低壓動態無功補償裝置設計與實現

摘" 要：低壓動態無功補償裝置的應用能夠降低電力系統負荷，有效補償電路運行時產生的無功功率，在一定程度上避免電網損耗及受電端電壓下降的問題，從而提升功率因數，改善電壓質量。該文首先對低壓動態無功補償裝置的總體結構與控制器結構進行設計分析，并采用接地抗干擾設計降低設備運行時的外界干擾因素，提升控制器的控制精度，優化裝置的實際應用效果。

關鍵詞：低壓動態;結構設計;無功補償;控制系統;抗干擾

中圖分類號：TM761.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0111-04

Abstract： The application of low-voltage dynamic reactive power compensation device can reduce the load of power system， effectively compensate the reactive power generated by circuit operation， avoid the problems of grid loss and voltage drop at the receiving end to a certain extent， and thus improve the power factor and voltage quality. Firstly， this paper designs and analyzes the overall structure and controller structure of the low-voltage dynamic reactive power compensation device， and adopts the grounding anti-interference design to reduce the external interference factors during the operation of the equipment and improve the control accuracy of the controller， optimize the practical application effect of the device.

Keywords： low voltage dynamic; structural design; reactive power compensation; control system; anti-interference

用電量的提升導致電網中無功功率越來越多，進而影響整個電網的供電質量，在實際設計環節，需要通過提高電力系統中的負載功率因數、降低設備容量、減少功率損耗，從而保證電力系統的穩定性，提高輸電能力。

1" 低壓無功補償裝置的結構設計與實現

針對低壓動態無功補償裝置的設計，為了優化設備整體區域的負荷補償，可以采用晶閘管投切電容器（TSC）型動態無功補償裝置，該裝置能夠應用集中補償的方式，裝配在配電變壓器低壓側母線上，從而實現補償無功功率的作用。本文進行的低壓動態無功補償裝置的主體結構主要包括：柜體、控制器、空氣開關、避雷針、三項電容器、熔斷器、可控開關、觸發板及串聯電抗器等部分。

2" 低壓配電裝置無功補償控制器的結構設計與實現

無功補償控制器的結構框架設計圖如圖1所示。

控制器在進行運行時主要針對無功功率進行檢測，因此需要先進行無功功率的計算，公式如下

Q=UIsinφ，" "（1）

式中：Q表示無功功率，UI表示電網線電壓，I表示負載相電流，φ表示功率因數角。本文的控制器設計中包含電壓、電流信號采集電路及功率因數測量電路，因此可以得到φ、UI、I三項因素，進一步通過公式（1）計算得出無功功率。為了能夠清晰觀測到電壓值、電流值以及功率因數值，裝置結構配置了四位數碼顯示電路來顯示相關數值，并配合使用鍵盤電路用以切換顯示內容。具體的控制過程為：計算得出無功缺額→控制器識別分析→控制電容器組→發出投切指令→控制單片機I/O口輸出→脈沖觸發裝置接收指令→控制晶閘管投切開/關→實現投切開始/關閉操作[1]。以上操作需要對低壓配電裝置無功補償控制器的各個部分電路進行詳細設計，具體設計環節如下。

2.1" 信號采集通道及轉換電路設計

2.1.1" 信號采集通道設計

1）信號采集通道需要應用數字控制采集器來實現電流及電壓的信號采集，此時無功調節器的互感器負責發出電流及電壓信號，由于互感器的初級及次級信號相位差較小，大概在正負幾分到幾十分之間，因此可以滿足無功補償要求，在采集電流及電壓信號時不用再進行額外的校正及補償。

2）無功補償裝置在測量電流電壓時，首先需在兩極互感器中進行耦合操作，然后再傳遞至控制器。結合要求可以設計出第二級互感器，具體電路規格如圖2所示，此時電流互感器輸出最大的電壓額定值為7.07 V，峰值電壓為10 V;電壓互感器輸出電壓額定值為10/ V，峰值電壓為10/ V，由此可知電流互感器與電壓互感器輸出的交流電壓上下浮動在±10 V區間內，在進行電流及電壓信號處理過程中，可以通過模擬器完成操作。

2.1.2" 轉換電路設計

1）根據圖2分析可知，交流電壓量流經電壓互感器、交流電流量流經電流互感器，完成轉換后，能夠在微機處理環節變為弱信號，在流經整流濾波電路后，實現交流量到直流量的轉變。此時的直流量可以直接進行A/D（采用TLC2543芯片）轉換，從而將模擬量轉變為數字量，再傳輸至CPU。

2）針對A/D轉換器設計出3個端口，分別為片選端、串行數據輸入端、輸入/輸出時鐘端，將3個端口采用3線SPI串聯方式分別接入微處理器，實現各個構件之間的通信。

3）為了節省成本，可以選擇12位數據采集系統，主要是在11路輸入通道中完成對11路模擬信號的采集，A/D轉換器的TLC2543芯片由電壓直接輸入電能，因此信號采集通道也可以實現電壓直接輸入，而電流輸入需要在接口處安裝電阻，將其轉換為電壓后再輸入。

4）設定最高電壓峰值為10/ V，當A/D轉換器的輸入電壓超過這個峰值時，會對A/D轉換器芯片造成影響，需要在轉換器的輸入端上連接穩壓管，穩壓管要求接地，并且電壓設置為5.1 V。

5）A/D轉換器的3個端口主要由引腳P1.0、P1.1、P1.2提供，并單獨設置引腳P1.3來接收芯片轉換的轉換數據， 3線SPI的線路需配置光耦隔離措置，保證模擬部分與數字部分的有效隔離，從而提高電路精度[2]。

2.2" 功率因數測量電路

功率因數值需要通過三相負載進行提取計算，由于三相負載是不平衡的，因此需要在其中一相中提取相電流信號，在另外兩相中提取線電壓信號，這里的相電流與線電壓之間的夾角設為θ，θ的原理為相電流超前于線電壓之間的角度，θ與φ之間存在線性關系。該環節中設計的功率因數測量電路就是運用相電流與線電壓之間的相位差（θ）原理。具體設計流程如下。

1）設三相負載電流分別為A、B、C，因此可知A、C兩相電路輸入之間的線電壓為uCA，B相的電流為iB，此時對應的功率因數信息的波信號為u3。

2）在電流互感器的一側接入1個比較器（LM399），電壓互感器采集到線電壓信號uCA后，通過比較器的同相輸入端，電流互感器將相電流iB信號轉化為電壓，通過比較器的另一個同相輸入端，繼而轉化為相應的方波信號u1和u2。

3）u1和u2方波信號的變化主要是信號由負變正這一時刻實現的，該時刻設為零時刻，變化后得到方波信號u3，并將u3傳輸至單片機的外中斷INT0引腳，再配合使用定時器T0，此時便可以對方波信號u3的脈沖寬度τ進行檢測，而且τ值與φ值存在線性關系。

4）運用τ、φ、θ三個數值計算出功率因數角φ，設計環節不考慮接線方式之間存在的誤差，結合B相電流iB及線電壓uCA的接線方式，計算得出的出功率因數角φ的絕對值|φ|的公式如下

5）當系統中外中斷NT0啟動時，方波信號u3由負變正，在配合定時器T0啟動后，T0開始計時操作，此時u3從正變為負，關閉T0的計數開關，得到計數值T0，該計數值與τ呈正比關系。

6）設電力系統中一段時間內電網運行周期為T，在該周期內T0所得到的計數值為N，代入公式（2）進行計算后，便可以判斷出功率因數的超前及滯后情況，繼而可以得到θ及φ值為

通過公式（3），進一步得到cosφ。對電路設計結果進行仿真計算，采用Multisim軟件，結合仿真結果，該部分設計的電路能夠檢測電網中的功率因數，而且操作環節簡單方便，結果準確，可以進行實際應用[3]。

2.3" 晶閘管觸發驅動電路設計

控制器在完成投切操作后，需要通過高頻觸發脈沖去觸發晶閘管，要實現無沖擊的投切動作需要配合使用TSC脈沖觸發裝置，保證電源電壓與電容器預先充電電壓是一致的，當觸發裝置被驅動后，會控制晶閘管的導通及開關，從而控制電容器的投入與切除;在設計環節需要注意電容器電壓是一個動態值，因此需要在投切作業開始前監測晶閘管兩端的實際電壓，如果超出設定電壓峰值10/V，需要進行降壓處理，經過降壓后得到三相同步電壓;此時電壓需流經濾波電路后得到輸入信號，同時對脈沖觸發板發出指令，單片機控制系統對脈沖觸發裝置電路進行邏輯判斷處理，并輸出2路控制信號來控制晶閘管的投切作業，在這個過程中采用隔離放大部分對2路信號功率進行放大處理，從而優化晶閘管觸發功能。

2.4" 顯示電路設計

結合低壓動態無功補償裝置的功能要求，需要將顯示電路設計為2個部分，分別為：工作狀態顯示電路和電壓、電流及功率因數顯示電路。工作狀態顯示電路主要是通過ULN2003顯示驅動器來控制8個發光二級管來達到顯示要求，其中4個負責系統的過壓顯示、欠壓顯示、功率因數超前及滯后顯示，另外4個負責實現電容器組投切狀態顯示，8個二級管代表8組電容器組，某一個電容器執行投切指令時，所對應的指示燈就會亮起。電壓、電流及功率因數顯示電路是利用MAX7219顯示驅動器來控制4個LED顯示器，各個顯示影像需設置按鍵來實現屏幕切換。

2.5" 鍵盤電路

顯示電路設計完成后，需設計鍵盤實現屏幕切換，針對控制器功能，本文設置了3個按鍵，一個按鍵設計出一個對應的輸入位線，選擇其中1個按鍵作為預留鍵，另外2個按鍵負責顯示屏的狀態切換。未進行按鍵操作時，系統界面會顯示功率因數，如果按下按鍵，會相繼切換到電壓、電流顯示界面。

2.6" 電源電路

針對低壓動態無功補償裝置的電源電路設計，采用直流電源即可，需要將交流電通過變壓、整流、濾波、穩壓后轉換為直流電，整流采用的是橋式全波整流、濾波采用的是電容濾波、穩壓器采用的是三端固定輸出式，穩壓器的集成芯片都安裝了一定數量的散熱片。電源電路設計環節需考慮電源之間的干擾問題，因此需針對模擬電路及數字電路的供電，設計出2路電源電路，采用相互獨立的供電方式，其中一路的穩壓電源為+5 V，另外一路的穩壓電源為+12 V[4]。

2.7" 復位電路

結合轉換電路設計中應用的TLC2543芯片，復位電路在應用過程中要相防止電磁干擾、電網波動、停電等因素造成的死機、數據丟失及程序跑飛問題，因此單片機控制系統中安裝了“看門狗”定時器、串行E2PROM及電壓檢測電流，并統一封裝，以便減小電路板面積，降低系統運行空間。復位電路的線路采用3線SPI接口，編程及讀寫環節采用了軟件協議，進一步降低I/O接口處的信息流量。系統在進行復位操作時，使用復位信號輸出引腳RESET，此時TLC2543芯片在進行電源檢測及電路檢測時，如發現實際電源低于工作額定電壓時，RESET轉換至高電平狀態，等待電源恢復后轉換至初始狀態，使系統復位，從而實現了單片機的獨立保護模式。

2.8" 通信接口

控制器要設計出串聯通信口，實現與上機位之間的通訊，結合系統運行要求選擇RS-323標準接口能夠傳輸多種設備的接口信息，本設計主要將串聯通信口與串行傳輸數據終端設備、數據通信設備進行連接，由于三者的邏輯電平不同，因此需要設置出邏輯零電平數值，其區間為+5～+15 V，RS-323驅動器要想連接到電平，需將電平轉換至RS-323電平，同時進一步轉換至邏輯零電平。此時將通信接口線路連接至9芯RS-323插座，并設置三線接線方式，其中一線進行接地操作。實際通信環節，上機位發送指令至單片機，單片機相應串行接口根據通信協議要求將數據傳輸至上機位，從而實現控制器與上機位之間的通信[5]。

2.9" 開關量輸入/輸出模塊設計

開關量輸入通道會存在干擾現象，因此需要切斷通道之間的共地線，避免干擾脈沖。此部分隔離采用的是光電耦合器，該器件將開關量輸入與單片機控制器之間的通道進行隔離，因此保證開關量穩定地進行轉換。

開關量輸出通道設計需要在輸入指令完成后，通過電流信號亮起二極管指示燈，此時光敏三極管接受指令后輸出電流，待三極管完全導通后會在集電極處輸出低電平，等到三極管停止操作時，輸出的高電平會超過電源的額定電平值，此時會在輸出側產生壓降，電流會轉換為電壓信號，單片控制器接收信號后實現輸出操作。

3" 低壓無功補償裝置設計中的抗干擾設計

無功補償裝置需常年連續運行，控制器在工作環節會受到外界的信號干擾，這些干擾因素會影響補償裝置的控制精度，降低無功補償效果。針對上文設計的裝置可以采用接地抗干擾措施，具體設計流程如下。

在控制器設計環節，將電路板上的數字地與模擬地獨立連接，此操作可以增加線性電路的接地面積，針對低頻電路的地應選擇單點并聯的接地方式，針對高頻電力的地，需要應用多點串聯的接地方式，地線的選擇要比其他接線粗，而且設置在高頻元件的周圍，應用柵格圍護，能夠擴大接地面積。

在實際安裝時還需要考慮部件之間的相互干擾問題，因此在以上操作外，可以應用PCB板將集中并聯一點接地進行分區設置，如圖3（a）所示，讓每一個分區的元件都集中在一點接地，從而相互之間實現獨立的回路設計，此時接地線中流經的電流就不會逃竄到其他模塊，降低了干擾程度。再將其他模塊的接地塊與輸入電源地相連接，具體接地方式如圖3（b），同時地原線采用大面積匯流排，進一步降低了線路阻抗。

4" 結束語

為了保持無功功率達到平衡狀態，需要結合無功補償裝置的原理、安裝方式、接線方式及自動投切控制方法等問題，采用單片機及模糊控制技術來優化無功補償控制器，對其電路模塊及接線方式進行設計，能夠提升裝置的可靠性及穩定性，滿足實際應用要求。

參考文獻：

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[2] 龔亮.瞬時無功理論在快速動態無功補償裝置中的應用研究[J].工程技術研究，2020，5（1）：7-8.

[3] 葉頔，劉長志，康曉月，等.一種用于低壓配電系統的混合型動態無功補償裝置：CN110858717A[P].2020.

[4] 田旭，溫生毅，張海寧，等.一種用于換流站的動態無功補償裝置的控制方法：CN110854865A[P].2020.

[5] 同聰維，胡治龍，張長春，等.高壓動態無功補償裝置運行試驗系統的研究[J].電力電容器與無功補償，2021，42（5）：1-6.