专利名称：分布式综合电能质量调节装置的制作方法
技术领域：
分布式综合电能质量调节装置属于电网电压、电流质量调节技术领域。
背景技术：
目前的无功补偿装置和综合电能质量仪具有以下几种(1)、动态无功功率分相补偿方法及装置(<公告号>1404197)该发明公开了一种动态无功功率分相补偿方法及装置。该方法及装置以反并联的晶闸管和二极管作为补偿电容器的开关，用工业PC机进行控制，通过跟踪检测负荷的无功电流或无功功率，对多级电容器组进行分相投切。
上述发明利用PC机进行控制，并不具有电能质量监测功能；而本发明利用单片机作为控制核心，控制成本低，具有电能质量监测、记录等多种功能，性价比高。
(2)、无功补偿装置的控制方法及装置(<公告号>1414679)本发明公开一种无功补偿装置的控制方法及装置，包括所需无功运算装置、比例—积分—微分控制装置和无功逆计算装置；所需无功运算的输出与无功逆计算的输入相连；比例—积分—微分控制装置的输出和所述无功逆计算的输出均连接到同一个加法器输入，加法器的输出就是控制量—系统电压与静态无功补偿器STATCOM发出电压的相角差δ；其特征是还包括单相瞬时无功计算装置，其输出和所需无功运算的输出接到同一比较器的输入端，比较器的输出接到比例—积分—微分控制的输入。由于以单相瞬时无功功率的计算方法来计算每一单相系统的瞬时有功和无功功率，从而实现动态的不对称无功补偿，解决电压、电流的不对称问题，提高了配网电能质量。
上述发明其控制对象是静止无功补偿器，其成本很高，而我们申请发明的控制对象是电容器，两者工作方式不同，价格相差很多。
(3)、混合型无功功率发生器(<公告号>1359183)本发明涉及一种应用于电力系统中，起到无功功率及电压的强有力支撑作用的混合型无功功率发生器，是由启动整流器、GTO逆变桥、直流电容器组、逆变器输出变压器、连接变压器、高压开关柜、控制单元、检测单元、保护单元及冷却系统等构成。本发明具有容量小、成本低、输出电压谐波含量小的特点，对提供稳态负载的无功支持可比静止型无功功率补偿器容量小15～30％。可应用于电力系统中，保证电网的安全与经济合理运行，用于用户端改善电能质量、解决电弧炉及电气化铁路系统产生的电压波动、闪变及不对称运行所产生的危害，解决轧钢机、卷扬机冲击负荷所引起的电网电压畸变，以及高次谐波电流对电网的污染，以改善电能质量和提高产品质量。
从上述发明的描述可以知道，该发明控制对象是GTO逆变桥、应用在高压输电网上，而我们申请发明是应用在低压400V配电网的，两者工作方式和应用范围均不同。
发明内容
本发明的目的在于针对现有产品的问题，提出一种可以监测低压配电网的电压、电流等电参数，并且能够通过分析计算，能够精确、快速的补偿无功功率、稳定电压、改善三相电流不平衡度的分布式综合电能质量调节装置，从而适应电力发展的需要，让电力为国民生产和人民生活更好的服务。
为了达到以上目的，本发明的分布式综合电能质量调节装置是由含有测量元器件的测量电路、含有计算功能的控制回路、动作回路和分组电力电容器的主回路组成。其中测量回路通过3个电流互感器和3个电压互感器与电网耦合，电网三相电流、电压通过互感器转换为-5V到+5V的小信号，输送到控制回路。主电路输出的补偿电流连接到电网中。控制回路主要由Intel的16位单片机及其外围的RAM和ROM等芯片构成，控制回路输出信号给动作电路。
工作时测量回路把采集到的电压和电流信号送给控制回路，控制电路通过软件计算出电网的功率、功率因数、谐波成分等信息，然后计算出反并联晶闸管的开关量，并把控制信号输送给动作模块，控制反并联晶闸管的开通或者关断，从而实现向系统输出无功功率，补偿系统的无功并且稳定电网电压。
本发明的特征在于它含有测量电路，它是一个公知的由电阻和运算放大器组成的电子转换电路，其输入端通过由3个电流互感器和3个电压互感器组成的测量回路与电网耦合；控制回路，由单片机、地址锁存器、片选芯片、RAM、ROM、NVSRAM和I/O扩展芯片组成，其中，所述单片机的信号输入端与所述测量电路的各测量信号输出端相连，所述单片机的各数据、地址信号输出端与所述地址锁存器的各相应输入端相连，所述地址锁存器的各地址逻辑信号输出端分别与上述各RAM、ROM、NVSRAM和I/O扩展芯片的各使能端相连，所述单片机的各数据、地址信号输出端还与所述片选信号的各片选控制信号输入端相连，而该片选芯片的各相应输出端则分别与上述ROM、RAM、NVSRAM和I/O扩展芯片的片选信号输入端相连，所述的NVSRAM是指非易失性静态随机存储器；
动作电路，由输入端分别与上述I/O扩展芯片的输出端相连的两个光耦芯片、用电阻和二极管并联构成的两个电压过零检测电路以及三相电容切换用的三相反并联晶闸管构成，其中两个电压过零检测电路中二极管的负极分别与上述两个光耦芯片的输出端相连，而正极则分别与三相反并联晶闸管的控制段相连；主回路由分组电力电容器组成。
综上所述，分布式综合电能质量调节装置覆盖了两种类型的产品的功能无功补偿装置和综合电能质量仪，并且对这两种产品都做了较大程度的改进。以前的无功补偿装置不具有电能质量分析仪的功能，具有补偿精度低、动态响应慢等缺点，不能适应供电发展的要求。以前的电能质量分析仪功能比较单一，只能检测网络运行情况，不能主动去改善网络质量。
图1、本发明所述装置的总体示意图。
图2、实施例用的主电路电路图，K是开关；K1、Ka、Kb、Kc都是反并联晶闸管，RAΔ、RAY、RBΔ、RBY、RCΔ、RCY是熔丝。
图3、实施例中控制回路的原理框图。
图4、实施例中控制回路所用的芯片图aCPU单片机芯片，b地址锁存器芯片，c片选芯片， dRAM芯片，eROM芯片， fNVSRAM芯片，fI/O扩展芯片。
图5、实施例中测量电路的电路原理图，未示出电流、电压互感器，而且以测量Ua为代表，其余相同。
图6、实施例中动作电路的原理图。
具体实施例方式所述的测量电路含有与电网耦合的三个电流互感器SCT204A和三个电压互感器SPT204A、各输入端分别与上述各互感器输出端经电阻反接的负反馈式运算放大器LM324，另一个电平转换用的负反馈式运算放大器LM324，它的输入端反接一个电流电压信号源输出端经电阻与上述输入的各互感器输入信号的那个运算放大器的负端相连。
测量电路如图5所示测量电路共采集6个信号，A相电流IA，B相电流IB，C相电流IC，A相电压Ua，B相电压Ub，C相电压Uc，另外还有两个参考信号中线电流I0(电流采样信号的返回通道)，中线电压Un(电压参考点)。其中电流传感器如图2所示安装在电网的三相输电线上，共需要3个电流传感器。电压传感器安装在控制器内部，即图2所示的控制器Ua、Ub、Uc输入端位置，共需要3个电压传感器。
传感器传送过来的信号需要进行调理，图5是以A相电压Ua为例的调理电路图，其他5个信号的调理电路完全相同，这里不再具体画出。互感器输送给测量电路的信号Ua为-5V到+5V的正弦波，经过图5所示的电平转换电路输出到控制电路的信号为0～5V的正弦波，CPU80C196KB可以直接采样。测量回路输出的信号分别送到CPU 80C196KB的采样通道，如图4(a)所示，具体对应关系见下表。
在所述的控制电路中，单片机用芯片80C196KB，地址锁存器用芯片74LS573，片选芯片用GAL16V8D，ROM用芯片27C256，RAM用芯片62256，NVSRAM用DS1230Y，I/O扩展芯片用82C55A；其中芯片80C196KB的AD0～AD15端分别与芯片74LS573、GAL16V8D的相应端互连，芯片74LS573的A0～A15分别与芯片27C256、62256、DS1230Y以及82C55A的相应端相连，芯片GAL16V8D的CE端分别与27C256、62256、DS1230Y以及82C55A相应端相连。
控制回路如图3、4所示控制回路的结构框图如图3、4所示。CPU 80C196KB的数据总线和地址总线连接到地址锁存器74LS573上，从而实现地址和数据信号分离。然后利用高位地址A15-A6做出地址选择逻辑信号，通过GAL16V8D芯片分别连接不同外围芯片的使能端，根据访问地址确定访问的芯片，这些可以选择的芯片包括RAM 62256、ROM 27C256、NVSRAM DS1230Y和82C55A。
控制回路接收到测量回路反馈的信号，然后分析计算出当时的电参数并把结果保存在NVSRAM DS1230Y中，把控制量输出到IO扩展芯片82C55A上。82C55A把控制量转换为开关量，控制动作模块中反并联晶闸管的开通或者关断，从而控制电容器组的投入或者切除，实现向电网输出无功功率。
COMM为通信芯片，外界可以通过这个端口从控制回路读取保存的历史纪录数据。
图6为实施例中动作电路的电路原理图。主控芯片80C196KB把计算出的控制信号送到82C55芯片，然后才送到动作电路Vin管脚，该信号随即被送到摩托罗拉公司的光耦芯片moc3083的第1脚上，moc3083具有自动检测电压过零的功能，当系统电压到达零点位置的时候，moc3083把信号送到K1和K2上，从而导通双向可控硅，补偿电力电容器开始向系统提供补偿无功功率。CONIN、MYCON4都是接插件，IN4007是二极管。
试验表明，本实施例具有如下特点(1)、采用反并联晶闸管作为无触点开关，内设过零触发，可实现零电压投入、零电流切除，具有投切无冲击、无暂态过电压，开关频率高，使用寿命长和动态响应快等优点。
(2)、工作方式灵活，装置各级补偿容量可以根据实际情况设定，最多可以同时控制12组共补和4组分补电容。装置采用“Δ+Y”接法，充分利用了电容器容量，并且使得每相无功得到最佳补偿。
(3)、电容器组循环投切，先投的电容器先切除，减少投切次数，延长电容器的使用寿命。
(4)、安全可靠，保护措施齐全并具备下述闭锁功能。
①线路保护跳闸时防止电容器误投的闭锁回路；②电容器组保护动作时，闭锁的控制指令；③电容器组开关故障或电容器组检修时，闭锁的控制指令；④在设定时间内，对同一电容器组发出相反指令时，闭锁的控制指令；⑤投入电容器组后引起谐波越界时，发出切除指令。
⑥掉电后，装置可自动保存数据和故障录波。
(5)、全数字操作，装置以先进的单片机为控制核心，控制器设置和输出显示均为数字量，用户界面友好，操作直观，可靠性高。
(6)、手动/自动投切切换，装置可以选择手动和自动投切两种控制方式。
(7)、有自动检测功能，使装置的电流输入不受极性的影响。
(8)、现场设置控制器参数。
装置可以实时设置CT变比、投入门限、切除门限、过压、欠压、延时值、共补级数、分补级数、共补级容和分补级容等参数。
(9)、通信方便控制器带有RS232串口，红外口，GPRS接口，通过这些接口可很方便地实现与PC的通信，通过PC机采集、查看和打印控制器记录数据。
(10)、谐波处理功能采用快速傅立叶变换的计算方法，可以计算、保存和显示电压谐波总的畸变率THD，3～11次谐波分量等，并可实现谐波越界报警功能。
(11)、计算精度高通过对电压、电流和瞬时功率积分计算出有功功率、无功功率、视在功率和功率因数，避免波形畸变对计算的影响，其功率精度能够达到±1.0％。
(12)、带有综测功能装置具有电压合格率监测功能，可以进行电压合格率计算、监视和记录功能。
(13)、记录数据，方便检查故障情况和获得统计资料装置带有FLASH存储芯片，可以记录40天内的各相定点时刻电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、谐波分量，各天投切次数、过压次数、欠压次数、停电次数等数据。装置掉电后这些数据可以长时间保持在芯片中。
(14)、安装方便灵活，可以分散安装在配电网缺乏无功功率、电压不稳定的位置，具有分布性特点。
权利要求
1.分布式综合电能质量调节装置，其特征在于，它含有测量电路，它是一个公知的由电阻和运算放大器组成的电子转换电路，其输入端通过由3个电流互感器和3个电压互感器组成的测量回路与电网耦合；控制回路，由单片机、地址锁存器、片选芯片、RAM、ROM、NVSRAM和I/O扩展芯片组成，其中，所述单片机的信号输入端与所述测量电路的各测量信号输出端相连，所述单片机的各数据、地址信号输出端与所述地址锁存器的各相应输入端相连，所述地址锁存器的各地址逻辑信号输出端分别与上述各RAM、ROM、NVSRAM和I/O扩展芯片的各使能端相连，所述单片机的各数据、地址信号输出端还与所述片选信号的各片选控制信号输入端相连，而该片选芯片的各相应输出端则分别与上述ROM、RAM、NVSRAM和I/O扩展芯片的片选信号输入端相连，所述的NVSRAM是指非易失性静态随机存储器；动作电路，由输入端分别与上述I/O扩展芯片的输出端相连的两个光耦芯片、用电阻和二极管并联构成的两个电压过零检测电路以及三相电容切换用的三相反并联晶闸管构成，其中两个电压过零检测电路中二极管的负极分别与上述两个光耦芯片的输出端相连，而正极则分别与三相反并联晶闸管的控制段相连；主回路由分组电力电容器组成。
2.根据权利要求1所述的分布式综合电能质量调节装置，其特征在于，所述的测量电路含有与电网耦合的三个电流互感器和三个电压互感器、各输入端分别与上述各互感器输出端经电阻反接的负反馈式运算放大器，另一个电平转换用的负反馈式运算放大器，它的输入端反接一个电流电压信号源输出端经电阻与上述输入的各互感器输入信号的那个运算放大器的负端相连。
3.根据权利要求1所述的分布式综合电能质量调节装置，其特征在于，在所述的控制电路中，单片机用芯片80C196KB，地址锁存器用芯片74LS573，片选芯片用GAL16V8D，ROM用芯片27C256，RAM用芯片62256，NVSRAM用DS1230Y，I/O扩展芯片用82C55A；其中芯片80C196KB的AD0～AD15端分别与芯片74LS573、GAL16V8D的相应端互连，芯片74LS573的A0～A15分别与芯片27C256、62256、DS1230Y以及82C55A的相应端相连，芯片GAL16V8D的CE端分别与27C256、62256、DS1230Y以及82C55A相应端相连。
全文摘要
分布式综合电能质量调节装置属于电网电能质量调节技术领域，其特征在于它由含有测量元件的测量电路、含有计算功能，包括无功功率补偿的控制回路、用各相或各线反并联晶闸管构成的动作回路和分组电力电容器的主回路构成。其中，测量电路通过3个电流互感器、3个电压互感器与电网耦合；控制回路主要由Intel的16位单片机及其外围芯片组成，它的输出信号控制动作回路的开断。它兼具无功补偿和综合电能质量调节的功能，具有补偿精度高、动态响应快、投切无冲击、无暂态过压、开关频率高、使用寿命长的优点。
文档编号H02J3/18GK1560978SQ20041000452
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月20日 优先权日2004年2月20日
发明者卢强, 梅生伟, 陈菊明, 桂小阳, 刘锋, 强 卢 申请人:清华大学