無(wú)功補(bǔ)償自控方案在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用比較

摘要 簡(jiǎn)述了無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑蚝鸵饬x、補(bǔ)償途徑和方式。研究了傳統(tǒng)電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方案、基于單片機(jī)控制技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償自控方案以及基于PLC控制技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償自控方案等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理。并對(duì)其性能和電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行比較，為電力設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞 無(wú)功補(bǔ)償；單片機(jī)控制補(bǔ)償；PLC控制補(bǔ)償

1 無(wú)功補(bǔ)償概念
    隨著經(jīng)濟(jì)、科技的快速發(fā)展，企業(yè)大量采用異步電動(dòng)機(jī)和變壓器，大型可控硅裝置的應(yīng)用和大功率沖擊性負(fù)荷的存在，使得電力系統(tǒng)功率因數(shù)變低，電壓波動(dòng)增大。安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬翘岣吖β室驍?shù)以減少設(shè)備容量和功率損耗以及穩(wěn)定電壓和提高供電質(zhì)量，在長(zhǎng)距離輸電中提高輸電穩(wěn)定性和輸電能力以及平衡三相負(fù)載的有功和無(wú)功功率。
    根據(jù)補(bǔ)償安排方式不同，無(wú)功補(bǔ)償可分為：集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償3種。集中補(bǔ)償裝設(shè)在企業(yè)或地方總變電所6～35 kV母線上，補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止補(bǔ)償器等，目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數(shù)、提高終端變電所的電壓及補(bǔ)償主變的無(wú)功損耗。分散補(bǔ)償裝設(shè)在功率因數(shù)較低的車間或村鎮(zhèn)電所的高壓或低壓母線上。這種方式與集中補(bǔ)償有相同的優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)功容量較小。分散補(bǔ)償通常采用10 kV戶外并聯(lián)電容器安裝在架空線路的桿塔上或另行架桿進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到降損升壓目的。因其具有投資小，回收快，補(bǔ)償效率高，便于管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適用于功率因數(shù)較低且負(fù)荷較重的長(zhǎng)配電線路。就地補(bǔ)償適宜裝設(shè)在異步電動(dòng)機(jī)或電感性用電設(shè)備附近，既能提高用電設(shè)備供電回路功率因數(shù)，并且能提高用電設(shè)備的電壓質(zhì)量。《供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50052—2009)指出：在環(huán)境正常的建筑物內(nèi)，低壓電容器宜分散設(shè)置。故對(duì)企業(yè)和廠礦中的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，即隨機(jī)補(bǔ)償。針對(duì)小區(qū)用戶終端，由于用戶負(fù)荷小，波動(dòng)大，地點(diǎn)分散，無(wú)人管理，因此需開(kāi)發(fā)一種新型低壓終端無(wú)功補(bǔ)償裝置。
    根據(jù)補(bǔ)償控制方式的不同又可分為：電子式自動(dòng)控制補(bǔ)償、單片機(jī)控制補(bǔ)償及PLC控制補(bǔ)償?shù)榷喾N。電力設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制方案(要求：智能型控制，免維護(hù)；體積小，易安裝；功能完善，造價(jià)較低)對(duì)于提高供電安全性、降低生產(chǎn)及用電成本意義斐然。

2 典型無(wú)功補(bǔ)償自控方案
2．1 電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方案
    傳統(tǒng)的電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方案由分立元件組裝如圖1所示，分立元件組裝的自動(dòng)控制系統(tǒng)包括相位和電流檢測(cè)單元、無(wú)功運(yùn)算及比較單元、投切控制單元及電容器組等。投切開(kāi)關(guān)多采用交流接觸器。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品元件多、設(shè)備體積龐大、線路復(fù)雜維修困難、可靠性差，響應(yīng)速度較慢，在投切過(guò)程中會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊涌流，使用壽命短。個(gè)別使用單位由于設(shè)備無(wú)法修復(fù)，僅單靠人工手動(dòng)進(jìn)行控制。

2．2 單片機(jī)控制技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償方案
    一種典型的基于ATmega16單片機(jī)控制技術(shù)的無(wú)功自控方案如圖2所示，系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、AVR處理模塊、控制補(bǔ)償模塊、液晶顯示模塊和鍵盤(pán)等模塊組成。其中，芯片ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而可減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度間的矛盾。此外，ATmega16AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器將直接與運(yùn)算邏單元(ALU)相連接。使得一條指令可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)伺時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大幅提高代碼效率，且具有比普通CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。該控制方案就是充分利用了ATmega16芯片高速的運(yùn)算能力和先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)來(lái)完成無(wú)功功率的快速檢測(cè)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和配變檢測(cè)的功能。

    AVR處理信號(hào)的過(guò)程是：首先對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣取得的信號(hào)進(jìn)行FFT算法運(yùn)算處理(計(jì)算功率因數(shù)、電壓、電流、有功功率等)。隨后判斷電壓是否過(guò)壓或欠壓，電流是否低于零，并根據(jù)結(jié)果決定是否要逐步切除電容器。計(jì)算無(wú)功功率需要補(bǔ)償?shù)臄?shù)值，且做出投切決策和輸出投切指令。
    系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各功能模塊設(shè)計(jì)為信號(hào)采集模塊、電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算模塊、電容器控制投切模塊、鍵盤(pán)與顯示模塊等四個(gè)獨(dú)立的編程調(diào)試程序塊，既便是程序的移植和修改仍方便系統(tǒng)調(diào)試和連接。
    例如，目前常用的WBB礦用隔爆型無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置就是由單片機(jī)為核心的控制器通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電力系統(tǒng)無(wú)功功率和電壓、電流，分組投切電容器，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的補(bǔ)償。裝置可實(shí)時(shí)顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負(fù)載電流、無(wú)功功率、溫度、諧波百分比及電容器投切狀態(tài)。并可實(shí)時(shí)在線設(shè)置變比、投入門(mén)限、切除門(mén)限、過(guò)電壓、欠電壓、諧波百分比上限、無(wú)功功率上下限等參數(shù)。
    另一種基于ADμc812的單片機(jī)的智能無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作穩(wěn)定、適用性強(qiáng)。主要芯片有：ADp μc812、8255、ADM202，電容器的投切控制元件采用大功率的過(guò)零型固態(tài)繼電器SSR，由于該元件本身封裝有過(guò)零觸發(fā)模塊且自行工作不需CPU控制，既滿足了補(bǔ)償電容無(wú)沖擊電流投切的要求，同時(shí)仍有效地克服了執(zhí)行元件采用晶閘管控制模塊所帶來(lái)的控制復(fù)雜及易受干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作的弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的工作原理是：控制器在上電初始化后即打開(kāi)INTO中斷，過(guò)零檢測(cè)模塊在相電壓正向過(guò)零時(shí)刻產(chǎn)生中斷觸發(fā)脈沖的下降沿，系統(tǒng)進(jìn)入中斷。系統(tǒng)在中斷程序運(yùn)行過(guò)程中測(cè)得電網(wǎng)無(wú)功電流及基波電壓的有效值，從而計(jì)算出電網(wǎng)無(wú)功功率的盈缺量。系統(tǒng)以此盈缺量并輔之以電網(wǎng)電壓作為投切判據(jù)，控制固態(tài)繼電器動(dòng)作，投入或切除補(bǔ)償電容器，從而達(dá)到補(bǔ)償無(wú)功功率的目的。

2．3 基于PLC控制的無(wú)功補(bǔ)償自控方案
    PLC是以微機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置。圖4所示的電氣結(jié)構(gòu)圖是在傳統(tǒng)繼電器接觸器自控系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造的基于PLC控制技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償自控方案。原系統(tǒng)的主回路、相角檢測(cè)電路、輸出電路、穩(wěn)壓電源繼續(xù)采用，而加、減法電平轉(zhuǎn)換與延時(shí)電路、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、可逆計(jì)數(shù)器、清零電路、譯碼器等硬件電路的控制功能用PLC實(shí)現(xiàn)。由于相角檢測(cè)電路的輸出信號(hào)較弱，不足以驅(qū)動(dòng)PLC的輸入，所以該信號(hào)要經(jīng)放大處理后，作為PLC的輸入信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，利用PLC的軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。原輸出電路中的三極管開(kāi)關(guān)電路，用PLC的輸出繼電器實(shí)現(xiàn)。由于受到PLC輸出點(diǎn)容量的限制，加入中間繼電器作為輸出電路。

    控制程序流程如圖5所示。采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，層次分明，結(jié)構(gòu)清楚。檢測(cè)模塊隨時(shí)采集用電系統(tǒng)的相角信息，隨后與給定參數(shù)進(jìn)行比較，如不滿足要求，及時(shí)投入或切除補(bǔ)償電容器，保證用電系統(tǒng)的功率因數(shù)滿足設(shè)定要求。

    圖6所示是西門(mén)子S7—200PLC在無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。系統(tǒng)利用PLC內(nèi)部的時(shí)鐘日歷可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)投切，當(dāng)檢測(cè)電路或模擬單元發(fā)生故障時(shí)，可按照實(shí)時(shí)時(shí)間自動(dòng)投切。當(dāng)檢測(cè)、設(shè)定、過(guò)壓保護(hù)線路故障時(shí)，可通過(guò)軟件編程來(lái)避免系統(tǒng)誤動(dòng)作，防止故障擴(kuò)大。當(dāng)系統(tǒng)故障或PLC故障時(shí)，軟件仍能保證系統(tǒng)停止輸出，避免誤動(dòng)作。

3 無(wú)功補(bǔ)償自控方案比較
    通過(guò)上述分析可看出，傳統(tǒng)電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方案，響應(yīng)速度慢、線路復(fù)雜，可靠性差。基于單片機(jī)控制技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償自控方案抗干擾能力較差，在中、高壓無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域的可靠性不易保證。此外，電壓等級(jí)越高的變電站其輻射范圍、故障的波及面越大。而基于PLC控制技術(shù)的無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償方案具有組態(tài)方便、便于擴(kuò)展、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、線路簡(jiǎn)單以及安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及成套無(wú)功補(bǔ)償裝置首選方案。

4 結(jié)束語(yǔ)
    選擇最優(yōu)化的無(wú)功補(bǔ)償方案對(duì)提高功率因數(shù)、降低線損率、減少設(shè)計(jì)容量、減少建設(shè)投資意義重大，其直接影響著供、用電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。文中用比較法，抓住電力無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)地研究了電力無(wú)功補(bǔ)償?shù)湫图夹g(shù)方案實(shí)施過(guò)程，以期為電力設(shè)計(jì)及工程技術(shù)人員提供技術(shù)支持和幫助。