低壓電網(wǎng)動態(tài)無功補償裝置的設(shè)計

本課題研究以低壓電網(wǎng)無功補償改造為背景，研制了一種低壓無功功率補償控制器。作為一種非實時的無功補償裝置，該裝置以定時的電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，以低壓電網(wǎng)的無功補償為對象。本文主要研究了無功補償對電網(wǎng)性能的改善，以及控制器的軟硬件的配置。 系統(tǒng)采用單片機，該單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS8位單片機，具有運算速度高，實時性好的特點；軟件則使用匯編語言進行編譯；人機操作界面采用LCD顯示,顯示效果較好；A/D轉(zhuǎn)換采用，是一款比較實用的A/D轉(zhuǎn)換裝置。該裝置可跟蹤電網(wǎng)無功功率的變化并自動補償,實現(xiàn)了無功補償裝置的優(yōu)化運行,具有體積小、原理簡單、智能投切等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：無功補償,單片機,低電壓ABSTRACTWhatthisarticlestudiesisbasedonthealterationofreactivepowercompensationoflowvoltage,thendesignanequipmentforreactivepowercompensationoflowvoltage.Asakindofreactivepowercompensation,thisequipmentisbasisontheelectricalnetworkmonitordata，andprovidesreactivepowerforcity’slowvoltagepowergrids.Thisthesishasdiscussedtheimportanceofthereactivepowercompensationforthepowergrids，andintroducedthehardwareandsoftwareofthecontroller.Thisdevice’shardwarecoreisAT89C52SCM，whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeed.ThismonolithicintegratedcircuitisthelowvoltagewhichAmericanATMELCorporationproduces,ahighperformanceCMOS8monolithicintegratedcircuits；Thesoftwareusestheassemblylanguagetocarryonthetranslation；Theman-machineoperationcontactsurfaceusestheLCDdemonstration,thedemonstrationeffectisquitegood;A/DtransformationusesADC0809，itisasectionofquitepracticalA/Dswitchingdevice.Thisequipmentmaytracktheelectricalnetworkreactivepowerthechangeandtheautomaticcompensation,andthisinstallmenthasthevolumetobesmall,theprecisionishigh,thepricecomparedtothehighermerit.KEYWORDS:reactivepowercompensation，SCM(SingleChipMicyoco)，lowvoltage目錄摘要IABSTRACTII目錄III第1章前言11．1無功補償裝置必要性11．2無功補償裝置的發(fā)展史21．3設(shè)計提要4第2章無功補償?shù)睦碚摲治?2．1無功補償?shù)脑?2．2低壓電網(wǎng)中的幾種無功補償?shù)姆绞?2．3確定補償容量的幾種方法92．3．1從提高功率因數(shù)需要確定補償容量92．3．2從降低線路有功損耗需要來確定補償容量92．3．3從提高運行電壓需要來確定補償容量10第3章硬件設(shè)計123．1無功補償裝置的技術(shù)要求123．1．1補償控制應(yīng)符合技術(shù)條件123．1．2測量精度123．1．3控制器原理123．2硬件介紹133．2．1微處理器133．2．2A/D轉(zhuǎn)換器選型173．2．3看門狗203．2．4LCD顯示213．3模擬信號調(diào)理電路233．3．1電流電壓互感器233．3．2電壓、電流采樣及信號處理電路243．4輸出控制電路253．4．1控制電路253．4．2固態(tài)繼電器26第4章軟件設(shè)計274．1功率因數(shù)計算274．2投切原則29第5章結(jié)論與展望31致謝32參考文獻33附錄1：硬件結(jié)構(gòu)圖34附圖34附錄2：軟件程序35第1章前言1．1無功補償裝置必要性目前，我國輸配電網(wǎng)無功缺乏，備用容量嚴(yán)重不足，無功補償裝置缺少靈活的調(diào)節(jié)能力，其中由于無功不足原因而產(chǎn)生電壓降落、電能傳輸損耗大、線路輸送容量降低和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性下降等問題表現(xiàn)尤為突出[1]。近年來，隨著大功率非線性負荷用戶的不斷增多，對電網(wǎng)的沖擊和諧波污染呈不斷上升趨勢，缺乏無功調(diào)節(jié)手段造成了母線電壓隨運行方式的變動很大，導(dǎo)致電網(wǎng)線損增加，使得系統(tǒng)電壓合格率不高。此外，電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)穩(wěn)定性問題越發(fā)重要。電網(wǎng)的損耗、電壓及功角穩(wěn)定性與無功功率快速、有效提供有關(guān)。我國互聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)進入了大電網(wǎng)、大機組時代，大量的無功在網(wǎng)間傳送，造成了巨大的網(wǎng)絡(luò)損耗。故此大量的無功不適應(yīng)于遠距離的傳輸，無功功率一般采取分層分區(qū)平衡、就近補償?shù)脑瓌t。 在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，大量的沖擊性質(zhì)的負荷如電弧爐、軋機、電氣化鐵路等接入電網(wǎng)，由于其呈現(xiàn)的沖進性無功特性核非線性負荷特性，對電能質(zhì)量造成了巨大的污染。主要體現(xiàn)在諧波嚴(yán)重超標(biāo)，造成變壓器、電機、電容器組和線路的損耗加劇，甚至危及設(shè)備安全；產(chǎn)生的負序電流對電機等旋轉(zhuǎn)機械產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，降低工作效率，增加能耗；由于沖擊無功的作用，對電壓造成嚴(yán)重的波動和閃變，降低生產(chǎn)效率，單位能耗增加，同時造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。對這些大沖擊非線性負荷或不對稱負荷應(yīng)進行就地?zé)o功補償和用電污染治理，即對該類污染從源頭進行治理，以達到電能質(zhì)量治理、節(jié)能降耗、增加產(chǎn)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。近20年來，世界各地（包括美國、法國、意大利、英國、俄羅斯、日本等國）發(fā)生的由電壓穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故引起了各國的高度重視。持續(xù)了短短72小時的8.14美加大停電給美國造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，這次事故提醒人們，電網(wǎng)運行要有足夠的無功備用容量，無功不能靠遠距離傳輸，在電力市場環(huán)境下，必須制定統(tǒng)一的法規(guī)以激勵獨立發(fā)電商和運營商從維護整個系統(tǒng)安全性的角度提供充足的無功備用。在我國也曾多次發(fā)生電壓崩潰事故，如1993年和1996年南方電網(wǎng)的幾次事故，這些事故都促使人們采取各種措施以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。 無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的[2]。輸電線路中無功功率的存在，不僅占用輸電線路和設(shè)備容量，并且系統(tǒng)中流動的無功功率會導(dǎo)致電壓降落，影響電壓質(zhì)量和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，對用電設(shè)備產(chǎn)生影響。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃和運行中，必須控制無功功率，限制其在系統(tǒng)中的流動。據(jù)了解，我國每年的電力缺口在15%左右，同時，每年有20%以上的電力在輸送過程白損耗。無功補償可以提高功率因數(shù)，是一項投資少，收效快的降損節(jié)能措施。由于具備改善電能質(zhì)量、降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力、減少用戶電費支出等諸多優(yōu)勢，無功補償?shù)膽?yīng)用開始越來越為區(qū)域配網(wǎng)所采納，而電力電容器市場也由此開辟了更為廣泛的發(fā)展空間。1．2無功補償裝置的發(fā)展史早期的無功補償裝置為并聯(lián)電容器和同步補償器[3]，多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進行集中補償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補償方式，應(yīng)用范圍廣泛，只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補償器的實質(zhì)是同步電機，當(dāng)勵磁電流發(fā)生改變時，電動機可隨之平滑的改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有好處。但同步補償器成本高，安裝復(fù)雜，維護困難，使其推廣使用受到限制。 隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展[3]，無功補償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半導(dǎo)體由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒有得到應(yīng)有的推廣使用。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，并以此為起點，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展，新型的電力電子器件不斷問世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術(shù)對無功補償技術(shù)也帶來了新的發(fā)展契機。 無功補償技術(shù)和電力電子技術(shù)的結(jié)合主要有以下三方面[3]： (1)是作為投切電容器的開關(guān)。因為電力半導(dǎo)體開關(guān)的響應(yīng)時間短(PS級)，所以能夠選擇電容的投切角度，實現(xiàn)零電壓投切，避免了涌流的產(chǎn)生，提高了電容器使用的可靠性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)代并聯(lián)電容器補償裝置中的輸出回路就引進了該項技術(shù)。(2)是作為無功輸出的調(diào)節(jié)開關(guān)。由于電力電子器件的高開關(guān)頻率，使其能夠方便地控制電容器電流的導(dǎo)通角，從而實現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)，快速跟蹤負載無功的變化。靜止型無功補償器是其中的代表。(3)是引入電力電子變流技術(shù)，將變流器作為無功電源來調(diào)節(jié)無功的輸入和輸出，起到補償負載無功的作用。經(jīng)常用的是靜止調(diào)相機和有源濾波器。 由無功補償源在主電路回路中連接方式的不同，無功補償器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。依據(jù)電力電子技術(shù)在無功補償中應(yīng)用的方式不同，現(xiàn)代無功補償裝置[4]大致可分為以下幾種類型： (1) TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)型無功補償裝置，它屬于并聯(lián)型無功補償裝置。主回路如圖1-1所示，是由多臺電力電容器并聯(lián)以及由可控硅構(gòu)成的執(zhí)行機構(gòu)組成。裝置根據(jù)無功電流的大小來決定投入電容組數(shù)。由此可見TSC的無功調(diào)節(jié)是有級的，它無法連續(xù)的輸出無功，這使其在使用中存在合理選擇電容，適當(dāng)分級的問題。但它的優(yōu)點也明顯，即結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，電容器利用率高，使用中不存在諧波污染等。圖1-1TSC型無功補償裝置主回路 (2) FC-TCR(Fixedcapacitor-ThyristorControlledReactor)型無功補償裝置，它屬于并聯(lián)型無功補償裝置。其主回路如圖1-2所示。FC-TCR方式是用雙相可控硅的相位控制，調(diào)整電抗器的電流，從而調(diào)整無功功率的方式。當(dāng)以電壓零相位為基準(zhǔn)時，調(diào)節(jié)TCR中的可控硅的引燃角?？梢詮牡椒秶鷥?nèi)變化。補償器的電流，此電流可隨角的變化而變化為感性或容性，這樣就改變了FC-TCR的無功功率，并可連續(xù)均勻的調(diào)節(jié)。由于TCR中除可控硅全導(dǎo)通或關(guān)斷之外器電流都是非正弦的，所以它是一個電流諧波源，對電網(wǎng)有一定的危害。該裝置在電容和電感之間形成無功損耗，電容利用率低并且電抗器體積較大，成本高。圖1-2FC-TCR型無功補償器的主回路 (3) 靜止調(diào)相機ASVC(AdvantageStaticVarCompensator),屬于串聯(lián)型補償器。它由于輸出電壓可超前或滯后系統(tǒng)電壓，因此可以和系統(tǒng)進行有功、無功之間的交換。它可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功，并且能夠抑制諧波，補償特性較好。但該系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，制造和維護都不便，成本高等問題，不便在全國推廣使用。1．3設(shè)計提要該課題的研究主要有兩方面內(nèi)容：第一是無功補償?shù)幕驹砗驮陔娋W(wǎng)中最佳無功補償方式的討論。首先是對無功補償中普遍存在的問題進行分析，其次是分析對無功補償計算方案。第二是在傳統(tǒng)的無功補償裝置的基礎(chǔ)上，對其控制器和動作執(zhí)行機構(gòu)進行優(yōu)化，從而開發(fā)出一種智能化的無功補償器。文中針對這種補償器的控制器的硬件電路和軟件設(shè)計作了較詳盡的分析。本文的章節(jié)安排：第1章緒論部分對該課題的研究背景和無功補償技術(shù)的發(fā)展歷史進行概述，并提出本文的主要研究內(nèi)容和各章的內(nèi)容安排。第2章無功補償理論分析部分主要是對無功補償理論中的基本理論進行分析，對無功補償帶來的降損節(jié)能和經(jīng)濟效益等問題展開探討。第3章控制器的硬件電路部分對此無功補償控制器的硬件電路進行系統(tǒng)的解析、設(shè)計。第4章控制器的軟件設(shè)計對控制器的幾個主要功能模塊進行分析，并畫出程序流程圖。(5) 第5章結(jié)論與展望第2章無功補償?shù)睦碚摲治鲭娏W(wǎng)中的變壓器和電動機是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工做的。磁場所具有的磁場能是由電源供給的。電動機和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場，在一個周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率稱為感性無功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器，在一個周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等，這種充電功率叫做容性無功功率。所以無功功率被使用于建立磁場和靜電場，它存儲于電感和電容中，通過電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。無功功率在電力網(wǎng)元件中流動，將會在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗，降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)的線損率。圖2.1由局部電力網(wǎng)的等效電路圖由局部電力網(wǎng)的等效電路圖2．1可知，電力網(wǎng)中由于無功負荷而帶來的電壓損耗的計算公式為：（）（）式中：——電網(wǎng)的額定電壓——元件的末端電壓——電網(wǎng)中的電壓和電流的差角—電網(wǎng)中元件的等效電阻和電抗—元件末端的有功負載和無功負載由式可知由負荷的無功功率在元件引起的損耗的計算公式為：（）（）而由負荷的有功功率在元件中引起的電壓損耗的計算公式為：（2.3）。（2.3）可見的元件電阻小于電抗的電網(wǎng)中，無功引起的電壓損耗占主要部分。電網(wǎng)中的線損公式如下：（）（）式中：，其中有功線損的計算公式為：（），（）這其中由于無功功率在電網(wǎng)中流動而引起的有功線損的計算公式為：（）（）由上述分析可見，要減少電力網(wǎng)中的電壓損耗和電網(wǎng)的線損率，提高用戶端的電壓質(zhì)量的重要措施之一，是減少電力網(wǎng)元件中的無功傳輸，可以從提高負荷的自然功率因數(shù)和進行無功補償兩方面來解決這個問題。2．1無功補償?shù)脑頍o功補償?shù)幕驹硎牵喊丫哂腥菪怨β守摵傻难b置與感性功率負荷并聯(lián)接同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。無功補償?shù)淖饔煤驮砜捎蓤D2．2來解釋：圖2.2無功補償原理設(shè)電感性負荷需要從電源吸取的無功功率為，裝設(shè)無功補償裝置后，補償無功功率為，使電源輸出的無功功率減少為，功率因數(shù)由提高到，視在功率減少到。（）（）視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。例如一臺1000千伏安的變壓器，當(dāng)負荷的功率因數(shù)為時，可供700千瓦的有功負荷，當(dāng)負荷的功率因數(shù)提高到時，可供900千瓦的有功功率。同一臺變壓器，因為負荷的功率因數(shù)的提高而可多供200千瓦負荷，是相當(dāng)可觀的?？梢?，因采用無功補償措施后，電源輸送的無功功率減少了，相應(yīng)的也使電網(wǎng)和變壓器中的功率損耗的下降，從而提高了供電效率。由電壓損耗計算公式（2.8）（2.8）可知，采用無功補償措施后，因通過電力網(wǎng)無功功率的減少，降低了電力網(wǎng)中的電壓損耗，提高了用戶處的電壓質(zhì)量。并聯(lián)電容器的無功補償作用和原理，也可以用圖加以說明。圖并聯(lián)電容器的補償電流向量圖圖中的用電負荷總電流可以分解為有功電流分量，和無功電流分量(電感性的)。當(dāng)并聯(lián)電容器投入運行時，流入電容器的容性電流與方向相反，故可抵消一部分使電感性電流分量降低為，總電流由降為，功率因數(shù)也由提高到。這時，負荷所需的無功功率全部由補償電容供給，電網(wǎng)只需供給有功功率。根據(jù)第一章的有功電流與無功電流的定義，還可以用圖理解電力系統(tǒng)中無功補償?shù)淖饔门c原理。圖電力系統(tǒng)無功補償原理圖設(shè)負荷實際吸收的電流為，為了使輸電線路上流過純有功電流，則需要在負荷端接入一個無功補償器，補償器提供的電流為，則(2.9)(2.9)這里的就是無功電流，這就是電力系統(tǒng)中進行無功補償?shù)囊c。這是完全的補償，線路上的電流是為產(chǎn)生負載實際功率(平均功率)而攜帶能量最小的電流，因而在線路上造成的損失是最小的。此時，的波形和相同，即電壓和電流的相位相同。2．2低壓電網(wǎng)中的幾種無功補償?shù)姆绞教岣吖β室驍?shù)問題的實質(zhì)就是減少用電設(shè)備的無功功率需要量。因此，影響功率因數(shù)的主要因素有三種，一是異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設(shè)備；二是供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大的影響；三是電網(wǎng)頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響。針對影響功率因數(shù)的一些主要因素，要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電網(wǎng)功率因數(shù)提高的一些實用方法，使低壓電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無功的就地平衡，達到降損節(jié)能的效果。常采用地方式有三種：隨機補償、隨器補償、跟蹤補償[1]。隨機補償，是指將低壓電容器組與電動機并聯(lián)，通過控制、保護裝置與電機共同投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補償勵磁為主，此種方式可較好的限制用電單位的無功負荷。隨機補償?shù)貎?yōu)點是：用電設(shè)備運行時，無功補償投入；用電設(shè)備停止運補償裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補償容量。更具有投資少、占位小、配置靈活、維護簡單方便、事故率低等優(yōu)點。為防止電機推出時產(chǎn)生自激過電壓，補償容量一般不大于電機的空載無功。隨器補償，是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側(cè)，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配變在輕載或空載時的無功負荷主要是變壓器的空載勵磁無功，配變空載無功是用電單位無功負荷的主要部分，對于輕負載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費單價的增加，從而導(dǎo)致電費單價的增加。隨器補償?shù)膬?yōu)點是：接線簡單、維護管理方便、能有效地補償配變空載無功，限制農(nóng)網(wǎng)無功基荷，是該部分的無功就地平衡，從而提高配電變壓器利用率，降低無功網(wǎng)損，提高用戶的功率因數(shù)，改善用戶的電壓質(zhì)量，具有較高的經(jīng)濟性，是目前無功補償最有效的方法之一。跟蹤補償，是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶母線上的補償方式，適用于100及以上的專用配變電用戶。跟蹤補償?shù)膬?yōu)點是：可較好的跟蹤無功負荷的變化，運行方式靈活，補償效果好，但是費用高，且自動投切裝置較隨機、隨器補償?shù)目刂票Ｗo裝置復(fù)雜，如有任一元件損壞，則可導(dǎo)致電容器不能投切。且主要適用于大容量大負荷的配變。上述三種補償方式均可對特定種類無功負荷實現(xiàn)“就地平衡”的無功補償，降損節(jié)能效果好。2．3確定補償容量的幾種方法2．3．1從提高功率因數(shù)需要確定補償容量設(shè)電網(wǎng)的最大負荷月的平均有功功率為，補償前的功率因數(shù)為，補償后的功率因數(shù)為，則所需要的補償容量的計算公式為(2.10)(2.10)(2.11)若要求將功率因數(shù)由提高的而小于，則補償容量計算為(2.11)2．3．2從降低線路有功損耗需要來確定補償容量設(shè)補償前線路中的電流為，相應(yīng)的有功電流為，無功電流為，補償無功后線路中的電流為，相應(yīng)的有功電流為，無功電流為，則補償前的線路損耗為：(2.12(2.12)補償后的線路損耗為：(2.13(2.13)則補償后線損降低的百分值為：(2.14(2.14)若根據(jù)要求已經(jīng)確定，則可求得：(2.15(2.15)則補償容量可以按式(2.16(2.16)來計算。2．3．3從提高運行電壓需要來確定補償容量配電線路末端電壓較低，通常是通過無功補償來提高供電電壓的，因此，有時要從提高線路電壓來確定補償容量。設(shè)補償前線路電源電壓為，線路末端電壓為，線路輸送的有功功率為，無功功率為，電阻為，電抗為，則(2.17(2.17)補償無功后，線路末端電壓升為則(2.18(2.18)所以投入無功補償后末端電壓增量為(2.19(2.19)故補償容量(2.20(2.20)若為三相線路，則所需的補償容量為(2.21(2.21)式中——三相線路的線電壓增量，——三相線路的線電壓，第3章硬件設(shè)計在一系列的理論分析之后，本次設(shè)計將采用根據(jù)功率因數(shù)來確定補償容量的方法，再根據(jù)當(dāng)前無功補償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，我們采用TSC并聯(lián)電容器型的無功補償裝置。它具有連線和控制方式簡單，電容使用效率高及不產(chǎn)生諧波污染等優(yōu)點。3．1無功補償裝置的技術(shù)要求3．1．1補償控制應(yīng)符合技術(shù)條件本次裝置設(shè)計的基本技術(shù)條件[6]：控制方式：可控硅與接觸器聯(lián)合控制，即在投切時采用可控硅，正常運行時采用接觸器的方式。工作方式：動態(tài)跟蹤，邏輯判斷，自動及時補償容量?？刂莆锢砹浚阂詿o功功率電容器的投切。補償方式：采用三相共補。自動延時功能：電容器投切延時至少10秒，同組電容器的投切間隔時間大于5分鐘。保護功能：過電壓快速切斷功能：當(dāng)電網(wǎng)電壓大于高壓保護值時，自動切除全部電容器。短路保護：由快速熔斷器和空氣開關(guān)雙重保護。現(xiàn)場參數(shù)顯示：可現(xiàn)場顯示電網(wǎng)運行參數(shù)，比如電壓、電流、功率因數(shù)。3．1．2測量精度電壓、電流：級有功功率、無功功率、功率因數(shù)：級3．1．3控制器原理由以上功能，可得到控制器的機構(gòu)圖如圖圖3.1控制器結(jié)構(gòu)原理圖3．2硬件介紹3．2．1微處理器AT89C52[7]是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)。8k可反復(fù)擦寫(大于1000次)FlashROM。32個雙向I/O口。256x8bit內(nèi)部RAM。3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷。時鐘頻率0-24MHz。2個串行中斷，可編程UART串行通道。2個外部中斷源，共8個中斷源。2個讀寫中斷口線，3級加密位。低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。圖3.2PDIP封裝的AT89C52引腳圖AT89C52為8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)\o"查看圖片"準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc51相同（如圖3.2），其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0~P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。 (1)P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 (2)P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，和還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（）和輸入（）。 (3) P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 (4) P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。P3口作為AT89C51的一些特殊功能口，如表所示：表3.1AT89C52P3口備選功能管腳備選功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）(外部中斷0)（外部中斷1）T0（記時器0外部輸入）T1（記時器1外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 (5) RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 (6) ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。 (7) PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 (8) EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。 (9) XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 (10) XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。時鐘振蕩器：AT89C52中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容、接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容、雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用，而如使用陶瓷諧振器適宜選擇。用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。3．2．2A/D轉(zhuǎn)換器選型圖3.3ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封裝ADC0809[8]是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片主要特性：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。轉(zhuǎn)換時間為100(時鐘為640時)，130（時鐘為500時）。單個+5V電源供電。模擬輸入電壓范圍0～+5，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。工作溫度范圍為-40～+85攝氏度。低功耗，約15。內(nèi)部結(jié)構(gòu)： ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。外部特性（引腳如圖）：ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各引腳功能。IN0～IN7：8路模擬量輸入端。2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。VCC：電源，單一+5。GND：地。 ADC0809的工作過程：ADC0809芯片可以分時處理8路模擬量輸入信號，使用模擬開關(guān)切換。首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。表所示C、B、A是三條通道的地址線。當(dāng)?shù)刂匪嫘盘朅LE為高電平時，C、B、A三條線上的數(shù)據(jù)送入ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器中，經(jīng)過譯碼器譯碼后選中某一通道。當(dāng)ALE=0時，地址鎖存器處于鎖存狀態(tài)，模擬開關(guān)始終與剛才選中的輸入通道接通。表3.28路模擬開關(guān)與輸入通道的關(guān)系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A01010101B00110011C00001111轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。(1) 定時傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128，相當(dāng)于6的MCS-51單片機共64個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。(2) 查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。(3) 中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。 ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換過程是在時鐘信號的協(xié)調(diào)下進行的，ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最佳頻率為640，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換時間為100左右。當(dāng)ADC0809用于AT89C52單片機系統(tǒng)時，若AT89C52采用12的晶振，則ADC0809的時鐘信號可以由AT89C52的ALE經(jīng)過一個四分頻電路獲取。這時ADC0809的時鐘頻率為500，A/D轉(zhuǎn)換時間為130。ADC0809時鐘電路由兩個D觸發(fā)器構(gòu)成，如圖所示：ADC0809CLKADC0809CLKAT89C52圖3.4四分頻電路A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(8位數(shù)字量)送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器，此時A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒有現(xiàn)在DB0-DB7八條數(shù)字量輸出線上，單片機不能獲取之。單片機要想讀到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態(tài)輸了鎖存器，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在DB0-DB7上。單片機讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法有三種：延遲法單片機啟動ADC0809后，延時130以上，可以讀到正確的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。查詢法EOC必須接到AT89C52的一條I/O線上。單片機啟動ADC0809后，延遲10，檢測EOC，若EOC=0則A/D轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束，繼續(xù)檢測EOC直到EOC=1。當(dāng)EOC=1時，A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，單片機讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。中斷法EOC必須經(jīng)過非門接到AT89C52的中斷請求輸入線INT0或INT1上，AT89C52的中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。單片機啟動A/D轉(zhuǎn)換后可以做其它工作，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC由0—1經(jīng)過非門傳到INT端，AT89C52收到中斷請求信號，若AT89C52開著中斷，則進入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中單片機讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。3．2．3看門狗看門狗電路的應(yīng)用，使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作,其工作原理是:看門狗芯片和單片機的一個I/O引腳相連,該I/O引腳通過程序控制它定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平(或低電平),這一程序語句是分散地放在單片機其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進入死循環(huán)狀態(tài)時,寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行,這個時候,看門狗電路就會由于得不到單片機送來的信號,便在它和單片機復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個復(fù)位信號,使單片機發(fā)生復(fù)位,即程序從程序存儲器的起始位置開始執(zhí)行,這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復(fù)位。硬件看門狗是利用了一個定時器，來監(jiān)控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機復(fù)位。常用的WDT芯片如MAX813,5045,IMP813等,價格4~10元不等。本系統(tǒng)采用MAXIM公司的低成本微處理器監(jiān)控芯片MAX813L構(gòu)成硬件狗[7]，與AT89C51的接口電路如圖3.3所示。MR與WDO經(jīng)過一個二極管連接起來，WDI接單片機的口，RESET接單片機的復(fù)位輸入腳RESET，MR經(jīng)過一個復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：系統(tǒng)正常上電復(fù)位：電源上電時，當(dāng)電源電壓超過復(fù)位門限電壓，RESET端輸出200的復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。對+5電源進行監(jiān)視：當(dāng)+5電源正常時，RESET為低電平，單片機正常工作；當(dāng)+5電源電壓降至以下時，RESET輸出高電平，對單片機進行復(fù)位。看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當(dāng)程序跑飛或死機時，CPU不能在內(nèi)給出“喂狗”信號，WDO跳變?yōu)榈碗娖?，由于MR端有一個內(nèi)部250的上拉電流，D導(dǎo)通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復(fù)位脈沖，單片機復(fù)位，看門狗定時器清零，WDO又恢復(fù)成高電平。手動復(fù)位：如果需要對系統(tǒng)進行手動復(fù)位，只要按下手動復(fù)位按鈕，就能對系統(tǒng)進行有效的復(fù)位。圖3.5MAX813L與AT89C52接口圖3．2．4LCD顯示(1) LCD簡介1602字符型LCD[9]通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，引腳功能如表所示：表LCD引腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。8DB0低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線0位（最低位）9DB1低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1位10DB2低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線2位11DB3低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線3位12DB4高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4位13DB5高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位14DB6高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線6位15DB7高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線7位（最高位）（也是busyflag）16BLA背光電源正極17BLK背光電源負極表3.4寄存器選擇控制表RSR/W操作說明00寫入指令寄存器（清除屏等）01讀busyflag（DB7），以及讀取位址計數(shù)器（DB0~DB6）值10寫入數(shù)據(jù)寄存器（顯示各字型等）11從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)busyflag（DB7）：在此位為被清除為0時，LCD將無法再處理其他的指令要求。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，試驗可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如“A”。(2) LCD與AT89C52接口電路M-162液晶顯示模塊可以和單片機AT89C52直接接口，電路如圖3．6所示。圖DM-162液晶顯示模塊與AT89C52連接3．3模擬信號調(diào)理電路3．3．1電流電壓互感器在此用到的是精密電壓互感器[3]SPT204A和電流互感器SCT254AK。(1) 精密電壓互感器SPT204ASPT204是一款毫安級精密電流互感器，輸入額定電流為2，額定輸出電流為2。性能指標(biāo)：表3.5SPT204A主要參數(shù)輸入電流2最大電流常通10輸出電流2線性范圍0～10(<5%)輸入電壓串聯(lián)電阻后50～1000可耐沖擊電流100*1秒輸出電壓50～8（運放輸出）隔離耐壓2500匝數(shù)比1:1使用溫度-50℃～+精度<1%貯藏溫度-60℃～+相移小于5＇（補償后）相對濕度<90%副邊電阻110重量15～16克 (2) 精密電流互感器

SCT254AKSCT254AK是一款精密電流互感器，輸入額定電流為5，額定輸出電流為。性能指標(biāo)：表3.6SCT254AK主要參數(shù)額定輸入電流5最大電流常通10額定輸出電流線性范圍(=0)0～20匝數(shù)比1:2000可耐沖擊電流100*1秒線性度<0.1%隔離耐壓>3500相移<5＇（補償后）使用溫度-50℃--+副邊內(nèi)阻約220貯藏溫度-60℃--+重量15～16相對溫度<90%3．3．2電壓、電流采樣及信號處理電路如圖所示，是限流電阻，不論額定輸入電壓多大，調(diào)整的值，使額定輸入電流為，就滿足使用條件。副邊電路是電流/電壓變換電路，當(dāng)需要電壓輸出時采用。調(diào)整圖中反饋電阻和的值可得到所需要的電壓輸出。電容及可調(diào)電阻是用來補償相移的。建議取,取，取值約為,取。電容是400至1000的小電容，用來防振和濾波。起抗干擾作用，但其數(shù)值不得大于400。兩個反接的二極管是起保護運算放大器作用的。運算放大器推薦使用OP系列，使用性能較好的運算放大器較容易達到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。運算放大器電源電壓通常取+15V或+12V，也可根據(jù)具體情況自定。圖中電阻和要求溫度系數(shù)優(yōu)于50PPM，的功率要求有2倍的余量。用戶使用推薦電路稍加改動也可構(gòu)成單電源供電模式，適用于單極性A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。額定輸入電流也可以選為以降低功耗或以減小相移，線性度仍優(yōu)于0.1%。圖3.7電壓互感器電路調(diào)整圖中反饋電阻和的值可得到所需要的電壓輸出。電容及可調(diào)電阻是用來補償相移的。電容是400至1000的小電容，用來防振和濾波。起抗干擾作用，其數(shù)值不得大于400。兩個反接的二極管是起保護運算放大器作用的。運算放大器推薦使用OP系列，使用性能較好的運算放大器較容易達到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。運算放大器電源電壓通常取+15或+12，也可根據(jù)具體情況自定。溫度系數(shù)應(yīng)優(yōu)于50PPM。推薦使用電路稍加改動也可構(gòu)成單電源供電模式，適用于單極性A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。圖3.8電流互感器電路運算放大器視精度要求使用[10]，使用性能較好的運算放大器較容易達到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。此處選用的是BB公司的高精度運放OPA2277。它具有以下特點:超低失調(diào)電壓:超低溫漂:超低失調(diào)電流:高開環(huán)增益:134寬供電范圍:OPA2277具有連續(xù)的供電范圍，這使它不像大多數(shù)的OP系列運放局限于固定的工作電壓。而且軌至軌的特性使其輸出電壓的范圍能跟隨電源工作范圍，這就能在保證輸出電壓的大小的前提下，盡可能的減少工作電壓，達到節(jié)能的目的。由于OPA2277具有內(nèi)部補償失調(diào)電流的電路，故在使用中不需要在輸入腳上接上補償失調(diào)電流的電阻，如上圖所示，這同樣減少了PCB布板和使用的復(fù)雜度。3．4輸出控制電路3．4．1控制電路控制電路[10]如圖，采用光電隔離電路、驅(qū)動電路，控制繼電器，再控制電容器組投切的形式。以下是其中一路光電隔離和驅(qū)動電路。圖3.9輸出控制電路這部分電路的設(shè)計采用單片機的I/O口灌電流的方法控制可控硅實現(xiàn)開關(guān)與繼電器控制，用光電耦合器MOC3021作為可控硅的驅(qū)動器，同時實現(xiàn)強、弱電的隔離。光電偶合器通過一個非門與AT89C52的一個輸出口連接，當(dāng)此腳輸出高電平時，使MOC3021打開驅(qū)動雙向可控硅，使晶體管導(dǎo)通和繼電器吸合，驅(qū)動電容器組投入運行，發(fā)光二級管發(fā)光指示。當(dāng)管腳輸出為低電平時，將會封鎖住MOC3021，則繼電器釋放，發(fā)光二級管熄滅，電容器組退出電路。3．4．2固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器（SolidStateRelay,縮寫SSR），是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅(qū)動大電流負載。它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器可以方便的與TTL,MOS邏輯電路連接。固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機械接觸部件，因此固態(tài)繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點。第4章軟件設(shè)計4．1功率因數(shù)計算功率因數(shù)是隨著負荷和電源電壓的變動而變動，因此該值的計算也就有多種方法。(1) 瞬時功率因數(shù)瞬時功率因數(shù)是指某一刻的功率因數(shù)，可由功率因數(shù)表直接測量，也可以用在同一時間有功功率表、電流表和電壓表的讀數(shù)計算，按下式計算（）（）式中，P為功率表測出的三相功率讀數(shù)（）；U為電壓表測出的線電壓的讀書（）；I為電流表測出的線電流的讀數(shù)（）。(2) 平均功率因數(shù)平均功率因數(shù)是指在某一時間內(nèi)的功率因數(shù)，也稱加權(quán)平均功率因數(shù)。由消耗的電能計算（4.（4.2）式中，為某一時間內(nèi)消耗的有功電能（，由有功電度表讀數(shù)求出）；某一時間內(nèi)消耗的無功電能（,有無功電度表讀數(shù)求出）。有計算負荷計算（4.（4.3）式中，為有功負荷系數(shù)（一般為）;為無功負荷系數(shù)（一般為）。(3) 最大負荷時的功率因數(shù)最大負荷時的功率因數(shù)是指在年最大負荷（計算負荷）時的功率因數(shù)。計算公式為（4.（4.4）在此采用的是有效值算法，該算法比平均值算法更具真實性，其原理如下所述。根據(jù)定義，電壓的有效值是加在電阻R上單位時間內(nèi)所做的功，其U數(shù)學(xué)表達式是：（4.（4.5）即：（4.（4.6）將式在時間上進行離散，就得到的離散表達式：（4.（4.7）式中：——電壓采樣周期中的第個采樣點的值對電流有效值有相似的離散表達式：（4.（4.8）式中：——電流采樣周期中的第個采樣點的值（4.（4.9）有功功率P的定義為：單位時間內(nèi)，電壓和電流所作的不可逆的功，其數(shù)學(xué)表達式是：（4.（4.10）對其作離散處理，即每隔一定的時間間隔測得一個電壓值和一個電流值，將其相乘，最后把一個采樣周期內(nèi)的所有乘積值相加并求平均值，其數(shù)學(xué)表達式是:（4.（4.11）式中：——采樣周期內(nèi)的第個電壓采樣值——采樣周期內(nèi)的第個電壓采樣值電網(wǎng)的功率因數(shù)受電壓和電流相位差,波形畸變以及三相不對稱等因素的影響。三相不對稱路的功率因數(shù)和含諧波的非正弦電路的無功功率情況較為復(fù)雜且沒有科學(xué)而統(tǒng)一的定義,故在此只考慮三相對稱電路的功率因數(shù)和無功計算，測量時僅對兩相間線電壓和另一相電流進行采樣，采樣的電壓為，采樣電流為，每個周期的采樣點數(shù)為，則計算公式如下：AC相間的線電壓為：（4.（4.12）B相的線電流：（4.（4.13）三相有功功率：（4.（4.14）視在功率：（4.（4.15）無功功率：（4.（4.16）功率因數(shù)：（4.（4.17）4．2投切原則本次設(shè)計的裝置主要的投切標(biāo)準(zhǔn)是功率因數(shù)和測量電壓，本裝置采用默認的標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)為。隨器補償應(yīng)以配變?nèi)萘康?%～8%選擇電容器容量效果較好，因為這大約相當(dāng)于配電變壓器空載時的無功功率，又電容器補償容量可近似為，則本次設(shè)計一共設(shè)了3組容量為25FP電容器組，方便控制和調(diào)節(jié)補償容量，采用三相共同補償。當(dāng)檢測到到的功率因數(shù)小于是，投入第一組電容器組；再進行第二次檢測，計算得到功率因數(shù)再于默認值進行比較，若實際功率因數(shù)仍然小于的話，繼續(xù)投入第二組電容器組，以次類推，直到實際功率因數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測到的三相電壓大于標(biāo)準(zhǔn)電壓時（通常取400），即電網(wǎng)處于容性狀態(tài)，無功補償過量，則立即切除第三組電容；繼續(xù)檢測電壓，若電壓仍然高于標(biāo)準(zhǔn)的話，則切除第二組電容器組，以次類推，直到實際電壓小于標(biāo)準(zhǔn)。主要的程序流程如圖開始開始初始化電壓檢測電流檢測過壓？投電容器補償？切電容器NNYY圖單片機程序流程圖第5章結(jié)論與展望無功補償技術(shù)在邊沿科學(xué)如電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展的推動下，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，形成了多種補償方式。本文在對無功補償技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)無功補償裝置的缺點提出了一種新型的智能無功補償控制器,該裝置適合對大用戶進行無功補償,也就是隨器補償,其優(yōu)點如下:(1) 裝置結(jié)構(gòu)簡單，通過硬件軟件配合，穩(wěn)定性高，用單片機控制，可實現(xiàn)真正的智能控制，具有很高的性價比。(2) 采用LCD顯示，可實時顯示電壓、電流和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。(3) 控制策略比較合理。該策略既考慮到無功補償對電容容量需求，又考慮到穩(wěn)定電壓質(zhì)量的要求，比如在高電壓區(qū)間的只切不投原則和在低壓區(qū)間的只投不切原則。今后本控制器在以下幾方面還有待提高：(1) 優(yōu)化采樣電路，使采樣數(shù)據(jù)更為精確。(2) 采用較高檔的CPU系統(tǒng)，升級A/D位數(shù)，使控制器的電網(wǎng)監(jiān)測功能到進一步的完善，也可使控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時檢測實時控制。(3) 采用更簡便準(zhǔn)確的無功計算方案和更多組數(shù)的電容器組，使軟件更為簡便，控制更加精確。(4) 可外接存儲裝置，用于存儲電壓、電流等數(shù)據(jù)，這樣有助于對電網(wǎng)的電能質(zhì)量進行評估?？傊?，無功補償目前在我國還是很有發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)，其技術(shù)還有待于進一步的深究和提高。致謝我要感謝我的導(dǎo)師馬淋淋老師，謝謝馬老師從論文的最初選題、到論文框架的建立、初稿的修改、直到論文最后完成的悉心指導(dǎo)和親切教誨，使我少走了很多彎路，起到了事半功倍的效果。馬老師在教學(xué)中治學(xué)嚴(yán)謹，對學(xué)生認真負責(zé)，嚴(yán)格要求，他平易近人的性格及和藹可親的學(xué)者風(fēng)度，高度的工作責(zé)任心，給我留下了深刻的印象，是我學(xué)習(xí)的榜樣，努力的方向。在此，我要向他表示忠心的感謝和良好的祝愿。在設(shè)計過程和論文的撰寫中，也得到了我的許多朋友和同學(xué)們的大力幫助，給我提出了許多寶貴意見。在系統(tǒng)開發(fā)過程中遇到了很多靠自己難以解決的問題，正是他們給予了我很大的幫助，幫助查資料，搞測試，解決了許多的問題與難點，得以使系統(tǒng)及時順利開發(fā)完成。在此，特向他們表示誠摯的謝意。參考文獻[1]方向暉．中低壓配電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計基礎(chǔ)［M］．北京：中國水利水電出版社，2004：56~89[2]劉黎明，劉滌塵，史進．智能式動態(tài)無功補償裝置的研究[J]．電力情報， 1998，22(3)：45～89[3]南余榮，李剛，魯聰達．基于單片機的復(fù)合開關(guān)及其在低壓無功補償中的應(yīng)用 [J]．現(xiàn)代電子技術(shù)2004，28(15)：15～67[4]吳啟富，王主?。潆娋W(wǎng)無功綜合優(yōu)化的補償模型及其應(yīng)用[J]．四川電力技術(shù),1994：106~11．[5]劉鳳君．市電電能質(zhì)量補償技術(shù)［M］．北京：科學(xué)出版社，2005：69~111[6]胡秀娟．淺議低壓電網(wǎng)無功補償?shù)膸追N方法[J]．電力與能源．2007年35期[7]梅麗鳳，王艷秋．單片機原理及接口技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004：55~102[8]劉煥平，韓樹新．ADC0809和AT89C52的一種接口方法[J]．石家莊師范專科學(xué)校學(xué)報．2002-6[9]丁毓山．單片機與無功補償[M]．南京：南京大學(xué)出版社，2006：86~121[10]康華光，陳大欽．電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．高等教育出版社，2004：10~15[11]彭沛夫，張桂芳．微機控制技術(shù)與實驗指導(dǎo)[M]．北京：清華大學(xué)出版社.，2005：152~157[12]胡漢才．單片機原理及其接口技術(shù)［M］．清華大學(xué)出版社，2004：155~159[13]Yang.Y.,Yi.J.,Woo,Y.Y.,andKim.B.:‘OptimumdesignforlinearityandefficiencyofmicrowaveDohertyamplifierusinganewloadmatchingtechnique’,Microw.J.,2001,44,(12),pp.20～36[14]Kundur，Tom．Powersystemstabilityandcontrol[M]．NewYork,USA： McGraw-Hill,1994：124～241附錄1：硬件結(jié)構(gòu)圖附圖附錄2：軟件程序/*程序入口*/ ORG0000H LJMPMAIN;主程序地址入口/*分時采樣程序*/MAIN: CLRP2.2 CLRP2.0 ;欲選IN0通道 SETB;ALE出現(xiàn)上升沿，選中IN0通道 SETBP2.2 ;START出現(xiàn)上升沿，ADC0809復(fù)位 NOP NOP NOP NOP NOP JNB P,$ ;沿時10uS后，檢測EOC MOVA,P0 ;EOC=1時，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOVR7,A ;IN0的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存于R7 SETBP2.0 ;欲選IN1通道 SETBP2.1 NOP NOP NOP NOP NOP JNB P,$ MOVA,P0 MOVR6,A ;IN1的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存與R6 CJNER7,#04H,LR ;大于04H，則LR JMP NEXT1LR: MOVCOL1,#0B MOVCOL2,#0B MOVCOL3,#0B JMPMAIN ;跳轉(zhuǎn)到開始指令/*運算主程序*/NEXT1: MOVA,R7 ;電壓擴大10倍 MOVB,#10H MULAB ;相乘 MOV08H,A ;電壓存入08H中 MOVA，08H MOVB,A MULAB ;相乘得到積BA MOV10H,#00H ADDB,10H ;相加并存入B MOV10H,B MOV11H,#00H ADDA,11H ;相加并存入A INCNEXT2 ;無進位則NEXT2 INCA ;A加1 MOV11H,A ;電壓平方放到10H11H中NEXT2: MOVA，R6 MOV09H，A ;電流存09H MOVB,A MULAB ;得到積BA MOV12H,#00H ADDB,12H ;相加并存入B MOV12H,B MOV13H,#00H;13H清0 ADDA,13H ;相加并存入A INCNEXT3 ;無進位則NEXT3 INCA ;A加1 MOV13H,A ;電流平方放到12H13H中NEXT3: MOVA,08H MOVB,09H MULAB ;相乘 MOV14H,#00H ADDB,14H ;相加存入B MOV15H,#00H ADDA,15H ;相加存入A INCNEXT4 INCA MOV15H,A ;有功功率放到14H15H中NEXT4: MOVA,00H INCA MOV18H,#00H ADDA,18H ;相加存入A MOV18H,A/*延時子程序*/DELAY: MOVR5,#1H ;延遲1ms子程序 Y3: MOVR5,0FFH Y4: NOP DJNER5,Y4 DJNZR4,Y3 RETCHECK: CJNE18H,#63H,START ;采樣小于100次，則繼續(xù)采樣/*除法子程序*/CF1: MOVA,10H ;電壓平方/100 MOVB,11H MOVR5,B MOVR4,A MOVR7,#64H D457: CLRC MOVA,R4 SUBBA,R7 JCDV50 SETBOV ;商溢出 RET DV50:MOVR6,#08H ;求平均值（R4R5／R7－→R3） DV51:MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA MOVR4,A MOVF0,C CLRC SUBBA,R7 ANLC,/F0 JCDV52 MOVR4,A DV52: CPLC MOVA,R3 RLCA MOVR3,A DJNZR6,DV51 MOVA,R4 ;四舍五入 ADDA,R4 JCDV53 SUBBA,R7 JCDV54 DV53:INCR3 DV54:CLROV RET MOVR2，#00HPF1: MOVA,R2 ;對商開平方 ORLA,R3 JNZSH20 RET ;被開方數(shù)為零，不必運算 SH20:MOVR7,#00H ;左規(guī)次數(shù)初始化 MOVA,R2 SH22:ANLA,#0C0H ;被開方數(shù)高字節(jié)小于４０Ｈ否？ JNZSQRH ;不小于４０Ｈ，左規(guī)格化完成，轉(zhuǎn)開方過程 CLRC ;每左規(guī)一次，被開方數(shù)左移兩位 MOVA,R3 RLCA OVF0,C CLRC RLCA MOVR3,A MOVA,R2 MOVACC.7,C MOVC,F0 RLCA RLCA MOVR2,A INCR7 ;左規(guī)次數(shù)加一 SJMPSH22 ;繼續(xù)左規(guī)ZY1: MOV10H,#00H ;電壓有效值存入10H11H中 MOV11H,#00H MOVA,R2 MOV10H,A MOVB,R3 MOV11H,BCF2: MOVA;12H ;電流平方/100 MOVB;13H MOVR5,B MOVR4,A MOVR7,#64H D457:CLRC MOVA,R4 SUBBA,R7 JCDV50 SETBOV ;商溢出 RET DV50:MOVR6,#8 ;求平均值（R4R5／R7－→R3） DV51:MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA MOVR4,A MOVF0,C CLRC SUBBA,R7 ANLC,/F0 JCDV52 MOVR4,A DV52: CPLC MOVA,R3 RLCA MOVR3,A DJNZR6,DV51 MOVA,R4 ;四舍五入 ADDA,R4 JCDV53 SUBBA,R7 JCDV54 DV53:INCR3 DV54:CLROV RET MOVR2,#00H/*開平方子程序*/PF2: MOVA,R2 ;對商開平方 ORLA,R3 JNZSH20 RET ;被開方數(shù)為零，不必運算 SH20:MOVR7,#00H ;左規(guī)次數(shù)初始化 MOVA,R2 SH22:ANLA,#0C0H ;被開方數(shù)高字節(jié)小于４０Ｈ否？ JNZSQRH ;不小于４０Ｈ，左規(guī)格化完成，轉(zhuǎn)開方過程 CLRC ;每左規(guī)一次，被開方數(shù)左移兩位 MOVA,R3 RLCA OVF0,C CLRC RLCA MOVR3,A MOVA,R2 MOVACC.7,C MOVC,F0 RLCA RLCA MOVR2,A INCR7 ;左規(guī)次數(shù)加一 SJMPSH22 ;繼