智能无功功率补偿及电能参数显示综合控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统电能质量控制技术及节能环保技术领领域，特别涉及一种智能三相低压交流动态无功功率补偿及三相电能参数显示综合控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着经济的发展和人们生活水平的提高，各行各业对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于配电网处于电网的末端，用户多为低压用户，许多用电器的功率因数很低，且不带补偿装置，这给电网带来很大的功率负担和额外线损，为了维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行，对电网末端变压器进行就地无功补偿就显得非常有必要。
[0003]无功功率补偿装置是一种能够稳定电网电压、改善电网三相不平衡、节约电能、提高变压器增容利用率、满足增容需求，消除电磁污染和提高用电安全可靠性的装置。目前，传统的低压无功补偿设备的一般是采集单一信号，低压并联电容器组大多采用三角形接法，无功补偿均为静态补偿，以交流接触器作电力电容器的投切执行元件，投入时冲击电流大，切除时产生过电压，不仅会对电网造成干扰，而且影响电容器使用寿命。自身触头易损，噪声大甚至熔焊，而且投切时间长。在控制环节上基本不能做到分相、分级、快速及跟踪补偿的要求。在物理量控制方式上一般采用功率因数型，这种控制方式也是很传统的方式，采样、控制也都较容易实现。这种采样方式在运行中既要保证线路系统稳定、无振荡现象出现，又要兼顾补偿效果，这是一对矛盾，只能在现场视具体情况将参数整定在较好的状态下工作。即使调整的比较好，在线路重负荷时也无法祢补这种方式本身的缺陷。
[0004]在投切方式上为固定模式的循环投切、编码投切。在控制环节上基本不能做到分相、分级、快速及智能跟踪补偿的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种具有智能化的无功功率自动补偿及电能参数显示的综合装置，采用了恩智浦LPC1114FBD48/301ARM32位微处理器，以及高精度16位A/D三相交流电能芯片ATT7022B，来检测电网无功功率，MCU根据无功量来计算所需补偿电容的容量，控制器依次投入电容。控制器投入采用两种方式，一种方式为用户自行设置每路电容容值，另一种为给用户推荐RCE-1投切编码，采用此方式时电容值不可以随意给定；电压采样信号通过在市电中阻容降压获得，电流信号通过交流互感器获得，显示为12864带中文字库液晶显，用户信息及参数保存在AT24c02 I2C串行CM0SE2PR0M这片芯片里；时钟芯片为PCF8583，此芯片具有1?总线，能为系统提供准确的时间记录，掉电后电池继续为此芯片供电，芯片自动计时；数字温度传感器DS18B20，能精确检测环境温度温度，当出现温度过高时，为了保证电网安全，避免火灾，控制器将自动锁定，不能进行任何操作；通信能采用RS485通信，控制器能进行组网，每台控制器有自己的地址，监控人员能通过上位机软件监控控制器的控制参数；控制器通过检测电网无功量，并结合功率因数，来进行电容的投切，投切算法为PID比例，微分，积分控制算法，此算法为经典的工业控制设备算法。
[0006]上位机操作界面(VC++ 2008开发平台)，能做出美观的开发界面，创建数据库。上位机软件能为用户提供实时的监控数据，以及各种数据曲线。集电网监测与无功补偿于一体，不但可以补偿电网中的无功损耗，提高功率因数，降低线损，从而提高电网的负载能力和供电质量；同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等运行数据，可完成对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出等综合管理，为低压配电线路的科学管理提供第一手的可靠数据。
[0007]本发明的技术方案包括以下内容。
[0008]在物理量控制方式上采用无功功率(无功电流)型，无功功率(无功电流)型的控制器较完善的解决了功率因数型的缺陷。它具有四象限操作、自动、手动切换、自识别各路电容器组的功率、根据负载自动调节切换时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸变率测量、显示电容器功率、显示(:080、1]、1、5、？、0及频率。
[0009]接入配电网系统母线上的电流互感器输出的电流信号分别经电流传感器转换成弱电流信号Ial、Ibl、Icl，电压采样信号通过阻容降压获得低压电压信号Ual、Ubl、Ucl,同相的电流和电压信号都是同步采集完成。
[0010]经过采集后的三相电流及电压信号输送到三相电能计量芯片经过运算后送到微处理器。
[0011]微处理器将需要显示的电能参数送到液晶显示器进行显示，同时将电能参数送到存储芯片予以存储，以便用户随时调用。
[0012]时钟芯片PCF8583通过I2C总线与微处理器通信，保证时间的准确性。
[0013]大多数无功功率补偿器只能作为一个单独的设备使用无法实现远程监控与管理，微处理器与485芯片通信，使得本发明装置具有网络通信功能，可以实现远距离对整个低压配电线路的监测、分析处理、报表输出、远程操作等综等综合管理，为低压配电线路的科学管理提供了第一手的可靠数据。
[0014]采用数字温度传感器精确检测环境工作温度，当出现温度过高时，为了保证电网安全，避免火灾，控制器将自动锁定，不能进行任何操作。
【附图说明】
[0015]
图1整体框图图2电压采样原理图图3电流采样原理图图4电能计量芯片与微处理器接口示意图图5微处理器与HC595驱动芯片联接示意图图6存储芯片AT24C512与微处理器联接示意图图7 485通信接口示意图图8液晶显示器与微处理器联接示意图图9主程序流程图图10 ATT7022数据采样及校表软件流程图图11 二相电流米样电路原理详图图12三相电压采样电路原理详图图13输出控制电原理详图图14 ATT7022芯片内部框图图。
具体实施方案
[0016]下面结合附图做一详细阐述。在图1中三相电源变压器⑴的输出经三相电流互感器⑵变换后输出0-5A到检测单元中的电流检测⑷和电压检测(5)，电流检测采用TA12电流传感器，其变比为1000:1，输入电流0-5A，输出电流0-5mA ;电压检测采用电阻分压网络；检测出的三相电流和电压信号送到电能检测芯片AT7220 (6)的A/D端口。在ATT7022芯片内部集成了 6路16位A/D转换器，电流通道有效值在2mV至IV的范围内线性误差小于0.1%;电压通道有效值在10mV至IV的范围内线性误差小于0.1%;电压取值在
0.2V到0.6V，(电压采样信号小于0.2V，可用电压通道ADC增益选择，将采样信号适当的放大)，电流取值在2mV至IV，电能线性误差小于0.1%。在图3中可以看到三相电流分别经CT1/CT2/CT3三个电流传感器后分别输入到ATT7022的VxP、VxN端口，ΙΑ、IB、1C、IN是电流传感器的一次侧信号同时VxP、VxN需要迭加2.4V左右直流偏置电压，该偏置电压可以是由芯片的11脚输出参考电压REF0UT获得，当然也可以由外部基准电压提供。
[0017]电压采样输入采用电阻分压方式如图2，零线VN与芯片的参考电压输出REF0连起来，偏置电压由芯片的第11脚REF0UT提供，方便地实现了将交流采样信号迭加在2.4V的偏置直流上，VA、VB、VC与VN接入电网电压的火线和零线。
[0018]为保证测量精度，在图2和图3中芯片第5脚外接滤波电容10uF和0.luF应尽量靠近管脚处，目两个电容均不可省去。电容的接地点应与采样信号的地线尽可能短的连在一起。
[0019]在图2和图3中VxP和VxN输入电路中阻容网络构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证电表获得好的温度特性。
[0020]图4是ATT7022与微处理器联接示意图，ATT7022与微处理器有6条连线，其中4条是SPI 口线，其中CS是片选信号，SCLK是串行时钟输入，DIN是串行数据输入，D0UT是串行数据输出，还有两条分别是复位控制线RESET，握手信号线SIG，由于ATT7022所有信号高电平为5V，在与3V电源工作的单片机连线时，中间应接电平转换电路。
[0021]为防止干扰信号对SPI传输信号线的影响，在SPI信号线上都串联一个10 Ω电阻，这个电阻与1C输入端的寄生电容C结合起来可构成一个低通滤波器，从而可以消除接受信号的高频干扰。在SPI通讯速率允许的条件下，在信号线的输入端加一个去耦电容Ca/Cb/Cc/Cd,以增强抗干扰能力。
[0022]微处理器必须对SIG信号或其状态进行监控。在上电或者ATT7022受干扰复位，必须由外部MCU通过SPI 口对校表数据进行更新，以保证计量的准确性。SIG信号就是用来通知外部MCU的一个握手信号。在ATT7022的SIG端口处接10nF的去耦电容，增强其抗干扰能力。本电路采用检测工作状态寄存器的bit 16是否置位，来确定校表数据是否需要更新。
[0023]为了在上电和微处理器复位后，ATT7022能与微处理器同步的工作，ATT7022的RESET信号需要由微处理器控制，复位过程为RESET信号保持大于30ns低电平，芯片复位，此时SIG输出高电平，然后微处理器将RESET信号拉高，大约经500us左右，ATT7022完成初始化，SIG输出低电平信号，此后才能进行SPI操作。在图4中ATT7022的RESET端口处接有复位电路电阻Rs和电容Cs。
[0024]图5是驱动输出电路框图，74HC595是8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器芯片，SI(14脚):串行数据输入端。SCK(11脚):上升沿时数据寄存器的数据移位，下降沿移位寄存器数据不变。(脉冲宽度:5V时，大于几十纳秒就行了。)RCK(12脚):上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。(通常将RCK置为低电平，)当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲(5V时，大于几十纳秒就行了。)，更新显示数据。0E(13脚):高电平时禁止输出(高阻态)，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。图5中74HC595的11/12/13/14脚与