功率因数自动调节器设计

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第38页 共47页引言随着我国经济发展和国际化能源紧张局势的加剧，加强电能质量和节能降耗的影响十分重要，这其中采取无功补偿方式提高功率因数降等都是行之有效的措施。在电力供电系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路的电能损耗及供电的经济性，供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数补偿装置具有实际的社会，经济效益。而且在电力系统中，无功功率要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统瓦解。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义。按电网无功功率补偿方式可分为串联补偿和并联补偿。并联补偿方式又可分为电容器组补偿，调电感补偿，调相机补偿的移相补偿等。本设计我们将采用并连电容器补偿，主要应用单片机技术，实现对低压电力系统的监控，完成功率因数的测量，并根据所得数据进行电容组的投切，以实现对电力系统的功率因数的补偿。无功补偿控制器是无功补偿的核心，其性能直接影响补偿的效果。它是根据检测的功率因数或无功功率，按照一定的控制规则投入/切除电容器，实现对线路进行无功补偿。在低压配电网中有相当一部分是感性负荷，它不仅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的无功功率，从而使功率因数下降，导致无功电源不足，系统电压降低，电能损耗增大，这大大影响了电网的供电能力。因此电力部门千方百计要提高系统的功率因数，除本身采取相应的措施外，更要求每个用户在其母线上进行功率因数的补偿。即借助于相关的无功功率补偿设备，及时、正确、必要的提供无功功率补偿。由于这个课题涉及面广，且有较高的经济含量和技术附加量，因此无功功率补偿设备的研究一直是国内外相关企业激烈竞争的项目之一。无功功率补偿技术近年来己越来越引起人们的关注，它是涉及电力、电子技术、电气自动化技术和理论电子等领域的重大课题。本设计着重论述了单片机和计算机控制组成控制系统进行功率因数自动补偿装置。根据部分学者对电网运行状态的调查研究得知，我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状态。有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。开始，这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的，因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更少、电压更低。各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。在这种情况下，首要的问题应该是增加无功功率补偿设备。低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。由此可见，合理配置无功电源，进行无功补偿是非常重要的，我们进行无功补偿研究是一个重要的课题。由于人工投切电容不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保持功率因数和电压质量在规定的范围，所以无功的自动控制是一个值得研究的课题。无功功率问题，根据世界各个地区电力系统近数十年来的经验，积累了大量资料，我国电力系统亦同样积累了很多宝贵的经验，广泛应用到生产实践中去是有一定重要价值的。有效的无功补偿有非常大的经济效益和社会效益，主要表现在:A.减少线路损耗。就全国讲，线路损耗约占据12%，其中主要是无功分量引起的损耗，若无功线损降低50-60%，一年便可节电500亿度左右，相当于半个三峡工程的发电量。这种不消耗一次能源，便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程。且投资极小，见效快。B.避免罚款。我国电力部及物价局“关于颁发功率因数调整电费办法通知”中规定，功率因数0.94时，减少电费1 .1%，功率因数0.6时增加电费15%。例如一个315KVA的变压器，功率因数从0.6提高到0.94以上，年奖罚差3-4万元。C.不需额外投资，便可以实现扩容。进行无功补偿后，便可提高用电承载率，变压器可满负荷运行。例如一台315KVA的变压器，cos=0 .6负荷的变压器只能提供优质服务189KW的有功功率，不能承受300KW左右的容量，需要购买一台500KVA的变压器替换。将功率因数由0.6提高到0.98，相当于扩大了63%，即有功由189KW提高到309KW可基本满足需要的容量，便节省了一台500KVA的变压器，经费约三四十万元。D.改善电能质量，延长了电器寿命，提高了产品质量。电能质量用电压和频率二个指标来进行衡量，电压的稳定性取决于无功功率的平衡。频率的稳定性取决于有功功率的平衡，而电压的稳定与否又直接影响电器寿命，影响机械加工精度。如果电压稳定性提高5%，则仅照明灯(寿命延长50%)全国一年既可节约数亿元。至于因电压不稳、供电不足而造成废品、次品、设备减寿、停产、停电等各种损失更是难以统计的。在电网运行中，因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时将会产生功率与电能的损耗，由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线路损耗与线路功率因数的平方成反比。功率因数越低，电网所需要的无功功率就越多，线路损耗就越大。因此，在受电端安装无功补偿装置，可以减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，降低线路损耗。在电力系统中要设法减小相位差，提高cos的值，称为提高功率因数；提高功率因数，以降低无功功率，减少电能损失。由下式可以看出：=若能使X1-Xc为零，则值为最小，功率因数最高，就是说如能使感抗和容抗最大限度地相互抵消，则线路中功率因数为最高。由容抗抵消感抗(反之亦然)从而减小的方法称为功率因数补偿。进行功率因数补偿可以：A.降低无功电流，减小线路及变电设备的损耗。线路损耗的功率与负载电流平方成正比，功率因数提高了，无功电流大大减小，则线路上的损耗也大大减小了。B.可以改善供电电压质量。当功率因数提高后由于容性负载的加入，使线路末端的电压比较平滑，起到了稳定电压的作用。C.提高系统的裕度。当系统的设备容量不变时，提高功率因数，相当于增加负载的容量。D.提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而是负载本身的性能及指标将不受任何影响。由此可见，提高功率因数，不但是当今能源形势的缓解之策，也是关系到国计民生的长远政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我们唯一能做的就是减少浪费，高效合理的利用它们，这才是明智之举，是我们除了寻找代替能源以外的最有价值的事情。因此我们必须重视电能的高效利用，不光在传输过程中，在使用过程中也是一样。这不仅符合经济效率的规律，还是能源科学使用的具体表现。既然我们不能给后代生产出不可再生资源，但我们可以高效使用它们，减少无谓的消耗，这跟我们为后人创造能源是同出一辙的，具有相同的深远意义。1 功率因数调控及意义本章首先介绍无功功率及功率因数的相关知识，利用理论指导简单说明了功率因数的意义，引出了无功补偿的概念。接着阐述了无功补偿装置的发展概况及无功补偿技术的发展趋势。1.1 无功功率在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率,。比如，5.5KW的电动机就是把5.5KW的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（KW）、兆瓦（MW）。无功功率比较抽象，它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。它不对外做功，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。比如40W的日光灯，除需40多瓦有功功率（镇流器也需消耗一部分有功功率）来发光外，还需80Var 左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或者千乏（kVar）。无功功率决不是无用功率，对于主要靠电磁转换工作的电器设备，它的用处很大。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靠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，若没有无功功率，则电动机就不能转动，变压器也不能变压，交流接触器也不能吸合。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。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：A当视在功率一定时，降低了发电机有功功率的输出；B.降低了输、变电设备的供电能力；C.造成线路电压损失增大和电能损耗的增加；D.造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。1.2 功率因数电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载， 电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角来表示。cos则称为功率因数。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标，三相交流电路功率因数的计算公式如式（1-1）所示： = （1-1）式中cos为功率因数；P-有功功率，KW；Q-无功功率，kVar；S-视在功率，kVA；U-用电设备的额定电压，V；I-用电设备的运行电流，A。功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。A.自然功率因数是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷（白炽灯、电阻炉）的功率因数较高，等于1，而电感性负荷（电动机、电焊机）的功率因数比较低，都小于1。B.瞬时功率因数是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。C.加权平均功率因数是指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式如式（1-2）所示： = （1-2）1.3 提高功率因数及其意义提高功率因数的方法有两种：一种是改善自然功率因数；另一种是安装人工补偿装置。要改变自然功率因数，需要从改进电气设备和结构、性能等方面入手，这是生产厂家要做的事。安装人工补偿装置，这是可以办到的，比如一台发电机，其容量Se一定，当发电机的电压和电流达到额定值时，假如电路的功率因数为cos1，则发电机输出的有功功率为下式（1-3）所示： P=Se cos1=0.5 Se （1-3）由式（1-3）可以看出，输出功率仅占发电机容量的50%，发电机未能得到充分利用。但若为了增大功率的输出，再在电路中接入一些纯电阻或电感性的负载，则又将导致发电机的输出电流超过额定值，这是不能容许的，但如在负载的两端并联一个适当的电容器C（如图1.1），则总电流I1 将减小到I（如图1.2），电路的功率因数就可以提高到cos（因为cos1），如果并联一个合适的电容，则功率因数可达到0.9，其输出的有功功率可提高到电机容量的90%，这样发电机的利用程度就大大增高了。图1.1 并联电容连接图 图1.2 电压、电流相位关系在电力系统中要设法减小相位差，提高cos值，称为提高功率因数，以降低无功功率，减少电能损失。进行功率因数补偿可以：A.降低无功电流，减小线路及变电设备的损耗。线路损耗的功率与负载电流平方成正比，功率因数提高了，无功电流大大减小，则线路上的损耗也大大减小了。B.可以改善供电电压质量。当功率因数提高后由于容性负载的加入，使线路末端的电压平滑，起到了稳定电压的作用。C.提高系统的裕度。当系统的设备容量不变时，提高功率因数，相当于增加负载的容量。D.提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而是负载本身的性能及指标将不受任何影响。由此可见，提高功率因数，不但是当今能源形势的缓解之策，也是关系到国计民生的长远政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我们唯一能做的就是减少浪费，高效合理的利用它们，这才是明智之举，是我们除了寻找代替能源以外的最有价值的事情。因此我们必须重视电能的高效利用，不光在传输过程中，在使用过程中也是一样。这不仅符合经济效率的规律，还是能源科学使用的具体表现。既然我们不能给后代生产出不可再生资源，但我们可以高效使用它们，减少无谓的消耗，这跟我们为后人创造能源是同出一辙的，具有相同的深远意义。1.4 无功补偿装置的发展概况1.4.1同步调相机传统的无功功率补偿装置是同步调相机(Synchronous Condenser-SC)。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自20世纪30年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行、维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以，现在同步调相的容量所占容性补偿容量的比例日益减少。1.4.2并联电容器无功补偿电容器也是传统的无功补偿装置，但它具有结构简单、经济、投切方便、灵活等优点，在国内外得到了广泛应用。如今，电力企业安装的并联电容器比例逐年有所增加。由于电力电容器的容量是固定的，它并不随负载要求的变化而变化，所以就要将电容器按一定的容量分组(目前有等容量分组和非等容量分组两种情况)，有了电容器分组之后，就必须引入分组投切的策略，使电容器按照无功功率或功率因数的大小进行适当的投切。1.4.3静止无功补偿装置早期的静止无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)是饱和电抗器(Saturated Reactor-SR)型的。从60年代开始，我国已有许多电力科技工作者从事低压配电网无功补偿这一课题的研究，并设计了早期的无功补偿控制器。自80年代中期以来，颁布实施按功率因数调整电费的政策后，我国电力用户在380伏配电室广泛采用了以交流接触器投切电容器的成套装置。随着电力电子技术的发展，80年代后期出现了以微处理器为核心的智能化产品，晶闸管投切电容器无功补偿装置在国内陆续出现。现在国内低压配电网无功补偿仍然以并联电容器为主，晶闸管投切电容器也得到了较多的应用，而采用自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置DSTATCOM引起了越来越多国内研究者的关注，但因其控制复杂、成本高昂等诸多因素，其实际应用还有待时日。1.5 无功补偿技术的发展趋势随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，无功补偿技术的发展趋势主要有以下几点：A.在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。B.快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方一法，如模糊控制等。C.目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，无功补偿装置不能得到广泛的应用。因此，研制高压动态无功补偿的装置则具有重要的意义，关键是解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压问题。D.由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。2 本课题任务及整体设计方案2.1 本课题的主要任务本课题的任务书如下：低压电力网中合理控制无功功率对降低线路损耗、维持电压水平、提高线路输送容量有重要的作用，广泛了解目前进行无功调节的主要技术手段及当前的应用情况，分析和设计无功功率调节的原理和实现，在设计中深入了解无功功率与电压调节的制约关系。根据配电系统的基本运行要求，设计一套无功功率控制装置：以单片机作为核心，设计无功功率控制器，用于对配电系统的功率因数进行监视、具有无功功率调节功能，当无功功率不足时，采取并联静电电容补偿；设计电容器通过自动开关控制投切的系统图，设计电容器投切控制电路原理图；设计实现静止无功自动调控的控制流程，使系统功率因数维持0.90-0.95之间。制作演示装置，选择实现控制器的某项典型功能，例如功率因数测量或电压检测，设计相应数据输出的人机接口等，自行完成装置的制作调试，提供较详细的软件流程图和硬件设计图纸。2.2 整体设计方案根据要求，本设计以10KV配电系统为对象，其简单的系统模型如下图2.1所示：图2.1 10KV配电系统图课题任务中主要任务为设计一套无功功率控制装置，此装置以单片机为核心，具有对配电系统功率因数进行测量，功率因数显示和投切电力电容器进行无功功率补偿的功能。据此要求，可以设想该方案的整体框架为下图2.2所示。图2.2无功补偿控制装置整体设计框图图2.2所示该系统硬件结构框图中，单片机AT89C51是本系统的核心，实现数据处理、输入、输出控制等功能。通过8051计算出系统功率因数，并通过LCD显示电路显示出来。把计算出的功率因数与规定的因数比较看看是否符合要求，当功率因数低于要求时，通过控制补偿电路实现对检测电路的补偿。功率补偿器的外围电路还包括电压、电流相位差检测电路，此部分电路主要用来检测电路现在的功率因数，通过比较器和由D触发电路鉴相电路把电压信号转化为数字信号；三相功率因数显示电路，主要用到LCD液晶显示器。投切电容电路中用晶闸管来作为控制开关实现柔性投切；还接上RS-232C接口，向上位机传递系统运行状态信息，以适应将来配电网控制发展趋势。为了减少外围芯片的数量，本系统也可采用一块CPLD芯片ispLS1048E，把74LS373、D触发器、与门、非门等外围器件写入其中本设计框图主要包括四大组成部分：相位差检测电路、三相功率因数显示电路、电容器组及其投切控制电路、RS-232C串行通信接口电路。其中相位差检测电路的作用是检测配电线路电压和电流之间的相位差值，结果送入单片机中进行功率因数的计算，得出当前配电线路的功率因数值。三相功率因数显示电路的作用是通过LCD来显示各相功率因数的值。电容器组及其投切控制电路的作用是电容器按照不同的容量进行分组，通过电容器组投切控制电路控制其适当容量的电容器组的投切。RS-232C串行通信接口电路的作用是留出的一个扩展接口，方便日后可能进行的与上位机进行串行通信。根据此设计框架，在下面的设计中将分章节来分别介绍相位差检测电路、三相功率因数显示电路、电容器组及其投切控制电路、RS-232C串行通信接口电路四大组成部分。2.3 单片机介绍本设计中各电路的核心器件是8051单片机，下面就单片机的主要结构及功能作一个简要的说明。A.单片机AT89C51的硬件结构下图2.3为AT89C51的硬件结构图。AT89C51单片机的内部结构与MCS-51系列单片机的构成基本相同。CPU是由运算器和控制器所构成的。运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑运算和位操作的。控制器是单片机的指挥控制部件，主要任务的识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。它的程序存储器为8K字节可重擦写Flash闪速存储器，闪烁存储器允许在线+5V电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。数据存储器比51系列的单片机相比大了许多为256字节RAM。AT89C51单片机的指令系统和引脚功能与MCS-51的完全兼容。图2.3 单片机结构框图单片机主要性能参数如下：8K字节可重擦写Flash闪速存储器1000次可擦写周期伞静态操作:0Hz-24MHz三级加密程序存储器2568字节内部RAM32个可编程I/0口线3个16位定时/计数器8个中断源可编程串行DART通道低功耗空闲和掉电模式B.单片机AT89C51的外部引脚图如下图2.4所示：图2.4 AT89C51外部引脚图AT89C51部分管脚的说明:P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/0口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接受指令字节:在程序效验时，输出指令字节。程序效验时，需要外部上拉电阻。P1口:Pl口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/0口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。此外，与AT89C51不同之处是，Pl.0和Pl.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(Pl.0/T2)和输出(Pl.1/T2EX)，具体如下表2-1所示。表2-1 P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2（定时/计数器2外部技术脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/0口，P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。在访问外部存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉电阻发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/0口，P3输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的是它的第二功能，如下表2-2所示。表2-2 P3口引脚第二功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。C.定时器.定时器0和定时器1在AT89C51中，定时器0和定时器1都是16位加法计数结构，分别由TH0(地址8CH)和TL0(地址8AH)及THI(地址8DH)和TLI(地址8BH)两个8位计数器组成。这4个计数器均属于专用寄存器之列。每个定时器/计数器都有定时和计数两种功能。.计数功能所谓的计数功能是指对外部事件进行计数。外部事件的发生以输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外脉冲进行计数。MCS-51系列的芯片有T0(P3.4)和T1(P3 .5)两个信号引脚，分别就是这两个计数器的计数输入端。外部输入的脉冲在负跳变时有效，进行计数器加1。计数方式下，单片机在每个机器周期的S5P2拍节对外部计数脉冲进行采样。如果前一个机器周期采样为高电平，后一个机器周期采样为低电平，即为一个有效计数脉冲。在下一个机器周期的S3P1进行计数。可见采样计数脉冲是在2个机器周期进行的。鉴于此，计数脉冲的频率不能高于振荡脉冲的频率不能高于振荡脉冲频率的1/24。.定时功能定时器也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲。也就是每个机器周期计数加1。由于一个机器周期等于12个振荡脉冲周期，因此计数频率为振荡频率的1/12。如果单片机采用12MHZ晶体，则计数频率为1MHZ。即每微秒计数器加1。这样不但可以根据计数值计算出定时时间，也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。.定时器2定时器2是一个16位定时器/计数器，它既可以作定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择(如表2-3所示)。定时器2有三种工作模式:捕捉方式、自动重载(向上或向下计数)和波特率发生器。如表2-4所示，工作模式由T2CON中的相关为选择。定时器2有2个8位寄存器:TH2和TL2。在定时工作方式中，每个机器周期，TL2寄存器都会加1。由于一个机器周期由12个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。表2-3 定时器2工作模式RCLK+TCLKCP/RL2TR2MODE00116位自动重载01116位捕捉11波特率发生器0不用在计数工作方式下，寄存器在相关外部输入角T2发生1至0的下降沿时增加1。在这种方式下，每个机器周期的S5P2期间采样外部输入。一个周期采样到高电平，而下一个周期采样到低电平，计数器加1。在检测到跳变的这个周期的S3P1期间，新的计数值出现在寄存器中。因为识别10的跳变需要2个机器周期(24个晶振周期)，所以，最大的计数频率不高于晶振频率的1/24。为了确保给定的电平在采样前采样到一次，电平应该至少在一个完整的机器周期内保持不变。表2-4 T2MOD-定时器2控制寄存器T2MOD地址：0C9H 复位值：00B-T20EDCEN76543210符号功能无定义，预留扩展T20E定时器2输出允许位DCEN置1后，定时器2可配置向上或向下计数(4).中断AT89C51有6个中断源:两个外部中断(INT0和INT1)，三个定时中断定时器0、1、2和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断总控制位EA，它能禁止所有中断。如表2-5所示，IE.6位是不可用的。对于AT89C51，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断。标志位也必须由软件清0。定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。表2-5 中断允许控制位符号位地址功能EAIE.7中断允许控制位，EA=0，中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定-IE.6预留ET2IE.5定时器2中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器1中断允许控制位EX1IE.2外部中断1允许控制位ET0IE.1定时器0中断允许控制位EX0IE.0外部中断0允许控制位3 相位差检测电路3.1 功率因数测量原理分析为了测量电网功率因数值，首先进行测量原理分析。在三线电路中，我们所检测的输入信号为线电压和线电流，如UCA和IB，或UBC和IA，或UAB和IC，这是它们之间的夹角和待测量角之间具有线性对用关系。现在已UCA和IB为例表明其夹角和相角之间对应关系的矢量图如下面的图3.1、图3.2和图3.3所示。图3.1 相角与关系为R性图3.2 相角与关系为L性图3.3 相角与关系为C性从图3.1-3.3中很容易看出：纯阻性时：=0，=90；感性时：=090，=90180 纯感性时：=90，=180；容性时：=0-90，=900 纯容性时：=-90，=0。从图3.4所示中可以看出，角的大小又和UCA和IB同时为负的时间长短又具有线性对应关系，并且可以得出：纯阻性时：=90，=T/4（T为电网周期时间）；感性时：=90180，=T/40 纯感性时：=180，=0；容性时：=900，=T/4T/2 纯容性时：=0，=T/2。从以上分析可以知道：只要测量出时间，便可以间接测量出相角。图3.4 R、L、C性波形图3.2 接口电路由以上分析可以知道，只要测出时间，便可以间接测量出相角。为了测量时间，而又保证测量的角有一定的精度，设计的电路图如下图3.5所示。图3.5 相位差检测接口电路由变压器TR取得UCA线电压信号和由电流互感器取得线电流IB信号均由检查器转换成相应的方波信号，电压方波信号经G1门反相后作为测量T/2脉冲的门控脉冲加至G3门输入端，由或非门G2得到UCA与IB同时为负的正极性方波脉冲作为测量时间的门控脉冲加至G4门输入端。计数脉冲是用8051的ALE脉冲四分频后获得。因ALE脉冲频率在8051执行非MOVX类指令时是稳定的，且为1/6晶振频率，用8051内部定时器/计数器T0和T1对G3与G4门输出脉冲进行计数。上述各点的波形及对应关系已经表示于图8中。图9中8051的P3.0位用来检测UCA电压过零点。当UCA从正到负过零点时，对应图8中UC（即P3.0）由0变1，两个计数器T0、T1同时开始计数；当UCA到了由负到正过零点时，UC则由1变0，计数器T0与T1同时停止计数，设T0计数器计数值为N，T1计数器计数值为n，不难得出所测的相角可按下式（3-1）计算出： =90=90 （3-1）由8051很容易完成上述计算，若进一步再完成查表程序，按角查正弦或余弦表，即可得功率因数cos。图9中a，b，c，d，e，f各点处的波形可用双线示波器观看到。用两线同时观测c和d点波形时，应与图8中UC和Ud的相对应关系一致，即UC和Ud的后沿是对齐的，当角改变时，它们的后沿始终对齐，仅Ud的前沿随角大小改变，表明线电压、线电流间信号极性配合正确。若发现UC和Ud是前沿对齐，UC后沿随角而变化，则表示极性配合不正确，只要将变压器或者电流互感器中之一反相即可纠正。3.3 测量电路程序流程图测量电路程序流程图见下图3.6所示。程序设计时，设计成了子程序的形式，执行完成后角的二进制整数在31H中，小数部分在30H中，符号在33H中；00H表示阻性或感性；80H表示容性，角的十进制结果则在32H中。cos在34H、35H中。开始执行程序时，不论UCA处于正半周、负半周、是否过零点，均可确保是从UCA由正变负过零点时开始计数，由负变正过零点时停止计数。图3.6 测量电路程序流程图4 三相功率因数显示电路4.1 LCD液晶显示器在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。由于LCD显示器在单片机系统中作为输出器件有良好的优点，因此本设计中的显示电路部分采用LCD进行显示。其优点主要有以下几点：A.显示质量高：由于液晶显示器的每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器的画质高且不会闪烁。B数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。C体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比具有相同显示面积的传统显示器要轻得多。D功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。4.2 LCD显示器原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点。液晶显示器中各种图形的显示原理：线段的显示：点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。字符的显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但对于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。4.3 LCD参数功能及初始化此设计采用的是1602LCD字符型液晶显示器显示。1602LCD的主要技术参数如下：显示容量：162个字符；芯片工作电压：4.55.5V；工作电流：2.0mA(5.0V)；模块最佳工作电压：5.0V；字符尺寸：2.954.35(WH)mm。引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4-1所示：表4-11602引脚说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光灯正极8D1数据16BLK背光灯负极1602LCD的指令说明：1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表4-2所示：表4-2 LCD控制指令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示0000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址8置数据存储器地址001显示数据存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM10要写的数据内容11从CGRAM读数11读出的数据内容1602LCD的一般初始化（复位）过程如下:延时15Ms；写指令38H（不检测忙信号）；延时5mS；写指令38H（不检测忙信号）；延时5mS；写指令38H（不检测忙信号）；以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号；写指令38H：显示模式设置；写指令08H：显示关闭；写指令01H：显示清屏；写指令06H：显示光标移动设置；写指令0CH：显示开及光标设置。1602LCD与单片机连接接口电路图如下图4.1所示：图4.1 LCD与AT89C51连接接口电路图本设计中LCD初始化程序为：void init_lcd(void)write_command(0x3c)；write_command(0x06)；write_command(0x01)；write_command(0x0c)；5 电容器组及其投切控制电路5.1 无功补偿方式的选择电容器的补偿容量与采用的补偿方式有关。补偿方式不同，补偿容量的计算公式也不相同。按电容器安装的位置不同，低压电网利用并联电容器进行无功补偿的方式有三种:低压集中补偿方式、分散补偿方式和用户终端就地补偿方式。如下图5.1所示：图5.1 无功补偿装设方式A.低压集中补偿方式目前国内较普遍采用的一种无功补偿方式是在用户专用变压器的低压母线上进行集中补偿(如图12的方式1) 。通常采用微机控制的低压并联电容器柜，容量在几十至几百干乏不等，根据用户负荷水平的波动投入相应数量的电容器进行跟踪补偿。主要目的是提高专用变压器用户的功率因数，实现无功的就地平衡，对配电网和配电变压器的降损有一定的作用，也有助于保证该用户的电压水平，这种补偿方式的投资及维护均由专用变压器用户承担。B.分散补偿方式将电容器组按需求的无功容量，分别装设在相应的母线上，或者直接与低压干线相连，形成内部的分散补偿方式(如图12中的方式2)。由于电容器分散在各用户旁，可以就近补偿主要用电设备的无功功率。由于这部分无功功率不再通过线路向上传送，从而使用户上的变压器和配电线路的无功功率损耗相应地减少，当变压器下用户较多，用户配电线路分路多而且距离较远时，补偿效益最高。C.用户终端就地补偿方式就地补偿将电容器装设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行无功补偿，也称为单独补偿或个别补偿方式(如图12中的方式3)。这种方式既可提高为用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。但这种补偿方式也有缺点。因为这种补偿电容器组的容量只能按电动机的空载电流选择，因而在电动机带负荷运行时长期处于欠补偿状态，仍需由电源端向受电端输送无功功率，配电网的无功损耗仍然存在。综合以上三种无功功率补偿方式的比较，根据分析，本设计选择采用低压集中补偿方式。5.2 无功补偿容量及分组方式的确定由前面设定的10KV配电系统知，配电系统的总容量为2000KVA。依据补偿容量计算式子计算电容器容量，计算式如5-1下： Q=S（） （5-1）由测量电路可以测出当前功率因数值，根据功率因数为0.900.95的要求，当功率因数低于0.90时，将功率因数提高到0.95，补偿电容器容量情况如下表5-1所示：表5-1补偿容量补偿前cos补偿后cos=0.95，补偿电容量（单位：kvar）0.706480.726100.745720.765320.784900.804460.824000.843520.863000.882440.901840.921180.9442根据上述计算结果和常规要求，此设计采用了10组电容器组作为投切装置，其分组方式见表5-2所示。从表可以看到，容量最大的一组电容为160kvar，最小的一组10kvar，通过不同大小电容器组合可得到不同功率因素所需的不同容量。电容器组的容量分为以下几个等级：160kvar、100kvar、40kvar、20kvar和10kvar。容量最小的一组为10kvar，一般用作分相投切，也适合实际中配电网不平衡较低的情况。由于电容器的接法有多种方式，因此要先确定电容器组的接法。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)。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偿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。综合考虑，本设计采用Y接法，能够满足三相不平衡时不同容量的分相补偿。表5-2电容器分组方式电容组别分组容量/kvar补偿方式接线方式第01组160三相Y第02组160三相Y第03组100三相Y第04组100三相Y第05组40三相Y第06组40三相Y第07组20三相Y第08组20三相Y第09组10三相Y第10组10三相Y由此可以知道，若当前测得功率因数为0.80，要使功率因数提高到0.95，并满足功率因数要求0.900.95的范围时，需要投入补偿容量为446kvar的电容，经控制电路计算并选择的组合为：第01组、第02组、第03组和第7组，投入总容量为440kvar，投入后计算出补偿后功率因数值为0.9483，可以达到功率因数0.900.95的要求。若当前测得功率因数为0.90，则通过计算，得知需要投入容量为184kvar的电容，选择组合为：第02组、第08组，共投入180kvar的容量，投入后的功率因数为：0.9488，符合功率因素要求的0.900.95的要求。根据电容器的分组方式，设计出电容器组投切的系统图如下图5.2所示：图5.2 电容器组投切系统图5.3 补偿电容器组投切的控制装置本设计中根据TSC无功补偿原理，以晶闸管作为电力电容器的投切执行元件，用8051单片机进行控制。TSC主电路结构：下图5.3为10kvar组（其它电容器组接线图与此相同）电容器主电路接线图。电容器组以星形接线方式接线，以满足分相补偿的要求。不同组的电容器容量不同，晶闸管的额定电流也不同。图5.3 10kvar电容器组主电路结构图14中控制电容器投切的无触点开关有晶闸管模块上的两只晶闸管反并联组成。当主回路施加正向电压且晶闸管的控制极有触发脉冲信号时,晶闸管导通,把电容器投入电网；而当去掉触发脉冲后,电流过零时晶闸管自然关断,从电网上切除电容器。晶闸管上并联有RC 阻容吸收电路,用于吸收开关过程中的瞬变电压和瞬变电流。在每一相中都串有快速熔断器作为快速过流保护。晶闸管电压值USCR的选择要考虑电力电容器上的充电电压,一般按式(5-2) 选择: USCR = 2K1K2U1 (5-2)式中: K1为电压裕度，这里取1.1；K2为电网电压波动系数，这里取1.1；U1为电网额定电压。晶闸管电流值ISCR一般按式(5-3)选择: ISCR = 2.5fCU110-6 (5-3)式中：f为电网电压频率；C为电容量（单位为F）。5.4 补偿装置工作原理本装置由8051单片机作为中央处理控制单元，通过检测功率因数角来判断当前功率因数值，并计算补偿电容器容量，控制晶闸管来实现多组电容器的分级投切。本装置的结构框图如图5.4所示，主要有微机系统、脉冲编码与功放单元、专用综合保护单元等部分组成。图5.4 补偿装置结构框图由框图中所示，补偿装置的原理如下：通过电压、电流采样处理单元，测出电网线路的当前功率因数值，在8051单片机中进行无功补偿的计算，计算出补偿电容器的容量值，并进行比较，按循环投切的原则选择合适的电容器组组合；确定电容器组后，单片机发出控制信号，经过脉冲编码、功放单元将信号施加到晶闸管模块单元上，控制相应晶闸管的导通与切断，进而能够控制电容器组的投切。5.5 静止无功自动调控流程功率因数要求的调控范围为：0.900.95，因此在投切的过程中要不断的测试线路的功率因数，按功率因数的要求，进行电容器的投切。控制的流程框图如下面的图5.5所示。其原理大致为：用相位检测电路检测线路的电压和电流的相位差，送入8051单片机进行功率因数的计算，算出当前功率因数值并通过LED显示电路显示功率因数的值；同时进行功率因数的比较，确定是否需要投切电容器，若需要投切电容器，则计算出投切电容器的容量大小，并按照循环投切的原则确定投切的电容器组，输出投切信号，控制电容器的投切；若