黎春荣 王澳 陈浩 刘开瑞

摘  要：电力系统无功就地补偿器是电力供电系统中重要的调节设备，在系统中可以起到提高电网功率因数的作用，同时它也能够降低供电变压器以及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电运行状态。该设计以AT89C52为核心，采用互感器对电网中的电压与电流的相位角进行测量，并根据设定的阈值来确定是否需要向电路中投切电容。经过试验证明，该设计方案能够实现自动、快速、精准的无功功率补偿，有效地改变功率因数使其达到理想阈值，从而减小电力输、配电的损耗，提高供电质量，具有较好的实用价值。

关键词：电力系统  无功补偿  51单片机  价值

中图分类号：TM76           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）09（a）-0059-04

Abstract： Reactive power compensator in power system is an important regulating equipment in power supply system， which can improve the power factor of power grid， reduce the loss of power supply transformer and transmission line， improve power supply efficiency and improve power supply operation status. This design takes AT89C52 as the core， and uses transformer to measure the phase angle of voltage and current in the power grid， and determines whether it is necessary to switch capacitors into the circuit according to the set threshold. Experiments show that the design scheme can realize automatic， fast and accurate reactive power compensation， and effectively change the power factor to reach the ideal threshold， thus reducing the loss of power transmission and distribution， improving the quality of power supply and having good practical value.

Key Words： Power system; Reactive power compensation; 51 single chip; Value

在現代化的电力系统发、配电过程中，无功功率就地补偿器具有一个不可缺少的非常重要的位置。它既是电力系统中改变功率因数的设备，也是电力系统中输电、送电、配电的重要调节器。无论无功功率是减少还是增加，都会导致电流的波动幅度增大，并增加了设备及线路的电能损耗，从而产生大量有功损耗，最终降低电网的功率因素和系统电压。若符合用户用电设备的无功功率全部依靠发电设备的长距离供应，而无功功率无法及时得到就地补偿，将会导致配、输电设备不能完全发挥作用，而输电、配电能力也将降低，电网供电出现不稳定状态，严重时会有多地区停电事故发生的风险。针对这一复杂问题，我们设计了一个能够根据电力线路输送中电压的相位变化来调节系统功率因素的电力系统无功就地补偿器，它可以使发出的电能能够得到更好的利用。

1  无功就地补偿器的总体设计

在电网设备选择上，合理地选择无功补偿装置，能够做到最大限度地减少网损，提高电网运行质量，增加设备的利用率，这也是电网建设中的必备考虑装置。在电力系统正常运行的过程中，一般情况下对无功的需求都是动态变化的，这种变化特点在一些局部电力系统中最为明显，尤其是在电网末端供电线路中，负载对无功的需求变化一般都会成倍数的变化，并且其变化趋势也包含快速突变和缓慢变化，其中突变包含了可预测的和各种不可预测的变化趋势，使得电力系统无功补偿对于精度、速度的要求都比较高。为解决以上难题，我们设计了一种基于单片机的电力系统无功就地补偿器，系统框图如图1所示，包括AT89C52控制芯片、相位差检测电路、模拟电容投切电路、采样电路等。此外还有相位显示电路，其中散热器用于对主控芯片进行散热处理;互感器是将电压电流信号输送到检测电路中;自动投切控制器是用来对电网做出电容补偿;相位显示器是对参数的快速显示。除此之外，还有备用电源模块、熔断器模块等。

2  硬件设计

2.1 相位差检测电路

如图2所示，在电力系统三相交流电中，各相交流电压对称，即各相电压大小相等，相位角的角度互差120°，若在输电线路等其他情况中发生相位角的变化较大时，则将导致供电系统中的电压波动，谐波增大等诸多因素。对此，该设计对其进行相位角偏差的检测，并用检测的结果与人为最初设定的阈值进行比较，从而使输电达到理想的运行状态。对于电压的检测，采用了电压互感器对其做出了精准的电压采集，他的实质是采用大电阻分压电路设计，检测出较小的电流，将该电流转化为设备测量范围内的电压信号。采用电流互感器对电流信号进行采集，它的实质是将接入的电流通转化为设备测量范围的小电流信号，这样就完成了数据信号采集。

2.2 模拟电容投切电路

电压（U）、电流（I）作为电力系统中的两个重要衡量指标，其中电压更是与无功就地补偿有着密切的关系，它也影响着电能质量和功率因素的变化，因此，该系统的设计采用了三相电压中各相相位差的变化来制作，当各相位角发生偏差变化时，ADC采样模块会自动得到一个反馈回来的检测信号，同时控制器还会将该检测信号与最初设定的信号进行比较。若不满足初始设定条件，自动投切控制器就将会动作，从而自动调整电网的相位差，改变电网的功率因素。其中功率因数指的是交流电路中电流与电压相位角的余弦值（cosφ）。在模拟投切设备中，设置了5种投切电容的模式。

（1）若相位脉宽整定值小于10000，电容全部投切。

（2）若相位脉宽整定值大于10000而小于20000，电容一、二进入投切模式。

（3）若相位脉宽整定值大于20000而小于30000，投切设备不动作。

（4）若相位脉宽整定值大于30000而小于40000，电容二、三进入投切模式。

（5）若脉宽整定值大于40000，则会实现电容无极调节，使备用电容设备做到最大化投切。

波形说明（如图3所示）：在两波形交叉的地方会出现一个脉宽，若某一时刻相位角發生变化时，此脉宽也会发生相应的改变，因此检测脉宽的大小变化就能够确定相位是否发生改变，从而确定电容投切模式。

2.3 LCD显示电路

由于LCD显示器制作的显示面板广泛应用于各种电气设备中，为了实现相位差的及时显示，使我们能够及时了解到电力系统的运行情况。该设计采用了LCD1602作为硬件设备，它能够很好地显示程序中预设的功能。该显示器是一种专门用于字母、数字、符号等功能显示的点阵式设备，同时它具有功耗低下、重量较轻、机身较薄等优良的特点，在运行过程中表现出不产生高温、极其省电的性质。如图4所示，LCD显示器在该设计中实现了：（1）相位角偏差大小显示。（2）自动投切装置运行模式显示。（3）相位差变化大小所在阈值区域显示。

3  主程序流程图

51系列的单片机有着多种开发环境，该设计采用单片机AT89C52芯片做为系统的主控芯片，相比于STM32等其他类型的单片机，该芯片具有功能消耗低下，能够兼容多种系统程序指令，经济实惠等突出特点。如图5所示，芯片内部有多个中断源，包含了8K的储存空间，3个定时/计数器，8位时钟频率为24MHz的CPU。因此，我们采用C语言来进行程序编译，对成功编写可执行的程序，能够通过多种仿真软件进行调试，这里采用proteus8.6仿真，能够让我们观察到芯片的运行状态，对做出及时的修改调整有很大的帮助。首先是定义我们所需要的控制端口，然后是对系统各端口进行初始化操作，最后对各模块的功能参数进行编写。具体如图6所示。

4  性能测试与结果分析

4.1 检测方案

首先采用proteus仿真进行模拟检测，模拟成功后制作并调试实物。由于我们制作的是简易的实验功能模拟作品，故我们采用了自制的外加三相低压电源作为我们检测调试对象，具体操作如下：改变电源输出的电压相位，观察系统是否以最初设定的理想变化形式而发生变化。

4.2 测试数据及分析

通对波形图脉宽可以观察到相位变化，对比测试结果发现，若相位角发生了改变，波形的脉宽也会发生相应的改变，若超过最初理想的工作值，则就会使得自动投切装置动作，补偿相应的电容使功率因素恢复。如图6，图7所示，当相位角相差110°时，脉宽整定值为31207，电容投切进入模式三。当相位角相差120°（正常）时，脉宽整定值为20799，自动投切装置进入模式二。

5  结语

电力是我国目前最主要的二次能源，随着世界电气行业的快速发展，我国的经济水平不断的提高，节电降耗、减少生产成本已成为企业追逐的目标。基于AT89C52单片机的电力系统无功就地补偿器，通过对电力线路的电流电压的检测，判断出三相交流电的各相相位差，可实现对电力系统中的功率因素进行补偿和修正，从而提高电力系统的电能质量及利用率。正常运行时的功率因素为0.95，这能够更好的发展电力，更有助于提高发电厂的工作效率。

由于团队设计水平有限，本设计有很多不足之处，还有待进步改进。

参考文献

[1] 王顺平，张振国，辛利斌，封继军，刘冬.基于PIC单片机的无功补偿器设计[J].电子科技，2016，29（5）：71-74.

[2] 黄贞辉，涂建，许春清.无功功率补偿控制器的设计[J].自动化技术与应用，2015，34（10）：115-119.

[3] 黎春荣，郭小梅，杨翔极，何惠文.电力系统中无功补偿装置的应用研究[J].科技创新导报，2020，17（12）：5+7.

[4] 张小伟，朱亦丹.基于单片机的智能无功补偿控制器的研究[J].电子元器件与信息技术，2019，3（12）：12-13.

[5] 严智敏.基于单片机的无功补偿控制装置设计[J].山东工业技术，2018（13）：114.

[6] 湛伟越.电气工程及其自动化无功补偿技术的实际应用研究[J].科技创新导报，2020，17（6）：45-46.