无功补偿自控方案在电力设计中的应用比较

摘要 简述了无功补偿的原因和意义、补偿途径和方式。研究了传统电子式自动补偿控制方案、基于单片机控制技术的无功补偿自控方案以及基于PLC控制技术的无功补偿自控方案等设计结构和原理。并对其性能和电路结构特点进行比较，为电力设计提供参考。
关键词 无功补偿；单片机控制补偿；PLC控制补偿

1 无功补偿概念
    随着经济、科技的快速发展，企业大量采用异步电动机和变压器，大型可控硅装置的应用和大功率冲击性负荷的存在，使得电力系统功率因数变低，电压波动增大。安装并联电容器进行无功补偿的主要作用是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗以及稳定电压和提高供电质量，在长距离输电中提高输电稳定性和输电能力以及平衡三相负载的有功和无功功率。
    根据补偿安排方式不同，无功补偿可分为：集中补偿、分散补偿和就地补偿3种。集中补偿装设在企业或地方总变电所6～35 kV母线上，补偿装置包括并联电容器、同步调相机、静止补偿器等，目的是改善输电网的功率因数、提高终端变电所的电压及补偿主变的无功损耗。分散补偿装设在功率因数较低的车间或村镇电所的高压或低压母线上。这种方式与集中补偿有相同的优点，但无功容量较小。分散补偿通常采用10 kV户外并联电容器安装在架空线路的杆塔上或另行架杆进行无功补偿，以提高配电网功率因数，达到降损升压目的。因其具有投资小，回收快，补偿效率高，便于管理和维护等优点，适用于功率因数较低且负荷较重的长配电线路。就地补偿适宜装设在异步电动机或电感性用电设备附近，既能提高用电设备供电回路功率因数，并且能提高用电设备的电压质量。《供电系统设计规范》(GB50052—2009)指出：在环境正常的建筑物内，低压电容器宜分散设置。故对企业和厂矿中的电动机，应进行就地无功补偿，即随机补偿。针对小区用户终端，由于用户负荷小，波动大，地点分散，无人管理，因此需开发一种新型低压终端无功补偿装置。
    根据补偿控制方式的不同又可分为：电子式自动控制补偿、单片机控制补偿及PLC控制补偿等多种。电力设计时，选择合适的无功补偿自动控制方案(要求：智能型控制，免维护；体积小，易安装；功能完善，造价较低)对于提高供电安全性、降低生产及用电成本意义斐然。

2 典型无功补偿自控方案
2．1 电子式自动补偿控制方案
    传统的电子式自动补偿控制方案由分立元件组装如图1所示，分立元件组装的自动控制系统包括相位和电流检测单元、无功运算及比较单元、投切控制单元及电容器组等。投切开关多采用交流接触器。其缺点是产品元件多、设备体积庞大、线路复杂维修困难、可靠性差，响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生冲击涌流，使用寿命短。个别使用单位由于设备无法修复，仅单靠人工手动进行控制。

2．2 单片机控制技术的无功补偿方案
    一种典型的基于ATmega16单片机控制技术的无功自控方案如图2所示，系统主要由信号调理模块、AVR处理模块、控制补偿模块、液晶显示模块和键盘等模块组成。其中，芯片ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，从而可减缓系统在功耗和处理速度间的矛盾。此外，ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器将直接与运算逻单元(ALU)相连接。使得一条指令可在一个时钟周期内伺时访问两个独立的寄存器。这种结构大幅提高代码效率，且具有比普通CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。该控制方案就是充分利用了ATmega16芯片高速的运算能力和先进的体系结构来完成无功功率的快速检测、动态补偿和配变检测的功能。

    AVR处理信号的过程是：首先对A／D转换器输出的信号进行采样，并将采样取得的信号进行FFT算法运算处理(计算功率因数、电压、电流、有功功率等)。随后判断电压是否过压或欠压，电流是否低于零，并根据结果决定是否要逐步切除电容器。计算无功功率需要补偿的数值，且做出投切决策和输出投切指令。
    系统软件采用模块化结构设计，将各功能模块设计为信号采集模块、电网参数计算模块、电容器控制投切模块、键盘与显示模块等四个独立的编程调试程序块，既便是程序的移植和修改仍方便系统调试和连接。
    例如，目前常用的WBB矿用隔爆型无功自动补偿装置就是由单片机为核心的控制器通过实时检测电力系统无功功率和电压、电流，分组投切电容器，实现无功功率的补偿。装置可实时显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率、温度、谐波百分比及电容器投切状态。并可实时在线设置变比、投入门限、切除门限、过电压、欠电压、谐波百分比上限、无功功率上下限等参数。
    另一种基于ADμc812的单片机的智能无功补偿控制系统如图3所示，该系统结构简单、造价低、工作稳定、适用性强。主要芯片有：ADp μc812、8255、ADM202，电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR，由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作不需CPU控制，既满足了补偿电容无冲击电流投切的要求，同时仍有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端，提高了系统的可靠性。该系统的工作原理是：控制器在上电初始化后即打开INTO中断，过零检测模块在相电压正向过零时刻产生中断触发脉冲的下降沿，系统进入中断。系统在中断程序运行过程中测得电网无功电流及基波电压的有效值，从而计算出电网无功功率的盈缺量。系统以此盈缺量并辅之以电网电压作为投切判据，控制固态继电器动作，投入或切除补偿电容器，从而达到补偿无功功率的目的。

2．3 基于PLC控制的无功补偿自控方案
    PLC是以微机技术为基础发展起来的新一代工业控制装置。图4所示的电气结构图是在传统继电器接触器自控系统基础上改造的基于PLC控制技术的无功补偿自控方案。原系统的主回路、相角检测电路、输出电路、稳压电源继续采用，而加、减法电平转换与延时电路、时钟脉冲发生器、可逆计数器、清零电路、译码器等硬件电路的控制功能用PLC实现。由于相角检测电路的输出信号较弱，不足以驱动PLC的输入，所以该信号要经放大处理后，作为PLC的输入信号。根据系统的控制要求，利用PLC的软件实现自动控制。原输出电路中的三极管开关电路，用PLC的输出继电器实现。由于受到PLC输出点容量的限制，加入中间继电器作为输出电路。

    控制程序流程如图5所示。采用模块化、结构化设计，层次分明，结构清楚。检测模块随时采集用电系统的相角信息，随后与给定参数进行比较，如不满足要求，及时投入或切除补偿电容器，保证用电系统的功率因数满足设定要求。

    图6所示是西门子S7—200PLC在无功补偿系统中的应用方案。系统利用PLC内部的时钟日历可实现自动实时投切，当检测电路或模拟单元发生故障时，可按照实时时间自动投切。当检测、设定、过压保护线路故障时，可通过软件编程来避免系统误动作，防止故障扩大。当系统故障或PLC故障时，软件仍能保证系统停止输出，避免误动作。

3 无功补偿自控方案比较
    通过上述分析可看出，传统电子式自动补偿控制方案，响应速度慢、线路复杂，可靠性差。基于单片机控制技术的无功补偿自控方案抗干扰能力较差，在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证。此外，电压等级越高的变电站其辐射范围、故障的波及面越大。而基于PLC控制技术的无功自动补偿方案具有组态方便、便于扩展、可靠性高、抗干扰能力强、线路简单以及安装维修方便等优点，是电力系统设计及成套无功补偿装置首选方案。

4 结束语
    选择最优化的无功补偿方案对提高功率因数、降低线损率、减少设计容量、减少建设投资意义重大，其直接影响着供、用电企业的经济效益。文中用比较法，抓住电力无功补偿设计的先进性、可靠性、安全性、经济性等关键技术指标，系统地研究了电力无功补偿典型技术方案实施过程，以期为电力设计及工程技术人员提供技术支持和帮助。