單片機控制的電壓和無(wú)功功率綜合自控系統

1　概述　　

目前，國內35KV以上的變電站，廣泛采用有載調壓變壓器，并配置適當容量的并聯(lián)電容器組，以實(shí)現變電站電壓調整和功率潮流的平衡。但是這些設備如不采取合理的自動(dòng)控制手段，單靠運行人員手動(dòng)操作，顯然不能充分發(fā)揮其應有的作用。本文研究的目的在于利用單片機的計算、判斷與記憶等智能，實(shí)現系統在線(xiàn)負荷預測并進(jìn)行控制決策，自動(dòng)綜合調整有載調壓變壓器分接頭和電容器投切開(kāi)關(guān)，以提高電壓質(zhì)量和經(jīng)濟運行。

2　工程控制算法　　

在考慮具有有載調壓變壓器和并聯(lián)無(wú)功補償電容器組兩種調壓方法時(shí)，組合調壓的效果為矩陣方程

式（2—1）中，ΔKn、ΔQc分別為變壓器變化調整量和并聯(lián)補償電容器的調整量，ΔU、ΔQ表示系統電壓和無(wú)功功率的調整效果。A為系數矩陣，它由變電站及供電線(xiàn)路的參數決定。如果計算出系數矩陣A，則在每一次調整變壓器變比或并聯(lián)補償電容量之前。先計算出調整效果，再作是否決定發(fā)出調整命令，從而作到調整效果的預報。但在實(shí)際應用中，系數矩陣A很難計算，基于此，筆者提出了如下簡(jiǎn)化的工程控制算法。

電力系統簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )如圖2—1所示，假設有載調壓變壓器的一次側電壓、二次側電壓和變比分別為Ua、Ub和Kn，用戶(hù)負載電壓、視在功率、有功功率和無(wú)功功率分別為Ul、Sl、Pl、Ql，無(wú)功補償容量為Qc，則

由式（2—2）知，當Pl、Ql變化時(shí)，變電站到用戶(hù)的線(xiàn)路電壓損失ΔUl隨之變化，為了維持用戶(hù)電壓Ul基本不變，必須調整變壓器二次側電壓Ub，以補償線(xiàn)路電壓損失ΔUl，這便是逆調壓的基本思想。當要求用戶(hù)負載電壓為UlN時(shí)，二次側電壓Ub應為

由于變電站系統在一定的負荷下，其功率因數（cosφ）是變化不大或不變化的，因此，式（2—3）中的α和β近似為常數。由此可見(jiàn)，為了維護用戶(hù)負荷電壓Ul＝UlN不變，Ub應隨Pl的變化而近似線(xiàn)性變化。即只有真正按負荷大小進(jìn)行逆調壓，才能保證用戶(hù)電壓質(zhì)量。同樣，可以類(lèi)似地對無(wú)功功率補償分析，限于篇幅，在此不詳述。

工程控制算法正是基于式（2—3），首先在線(xiàn)檢測實(shí)時(shí)負荷Pl，計算機變壓器二次應有的電壓Ub。然后根據實(shí)時(shí)檢測的電壓U測和無(wú)功功率Q測，對U測和Ub、Q測與給定的無(wú)功功率Q上限和Q下限進(jìn)行比較和綜合判斷，得到14種變電站實(shí)際運行情況，如表2—1第2列所示。根據電力系統運行規范，系統設計了對應的控制決策，如表2—1第3列所示。

3　綜合自控系統的硬件組成　　

圖3—1是綜合自控系統的硬件結構圖，按功能可分為：單片機系統、信號測量與處理模塊、輸出控制模塊、升降位置與投切狀態(tài)反饋模塊、顯示及鍵盤(pán)　　輸入模塊5部分。各部分功能簡(jiǎn)述如下：

3．1　單片機系統

單片機系統主要由AT89C52、EEPROM構成，它是該系統的核心。為增強控制系統的抗干擾能力，以MAX812L作為電源監控電路，并提供手動(dòng)復位電路。單片機系統選用的單片機是內部帶有8K字節FLASHROM的低功耗AT89C52。EEPROM采用具有電可擦除PROM的93C46芯片。 EEPROM93C46芯片主要用來(lái)保存系統設定參數，使綜合自控系統在關(guān)機或因故障停機后，其運行參數能得到保留，以便下一次開(kāi)機后使用。

3．2　信號測量與處理模塊

信號測量與處理模塊主要包括PT、CT、變送器、信號采集電路和濾波電路。變送器采用FS系列電壓、有功和無(wú)功變送器。由于變送器輸出的信號包含交流分量達幾十mV，為了減小交流分量以及各種干擾對測量精度的影響，必須進(jìn)行濾波，使各類(lèi)交流分量的有效值減小為0．1mV以下。信號采集電路選用12位逐次逼近型AD574作為A／D轉換器，其轉換速度為25μs，轉換精度為0．05％，能進(jìn)行單極性和雙極性模擬信號轉換，完全滿(mǎn)足本系統的要求，從而保證電壓調整精度為±0．5％，無(wú)功補償控制精度為±3％。

3．3　輸出控制模塊

本系統要控制2臺變壓器分接頭的升降和16組電容器的投切，由單片機P2口的高4位送出信號，低電平有效。系統中采用了固態(tài)繼電器SSR作為隔離手段，使單片機系統與被控對象之間沒(méi)有電的直接聯(lián)系，有力的保證了本系統的可靠運行。

3．4　升降位置與投切狀態(tài)反饋模塊

為了獲取變壓器分接頭位置和電容器投切狀態(tài)信號，本系統擴展了8255A并行接口。同樣，采用了固態(tài)繼電器SSR作為單片機系統和反饋裝置之間的隔離。

3．5　顯示和鍵盤(pán)輸入模塊

本系統鍵盤(pán)輸入和數碼顯示均采用串行方式。為實(shí)現方便的鍵控，系統僅采用了14個(gè)鍵，其中包括：復位鍵（RESET）、調試鍵（TEST）、運行鍵（RUN）、參數功能鍵（PARAMETER）、參數調整鍵（←→↑↓)停止鍵（STOP）、自鎖鍵以及變壓器并列運行鍵、解裂運行鍵、1＃運行鍵和2＃運行鍵。

4　綜合自控系統的軟件設計　　

系統軟件采用人機對話(huà)方式和模塊化結構，根據綜合自控系統的功能要求，綜合自控系統軟件主要包括主程序模塊、計算與判斷決策程序模塊、變壓器分接頭升降管理程序模塊、電容器投切管理程序模塊、鍵盤(pán)處理子程序模塊等。限于篇幅，僅介紹主程序模塊。

圖4—1是系統主程序流程圖。首先進(jìn)行初始化，包括設置堆棧指針、顯示分接頭當前位置、設置電容器投切指針、設定定時(shí)器方式和程序自檢等。然后，等待并檢測是否有鍵按下，若有鍵按下則根據鍵值執行散轉指令操作。若按下運行鍵，則綜合自控系統連續運行，這是主程序的核心。由于系統軟件采用人機對話(huà)方式和模塊化結構，所以主程序主要是調用各功能程序模塊。若按下參數鍵時(shí)，將依次顯示各個(gè)參數，在此狀態(tài)下可使用有關(guān)功能鍵和參數鍵可對有關(guān)參數進(jìn)行修改，修改后的參數將被傳送到EEPROM中保存。按下調試鍵時(shí)，系統自動(dòng)進(jìn)入調試狀態(tài)，供本系統調試人員使用。參數鍵和調試鍵的流程在主程序框圖中未畫(huà)出。

5　抗干擾措施　　

針對綜合自控系統的干擾情況，提出了下面幾種抗干擾措施：

硬件抗干擾措施：

·采用內部帶有8K字節FLASHROM的低功耗AT89C52單片機為主處理器，其集成度高，廣泛應用于控制和測量系統，抗干擾能力強。

·采用高精度的傳感器和運算放大器。

　　·采用程序監視器（Watchdog）電路。從根本上解決程序跑飛和程序進(jìn)入死循環(huán)。

·采用隔離技術(shù)。

·采用電源凈化技術(shù)。

軟件抗干擾措施：

·為防止本系統出現頻繁動(dòng)作，提出了準動(dòng)作狀態(tài)—動(dòng)作狀態(tài)的軟件設計思想。其基本思想是：當本系統第一次判斷出系統處于不正常運行狀態(tài)時(shí)，本系統暫不發(fā)控制決策指令，稱(chēng)為本系統處于準動(dòng)作狀態(tài)。這時(shí)，本系統繼續進(jìn)行采樣、比較、綜合判斷與控制決策，如果本次判斷出系統仍處于不正常運行狀態(tài)，且與上次的狀態(tài)相同，則本系統發(fā)出對應的控制決策指令，稱(chēng)為本系統處于動(dòng)作狀態(tài)；如果本次判斷出系統仍處于不正常運行狀態(tài)，但與上一次的狀態(tài)不同，則仍不發(fā)控制決策指令，但本系統處于新的準動(dòng)作狀態(tài)；如果本次判斷出系統仍處于正常運行狀態(tài)，則本系統退出上一次的準動(dòng)作狀態(tài)。

·為提高電力系統設備利用率、完好率和使用壽命，要求對每個(gè)電容器投切操作的概率要相等，提出了等概率指針?lè )ㄍ肚械能浖O計思想。

6　結論　　

以AT89C52為核心的電壓和無(wú)功功率綜合自控系統，適用于利用有載調壓變壓器和無(wú)功補償電容器組進(jìn)行電壓和無(wú)功功率自動(dòng)調整的變電站。本系統能真正的按照逆調壓原理，在線(xiàn)檢測負荷變化，自動(dòng)調整變壓器分接頭升降和電容器投切，保證變電站負荷側母線(xiàn)電壓隨負荷變化，并使無(wú)功功率盡可能就地平衡。本系統抗干擾措施得力，系統可靠性高，操作簡(jiǎn)單。

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