专利名称:无功功率自动补偿控制方法和补偿系统的制作方法
本发明属于电网无功功率补偿技术，特别是以电容、电感为补偿器件的、可消除补偿器件反复投切振荡的无功功率补偿系统。
电网无功功率的补偿，目前一般采用的技术是使用电容作补偿器件，予先设定功率因数的上限定标值和下限定标值，控制系统根据电网的功率因数低于下限值或高于上限值，相应地投入或切除电容器组。因为这种技术是以功率因数值作为补偿控制依据，整个系统就有小负荷时容易发生振荡、大负荷时补偿精度低的缺点。对于电容补偿系统振荡的消除，中国专利CN85-100197《一种消除电容无效投退动作的功率因数校正系统》作了部分解决。该已知技术是在补偿控制电路中设置了一个“无效动作闭锁环节”，当系统在相邻两次投入电容器时，若功率因数值相等，控制电路即发出投入闭锁信号。电网避免了电容无效投切。而在电网运行中，经常出现两次投入功率因数值不相等，但又发生投切振荡。这时，就消除不了电容的无效投切。
本发明的目的，旨在提供一种利用电网中测试功率因数角的普通装置，实现根据无功功率值对电网进行补偿，予测并消除补偿器件的无效投切动作，进行功率因数定标值相对于电网负荷进行自适应调整的控制方法和补偿系统。
本发明所提出的方法是①、在以电容、电感或其等效电路作为补偿器件的电网中，首先利用电网常规测试装置获得电网电压、电流的实时信号，经变换得到电网在投切一组补偿器件动作前、后的功率因数角。②、根据所得到的电网投切一组补偿器件动作前后的两个功率因数角、以及功率因数定标值，计算出电网的无功功率。③、再根据计算所得电网的无功功率和功率因数定标值，对电网再次投切补偿器件能否发生振荡进行予测判断(a)、当判定不会发生振荡时，按照无功功率的大小计算出需要投入或者切除的补偿器件组数，投入或者切除相应组数的补偿器件。
(b)、当判定将要发生振荡时，就采取浮动的功率因数定标值运行。即根据电网负荷，对投切动作的功率因数定标值作自适应调整，下移定标值，使定标值所对应的功率因数角零线与此时电网的功率因数角重合。在以后的响应时间到来时，若电网里的功率因数保持不变或其变化范围小于上限定标值而大于下限定标值时，补偿器件不作投切;当电网功率因数的变化大于下移后的上限定标值，或小于下移后的下限定标值时，则重新开始一组补偿器件的投切，重复以上信号变换处理过程。若再判为振荡，定标值的功率因数角零线继续移动，若判为不振荡，定标值功率因数角零线回复原位。
在完成上述过程中，同时对功率因数角进行分时采样、迭加平均及二次加权平均等数字相关处理，经换算得到电网的功率因数值，并进行数字显示。
图2为使用上述“无功功率自动补偿方法”而专门设计的“无功功率自动补偿系统”的电路原理框图，其中〔13〕为电网主干线，〔10〕为补偿器件，〔9〕为控制执行器件，〔11〕为电网实时电压电流信号探测环节，〔1〕为信号变换环节，〔2〕为功率因数定标值、补偿器件组数、投切响应时间的模式选择环节，〔3〕为运算控制环节，〔4〕为输出扩展锁存环节，〔5〕为输出驱动环节，〔6〕为隔离放大环节，〔7〕为锁存译码驱动环节，〔8〕为cosφ值数字显示器，〔12〕为控制电路，联接于电网主干线的信号探测环节〔11〕，给出电网电压、电流的实时信号，经信号变换环节〔1〕，将之变换为两路方波信号。同时，变换环节又将交流电压信号和电流信号变换为电网过压保护动作电平信号和补偿系统启动的电网电流动作电平信号。这四路信号一同送给运算控制环节〔3〕，运算控制环节〔3〕检测电压、电流方波信号的前沿差或后沿差，即得到电网的功率因数角φ。模式选择〔2〕予定的功率因数定标值、补偿器件组数及投切响应时间也同时送到运算控制环节〔3〕，运算控制环节〔3〕将φ和上述输入信号按照予定的运算处理程序进行处理。在完成各种运算判断处理后，运算控制环节〔3〕向输出扩展锁存环节〔4〕送出补偿器件投切的编码信号，输出扩展锁存环节〔4〕按照予定的补偿器件投切方式(可为二进制码、扭环码、循环码)向输出驱动环节〔5〕送出投切控制信号，又经隔离放大环节〔6〕驱动控制执行器件〔9〕，去控制补偿器件〔10〕的投切或切除。同时，运算控制环节〔3〕根据功率因数角，计算出功率因数值，并向锁存译码驱动环节〔7〕输出功率因数值的数字编码信号。锁存译码驱动环节〔7〕向COSφ数字显示器〔8〕送出COSφ值的数字显示信号，COSφ数字显示器〔8〕显示功率因数值。
其中，运算控制环节〔3〕可由各种数字逻辑器件组成，可以是微处理器与程序存贮器、单片微型计算机。其内部运算处理程序包含下列智能处理环节a、功率因数值的分时采样、迭加平均及二次加权平均等数字相关处理环节。
b、电网无功功率的计算，反复投切振荡的予测及处理。
c、根据电网负荷的大小，自动调整功率因数定标值，实现电网最小无功功率运行。
d、按照模式选择输入状态，自动选择投切响应时间，投切动作定标值、投切补偿器件组数，按照外部接线方案选择输出编码方式。
e、工作正常与否的自诊断，并且由显示器实时指示。
输出扩展锁存环节〔4〕可以由一单片输出扩展锁存器组成，输出驱动环节〔5〕由多通道功率驱动器阵列组成，经隔离放大，既可带有触点执行器件，也可带无触点执行器件。
功率因数显示电路由锁存译码驱动环节〔7〕和COSφ数字显示器〔8〕组成。COSφ数字显示器〔8〕可由LED数码显示器组成。运算控制环节〔3〕向锁存译码驱动环节〔7〕送出BCD-7段编码信号，锁存译码驱动环节〔7〕直接驱动LED数码显示器。
信号变换环节〔1〕可以由两路零交探测器和两路迟滞比较器电路组成。
补偿器件〔10〕可为电容器组，也可为电容电感器组或其等效电路组成。
本发明的控制电路〔12〕也可以作为一种高精度的数字式功率因数表来使用，用来检测电网的功率因数值。从连接于电网主干线的信号探测装置上得到电网电压、电流的实时信号，送入本功率因数表的输入端，功率因数表就数字显示电网的功率因数值，测试精度可达0.2%-0.1%。
1、由于本发明实现了按照电网无功功率大小进行补偿，提高了补偿精度。
2、由于本发明有振荡予测及抑制环节，从根本上消除了补偿器件的无效投切动作，减小了电网电压波动和电流涌流，提高了补偿的稳定性，实现了无功功率补偿无人值守，提高了执行元件的寿命。
3、由于采用了分时采样、迭加平均等数字相关处理，提高了功率因数值的测试精度，精度可达0.2%-0.1%，且实现了数字显示。
4、由于本发明采用了大规模集成电路器件，使得较以往技术结构简单，调试制作容易，工艺重复性强，批量生产方便，成本降低。
5、采用本发明，各参数调定范围宽而准确。其中投切动作的功率因数定标值0.85-1.00;投切响应时间从20ms-256s或更长时间;投切补偿器件组数既可用数字开关或跨接线分别作四档灵活转换，也可用程序进行数字式调定;既可带有触点控制执行元件，也可带无触点执行元件;不仅适用于0.5kv以下的系统，也可适用于数kv以上的高压系统;既可使用电容补偿，也可使用电容电感补偿。
6、由于本发明采用了自诊断技术，可以随时由LED数码显示器观察系统工作是否正常，对维护人员带来极大方便。
7、采用本发明，当电网负荷有较大增减时，可实现多组一次性投切补偿，提高电网补偿稳定性。
8、由于本发明采用了功率因数定标值相对于电网负荷的自适应调整，能使电网以最小无功功率运行。
如下图1表示补偿器件投切动作的功率因数定标值相对于电网负荷进行自适应调整的原理示意图。其中P轴表示电网有功功率，Q轴表示电网无功功率，Qo为一组补偿器件所具有的无功功率，φos与φox分别为以P轴为零线的上限定标值和下限定标值所对应的功率因数角，S为电网的视在功率，φs是S具有的功率因数角。过Qo作上限功率因数角下边线的平行线。与下限功率因数角的上边线相交于A，形成OQoA三角形。当S位于OQoA三角形内时，，再投切一组补偿器件就会引起反复投切动作，导致电网发生振荡，这时就将投切动作定标值所对应的功率因数角零线移至S轴，上限定标值为COS(φs-φos)，下限定标值为COS(φs+φox)。并且S位于三角形OQoA内时，电网负荷越小，φs越大;电网负荷越大，φs越小。
图2见前述。
图3表示本发明一个实施例的系统框图。其中A、B、C为三相电网主干线，HY为电压互感器，HL为电流互感器，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为四路补偿电容，容量之比为8∶4∶2∶1，1J、2J、3J、4J为控制继电器，1CJ-4CJ为交流接触器，139为单片四电压比较器，MCS-48为单片微型计算机，连接于电网AC相的电压互感器HY探测出电网的实时电压信号，连接于电网B相的电流互感器HL探测出电网的实时电流信号，这两种信号被送入单片四电压比较器139，分别被变换为电压、电流的方波信号、电网过电压信号及补偿系统启动的电网电流的高低电平信号，这四路信号一同送入单片微型计算机MCS-48。同时，由六位微型编码开关完成模式选择，其中两位代表四档投切响应时间，两位代表四档投切电容器组数，其余两位代表四档功率因数投切动作定标值，予定的模式选择信号也送入MCS-48。MCS-48进行运算控制处理和逻辑判断处理。处理后，得出投切补偿电容器组数的四位编码信号，输出到四D触发器4042锁存，经过七路驱动器阵列1413中的四路缓冲后，驱动四只继电器1J-4J。该四路继电器的常开触点又控制四路接触器1CJ-4CJ，控制四路电容器组的投切或者切除。四路电容器组分别按照8421的数值编码连接，整个补偿电容器组数即为15组。另外，单片机MCS-48计算得的COSφ值又以10位数字编码输出，经过两片锁存译码驱动器4511和1413中的两路去驱动FR1424-14P的四只数码管显示。
图4表示实施例中控制电路的信号变换环节原理图。其中(a)为电压方波信号转换电路，(b)为电流方波转换电路，(c)为电网过压信号变换电路，(d)为补偿系统启动的电网电流信号变换电路。
(a)电压方波信号变换电路由单片四电压比较器139中的一只比较器为核心，与电阻1R1-1R7和二极管D1共同组成零交探测器，输入AC相的电压信号UAC～，输出电压方波信号。
(b)电流方波信号变换器与(a)的组成完全相同，输入B相电流信号Ib～，输出电流方波信号。
(c)电网过压信号变换电路由二极管D3、电位器W1和电容C1、C2组成UAC～的整流滤波电路。电阻1R15-1R18、电位器W1和139的一只电压比较器组成迟滞型电压比较器电路。(c)输入UAC～。当电网电压幅值在允许范围内，(c)输出高电平;当电网过压时，输出低电平。
(d)电路组成与(c)相似，输入Ib～，电网正常运行时输出高电平;电网欠电流运行时输出低电平。
图5表示实施例中控制电路的输出执行电路原理图。其中4042为四D触发器，1413为7路驱动器阵列，由单片机MCS-48来的四位投切控制编码信号D1-D4，在控制脉冲CL的触发作用下，由四D触发器4042锁存，其输出信号Q1-Q4经七路驱动器阵列1413中的四路缓冲后驱动四只继电器1J-4J。
图6表示实施例控制电路的COSφ数字显示电路原理图。其中(a)为功率因数值的符号位和整数位显示电路，(b)、(c)分别为功率因数值的两位小数位显示电路。
(a)由七路驱动器阵列1413中的两路、电阻4R1-4R4及ER1424-14P中数码管DS、D组成。由单片机MCS-48来的信号DM、DN为(a)的输入信号，其中DM表征功率因数COSφ值的符号位。当该位为1，Ds显示L，表示电网负荷为感性，为滞后功率因数;当DM为0时，Ds显示C，表示电网负荷为容性，为超前功率因数。DN表征功率因数值的整数位，当该位为1，D显示1，该位为0，显示0。
(b)由七段显示锁存译码驱动器4511、电阻4R5-4R11和FR1424-14P数码管DI组成。输入信号DB0-DB3为二一十进制的编码信号，DI显示小数点后第一位数值。
(c)电路组成与(b)相同，DⅡ显示小数点后第二位数值。
本发明的实施例将附图3里的电压互感器HY和电流互感器HL的次级线圈接到附图4中UAC～、Ib～信号输入端，在HL次级线圈并接一只0.4Ω负载电阻，由附图4的(a)电路和(b)电路的两路方波输出端分别连接到单片机MCS-48的T1及
INT端，附图4(c)电路和附图4-(d)电路的输出端分别连接到MCS-48的I/O端口，此外6路模式选择开关也和MCS-48的I/O端口相连。
从MCS-48的I/O端口输出的四位二进制编码执行控制信号连接到附图5的D1-D4端，用MCS-48的PROG信号作为附图5中4042的控制脉冲信号接到CL端。
由单片机MCS-48的I/O端口输出的10位COSφ值编码信号，与附图6的输入端DM、DN、DBO-DB7相连接。
图3中的四只继电器的常开触头接到四只接触器的线圈，接触器的主触头一侧分别按8421编码与四路电容器组相连接，另一侧则和电网主干线相接。
如上所述，对控制电路和主干线连接完毕，并按照本发明所提出的智能处理环节调试好所有运算处理程序，将其代码固化入单片机MCS-48的EPROM中，整个系统即可投入运行。
权利要求
1.一种电网无功功率自动检测和补偿的控制方法，用于以电容、电感或其等效电路为补偿器件的无功功率补偿系统中，先测得电网电压、电流的实时信号，经过信号变换处理，最终向控制执行器件输出控制信号去控制补偿器件的投切，其特征在于信号变换处理过程如下(1)首先利用电网常规测试装置得到电网的电压、电流信号，经变换得到电网在投切一组补偿器件前、后的功率因数角。(2)其次根据所得到的电网在投切一组补偿器件动作前、后的两个功率因数角和功率因数定标值，计算出电网的无功功率。(3)再根据计算得的无功功率和功率因数定标值对电网再次投切补偿器件能否发生振荡进行予测判断(a)当判定不会发生振荡时，则按照无功功率的大小计算出需要投入切除的补偿器件组数，投入或者切除相应组数的补偿器件。(b)当判定将要发生振荡时，就采用浮动功率因数定标值运行，即下移定标值，使其对应的功率因数角零线与当时电网的功率因数角重合，在以后响应时间到来时，电网的功率因数不变或其变化在下移后的定标值的上下限范围之内时，补偿器件不作投切动作。若电网的功率因数大于下移后的上限定标值或小于下移后的下限定标值，则又开始新的一组补偿器件的投切动作，再重复以上信号变换处理过程。
2.一个电网无功功率自动补偿系统，包括电网主干线〔13〕、补偿器件组〔10〕、控制执行器件〔9〕、信号探测环节〔11〕和控制电路〔12〕，其特征在于控制电路〔12〕包含有信号变换环节〔1〕、模式选择环节〔2〕、运算控制环节〔3〕，输出扩展锁存环节〔4〕、输出驱动环节〔5〕、隔离放大环节〔6〕、锁存译码驱动环节〔7〕、COSφ数字显示器〔8〕，控制过程如下信号探测环节〔11〕所检测的实时电压、电流信号，送入信号变换环节〔1〕，信号变换环节〔1〕向运算控制环节〔3〕给出电压、电流方波信号、电网过压保护动作的电平信号和补偿系统启动的电流动作电平信号，运算控制环节〔3〕根据模式选择〔2〕所予定的功率因数定标值、补偿器件组数和投切响应时间，对输入信号进行数字处理，向输出扩展锁存环节〔4〕送出控制补偿器件投切的编码信号，编码信号经输出驱动环节〔5〕去隔离放大环节〔6〕，隔离放大环节〔6〕带动控制执行器件〔9〕，执行对补偿器件〔10〕的投切控制，同时，运算控制环节〔3〕向锁存译码驱动环节〔7〕输出功率因数值的数字编码信号，锁存译码驱动环节〔7〕向COSφ数字显示器〔8〕送出数字显示信号，COSφ数字显示器〔8〕作数字显示。
3.根据权利要求
2所述的系统，其特征在于所说的运算控制环节〔3〕是以单片微型计算机为核心器件组成。
4.根据权利要求
2或3所述的系统，其特征在于COSφ数字显示器〔8〕由LED数码显示器组成，锁存译码驱动环节〔7〕输入从运算控制环节〔3〕送出的BCD-7段数字编码信号，输出7段显示信号到COSφ数字显示器〔8〕。
5.根据权利要求
2或3所述的系统，其特征在于信号变换环节〔1〕由两路零交探测器和两路迟滞比较器电路组成。
6.根据权利要求
4所述的系统，其特征在于信号变换环节〔1〕由两路零交探测器和两路迟滞比较器电路组成。
7.根据权利要求
2或3所述的系统，其特征在于所说的输出扩展锁存环节〔4〕由一单片输出扩展锁存器组成，输出驱动环节〔5〕由多通道功率驱动器阵列器件组成。
专利摘要
一种无功功率自动补偿控制方法和补偿系统。本发明所提供的控制方法，是利用常规的测试手段得到电网电压、电流信号，经信号处理实现以电网无功功率为依据控制补偿器件的投切、预测并消除补偿器件的无效投切动作。使用该方法的补偿系统由电网主干线、补偿器件、控制执行器件、信号探测和控制电路组成。控制电路包括信号变换、运算控制、COSφ数字显示和输出扩展驱动环节。本发明用于高低压电网无功功率补偿和功率因数值的数字显示。
文档编号H02J3/18GK86102657SQ86102657
公开日1987年2月11日 申请日期1986年4月17日
发明者齐长远 申请人:陕西省长安县前进电器厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan