【本科毕业论文】一种低压电网无功功率补偿控制器的设计43292.doc

无功功率补偿控制器设计摘 要本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景，研制了一种低压无功功率补偿控制器。作为一种非实时的无功补偿装置，该装置以定时的电网监测数据为依据，以城镇低压网(220V)的无功补偿为对象。本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，以及控制器的软硬件的配置。系统采用AT89C51单片机，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS 8位单片机，具有运算速度高，实时性好的特点；软件则使用汇编语言进行编译；人机操作界面采用LCD显示，显示效果较好；A/D转换采用ADC0809，是一款比较实用的A/D转换装置。该装置可跟踪电网无功功率的变化并自动补偿，实现了无功补偿装置的优化运行，具有体积小、原理简单、智能投切等优点。关键词：无功补偿 单片机 功率因数 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题的应用背景11.2 国内研究动态21.3 本课题主要研究的内容21.4 无功补偿的原理21.5低压电网中的几种无功补偿的方式32 芯片简介52.1 51系列单片机简介52.2 51系列单片机的特点52.3 AT89C51单片机52.3.1 AT89C51特性52.3.2 AT89C51的功能62.4 MAX813L芯片82.5 LCD1602芯片92.6 74HC595103 系统硬件电路的设计123.1 电源电路123.2 A/D转换电路133.3 看门狗电路153.4 LCD显示163.5 模拟信号处理电路183.5.1电流和电压相位检测电路183.5.2 D触发器控制电路193.5.2电流和电压信号采集电路203.6电容补偿控制电路214 系统软件的设计234.1主程序设计234.2中A/D转换软件设计234.3电容补偿控制电路软件设计24结 论26参 考 文 献27附录 系统硬件原理图28致 谢291 绪论1.1 课题的应用背景目前，我国的电网，特别是广大的低压电网，普遍存在功率因数较低、电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后，功率因数较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%，而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低，一般约为。在这种情况下，采用无功补偿节能技术，对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的，世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分1。从我国电网功率因数和补偿深度来看，我国与世界发达国家有不小差距。因此大力推广无功补偿技术是非常必要的，并且从以下数据，我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。2007年 ，我国年总发电量为32559亿千瓦时，统计线损率为8.77%，但是这个数字没有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损及0.38千伏的低压电网线损。据报道，估计实际的统计线损率约为15%，即2007年全国年线损量约为4800亿千瓦时。设全国的理论线损与统计线损相一致，其中可变线损约占理论总线损的80%，则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。设当前全国电力网总负荷的当前功率因数，采用无功功率补偿后，把电力网总负荷的功率因数提高到，则每年可以降低线损约为390亿千瓦时，按0.5元每千瓦时计，价值约为185亿元。设2007年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时，则电网的最大负荷约为2亿千瓦，当用无功功率补偿法把功率因数，提高到，全国电网需总补偿容量约为0.58亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器，设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为50元，则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。应当指出，节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量，而建一座400万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元，同时每年需燃烧煤约为1200万吨，每年产生，等有害物质约为600万吨。由此可见，产生相同的电力，无功补偿的费用约为新建电厂费用10%，而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。综上所述 ，无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用2，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造等作用。1.2 国内研究动态在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用3。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展契机。1.3 本课题主要研究的内容本文研究的主要有两方面：一是无功补偿的基本理论和电网中最佳补偿方式的探讨。首先是对无功补偿中一般问题进行分析，其次是对无功补偿计算方案的分析。二是在传统的无功补偿装置的基础上，对其控制器和动作执行机构进行改进，从而开发出一种智能无功补偿器。文中对补偿器的控制器的硬件设计和软件设计作了较详尽的分析。1.4 无功补偿的原理将电容器和电感并连在同一电路中，电感吸收能量时，正好电容器释放能量，而电感放出能量时，电容器却在吸收能量。能量就在它们之间交换，即感性负荷(电动机、变压器等)所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿4。因此，把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外，同步电动机等也可以作为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理可由图1.1解释：设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为，使电源输出的无功功率减少为，功率因数由提高到，视在功率减少到。 图1.1无功补偿补偿原理示意图视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7 时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率5。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。1.5低压电网中的几种无功补偿的方式广大市电低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失。低压补偿对用户及供电部门都有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用地方式有三种： 随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿地优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量6。且具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。为防止电机推出时产生自激过电压，补偿容量一般不大于电机的空载无功。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。有很多的低压配电网中的变压器，尤其是农网配电变压器，普遍存在负荷轻的现象7。在负荷时接近空载，此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿由于补在低压侧，可有效地补偿配变空载无功， 且连线简单， 做到无功地就地补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接可起到相当于随器补偿的作用，补偿用户的固定无功基荷；可投电容器组用于补偿无功峰荷部分。由于用户负荷有一定的波动性，故推荐选用自动投切方式8。此法对电容器的保护比前二种要更可靠。上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果好。本次设计使用第一种补偿方式。2 芯片简介 2.1 51系列单片机简介51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中9。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是51系列的单片机一般不具备自编程能力。2.2 51系列单片机的特点（1）51片内存储容量较小： 原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM 一般小于256B，但可以在外部扩展。通常ROM，RAM可分别扩展至64KB。（2）可靠性高： 因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于 PC 机。 系统软件(如:程序指令，常数，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破坏。 许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。 （3）便于扩展： 片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输 出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。 （4）控制功能强：具有丰富的控制指令：如条件分支转移指令，I/O 口的逻辑操作指令，位处理指令。 （5）实用性好：体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。 2.3 AT89C51单片机2.3.1 AT89C51特性 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元10。AT89C51引脚图图2.1为AT89C51的40根接脚图。每根接脚都有其特定功能，而有些接脚有两种甚至三种以上功能，也可经由程序规划为数字输出输入接脚。图2.1 AT89C51引脚图2.3.2 AT89C51的功能 AT89C51属于内嵌功能较多的单片机，包括以下各种功能。简介如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流，当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管脚         备选功能P3.0       RXD（串行输入口）P3.1       TXD（串行输出口）P3.2       /INT0（外部中断0）P3.3       /INT1（外部中断1）P3.4       T0（记时器0外部输入）P3.5       T1（记时器1外部输入）P3.6        /WR（外部数据存储器写选通）P3.7        /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.4 MAX813L芯片1MAX813L加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200 ms。独立的看门狗输出，如果看门狗输入在16 s内未被触发，其输出将变为高电平。 1.25 V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或5 V以外的电源。门限电压为4.65V低电平有效的手动复位输入11。简介如下：(1) 手动复位输入端（）(2) 当该端输入低电平保持140 ms以上，MAX813L就输出复位信号.该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。与TTL/CMOS兼容。(3) 工作电源端（VCC）：接+5V电源。(4) 电源接地端（GND）：接0 V参考电平。(5) 电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于125 V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。(6) 电源故障输出端（)：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。(7) 看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于16 s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过16 s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。(8) 复位信号输出端（RST）:上电时，自动产生200 ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。(9) 看门狗信号输出端（）:正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。2.5 LCD1602芯片所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的12。因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如表2.1所示：表2.1 LCD1602引脚定义其地址和屏幕的对应关系如表2.2：表2.2地址与屏幕对应关系2.6 74HC59574HC595 是一款漏极开路输出的CMOS 移位寄存器，输出端口为可控的三态输出 端，亦能串行输出控制下一级级联芯片13。管脚功能如表2.3所示表2.3 74HC595引脚功能表管脚编号 管脚名 管脚定义功能1、2、3、4、5、6、7、15 QAQH 三态输出管脚 8 GND 电源地 9 SQH 串行数据输出管脚 10 SCLR 移位寄存器清零端 11 SCK 数据输入时钟线 12 RCK 输出存储器锁存时钟线 13 OE 输出使能 14 SI 数据线 15 VCC 电源端 真值表如表2.4所示表2.4 74HC595真值表 输入管脚 输出管脚 SI SCKSCLRRCKOEX X X X H QAQH 输出高阻 X X X X L QAQH 输出有效值 X X L X X 移位寄存器清零 L 上沿 H X X 移位寄存器存储L H 上沿 H X X 移位寄存器存储H X 下沿 H X X 移位寄存器状态保持 X X X 上沿 X 输出存储器锁存移位寄存器中的状态值 X X X 下沿 X 输出存储器状态保持 3 系统硬件电路的设计在一系列的理论分析之后，本次设计将采用根据功率因数来确定补偿容量的方法，再根据当前无功补偿技术的发展状况，我们采用并联电容器型的无功补偿装置。它具有连线和控制方式简单，电容使用效率高及不产生谐波污染等优点。电压互感器和电流互感器将信号转成小电流，经过电路处理后发给ADC0809。ACD0809再将模拟信号转成数字信号。再将此信号传给单片机。单片机控制电容投入或切除。并将结果送入显示器显示。图3.1为无功功率补偿控制器系统的框图。图3.1 系统框图3.1 电源电路系统需要+5V直流电源。从外部引进的一路220V交流电压经过变压器TF3变换成AC9V电压，桥整BRIDGE1整流成+12V的直流电压，稳压块7805将+12V稳压到+5V输出，供需要的器件使用14。系统的供电电源原理如图3.2所示。+5V在原理图中标注为VCC。图3.2 AT89C51接脚说明3.2 A/D转换电路ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。3路模拟开关与输入通道如表3.1所示表3.1 3路模拟开关与输入通道的关系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A010101O1B00110011C00001111ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号，使用模拟开关切换。在某一时刻，模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D转换。表3.1中C、B、A是三条通道的地址线15。当地址所存信号ALE为高电平时，C、B、A 三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道16。当ALE=0时，地址锁存器处于锁存状态，模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。选中通道的模拟量到达A/D转换器时，A/D转换器并未对其进行A/D转换。只有当转换启动信号端START出现下降沿并延迟后，才启动芯片进行A/D转换，START的上升沿复位ADC080917。ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的，ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入，其最高频率为640MHz，在这个最高频率下ADC0809的A/D转换时间为100uS左右18。当ADC0809用于AT89C51单片机系统时，若AT89C51用12MHz的晶振，ALE输出为1/6，即2MHz。则ADC0809的时钟信号可以由AT89C51的ALE经过一个四分频电路获取。这时ADC0809的时钟频率为500KHz，A/D转换时间为130uS。ADC0809常用的时钟电路如图3.3 ，A/D转换电路如图3.4。 图3.3 ADC0809常用的时钟电路图（4分频）A/D转换结束后，A/D转换的结果(8位数字量)送到三态锁存输出缓冲器，此时A/D转换结果还没有现在DB0-DB7八条数字量输出线上，单片机不能获取之19。单片机要想读到A/D转换结果，必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平，打开三态输了锁存器，A/D转换结果出现在DB0-DB7上。单片机读取AD转换结果的方法有三种(1)延迟法单片机启动ADC0809后，延时130uS以上，可以读到正确的A/D转换结果。(2)查询法EOC必须接到AT89C51的一条I/O线上。单片机启动ADC0809后，延迟10uS，检测EOC，若EOC=0则A/D转换没有结束，继续检测EOC直到EOC=1。当EOC=1时，A/D转换已经结束，单片机读取A/D转换结果。(3)中断法EOC必须经过非门接到AT89C51的中断请求输入线INT0或INT1上，AT89C51的中断触发方式为下降沿触发。单片机启动A/D转换后可以做其它工作，当A/D转换结束时，EOC由01经过非门传到INT端，AT89C51收到中断请求信号，若AT89C51开着中断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取A/D转换的结果。本设计中即采用这种方法。图3.4 A/D转换电路3.3 看门狗电路本系统采用MAXIM公司的低成本微处理器监控芯片MAX813L构成硬件狗与AT89C51的接口电路如图3.5所示。MR与WDO经过一个二极管连接起来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地。该监控电路的主要功能如下：（1）系统正常上电复位：电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65V，RESET端输出200ms的复位信号，使系统复位。（2）对+5V电源进行监视：当+5V电源正常时，RESET为低电平，单片机正常工作；当+5V电源电压降至+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位。（3）看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1.6s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有一个内部250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。（4）手动复位：如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。图3.5 MAX813L与89c51接口图3.4 LCD显示本次设计采用1602型LCD显示，现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点20。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。1外型尺寸：80X36X13（LXWXH）2接口信号说明接口信号说明如表3.2所示。表3.2 1602型LCD接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极3主要技术参数表3.3 1602型LCD的主要技术参数显示容量16X2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2.95X4.35(WXH)mm4与8051接口电路M-162液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图3.6所示。图3.6 AT89C51与DM-162接口电路3.5 模拟信号处理电路3.5.1电流和电压相位检测电路 当电流和电压波形一致，即电流和电压的相位差为零时，此时的功率因数最高，无功功率为零。当电流和电压的波形不一致时，存在两种情况：一种是电流的波形在电压的波形之前到达，这种情况称为电流超前于电压；另一种是电流的波形在电压波形之后到达，这种情况称为电流滞后于电压。电压与电流的相位差的余弦称为功率因数。相位检测电路就是要检测到电流和电压的相位差，并且要检测电流是超前还是滞后。只要检测到这两个数据即可控制电力电容的投入或者切除。根据检测的相位差余弦查表来求得当前的功率因数，再根据当前功率因数与设定的功率因数比较，如果当的功率因数大于设定的功率因数，并且为滞后或者功率因数等于1.00，则不进行投入，如果为超前，则切除电力电容；如果当前的功率因数小于设定的功率因数，则进行电容补偿容量的判断是否投入电容来提高功率因数，减少无功功率。功率因数是否等于1.00由单片机计算而得。如果为1.00则不进行任何操作。如果不为1.00且大于设定功率因数，则将电压电流得出的信号输入D触发器，再将触发得出的结果送入单片机21。由单片机处理是否投入或者切除电容。从图3.7可以看到，电压波形的采样是采用一个变压器TF1，TF1把交流220V电压变换成12V的交流电压，经过R27限流以及D4和D5的箝位送到LM393的第6脚负输入端。LM393的第5脚正输入端接地。需要注意的是，此时LM393是一个电压比较器。因为LM393的第5脚正输入端接地，所以它是一个过零比较器，当电压波形过零时，LM393的第7脚输出端电平反转。LM393的第7脚输出端接到ADC0809的IN1端口和D触发器CLK端。图3.7电压转换电路如流波形的采样如图3.8所示，通过一个电流互感器把0到5A的交流信号变换成0到50mA的交流小信号，再经过R19限流以及D2和D3的箝位送到LM393的第2脚负输入端。LM393的第3脚正输入端接地。LM393在这里是一个电压比较器。因为LM393的第3脚正输入端接地，所以它是一个过零比较器，当电流波形过零时，LM393的第1脚输出端电平反转。LM393的第1脚输出端接到ADC0809的IN0口和D触发器D端。图3.8电流转换电路3.5.2 D触发器控制电路 D触发器如图3.9所示，控制切断或者投入电容。电流信号接入D触发的CLK端。当电流滞后电压时，D触发时钟为上升沿。D端为“0”。Q端输出为“0”。将Q端输出送入单片机的I/O口。单片机根据功率因数情况决定是否切断电容。若电流超前电压，D端置“1”，当电压信号来到时，CLK为上升沿，Q输出高电平“1”。并送入单片机处理。单片机根据功率因数情况决定是否切断电容。图3.9 D触发器控制电路3.5.2电流和电压信号采集电路 电流互感器把0到5A的交流信号变换成0到50mA的小信号，此处100R是假负载，0.05AX100R=5V。经过二极管整流和C20和C21电容滤波，R20和R22分压后，再传给0809的IN0端进行A/D转换。电路图如图3.10所示。图3.10 电流采集电路电压变压器把交流220V变成交流9V的小信号电压，经过桥整，C23的滤波，以及R25和R24的分压后，再送到0809的IN1进行A/D转换。电路图如图3.11所示。图3.11 电压采集电路3.6电容补偿控制电路本电路主要功能是投入或者切除电容。为了让电路用较小的电流去控制较大电流，继电器起一种“自动开关”的作用。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。而启动继电器则使动ULN芯片，它内部集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。电容补偿分为两组，每一组由单片机一个I/O口控制。每一个I/O口又控制8组电容。单片机发串行数据给74HC595的串行输入端口，由74HC595实现串并转换。74HC595的CLK由单片机的I/0发送控制。由QA到QH输出给发光二极管。二极管灯亮，表示此路电容投入工作。再由发光二极管传入TLP521_4芯片。TLP521光耦导通，并将信号再传至ULN2003的输入端。再由ULN2003输出端发信号启动继电器IN4007。继电器通电导通，电容连入电路进行补偿。补偿后的功率因数经单片机计算后判断是否投入更多电容，或者切除部分电容。硬件连接如图3.12所示。图3.12电容补偿控制电路4 系统软件的设计在软件设计上我们采用汇编语言，用汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快，有着高级语言不可替代的用途。4.1主程序设计本次设计的装置主要的投切标准是功率因数和测量电压，本装置采用默认的标准功率因数为。随器补偿应以配变容量的6%8%选择电容器容量效果较好，因为这大约相当于配电变压器空载时的无功功率，又电容器补偿容量可近似为，则本次设计一共设了2组容量为100nj400电容器组，方便控制和调节补偿容量，采用2相共同补偿。首先检测电压电流数值。经计算后，若功率因数为1，则无需补偿。再次检测，直至功率因数不为1。当检测到到的功率因数小于0.90时，投入第一组电容器组；再进行第二次检测，计算得到功率因数再于默认值进行比较，若实际功率因数仍然小于0.90的话，继续投入第二组电容器组。当检测到功率因数大于0.90时，若电流滞后电压，即电网处于容性状态，无功补偿过量，则立即切除第一组电容；继续检测电压，若电压仍然高于标准的话，则切除第二组电容器组。补偿完毕后，将功率因数、电压、电流送入显示电路显示。主要的程序流程如图4.1所示。4.2中A/D转换软件设计A/D转换分为两部分：电压与电流转换。电压与电流转换相似。如图4.2以电压转换为例。首先运行主程序，单片机P2.1口向ALE发送“1”，允许地址输入。P2.0口向ADDA发送“1”，选中电压口IN1。单片机P2.1口向ALE发送“0”，开启0809的地址锁存。检测后的电压数据送入0809。P2.2口向0809START发送下降沿信号，开启A/D转换。若转换结束，即EOC=1，EOC由一个非门向单片机的中断INTO，则进入延时程序，在中断服务程序中单片机读取A/D转换的结果。读取后，由P2.2向START发上升沿复位0809。 图4.1主程序流程图 图4.2 电压转换流程图4.3电容补偿控制电路软件设计电容补偿是在A/D转换结束后，单片机由采到的数据控制投入或切除电容。如图4.3所示。若计算结果，说明电压与电流相位差为0，功率因数最高，不需要补偿，系统跳回检测状态。若不为1，则需要判断是否大于0.9。若小于0.9，则按计算结果再次计算，应该投入多少电容，将2组电容投入电路。若大于0.9，则跟据D触发器控制电路的Q输出结果，若为“0”，说明电路程感性，不需要操作。若为“1”，说明电路呈容性。再由单片机计算切除多少电容。最后启动显示电路，显示结果。程序跳回检测状态。图4.3电容补偿电路软件设计流程图结 论无功补偿技术在边沿科学如电力电子技术和微电子技术发展的推动下，在电力系统领域取得了很大的发展，形成了多种补偿方式。本文在对无功补偿技术进行分析的基础上，针对传统无功补偿装置的缺点提出了一种新型的智能无功补偿控制器,该装置适合对大用户进行无功补偿,也就是随器补偿,其优点如下:1、装置结构简单，通过硬件软件配合，稳定性高，用单片机控制，可实现真正的智能控制，具有很高的性价比。2、采用LCD显示，可实时显示电压、电流和功率因数等数据。3、 控制策略比较合理。该策略既考虑到无功补偿对电容容量需求，又考虑到稳定电压质量的要求，比如在高电压区间的只切不投原则和在低压区间的只投不切原则。今后本控制器在以下几方面还有待提高:1、优化采样电路，使采样数据更为精确。2、采用较高档的CPU系统，升级A/D位数，使控制器的电网监测功能到进一步的完善，也可使控制系统实现实时检测实时控制。3、采用更简便准确的无功计算方案和更多组数的电容器组，使软件更为简便，控制更加精确。4、可外接存储装置，用于存储电压、电流等数据，这样有助于对电网的电能质量进行评估。总之，无功补偿目前在我国还是很有发展潜力的行业，其技术还有待于进一步的深究和提高。参 考 文 献