（莱芜钢铁集团 板带厂，山东 莱芜 271104）
摘要：本文首先阐述了新型电力监测分相动态无功补偿控制系统，并详细介绍了使用P89V51RD2单片机来实现此分相动态无功补偿器的硬件设计、软件编程。对补偿电容器组的动态投切，采用针对性的控制方式，实现电网无功功率的快速、动态补偿；信号采集模块中采用专用计量芯片，可以高精度的测量、跟踪电网中功率因数的变化，为实现准确、快速的无功补偿提供了保证。该系统结构简单、造价低、工作可靠、抗干扰性强、功能丰富，具有很好的推广价值。
关键词： P89V51RD2单片机 动态补偿 无功功率 电容器组
1. 引言
电力电网输出的功率包括有功功率和无功功率两部分。其中，有功功率直接消耗电能，并利用这些能做功；而无功功率不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能是电气设备能够做功的必备条件，如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能。但无功电流的存在使线路总电流增大，增大输配电线路的有功损耗，造成电压下降、电能浪费、恶化了电能质量。在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180度。由于大多数家用及工业负载呈现电感性负载特性，因而可以采用在电网中并联电容器组，通过控制并联电容器组的投切来进行无功补偿。
2. P89V51RD2单片机简介
P89V51RD2是一款80C51微控制器，80C51核心处理单元； 单一+5V的工作电压，时钟频率高达40MHz；64kB的片内Flash程序存储器和1024字节的数据RAM。具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能；通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式；SPI（串行外围接口）和增强型UART；PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能；4个8位I/O口，含有3个高电流P1口（每个I/O口的电流为16mA）；3个16位定时器/计数器；可编程看门狗定时器（WDT）；8个中断源，4个中断优先级；2个DPTR寄存器； 低EMI方式（ALE禁能）；兼容TTL和CMOS逻辑电平；掉电检测；低功耗模式：掉电模式，外部中断唤醒；空闲模式；PDIP40，PLCC44和TQFP44的封装。
3.基本工作原理和内部控制方式
3.1 基本工作原理
本装置采用两个P89V51RD2单片机作为控制单元，两个MCU通过操控双端口RAM实现单片机之间并行总线的数据共享，以解决单个单片机内存资源、外部引脚资源紧张的问题。其中，一个MCU读取采样测得的电网电压、电网电流、功率因数等电网参数，存储在内存中，并将功率因数值与设定的的投切门限进行比较，以确定是投入、切除、还是保持不变。另一个MCU实现系统参数的设定、显示，并可以存储系统参数，以及通过红外输出/GSM实现电网参数的无线传输。
3.2 内部控制方式
控制器内部控制方式采用优先补偿组和基础补偿组相结合的混合补偿方式，实现三相共补与三相分补相统一。
对于优先补偿组：当电网某相的功率因数低于设定值时，控制器输出直流触发信号，循环投入该相对应的优先补偿组。当电网某相功率因数高于设定上限时，控制器输出直流触发信号，循环退出优先补偿组。
对于基础补偿组：当投入的三组优先补偿电容器的总和大于某个数时，循环切除优先补偿电容器，并投入基础补偿组；当投入的三组优先补偿电容器的总和小于某个数时，切除基础补偿组，并投入相应的优先补偿电容器。同时，该装置具有电压、电流的超限保护等功能。
4.硬件设计
控制器的硬件结构包括：单片机、电源模块、信号采集转换模块、I/O扩展模块、输出控制模块、键盘及LED显示模块和通讯模块。
4.1 信号采集转换模块
本模块主要是采集电网的电压、电流信号，用电压互感器和电流互感器对电网电压和电网电流采样，并将采样信号传送给电能计量芯片ATT7022B，ATT7022B据此信号测得电网三相电压值UA、UB、UC，三相电流值IA、IB、IC，总视在功率，总有功功率，总无功功率，A各相的谐波含量等，并存储于相应的寄存器中，ATT7022B通过SPI接口与MCU之间进行计量参数的传递。ATT7022B能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量，同时还能测量各相电流电压有效值、功率因数、相角频率等参数。
4.2 I/O扩展模块
本装置通过GM8166芯片的串入并出功能转换完成I/O口的扩展，实现对外围电路的控制。GM8166芯片的输出控制包括8路基础补偿继电器触点控制，18路分相动态光耦输出控制。
4.3 输出控制模块
本装置利用单相动态光耦输出控制KFJ快速复合继电器实现对3组单相电容器组（18个）的投、切，利用基础补偿继电器触点输出控制接触器实现对三相电容器组（8个）的投、切。智能快速复合继电器由晶闸管和继电器并联，在特殊的方式下可以实现电容器在放电过程中的电压过零点导通和电流过零点关断，使复合继电器在接通和关断的瞬间具有晶闸管过零投切的优点，而在正常接通期间又具有触点开关无功耗的优点。采用双向可控硅可以发挥零电压导通、零电流切断的控制功能，可以防止电容器投、切过程中对电网的浪涌和对设备的冲击，避免在电容器两端产生过电压，延长电容器的寿命。
4.4 电容器的安装及容量确定
下图为单相组复合继电器、三相组接触器接线图，其中：KFJ：智能快速复合继电器；KM：交流接触器；C：电力电容器；FU：熔断器。
根据配电网络负荷功率的不同，电容器的安装容量不同。已知负荷功率为P，补偿前的功率因数为COS ，需要提高功率因数到COS ，所需电容器的容量Q可按下式计算：
Q =P () 
其中，Q―所需要补偿的无功容量(Kvar)；P－负荷的功率；―补偿前的功率因数；―补偿后的功率因数
4.5 通讯模块
本装置可以实时监测电网参数，可以通过红外线近距离和GSM/GPRS移动通讯网远距离数据传输，实现无线抄表和数据的保存，为低压配电线路的科学管理提供可靠数据。
4.6 键盘和LED显示电路
本控制器的键盘有四个按键，分别为“翻页”、“上调”、“下调”、“确认”。通过总线收发器，将按键的输入信号输入到P89V51单片机。采用中断工作方式。有键按下时，系统进入键盘中断服务程序，判断哪个键被按下，并执行相应的操作。
通过 “翻页”键可以循环查询系统的各参数的状态值、电网的参数。四个按键配合，可以实现对功率因数、保护电压值、电网谐波含量上限等参数的设定和修改。
两排LED数码管，正常工作状态下，循环显示电网中各相的功率因数，及基础组电容的投入回路数；有按键按下时根据其功能不同而显示不同的数据。
5 控制器的软件设计
系统软件采用C语言编写，分别对两个单片机编写程序。送电时，系统关闭所有输出口，进入15秒倒计时程序，待CPU工作正常后，经采样、分析、运算之后才能确定输出。
#1MCU，首先进行初始化和开中断，当接收到系统中断时，读取#2MCU中的各参数的设定值，然后读取电网参数，将电网参数传输给#2MCU，计算并输出控制电容的投切，退出中断。
#2MCU首先进行初始化和开中断，定时中断到，读取#1MCU中的电网参数，送LED或无线输出；接收到键盘中断，可以查询各项系统、电网参数，按“确定”键，将系统参数更新，同时将新的系统参数存入SRAM，退出中断，等等。断电后系统数据保持不低于10年。
其主程序的流程图如图3所示。
6. 结束语
本文介绍的新型电力监测分相动态无功补偿控制系统，对补偿电容器组的动态投切，采用针对性的控制方式，实现电网无功功率的快速、动态补偿；信号采集模块中采用专用计量芯片，可以高精度的测量、跟踪电网中功率因数的变化，为实现准确、快速的无功补偿提供了保证。该系统结构简单、造价低、工作可靠、抗干扰性强、功能丰富，具有很好的推广价值。
参考文献（References）
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论文作者:王沂超
论文发表刊物:《科技新时代》2018年7期
论文发表时间:2018/9/12
标签：电网论文; 电容器论文; 功率因数论文; 功率论文; 参数论文; 电流论文; 单片机论文; 《科技新时代》2018年7期论文;