單片機(jī)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

摘　要：介紹一種以8031單片機(jī)為核心構(gòu)成的無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器。該控制器采用先進(jìn)的技術(shù)跟蹤配電線路無(wú)功功率的變化，對(duì)多級(jí)電容器組進(jìn)行自動(dòng)投切，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路無(wú)功功率的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

為了提高供電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少電能損耗和穩(wěn)定受電端電網(wǎng)電壓，在用戶側(cè)的低壓配電系統(tǒng)中均設(shè)有無(wú)功補(bǔ)償控制器。它根據(jù)檢測(cè)的功率因數(shù)或無(wú)功功率，按照一定的控制規(guī)則投／切電容器，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路無(wú)功功率的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。根據(jù)用戶的要求和依據(jù)電力部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們研制開(kāi)發(fā)了單片機(jī)無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器。該控制器可以控制八組電力移相電容器；具有反時(shí)限特性、過(guò)電壓保護(hù)功能和工作狀態(tài)指示等。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1．1　系統(tǒng)框圖和原理簡(jiǎn)介

控制器以單片機(jī)為核心，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1所示。單片機(jī)通過(guò)電壓、電流取樣電路和A／D轉(zhuǎn)換電路測(cè)得負(fù)載電流、電網(wǎng)電壓以及電流、電壓的相位差，通過(guò)計(jì)算得到功率因數(shù)和需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率。然后根據(jù)每組電容器的容量、電網(wǎng)電壓和反時(shí)限特性進(jìn)行判斷、決策，輸出控制信號(hào)至隔離、驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)電氣隔離和功率放大，控制電容器組的投運(yùn)或者退運(yùn)。狀態(tài)指示電路用于電容器組投切情況、電網(wǎng)過(guò)電壓和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)等指示。自啟電路在單片機(jī)非正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生一個(gè)自復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)恢復(fù)運(yùn)行正常程序。

1．2　各部分電路和控制功能的實(shí)現(xiàn)

控制器的電原理圖見(jiàn)圖2所示。D1、D2、D6構(gòu)成一個(gè)基本的單片機(jī)系統(tǒng)：D6是MCS－51系列單片機(jī)8031，D1是外接程序存儲(chǔ)器，放置運(yùn)行程序。Z、C13、C14是8031內(nèi)部時(shí)鐘電路的外接元件。D17、V38及其外圍阻容元件構(gòu)成一個(gè)受控振蕩器，單片機(jī)正常工作時(shí)，P3．5送出頻率約為2Hz的方波信號(hào)，使振蕩器停振，D17的輸出（引腳3）為低電平；而工作不正?；?ldquo;死機(jī)”時(shí)，P3．5的輸出信號(hào)不同，將使振蕩器起振，產(chǎn)生的振蕩脈沖使單片機(jī)復(fù)位而恢復(fù)正常工作。

TA（變流和電氣隔離）、C6（去干擾）、R3（I／V轉(zhuǎn)換）、V2（半波整流和限壓）、R2和RP1（分壓）構(gòu)成電流取樣電路，使交流大電流變成半波電壓信號(hào)，送給D3的“IN1”端。TV（降壓、電氣隔離）、C7（去干擾）、R4（限流）、V3（半波整流）、R5和RP2（分壓）構(gòu)成電壓取樣電路，使交流大電壓變成半波小電壓信號(hào)，送給D3的“IN0”端。

A／D轉(zhuǎn)換器使用逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器件0809，精度為8位，最快轉(zhuǎn)換速度100／μs，內(nèi)有多路模擬開(kāi)關(guān)，能對(duì)八路模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)分時(shí)A／D轉(zhuǎn)換。“B”端是多路開(kāi)關(guān)的地址選擇線之一，為“0”時(shí)，對(duì)電壓信號(hào)（IN0）A／D轉(zhuǎn)換。為“1”時(shí)，對(duì)電流信號(hào)（IN1）A／D轉(zhuǎn)換。START是啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入線，下降沿啟動(dòng)內(nèi)部電路，開(kāi)始A／D轉(zhuǎn)換。EOC為轉(zhuǎn)換完成輸出線，輸出“1”時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE為允許輸入輸出線，為“1”時(shí)把數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)總線。啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器可用指令：　

取數(shù)可用指令：
　　MOVX　A，＠R?。〝?shù)據(jù)送A寄存器）

組件A1～A8是八路隔離、驅(qū)動(dòng)電路。光電耦合器有很強(qiáng)的電氣隔離能力，使單片機(jī)等弱電系統(tǒng)與強(qiáng)電系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離。單片機(jī)的輸出口P1．0～P1．7為高電平時(shí)，光電耦合器V4～V11中的光敏管呈低阻值，使晶體管V12～V19導(dǎo)通和繼電器KD1～KD8吸合，驅(qū)動(dòng)電力移相電容器組的投運(yùn)，發(fā)光二極管V28～V35發(fā)光指示：?jiǎn)纹瑱C(jī)的輸出口P1．0～P1．7為低電平時(shí)，則繼電器釋放、發(fā)光二極管熄滅、電容器組退運(yùn)。發(fā)光二極管V1作直流5V電源指示，V36作電網(wǎng)過(guò)電壓指示，V37作系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指示。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)中的程序存儲(chǔ)器D1只有寫入相應(yīng)的程序后，控制器才能運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)所要求的功能。程序可采用如圖3所示的框圖。

初始化程序使將要使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器清零或者放入設(shè)定數(shù)據(jù)：置P1．0～P1．7口為”0”，使所有電容器組退運(yùn)；置P3．1、P3．3口為”0”，使指示燈熄滅。

電壓檢測(cè)程序進(jìn)行電壓測(cè)量，并對(duì)每次電壓測(cè)量值進(jìn)行分析，找出電壓過(guò)零點(diǎn)，記下過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間。由于被測(cè)信號(hào)是正弦半波，其有效值可以用峰點(diǎn)值或者半波內(nèi)的平均值代替（平均值比峰點(diǎn)值準(zhǔn)確）。如果20～40s時(shí)間內(nèi)電壓持續(xù)高于正常值，則作為過(guò)電壓處理。電流檢測(cè)程序與電壓檢測(cè)程序相似。

根據(jù)電壓、電流的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間差得到其相位差，再通過(guò)計(jì)算或查表求得cosΦ（功率因數(shù)）和sinΦ，把電壓、電流、sinΦ和系數(shù) 這四者相乘，就得到需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率量，然后將此與電容器組的功率進(jìn)行比較，決定是否投切電容器組。

投切電容器組要體現(xiàn)反時(shí)限特性，即如果偏差值較大，相應(yīng)地縮短兩次動(dòng)作的間隔時(shí)間。

在計(jì)時(shí)、相位檢測(cè)和對(duì)自復(fù)位電路輸出一定頻率的方波過(guò)程中，都需要一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。這可以使用8031內(nèi)部定時(shí)器，在程序安排中采用中斷方式。

3　結(jié)束語(yǔ)

采用單片機(jī)控制電路對(duì)多組電力移相電容器進(jìn)行自動(dòng)投切，從硬件軟件兩方面來(lái)提高可靠性和穩(wěn)定性，大大提高了性能價(jià)格比。具有過(guò)壓、低流、過(guò)補(bǔ)、欠補(bǔ)等異常情況的自動(dòng)判斷與處理功能；整個(gè)控制過(guò)程靈活，操作簡(jiǎn)單，能使線路功率因數(shù)控制在所需范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償；不僅減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還大大提高了供電質(zhì)量，節(jié)約了能源。

參考文獻(xiàn)
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