单片机无功动态补偿控制器的设计

摘　要：介绍一种以8031单片机为核心构成的无功动态补偿控制器。该控制器采用先进的技术跟踪配电线路无功功率的变化，对多级电容器组进行自动投切，实现对线路无功功率的实时补偿。

为了提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少电能损耗和稳定受电端电网电压，在用户侧的低压配电系统中均设有无功补偿控制器。它根据检测的功率因数或无功功率，按照一定的控制规则投／切电容器，实现对线路无功功率的实时补偿。根据用户的要求和依据电力部行业标准，我们研制开发了单片机无功动态补偿控制器。该控制器可以控制八组电力移相电容器；具有反时限特性、过电压保护功能和工作状态指示等。

1　系统硬件设计

1．1　系统框图和原理简介

控制器以单片机为核心，其结构框图见图1所示。单片机通过电压、电流取样电路和A／D转换电路测得负载电流、电网电压以及电流、电压的相位差，通过计算得到功率因数和需要补偿的无功功率。然后根据每组电容器的容量、电网电压和反时限特性进行判断、决策，输出控制信号至隔离、驱动电路，经电气隔离和功率放大，控制电容器组的投运或者退运。状态指示电路用于电容器组投切情况、电网过电压和系统稳态等指示。自启电路在单片机非正常运行时产生一个自复位信号，使单片机恢复运行正常程序。

1．2　各部分电路和控制功能的实现

控制器的电原理图见图2所示。D1、D2、D6构成一个基本的单片机系统：D6是MCS－51系列单片机8031，D1是外接程序存储器，放置运行程序。Z、C13、C14是8031内部时钟电路的外接元件。D17、V38及其外围阻容元件构成一个受控振荡器，单片机正常工作时，P3．5送出频率约为2Hz的方波信号，使振荡器停振，D17的输出（引脚3）为低电平；而工作不正常或“死机”时，P3．5的输出信号不同，将使振荡器起振，产生的振荡脉冲使单片机复位而恢复正常工作。

TA（变流和电气隔离）、C6（去干扰）、R3（I／V转换）、V2（半波整流和限压）、R2和RP1（分压）构成电流取样电路，使交流大电流变成半波电压信号，送给D3的“IN1”端。TV（降压、电气隔离）、C7（去干扰）、R4（限流）、V3（半波整流）、R5和RP2（分压）构成电压取样电路，使交流大电压变成半波小电压信号，送给D3的“IN0”端。

A／D转换器使用逐次逼近式A／D转换器件0809，精度为8位，最快转换速度100／μs，内有多路模拟开关，能对八路模拟信号实现分时A／D转换。“B”端是多路开关的地址选择线之一，为“0”时，对电压信号（IN0）A／D转换。为“1”时，对电流信号（IN1）A／D转换。START是启动转换输入线，下降沿启动内部电路，开始A／D转换。EOC为转换完成输出线，输出“1”时表示转换结束。OE为允许输入输出线，为“1”时把数据送往数据总线。启动A／D转换器可用指令：　

取数可用指令：
　　MOVX　A，＠R　（数据送A寄存器）

组件A1～A8是八路隔离、驱动电路。光电耦合器有很强的电气隔离能力，使单片机等弱电系统与强电系统之间实现电气隔离。单片机的输出口P1．0～P1．7为高电平时，光电耦合器V4～V11中的光敏管呈低阻值，使晶体管V12～V19导通和继电器KD1～KD8吸合，驱动电力移相电容器组的投运，发光二极管V28～V35发光指示：单片机的输出口P1．0～P1．7为低电平时，则继电器释放、发光二极管熄灭、电容器组退运。发光二极管V1作直流5V电源指示，V36作电网过电压指示，V37作系统稳态指示。

2　系统软件设计

单片机系统中的程序存储器D1只有写入相应的程序后，控制器才能运行，实现所要求的功能。程序可采用如图3所示的框图。

初始化程序使将要使用的数据存储器清零或者放入设定数据：置P1．0～P1．7口为”0”，使所有电容器组退运；置P3．1、P3．3口为”0”，使指示灯熄灭。

电压检测程序进行电压测量，并对每次电压测量值进行分析，找出电压过零点，记下过零点的时间。由于被测信号是正弦半波，其有效值可以用峰点值或者半波内的平均值代替（平均值比峰点值准确）。如果20～40s时间内电压持续高于正常值，则作为过电压处理。电流检测程序与电压检测程序相似。

根据电压、电流的过零点时间差得到其相位差，再通过计算或查表求得cosΦ（功率因数）和sinΦ，把电压、电流、sinΦ和系数 这四者相乘，就得到需要补偿的无功功率量，然后将此与电容器组的功率进行比较，决定是否投切电容器组。

投切电容器组要体现反时限特性，即如果偏差值较大，相应地缩短两次动作的间隔时间。

在计时、相位检测和对自复位电路输出一定频率的方波过程中，都需要一个时间基准。这可以使用8031内部定时器，在程序安排中采用中断方式。

3　结束语

采用单片机控制电路对多组电力移相电容器进行自动投切，从硬件软件两方面来提高可靠性和稳定性，大大提高了性能价格比。具有过压、低流、过补、欠补等异常情况的自动判断与处理功能；整个控制过程灵活，操作简单，能使线路功率因数控制在所需范围内，实现了实时跟踪补偿；不仅减轻了劳动强度，还大大提高了供电质量，节约了能源。

参考文献
［1］王兆安．谐波抑制和无功补偿［M］．北京：机械工业出版社，1999．
［2］赵长德．单片机原理与应用［M］．北京：机械工业出版社，1998．
［3］苏文成．无功补偿与电力电子技术［M］．北京：机械工业出版社，1987