工程设计

项目名称：智能无功补偿控制器的设计

智能无功补偿控制器的设计

摘要：随着社会的发展，社会用电量的急剧增加，大量低功率因素的负荷接入电网对电网形成的巨大挑战。而且现在用户对电能质量的要求越来越高，同时也为了电网的安全运行，需要平衡无功负荷功率。在低压供电系统中，低压无功补偿装置的功能就是向感性负载设备就近提供无功功率，低压无功补偿控制器是无功补偿装置的核心，采用检测电网运行参数，减少了运算量，提高电网参数辨识的精度，并可以简化系统软件设计。控制器以MCU处理器为控制核心，采用功率因数控制方式来检测电压电流并计算出功率因数、无功功率，按照一定的控制规律投切电容器组，实现无功补偿。本文首先介绍无功补偿的基本原理，再详细介绍基于STM32F103RBT6和ATT7022E的无功补偿控制器的设计。

关键词：无功补偿、控制器、功率因数、STM32F103RBT6、ATT7022E

一、引言

电力是我国的主要二次能源，随着国民经济的发展，节电降耗，减少生产成本是企业追逐的目标。但是电力系统中先天性的存在着大量的无功负荷，这些无功负荷来自电力线路、电力变压器以及用户的用电设备。系统运行中大量的无功功率将降低系统的功率因数，增大线路电压损失和电能损失，严重影响着电力企业的经济效益，解决这些问题的一个有效途径就是进行无功补偿。功率因数的提高，不仅能提高供电设备的供电能力，而且可以降低电力系统的电压损失，减少电压波动，改善电能质量，降低电能损耗，从而节省电力提高企业的经济效益。

同时，在现代电力企业中，功率因数是考核配电网运行的重要指标。为达到考核指标，必须结合本地区的具体情况，进行无功的规划,其规划的目的是：

(1)保证规划地区的无功平衡，维持电力系统的无功稳定。

(2)提高地区电网电压的质量，使地区电网无功、电压优化运行。

(3)提高功率因数、改善地区电网电能质量，提高电力企业经济效益。

(4)合理确定无功补偿方式、无功补偿容量、无功补偿的安装地点使补偿效果最佳。

电网中的用电负荷绝大部分是感性负荷，比如生活中常见的发电机、电动机、变压器等，所以为了电网的合理运行需要对电网补偿一定容量的无功功率。因为补偿一定的无功功率可以提高功率因数，减少线路损耗电量，提高用电效率等。无功补偿方式比较多，常见的有调相机、电力电容器、静止无功补偿器等。

本文注重介绍智能无功补偿器的设计，涉及到软件与硬件设计。为了取得比较好的无功补偿效果，需要准确地测量电网的参数：每一相的电压、电流。因为涉及到有功功率、无功功率、功率因数等的计算，因此我们采用了高精度电能计量芯片ATT7022E对采集到的电流、电压信号进行处理，得到我们所需要的有功功率、无功功率、功率因数等结果。而主控芯片则采用STM32F103RBT6。

二、无功补偿的工作原理

电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场,在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。

将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量而电感放出能量时，电容器吸收能量。因此能量就只在它们之间交换，即感性负荷电动机、变压器等所吸收的无功功率，可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理如图2-1所示。

图 2-1

设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为，使电源输出的无功功率减少为，功率因数由提高到，视在功率S减少到。

视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。

电力网络除了要提供有功功率P外，还要承担负荷所需要的无功功率Q。有功功率P与无功功率Q、视在功率S之间存在下面关系：

被定义为功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占线路视在功率S的百分比。在实际的电网中，我们希望功率因素越大越好。

而我们搞无功补偿的结果就是要提高功率因素，提高功率因素有几大意义：1、改善设备的利用率

功率因素还可以表示为

其中U为线电压、单位为KV；I为线电流，单位为A。根据式可知在一定的电压和电流下，提高，其输出功率增大。因此改善功率因素是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。

2、提高功率因素可以减少电压损耗

图 2-2

由电力网的等值电路图2-2可知，电力网由于无功负荷而带来的电压损耗的计算公式为：

式中：为电力网的额定电压；为元件的末端电压；为电网中电压与电流的相位角；分别为电力网中元件的等效电阻和等效电抗；为元件末端的有功负荷和无功负荷。

3、减少线路损耗

当线路流过电流I时，线路的有功损耗

其中无功功率在电网中流动而引起的有功线损的计算公式为：

线路的有功损耗与成反比，越高越小。

4、提高电力网的传输能力

视在功率与有功功率存在如下关系

可见，在传送一定的有功功率P的条件下，越高，S越小。

三、无功补偿方法

本智能无功补偿控制器主要用于低压系统。低压电网一般处于电网的末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。作好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失，减少用户电费。因而电压补偿对用户和供电部门均有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡,通常采用的方式有三种随机补偿、随器补偿、跟踪补偿三种方法。

3.1 随机补偿

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联,通过控制、保护装置与电动机共同投切。随机补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运行时，补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。具有投资少，配置灵活，维修简单等优点。

为防止电动机退出运行时产生自激过电压，补偿容量一般应大于电动机的空载无功负荷，通常推荐

式中为额定电压；为电动机空载电流；为补偿电容器容量

对于排灌电动机等所带机械负荷轴惯性大的电动机，补偿容量可适当增大，可大于电动机空载无功负荷，但要小于额定无功负荷。由于排灌电动机总是在带有水泵机械负载的情况下断电，这时电动机转速将急剧下降，即使补偿容量略大于电动机空在无功负荷，也不会产生自激过电压。一般电动机的年运行小时数大于，选用随机补偿比其他方式更经济。用户的补偿投资可在一年内全部收回，补偿电动机无功负荷效果更佳。

3.2 随器补偿

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

农网配电变压器，尤其是综合用户配电变压器，普遍存在负荷轻和“大马拉小车”现象。在负荷低时接近空载，配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。对于轻负载配电变压器而言，这部分损耗占供电量的比例较大，导致电费单价增高。由于随器补偿在低压侧，故而接线简单，维护管理方便，且可以有效地补偿配电变压器空载无功，使该部分无功就地平衡，从而提高配电变压器的利用率，降低无功网耗，是目前补偿配电变压器无功的有效手段之一。

3.3 跟踪补偿

是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据电网运行情况将低压电容器组补偿在用户配电变压器低压侧的补偿方式。补偿电容器组的固定连接组可起到跟随器补偿的作用，补偿用户自身的无功基荷；投切电容器组用于补偿无功峰荷部分。考虑到电动机投运的不同时率和单台电动机补偿容量的等因素，采用跟踪补偿比随机、随器补偿能获得更好的补偿效果，而且不需要提高补偿度，并可适当调整各组电容器的运行时间，使其寿命相对延长，从而降低电器的购置更新费用。

跟踪补偿投切方式分为自动投切和手动投切两种。手动投切通过人工投切各组电容器，达到改变补偿容量的作用，该方法适用于时间上呈一定规律变化的负荷。由于用户负荷有一定的波动性，采用人工手动投切补偿电容不能及时跟随无功负荷的变化，不能始终保持功率因数和电压质量所要求的指标，使电容补偿达不到应有的经济效益。因此，诞生了与无功补偿电容配套的自动投切装置。自动投切是微电子技术在电力系统中的应用，控制器根据测得的电力参数，计算出当前电网所需的无功补偿量，并输出指令来控制电容器组的投切，达到实时补偿的目的。

四、智能无功补偿控制器的硬件设计

4.1电能计量芯片

本智能无功补偿控制器采用的电能计量芯片为ATT7022E，该芯片集成了七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流采样，适用于三相三线和三相四线。芯片还集成了参考电压以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理电路，能够测量各相以及合相得有功功率、无功功率、视在功率等。

图 4-1

4.2 主控芯片

本控制器使用STM32F103RBT6作为主控芯片。STM32F103RBT6是一款基于高性能ARMCor-tex-M3架构内核的32位微控制器，配备2个16通道的A/D模数转换器，3个16位定时器，时钟频率最高可达72MHz。在中断方面，内嵌的中断控制器有43个可屏蔽中断通道，采用尾链技术的中断处理（降至6个CPU周期）；在通信接口方面，高达9个标准的通信接口；两个I2C接口、两个SPI接口、三个USART接口、一个CAN接口、一个USB2.0全速接口。芯片接口电路图如下：

图 4-2

4.3 控制器的工作原理

首先，我们需要采集电网上三相的每一相的电流、电压，将采集的电流电压通过互感器转换为微电流信号，微电流信号通过电能计量芯片ATT7022E的计算处理就能够得出我们需要的结果。得到的有功功率、无功功率、功率因数通过主控芯片STM32F103RBT6的处理，判断是否需要对线路进行无功补偿，同时与STM32F103RBT6相连的还有RS485通讯接口、程序下载接口、AT24C256储存模块。

图 4-3

4.4 智能无功补偿控制器的原理接线路与PCB板

图 4-4

五、智能无功补偿控制器的软件设计

控制器的软件采用模块化的设计方法，主要由主程序、电能计量芯片接口程序、电容投切控制程序、人机界面程序和通讯程序组成。

5.1 主程序设计

主程序主要包括系统初始化和主循环程序两部分组成，程序流程图如下：

图 5-1

5.2 电能计量芯片接口程序设计

电能芯片接口程序首先对进行初始化，初始化完成后向写入校表参数，等待釆样完成，最后读取并计算各个计量值。如图5-2所示：

图 5-2

电能芯片的初始化包括设置电能芯片的工作模式、ADC增益、波形采样频率、功率和电能计量方式、波形缓冲数据源和模拟模块等。在初始化完成后，判断ATT7022E是否完成釆样，如果完成釆样，读取相应计量寄存器的值进行校准，校准包括功率增益校准、相位校准和电压、电流有效值校准。写入校准参数后，ATT7022E会重新开始釆样，等釆样完成后，就可以读取各个计量寄存器的值，并计算最终的测量参数。

5.3 电容投切控制程序设计

电容投切控制程序主要根据线路的无功功率和功率因数判定电容器是否投切，并输出控制命令，实现无功补偿功能。

图 5-3

5.4 人机界面程序设计

人机界面程序主要是指液晶屏与按键的程序设计。根据按键的要求，在液晶屏上显示出各种信息。

5.5 通讯程序设计

本智能无功补偿控制器的通信包括两部分：一部分为电能计量芯片与主控芯片STM32F103RBT6之间的通讯；一部分为控制器与其他设备通讯的485通讯接口。

图 5-4

程序首先判断上位机是否发送新的数据，如果没有新数据到达，程序直接返

回，如果有新数据到达，则进行数据完整性分析，如果数据不完整，则丢弃该帧数据并重新接收。数据完整性验证通过后，根据发送的命令字发送应答数据。

六、总结

随着微电子技术、通信技术和网络技术的发展，配电自动化系统将朝着多样化、集成化和智能化的方向发展，无功补偿控制器作为配电自动化系统中的重要设备，其结构和功能也将产生新的变化，现在均趋向于智能化。

本文在介绍了无功补偿的原理和分析无功补偿的作用后，提出了智能无功补偿控制器的设计实现方法。关于智能无功补偿控制器的设计，在文中分别介绍了其硬件与软件设计。下载本文