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【摘 要】 无功功率补偿是电力系统中的一项重要工程，本文通过设计无功自动控制器来实现并联电容器组的投切，保证功率因数在给定的合格范围内变动，完成无功功率的补偿。并且为解决现存无功自动控制器所存在的不足，进行了一些试验，在软件上进行了一些改进，基本上克服了所存在的不足，提高了补偿精度和快速性，实现了循环投切，避免了投切振荡。
【关键词】 无功功率功;率因数;并联电容器
1、前言
电压是电能主要质量指标之一。无功电力是影响电压质量的一个重要因素。为加强无功电力的管理，各级电压的电力网和电力用户都要提高自然功率因数，并按无功分层分区和就地平衡以及便于调整电压的原则，安装无功补偿设备。
造成功率因数、电压不合格的主要因素是：电网中的电力负荷如电动机、变压器等。这些设备属于感性负荷，在运行过程中需要向它们提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源提供給感性负荷、经线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的降损节能措施。因此，根据供电部门的要求，满足网损的规定，适应农村供电线路的改造，提出了要研究的课题—无功补偿自动控制的研究。
2、无功补偿控制技术研究现状
国内外对电压无功控制问题作了大量的研究，取得极为可观的成果。有传统方式的电压无功自动控制装置，有以模糊理论和神经网络为基础的电压无功综合控制。近年来国内外专家、学者提出了许多基于新理论新方法的电压无功控制装置，已有一些产品应用于生产，取得了不少宝贵经验。
概括起来讲，对变电站电压无功控制的研究主要有两方面，即离线优化和实时监控。离线优化是根据专家经验或由计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷测基础上进行优化计算，得出第二天的调节方案，由调度下发给各站。调节方案以小时为间隔，很不精确，而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为基础的，当预测数据不准时调节方案就失去了意义。实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线的电压不断采样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组，将电压和无功控制在各自的允许范围之内。
3、无功补偿控制器总体设计
检测单元是从电网中检测到和网络功率因数直接或间接相关的参数，并将此参数信号转换成主控单元能接收的信号，传送给主控单元，由主控单元作出投切决策。主控单元接收到检测信号后，将其和目标值进行比较，并根据比较结果发出命令，送给执行单元。执行单元接到命令后，通过投切开关（常为交流接触器）控制电容组的投切，完成补偿任务。本设计采用双向可控硅作为控制开关。系统有检测单元、主控单元、执行单元、电源组成。如图所示：
4、无功补偿控制器硬件设计
硬件设计包括：电源设计、检测回路、控制回路，和输出回路。具体的包括电源部分、电容组柜部分、单片机系统部分、信号采集部分、信号转化部分、相位判断部分、看门狗部分、电容投切部分、显示部分、参数设定、通讯部分。
4.1电源设计
直流电源是电子设备中供给电能的部分，因此是不可缺少的单元。本系统采用了由交流电经变压、整流、滤波、稳压而形成的直流电源，早期的直流电源的稳压部分是由独立元件组成，所用元器件多，占空间大，接线多。自集成稳压器件问世后，大大方便了电源的设计。目前常用的有三端固定式、三端可调式和开关式。在本系统中采用了78XX（输出正电压）系列和79Xx（输出负电压）系列的三端固定式集成稳压器。本系统电源部分要求给CPU、5460、光电祸合、控制开关的辅助开关供电。本设计有四组电源，其中两组+SV电源，一组一SV电源，一组+12V电源。+SV（l）给CPU、5460供电。+SV（2）用来给光祸提供电源，以区别于用在主回路的电源，实现了光电隔离。一SV电源用于电压放大芯片AD620，+12V电源用于开关量的反馈回路。
4.2电容器设计
补偿电容总的安装容量确定后，接下来的问题是如何分组。分组过多，需要的开关设备就多，投资就大，分组少，则在负荷变化大的情况下，很难补偿到理想的效果，往往投入一组会过补偿，切去一组又会欠补偿，即所谓的投切振荡。因此要合理分组，同时在软件中设置必要参数避免投切振荡。当负荷低于临界功率点以下时，由于无功功率缺额不大，即使实际功率因数角位于下限角之下也不必补偿。如果在低于临界功率线以下再进行补偿操作，则会造成过补偿。过补偿又会使控制装置发出切除命令，从而导致出现投切振荡现象。为避免这种不应有的现象发生，则需要设置闭锁措施，选取合适的最小补偿容量，同时设置合理的功率因数上下限。在本设计中功率因数上下限可以根据实际情况设定，我们根据国家电力部门的规定，以及前面经济效益的分析，在程序中预先设置了功率因数的下限甲L为0.85，上限，h为0.98，达到的最佳功率因数为甲2为0.95.在实际中我们可以根据负荷的情况通过键盘设定。
4.3输入输出设计
本设计是一个多开关量输入输出的控制装置，由于开关量比较多，如果直接用CPU的FO口去控制，占用的口资源比较多。在本设计中有六路开关量输入，六路开关量输出，我们采用了74HC541，74HC541有三态功能，总线上可以挂几十个芯片，因而能完成较大系统的FO口的扩展，弥补了单片机FO口的不足。如果设计中需要的输入输出开关量比较多的时候，可以用74HC138译码器和74HC541来扩展。本设计的开关量输出是控制电容器的投切，开关量的输入是作为电容器组的投切状态信号输入的。输入端与电容组开关辅助开关的常闭接点连接，电容柜开关闭合，辅助开关常闭接点断开，电容柜开关状态输入端电压为O，电容柜开关断开时，即切除电容时，接点电压为+12V。
5、无功补偿控制器软件设计
软件设计包括：主程序的设计及子程序的设计。其中，子程序的设计又包括：读CS5460A数据子程序，相位判断子程序，投切判断子程序、显示子程序、键盘设定子程序、通讯子程序。主程序设计采用了自顶向下的程序设计思想。主程序主要采用了顺序程序，是为了控制器的不间断运行，在需要的地方用到了循环体。重要的环节都设计成了子程序，在主程序中需要的地方直接调用这些子程序，这样在编程的过程中就显得思路清晰、结构分明，大大提高了程序的编制和调试的效率。为了提高CPU的工作效率，程序的设计利用了AT89C52的大部分中断源。
6、结论
综上所述，为提高功率因数，减少功率损耗，提高电压质量，需并联电容器进行无功补偿。人工投切并联电容器存在着很多弊端，因此在总结国内外无功补偿自动控制器的经验基础上，设计了一套比较完善的无功自动控制装置。
对本系统来说，还存在着不足之处。在通讯方面，由于系统的干扰较大，通讯协议比较简单，造成数据的误码率较高。同时在本系统中软件设计没有考虑电容器的一些护。此外，由于无功控制是一个多输入多输出的闭环控制系统中的最优控制问题，系受到很多因素的限制，有时功率因数不能达到最佳，只能在比较满意的范围内变动。这些都是进一步研究、解决的问题。
参考文献：
[1]侯博渊.变电站无功补偿设备的运行与控制[J].山东：山东工业大学，2001.
[2]电科院电力系统研究所.可控静止无功补偿装置闭[J].电网技术，2009年第1期.
[3]靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[4]陈光东.单片微型计算机原理与接口技术[M].武汉：华中理工大学出版社，2009.
【关键词】 无功功率功;率因数;并联电容器
1、前言
电压是电能主要质量指标之一。无功电力是影响电压质量的一个重要因素。为加强无功电力的管理，各级电压的电力网和电力用户都要提高自然功率因数，并按无功分层分区和就地平衡以及便于调整电压的原则，安装无功补偿设备。
造成功率因数、电压不合格的主要因素是：电网中的电力负荷如电动机、变压器等。这些设备属于感性负荷，在运行过程中需要向它们提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源提供給感性负荷、经线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的降损节能措施。因此，根据供电部门的要求，满足网损的规定，适应农村供电线路的改造，提出了要研究的课题—无功补偿自动控制的研究。
2、无功补偿控制技术研究现状
国内外对电压无功控制问题作了大量的研究，取得极为可观的成果。有传统方式的电压无功自动控制装置，有以模糊理论和神经网络为基础的电压无功综合控制。近年来国内外专家、学者提出了许多基于新理论新方法的电压无功控制装置，已有一些产品应用于生产，取得了不少宝贵经验。
概括起来讲，对变电站电压无功控制的研究主要有两方面，即离线优化和实时监控。离线优化是根据专家经验或由计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷测基础上进行优化计算，得出第二天的调节方案，由调度下发给各站。调节方案以小时为间隔，很不精确，而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为基础的，当预测数据不准时调节方案就失去了意义。实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线的电压不断采样，一旦发现母线电压或无功功率超越限值就根据一定的规则调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组，将电压和无功控制在各自的允许范围之内。
3、无功补偿控制器总体设计
检测单元是从电网中检测到和网络功率因数直接或间接相关的参数，并将此参数信号转换成主控单元能接收的信号，传送给主控单元，由主控单元作出投切决策。主控单元接收到检测信号后，将其和目标值进行比较，并根据比较结果发出命令，送给执行单元。执行单元接到命令后，通过投切开关（常为交流接触器）控制电容组的投切，完成补偿任务。本设计采用双向可控硅作为控制开关。系统有检测单元、主控单元、执行单元、电源组成。如图所示：
4、无功补偿控制器硬件设计
硬件设计包括：电源设计、检测回路、控制回路，和输出回路。具体的包括电源部分、电容组柜部分、单片机系统部分、信号采集部分、信号转化部分、相位判断部分、看门狗部分、电容投切部分、显示部分、参数设定、通讯部分。
4.1电源设计
直流电源是电子设备中供给电能的部分，因此是不可缺少的单元。本系统采用了由交流电经变压、整流、滤波、稳压而形成的直流电源，早期的直流电源的稳压部分是由独立元件组成，所用元器件多，占空间大，接线多。自集成稳压器件问世后，大大方便了电源的设计。目前常用的有三端固定式、三端可调式和开关式。在本系统中采用了78XX（输出正电压）系列和79Xx（输出负电压）系列的三端固定式集成稳压器。本系统电源部分要求给CPU、5460、光电祸合、控制开关的辅助开关供电。本设计有四组电源，其中两组+SV电源，一组一SV电源，一组+12V电源。+SV（l）给CPU、5460供电。+SV（2）用来给光祸提供电源，以区别于用在主回路的电源，实现了光电隔离。一SV电源用于电压放大芯片AD620，+12V电源用于开关量的反馈回路。
4.2电容器设计
补偿电容总的安装容量确定后，接下来的问题是如何分组。分组过多，需要的开关设备就多，投资就大，分组少，则在负荷变化大的情况下，很难补偿到理想的效果，往往投入一组会过补偿，切去一组又会欠补偿，即所谓的投切振荡。因此要合理分组，同时在软件中设置必要参数避免投切振荡。当负荷低于临界功率点以下时，由于无功功率缺额不大，即使实际功率因数角位于下限角之下也不必补偿。如果在低于临界功率线以下再进行补偿操作，则会造成过补偿。过补偿又会使控制装置发出切除命令，从而导致出现投切振荡现象。为避免这种不应有的现象发生，则需要设置闭锁措施，选取合适的最小补偿容量，同时设置合理的功率因数上下限。在本设计中功率因数上下限可以根据实际情况设定，我们根据国家电力部门的规定，以及前面经济效益的分析，在程序中预先设置了功率因数的下限甲L为0.85，上限，h为0.98，达到的最佳功率因数为甲2为0.95.在实际中我们可以根据负荷的情况通过键盘设定。
4.3输入输出设计
本设计是一个多开关量输入输出的控制装置，由于开关量比较多，如果直接用CPU的FO口去控制，占用的口资源比较多。在本设计中有六路开关量输入，六路开关量输出，我们采用了74HC541，74HC541有三态功能，总线上可以挂几十个芯片，因而能完成较大系统的FO口的扩展，弥补了单片机FO口的不足。如果设计中需要的输入输出开关量比较多的时候，可以用74HC138译码器和74HC541来扩展。本设计的开关量输出是控制电容器的投切，开关量的输入是作为电容器组的投切状态信号输入的。输入端与电容组开关辅助开关的常闭接点连接，电容柜开关闭合，辅助开关常闭接点断开，电容柜开关状态输入端电压为O，电容柜开关断开时，即切除电容时，接点电压为+12V。
5、无功补偿控制器软件设计
软件设计包括：主程序的设计及子程序的设计。其中，子程序的设计又包括：读CS5460A数据子程序，相位判断子程序，投切判断子程序、显示子程序、键盘设定子程序、通讯子程序。主程序设计采用了自顶向下的程序设计思想。主程序主要采用了顺序程序，是为了控制器的不间断运行，在需要的地方用到了循环体。重要的环节都设计成了子程序，在主程序中需要的地方直接调用这些子程序，这样在编程的过程中就显得思路清晰、结构分明，大大提高了程序的编制和调试的效率。为了提高CPU的工作效率，程序的设计利用了AT89C52的大部分中断源。
6、结论
综上所述，为提高功率因数，减少功率损耗，提高电压质量，需并联电容器进行无功补偿。人工投切并联电容器存在着很多弊端，因此在总结国内外无功补偿自动控制器的经验基础上，设计了一套比较完善的无功自动控制装置。
对本系统来说，还存在着不足之处。在通讯方面，由于系统的干扰较大，通讯协议比较简单，造成数据的误码率较高。同时在本系统中软件设计没有考虑电容器的一些护。此外，由于无功控制是一个多输入多输出的闭环控制系统中的最优控制问题，系受到很多因素的限制，有时功率因数不能达到最佳，只能在比较满意的范围内变动。这些都是进一步研究、解决的问题。
参考文献：
[1]侯博渊.变电站无功补偿设备的运行与控制[J].山东：山东工业大学，2001.
[2]电科院电力系统研究所.可控静止无功补偿装置闭[J].电网技术，2009年第1期.
[3]靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[4]陈光东.单片微型计算机原理与接口技术[M].武汉：华中理工大学出版社，2009.