静止型动态无功补偿装置

1、静止型动态无功补偿装置摘 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，对电网末端变压器进行就地无功补偿很有必要。本文利用专用三相电能专用芯片ATT7022B为核心构成的采样控制器，实时检测电网的电压、电流，有功、无功、功率因数，根据用电负荷情况，通过51单片机控制电容器组的自动投、切，实现无功功率的无功补偿，并利用12232液晶显示器显示当前的有功、无功、功率因数等参数。关键字：功率因

2、数，无功补偿，ATT7022B，单片机Static Dynamic Var CompensatorAbstractKEYWORDS: POWER FACTOR,VAR COMPENSATE,ATT7022B,SINGLE CHIP MICROCOMPUTER目录摘 要I1 绪论11.1 无功补偿的意义11.2 静止无功补偿技术的发展21.2.1 静止无功补偿的作用与类型21.2.2 SVC装置的控制系统简介3无功补偿的类型41.3.1 课题来源101.3.2 主要研究内容112 功率因数122.1 功率因数的定义122.2 功率因数的意义12功率因数对电气设备的影响12功率因数对电力系统的影响

3、132.2.3 补偿的结果143 系统的芯片介绍163.1 DSP(ATT7022B)芯片介绍163.1.1 芯片特性163.1.2 功能简介163.1.3 电源监控电路173.1.4 系统复位173.1.5 与单片机的接口技术183.2单片机介绍20单片机的硬件20单片机的总线213.3 LCD 液晶显示器223.3.1 液晶显示器的基本特性234 硬件的系统设计284.1数据采集系统的设计284.1.1 基本理论284.1.2 ATT7022B的外围电路294.2 控制器的硬件设计30系统的基本工作原理314.2.2 无功电流的检测及补偿容量的确定314.2.3 时钟和复位电路的设计314

4、.2.4 键盘和液晶显示电路324.2.5 电源电路的设计344.2.6 投切电路的控制设计354.3系统的特点36结论37致谢38参考文献39国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。尤其是近两、三年来，由于电力负荷增长迅猛，而发电装机容量和输配电能力不足，造成全国近20个省市电力供应紧张，部分省市出现限电拉闸 1。与此同时，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高；电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性。电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗

5、，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。无功功率从何而来？显然，发电机提供的无功功率相对负荷和网络对无功功率的需求来说只是“杯水车薪”，仅仅依靠发电机提供无功功率也是极不经济的。无功功率最主要的来源是利用各种无功功率补偿（以下简称无功补偿）设备在电力系统的各个环节进行无功补偿。因此，无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。低压电力用户量大面广，其负荷的功率因数又大都比较低，因此在低压电网中进行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿的重要环节。低压电

6、网的无功补偿主要采用并联电容器进行，它包括固定电容器（FC）补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维持无功平衡，要求无功补偿设备实行补偿，即要根据无功负荷的变化及时投切电容器。以往的低压动态无功补偿设备以机械开关（接触器）作为电容器的投切开关，机械开关不仅动作速度慢，而且会产生诸如涌流冲击、过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都容易损坏。据调查，我国过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用3年后损坏率达75。随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，出现了智能型的动态无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无

7、功器件（电容器、电抗器）的控制或开关器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置（SVC：Static Var Compensator）。SVC是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的更新换代产品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。1.2.1 静止无功补偿的作用与类型对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能： （1）对动态无功负荷的功率因数校正。 （2）改善电压调整。 （3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 （4）降低过电压。 （5）减少电压闪变。 （6）阻尼次同步振荡。 （7）减少电压和电流的不平衡。应当指出，以上这些功能虽然是相互关

8、联的，但实际的静止无功补偿装置往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负载的补偿效果（负载补偿），有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标（输电补偿），而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是两者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功补偿装置，则要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏。早期的无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机能进行动态的无功补

9、偿，至今在无功补偿领域中还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但同步调相机是一种旋转的机械被静止无功补偿装置（SVC）所取代。SVC近年来获得了很大发展，已广泛用于输电系统和供电系统的无功补偿。早期的SVC是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题，因而未能占据SVC的主流。采用并联电容器进行无功补偿有一系列的优点，因而在电力系统的无功补偿中获得广泛应用。随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管开始用于SVC装置中，出现了晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）这两种基本结构型式的SVC，以及它们的

10、混合装置，如TCRTSC、TCRFC等。使用晶闸管对无功器件（电容器和电抗器）进行投切或控制的优点是响应速度快，可以频繁投切。因此，使用晶闸管的静止无功补偿装置近年来发展很快，静止无功补偿装置（SVC）这个词往往专指使用晶闸管等电力电子开关器件的静止无功补偿装置。1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（EPRI）的支持下，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corp）制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置。

11、由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，自20世纪80年代以来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据静止无功补偿装置的主导地位。1.2.2 SVC装置的控制系统简介SVC控制系统由位于远程通过网络连接的远程主机、上位机、监控保护系统以及位于现场的下位机DSP控制器、TCR脉冲发生板、TSC脉冲发生板等组成，如图21所示。远程主机是指通过互联网络与上位机进行相连接的工控机，通过网络可以监控位于不同地域SVC运行状态、实时数据进行查看、修改、记录存盘。上位机指的是一台远离现场的工控机，它通过串口与下位机进行通信，并且通过局域网与现场的监测系统进行相连，其主要作用就是根据用

12、户或设备调试人员的要求，修改控制算法、计算控制参数、定制控制方式，并将这些信息传递给下位机：同时，上位机也可以通过和监测系统通信，对现场设备的运行情况进行实时监测，从而在远程对现场的SVC装置进行控制。监控保护系统主要功能是通过与上位机进行实时通讯，并根据预先设定的保护阀值进行判断系统是否正常运行，如果有超过保护阀值的还有根据其保护的等级判断其是报警、装置与系统脱离等。总之，监控保护系统就是时刻监控并保护整个SVC装置在正常的运行范围之内。下位机指的是位于现场的SVC控制器，它是整个SVC控制系统的重中之重。SVC控制器由三个部分构成：DSP主控制板、TCR脉冲发生板和TSC过零触发板。其中D

13、SP主控制板根据上位机的参考设定及系统运行状态确定SVC应当输出的TCR相位信号和TSC的投切指令；TCR脉冲发生板根据DSP主控制板输出的移相角信号和同步电压信号发出高频的电脉冲信号；TSC过零触发板则根据DSP主控制板输出的投切指令产生投切电容器的高频电脉冲信号。 图1.1 SVC装置的控制系统组成1.2.3无功补偿的类型1同步调相机调相机是电网中最早使用的无功补偿装置。调相机的基本原理与同步发电机没有区别，它不发有功功率只输出无功电流，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相机也没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。调相机的工作是通过改变激磁电流的大小来实现无功功率的调节

14、。当增加激磁电流时，其输出的容性无功电流增大。当减小激磁电流时，其输出的容性无功电流减小。当激磁电流减小到一定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调相机的损耗。当激磁电流进一步减小时，输出感性无功电流。在系统电压偏低时，过励磁运行供给无功功率而将系统电压调高；在系统电压偏高时，欠励磁运行吸收系统多余的无功功率而将电压调低。调相机容量大、有较大的过负荷能力、对谐波不敏感、可以双向、连续调节：能独立地用调节励磁来调节无功的大小；并且具有当电网电压下降时输出无功电流自动增加的特点。但其价格高，效率低，运行成本高；起动、运行、维修复杂；动态调节响应慢：不适应太大或太小的补偿；发生失磁故

15、障时将加重系统的电压波动。2并联电容器补偿并联电容器补偿是目前应用最广的一种无功补偿方式，其电压等级和补偿容量可以通过电容器的串联、并联来实现，理论上可以达到任何的电压等级和补偿容量。由于没有旋转部件，因此运行时基本上没有噪声。并且目前随着无功补偿电容器技术的发展，高压电容器的损耗率已降至0.05以下，又有调相机的有功损耗满载时所占额定功率的1.85.5，50额定负载时占2.99，25额定负载时高达515，而且自愈式电容器其自身都有自愈能力使得其可靠性大大提高。1999年底全国电网调相机与并联电容器容量之比已达l：25.6左右。由于电容器阻抗与频率成反比，因此对于系统中的高次谐波呈现低阻抗，易

16、于系统阻抗形成串并联谐振，对系统中的谐波进行放大。同时由于大量谐波的流入易引起电容器的过负荷运行，使电容器发热超过设计值，减少电容器的使用寿命。并联电容器补偿具有功率损耗小、投资少、可自动投切、维护简易、容量可任意选择等特点，但不能连续调节、负荷调节特性差，这是由于当无功负荷增大，电容器的补偿容量与电压的平方成正比()，因电压下降而无功输出减小，故调压效果下降：对系统中的高次谐波有放大作用，在谐波电流过大时，可能引起内部过热，严重时甚至引起爆炸。3并联电抗器并联电抗器调压主要用在超高压(330kV及以上)系统的线路上，其主要功能是：吸收容性电流，补偿容性无功，使系统达到无功平衡；削弱电容效应，

17、限制系统的工频电压升高及操作过电压。其不足之处是容量固定的并联电抗器，当线路传输功率接近自然功率时，会使线路电压过分降低，且造成附加有功损耗，但若将其切除，则线路在某些情况下又可能因失去补偿而产生不能允许的过电压。4静止无功补偿器静止无功补偿器(SVC)是用户电力技术(Customer Power，CusPow)的一种，是20世纪70年代初期发展起来的新技术。“静止”是针对旋转的同步调相机而言的，国内多称其为动态无功补偿器，这是针对固定电容器组(Fixed Capacitor，FC)而言。SVC是通过控制晶闸管的导通角来快速调节并联电抗器的大小或投切电容器组。它对调节负荷功率因数、稳定和平衡系

18、统电压、消除流向系统的高次谐波电流、平衡三相负荷等有显著的作用14J。将它装设于高压输电系统可用以控制长距离输电线路甩负荷、空载效应等引起的动态过电压，改善系统的暂态稳定性，抑制系统的无功功率及电压振荡。它具有价格适中，性能可靠等特点。SVC最基本的两种类型结构为晶闸管相控电抗器型(Thyristor Phase Controlled Reactor，TCR)和晶闸管投切电容器型(Thyristor Switched Capacitor，TSC)。TCR和TSC可以相互之间组成TCR+TSC，或者与FC组成TCR+FC和TCR+TSC+FC等混合型结构，对于负载补偿绝大多数采用TCR+FC型。

19、以下就各类型结构及其特点进行说明。5TCR型TCR是由一对相反极性并联的晶闸管(串)和控制的电抗器串联组成。其电路原理图及电流波形如图1.2所示。Thl与Th2为两个反并联的晶闸管。图1.2 TCR的电路图和电流波形在电压的每个正的或负的半周期中，从电压峰值到电压过零点的问隔内，触发晶闸管(串)，承受正向电压的晶闸管(串)导通，电抗器进入投入状态。一般用控制角口来表示晶闸管(串)的触发瞬间，它是从电压过零点到触发时刻的角度，它的大小决定了流过电抗器电流f的大小，相当于改变电抗器的电抗值。如果晶闸管(串)在电源电压峰值时准确地导通，即其脉冲触发相角为90时，为完全导通，此时回路电流i与晶闸管短路

20、时相等，电流基本上是无功的。滞后于电压约90，其中包含少量的同相分量，这是由电抗器和晶闸管(串)的有功损耗引起的。当为90180时晶闸管为部分导通，此时i要小于90时的值以公式表达为：式中，UTCR的交流端电压有效值；电抗器的基频电抗，；晶闸管导通角；将式(11)用傅立叶级数展开，可得f的基频分量为:因此，改变的大小就控制了回路基频电流的大小，即控制了回路的基频感性无功输出的大小。对基波而言，晶闸管控制的电抗器可以看成一个可控电纳，其等效的电纳值和控制角口的关系如下:图1.3 与之间的关系曲线与，之间的关系曲线如图1.3所示。基于这种关系的控制就叫做相控。TCR通常有六脉冲电抗器及十二脉冲电抗

21、器两种类型。6TSC晶闸管投切电容器由一对相反极性并联的晶闸管(串)与电容器以及一电抗器串联而成。其电路原理图及工作特性如图1.4所示，根据负载感性无功功率的变化，切除或投入电容器组。 图1.4 TSC电路原理及工作特性曲线用反极性并联的晶闸管(串)作为投切电容器组的开关，它比断路器开关响应更迅速，可靠性更高。电抗的作用是防止电容器突然投入时电流变化率di/dt在晶闸管可以接受的程度以内。用晶闸管(串)投切电容器组时，通常选取晶闸管阀两端电压过零点作为触发晶闸管的时刻，大大降低合闸涌流和合闸过电压。在晶闸管两端电压为零时刻给予晶闸管触发脉冲，使其导通，电容器被投入；停止发出脉冲，晶闸管在电流过

22、零时自然关断，电容器被切除。TSC的优点是TSC中的电容器只有投入(晶闸管导通)和切除(晶闸管不导通)两个状态，所以不产生谐波，但无功功率的补偿容量是跳跃的，大小等于单个电容器组的容量，且响应速度较差。在负荷产生谐波电流大的场合，如冶金企业、电气化铁道等，TSC的运行将是不可靠的，因为谐波的注入使得并联电容器出现过流、过压及过热情况而导致电容器击穿、“鼓肚”甚至爆炸事件。7TCR+TSC混合型TCR+TSC混合型SVC装置一般使用拧组电容器及一组晶闸管相控电抗器，其基本运行原理是：当系统电压低于设定的运行电压时，则需根据需要补偿的容性无功量，投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差(即过补偿)

23、，此时再用晶闸管相控电抗器的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率；而当系统电压高于设定的运行电压时，则切除所有的电容器组，TCR+TSC混合型SVC装置此时只有TCR运行。其原理及电压电流特性曲线示于图l.5所示。这种型式的SVC装置，TCR的运行特性会“插入”电容器特性之间。如果TCR的特性有一个小的J下斜率，则合成的特性将如图中的实线所示。从图中可知，TCR的电流额定值应当稍大于一组电容器在额定电压下的值，否则就会得到图中阴影所示的死区。图l.5 (TCR+TSC)原理图和可能的工作特性曲线8TCTTCT是一种特殊TCR，如图1.6所示，由晶闸管控制高漏抗变压器的二次侧电流。高漏抗

24、变压器的漏抗可达70以上，晶闸管接在变压器二次侧，并联均流时可承受大的电流，而变压器一次侧可接至高电压的母线上。由于TCT的漏磁很大，因此必须加强变压器箱体对漏磁的屏蔽。而当TCT用于电弧炉等三相不平衡负荷的无功补偿、并将TCT作成三相变压器型式时，其铁芯必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁心磁路。但由于高漏抗变压器造价较高，在工程上一般大于30MVar的SvC多不采用TCT而采用TCR。图l.6 TCT原理图9静止无功发生器静止无功发生器(Static var Generator，SVG)也被称为静止同步补偿器(STATCOM)，是在20世纪80年代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置。图1.

25、7所示，为SVG的基本构成，它由直流电容、电压型变流器和与系统连接的变压器构成。装置中6个可关断晶闸管(GTO/IGBT)分别与6个二极管反向并联，适当控制GTOlGBT的通断，可以把电容器C上的直流电压转变成为与电力系统电压同步的三相交流电压，装置的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压就可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与SVC相比，SVG的响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更小，尤其重要的是，电压较低时SVG仍可向系统注入较大的无功电流。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因

26、此它的直流储能元件(电容器)只需要较小容量的电容即可。图l.7 SVG系统原理图和电压电流特性曲线与SVC相比，SVG的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。此外，SVG装置用铜和铁较少，且有优良的补偿特性，因此是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。1.3.1 课题来源本课题是针对国内现有的电容器自动投切装置存在下列问题而提出的：（1）采用接触器或断路器作投切开关，无法实现零电压（电网电压与电容器电压之差）投切，这样会产生很大的涌流冲击，容易损坏电力电容器和投切开关等设备。（2）采用机械开关投切无法实现分相投切，

27、这样在三相负荷不平衡时达不到补偿效果，并可能出现某些相过补偿。（3）投切判据单一，通常根据以下五种方法之一来对电容器进行投切：电网电压高低、无功功率方向、功率因数大小、负荷电流大小、昼夜时间划分。很明显，这种投切方式无法做到最优化补偿，有时还会出现过补偿。以功率因数作为投切判据的无功补偿装置，在小负荷情况下会出现投切振荡。 主要研究内容1.功率因数的检测技术。2.无功补偿的控制方案。3.专用芯片DSP(ATT7022B)的技术性能、与单片机的接口及读写技术。4.单片机自动补偿控制方案。2 功率因数2.1 功率因数的定义在交流电路中，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

28、，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。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。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然

29、仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是电能的计量标准。 (2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有功功率(叫千瓦)及电抗性的无功功率。功率因数是有功功率与视在功率间的比率。功率因数越高，有功功率与视在功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 (3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。无功功率补偿能

30、使两个峰值逐渐接近在一起，从而提高系统运行效率。2.2 功率因数的意义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，它等于 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为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

31、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

32、损失。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

33、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。 补偿的结果根据检测自然平均功率因数在0.700.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。

34、1、节省企业电费开支。提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。2、提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低

35、设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。 3、降低系统的能耗。补偿前后线路传送的有功功率不变，P= IUCOS，由于COS提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便，可认为U2U1从而导出。即,这样线损 P减少的百分数为：当功率因数从0.700.85提高到0.95时，由(2)式可求得有功损耗将降低20%45%。 4、改善电压质量。以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失U为：U=（PR QX）/Ue10-3(KV) 两部分

36、损失：PR/ Ue输送有功负荷P产生的；QX/Ue输送无功负荷Q产生的；配电线路：X=（24）R，U大部分为输送无功负荷Q产生的变压器：X=（510）R QX/Ue=(510) PR/ Ue 变压器U几乎全为输送无功负荷Q产生的。可以看出，若减少无功功率Q,则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。因此，无功补偿能改善电压质量（一般电压稳定不宜超过3%）。但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是很不经济的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，调压只是一个辅助作用。3 系统的芯片介绍3.1 DSP(ATT7022B)芯片介绍目前的常用的功率因数的检测方法：任意两相的电压与

37、另一相的电流之间的相位差。存在的问题：因为存在高次谐波的作用，过零检测时存在多个零点，使检测的结果不准确，甚至导致错误的判断。有的资料指出进行滤波处理，但这样会使电压产生相移，导致结果不准确。三相电能专用芯片ATT7022B采用的是DSP基波分离技术，能够精确测量三相的有功、无功、视在功率、功率因数等参数，无须计算，能够满足系统的需要，利用已有的成果可以避免重复劳动。 芯片特性高精度,在输入动态工作范围(1000:1)内,非线型测量误差小于0.1%；有功测量满足0.2S、0.5S，支持IEC 62053-22，GB/T17883-1998；无功测量满足2级、3级，支持IEC 620533-23

38、，GB/T17882-1999；提供基波、谐波电能以及总电能测量功能；提供视在电能测量功能；提供正向和反向有功/无功电能数据；提供有功、无功、视在功率参数；提供功率因数、相角、线频率参数；提供电压和电流有效值参数；有效精度优于0.5%；提供电压、电流相序检测功能；提供三相电压、电流矢量和之有效值输出；提供电压相序检测功能；提供电流相序检测功能； 提供三相电流矢量和之有效值输出；提供三相电压矢量和之有效值输出；提供电压夹角测量功能；提供失压判断功能；具有反向功率指示；提供有功、无功、视在校表脉冲输出；提供基波有功、基波无功校表脉冲输出；合相能量绝对值相加与代数相加可选；内置温度测量传感器；可准确

39、测量到含21 次谐波的有功无功和视在功率；支持增益和相位补偿；小电流非线性补偿；具有SPI 接口 方便与外部 MCU 通讯；适用于三相三线和三相四线模式；单+5V供电。 功能简介(1) 是一颗高精度三相电能专用计量芯片 适用于三相三线和三相四线应用；（2）ATT7022B 集成了六路二阶 sigma-delta ADC 参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电。（3）ATT7022B 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。

40、（4）ATT7022B 支持全数字域的增益、相位校正、即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。（5）ATT7022B可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校。（6）ATT7022B 提供两类视在能量输出，RMS视在能量以及PQS视在能量，CF3和CF4 也可被配置为视在能量脉冲输。ATT7022B提供一个 SPI 接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。所有计量参数都可以通过SPI 接口读出。（7）ATT7022B内部的电压监

41、测电路可以保证加电和断电时正常工作。. 电源监控电路 ATT7022B片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源AVcc进行监控。电源电压低于4V时，芯片将被复位。这有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。如图3.1所示，为保证芯片正常工作应对电源去耦，使AVCC的波动不超过5V。图3.1 电源监控原理图 系统复位ATT7022B提供两种复位方式，硬件复位和软件复位。硬件复位通过外部引脚 RESET完成，RESET引脚内部有47K电阻上拉，所以正常工作时为高电平，当RESET出现大于20us的低电平时，ATT

42、7022B进入复位状态，当RESET变为高电平时，ATT7022B将从复位状态，进入正常工作状态。软件复位通过SPI口完成，当往SPI口写入0xD3命令后，系统进行一次复位，复位之后ATT7022B从初始状态开始运。ATT7022B在复位状态下SIG为高电平，当ATT7022B从复位到工作状态之后，大约经过500us左右SIG将从高电平变为低电平，此时芯片开始进入正常工作状态，方可写入校表数据，一旦写入校表数据之后SIG又会立刻变为高电平。如3.2图所示，为ATT7022B的复位时序图。图3.2 ATT7022B的复位时序图 与单片机的接口技术ATT7022B内部集成了一个SPI串行通讯接口。

43、ATT7022B的SPI接口采用从属方式工作，使用2条控制线和2条数据线：CS、SCLK、DIN和DOUT，如图3.3。图3.3 ATT7022B与单片机的接线图CS：片选（输入脚），允许访问串口的控制线。CS 由高电平变为低电平时表示SPI 操作开始，CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束。所以每次操作SPI时CS必须出现下降沿，CS出现上升沿时表示SPI操作结。DIN：串行数据输入(输入脚)，用于把用户的数据(如数据/命令/地址等)传输到ATT7022B。DOUT：串行数据输出(输出脚)，用于从ATT7022B寄存器读出数据。SCLK：串行时钟(输入脚)，控制数据移出或移入串行口的传输

44、率。上升沿放数据，下降沿取数据。SCLK下降沿时将DIN上的数据采样到ATT7022B中，SCLK上升沿时将ATT7022B的数据放置于DOUT上输。考虑SPI传输信号线有可能受到干扰或者出现抖动，所以在SPI信号线上串联一个小电阻。这个电阻与IC输入端的寄生电容C结合起来可构成一个低通滤波器，可以消除SPI接口信号上的任何振荡，一般使用10-100的电阻。如果数字输入端的内部电容不够大，还可在这个输入端加一个外接电容，可选10pF左右的电容。芯片与单片机一般有6条线一条RESET复位控制线，一条握手信号SIG。上图中的四条使SPI接口线，SPI通讯格式使相同的，当通讯开始时SCLK为低电平，

45、CS由高到低，经过32个时钟脉冲SCLK表示送出8位地址，24位数据，MSB在前，LSB在后，CS由低变高，完成一个寄存器的读或写操作。芯片在时钟的下降沿从DIN线上取单片机送出的数据，在上升沿从DOUT线上向单片机送出数据。SPI读操作的时序图如3.4所示。图3.4 ATT7022B读操作的时序图在SCLK低于200KHz 时，可以不需要等待，即等待时间为0s；当SCLK频率高于200KHz时。则需要等待大约3us。SPI写操作的时序图如3.5所示。图3.5 ATT7022B写操作的时序图3.2单片机介绍单片机在集成度、功能、性能、体系结构方面都有了飞速发展，已能集成一个完整的功能强大、性能

46、优良的计算机应用系统。但目前国内许多单片机应用单位仍停留在采用片内无ROM等低档单片机的状态，无论在系统设计上、使用维护上、经济效益上这都是不合算的。这种状况必须改变。本文就单片机的发展现状进行综述，希望能对提高国内单片机技术的应用水平有所促进。单片机的硬件单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存储器、IO接口等而构成的微型计算机。因主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。单片机的核心是中央处理器CPU。用超大规模集成技术把CPU集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器、微控制器和微型计算机三者的关系十分密切。目前

47、，单片机在工业测控领域中已占重要地位。各电气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代、产品智能化的重要工具。全世界单片机的生产厂家有30多家，能生产60多个系列，1000多个型号的产品。产量大，仅1996年的产量就达18亿片。1、单片机的特点单片机问世以来所走的路与微处理器是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此，单片机有着自已的特

48、点，主要是：品种多样，型号繁多。品种型号逐年扩充以适应各种需要。使系统开发者有很大的选择自由。CPU从4、8、16、32到64位，有些还采用RISC技术；提高性能，扩大容量。集成度已达200万个晶体管以上。总线工作速度已达数十微秒。工作频率达到30MHz甚至40MHz。指令执行周期减到数十微秒。存储器容量RAM发展到1K、2K，RO M发展到32K、64K；增加控制功能，向外部接口延伸。把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存储器和IO接口外，还有AD、PWM、U ART、TimerCounter、DMA、Watchdog、Ser

49、ial Port、Sensor、driver、还有显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成一个完整的功能强的计算机应用系统；低功耗。供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。工作电流从mA级降到A级。在生产工艺上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS过渡；应用软件配套。提供了软件库，包括标准应用软件，示范设计方法。使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。使有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品；系统扩展与配置。有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。此外，还特别配置有传感器，人机对话 、网络多通

50、道等接口，以便构成网络和多机系统。 单片机的总线一直以来，单片机没有自己的专门的总线标准，通常是由著名厂家推出自己产品时配套设计的。如MC S51系列单片机就设计有完善的三总线结构（地址总线AB，数据总线DB，控制总线CB），要构成不同的单片机应用系统是方便的。虽然，单片机可以归结为工控机的一种，而工控机的成熟主流总线是STD总线，但单片机却没有完全执行STD总线标（IEEE961），而以控制总线差别较大。这里只论及完全根据单片机的特点，按照控制系统网络及多机系统的需要而设计的串行接口总线。有了此总线，多个单片机就能以一定的拓朴结构组成多种系统，弥补了在网络控制方面的不足。单片机应用系统涉及多

51、种多样的外部设备或系统的互连和通信，有必要在单片机与外部芯片间插入有通信功能的接口。这样做的好处是：（1）串行总线连线少，结构简单，安装调整方便。在传送速度不太高的场合，串行总线是可取的；（2）总线接口部分已集成到芯片中，系统可以按功能模块直接联接；（3）故障诊断排除十分简单；（4）可利用软件库进行安装，减少软件开发时间；（5）取消外部接口电路，外部接线少，体积小，可靠，价廉。目前已生产出多种产品，但仍未有正式批准的国际标准。常见的有以下几种总线：IIC总线（InterIntegrated Circuit）。这是Philips开发的一种内部双向二线串行总线。一为串行数据总线。另一为串行时钟总线

52、。线上设备可用软件寻址，且可自动冲突仲裁 。标准传送速率100kbits，最大400kbits适于非高速系统。BIT总线。这是Intel开发的一种分布式机间通信的串行总线。通过RUPI44系列的串行接口单元，可实现点对点、多点主从、环形网三种链路结构的通信。外同步速率24MBs（点对点，多点），10MBs（环形网）。MicroWire总线。这是国家半导体开发的一种三线串行接口总线。一为数据输出线，二为数据输入线，三为时钟线。线上只有一台机为主机，其余为从机。MicroWireplus是增强型。各型号功能各异。SPISCI总线（串行输入接口串行通信口）。由Motorola开发。SPI为并行同步总

53、线（两条串行数据线，一条串行时钟线）通过SPI的互连可构成各种应用系统。SCI为异步通信接口。VESA总线（Video Electronics StandardAssociation）。由视频电子标准协会等多家公司联合推出的全开放模块式的局部总线。又称VESALocal总线，简称VL。此总线支持高速视频处理，总线宽32位，数据线可扩至64位。数据传输率132MBs。适于多媒体场合。CAN总线（Controller Area Network）。这是一种单片机外部串行总线。采用多元竞争式结构。按设定仲裁字的方式进行总线仲裁。是网络系统的一种重要总线型式。此外，还有Signetics公司的芯片内部的

54、DDB总线等。1995年末，世界上最新开发的Intel公司的总线产品compact PCI被介绍给我国的工控，而该类产品在我国目前仍处于初创研发阶段。作为归结为工控机类的单片机，如何彻底解决设备共享问题 ，从而加入现场控制系统（FCS）中，一直是工控界关注的问题。 在当今社会，单片机还是十分流行的MCU，经过不断的完善功能比以前更加强大，并且价格便宜，实用性强。3.3 LCD 液晶显示器在本系统中采用的是12232 液晶显示器来显示各个参数，其比LED数码管显示有以下优点：1.数码管显示在有的情况下显示不清楚，而LCD在光照较强的情况下显示的更清楚，在光暗的情况下有液晶功能，也能够看清显示的数

55、据。2.数码管容易损坏，经常更换，而液晶显示可靠性高，稳定性好，比较耐用。 液晶显示器的基本特性1、液晶驱动IC基本特性1、具有低功耗、供应电压范围宽等特点。2、具有16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动。3、具有2560位显示RAM（DD RAM），即8084位。 4、具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置。2、模块基本特性视域尺寸：，60.518.0mm（12232-1/-2）,54.818.3mm（12232-3）；显示类型：黄底黑字；LCD显示角度：6点钟直观；驱动方式：1/32 duty，1/6 bias；连接方式：导电胶条，铁框； 补充说明：模块外观尺寸可根据用户的要求进行适度调整。3、工作参数1、逻辑工作电压（VDD-VSS）：2.46.0V2、LCD驱动电压(Vdd-Vlcd)：3.013.5V3、工作温度(Ta)：055（常温） / -2070（宽温）4、保存温度(Tstg)：-10704、电气特性1、输入高电平(Vih)：3.5Vm