摘要：电力电容器是电力系统无功补偿必须使用的电路元件，在电力供电系统中起提高电网的功率因数，提高供电效率，改善供电环境的作用。现有的电力电容器安装接线比较复杂，维护不方便，为此设计了一种基于STC8A8K64S4免维护智能型电容器。
关键词：免维护；STC8A8K；无功补偿；电容器
0 引言
随着电网负荷不断增加，特别是大功率感性负荷，导致线损增加，使电网的输配电效率大大降低，为减少电力输送中的损耗，提高电力输送的容量和质量，对线路进行无功功率补偿是至关重要的。当前低压无功补偿装置主要是以电力电容器为主，将熔断器、热继电器、接触器或复合开关等零散地分布在配电柜中，然后由控制器控制若干个接触器来投切电容器。这种结构方式元件多，接线复杂，一旦控制器出现故障，则整个补偿系统无法运行。
为了保证无功补偿系统安全可靠运行，本文基于STC8A8K64S4设计了一款安全免维护智能型电容器，该智能电容器除了具备无功补偿功能外还可以对电容器运行状况实时监测、保护、闭锁。
1 总体设计方案
该设计产品以低压电力电容器为主体，采用TDS电磁式零投切复合开关电器作为电容器投切开关，由STC8A8K64S4微处理器及外围测控电路作为智能组件，来实现测量、控制、保护、信号、自诊断等系列功能。
1.1测量、显示功能
设计产品主要实现了配电电压、电流、有功功率、无功功率、谐波，电容器电流、温度、内部压力、谐振状态、衰减率等测量、显示。
1.2控制功能
设计产品可以在没有控制器情况下单台，或多台自动联机运行。根据配电参数和电容器自身的运行状态投入或切除，实现的无功补偿的自动化功能，同时智能组件通过检测开关电器两端的电压信号，控制其在电压过零点时闭合，通过检测开关电器的电流信号，控制其在电流过零点时断开，实现“零投切”功能，使投运低压电力电容器时产生的涌流很小，退运低压电力电容器时不发生燃弧情况，延长了低压电力电容器和开关电器本身的使用寿命，也减小了投切低压电力电容器对电网的冲击，改善了电网的电能质量。
1.3保护功能
设计产品通过对配电参数实时检测，实现配电过电压、欠电压、缺相，电压过谐波等分段、反时限保护；对电容器本体过温、过电流等保护；对投切开关过温、粘结等保护。
设计产品根据分析电容器的衰减速度和温升变化率实时调整电容器的授权运行时间，防止电容器因疲劳运行导致损坏。
1.4信号功能
设计产品采用多功能液晶显示屏实时显示电容器投运、退运、故障、报警等状态信号，并通过无线模块将故障、报警等信息及时发给值班人员，同时根据故障或警告等级发出声光信号以提示巡检人员处理，也可以通过后台机与电容器的RS485通信接口连接实时监控无功补偿系统的运行情况。
1.5自诊断功能
设计产品动态检测零投切开关的状态、温度，电容器运行电流、温度以及电容器内部压力等参数，如果异常自动诊断分析原因，并进行修复处理。
2 硬件设计方案
免维护智能型电容器以智能控制组件为核心，其硬件设计包括STC8A8K64S4微处理器、电源电路、信号检测处理电路、控制电路以及人机接口电路等，产品的智能控制组件框图如下图1所示。
图1 智能控制组件结构图
STC8A8K64S4微处理器电路采用超高速8051内核（1T），比传统8051约快12倍以上，内部有22个中断源，4级中断优先级，存储单元，时钟电路，硬件复位电路，数模转换电路等硬件资源。
电源电路采用TDS13型变压器，将交流400V转换为3组低压源，整流滤波后分别经过ASM1117等稳压滤波得到DC3.3V、DC12V、DC5V直流稳压电源分别提供给STC8A8K微处理器电路、控制电路和人机接口电路等。
信号检测处理电路主要是将各路传感器检测的测量信号、开关信号等经电压偏移电路、滤波电路、信号放大电路等转换为STC8A8K微处理器需要的采集信号。
人机接口电路主要包括液晶显示、按键输入以及通信接口电路。液晶显示采用M00980_VGM128064C3W高清OLED液晶显示屏，在查询运行参数是高亮显示，长时间无按键操作则自动调低亮度直至熄屏，从而达到降低功耗的目的，在智能控制组件检测到系统异常将自动点亮显示屏显示报警信息。通信接口电路主要有RS485通信口和USB接口，可以多台运行的电容器组成系统工作。USB接口可用于U盘读取电容器运行的历史状态、统计信息等。
控制电路主要采用光电隔离器TLP785、三极管BD438等器件，用于实现TDS电磁式零投切开关电器过零投切电容器功能。
3 软件设计方案
本系统的软件程序设计主要包括系统初始化、信号采集、数据处理、显示按键处理、联机通信和控制保护等部分。
STC8A8K64S4微处理器在内部程序运行之前，必须对它进行初始化，包括设置微处理器工作时钟，设置定时器的工作方式及初值，设置串口相应工作方式及波特率，设置ADC相应的工作方式及频率，设置需要开放的中断源及中断优先级以及数据变量的初始值和命令字等。
按键扫描和显示程序根据按键输入选择，显示配电参数、电容器运行等参数，包括配电电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、电压电流谐波，电容器的运行温度、电流、衰减率、内部压力，开关状态、温度等。
信号采集、数模转化和数据分析处理程序将测量接口电路的模拟信号、开关信号转化成数字信号，进行计算处理。
保护、补偿控制程序根据程序中各数据的计算结果做如下工作：
（1）判断本台电容器本体、开关电器、检测传感器等是否运行正常，如异常则启动保护控制，并将信息发送给系统中的其它电容器。
（2）根据当前的功率因数、无功功率、电压等参数判断电容器的动作方向（投入/切除）和电容器容量，同时预测动作后的各参数是否出现越限。
（3）查找系统中可动作的电容器，动作时相同容量电容器根据先投先退、先退先投原则，不同容量根据需要选择，尽量平衡各电容器的投运时间。
（4）控制完成后对各参数进行记录分析，作为下次动作的判据。
4 结束语
基于STC8A8K64S4免维护智能型电容器采用了集配电监测、无功补偿、谐波分析、数据统计于一体设计方案，提升了产品的可靠性，避免了电容器因为过电压、过电流、过温度以及疲劳运行等问题引起爆炸、烧坏。经试用基于STC8A8K64S4免维护智能型电容器取得较好的运行效果，希望后期能得到电力行业相关部门的认可，为电网低压无功补偿带来较好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]施文冲.《现代电力无功控制技术与设备》中国电力出版社2010。
[2]陈 俊.低压无功补偿优化投切控制新方法研究 广西电力2013。
论文作者:柳振铁,沈卫峰,高修荣,杨建
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
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