專利名稱：高壓電力無功補償綜合保護控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力系統(tǒng)無功補償技術領域，具體為一種高壓電力無功補償綜合保護控制器。
背景技術：
相對于發(fā)達國家，我國大部分地區(qū)的城鄉(xiāng)電網(wǎng)普遍存在供電半徑長、電壓質量差、 功率因數(shù)低的狀況。如果無功能得到有效的平衡，不僅能大大降低電網(wǎng)的損耗，而且對提高 電壓質量具有重要的意義。因此提高電網(wǎng)功率因數(shù)、平衡無功、提高電壓質量、降低線損，是 電力系統(tǒng)當前面臨的重要任務。將電容器與網(wǎng)絡感性負荷并聯(lián)是補償無功功率的傳統(tǒng)方 法，也是目前最經(jīng)濟有效的方法，在國內外獲得了廣泛的應用。部分地區(qū)的高壓線路的無功 補償采用變電站集中補償方式，這種補償方式只對站內主變所需的無功進行了補償，而對 高壓線路及線路上的大量配變無功沒有任何補償作用，對于線路無功損耗必須采取就地無 功補償才能真正降低線損。農(nóng)網(wǎng)線路較長，負荷分布不均勻，需安裝的補償點較多，如果照 搬變電站的無功補償模式，勢必造成投資大，補償效果不明顯，且安裝維護不方便。如果采 用固定地點安裝固定容量的補償方法，雖然投資較少，但由于未加任何保護，在運行條件惡 劣的農(nóng)網(wǎng)中常發(fā)生電容器燒毀事故，給電網(wǎng)運行造成安全隱患。無功功率并不是無用功率，而是在電能傳輸和轉換的過程中建立電力磁場和提供 電壓穩(wěn)定的不可缺少功率之一，無功反映不同的電壓等級，同一等級電壓的電網(wǎng)中，電壓的 高低直接反映本級無功的平衡，是電能質量的重要指標之一。無功補償可以改善電能質量， 降低電能損耗，減少用戶的電費支出，是一項投資少，收效快的節(jié)能措施。而且在工廠供電 系統(tǒng)中絕大多數(shù)用電設備都具有感性。如感應電動機、電力變壓器、電焊機等，這些設備不 僅需要從電力系統(tǒng)吸收有功功率，還要吸收無功功率以產(chǎn)生這些設備正常工作所需的交變 磁場。然而在輸送有功功率一定的情況下，無功功率增大，就會降低供電系統(tǒng)的功率因數(shù)， 功率因數(shù)是也是衡量企業(yè)供電系統(tǒng)電能利用程度及電氣設備使用狀況的一個具有代表性 的重要指標。當前的無功補償控制器大多功能單一，除了無功補償以外，再沒有其他的功能。 發(fā)明內容本實用新型要解決的問題是現(xiàn)有的無功補償控制器大多功能單一，補償效果不 明顯，沒有保護功能，安全性不高。本實用新型的技術方案為高壓電力無功補償綜合保護控制器，與控制無功補償 電容的永磁機構真空斷路器連接，包括電源模塊、單片機、硬件看門狗模塊、鍵盤模塊、顯示 模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，串口通信模塊，GPRS模塊和繼電器模塊，單 片機分別連接其余各模塊，電源模塊連接各模塊提供電源，繼電器模塊的輸出連接永磁機 構真空斷路器。電源模塊包括依次連接的開啟式電壓互感器，變壓器、全波整流電路、高通濾波器、穩(wěn)壓模塊和低通濾波器，低通濾波器輸出各模塊的電源，開啟式電壓互感器設置于電網(wǎng) 一次側。顯示模塊為液晶顯示器，通過串行通訊或并行通訊連接單片機。 數(shù)據(jù)采集模塊包括依次連接的模擬信號輸入電路和A/D采樣模塊，模擬信號輸入 電路包括開啟式電流互感器、開啟式電壓互感器，A/D采樣模塊的輸出連接單片機。進一步的，本實用新型繼電器模塊設有防跳繼電器。本實用新型針對現(xiàn)有技術中的不足，提出了一種高壓電力無功補償綜合保護控制 器，可根據(jù)線路無功、電壓的變化情況進行自動跟蹤補償及保護，根據(jù)線路的負荷情況選擇 多種控制方式。本實用新型使用單片機作為核心，經(jīng)過快速運算處理，得出系統(tǒng)的感性無功 功率和功率因數(shù)，計算出負載所需的無功功率容量，再快速查表決定應投入并聯(lián)電容器的 級數(shù)，輸出控制信號，控制永磁機構真空斷路器進行關合和開斷，投切并聯(lián)電容器；并且通 過單片機實現(xiàn)保護功能，具有短路速斷保護，電容器過流短延時保護、過電壓保護、欠電壓 保護、電容器開口電壓保護、零序電流保護和故障閉鎖等功能，同時通過GPRS模塊實現(xiàn)多 種方式的四遙(遙控、遙測、遙調、遙信)通訊功能，顯示模塊具有故障畫面功能，數(shù)據(jù)存儲 模塊實現(xiàn)事件記錄，如保護動作信息、保護功能的投入/退出、歷史記錄等。高壓電力無功 補償綜合保護控制器把所有現(xiàn)場的動作及保護信號通過GPRS模塊發(fā)送到后臺配合監(jiān)控系 統(tǒng)軟件進行顯示分析，顯示線路的有功功率、無功功率、電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸 變率及電容器三相電流等參量，可以真正實現(xiàn)遠方遙控功能。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型可根據(jù)線路無功、電壓的變化情況進行自動跟蹤補 償，提高功率因數(shù)，改善電壓質量，減少配電線路無功輸送流量，縮短配電線路無功輸送距 離；GPRS通信技術配合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控后臺軟件的應用，可實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調，保 護定值設定及裝置工作狀態(tài)的查詢；具有多種狀態(tài)監(jiān)測功能；人機交互性強；保護功能齊 備，具有過壓保護、欠壓保護、電流速斷保護、過電流保護、過負荷保護、零序電流保護、負序 電流保護、拒動保護、缺相保護、電容器開口三角電壓保護、諧波電壓保護、諧波電流保護， 并可按照需求在單片機中進行定制。本實用新型可靠性高，體積小，易安裝，功能多，造價 低。

圖1為本實用新型中的補償綜合保護控制器的原理框圖。圖2為本實用新型中的電源模塊原理圖。圖3為本實用新型中的模擬信號輸入電路原理圖。圖4為本實用新型中的A/D模塊與單片機連接的電路原理圖。圖5為本實用新型中的鍵盤模塊和顯示模塊與單片機連接的電路原理圖。圖6為本實用新型中的時鐘模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊原理圖。圖7為本實用新型中的看門狗模塊與單片機的連接電路原理圖。圖8為本實用新型中GPRS模塊與單片機的通信連接圖。圖9為本實用新型的串口通信模塊原理圖，(a)為常用的RS232接口電路；(b)為 RS422/RS85 接口 電路。
具體實施方式
如圖1，本實用新型包括電源模塊、單片機、硬件看門狗模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、 數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，串口通信模塊，GPRS模塊和繼電器模塊，單片機分 別連接其余各模塊，電源模塊連接各模塊提供電源，繼電器模塊的輸出連接永磁機構真空 斷路器。電源模塊為單片機和其他器件提供+5V的工作電壓，開啟式電壓互感器將電網(wǎng)一 次側的高壓信號轉換為二次側低電壓，在電源模塊中經(jīng)過變壓器，全波整流電路，高通濾波 器，穩(wěn)壓模塊和低通濾波器，最后得到紋波系數(shù)較小的5V和12V電源，精度高，電壓穩(wěn)定。單片機模塊是本實用新型的核心器件，根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊得到的電網(wǎng)線路電壓、 電流及功率因數(shù)角，計算出線路的無功功率和功率因數(shù)角作為控制的核心參數(shù)，并計算出 線路所需無功補償?shù)娜萘?，得到負載所需的無功功率，再快速查表決定應投入并聯(lián)電容器 的級數(shù)，輸出控制信號，控制永磁機構真空斷路器進行關合和開斷，投切補償電容器，并根 據(jù)線路的負荷情況選擇多種投切控制方式，控制并聯(lián)電容器的投切，調整線路的感性無功 功率和功率因數(shù)；同時分析各個參數(shù)，進行過壓保護、欠壓保護、電流速斷保護、過電流保 護、過負荷保護、零序電流保護、負序電流保護、拒動保護、缺相保護、電容器開口三角電壓 保護和動作次數(shù)保護，可設定每天的最大動作次數(shù)；其中電壓保護可適合于采集一組線電 壓，電流保護通過采集補償電容器的3相電流實現(xiàn)，其中零序電流、負序電流通過單片機本 身計算獲得。硬件看門狗模塊防止單片機在執(zhí)行某些指令時受到干擾，使單片機的操作代碼或 者地址碼發(fā)生改變致使裝置誤動作，在單片機執(zhí)行程序異常時，使單片機復位而不用整個 系統(tǒng)斷電，從而保護控制器的硬件電路工作正常運行。鍵盤模塊由按鈕開關組成，它是單片機的輸入設備，操作人員可以通過按鍵輸入 數(shù)據(jù)或者命令，實現(xiàn)簡單的人機通信，當按鍵沒有按下時輸入端口是高電平，表示沒有按鍵 按下，按鍵按下時，單片機輸入端口是低電平，此時按鍵按下，單片機可以通過讀端口的高 低電平來判斷按鍵是否按下，從而執(zhí)行每個按鍵的功能；顯示模塊采用液晶顯示，有串行通 訊和并行通訊兩種通訊方式，采用并行方式，所占用的I/O 口資源多，但是響應速度快，可 以實時跟蹤信號的顯示，串行方式速度比并行方式慢，鑒于單片機I/O 口資源多，本實用新 型采用并行方式進行測量數(shù)據(jù)、保護信息、故障波形的顯示，同時將故障信息提示給運行人 員O數(shù)據(jù)采集模塊包括依次連接的模擬信號輸入電路和A/D采樣模塊，模擬信號輸入 電路包括開啟式電流互感器、開啟式電壓互感器，A/D采樣模塊的輸出連接單片機。由單片 機對輸入的電壓電流計算分析，得到電路的控制參數(shù)，從而執(zhí)行補償電容器的投切和保護 功能。時鐘模塊實現(xiàn)時間的實時記錄，便于查看故障的時間；數(shù)據(jù)存儲模塊用來存儲故 障時間和故障的信息，便于現(xiàn)場人員查看。串口通信模塊實現(xiàn)裝置和上位機的通信，通信方式包括單工傳送，半雙工傳送和 全雙工傳送。GPRS模塊將現(xiàn)場開關的狀態(tài)、線路有功功率、無功功率、功率因數(shù)、線路電壓、線路 電流、電容器電流、保護裝置的投退狀態(tài)、保護定值、事件記錄、通訊狀態(tài)等信息傳輸至后臺監(jiān)控軟件中顯示，同時可以根據(jù)實際情況在后臺遠方遙控現(xiàn)場的開關設備進行電容器的投切工作，也可以在后臺直接對設備運行參數(shù)和保護定值進行修改，實現(xiàn)無線雙向通訊。繼電器板模塊，由分、合繼電器，保持繼電器，信號繼電器組成?？刹捎脙煞N形式 一種具有防跳功能，裝置內部有防跳繼電器，可取代老式微機保護所用的外部防跳操作箱， 并預留有外接分合閘及就地/遙控切換功能；一種不帶有防跳繼電器，以滿足目前很多自 帶防躍功能的斷路器使用。下面舉例具體說明本實用新型。單片機采用瑞薩M16C/62P，具有100引腳，I/O 口資源豐富，代碼率高，噪聲特性 好，功耗非常低，處理能力強，1MB存儲器空間，是非常實用的32/16位單片機。根據(jù)線路的 電壓電流，經(jīng)過快速運算處理，得出系統(tǒng)的感性無功功率和功率因數(shù)，得到負載所需的無功 功率容量，再快速查表決定應投入并聯(lián)電容器的級數(shù)，輸出控制信號，控制永磁機構真空斷 路器進行關合和開斷，投切補償電容器，并且判斷電壓，電流是否在在保護范圍內，進行短 路速斷保護，電容器過流短延時保護、過電壓保護、欠電壓保護、電容器開口電壓保護、零序 電流保護和故障閉鎖等保護控制功能，根據(jù)線路的負荷情況，通過鍵盤選擇相應的控制方 式，主要有按時間控制型、按電壓控制型、按時間/電壓控制型、按功率因數(shù)控制型、按無功 功率和電壓綜合控制型、遠方遙控型、手動就地控制性。單片機把所有動作及保護信號通過 GPRS發(fā)送到后臺進行顯示分析。如圖2所示，電源模塊原理圖，電源電路轉換模塊為單片機及其它器件提供+5V的 工作電壓，輸入信號是由開啟式電壓互感器二次側引進，經(jīng)過交流變壓器，變壓器的型號用 100V交流-12V的變壓器，然后經(jīng)過穩(wěn)壓二極管的全波整流電路，把電壓信號轉換成單一方 向的信號，獲得不同等級的電源，全波整流橋整流電路采用了的是二極管級聯(lián)組成的整流 電路，然后經(jīng)過濾波電路，穩(wěn)壓管可選用LM7805，7812，7912等型號，獲得+5V，士 12V的電 源，單片機正常工作時的電流為3-6mA，7805、7812、7912的輸入電壓范圍很大(超過20)，輸 入電流也可以很大(上百mA)，可以完全滿足芯片的功耗和電壓要求，開啟式電壓互感器、 電流互感器不僅提供控制器的輸入信號還提供電源電路的電壓輸入，這樣整個裝置的供電 電源在戶外可以很好的得到解決，具有實用價值。本實用新型中的模擬信號輸入電路原理圖如圖3所示，開啟式電壓互感器、開啟 式電流互感器二次側信號輸入到模擬信號輸入電路中，經(jīng)過限流電阻，此電路的優(yōu)點就是 把輸入雙極性的交變正選信號，轉換成單極性0 5V之間的信號，提供給A/D采樣模塊。由 于放大器輸入的是單極性信號，放大器的供電電源只需要+5V即可，不需要負電源供電，減 少了電路所應用的器件，單電源供電使電路更加可靠穩(wěn)定。選擇的放大器型號為LM358，把 輸入的正負極性的信號轉換成正極性信號，可以使用單電源供電，輸出信號進入到A/D采 樣模塊。A/D采樣模塊的電路原理圖如圖4所示，A/D采樣模塊選用TI公司的12位串行 TLC2543，可以節(jié)省單片機的端口數(shù)目，與單片機的連接只需要4根串行線，引腳CS2543、 0UT2543、IN2543、CLK2543，11路模擬輸入信號，單片機連接芯片的片選端口 CS2543，此引 腳低電平時，選中芯片；芯片的17引腳IN2543用于串行數(shù)據(jù)輸入，由四位的串行地址輸 入來選擇模擬量輸入通道；芯片的16引腳0UT2543為A/D轉換結果的三態(tài)串行輸出端， CS2543為高時處于高祖狀態(tài)，CS2543為低時處于激活狀態(tài)；芯片的18引腳CLK2543為輸入輸出時鐘端，接收串行輸入信號并完成以下四個功能(1)在CLK2543的前八個上升沿， 8為輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器；(2)在CLK2543的第4個下降沿，被選中的模擬輸入電 壓開始向電容器充電，直到CLK2543的最后一個下降沿為止；(3)將前一次轉換數(shù)據(jù)的其余 11位輸出到DATA OUT端，在CLK2543的下降沿數(shù)據(jù)開始變化；(4) CLK2543的最后一個下降 沿，將轉換的控制信號傳送到內部狀態(tài)控制位；通過以上即可完成數(shù)據(jù)的讀取操作。鍵盤模塊和顯示模塊與單片機連接的電路原理圖如圖5所示，顯示模塊采用臺灣 矽創(chuàng)公司生產(chǎn)的LCM128*64點陣帶中文字庫的液晶顯示器，內部控制器是通用的ST7920控 制器，可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形、自造字體的顯示，該模塊具有8位并行、4位并行、2 線串行、3線串行多種接口方式，LCD并行通訊和串行通迅，為了滿足系統(tǒng)的實時性要求，采 用并行通行，提高芯片的響應速度，液晶模塊并行接口與M16C/62P相連接，不需要驅動，可 以直接相連，時鐘模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊電路原理圖如圖6所示，時鐘模塊采用PLILIPS生產(chǎn)的 低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片PCF8563，芯片最大總線速度為400kbits/s，每次讀寫數(shù) 據(jù)后，其內嵌的字節(jié)地址寄存器會自動長生增量，引腳SCL和SDA經(jīng)上拉電阻，分別接單片 機的ΡΓΟ，ΡΓ1引腳。數(shù)據(jù)存儲模塊時鐘芯數(shù)據(jù)存儲模塊采用Atmel公司生產(chǎn)的64kb串 行電可擦除的可編程存儲器24C512，內部有512頁，每一頁為128字節(jié)，任一單元的地址為 16位，地址范圍為0000-0FFFHL它采用8引腳封裝，具有結構緊湊、存儲容量大等特點 ，非 常適用于本系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)存儲的要求。都是IIC器件，遵從IIC通訊協(xié)議。看門狗與單片機的連接電路原理圖如圖7所示，采用MAX705芯片，看門狗能夠使 單片機執(zhí)行程序異常時，是單片機復位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護控制器的硬件電路 工作正常，使用方便的廉價微處理器監(jiān)控電路。具有的特點加電、掉電及電壓降低時輸出 復位信號；獨立監(jiān)視跟蹤定時器輸出。在1. 6s內監(jiān)視跟蹤定時器輸入端不被觸發(fā)，監(jiān)視跟 蹤定時器輸出變?yōu)榈碗娖接行В?.25V門限監(jiān)測器，用于電源故障報警、低電壓檢測或+5V 以外的電源監(jiān)控；TTL/CM0S兼容的防抖動、低電平有效的人工復位輸入。GPRS模塊與單片機連接原理圖如圖8所示，采用中興公司的GPRS模塊ME3000，通 過它的UART 口直接與M16C/62P單片機的UART 口相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接交換。數(shù)據(jù)在 GPRS模塊經(jīng)過編碼、調制后，數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)包的形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_的服務 器上，用戶通過訪問服務器所分配的IP地址和端口號來獲取現(xiàn)場運行參數(shù)的信息，現(xiàn)場開 關的狀態(tài)、線路有功功率、無功功率、功率因數(shù)、線路電壓、線路電流、電容器電流、保護裝置 的投退狀態(tài)、保護定值、事件記錄、通訊狀態(tài)等信息都可以在后臺監(jiān)控軟件中顯示，可以根 據(jù)實際情況在后臺遠方遙控現(xiàn)場的開關設備進行電容器的投切工作，也可以在后臺直接對 設備的定值參數(shù)進行修改，實現(xiàn)了全雙工通信。串口通信模塊原理圖如圖9所示，由傳統(tǒng)的RS-32和工業(yè)常用的RS-485/RS-422 組成，RS-422A為全雙工，可同時發(fā)送與接收；RS-485則為半雙工，在某一時刻，一個發(fā)送另 一個接收，RS485/RS422方式由主板內跳線完成，缺省為RS422方式。RS485是一種多發(fā)送 器的電路標準，它擴展了 RS422的性能，允許雙線總線上一個發(fā)送器驅動32個負載設備，用 于多站連接時，可以節(jié)省信號線，便于高速距離傳輸。許多智能儀器設備都配有RS485總線 接口，便于將它們進行聯(lián)網(wǎng)。本實用新型可以實現(xiàn)補償和保護綜合一體的功能，高精度A/D器件的使用，使測量結果更準確；工業(yè)機級的芯片的使用，使抗干擾能力增強；16/32位M16C/62單片機的應用，使處理數(shù)據(jù)能力增強，可以實現(xiàn)補償和保護的實時性；本系統(tǒng)具備常用串口模式，可以 實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有線傳輸；GPRS技術和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件的配合使用，可以很好的實現(xiàn) 遠方遙控功能；現(xiàn)場的輸入模塊和顯示模塊使得顯示畫面的人機交互性很強，實現(xiàn)人性化， 簡易化操作。
權利要求高壓電力無功補償綜合保護控制器，與控制無功補償電容的永磁機構真空斷路器連接，其特征是包括電源模塊、單片機、硬件看門狗模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，串口通信模塊，GPRS模塊和繼電器模塊，單片機分別連接其余各模塊，電源模塊連接各模塊提供電源，繼電器模塊的輸出連接永磁機構真空斷路器。
2.根據(jù)權利要求1所述的高壓電力無功補償綜合保護控制器，其特征是電源模塊包括 依次連接的開啟式電壓互感器，變壓器、全波整流電路、高通濾波器、穩(wěn)壓模塊和低通濾波 器，低通濾波器輸出各模塊的電源，開啟式電壓互感器設置于電網(wǎng)一次側。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高壓電力無功補償綜合保護控制器，其特征是顯示模塊 為液晶顯示器，通過并行通訊連接單片機。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的高壓電力無功補償綜合保護控制器，其特征是數(shù)據(jù)采集 模塊包括依次連接的模擬信號輸入電路和A/D采樣模塊，模擬信號輸入電路包括開啟式電 流互感器、開啟式電壓互感器，A/D采樣模塊的輸出連接單片機。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的高壓電力無功補償綜合保護控制器，其特征是繼電器模 塊設有防跳繼電器。
專利摘要高壓電力無功補償綜合保護控制器，與控制無功補償電容的永磁機構真空斷路器連接，包括電源模塊、單片機、硬件看門狗模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，串口通信模塊，GPRS模塊和繼電器模塊。本實用新型可根據(jù)線路無功、電壓的變化情況進行自動跟蹤補償，提高功率因數(shù)，改善電壓質量，減少配電線路無功輸送流量，縮短配電線路無功輸送距離；可實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調，保護定值設定及裝置工作狀態(tài)的查詢；具有多種狀態(tài)監(jiān)測功能；人機交互性強；保護功能齊備。本實用新型可靠性高，體積小，易安裝，功能多，造價低。
文檔編號H02J3/18GK201562973SQ20092025717
公開日2010年8月25日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權日2009年11月4日
發(fā)明者徐建源, 林莘, 王亮, 王博 申請人:南京因泰萊配電自動化設備有限公司