【《无功补偿控制器的硬件和软件系统设计案例》5400字】

无功补偿控制器的硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u5711无功补偿控制器的硬件和软件系统设计案例 156321无功补偿控制器的硬件设计 1212061.1总体硬件结构 142321.2硬件设计 2171561.2.1CPU主控模块 2205501.2.2相位差检测电路 3174221.2.3模拟电容投切电路 4145921.2.4LCD显示电路 5165021.2.5控制器电源模块 6127052无功补偿控制策略及其软件设计 7225702.1无功补偿控制策略 711192.1.1无功补偿控制策略 7139552.1.2补偿器参数设置 9310442.2系统软件设计 9279412.3小结 11179213性能测试与结果分析 1289903.1无功补偿器的检测方案 1213163.2测试数据及分析 1286243.3设计实物系统调试 131无功补偿控制器的硬件设计1.1总体硬件结构在电网设备选择上，合理的选择无功补偿装置，能够做到最大限度的减少网损，提高电网运行质量，增加设备的利用率，这也是电网建设中的必备考虑装置。在电力系统正常运行的过程中，一般情况下对无功的需求都是动态变化的，这种变化特点在一些局部电力系统中最为明显，尤其是在电网末端供电线路中，负载对无功的需求变化一般都会成倍数的变化，并且其变化趋势也包含快速的突变和缓慢的变化，其中突变包含了可预测的和各种不可预测的变化趋势，使得电力系统无功补偿对于精度、速度的要求都比较高。为解决以上难题，我们设计了一种基于单片机的电力系统无功就地补偿器，系统框图如图9所示，包括STC89C52控制芯片、相位差检测电路、模拟电容投切电路、采样电路等。此外还有相位显示电路。其中，散热器用于对主控芯片进行散热处理；互感器是将电压电流信号输送到检测电路中；自动投切控制器是用来对电网做出电容补偿；相位显示器是对参数的快速显示。除此之外，还有备用电源模块，熔断器模块等。图9系统结构框图1.2硬件设计1.2.1CPU主控模块设计采用了STC公司生产的STC89C52作为主控芯片，它是一种高速、高可靠、低功耗、能在线编程的CMOS8控制器。它在空闲模式下，CPU能够自动的停止工作，且同时允许定时器/计数器和中断继续工作。在掉电保护方式下，RAM内容被保存起来。此控制芯片最高运行频率为35MHz（本设计采用的是11.092MHz）。在本设计中，主要是通过接收检测电路采集到的各种参数信息，并对其进行合理分析、计算，使测量计算结果通过OLED显示器进行实时显示。同时，按照所初始设定的控制策略进行判断分析，最终得出各组电容投切的数据。设计采用的是内部时钟方式，片内XTAL1，XTAL2接口外接晶振电路。其振荡控制器的频率主要取决于晶体的振荡频率，此处采用的晶振频率是11.092MHz，其晶振低电路电容C8、C9理论可以在4～59pf之间进行选择（此处C8、C9均采用47pf），同时C8、C9的大小对振荡器的频率有细小的影响，可以起到细小调节晶振的作用。其中各个端口用于什么地方请查看附件一。本设计控制芯片CPU电路如图10所示。图10单片机最小系统电路1.2.2相位差检测电路如图11所示，在系统三相交流电中，各相交流电压相位对称，即各相电压大小相等，相位角的角度互差120°，若在输电线路等其他情况中发生相位角的变化较大时，则将导致供电系统中的电压波动，谐波增大等诸多因素。对此，本设计对其进行相位角偏差的检测，并用检测的结果与人为最初设定的上下限值进行比较，从而使输电达到理想的运行状态。对于电压的检测，采用了电压互感器对其做出了精准的电压采集，他的实质是采用大电阻分压电路设计，检测出较小的电流，将该电流转化为设备测量范围内的电压信号。采用电流互感器对电流信号进行采集，它的实质是将接入的电流通转化为设备测量范围的小电流信号，这样就完成了数据信号采集。在图11中，TLC5618是一个双波形发生模组，用于本设计电压、电流波形的模拟。引脚10用于模拟波形A，引脚9用于模拟波形B，然后采用二极管和电阻对波形进行稳定调整。由于调整前后的波形较小，因此采用了LM358对波形进行发大处理，方便编程参数设计和加快芯片处理速度。波形被放大后输出到双上升沿触发器74HC74，保证检测到正确的波形变化，确认在同一时刻不同波形的检测点相同，达到脉宽检测的必备效果。图11相位检测电路1.2.3模拟电容投切电路电压（U）、电流（I）作为电力系统中的两个重要衡量指标，其中电压更是与无功就地补偿有着密切的关系，它也影响着电能质量和功率因素的变化，因此，本系统的设计采用了三相电压中各相相位差的变化来制作，当各相位角发生偏差变化时，ADC采样模块会自动得到一个反馈回来的检测信号，同时控制器还会将该检测信号与最初设定的信号进行比较。若不满足初始设定条件，自动投切控制器就将会动作，从而自动调整电网的相位差，改变电网的功率因素。在模拟投切设备中，设置了五种投切电容的模式：（1）若相位脉宽整定值小于10000，电容全部投切；（2）若相位脉宽整定值大于10000而小于20000，电容一、二进入投切模式；（3）若相位脉宽整定值大于20000而小于30000，投切设备不动作；（4）若相位脉宽整定值大于30000而小于40000，电容二、三进入投切模式。（5）若脉宽整定值大于40000，则会实现电容无极调节，使备用电容设备做到最大化投切。模拟电容投切电路如图12所示，波形说明如图13所示：在两波形交叉的地方会出现一个脉宽，若某一时刻相位角发生变化时，此脉宽也会发生相应的改变，因此检测脉宽的大小变化就能够确定相位是否发生改变，从而确定电容投切模式。图12模拟投切电路1.2.4LCD显示电路如图13所示，由于LCD显示器制作的显示面板广泛应用于各种电气设备中，为了实现相位差的及时显示，使我们能够及时了解到电力系统的运行情况。本设计采用了LCD1602作为硬件仿真设备（实物采用OLED显示器），它能够很好的显示程序中预设的功能。该显示器是一种专门用于字母、数字、符号等功能显示的点阵式设备，同时它具有功耗低下，重量较轻，机身较薄等优良的特点，在运行过程中表现出不产生高温，极其省电的性质。如图14所示，LCD显示器在本设计中它实现了：（1）相位角偏差大小显示。（2）自动投切装置运行模式显示。（3）相位差变化大小所在阈值区域显示。图13脉宽说明图图14LCD显示电路1.2.5控制器电源模块如图15所示，在控制器的电源模块设计中，采取了开关电源的设计想法，这种设计能够实现整体投电，对电力的稳压处理等。此设计利用了LED灯对电源的投入进行可观察的判断是否投入成功，并对利用PIN-8对电源进行简要处理，达到较好的效果。图15控制器电源模块电路1.3小结本段主要介绍了电力系统无功补偿器的硬件设计部分，总体对每个模块部分的功能进行了细节讲解，使设计更佳的浅显易懂，介绍了电力系统无功补偿装置各个模块之间的链接方式，提及了每个模块的功能和实现的过程等。2无功补偿控制策略及其软件设计2.1无功补偿控制策略设计也可称为电力系统无功就地补偿器，此处根据系统的实际运行情况，研究出一种基于单片机的电力系统无功补偿器，它在保证电力系统稳定运行的前提下，对系统无功配置进行分层分区控制[6]。2.1.1无功补偿控制策略现目前对于无功补偿装置的研究进展，主要有以下几种补偿控制策略：按电压高低投切策略：在电力系统无功补偿方面，当电压低于下限值Umin时，会使得电容投切装置进行无功投入；当电压高于上限值Umax时，会使得系统切除无功补偿的电容。同时，这两种情况的发生都体现出电网的电压不稳定，长时间处在此种情况下，可能导致事故发生。因此，在我们需要根据电力系统的实际运行情况，设置出电压的保护范围，一般保证Umax按照功率因数及无功控制策略：此种补偿控制是电力系统中传统控制策略之一，它主要是根据功率因数的高低来判断如何投切电容器，当系统的功率因数低于设定范围时就会投入补偿，当系统的功率因数高于设定范围时就会切除补偿。对于功率因数较低的情况，此时系统缺少的无功很大，投入一点点无功功率就会使得系统的功率因数发生大的波动，严重时可能使得无功补偿投切产生振荡过程。因此，我们在设置无功补偿控制时需要采用功率因数与无功的结合来控制，具体控制策略如下：无功功率为负时，切除补偿器；功率因数大于上限值时，切除补偿器；无功功率大于上限值且低于功率因数小于下限值时，投入补偿器；除以上策略外，其他情况补偿器均不动作。（3）按时间顺序控制策略：在电力系统中，负荷是随着时间的变化而时刻发生变化的。所以我们可以根据系统实际运行情况，利用日负荷曲线，分时分段进行无功补偿控制。该控制策略的缺点有控制策略繁琐、适应性差、适用面窄、随时间变化控制相对难度大。（4）按电压和无功功率进行综合控制：此种控制策略可以采用九区图进行标示，它是将电网运行状态中的多种情况按照电压和无功功率进行平面划分，当系统运行状态处在九区图的任何一个位置时，都有相应的控制策略来应对并做出调整。在综合考虑以上几种无功控制策略以后，本设计选用第4种无功补偿策略。其控制策略图如图16所示图16基于九分区的控制策略简图在图16中：UmaxUminQmaxQmin表4-1电压补偿九区表[16]分区电压功率因数控制方法0区1区2区3区4区5区6区7区8区正常正常偏高偏高偏高正常偏低偏低偏低正常偏高偏高正常偏低偏低偏低正常偏高投切不动作切除电容，必要时降低输出电压切除电容，必要时降低输出电压降低输出电压降低输出电压且投入电容投切动作升高输出电压且投入电容升高电压，必要时投入电容升高电压且切除电容根据电压补偿九区表可知，当电网电压和功率因数处在九区图的任何一个位置时，都能够采取相应的措施来对电网进行降耗调整，同时采用以上补偿控制策略，能够起到消除补偿器投切振荡的麻烦，也提高了无功补偿的判断投切能力，在电网补偿的过程中起到了更好的稳定性和准确性。2.1.2补偿器参数设置要想保证在电网中无功补偿控制器的正常运行，需对其中的参数进行合理的设置，包括无功的投切上下限值、功率因数范围、延时时间长短、保护参数设置等，需根据电网实际的运行情况进行计算得出，设计主要是设置简单模拟，因此参数大部分都是简要设置[6]。2.2系统软件设计设计在软件方面采用了C语言作为程序编译语言，并利用keilC4软件进行编写，整体程序设计采用的是模块化的思路，即根据设计的相关要求，将设计划分为多个功能模块分别进行调试，最后采用接口程序进行连接。设计按照无功补偿原理可以分为以下几个模块：（1）相位检测模块：此模块主要是对电力系统中的电压U、电流I等交流量进行初步采集，并利用ADC0832芯片对采集到的数据进行分析、计算，最后把数据传输到控制中心。（2）模拟投切模块：此模块主要是根据相位检测模块传输到控制中心的数据进行判断，若判断结果在设定范围内，则会按照设定好的控制方案，对判断的结果进行及时的动作；若判断结果不在设定范围内，则电容投切模块判断为不动作。（3）OLED显示界面：此模块主要是利用OLED显示器与按键之间的联系，通过按键的调节改变设计变量，从而在显示器上实时的显示出数据的变化，同时可以很好的给到我们一个及时的数据读取。主要模块及各模块间的关系如图17所示。图17主程序模块图根据以上程序流程图，可以很清晰的分析得到，当系统上电后首先是对控制芯片STC89C52进行初始化，其目的是让内部的数据清零，确保设计的准确性。主要包括片内各个寄存器位置的设置，键盘数据初始化，中断初始化，检测软件初始化，模拟电容投切模块初始化等。当初始化结束后，程序会进入到一个无限循环当中，在该循环中根据各设定的程序来执行各相应模块。例如键盘数据处理过程中，判断是否有按键按下，若有按键按下，则会启动键盘处理函数对数据进行分析；若没有按键按下，则会直接进入下一个循环阶段。2.3小结本段介绍了《基于单片机的电力系统无功补偿器》中所设计到的控制策略和程序软件部分的设计，其采用了九区图法的方式来实现电容器的实时投切。同时设计采用了ADC0832芯片来对电力系统中的各项参数进行测量、分析和计算处理，从而起到了减轻CPU运算负担的作用，这不仅简化了电路的设计，也精简了软件的编写，同时也保证了系统在运行过程中的稳定性。3性能测试与结果分析3.1无功补偿器的检测方案首先采用proteus8.6仿真进行模拟检测，根据自己的简要构想设计出如图18所示的实物仿真图，经过程序的编写和大量的调试以后，成功模拟出电力系统中电压、电流相位差变化以后电容的正确投切。由于制作的是简易的实验功能模拟作品，故我们采用了自制的外加三相低压电源作为我们检测调试对象，具体操作如下：改变电源输出的电压相位，观察系统是否以最初设定的理想变化形式而发生变化。图18无功补偿proteus8仿真图3.2测试数据及分析通对波形图脉宽可以观察到相位变化，对比测试结果发现，