無(wú)功補償自控方案在電力設計中的應用比較

摘要 簡(jiǎn)述了無(wú)功補償的原因和意義、補償途徑和方式。研究了傳統電子式自動(dòng)補償控制方案、基于單片機控制技術(shù)的無(wú)功補償自控方案以及基于PLC控制技術(shù)的無(wú)功補償自控方案等設計結構和原理。并對其性能和電路結構特點(diǎn)進(jìn)行比較，為電力設計提供參考。
關(guān)鍵詞 無(wú)功補償；單片機控制補償；PLC控制補償

1 無(wú)功補償概念
隨著(zhù)經(jīng)濟、科技的快速發(fā)展，企業(yè)大量采用異步電動(dòng)機和變壓器，大型可控硅裝置的應用和大功率沖擊性負荷的存在，使得電力系統功率因數變低，電壓波動(dòng)增大。安裝并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補償的主要作用是提高功率因數以減少設備容量和功率損耗以及穩定電壓和提高供電質(zhì)量，在長(cháng)距離輸電中提高輸電穩定性和輸電能力以及平衡三相負載的有功和無(wú)功功率。
根據補償安排方式不同，無(wú)功補償可分為：集中補償、分散補償和就地補償3種。集中補償裝設在企業(yè)或地方總變電所6～35 kV母線(xiàn)上，補償裝置包括并聯(lián)電容器、同步調相機、靜止補償器等，目的是改善輸電網(wǎng)的功率因數、提高終端變電所的電壓及補償主變的無(wú)功損耗。分散補償裝設在功率因數較低的車(chē)間或村鎮電所的高壓或低壓母線(xiàn)上。這種方式與集中補償有相同的優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)功容量較小。分散補償通常采用10 kV戶(hù)外并聯(lián)電容器安裝在架空線(xiàn)路的桿塔上或另行架桿進(jìn)行無(wú)功補償，以提高配電網(wǎng)功率因數，達到降損升壓目的。因其具有投資小，回收快，補償效率高，便于管理和維護等優(yōu)點(diǎn)，適用于功率因數較低且負荷較重的長(cháng)配電線(xiàn)路。就地補償適宜裝設在異步電動(dòng)機或電感性用電設備附近，既能提高用電設備供電回路功率因數，并且能提高用電設備的電壓質(zhì)量?！豆╇娤到y設計規范》(GB50052—2009)指出：在環(huán)境正常的建筑物內，低壓電容器宜分散設置。故對企業(yè)和廠(chǎng)礦中的電動(dòng)機，應進(jìn)行就地無(wú)功補償，即隨機補償。針對小區用戶(hù)終端，由于用戶(hù)負荷小，波動(dòng)大，地點(diǎn)分散，無(wú)人管理，因此需開(kāi)發(fā)一種新型低壓終端無(wú)功補償裝置。
根據補償控制方式的不同又可分為：電子式自動(dòng)控制補償、單片機控制補償及PLC控制補償等多種。電力設計時(shí)，選擇合適的無(wú)功補償自動(dòng)控制方案(要求：智能型控制，免維護；體積小，易安裝；功能完善，造價(jià)較低)對于提高供電安全性、降低生產(chǎn)及用電成本意義斐然。

2 典型無(wú)功補償自控方案
2．1 電子式自動(dòng)補償控制方案
傳統的電子式自動(dòng)補償控制方案由分立元件組裝如圖1所示，分立元件組裝的自動(dòng)控制系統包括相位和電流檢測單元、無(wú)功運算及比較單元、投切控制單元及電容器組等。投切開(kāi)關(guān)多采用交流接觸器。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品元件多、設備體積龐大、線(xiàn)路復雜維修困難、可靠性差，響應速度較慢，在投切過(guò)程中會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊涌流，使用壽命短。個(gè)別使用單位由于設備無(wú)法修復，僅單靠人工手動(dòng)進(jìn)行控制。

2．2 單片機控制技術(shù)的無(wú)功補償方案
一種典型的基于A(yíng)Tmega16單片機控制技術(shù)的無(wú)功自控方案如圖2所示，系統主要由信號調理模塊、AVR處理模塊、控制補償模塊、液晶顯示模塊和鍵盤(pán)等模塊組成。其中，芯片ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS／MHz，從而可減緩系統在功耗和處理速度間的矛盾。此外，ATmega16AVR內核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器將直接與運算邏單元(ALU)相連接。使得一條指令可在一個(gè)時(shí)鐘周期內伺時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立的寄存器。這種結構大幅提高代碼效率，且具有比普通CISC微控制器最高至10倍的數據吞吐率。該控制方案就是充分利用了ATmega16芯片高速的運算能力和先進(jìn)的體系結構來(lái)完成無(wú)功功率的快速檢測、動(dòng)態(tài)補償和配變檢測的功能。

AVR處理信號的過(guò)程是：首先對A／D轉換器輸出的信號進(jìn)行采樣，并將采樣取得的信號進(jìn)行FFT算法運算處理(計算功率因數、電壓、電流、有功功率等)。隨后判斷電壓是否過(guò)壓或欠壓，電流是否低于零，并根據結果決定是否要逐步切除電容器。計算無(wú)功功率需要補償的數值，且做出投切決策和輸出投切指令。