本实用新型涉及一种能够消除补偿电容器投入、切除“误动 作”，精确调节供电网络中无功功率的控制装置。

传统的无功控制装置一般均采取功率因数方式或无功功率方 式控制补偿电容器投入电网或从电网切除。类似美国专利US 4359678采用无功功率方式的装置，预先设定投入用的下限基 准值和切除用的上限基准值，无功检测电路的输出在下限基准值 之下，投入电容器组，无功检测电路的输出在上限值以上。切除 电容器组。这类装置的不足点在于当负荷反复地发生微小变动时， 无功负荷也跟着波动，在某一个基准值附近就会发生反复多次的 投切动作，这种投切动作对改善功率因数无意义，而且缩短了电 容器、接触器的使用寿命，此处称为“不必要动作”。已有的技 术中为减少这种“不必要动作”，常常将调整幅度(即下限值与 上限值之间的幅度)增加到1.5-2倍以上基本电容器的容量 (ΔQ)。这种措施是以降低性能指标为代价的，增大了不能补 偿的无功。

按功率因数方式控制的装置，也是预先设定下限值和上限值， 当电网功率因数低于下限值时。投入电容器，当功率因数高于上 限值时，切除电容器。但在实际的运行中，在同一功率因数下。 无功功率是随负荷的大小在变化的，负荷重时投入一组电容器影 响不大，但负荷轻时，尤其是无功小于一组电容器容量时，投入 一组电容器却往往引起“振荡”问题(即反复投切)。这种“振 荡”现象给电网增加了新的不稳定因素，大大缩短了装置的使用 寿命。同时这类装置也同样存在着因负荷反复的发生微小变动， 在某一基准值附近发生的“不必要动作”问题。本文将“振荡” 和“不必要动作”统称为“误动作”。已有技术中为减少这种“误 动作”，也往往采取降低功率因数设定值的下限值。即增大不能 补偿的无功。这种措施同时也是以降低性能指标来换取“误动 作”减少的，不能根本消除“误动作”。

中国专利CN85100197B提出了一种消除“振荡”的闭锁 电路，该闭锁电路随时对系统是否出现“振荡”进行判断，一旦 出现“振荡”时将装置闭锁。可见闭锁电路只有在“振荡”出现 后方可动作。因此系统每次出现“振荡”时，必须最少“振荡” 一次(投一次，切一次)以上。即仍要至少出现两次“误动作”， 同时还要增加模数转换器、寄存器及数字比较器等电路，另外， 这种闭锁措施不能克服负荷波动引起的“不必要动作”问题。这 是其不足之处。

本实用新型主要是为解决上述问题而提出的。其目的是为电 力用户提供一种彻底消除补偿电容器投入、切除“误动作”，精 确调节接入电网的补偿电容器数量，实现无功功率精确自动补偿， 通用的单片微机无功功率控制装置。

按照本实用新型的装置是一种以单片微机为核心的集成化无 功功率控制装置。该装置由MCS-48系列单片微机、程序存贮 器、模数转换器、检测电路(无功电流、电压及功率因数)。键 盘显示及输出执行等部分组成。在单片微机的控制下，通过实时 检测电网的无功电流、电压及功率因数，计算出一定时间内(信 号周期整数倍)无功功率的平均值 Q、电压及功率因数。同时根 据计算得的电网电压值。按Qc＝ωCU2计算出此电压时的基 本电容器容量，再精确计算投入或切除的补偿电容器的数量。然 后根据控制矢量图8，针对投入区、切除区、波动区和稳定区四 种情况，根据电网对无功功率的需求和所要求的功率因数综合判 断，控制补偿电容器组合理地投入电网或从电网切除，在投入区 和切除区，按无功功率控制，投入和切除都使系统进入到稳定区。 在波动区里不进行投、切动作，达到提高控制精度，消除“误动 作”，从而将补偿电容器的投切次数减到最小限度。

本装置面板上安装有显示电压、功率因数、无功功率、超前 或滞后等多种检测量的数码显示器，可以同时作为数字电压表和 数字功率因数表，省掉了原控制柜配置的几块模拟表，随时可以 观察控制效果。

本装置具有软件硬件结合的输入输出在线自检功能和自动恢 复功能。软件上采取平均值滤波和中位值滤波，使装置在环境温 度较高、电气环境恶劣的场合仍能稳定可靠运行。

附图说明如下：

图1是装置原理图。

图2是单片微机控制部分电路图。

图3A是无功电流检测电路原理图。

图3B是无功电流检测电路输出特性曲线。

图3C是无功电流检测电路图。

图4A是功率因数检测电路原理图。

图4B是功率因数检测电路图。

图5是电压检测电路图。

图6是判断输出功能图。

图7是无功负荷波动示意图。

图8是控制矢量图。

图9是主控制程序流程图。

图10是输出执行电路图。

图11是本发明的另一实施例电路图。

如图1、图2所示。电网的无功电流、功率因数、电压分别 经检测电路(1)、(2)、(3)变换为相应的直流电压，在单片微机 (5)的控制下，经模数转换器(4)变为数字量送入单片微机(5) 的内部RAM，经软件多种数字滤波，然后根据 求出一定时间内的平均值 Q、电压及功率因数。采样周期的精确定 时，由单片机(5)的内部计数/定时器完成。程序存贮器(6)中 驻留有主控制程序，其流程图见图9所示。键盘显示由接口电路 (8)、驱动器(9)、八位显示器(10)、驱动器(11)及键盘(12) 组成。另外还有输出执行(13)、自动恢复电路(15)及供调试用 的打印机(14)等。本装置充分利用了单片机(5)的内部资源， 简化了外围电路。本装置单片微机部分电路图详见图2所示。其 中已详细地标明本发明优选实施例的硬件电路及各功能电路间的 连接。

下面根据本装置控制矢量图8、无功负荷波动示意图7及判 断输出功能图6。进一步说明。图7中的曲线表示因负荷波动引 起的无功负荷在基准线附近随时间的波动情况(此曲线非常接近 于用电设备多负荷变化较大场合的实际情况)。设某一时刻检出 的无功处于a点，需要投入ΔQ(ΔQ为基本电容器容量)。如 果马上投入ΔQ。则到达稳定区a’点，但实际上延时T秒后，无 功已变动到b点，投入ΔQ后，达到b’点，b和b’点均在稳定区， 对改善功率因数无意义。下一控制周期若无功处于c点，需要投 入。延时T秒后。投入ΔQ，从d点到d’点。即从稳定区变到切 除区。不仅无益反而还要增加一次切除动作。类似b-b’、d-d’ 的“误动作”。本装置按控制矢量图8及判断输出功能图6所示 的方法来消除。图8有如下特点：它在两条基准线外侧，根据功 率因数的要求，划出了上、下波动线，上限基准线与下限基准线 之间为稳定区，波动线与基准线之间为波动区。上限基准线上方 除去波动区以外的区域为切除区，下限基准线下方除去波动区以 外的区域为投入区。通常，负荷越重，说明用户投入的电动设备 越多。引起负荷变动的几率增大。变动幅度增大，因此这种扇形 波动区的划分与实际是相吻合的。在投入区和切除区，按无功功 率方式控制。投入或切除一定量的电容器容量后。一定进入稳定 区。比传统装置更接近于p轴，轻负荷时虽然功率因数略低于要 求值，但无功不足一个ΔQ，不输出，所以不会发生“振荡”问 题。进入稳定区后，若无功负荷在某一基准线附近反复发生微小 波动时，由于此时测得的功率因数已达到要求的目标，单片机判 断此时的投切动作必定是“不必要动作”，于是封锁输出。在变 压器容量较大或负荷重时。还可以在进入波动区后，再次判断无 功负荷，大于一定量时，仍执行输出，否则封锁输出(见图6中 虚线框中所示)。本方法将调整幅度从传统装置的1.5～2ΔQ 以上进一步减少到1.2ΔQ左右，不可补偿无功减少20～40％。 而且投入或切除一定量的电容器容量后又必定进入稳定区。要靠 近p轴。无功波动也发生在p轴附近，因此上、下波动线(即要 求的功率因数)可以进一步向p轴移动。实用装置中下波动线可 以取0.98左右。上波动线可以取0.995以上。将波动区压 窄。这种方法彻底消除了传统装置常常发生的投切“误动作”， 在所要求的功率因数范围内，电容器、交流接触器的动作次数减 到最小限度，延长了它们的使用寿命，同时进一步提高了控制精 度。

无功电流检测原理见图3A所示。该电路通过波形变换器 (16)将线电压UAC1(取自电网UAC电压互感器二次侧)变换 为两个相位差180°的方波，此方波信号与B相电流经电流互 感器交流在取样电阻R上产生的电压信号Uin同时输入斩波器 (17)。其输出信号送入运算放大器(18)相加放大。然后经滤波 器(19)及跟随器(20)输出。若UAC1线电压为u＝Um Sinωt。 B相输入电流为 输入电压uin＝R·Im·Cos(ωt-)。 该电路输出电压在一个周期内的平均值则为： (式中R为取样电阻，K为放大系数。I为输入电流有效值。 为相位差)。

上式表明：电路的输出电压平均值与无功电流(I·Sin) 成正比、在不对称三相制中，需要两个上述的无功电流检测电路。

功率因数检测原理见图4A所示。它由波形变换器(21)、斩 波器(22)、放大器(23)、滤波器(24)、跟随器(25)及限幅放 大器(26)组成。若以B相电压为参考电压UB，B相输入电流 在R上的电压降作为输入电压Uin，此电路的输出电压平均值 Uo2＝K’·Cos。

本发明的无功电流和功率因数检测电路中的波形变换器、斩 波器及放大器，可以采用相应的功能电路组合设计实现，例如： 用运放电路完成波形变换和放大功能，用相敏斩波电路完成相敏 斩波；也可以采用含有波形变换器、斩波器及放大器的单片相敏 放大电路，其型号为LZX1。本装置的优选实施例采用单片相敏 放大电路。

图3C是无功电流检测电路图。图3B是该电路输出特性曲 线。其中，UAC1电压连接到电网UAC电压互感器二次侧，CT是B 相总电流互感器。CT二次侧电流在取样电阻R上的电压信号作 为输入电压Uin。D31、D32为输入保护二极管。IC31单片相 敏放大电路(型号为LZX1)，电容器C31、C32，电位器W31、 W32、及R31组成的电路完成了图3A的波形变换、相敏斩波及 信号放大功能。R32和C33构成滤波器。跟随器IC32起信号 隔离作用、其输出信号 Uo1连接到图2模数转换器(4)的输入端 IN4。当电网相位滞后时， Uo1输出为正电压，当电网相位超前 时。 Uo1输出为负电压。

图4B是功率因数检测电路图。其中UB电压取自B相电压 互感器二次侧，输入电压Uin连接到前述的图3C的Uin。图4B 中、IC41、R41～R43、C41构成放大器。IC42、R44～R47、 D41、D42构成限幅电路。它们完成图4A限幅放大器(26)的功 能。使得在电流测量范围内IC43的1脚、5脚电压为固定值。 IC43单片相敏放大电路与W41、W42、C45等完成了图4A中 的波形变换、相敏斩波及信号放大功能。R48、C44构成滤波器。 IC44起信号隔离作用。其输出信号 Uo2连接到图2模数转换器 (4)的输入端IN2。图4B中。运放电路IC41、IC42、IC44 可以采用MC1458运算放大器等。IC43为单片相敏放大电路 LZX1。

包括单片相敏放大电路、滤波器及限幅放大器等电路的上述两 种检测电路，集成度高，温度漂移小，调整方便，输入电压范围 宽(0～6V)，而传统的相敏电路在输入电流小于1A时就不 能正常工作。抗干扰性能好，能适用于使用可控硅所引起波形畸 变的工业现场。另外在软件上采用分段线性拟合处理、多种数字 滤波，使精度进一步提高。同时降低了对器件参数一致性的要求， 生产调试极为方便。图5是用来检测电网电压的。 其包括D51、R51、R52、及C51构成的峰值检波电路与跟随器 IC51。UAc2电夺连接到电网UAC电压互感器二次侧，输出 Uo3 连接到图2模数转换器(4)的输入端INo。

图10是装置输出执行电路图。经单片微机运算、分析处理 后。需要投入或切除的电容器的状态码暂存输出缓冲单元(在单 片微机内RAM中)，同时送往P24～P27端口锁存，然后再送往 输出执行电路。Rc6、Pc7分别作为过压/欠压与故障指示信号。 这部分主要包括：驱动六只发光二极管(LED)的反相驱动器 7406，驱动四只出口继电器(1J～4J)的反相驱动器 MC1413。交流接触器(1CJ～4CJ)及按一定比例组合的 补偿电容器(1C～4C)。输出为四路，等容循环方式与差容 方式均可，勿需改变硬件电路。

本实用新型的实施例：

参照图1，将图3C的UAC1和图5的UAC2通过电压互感器连 接到电网A相、C相，图4B的UB通过电压互感器连接到电网 B相，接入图3C和图4B的输入电压Uin；图3C的 Uo1、图 4B的 Uo2及图5的 Uo3分连接到图2的输入端IN4、IN2、

及IN0；图2的P24～P27、Pc6、Pc7分别连接到图10 相应的输入端P24～P27、Pc6、Pc7。上电复位初始化后。若 图2中的“人工/自动”开关在人工位置。装置即进入键盘管理 程序。显示提示符、等待键盘命令。此时。可以进行图9右侧所 示的相应功能键处理。例如：按下面板上的“增量键”或“减量 键”。可实现手动投入或切除电容路；按下“显示键”，可以显 示内存内容等等。若按下“人工/自动”开关。装置转入主控制 程序。如主控制程序流程图9所示。周而复始运行。每个控制周 期中、显示、模数转换、运算结束，测试正常，即进入输出子程 序，根据电网无功需求和要求的功率因数综合分析判断，控制电 容器组合理地投入电网或从电网切除，投入和切除都使系统进入 稳定区。在波动区里不进行投切动作。实现无功功率的精确自动 调节，同时彻底消除传统控制装置常常发生的投切“误动作”。

为了满足农村小电力用户节电、降损的需要，本实用新型提 供更为便宜的，可以八路输出循环投切的另一实施例，其详细电 路图如图11所示。

图11中。无功电流检测电路(1)、功率因数检测电路(2)、 电压检测电路(3)、模数转换器(4)、输出执行电路(13)及自动 恢复电路(15)等电路结构与连接均同前述的实施例。单片微机 (5)采用8749，主控制程序固化在其内部的EPROM中，其与外 围电路的连接见图11所示。其中P1口作为输出控制接口，P24 ～P26输入到用来驱动三只发光二极管的同相驱动器7407，它 们分别作为滞后(L)、超前(C)及过压指示信号。连接于 P21～P23的按键K1～K3分别作为自检、人工投入及人工切除开 关。连接于T1的人工/自动转换开关K4在自动位置。装置即进入 自动运行状态。

本实用新型的装置与传统装置相比，具有下述优点：

1、本装置以单片微机为核心，输入输出全集成化，硬件电 路通用，改变内部存贮器几个单元的内容，可适用于所有低压电 力用户。调试简便、操作简单、无需用户现场调整，成本低廉。 利于批量生产。

2、本装置在精确检测和计算无功功率、功率因数的基础上， 针对投入区、切除区、波动区和稳定区四种情况，根据电网对无功 功率的需求和所要求的功率因数综合判断，控制电容器组合理 地投入电网或从电网切除，提高了控制精度，节电效益显著。消 除了“误动作”，延长了电容器、接触器的使用寿命。

3、装置面板上装有八位数码显示器，同时可以显示电压。 功率因素、无功功率、超前/滞后(C/L)等。省掉了传统装 置控制柜配置的几块模拟表。

4.具有软硬件结合的输入输出在线自检功能，自动恢复功 能和过压保护等功能。软件上采用平均值、中位值数字滤波，抑 制了干扰，使装置在环境温度较高，电气环境恶劣的场合仍能稳 定可靠运行。

5.输出具有等容循环方式和差容方式。输出程序有：

P4-4＝1∶1∶1∶1，P4-15＝1∶2∶4∶8，

P4-8＝1∶2∶4∶1，P4-9＝1∶2∶4∶2.…… 等多种。可以根据用户情况选用。

一个试用本装置的用户(315KVA)运行测试数据如表1所 示。

                         表1 月 日 有功表读数 无功表读数 平均功率因数 5 30 1046.10 890.50 6 1 1048.80 890.70 0.997 6 3 1055.30 891.60 0.993 6 11 1078.70 892.80 0.999

本装置与传统控制装置在两用户试运行控制效果对比如表2 所示，

                              表2 使用单位 自然功 率因数 使用传统装 置功率因数 使用本装置 功率因数 备注 A厂、320KVA 0.36～0.73 0.83～0.91 0.97以上 表中数据 摘自供电 局电费收据 B厂、315KVA 0.41～0.62 0.72～0.93 0.97以上