概述2.1 功率因数的概念功率因数：在交流电路中,电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数,用符号cos表示,在数值上,功率因数是有功功率和视在功率的比值,即 功率因数的大小与电路的负荷性质有关,如白炽灯泡,电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1.0功率因数是电力系统的一个重要的技术数据.功率因数是衡量电气设备效率 高低的一个系数。功率因数低,说明电路用于交变磁场转换的无功功率大, 从而降低了设备的利用率,增加了线路供电损失。2.2 影响无功功率的因素(1)大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了6070；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的6070。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。 (2)变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的1015，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。 (3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。 当供电电压高于额定值的10时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110时，一般无功将增加35左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。2.3 功率因数对电气设备的影响 功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率因数的高低,对于电气设备的利用率和分析,研究电能消耗等问题都有十分重要的意义. 在二端网络中消耗的功率是指平均功率,也称为有功功率。由此可以看出,电路中消耗的功率 P,不仅取决于电压 V 与电流 I 的大小, 还与功率因数有关.而功率因数的大小,取决于电路中负载的性质。对于电阻性负载,其电压与电流的位相差0,因此,电路的功率因数最大;而纯电感电路,电压与电流的位相差为/2,并且是电压超前电流;在纯电容电路中,电压与电流的位相差则为-(/2) ,即电流 超前电压.在后两种电路中,功率因数都为 0.对于一般性负载的电路,功率因数就介于0 与 1 之间。一般来说,在二端网络中,提高用电器的功率因数有两方面的意义,一是可以减小输电线路上的功率损失;二是可以充分发挥电力设备(如发 电机,变压器等)的潜力.因为用电器总是在一定电压 U 和一定有功功率 P 的条件下工作,由公式可知,功率因数过低,就要用较大的电流来保障用电器正常工作,与此同 时输电线路上输电电流增大,从而导致线路上焦耳热损耗增大.另外,在 输电线路的电阻上及电源的内组上的电压降,都与用电器中的电流成正比, 增大电流必然增大在输电线路和电源内部的电压损失.因此,提高用电器 的功率因数,可以减小输电电流,进而减小了输电线路上的功率损失。 2.4 功率因数对电力系统的影响功率因数过低,对电力系统的影响很大,而尤其对电网企业影响最大: (1)当用户功率因数偏低时,需要从网上吸收无功功率,这样发电机组 就要多发无功,而发无功也是需要能量的,它少发了有功,相当于降低了 发电机的出力。 (2)无功负荷在网上传送,白白占用了输,变,配电设备的资源,使上 述设备利用率降低,而设备运行效率是以有功计算的,因而它使设备达不 到额定功率,功率降低;为达到规定的功率,就要增大设备容量,提高了 设备投资额。(3)无功影响电压,无功的传输和大量消耗,使系统电压不能满足要求, 线路未端会电压很低,造成设备不能起车或达不到额定功率。(4)无功的缺乏,会使线路及电气设备中的电流增大,使损耗增大,即 线损增加,增大电费支出. 用电者是 1 千瓦的负载,那么不管功率因数是 0.5,还是 0.9,他工作 1小时实际上电表显示都是 1 度电,而国家规定是按有功电量收费电费. 正是因为上面 4 点原因,用户功率因数是 0.5,或是 0.9,在线路上的 损耗却是不一样的,如果各个用户功率因数都低,合在一起就不的了了, 因而要求用户无功功率就地补偿 ,自己补偿自己的。3 无功补偿的原理3.1 无功补偿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。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的计算公式为： （3-1）式中：电网的额定电压 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 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在元件引起的损耗的计算公式为： （3-2）而由负荷的有功功率在元件中引起的电压损耗的计算公式为： （3-3）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：（3-4）式中：，其中有功线损的计算公式为：（3-5）这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损的计算公式为：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。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，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为，使电源输出的无功功率减少为，功率因数由提高到，视在功率减少到。图3.1 无功功率补偿原理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。 （3.6）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 （3-7）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。图3.2 并联电容器的补偿电流向量图图中的用电负荷总电流可以分解为有功电流分量，和无功电流分量(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与方向相反，故可抵消一部分使电感性电流分量降低为，总电流由降为，功率因数也由提高。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 与无功电流的定义，还可以用图2.4理解电力系统中无功补偿的作用与原理。图3.3电力系统无功补偿原理图设负荷实际吸收的电流为，为了使输电线路上流过纯有功电流，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，则 这里的就是无功电流，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，的波形和相同，即电压和电流的相位相同。3.2 无功补偿的方式3.2.1 静态无功功率补偿静态无功补偿指阻抗固定，其补偿容量不能实时跟踪负荷无功功率的变化，主要是用于提供固定无功功率补偿容量的一种无功功率补偿方式。无功功率补偿装置接入系统的方式有两种：并联和串联。以并联方式接入系统的无功功率补偿装置称为并联无功功率补偿，以串联方式接入系统的无功功率补偿装置称为串联无功功率补偿。并联补偿方式因为接线简单。操作方便，对系统可靠性影响小而广泛使用，串联补偿方式因为接线复杂、操作部方便、对系统可靠性影响大而使使用范围受到限制，一般在并联补偿方式不能满足技术要求的情况下才使用。用于电力系统无功功率补偿的静态无功功率补偿装置有并联电容器、并联电抗器、串联电容器、串联电抗器及其组合。并联电容器用于补偿感性无功功率，并联电抗器用于补偿容性无功功率。串联电容器和串联电抗器也常用于电力系统。单独使用时，串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高受电端的电压，串联电抗器用于限制系统短路电流、补偿线路等效容抗和降低线路容性无功功率流动。混合使用时，一般是串联电抗器在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制谐波以及保护并联电容器的作用。由于串联电容器和传联电抗器不如并联电容器和并联电抗器方便，无功功率补偿效果也不及并联电容器和并联电抗器，因此，静态无功补偿主要采用并联电容器和并联电抗器。3.2.2 动态无功功率补偿 动态无功功率补偿指阻抗可调，其补偿容量能够快速实时跟踪负荷无功功率的变化而变化的一种无功功率补偿方式。动态无功功率补偿的最大特征就是其输出能够自动跟踪给定的控制目标。以并联电容器为代表的静态无功功率补偿装置虽然具有简单经济、灵活方便的优点，但其缺点是采用常规接触器，进行电容投切只能进行有级调节，并且受机械开关动作时间限制，响应速度慢，不能满足对波动较频繁的无功负荷补偿要求，即不能实现对无功功率的动态补偿，还有可能与系统发生谐波放大甚至并联谐振。因此，随着电力系统和现代工业交通技术的发展，大量诸如炼钢电弧炉、电气化铁道、可逆式大型轧钢机等动态变化的非线性负荷在电力系统得到使用。这类负荷的特点是有功与无功功率随时间作快速变化，导致供电电压的波动和闪变、供电电压的波形畸变、功率因数恶化以及不平衡负荷引起三相供电电压的动态不平衡。以并联电容器为代表的传统静态无功功率补偿装置已不能胜任，需要发展能对无功功率进行快速跟踪补偿的动态无功功率补偿3.3 确定补偿容量的集中方式3.3.1 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，补偿前的功率因数为，补偿后的功率因数为，则所需要的补偿容量的计算公式为 若要求将功率因数由提高的而小于，则补偿容量计算为 3.3.2 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，相应的有功电流为，无功电流为，补偿无功后线路中的电流为，相应的有功电流为，无功电流为，则补偿前的线路损耗为： （3-8）补偿后的线路损耗为： （3-9）则补偿后线损降低的百分值为： （3-10）若根据要求已经确定，则可求得： （3-11）则补偿容量可以按来计算3.3.3 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，线路末端电压为，线路输送的有功功率为，无功功率为，电阻为，电抗为，则 （3-12）补偿无功后，线路末端电压升为则（3-13）所以投入无功补偿后末端电压增量为 （3-14）故补偿容量 （3-15）若为三相线路，则所需的补偿容量为 （3-16）式中 三相线路的线电压增量，KV 三相线路的线电压，KV4 无功功率补装置的设计4.1 无功补偿装置简介无功功率补偿装置经过数十年的发展，形成了种类繁多的无功功率补偿装置。根据无功功率补偿装置输出是否跟踪电力系统无功功率变化来分类，分为静态无功功率补偿和动态无功功率补偿。根据无功功率补偿装置是否拥有运动部件分类，分为运动无功功率补偿和静止无功功率补偿装置。根据无功功率补偿装置开始使用的时间，可以分为传统无功功率补偿装置和现代无功功率补偿装置。根据电压等级的不同分为，可以分为低压无功功率补偿装置和高压无功功率补偿装置。根据装置本身有无自带电源分类，可以分为无源无功功率补偿装置和有源无功功率补偿装置。运动无功功率补偿装置主要有电力电容器、电力电抗器、静止无功功率补偿器、静止无功功率发生器、统一长流控制器、有源电力滤波器，其中电力电容器和电力电抗器为传统静止无功功率补偿装置，其他静止无功功率补偿装置属于现代静止无功功率补偿装置。传统静止无功功率补偿装置的最大特征是补偿容量不能随负荷无功功率容量的变化而变化，因此又称静态静止无功功率补偿装置，简称静态无功功率补偿装置。现代静止无功功率补偿装置最大的特征是补偿容量能随负荷无功功率容量的变化而变化，因此又称动态静止无功功率补偿装置。同步调相机是一种旋转机械，由于其有功功率损耗较大，运行维护复杂、响应速度慢，已逐渐退出电网运行，正在被高性能的静止无功功率补偿装置所取代。4.2 补偿控制的技术条件本次装置设计的基本技术条件：（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。4.3 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4.4 控制其原理由以上功能，可得到控制器的机构图如下 图4.1 控制器结构原理图4.5 控制硬件的选型与设计4.5.1 CPU AT89C517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：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RAM32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。4.5.2 A/D转换器选型ADC08098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4.1 8路模拟开关与输入通道的关系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN41N5IN6IN7A01010001B00110111C00001011ADC0809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500KHz，A/D转换时间为130uS。ADC0809常用的时钟电路如图 ：图4.2 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。4.5.3 微处理器监控芯片MAX813L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43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。图4.3 MAX813L与89c51接口图4.5.4 LCD显示本次设计采用1602型LCD9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。4.5.4.1外型尺寸：80X36X13（LXWXH）4.5.4.2接口信号说明1602型LCD的接口信号说明如表4.2所示：表4.2 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1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端(H/L)12D5Data I/O5R/W读写选择端(H/L)13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极4.5.4.3主要技术参数表4.3 1602型LCD的主要技术参数显示容量16x2个字符芯片工作电压4.5-5.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95x4.35（WXH）mm4.5.4.4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44所示。图4.4 AT89C51与DM-162接口电路4.5.5 模拟信号调理电路4.5.5.1 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3SPT204A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4.5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C2是400至1000pF的小电容，用来滤波。图4.5 电压互感器的IU转换运算放大器10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:超低温漂:超低失调电流:高开环增益:134dB宽供电范围:OPA2277具有连续的供电范围，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。 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,要求的输出电压为，则特性为: ：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。4.5.5.2 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： 图4.6 电流采样调理电路电容主要起抗干扰和滤波的作用，前个运放可实现转换，根据： R：输入和输出脚间的跨接电阻，调节滑动变阻器，使在 变化；第二个运放对电压进行取反，得到输出电压，从而使采样得到的电压于实际电流同向。 图4.7 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 4.5.6. 输出控制电路控制电路10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。图4.8 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。4.6 软件设计与计算4.6.1 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。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Q=.05CU2，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