高壓電力無功補償綜合保護控制器的制作方法

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：
相對于發達國家，我國大部分地區的城鄉電網普遍存在供電半徑長、電壓質量差、 功率因數低的狀況。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。因此提高電網功率因數、平衡無功、提高電壓質量、降低線損，是 電力系統當前面臨的重要任務。將電容器與網絡感性負荷并聯是補償無功功率的傳統方 法，也是目前最經濟有效的方法，在國內外獲得了廣泛的應用。部分地區的高壓線路的無功 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。農網線路較長，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 劣的農網中常發生電容器燒毀事故，給電網運行造成安全隱患。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，收效快的節能措施。而且在工廠供電 系統中絕大多數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 僅需要從電力系統吸收有功功率，還要吸收無功功率以產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，就會降低供電系統的功率因數， 功率因數是也是衡量企業供電系統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。 發明內容本實用新型要解決的問題是現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、數據采集模塊、時鐘模塊、數據存儲模塊，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 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。 數據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，可根據線路無功、電壓的變化情況進行自動跟蹤補償及保護，根據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，經過快速運算處理，得出系統的感性無功 功率和功率因數，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電容器的 級數，輸出控制信號，控制永磁機構真空斷路器進行關合和開斷，投切并聯電容器；并且通 過單片機實現保護功能，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，數據存儲 模塊實現事件記錄，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場的動作及保護信號通過GPRS模塊發送到后臺配合監控系 統軟件進行顯示分析，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，可以真正實現遠方遙控功能。與現有技術相比，本實用新型可根據線路無功、電壓的變化情況進行自動跟蹤補 償，提高功率因數，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通信技術配合數據采集與監控后臺軟件的應用，可實現遙測、遙信、遙控、遙調，保 護定值設定及裝置工作狀態的查詢；具有多種狀態監測功能；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據存儲模塊原理圖。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、 數據采集模塊、時鐘模塊、數據存儲模塊，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一 次側的高壓信號轉換為二次側低電壓，在電源模塊中經過變壓器，全波整流電路，高通濾波 器，穩壓模塊和低通濾波器，最后得到紋波系數較小的5V和12V電源，精度高，電壓穩定。單片機模塊是本實用新型的核心器件，根據數據采集模塊得到的電網線路電壓、 電流及功率因數角，計算出線路的無功功率和功率因數角作為控制的核心參數，并計算出 線路所需無功補償的容量，得到負載所需的無功功率，再快速查表決定應投入并聯電容器 的級數，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 據線路的負荷情況選擇多種投切控制方式，控制并聯電容器的投切，調整線路的感性無功 功率和功率因數；同時分析各個參數，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 保護和動作次數保護，可設定每天的最大動作次數；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，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 者地址碼發生改變致使裝置誤動作，在單片機執行程序異常時，使單片機復位而不用整個 系統斷電，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 數據或者命令，實現簡單的人機通信，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據、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數據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，從而執行補償電容器的投切和保護 功能。時鐘模塊實現時間的實時記錄，便于查看故障的時間；數據存儲模塊用來存儲故 障時間和故障的信息，便于現場人員查看。串口通信模塊實現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模塊將現場開關的狀態、線路有功功率、無功功率、功率因數、線路電壓、線路 電流、電容器電流、保護裝置的投退狀態、保護定值、事件記錄、通訊狀態等信息傳輸至后臺監控軟件中顯示，同時可以根據實際情況在后臺遠方遙控現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和保護定值進行修改，實現無線雙向通訊。繼電器板模塊，由分、合繼電器，保持繼電器，信號繼電器組成。可采用兩種形式 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。根據線路的 電壓電流，經過快速運算處理，得出系統的感性無功功率和功率因數，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電容器的級數，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，經過交流變壓器，變壓器的型號用 100V交流-12V的變壓器，然后經過穩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組成的整流 電路，然后經過濾波電路，穩壓管可選用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，經過限流電阻，此電路的優點就是 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，可以節省單片機的端口數目，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用于串行數據輸入，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轉換結果的三態串行輸出端， CS2543為高時處于高祖狀態，CS2543為低時處于激活狀態；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為輸入數據存入輸入數據寄存器；(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)將前一次轉換數據的其余 11位輸出到DATA OUT端，在CLK2543的下降沿數據開始變化；(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控制位；通過以上即可完成數據的讀取操作。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 矽創公司生產的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，時鐘模塊和數據存儲模塊電路原理圖如圖6所示，時鐘模塊采用PLILIPS生產的 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 據后，其內嵌的字節地址寄存器會自動長生增量，引腳SCL和SDA經上拉電阻，分別接單片 機的ΡΓΟ，ΡΓ1引腳。數據存儲模塊時鐘芯數據存儲模塊采用Atmel公司生產的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，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 常適用于本系統中大量數據存儲的要求。都是IIC器件，遵從IIC通訊協議。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 單片機執行程序異常時，是單片機復位而不用整個系統斷電，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；獨立監視跟蹤定時器輸出。在1. 6s內監視跟蹤定時器輸入端不被觸發，監視跟 蹤定時器輸出變為低電平有效；1.25V門限監測器，用于電源故障報警、低電壓檢測或+5V 以外的電源監控；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，實現數據的直接交換。數據在 GPRS模塊經過編碼、調制后，數據通過GPRS網絡以數據包的形式將數據傳輸到后臺的服務 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場運行參數的信息，現場開 關的狀態、線路有功功率、無功功率、功率因數、線路電壓、線路電流、電容器電流、保護裝置 的投退狀態、保護定值、事件記錄、通訊狀態等信息都可以在后臺監控軟件中顯示，可以根 據實際情況在后臺遠方遙控現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 設備的定值參數進行修改，實現了全雙工通信。串口通信模塊原理圖如圖9所示，由傳統的RS-32和工業常用的RS-485/RS-422 組成，RS-422A為全雙工，可同時發送與接收；RS-485則為半雙工，在某一時刻，一個發送另 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送器驅動32個負載設備，用 于多站連接時，可以節省信號線，便于高速距離傳輸。許多智能儀器設備都配有RS485總線 接口，便于將它們進行聯網。本實用新型可以實現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，使處理數據能力增強，可以實現補償和保護的實時性；本系統具備常用串口模式，可以 實現現場數據的有線傳輸；GPRS技術和數據采集與監控軟件的配合使用，可以很好的實現 遠方遙控功能；現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、數據采集模塊、時鐘模塊、數據存儲模塊，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一次側。
3.根據權利要求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，其特征是數據采集 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、數據采集模塊、時鐘模塊、數據存儲模塊，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，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；可實現遙測、遙信、遙控、遙調，保護定值設定及裝置工作狀態的查詢；具有多種狀態監測功能；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 優先權日2009年11月4日
發明者徐建源, 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