维普资讯 http://www.cqvip.com ２ ０ ０ ７年４月 沈 阳理工大学学报 Ｖｏ１．２ ６ Ｎｏ 第２ ６卷第２期ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ０Ｆ ＳＨＥＮＹＡＮＧ ＬＩＧ０ＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ａｐｒ． ２ ０ ０ 文章编号：１００３—１２５１（２００７）０２—００６２—０５ 智能型动态无功补偿控制器的设计 刘晓阳，齐宏伟，于 洋，陈 亮 （沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳１１０１６８） 摘 要：在传统９区图的基础上改进了智能控制策略，设计一种以ＳＭ８９５８Ａ单片机为 核心构成的智能型动态无功补偿控制器．应用ＣＤ４０７０构成功率因数采集电路保证对 功率因数的准确采集．采用智能投切判据和投切算法使电容器组的投切更加合理，投切 无震荡，避免电容器组的频繁投切．经过现场的实际运行，本控制器实现了对无功功率 的动态补偿． 关键词：控制策略；无功功率；．补偿 中图分类号：ＴＭ７６１．１ 文献标识码：Ａ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｙａｎｇ．ＱＩ Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ．ＹＵ Ｙａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｃ”ｎｉｎｅ—ｚｏｎｅ” ｔｈｅｏｒｙ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ Ｕ— ｓｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＳＭ８９５８Ａ．Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ—ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ａ— ｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｕｓｉｎｇ ＣＤ４０７０．Ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｉｓ ａ— ｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｆｒｅｑｕｅｎｔ ｓｗｉｔｃ— ｈｉｎｇ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ—ｐｏｗｅｒ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｌｏｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｒｅａｃｔｉｖｅ—Ｐｏｗｅｒ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ 为了提高供电系统及负载的功率因数，降低 调节与电压的相互协调关系，易发生电容器组的 设备容量，减少电能损耗和稳定受电端电网电压， 误动作和频繁操作．本文针对上述不足，从传统的 在用户侧的低压配电系统中均设有无功补偿控制 九区图出发，设计无功补偿控制器的硬件电路，完 器．对于无功补偿控制器的研究，国内外学者主要 成投切电容器组的智能算法，在九区图的基础上 侧重控制策略的研究，例如基于人工智能的控制 改进智能控制策略，使控制器可以自动地适应负 策略¨Ｊ，基于模糊逻辑的控制策略 ，基于遗传算 荷的变化，以最小的时问调节无功功率，避免电容 法的控制策略 Ｊ，传统九区图以及改进九区图的 器组的频繁动作，使调节更加精确． 控制 等等．由于这些控制策略未充分考虑无功 收稿日期：２００６—０９—０４ 作者简介：刘晓阳（１９７９一），女，辽宁盖州人，助丁 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 刘晓阳等：智能型动态无功补偿控制器的设计 ・６３・ 差，通过计算得到功率因数和需要补偿的无功功 １系统硬件设计 率．然后根据每组电容器的容量、电网电压和功率 因数进行判断，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 １．１ 系统框图和原理简介 退运．通过液晶界面直观看到电容器组的投切情 控制器以单片机为核心，其结构如图１所示． 况，系统的电压、电流、有功、无功、功率因数等信 单片机通过电压、电流取样电路和Ａ／Ｄ转换电路 息． 测得负载电流、电网电压以及电流、电压的相位 ＡＮ电流 电流取样 ｈ ■ 电流、 电压 １Ｐ Ｄ —◆ 转 ＿苴 ＢＣ相电压 电压取样 卜． ● 相位差 ＿ｒ 换 片 机 系 ＂ ＿ 一 统 １系统硬件结构框图 个储存器都可以通过ＤＩ／ＤＯ引脚写入或读出．它 １．２主要电路模块及控制功能的实现 的存储容量为１ ０２４位，内部为１２８ Ｘ ８位或６４ Ｘ １．２．１ ＳｙｎｃＭＯＳ单片机ＳＭ８９５８Ａ最小系统 １６位．ＡＩ９３Ｃ４６为串行三线ＳＰＩ操作芯片，在时钟 本系统采用ＳＭ８９５８Ａ单片机，它是工业级产 时序的同步下接收数据口的指令．该芯片擦写时 品，具有高稳定性．ＳＭ８９５８Ａ与８０５２系列兼容， 间快，有擦写使能保护，可靠性高，擦写次数可达 ３２Ｋ字节片上Ｆｌａｓｈ程序存储器，１Ｋ字节片上数 １００万次． 据ＲＡＭ，ＰＬＣＣ封装有４个８位Ｉ／Ｏ口和另外４位 １．２．２电压、电流取样电路 Ｉ／Ｏ口ｌ ． 电压、电流取样电路如图２所示，该电路由电 ＳＭ８９５８Ａ最小系统由处理器ＳＭ８９５８Ａ，ＥＥＰ— 流电压转换模块、交直流变换模块、高通滤波模块 ＲＯＭ（ＡＴ９３Ｃ４６），复位电路，１１．０５９ ２Ｍ晶振构 和信号放大电路模块组成． 成．ＡＩ９３Ｃ４６是１Ｋ位串行ＥＥＰＲＯＭ储存器．每一 取 图２电压、电流取样电路 由于本电路的电压、电流互感器采用的是电 路将交流电压变换成直流电压．滤波电路是为了 流输出型互感器，故在电路的输入级用ＬＭ３２４将 消除或减小输入信号中的高次谐波．最后通过后 电流信号变换成电压信号．再通过交直流变换电 级的信号放大电路将幅度比较小的信号放大成０ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・６４・ 沈阳理工大学学报 ２００７年 ～５Ｖ的信号以提高信号测量精度． （１）功率因数检测原理 值 ｊ．欲检测Ｏｔ，关键在于检测正弦波信号， 和 上升沿的两个过零时间间隔，再将该时间转换 成角度值 ｊ．本文的测量方法是将线电压、相电流 １．２．３功率因数采集电路 当三相负荷平衡时（以Ａ相为例），ＵＡ与， 夹 的正弦波信号经过过零比较器整形后转换成相应 角 为功率因数角，如图３ａ所示．当ｃｏｓｑ￣接近于 的方波信号，该线电压、相电流的方波信号经过异 １时， 角很小，因此，其测定的分辨率较低．为 或运算后对应着 角，相位检测原理如图３ｂ所 此，将测定 角改为测量 与线电压 ．的夹角 刀 ． 由于 的角度大，不但分辨率高，且永为正 ／－Ａ％ ， ｝ｔｉ二］．——一，Ｌ－Ｆｔ ［二］ ， １ 图３功率因数检测原理 口 （ｂ） － （２）检测电路的实现 功率因数采集电路如图４所示 ４功率因数采集电路 图２中的ＰＴ、ＣＴ信号进入由ＬＭ３２４组成的 功率因数三种，故用到其中的三个通道来完成模 过零比较器电路，将交流电压、电流信号变成方波 数转换． 信号，两个方波信号进入ＣＤ４０７０（异或门）的输入 １．２．５ 电容器投切控制电路 端，即可得到 和 肌上升沿的两个过零的时间间 ＣＰＵ通过采样上来的电流、电压和功率因数， 略，优化组合控制器所接的电容器，进行投切控 制．控制电路为ＣＰＵ将控制信号输出给光电隔离 隔，再经过后级的滤波和电压跟随电路即可产生０ 计算出系统的有功、无功功率，通过智能控制策 ～５Ｖ的功率因数值． １．２．４ Ａ／Ｄ转换电路 本设计采用ＭＣＰ３００４为Ａ／Ｄ转换芯片，此芯 器驱动ＵＬＮ２００４输出直流１２Ｖ控制电压，控制下 片为４通道１０位ＡＤ转换器，采用ＳＰＩ总线方式， 级晶闸管，对电容器组进行投切控制． 参考电源为５Ｖ．因本系统的模拟量有电压、电流、 １．２．６时钟模块 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 刘晓阳等：智能型动态无功补偿控制器的设计 ・６５・ 时钟芯片采用ＤＳ１３０２．ＤＳ１３０２是一片串行时 九区图法 ．九区图法存在的主要问题是：控制策 钟日历芯片，可进行秒、分、时、日、月、星期、年的 略是基于固定的电压无功上下限而没考虑无功调 走时．利用它的时间提供故障发生时间和历史记 节对电压的影响及电压的调节对无功的影响．本 录的时间． 应用对象是低压配电系统，不存在使用变压器分 １．２．７键盘、显示电路 接头调节电压，无功调节即是电压调节，无功和电 键盘部分采用６个按键，定义为”上，下，左， 压的耦合关系不存在，所以参照了此控制策略，采 右，确认，取消”，主要用于菜单的切换，现场电流 用功率因数、无功功率和电压为综合判据，如图５ 变比，电容器组数，每组电容器容量，电压上、下 限，功率因数上、下限等系统参数的设置． 显示部分采用一块１２８×６４图形点阵液晶， 显示控制器的全部功能，包括有功功率、无功功 率、功率因数、电压，电流的实时值、电容器的投切 状态、各参数的设置菜单、故障报警和历史事件记 录等信息．该液晶为１２８×６４像素点的液晶显示 器，可接成串行数据传输方式，节省ＣＰＵ的Ｉ／０ 口，采用可控制的ＲＧＢ七彩背光，使显示效果更 加绚丽多彩． ２投切判据和智能控制策略 ２．１投切判据 投切判据有功率因数、无功功率和电压．本设 计以功率因数为主要判据，因为实际补偿是通过 功率因数是否符合要求实现的，故以功率因数为 主要判据进行补偿更为智能．为了使控制更合理， 实际采用功率因数、无功功率和电压作为投切电 容器组的依据． ２．２智能投切算法 ． 为保护电容器组，同组电容器的动作时间问 隔要大于３００ｓ，同容量的电容器组循环投切．为了 能更迅速的使系统恢复到正常状态，投切算法根 据无功的大小自动选择最接近的电容器组组合进 行投切．为防止瞬时干扰，投切电容器组的算法不 以一次计算立即决定投切，而是连续数十秒均为 同一组合时才实际投切电容器，避免了投切震荡 和干扰的影响．具有缺相检测功能，一旦检测到系 统缺相，闭锁所有电容器组的投切动作． ２．３智能控制策略 大多数无功控制产品控制策略多采用传统的 所示． 过电压保护 ③ ⑦ ⑧ ● 控制电压下限 ⑥ 欠电压保护 ５智能控制策略 图５中：控制电压上下限为系统正常电压的 上下限，可根据用户当地实际情况设置；过电压保 护和欠电压保护线为系统电压的上下极限；功率 因数上下限为根据实际情况设定的值．各区控制 策略如表１所示． 表１智能控制策略 ３系统软件设计 本设计遵循结构化程序设计，采用自顶向下 的设计方法，将一个复杂的系统按功能划分为几 个的模块，模块之间功能，有利于软件的 调试、修改和维护．本程序中主要的模块有数据采 集转换模块、自检测模块、数据计算模块、控制模 块、显示模块，其程序流程如图６所示． 维普资讯 http://www.cqvip.com ・６６・ 沈阳理工大学学报 ２００７正 图６软件流程图 ４结束语 参考文献： ［１］Ｈｓｕ ＹＹ，Ｌｕ Ｆ Ｃ．Ａ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ—Ｆｕｚｚｙ 本控制器为采用ＳＭ８９５８Ａ为控制中心的智 Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ／Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎ— 能型动态无功补偿控制器，实现了对３８０Ｖ低压配 ｔｒｏｌ ｉｎ ａ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓ— ｔｅｍｓ．１９９８，１３（４）：１２５６—１２７１． 电系统的电气参数进行测量、运算、判断，功率因 ［２］王磊，黄纯，郭上华，等．基于模糊控制理论的变电站电压无 数的自动补偿控制以及液晶显示．硬件电路设计 功综合控制装置的设汁［Ｊ］．继电器，２００３，３ｌ（８）：４０—４２． 简单，软件算法完善可靠．补偿对象是额定电压为 ［３］丁晓群，邓勇，黄伟，等．基于遗传算法的无功优化在福建电 ３８０Ｖ的三相配电系统，经过现场的实际运行，补 网的实用化改进［Ｊ］．电网技术．２００４，２８（１６）：４４—４７． 偿后功率因数值可达到要求，系统经过调节后可 ［４］厉吉文，李红梅，宁文怡．变电站电压和无功自动调节判据的 研究［Ｊ］．中国电力，１９９５．２８（７）：５ｌ一５４． 以很快进入稳态，同时，通过对功率因数的设定， ［５］何立民．单片机应用技术选编（二）［Ｍ］．北京：北京航空航天 可以满足对功率因数的动态需要，解决了传统的 大学出版社，１９９４． 功率因数补偿装置缺乏灵活性的问题，系统运行 ［６］靳龙章，丁毓山．电网无功补偿实用技术［Ｍ］．北京：中国水 可靠．但本控制器暂无通讯功能，有待进一步完 利水电出版社，１９９７． 善． ［７］历小润．一种与接线无关的三相功率因数检测方法［Ｊ］．电子 技术应用，２００３，（８）：２９－３１． ［８ｊ争升．基于九区 的变电站电压无功抒！制策略研究［Ｊ］．青海 电力．２００５．２４（２）：２－３．
