专利名称：高压电力无功补偿综合保护控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力系统无功补偿技术领域，具体为一种高压电力无功补偿综合保护控制器。
背景技术：
相对于发达国家，我国大部分地区的城乡电网普遍存在供电半径长、电压质量差、 功率因数低的状况。如果无功能得到有效的平衡，不仅能大大降低电网的损耗，而且对提高 电压质量具有重要的意义。因此提高电网功率因数、平衡无功、提高电压质量、降低线损，是 电力系统当前面临的重要任务。将电容器与网络感性负荷并联是补偿无功功率的传统方 法，也是目前最经济有效的方法，在国内外获得了广泛的应用。部分地区的高压线路的无功 补偿采用变电站集中补偿方式，这种补偿方式只对站内主变所需的无功进行了补偿，而对 高压线路及线路上的大量配变无功没有任何补偿作用，对于线路无功损耗必须采取就地无 功补偿才能真正降低线损。农网线路较长，负荷分布不均勻，需安装的补偿点较多，如果照 搬变电站的无功补偿模式，势必造成投资大，补偿效果不明显，且安装维护不方便。如果采 用固定地点安装固定容量的补偿方法，虽然投资较少，但由于未加任何保护，在运行条件恶 劣的农网中常发生电容器烧毁事故，给电网运行造成安全隐患。无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换的过程中建立电力磁场和提供 电压稳定的不可缺少功率之一，无功反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压的 高低直接反映本级无功的平衡，是电能质量的重要指标之一。无功补偿可以改善电能质量， 降低电能损耗，减少用户的电费支出，是一项投资少，收效快的节能措施。而且在工厂供电 系统中绝大多数用电设备都具有感性。如感应电动机、电力变压器、电焊机等，这些设备不 仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以产生这些设备正常工作所需的交变 磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因数， 功率因数是也是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性 的重要指标。当前的无功补偿控制器大多功能单一，除了无功补偿以外，再没有其他的功能。 发明内容本实用新型要解决的问题是现有的无功补偿控制器大多功能单一，补偿效果不 明显，没有保护功能，安全性不高。本实用新型的技术方案为高压电力无功补偿综合保护控制器，与控制无功补偿 电容的永磁机构真空断路器连接，包括电源模块、单片机、硬件看门狗模块、键盘模块、显示 模块、数据采集模块、时钟模块、数据存储模块，串口通信模块，GPRS模块和继电器模块，单 片机分别连接其余各模块，电源模块连接各模块提供电源，继电器模块的输出连接永磁机 构真空断路器。电源模块包括依次连接的开启式电压互感器，变压器、全波整流电路、高通滤波器、稳压模块和低通滤波器，低通滤波器输出各模块的电源，开启式电压互感器设置于电网 一次侧。显示模块为液晶显示器，通过串行通讯或并行通讯连接单片机。 数据采集模块包括依次连接的模拟信号输入电路和A/D采样模块，模拟信号输入 电路包括开启式电流互感器、开启式电压互感器，A/D采样模块的输出连接单片机。进一步的，本实用新型继电器模块设有防跳继电器。本实用新型针对现有技术中的不足，提出了一种高压电力无功补偿综合保护控制 器，可根据线路无功、电压的变化情况进行自动跟踪补偿及保护，根据线路的负荷情况选择 多种控制方式。本实用新型使用单片机作为核心，经过快速运算处理，得出系统的感性无功 功率和功率因数，计算出负载所需的无功功率容量，再快速查表决定应投入并联电容器的 级数，输出控制信号，控制永磁机构真空断路器进行关合和开断，投切并联电容器；并且通 过单片机实现保护功能，具有短路速断保护，电容器过流短延时保护、过电压保护、欠电压 保护、电容器开口电压保护、零序电流保护和故障闭锁等功能，同时通过GPRS模块实现多 种方式的四遥(遥控、遥测、遥调、遥信)通讯功能，显示模块具有故障画面功能，数据存储 模块实现事件记录，如保护动作信息、保护功能的投入/退出、历史记录等。高压电力无功 补偿综合保护控制器把所有现场的动作及保护信号通过GPRS模块发送到后台配合监控系 统软件进行显示分析，显示线路的有功功率、无功功率、电压总谐波畸变率、电流总谐波畸 变率及电容器三相电流等参量，可以真正实现远方遥控功能。与现有技术相比，本实用新型可根据线路无功、电压的变化情况进行自动跟踪补 偿，提高功率因数，改善电压质量，减少配电线路无功输送流量，缩短配电线路无功输送距 离；GPRS通信技术配合数据采集与监控后台软件的应用，可实现遥测、遥信、遥控、遥调，保 护定值设定及装置工作状态的查询；具有多种状态监测功能；人机交互性强；保护功能齐 备，具有过压保护、欠压保护、电流速断保护、过电流保护、过负荷保护、零序电流保护、负序 电流保护、拒动保护、缺相保护、电容器开口三角电压保护、谐波电压保护、谐波电流保护， 并可按照需求在单片机中进行定制。本实用新型可靠性高，体积小，易安装，功能多，造价 低。
图1为本实用新型中的补偿综合保护控制器的原理框图。图2为本实用新型中的电源模块原理图。图3为本实用新型中的模拟信号输入电路原理图。图4为本实用新型中的A/D模块与单片机连接的电路原理图。图5为本实用新型中的键盘模块和显示模块与单片机连接的电路原理图。图6为本实用新型中的时钟模块和数据存储模块原理图。图7为本实用新型中的看门狗模块与单片机的连接电路原理图。图8为本实用新型中GPRS模块与单片机的通信连接图。图9为本实用新型的串口通信模块原理图，(a)为常用的RS232接口电路；(b)为 RS422/RS85 接口 电路。
具体实施方式
如图1，本实用新型包括电源模块、单片机、硬件看门狗模块、键盘模块、显示模块、 数据采集模块、时钟模块、数据存储模块，串口通信模块，GPRS模块和继电器模块，单片机分 别连接其余各模块，电源模块连接各模块提供电源，继电器模块的输出连接永磁机构真空 断路器。电源模块为单片机和其他器件提供+5V的工作电压，开启式电压互感器将电网一 次侧的高压信号转换为二次侧低电压，在电源模块中经过变压器，全波整流电路，高通滤波 器，稳压模块和低通滤波器，最后得到纹波系数较小的5V和12V电源，精度高，电压稳定。单片机模块是本实用新型的核心器件，根据数据采集模块得到的电网线路电压、 电流及功率因数角，计算出线路的无功功率和功率因数角作为控制的核心参数，并计算出 线路所需无功补偿的容量，得到负载所需的无功功率，再快速查表决定应投入并联电容器 的级数，输出控制信号，控制永磁机构真空断路器进行关合和开断，投切补偿电容器，并根 据线路的负荷情况选择多种投切控制方式，控制并联电容器的投切，调整线路的感性无功 功率和功率因数；同时分析各个参数，进行过压保护、欠压保护、电流速断保护、过电流保 护、过负荷保护、零序电流保护、负序电流保护、拒动保护、缺相保护、电容器开口三角电压 保护和动作次数保护，可设定每天的最大动作次数；其中电压保护可适合于采集一组线电 压，电流保护通过采集补偿电容器的3相电流实现，其中零序电流、负序电流通过单片机本 身计算获得。硬件看门狗模块防止单片机在执行某些指令时受到干扰，使单片机的操作代码或 者地址码发生改变致使装置误动作，在单片机执行程序异常时，使单片机复位而不用整个 系统断电，从而保护控制器的硬件电路工作正常运行。键盘模块由按钮开关组成，它是单片机的输入设备，操作人员可以通过按键输入 数据或者命令，实现简单的人机通信，当按键没有按下时输入端口是高电平，表示没有按键 按下，按键按下时，单片机输入端口是低电平，此时按键按下，单片机可以通过读端口的高 低电平来判断按键是否按下，从而执行每个按键的功能；显示模块采用液晶显示，有串行通 讯和并行通讯两种通讯方式，采用并行方式，所占用的I/O 口资源多，但是响应速度快，可 以实时跟踪信号的显示，串行方式速度比并行方式慢，鉴于单片机I/O 口资源多，本实用新 型采用并行方式进行测量数据、保护信息、故障波形的显示，同时将故障信息提示给运行人 员O数据采集模块包括依次连接的模拟信号输入电路和A/D采样模块，模拟信号输入 电路包括开启式电流互感器、开启式电压互感器，A/D采样模块的输出连接单片机。由单片 机对输入的电压电流计算分析，得到电路的控制参数，从而执行补偿电容器的投切和保护 功能。时钟模块实现时间的实时记录，便于查看故障的时间；数据存储模块用来存储故 障时间和故障的信息，便于现场人员查看。串口通信模块实现装置和上位机的通信，通信方式包括单工传送，半双工传送和 全双工传送。GPRS模块将现场开关的状态、线路有功功率、无功功率、功率因数、线路电压、线路 电流、电容器电流、保护装置的投退状态、保护定值、事件记录、通讯状态等信息传输至后台监控软件中显示，同时可以根据实际情况在后台远方遥控现场的开关设备进行电容器的投切工作，也可以在后台直接对设备运行参数和保护定值进行修改，实现无线双向通讯。继电器板模块，由分、合继电器，保持继电器，信号继电器组成。可采用两种形式 一种具有防跳功能，装置内部有防跳继电器，可取代老式微机保护所用的外部防跳操作箱， 并预留有外接分合闸及就地/遥控切换功能；一种不带有防跳继电器，以满足目前很多自 带防跃功能的断路器使用。下面举例具体说明本实用新型。单片机采用瑞萨M16C/62P，具有100引脚，I/O 口资源丰富，代码率高，噪声特性 好，功耗非常低，处理能力强，1MB存储器空间，是非常实用的32/16位单片机。根据线路的 电压电流，经过快速运算处理，得出系统的感性无功功率和功率因数，得到负载所需的无功 功率容量，再快速查表决定应投入并联电容器的级数，输出控制信号，控制永磁机构真空断 路器进行关合和开断，投切补偿电容器，并且判断电压，电流是否在在保护范围内，进行短 路速断保护，电容器过流短延时保护、过电压保护、欠电压保护、电容器开口电压保护、零序 电流保护和故障闭锁等保护控制功能，根据线路的负荷情况，通过键盘选择相应的控制方 式，主要有按时间控制型、按电压控制型、按时间/电压控制型、按功率因数控制型、按无功 功率和电压综合控制型、远方遥控型、手动就地控制性。单片机把所有动作及保护信号通过 GPRS发送到后台进行显示分析。如图2所示，电源模块原理图，电源电路转换模块为单片机及其它器件提供+5V的 工作电压，输入信号是由开启式电压互感器二次侧引进，经过交流变压器，变压器的型号用 100V交流-12V的变压器，然后经过稳压二极管的全波整流电路，把电压信号转换成单一方 向的信号，获得不同等级的电源，全波整流桥整流电路采用了的是二极管级联组成的整流 电路，然后经过滤波电路，稳压管可选用LM7805，7812，7912等型号，获得+5V，士 12V的电 源，单片机正常工作时的电流为3-6mA，7805、7812、7912的输入电压范围很大(超过20)，输 入电流也可以很大(上百mA)，可以完全满足芯片的功耗和电压要求，开启式电压互感器、 电流互感器不仅提供控制器的输入信号还提供电源电路的电压输入，这样整个装置的供电 电源在户外可以很好的得到解决，具有实用价值。本实用新型中的模拟信号输入电路原理图如图3所示，开启式电压互感器、开启 式电流互感器二次侧信号输入到模拟信号输入电路中，经过限流电阻，此电路的优点就是 把输入双极性的交变正选信号，转换成单极性0 5V之间的信号，提供给A/D采样模块。由 于放大器输入的是单极性信号，放大器的供电电源只需要+5V即可，不需要负电源供电，减 少了电路所应用的器件，单电源供电使电路更加可靠稳定。选择的放大器型号为LM358，把 输入的正负极性的信号转换成正极性信号，可以使用单电源供电，输出信号进入到A/D采 样模块。A/D采样模块的电路原理图如图4所示，A/D采样模块选用TI公司的12位串行 TLC2543，可以节省单片机的端口数目，与单片机的连接只需要4根串行线，引脚CS2543、 0UT2543、IN2543、CLK2543，11路模拟输入信号，单片机连接芯片的片选端口 CS2543，此引 脚低电平时，选中芯片；芯片的17引脚IN2543用于串行数据输入，由四位的串行地址输 入来选择模拟量输入通道；芯片的16引脚0UT2543为A/D转换结果的三态串行输出端， CS2543为高时处于高祖状态，CS2543为低时处于激活状态；芯片的18引脚CLK2543为输入输出时钟端，接收串行输入信号并完成以下四个功能(1)在CLK2543的前八个上升沿， 8为输入数据存入输入数据寄存器；(2)在CLK2543的第4个下降沿，被选中的模拟输入电 压开始向电容器充电，直到CLK2543的最后一个下降沿为止；(3)将前一次转换数据的其余 11位输出到DATA OUT端，在CLK2543的下降沿数据开始变化；(4) CLK2543的最后一个下降 沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位；通过以上即可完成数据的读取操作。键盘模块和显示模块与单片机连接的电路原理图如图5所示，显示模块采用台湾 矽创公司生产的LCM128*64点阵带中文字库的液晶显示器，内部控制器是通用的ST7920控 制器，可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的显示，该模块具有8位并行、4位并行、2 线串行、3线串行多种接口方式，LCD并行通讯和串行通迅，为了满足系统的实时性要求，采 用并行通行，提高芯片的响应速度，液晶模块并行接口与M16C/62P相连接，不需要驱动，可 以直接相连，时钟模块和数据存储模块电路原理图如图6所示，时钟模块采用PLILIPS生产的 低功耗CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563，芯片最大总线速度为400kbits/s，每次读写数 据后，其内嵌的字节地址寄存器会自动长生增量，引脚SCL和SDA经上拉电阻，分别接单片 机的ΡΓΟ，ΡΓ1引脚。数据存储模块时钟芯数据存储模块采用Atmel公司生产的64kb串 行电可擦除的可编程存储器24C512，内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为 16位，地址范围为0000-0FFFHL它采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点 ，非 常适用于本系统中大量数据存储的要求。都是IIC器件，遵从IIC通讯协议。看门狗与单片机的连接电路原理图如图7所示，采用MAX705芯片，看门狗能够使 单片机执行程序异常时，是单片机复位而不用整个系统断电，从而保护控制器的硬件电路 工作正常，使用方便的廉价微处理器监控电路。具有的特点加电、掉电及电压降低时输出 复位信号；独立监视跟踪定时器输出。在1. 6s内监视跟踪定时器输入端不被触发，监视跟 踪定时器输出变为低电平有效；1.25V门限监测器，用于电源故障报警、低电压检测或+5V 以外的电源监控；TTL/CM0S兼容的防抖动、低电平有效的人工复位输入。GPRS模块与单片机连接原理图如图8所示，采用中兴公司的GPRS模块ME3000，通 过它的UART 口直接与M16C/62P单片机的UART 口相连接，实现数据的直接交换。数据在 GPRS模块经过编码、调制后，数据通过GPRS网络以数据包的形式将数据传输到后台的服务 器上，用户通过访问服务器所分配的IP地址和端口号来获取现场运行参数的信息，现场开 关的状态、线路有功功率、无功功率、功率因数、线路电压、线路电流、电容器电流、保护装置 的投退状态、保护定值、事件记录、通讯状态等信息都可以在后台监控软件中显示，可以根 据实际情况在后台远方遥控现场的开关设备进行电容器的投切工作，也可以在后台直接对 设备的定值参数进行修改，实现了全双工通信。串口通信模块原理图如图9所示，由传统的RS-32和工业常用的RS-485/RS-422 组成，RS-422A为全双工，可同时发送与接收；RS-485则为半双工，在某一时刻，一个发送另 一个接收，RS485/RS422方式由主板内跳线完成，缺省为RS422方式。RS485是一种多发送 器的电路标准，它扩展了 RS422的性能，允许双线总线上一个发送器驱动32个负载设备，用 于多站连接时，可以节省信号线，便于高速距离传输。许多智能仪器设备都配有RS485总线 接口，便于将它们进行联网。本实用新型可以实现补偿和保护综合一体的功能，高精度A/D器件的使用，使测量结果更准确；工业机级的芯片的使用，使抗干扰能力增强；16/32位M16C/62单片机的应用，使处理数据能力增强，可以实现补偿和保护的实时性；本系统具备常用串口模式，可以 实现现场数据的有线传输；GPRS技术和数据采集与监控软件的配合使用，可以很好的实现 远方遥控功能；现场的输入模块和显示模块使得显示画面的人机交互性很强，实现人性化， 简易化操作。
权利要求高压电力无功补偿综合保护控制器，与控制无功补偿电容的永磁机构真空断路器连接，其特征是包括电源模块、单片机、硬件看门狗模块、键盘模块、显示模块、数据采集模块、时钟模块、数据存储模块，串口通信模块，GPRS模块和继电器模块，单片机分别连接其余各模块，电源模块连接各模块提供电源，继电器模块的输出连接永磁机构真空断路器。
2.根据权利要求1所述的高压电力无功补偿综合保护控制器，其特征是电源模块包括 依次连接的开启式电压互感器，变压器、全波整流电路、高通滤波器、稳压模块和低通滤波 器，低通滤波器输出各模块的电源，开启式电压互感器设置于电网一次侧。
3.根据权利要求1或2所述的高压电力无功补偿综合保护控制器，其特征是显示模块 为液晶显示器，通过并行通讯连接单片机。
4.根据权利要求1或2所述的高压电力无功补偿综合保护控制器，其特征是数据采集 模块包括依次连接的模拟信号输入电路和A/D采样模块，模拟信号输入电路包括开启式电 流互感器、开启式电压互感器，A/D采样模块的输出连接单片机。
5.根据权利要求1或2所述的高压电力无功补偿综合保护控制器，其特征是继电器模 块设有防跳继电器。
专利摘要高压电力无功补偿综合保护控制器，与控制无功补偿电容的永磁机构真空断路器连接，包括电源模块、单片机、硬件看门狗模块、键盘模块、显示模块、数据采集模块、时钟模块、数据存储模块，串口通信模块，GPRS模块和继电器模块。本实用新型可根据线路无功、电压的变化情况进行自动跟踪补偿，提高功率因数，改善电压质量，减少配电线路无功输送流量，缩短配电线路无功输送距离；可实现遥测、遥信、遥控、遥调，保护定值设定及装置工作状态的查询；具有多种状态监测功能；人机交互性强；保护功能齐备。本实用新型可靠性高，体积小，易安装，功能多，造价低。
文档编号H02J3/18GK201562973SQ20092025717
公开日2010年8月25日 申请日期2009年11月4日 优先权日2009年11月4日
发明者徐建源, 林莘, 王亮, 王博 申请人:南京因泰莱配电自动化设备有限公司