关键词：两路编码柱上动态无功补偿单片机rs-232
abstract:reactivepowercompensationisaneffectivemethodtoreducethelossofpowergridandraisetheefficiencyoftransmission.thispaperanalysestheactualityofreactivepowercompensationon10kvpowerlineonpoleanddesignsanequipmentofdynamicreactivepowercompensationwhichbasedonatwo-pathcodingcontrol.thisequipmentappliesthenewtechnologyofsingle-chipcomputerandwireless,canmeasurethereal-timepowerfactorandreactivepower,andcandynamicallycompensateforthereactivepowertoratherhighaccuracy.thereisalsoafunctionoffour-remotecontrolwiththisequipment,whichcanstoretwomonthsofthehistory-dataandcansetandtransmittheparameteranddatabywayofwireless.thisequipmentisofhighvalueforincreasingthepowerfactorandreducingthelossofpowergrid.
keywords:two-pathcodingcontrol;onpole;automaticreactive-powercompensation;single-chipcomputer;rs-232interface
1.引言
功率因数和无功平衡是衡量电网质量的重要标志。我国农网普遍存在供电半径长、电压质量差、功率因数低的状况。如果无功能得到有效的平衡，不仅能大大降低电网的损耗，而且对提高电压质量具有重要的意义。但是，目前我国大部分城乡电网功率因数偏低，无功很不平衡。因此提高电网功率因数、平衡无功、提高电压质量、降低线损，是电力系统的一个重要课题。现今国内大部分的无功补偿装置都是并接电容器固定补偿，不能实现动态跟踪补偿。另还有一部分是一路动态跟踪补偿，级数太少，不能做到精补细补。因此，如何实现无功多路补偿，仍是国内外同行关注的热点。
本文设计了一种基于两路不等容编码控制投切的无功动态补偿装置，它能随电网无功的变化，实现四级补偿，基本能达到精补细补的目的，使得电网的无功平衡更科学合理，因而在农网中有着广泛的应用前景。
2.设计思想
本文主要探讨基于两路不等容编码投切无功补偿装置的控制原理以及实现的方法。在动态跟踪无功补偿装置中，如果是单组的动态补偿，就可根据电网无功以及电压的状况进行投切;如果是多组等容量投切补偿，可根据循环投切的原理去设计控制策略;如果是多组不等容投切，其控制策略就要复杂得多。森宝公司之所以研发该产品，主要是以下两方面的原因：
1)降低成本。众所周知，单组无功补偿装置不能做到精细补偿，而多组等容的装置虽能做到相对精细的补偿，但是其电容器的组数要多，每组电容器都要配备相应的开关和保护设备，这就大大增加了设备的成本，使节能降损的先期投入成本较大，也使节能降损的效益降低。如果使用不等容投切，就可大大减少设备成本，使用户的效益最大化。举例说明，要补偿300kvar的电容，级差为100kvar，如果采用等容投切，就需要3台电容器和3台开关，而如果采用不等容投切，采用补偿一个100kvar和一个200kvar的方法，就只需要两台电容器和两台开关，这就节省了1台开关和1套保护装置的费用，并且减少了故障点。信息来自:输配电设备网
2)使装置的体积减小，节省了空间，也减少故障点。高压电容器的体积相对比较庞大，而且对绝缘距离有一定的要求，电容器的组数越多，那么体积就会大大增加，这就增加了施工成本和施工难度。而且，组数越多，装置的故障点越多，使装置的维护成本增加。使用不等容投切就可以减少这些问题。
基于以上思考，本文设计了两路不等容投切的户外高压无功自动补偿装置。
3.系统结构以及控制器工作原理
图1系统工作原理图
如图1，控制柜内装有两台高压电容器和高压真空接触器，通过单片机控制高压真空接触器的开合，完成投切动作。采用高压熔断器为电容提供保护。pt采样高压电网的b、c相之间的线电压，除了提供电压信号，还为控制器和控制回路提供电源。ct采样线电流，为控制器提供电流采样信号。ct1-ct4采样电容器电流，电容器的过流保护和缺相保护提供硬件支持。控制器将采集到的线电压、线电流、电容器电流的信号进行分析、计算，经过判断，输出控制信号，控制真空接触器关合和开断。
4.控制策略
在控制方式上，装置采用了按无功投切和按功率因数投切两种方式。用户可以根据需要来选择。单就补偿的最终目的而言，笔者推荐使用无功来控制比较科学合理。
两组电容器由于其容量不等，在投切时就要考虑两个电容器的协调问题，大致来说，分为如下几个情况：
1)两组都未投入。那么则根据所选控制方式，根据实际参数量来投入合适的容量。
2)小容量电容器已投入。如果过补，则切电容;如果需要投入的容量大于小电容器而小于大电容器，那么切电容器;如果需要投入的容量大于大电容器，那么投大电容器。
3)大容量电容器已投入。如果过补，那么切电容器;如果需要投入的容量大于小电容器，那么投小电容器。
4)两个都已投入。如果过补，那么根据过补的多少，来选择切除哪一组电容器。
5控制器硬件电路设计
要实现自动控制，通常的做法是利用微控制器或处理器对采集来的数据进行计算，判断，然后再对对象进行控制。在本设计中为了使采集数据更精确，软件编程更简洁，使用新型的智能电表芯片替代了传统的adc和部分mcu的工作。在软硬件设计中注重了对动态电容器的保护，实现了10分钟保护、过流保护、缺相保护、延时保护等多种保护功能，使得系统工作更加稳定有效。
图2硬件结构图
如图2，整体电路由ad，cpu，ic器件组成。使用专用测量芯片cs5460替代了原先的adc和部分单片机的工作，通过芯片内的硬件算法得到irms、vrms、p。主cpu使用51系列芯片，其内部自带20k字节的flashrom和512字节的ram，设计中，全部采用其内部的程序存储器和数据存储器。ic器件主要包括外部扩展的一片e2prom存储器，它拥有32k字节的存储空间，用来存储参数设定值及历史数据;时钟芯片为系统工作提供时间参考;另外，人机接口模块选用了zlg7289bp键盘显示管理芯片。该芯片可以同时管理8个数码管和64个按键，采用spi总线接口，便于进行级联。系统设计还有rs-232串行通讯接口，可以上传下传数据，进行遥控遥测。
6.软件实现
本装置主要是实现按实时无功来控制电容器的投切，具体软件流程图如3所示
图3控制器软件流程示意简图
6.1功能实现。
软件必须做到以下功能：采集数据并传给cpu，然后进行算法运算并处理，发控
制命令，另外还必须有显示，通信的功能。
本装置控制器的软件通过汇编和c语言混合编程实现了以下功能：
1)采集调理后信号，计算出线路电压、电流、功率因数、有功、无功。
2)通过继电器控制真空接触器可按照无功的实时情况对补偿电容进行合理控制。控制器还具有过压、欠压、过流、速断、10min、动作次数、缺相等保护;
3)提供准确的时钟，并能存储必要的电量数据。
4)数码管显示电量数据，并可通过按键调整参数。
5)通过rs-232串口通信模块实现通信。通过无线通信能调出控制器中的实时数据和历史数据。其中历史数据包括近两个月的整点数据和近100次的动作记录。
6.2算法实现
(1)运算算法
运算算法结构如图4所示。
图4信息来源:http://tede.cn
控制器只采集线路上的一个线电压和一个相电流来对线路的电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数进行计算。电压和电流的有效值由cs5460进行硬件计算。在线路的电压和电流都为三相对称的情况下，系统的无功功率为其中φ为功率因数角。又因为比超前900，幅值相差倍，所以可得
由上式可知，只要采集ucb和ia，并将它们送入cs5460里，按照有功功率的方法进行计算，再乘以，就得到实际线路的无功功率。有了无功功率，就可以求出系统的有功功率为功率因数为φ角的正负由无功功率的正负来判断，当q>0时，φ>0，负载为感性;当q
(2)保护算法
保护算法如图5所示，程序按顺序依次判断是否执行各保护。其中，过流保护和过流速断保护判断的是电容器的电流，当电容器中任一相电流超过保护设定值时，即启动保护。信息请登陆:输配电设备网
过压保护和欠压保护以过压值和欠压值来判断是否需要启动保护。缺相保护是判断当有一相电容器电流为零时，就启动保护。当电容器进入保护状态时，装置推出控制。其中过流和缺相保护还设置了保护位，当保护位被人工清除时，装置才可重新进入控制状态。
图5保护算法
关键词：钢铁企业无功谐波SVC
1、前言
钢铁企业是传统的用电大户，也是污染大户，钢铁的产量及质量都会影响到电能的损耗。随着现代电力电子设备和非线性负荷的大量应用，使电网供电质量受到严重影响，尤其是各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干扰源，对电网的稳定造成一系列不良影响。随着低碳经济的提出，钢铁企业的节能降耗问题也日益突出，解决此问题刻不容缓。
钢铁企业用电所产生的电能质量问题是多种多样的，造成的危害非常地严重。它们产生大量的无功功率和谐波，对电网和用电设备等产生很大危害。轧机等大型三相对称负载频繁变动电机工作时，当轧机主传动采用直流调速，交-交变频调速时，轧机（咬钢）加速期间，不仅仅产生有功冲击负荷，还产生巨大的无功冲击负荷。对电网造成如下影响。
（1）引起电网电压下降及电压波动，严重时使电气设备无法正常工作使功率因数降低。
（2）产生有害谐波，主要是5，7，11，13次为主的奇次谐波及其他高频谐波，使电网电压发生严重畸变。
电弧炉，精炼炉是冶金行业的重要生产设备，是典型的非线性无规律负荷，超高功率电弧炉电极与废钢之间的短路，断弧以及电弧本身的不稳定性，造成有功功率以及无功功率的剧烈波动，从而造成严重的电压波动及闪变。电弧炉接入电网会对电网产生一系列不良影响。
（1）导致电网严重三相不平衡，产生负序电流。
（2）产生高次谐波，普遍存在如2，4次偶次谐波与3，5，7次等奇次谐波共存情况，电压畸变更趋复杂化。
（3）存在严重的电压闪变。功率因数低，生产效率低，损耗变大。
除了电弧炉和钢包精炼炉等主要用电设备外，在钢铁企业，不论是炼铁，炼钢，轧钢还是烧结，连铸等，还有大量的辅助用电设备采用交直流调速，形成分散的谐波源。
2、无功的产生及补偿装置
什么是无功功率？无功功率就是对电网向负荷传递能量没有贡献，在电网和负荷之间循环交换的能量。
什么是谐波？简言之，就是与标准的三角函数不一致的波形。一般说来，在复杂电力环境中，对于电压，电流信号采用傅立叶分解可以将这些波形分解成为工频频率为50Hz的三角函数波形的整数倍频率或分数次频率的波形的级数和的交流信号成分。
谐波的产生
随着经济的发展和技术的进步，各种电力电子器件不断成熟，带来了各种非线性负载的大规模使用。如各种可控硅，变频调速，电子调压，电解化学，矿井提升，电气化牵引等工业设备；以及常规的照明，空调，UPS，电梯，电脑及外设等商业设备。这些非线性负载的使用不可避免的会产生非正弦的谐波，污染并加大了电网的负担，进而影响其他设备的正常工作，严重时甚至会损坏设备。
无功和谐波的危害
1.无功增加供电设备容量，增加设备投资。
2.无功增加供电设备及线路损耗。加剧了变压器，电机等感性负载的铜损和铁损，导致设备的非正常发热，并影响其输出功率，增大了噪音；
3.无功影响供电电压，降低产品质量，缩短生产设备使用寿命。
4.谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，大量谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
5.谐波影响各种电气设备的正常工作。影响了各种现实，计量等仪表的精度（干扰各种通讯，监控，精密电子设备的正常工作，甚至将其烧毁；干扰各种继电保护等设备的正常工作，造成断路器的拒动或误动，扩大事故）
6.谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振。
7.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作。
8.谐波会对邻近的通讯系统产生干扰。
9.谐波会加剧集肤效应，造成电缆的发热，加剧对绝缘的破坏。造成电容器的过流，缩短了其使用寿命甚至直接造成爆炸等破坏；
10.引起晶闸管等设备的误触发，导致设备故障；
11.加大了电网的非正常损耗，加剧电网内设备的提前老化，并增大了诱发电网谐振的可能。
采用滤波装置可将畸变的波形补偿为标准的正弦波形，使非工频的三角函数波形总量低于国家标准。
现阶段主要的补偿方式是无源滤波装置和有源滤波装置两种。无源滤波装置是一个单调滤波装置，可以用来消除某一固定频次的谐波；有源滤波装置是一个应用高频电力电子开关的四象限逆变器。相比而言，有源滤波装置不仅构造原理先进，而且补偿频次广泛，补偿效果也优于单调滤波装置，补偿特性不受电网阻抗的影响，不会与电网发生谐振。有源电力滤波装置（APF，ActivePowerFilter）以并联的方式接入电网，通过高精度采样CT实时监测负载电流，转换成数字处理器可读的信号后通过一系列的运算，以PWM调制方式，控制核心的智能功率模块输出与谐波分量大小相等，相位相反的电流，达到消除谐波净化电网的目的。优势在于快速响应能力，高度的可靠性，大容量的补偿能力，简单的操作方法和结构，高性价比，节能降耗能力。
无功补偿装置主要应用在电弧炉，轧机，电气化铁路的供电系统，远距离电力传输，提升机等其他重工业负载，城市二级变电站等领域。
【关键词】供电电网；AT89C51；动态无功补偿；功率因数
0引言
目前，工矿企业对电网质量的要求越来越高，电动机、变压器等感性负载的使用量也在日益增加，大量感性负载向电网吸收有功功率的同时，还吸收大量的无功功率，这不仅降低了电网功率因数和电子设备利用率，同时也增加了电能损耗[1]。因此，本文通过在电网中安装并联电容器来补偿感性负载所需的无功功率，其目的就是为了减少电损，降低电压波动和谐波，稳定电网，提高供电可靠性。
1动态无功补偿的原理
在供电电网中，电源需向感性负载提供适量的无功功率，这就在很大程度上降低了供电设备的运行效率，造成供电线路电能大量损失。为了提高电网利用率，节约电能，本文通过在电网中安装并联电容器的方法来补偿感性负载所需的无功功率，该装置可以为感性负载提供无功功率，提高电网的功率因数，减少电能损耗，这就是无功补偿。在供电电网中，发电机输出的电功率可分为三种：有功功率、无功功率和视在功率[2]。
即功率在一个周期内的平均值。
②无功功率：在含有电感或电容的电网中，电源首先给电感或电容充电，并将电能转换成磁场或电场的能量储存起来，待充电结束后，电感或电容又将储存的能量释放给电源，在整个循环周期内，电能并没有损耗，只是在不同时刻以不同形式的能量储存在电源、电感或电容之中，我们把这种没有损耗的能量交换的振幅值称为无功功率[2-3]。
2基于单片机的智能动态无功补偿装置的方案实施
智能动态无功补偿装置是维护电力系统稳定、保护电能质量和电网安全运行必不可少的保护系统。实现的基本原理是：将容性负载与感性负载并联，电能在这两种负载之间相互转换，利用这种方法就可以实现对感性负载所需无功功率的补偿[4]。
本装置的设计电路由主控制器、A/D转换、检测电路（电流和电压检测器）、功率因数测量系统、过零触发模块、同步开关器件、人机接口电路和放电保护系统等模块组成。系统总体结构框图如图1所示。
（1）主控制器：本装置以AT89C51单片机芯片为主控制器，用于控制整个电路，并实时跟踪测量负载电压、电流、无功功率和功率因数，然后将检测到的数据进行系统分析、逻辑判断和实时控制，最后选定最佳补偿效果的补偿方式并通过指令控制过零触发模块，用以判断同步开关的导通时刻，从而可以实现快速、准确的无功补偿。
（2）检测电路：主要包含电流检测器和电压检测器，其中的多路开关可用于检测电路中负载的电流和电压，然后把采集到的电信号经A/D转换器转换为数字信号，输送给单片机主控制器，在完成数据分析和逻辑判断之后，单片机发出系统控制指令用于控制过零触发模块实现同步开关投切，从而实现无功功率的动态补偿[5]。
（3）功率因数测量系统：在功率因数测量系统中，电压、电流信号经过信号整形、同步周期测量、相位测量等计算后，把所得数据送入单片机中进行逻辑分析、判断，并得出被测电路的功率因数。这种设计既简化了功率因数测量电路的结构，又增强了检测的准确性和快速性。
同步开关器件用以控制电容器，可以使电容器的开关接点在需要的时刻准确的断开或闭合，并且可以实现电容器的无涌流投入[6]，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。同步开关器件相比复合开关器件取消了晶闸管组件，这不仅简化了器件结构，降低了生产成本，而且还避免了晶闸管组件所容易出现的故障，使开关可靠性和准确性得到了很大的提高。
3结语
基于单片机的智能动态无功补偿装置在供电电网中的运用，是针对电网中无功功率消耗大、电能损耗大、电网利用率低等问题而设计的。在实际电网中的测试结果表明，功率因数大幅提升，电网利用率显著提高，可以很好地适应电网中复杂的电路。AT89C51单片机控制芯片的高控制性能，保证了整个装置的稳定运行。采用的检测模块、功率因数测量系统和过零触发模块，在测试过程中表现良好，测量数据准确，控制性能良好。本设计适合在供电电网中运用和推广。
【参考文献】
[1]裘永卫.低压无功补偿配置方案[J].电气时代，2004（3）：38-39.
[2]DL/T5219-2005送电线路基础设计技术规定[S].国家经济贸易委员会，2005.
[3]刘雄军.关于一种新型动态无功补偿装置应用的研究与探讨[J].科园月刊，2008（6）.
[4]董国兴.李向东.王福忠.低压无功补偿电容器的投切条件分析[J].焦作大学学报，2006，20（1）.