低压无功补偿控制器的设计

.34/37中工信商2013-JX16-本科毕业论文〔设计低压无功补偿控制器的设计系〔部信息工程系专业自动化学号201207022141学生姓名崔民正指导教师贺焕林提交日期20XX月日.TOC\o"1-3"\h\u目录18820第一章1317891．1研究背景1220711．2无功补偿装置的发展状况112101．3本课题主要研究的内容419260第二章无功补偿的原理5106912．1无功补偿的原理6162532．2低压电网中的几种无功补偿的方式8215222．3确定补偿容量的几种方法961352．3．1从提高功率因数需要确定补偿容量9323972．3．2从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量9200792．3．3从提高运行电压需要来确定补偿容量10175462．4本章小结107906第三章硬件设计11204983．1无功补偿装置的技术要求11228563．1．1补偿控制应符合技术条件1138453.1.2测量精度11170613.1.3控制器原理1136953．2硬件介绍1219233．2．2A/D转换器选型1455333．2．3看门狗1649303．2．4LCD显示1798963．3模拟信号调理电路19314613．3．1互感器信号转换及电流—电压转换电路19308693．3．2电压、电流采样及信号处理电路20243843．4输出控制电路21243803．5本章小结222493第四章软件设计23306064．1投切原则23245864．2功率因数计算24253404．3本章小结2628267第五章总结与展望2729438参考文献281426致谢2928188附录1：硬件结构图 304127附录2：软件程序 30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公司生产的低电压,高性能的CMOS8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DesignoflowvoltagereactivepowercompensationcontrollerAbstractWhatthisarticlestudiesisbasedonthealterationofreactivepowercompensationoflowvoltage,thendesignanequipmentforreactivepowercompensationoflowvoltage.Asakindofreactivepowercompensation,thisequipmentisbasisontheelectricalnetworkmonitordata,andprovidesreactivepowerforcity’slowvoltagepowergrids.Thisthesishasdiscussedtheimportanceofthereactivepowercompensationforthepowergrids,andintrodudedthehardwareandsoftwareofthecontroller.Thisdevice'shardwarecoreisAT89C51SCM,whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeed.ThismonolithicintegratedcircuitisthelowvoltagewhichAmericanATMELCorporationproduces,ahighperformanceCMOS8monolithicintegratedcircuits;Onthesoftware,Usingassemblylanguagetocompile,Followtheprincipleofmodular,Toimprovethedegreeofversatilityandeasymaintenanceofthesystemdesign;Theman-machineoperationcontactsurfaceusestheLCDdemonstration,thedemonstrationeffectisquitegood;A/DtransformationusesADC0809,itisasectionofquitepracticalA/Dswitchingdevice.Thisequipmentmaytracktheelectricalnetworkreactivepowerthechangeandtheautomaticcompensation,andthisinstallmenthasthevolumetobesmall,theprecisionishigh,thepricecomparedtothehighermerit.KeyWords:ReactivepowercompensationSCM<SingleChipMicyoco>Lowvoltage.第一章1．1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。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。20XX,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20XX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,采用无功功率补偿后,把电力网总负荷的功率因数提高到,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20XX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,提高到,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,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。1．2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<ThyristorSwitchedCpacitor>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。图1-1TSC型无功补偿装置主回路2．FC-TCR<Fixedcapacitor-ThyristorControlledReactor>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中的可控硅的延迟角。可以从到范围内变化。补偿器的电流,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。图1-2FC-TCR型无功补偿器的主回路3．静止调相机ASVC<AdvantageStaticVarCompensator>,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。1．3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。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。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2．1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：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RX——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：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：。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：式中：,其中有功线损的计算公式为： R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。2．1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2．2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。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,功率因数也由提高到。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2.4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。2．2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。2．3确定补偿容量的几种方法2．3．1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2．3．2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： 补偿后的线路损耗为： 则补偿后线损降低的百分值为： 若根据要求已经确定,则可求得： 则补偿容量可以按来计算2．3．3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 补偿无功后,线路末端电压升为则 所以投入无功补偿后末端电压增量为 故补偿容量 若为三相线路,则所需的补偿容量为 式中——三相线路的线电压增量,KV——三相线路的线电压,KV2．4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。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。3．1无功补偿装置的技术要求3．1．1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。. 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。3.1.2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3.1.3控制器原理由以上功能,可得到控制器的机构图如下图3.1控制器结构原理图3．2硬件介绍 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机,片内含4Kbytes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MCS—51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MCS—51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：0Hz—24MHz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 P3.0RXD〔串行输入口 P3.1TXD〔串行输出口 P3.2/INT0〔外部中断0 P3.3/INT1〔外部中断1 P3.4T0〔记时器0外部输入 P3.5T1〔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。3．2．2A/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3.18路模拟开关与输入通道的关系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A010101O1B00110011C00001111ADC0809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3.2ADC0809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A／D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0—1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。3．2．3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3．3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3.3MAX813L与89c51接口图3．2．4LCD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D0~D7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。 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3.21602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9D2DataI/O2VDD电源正极10D3DataI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS数据/命令选择端〔H/L12D5DataI/O5R/W读写选择端〔H/L13D6DataI/O6E使能信号14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正极8D1DataI/O16BLK背光源负极 3．主要技术参数表3.31602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>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3．4所示。图3.4AT89C51与DM-162接口电路3．3模拟信号调理电路3．3．1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C2是400至1000pF的小电容,用来滤波。图3.5电压互感器的I—U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: 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。SCT254AK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。3．3．2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3.6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： ,—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。3．4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。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。3．5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。4．1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,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时,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图4.1单片机程序流程图4．2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,电压的有效值U是加在电阻R上单位时间内所做的功,其U数学表达式[2]是：即： 将上式在时间上进行离散,就得到U的离散表达式： 式中：——电压采样周期中的第个采样点的值 对电流有效值有相似的离散表达式： 式中：——电流采样周期中的第个采样点的值 由上两式可得视在功率 有功功率P的定义为：单位时间内,电压和电流所作的不可逆的功,其数学表达式是：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:式中：——采样周期内的第个电压采样值——采样周期内的第个电压采样值 电网的功率因数受电压和电流相位差,波形畸变以及三相不对称等因素的影响。三相不对称路的功率因数和含谐波的非正弦电路的无功功率情况较为复杂且没有科学而统一的定义,故在此只考虑三相对称电路的功率因数和无功计算,测量时仅对两相间线电压和另一相电流进行采样,采样的电压为,采样电流为,每个周期的采样点数为,则计算公式如下： AC相间的线电压为：B相的线电流： 三相有功功率：视在功率： 无功功率： 功率因数：4．3本章小结本章主要讨论的单片机控制和处理数据的基本原则,本次设计采用三相共同补偿,所以在此只考虑三相对称电路的功率因数和无功计算。但由于实际的电网情况并不是理想状态的,所以本次采用的计算存在一定的误差。第五章总结与展望无功补偿技术在边沿科学如电力电子技术和微电子技术发展的推动下,在电力系统领域取得了很大的发展,形成了多种补偿方式。本文在对无功补偿技术进行分析的基础上,针对传统无功补偿装置的缺点提出了一种新型的智能无功补偿控制器,该装置适合对大用户进行无功补偿,也就是随器补偿,其优点如下: 1、装置结构简单,通过硬件软件配合,稳定性高,用单片机控制,可实现真正的智能控制,具有很高的性价比。 2、采用LCD显示,可实时显示电压、电流和功率因数等数据。 3、控制策略比较合理。该策略既考虑到无功补偿对电容容量需求,又考虑到稳定电压质量的要求,比如在高电压区间的只切不投原则和在低压区间的只投不切原则。 今后本控制器在以下几方面还有待提高: 1、优化采样电路,使采样数据更为精确。 2、采用较高档的CPU系统,升级A/D位数,使控制器的电网监测功能到进一步的完善,也可使控制系统实现实时检测实时控制。 3、采用更简便准确的无功计算方案和更多组数的电容器组,使软件更为简便,控制更加精确。 4、可外接存储装置,用于存储电压、电流等数据,这样有助于对电网的电能质量进行评估。 总之,无功补偿目前在我国还是很有发展潜力的行业,其技术还有待于进一步的深究和提高。参考文献[1]方向晖．中低压配电网规划与设计基础［M］．北京：中国水利水电出版社, 2004：56~89．[2]刘黎明,刘涤尘,史进．智能式动态无功补偿装置的研究[J]．电力情报, 1998,22<3>：45～89.[3]南余荣,李刚,鲁聪达．基于单片机的复合开关及其在低压无功补偿中的应用 [J]．现代电子技术2004,28<15>：15～67.[4]吴启富,王主丁．配电网无功综合优化的补偿模型及其应用[J]．XX电力技术,1994：106~110．[5]刘凤君．市电电能质量补偿技术［M］．北京：科学出版社,2005：69~111．[6]胡秀娟．浅议低压电网无功补偿的几种方法[J]．电力与能源．20XX35期．[7]梅丽凤,王艳秋．单片机原理及接口技术[M]．北京：清华大学出版社,2004： 55~102．[8]刘焕平,韩树新．ADC0809和AT89C51的一种接口方法[J]．XX师范专 科学校学报．2002-6．[9]丁毓山．单片机与无功补偿[M]．XX：XX大学出版社,2006：86~121．[10]康华光,陈大钦．电子技术基础［M］．高等教育出版社,2004：10~15[11]彭沛夫,张桂芳．微机控制技术与实验指导[M]．北京：清华大学出版社.,2005：152~157．[12]胡汉才．单片机原理及其接口技术［M］．清华大学出版社,2004：155~159．[13]Kundur,Tom．Powersystemstabilityandcontrol[M]．NewYork,USA： McGraw-Hill,1994：124～241．致谢本文是在贺焕林老师精心指导下完成的。贺焕林老师以严谨求实的治学态度对我产生重要影响。他渊博的知识和敏锐的思维给了我深深的启发。从他哪里不仅学到了专业知识,还学到了分析问题和解决问题的思考方法。 另外,在论文的完成过程中,还得到了同学的帮助。在平时学习和课题完成过程中,得到了他们各种形式的帮助,教我使用画图软件,公式编辑,解决疑难问题,给我提供相关的资料,在这里对他们表示真诚的感谢。 在一次感谢帮助过我的老师和同学！附录1：硬件结构图附录2：软件程序/*程序入口*/ ORG0000H;主程序地址入口 LJMPMAIN;COL1EQUP2.5 COL2EQUP2.6 COL3EQUP2.7/*分时采样程序*/MAIN: CLRP2.1 CLRP2.2 CLRP2.0;欲选IN0通道 SETBP2.2 ;ALE出现上升沿,选中IN0通道 SETBP2.2 ;START出现上升沿,ADC0809复位 NOP NOP NOP NOP NOP JNB P2.3,$ ;沿时10uS后,检测EOC MOVA,P0 ;EOC=1时,读取A/D转换结果 MOVR7,A ;IN0的A/D转换结果存于R7 SETBP2.0 ;欲选IN1通道 SETBP2.1 NOP NOP NOP NOP NOP JNB P2.3,$ MOVA,P0 MOVR6,A ;IN1的A/D转换结果存与R6CJNER7,#04H,LR ;大于04H,则LR JMP NEXT1LR: MOVCOL1,#0B MOVCOL2,#0B MOVCOL3,#0B JMPMAIN ;跳转到开始指令/*运算主程序*/NEXT1: MOVA,R7 ;电压扩大10倍 MOVB,#10H MULAB 相乘 MOV08H,A ;电压存入08H中 MOVA,08H MOVB,A MULAB ;相乘得到积BA MOV10H,#00H ADDB,10H ;相加并存入B MOV10H,B MOV11H,#00H ADDA,11H ;相加并存入A INCNEXT2 ;无进位则NEXT2 INCA ;A加1 MOV11H,A ;电压平方放到10H11H中NEXT2: MOVA,R6 MOV09H,A ;电流存09H MOVB,A MULAB ;得到积BA MOV12H,#00H ADDB,12H ;相加并存入B MOV12H,B MOV13H,#00H ;13H清0 ADDA,13H ;相加并存入A INCNEXT3 ;无进位则NEXT3 INCA ;A加1 MOV13H,A ;电流平方放到12H13H中NEXT3: MOVA,08H MOVB,09H MULAB ;相乘 MOV14H,#00H ADDB,14H ;相加存入B MOV15H,#00H ADDA,15H ;相加存入A INCNEXT4 INCA MOV15H,A ;有功功率放到14H15H中NEXT4: MOVA,00H INCA MOV18H,#00H ADDA,18H ;相加存入A MOV18H,A/*延时子程序*/DELAY: MOVR5,#1H ;延迟1ms子程序Y3: MOVR5,0FFHY4: NOP DJNER5,Y4 DJNZR4,Y3 RETCHECK: CJNE18H,#63H,START ;采样小于100次,则继续采样/*除法子程序*/CF1: MOVA,10H ;电压平方/100 MOVB,11H MOVR5,B MOVR4,A MOVR7,#64H D457: CLRC MOVA,R4 SUBBA,R7 JCDV50 SETBOV ;商溢出 RET DV50:MOVR6,#08H ;求平均值〔R4R5／R7－→R3 DV51:MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA MOVR4,A MOVF0,C CLRC SUBBA,R7 ANLC,/F0 JCDV52 MOVR4,A DV52: CPLC MOVA,R3 RLCA MOVR3,A DJNZR6,DV51 MOVA,R4 ;四舍五入 ADDA,R4 JCDV53 SUBBA,R7 JCDV54 DV53:INCR3 DV54:CLROV RET MOVR2,#00HPF1: MOVA,R2 ;对商开平方 ORLA,R3 JNZSH20 RET ;被开方数为零,不必运算 SH20:MOVR7,#00H ;左规次数初始化 MOVA,R2 SH22:ANLA,#0C0H ;被开方数高字节小于４０Ｈ否？ JNZSQRH ;不小于４０Ｈ,左规格化完成,转开方过程 CLRC ;每左规一次,被开方数左移两位 MOVA,R3 RLCA OVF0,C CLRC RLCA MOVR3,A MOVA,R2 MOVACC.7,C MOVC,F0 RLCA RLCA MOVR2,A INCR7 ;左规次数加一 SJMPSH22 ;继续左规ZY1: MOV10H,#00H ;电压有效值存入10H11H中 MOV11H,#00H MOVA,R2 MOV10H,A MOVB,R3 MOV11H,BCF2: MOVA;12H ;电流平方/100 MOVB;13H MOVR5,B MOVR4,A MOVR7,#64H D457:CLRC MOVA,R4 SUBBA,R7 JCDV50 SETBOV ;商溢出 RET DV50:MOVR6,#8 ;求平均值〔R4R5／R7－→R3 DV51:MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA MOVR4,A MOVF0,C CLRC SUBBA,R7 ANLC,/F0 JCDV52 MOVR4,A DV52: CPLC MOVA,R3 RLCA MOVR3,A DJNZR6,DV51 MOVA,R4 ;四舍五入 ADDA,R4 JCDV53 SUBBA,R7 JCDV54 DV53:INCR3 DV54:CLROV RET MOVR2,#00H/*开平方子程序*/PF2: MOVA,R2 ;对商开平方 ORLA,R3 JNZSH20 RET ;被开方数为零,不必运算 SH20:MOVR7,#00H;左规次数初始化 MOVA,R2 SH22:ANLA,#0C0H;被开方数高字节小于４０Ｈ否？ JNZSQRH ;不小于４０Ｈ,左规格化完成,转开方过程 CLRC ;每左规一次,被开方数左移两位 MOVA,R3 RLCA OVF0,C CLRC RLCA MOVR3,A MOVA,R2 MOVACC.7,C MOVC,F0 RLCA RLCA MOVR2,A INCR7 ;左规次数加一 SJMPSH22 ;继续左规ZY2: MOV12H,#00H MOV13H,#00H MOVA,R2 MOV12H,A MOVB,R3 MOV13H,B ;电流有效值存入12H13H中 MOVA,12H ;取电流整数部分 MOVB,10H ;取电压整数部分 MULAB MOVR6,B MOVR7,7 MOVR2,#00H MOVR3,#00H MOVA,14H MOVR4,A MOVA,15H MOVR5,A DIVD:CLRC;比较被除数和除数CF3: MOVA,R3 SUBBA,R7 MOVA,R2 SUBBA,R6 JCDVD1 SETBOV ;溢出 RET DVD1:MOVB,#10H;计算双字节商 DVD2:CLRC;部分商和余数同时左移一位 MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA