低压电网动态无功补偿装置的设计

摘 要

本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景，研制了一种低压无功功率补偿

控制器。作为一种非实时的无功补偿装置，该装置以定时的电网监测数据为依据，以低压电网的无功补偿为对象。本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，以及控制器的软硬件的配置。

系统采用AT89C52单片机，该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS 8位单片机，具有运算速度高，实时性好的特点；软件则使用汇编语言进行编译；人机操作界面采用LCD显示,显示效果较好；A/D转换采用

ADC0809，是一款比较实用的A/D转换装置。该装置可跟踪电网无功功率的变化并自动补偿,实现了无功补偿装置的优化运行,具有体积小、原理简单、智能投切等优点。

关键词：无功补偿,单片机,低电压

I

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ABSTRACT

What this article studies is based on the alteration of reactive power compensation

of low voltage, then design an equipment for reactive power compensation of low voltage. As a kind of reactive power compensation, this equipment is basis on the electrical network monitor data ，and provides reactive power for city‟s low voltage power grids. This thesis has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids ，and introduced the hardware and software of the controller.

This device‟s hardware core is AT89C52 SCM ，which has many merits such as high operating speed. This monolithic integrated circuit is the low voltage which American ATMEL Corporation produces, a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits；The software uses the assembly language to carry on the translation；The man-machine operation contact surface uses the LCD demonstration, the demonstration effect is quite good; A/D transformation uses ADC0809 ， it is a section of quite practical A/D switching device. This equipment may track the electrical network reactive power the change and the automatic compensation, and this installment has the volume to be small, the precision is high, the price compared to the higher merit.

KEY WORDS: reactive power compensation，SCM(Single Chip Micyoco)，low voltage

II

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目 录

摘 要 ...............................................................................................................................I ABSTRACT .................................................................................................................. II 目 录 ............................................................................................................................ III 第1章 前言 .................................................................................................................. 1

1．1 无功补偿装置必要性 ................................................................................. 1 1．2 无功补偿装置的发展史 ............................................................................. 2 1．3 设计提要 ..................................................................................................... 4 第2章 无功补偿的理论分析 ...................................................................................... 5

2．1 无功补偿的原理 ......................................................................................... 6 2．2 低压电网中的几种无功补偿的方式 ......................................................... 8 2．3 确定补偿容量的几种方法 ......................................................................... 9

2．3．1 从提高功率因数需要确定补偿容量 .......................................... 9 2．3．2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量 .............................. 9 2．3．3 从提高运行电压需要来确定补偿容量 .................................... 10

第3章 硬件设计 ........................................................................................................ 12

3．1 无功补偿装置的技术要求 ....................................................................... 12

3．1．1 补偿控制应符合技术条件 ........................................................ 12 3．1．2 测量精度 .................................................................................... 12 3．1．3 控制器原理 ................................................................................ 12 3．2 硬件介绍 ................................................................................................... 13

3．2．1 微处理器 .................................................................................... 13 3．2．2 A/D转换器选型 ...................................................................... 17 3．2．3 看门狗 ........................................................................................ 20 3．2．4 LCD显示 ................................................................................. 21 3．3 模拟信号调理电路 ................................................................................... 23

3．3．1 电流电压互感器 ........................................................................ 23 3．3．2 电压、电流采样及信号处理电路 ............................................ 24 3．4 输出控制电路 ........................................................................................... 25

3．4．1 控制电路 .................................................................................... 25 3．4．2 固态继电器 ................................................................................ 26

第4章 软件设计 ...................................................................................................... 27

4．1 功率因数计算 ........................................................................................... 27

III

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4．2 投切原则 ................................................................................................... 29 第5章 结论与展望 .................................................................................................... 31 致谢 .............................................................................................................................. 32 参考文献 ...................................................................................................................... 33 附录1：硬件结构图 ................................................................................................... 34

附图 ..................................................................................................................... 34 附录2：软件程序 ....................................................................................................... 35

IV

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第1章 前言

1．1 无功补偿装置必要性

目前，我国输配电网无功缺乏，备用容量严重不足，无功补偿装置缺少灵活

的调节能力，其中由于无功不足原因而产生电压降落、电能传输损耗大、线路输送容量降低和网络稳定性下降等问题表现尤为突出[1]。近年来，随着大功率非线性负荷用户的不断增多，对电网的冲击和谐波污染呈不断上升趋势，缺乏无功调节手段造成了母线电压随运行方式的变动很大，导致电网线损增加，使得系统电压合格率不高。此外，电网的发展，系统稳定性问题越发重要。电网的损耗、电压及功角稳定性与无功功率快速、有效提供有关。我国互联电网已经进入了大电网、大机组时代，大量的无功在网间传送，造成了巨大的网络损耗。故此大量的无功不适应于远距离的传输，无功功率一般采取分层分区平衡、就近补偿的原则。

在工业应用领域，随着国民经济的发展，大量的冲击性质的负荷如电弧炉、轧机、电气化铁路等接入电网，由于其呈现的冲进性无功特性核非线性负荷特性，对电能质量造成了巨大的污染。主要体现在谐波严重超标，造成变压器、电机、电容器组和线路的损耗加剧，甚至危及设备安全；产生的负序电流对电机等旋转机械产生附加转矩，降低工作效率，增加能耗；由于冲击无功的作用，对电压造成严重的波动和闪变，降低生产效率，单位能耗增加，同时造成产品质量下降。对这些大冲击非线性负荷或不对称负荷应进行就地无功补偿和用电污染治理，即对该类污染从源头进行治理，以达到电能质量治理、节能降耗、增加产量和提高产品质量的目的。

近20年来，世界各地（包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国）发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。持续了短短72小时的8.14美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响，这次事故提醒人们，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能靠远距离传输，在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故，如1993年和1996年南方电网的几次事故，这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定。

无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的[2]。输电线路中无功功率的存在，不仅占用输电线路和设备容量，并且系统中流动的无功功率会导致电压降落，影响电压质量和电力系统的稳定，对用电设备产生影响。因此，在电网规

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划和运行中，必须控制无功功率，限制其在系统中的流动。据了解，我国每年的电力缺口在15%左右，同时，每年有20%以上的电力在输送过程白损耗。

无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的降损节能措施。由于具备改善电能质量、降低电能损耗、挖掘发供电设备潜力、减少用户电费支出等诸多优势，无功补偿的应用开始越来越为区域配网所采纳，而电力电容器市场也由此开辟了更为广泛的发展空间。

1．2 无功补偿装置的发展史

早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器[3]，多用在系统的高压侧进

行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。

随着近代电力电子技术的出现和发展[3]，无功补偿技术也随之发展。在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展契机。

无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面[3]：

(1) 是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短(PS级)，

所以能够选择电容的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。

(2) 是作为无功输出的调节开关。由于电力电子器件的高开关频率，使其能够方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。

(3) 是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的输入和由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同，无功补偿器可分为并联型和输出，起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源滤波器。 串联型两种结构。依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式不同，现代无功补偿装置[4]大致可分为以下几种类型：

2

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(1) TSC (Thyristor Switched Capacitor)型无功补偿装置，它属于并联型无功补

偿装置。主回路如图1-1所示，是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构组成。装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数。由此可见TSC的无功调节是有级的，它无法连续的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，适当分级的问题。但它的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染等。

Ic U Ic1 Ic2 Ic3

C1 C2 C3

图1-1 TSC型无功补偿装置主回路

(2) FC - TCR( Fixed capacitor-Thyristor Controlled Reactor)型无功补偿装置，

它属于并联型无功补偿装置。其主回路如图1-2所示。FC-TCR方式是用双相可控硅的相位控制，调整电抗器的电流，从而调整无功功率的方式。当以电压零相位为基准时，调节TCR中的可控硅的引燃角。可以从90到180范围内变化。补偿器的电流iiCiL，此电流可随角的变化而变化为感性或容性，这样就改变了FC-TCR的无功功率，并可连续均匀的调节。由于TCR中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非正弦的，所以它是一个电流谐波源，对电网有一定的危害。该装置在电容和电感之间形成无功损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，成本高。

I

IL

U Ic L

图1-2 FC-TCR型无功补偿器的主回路

(3) 静止调相机ASVC (Advantage Static Var Compensator),属于串联型补偿

器。它由于输出电压可超前或滞后系统电压，因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。它可以连续调节无功，并且能够抑制谐波，补偿特性较好。但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和维护都不便，成本高等问题，不便在全国推广使用。

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1．3 设计提要

该课题的研究主要有两方面内容：第一是无功补偿的基本原理和在电网中最

佳无功补偿方式的讨论。首先是对无功补偿中普遍存在的问题进行分析，其次是分析对无功补偿计算方案。第二是在传统的无功补偿装置的基础上，对其控制器和动作执行机构进行优化，从而开发出一种智能化的无功补偿器。文中针对这种补偿器的控制器的硬件电路和软件设计作了较详尽的分析。

本文的章节安排： (1) 第1章绪论部分

对该课题的研究背景和无功补偿技术的发展历史进行概述，并提出本文的主要研究内容和各章的内容安排。 (2) 第2章无功补偿理论分析部分

主要是对无功补偿理论中的基本理论进行分析，对无功补偿带来的降损节能和经济效益等问题展开探讨。 (3) 第3章控制器的硬件电路部分

对此无功补偿控制器的硬件电路进行系统的解析、设计。 (4) 第4章控制器的软件设计

对控制器的几个主要功能模块进行分析，并画出程序流程图。 (5) 第5章 结论与展望

4

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第2章 无功补偿的理论分析

电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的。磁场所具有的磁场

能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。

I1 I2 R U1 X U2

S2

S1

图2. 1 由局部电力网的等效电路图

由局部电力网的等效电路图2．1可知，电力网中由于无功负荷而带来的电

压损耗U的计算公式为：

UU1U2I2cosRI2sinXRP2Q2XP2RQ2X（2.1） 2UCU

式中：UC——电网的额定电压 U2——元件的末端电压

——电网中的电压和电流的差角 R X—电网中元件的等效电阻和电抗 P2—元件末端的有功负载和无功负载

由式2.1可知由负荷的无功功率Q2在元件引起的损耗UX的计算公式为：

UXQ2XUC

（2.2）

而由负荷的有功功率P2在元件中引起的电压损耗的计算公式为：

URP2RUC。

（2.3）

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可见的元件电阻小于电抗的电网中，无功引起的电压损耗占主要部分。 电网中的线损公式如下：

22p2Q2SS1S23I(RjX)(RjX)2UC

2（2.4）

式中：S1P1jQ1，S2P2jQ2

其中有功线损P的计算公式为：

2P22Q2PP1P2R， 2UC（2.5）

这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损PQ的计算公式为：

PQQ2UC22R

（2.6）

由上述分析可见，要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率，提高用户端

的电压质量的重要措施之一，是减少电力网元件中的无功传输，可以从提高负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。

2．1 无功补偿的原理

无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接

同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。

无功补偿的作用和原理可由图2．2来解释：

Qc S S' Q

Q' '  P

图2.2 无功补偿原理

设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc，使电源输出的无功功率减少为Q'QQc，功率因数由cos提高到

cos'，视在功率S减少到S'。

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P2(QQC)2SPjQ(RjX)2U

（2.7）

视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷，当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。

可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少了，相应的也使电由电压损耗计算公式

UPR(QQC)XU

网和变压器中的功率损耗的下降，从而提高了供电效率。

（2.8）

可知，采用无功补偿措施后，因通过电力网无功功率的减少，降低了电力网并联电容器的无功补偿作用和原理，也可以用图2.3加以说明。

中的电压损耗，提高了用户处的电压质量。

图2.3 并联电容器的补偿电流向量图

图中的用电负荷总电流I可以分解为有功电流分量IP，和无功电流分量IQ

(电感性的)。当并联电容器投入运行时，流入电容器的容性电流IC与IQ方向相反，故可抵消一部分IQ使电感性电流分量IQ降低为IQ'IQIC，总电流由I降为I'，功率因数也由cos提高到cos'。这时，负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给，电网只需供给有功功率。

根据第一章的有功电流IR(t)与无功电流IX(t)的定义，还可以用图2.4理解

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电力系统中无功补偿的作用与原理。

U(t) I(t)

Ir(t) Ic(t)

图2.4 电力系统无功补偿原理图

设负荷实际吸收的电流为I(t)，为了使输电线路上流过纯有功电流Ir(t)，则

需要在负荷端接入一个无功补偿器，补偿器提供的电流为Ic(t)，则

I(t)Ir(t)Ic(t) (2.9)

这里的Ic(t)就是无功电流IX(t)，这就是电力系统中进行无功补偿的要点。

这是完全的补偿，线路上的电流Ir(t)是为产生负载实际功率(平均功率)而携带能量最小的电流，因而在线路上造成的损失是最小的。此时，Ir(t)的波形和U(t)相同，即电压和电流的相位相同。

2．2 低压电网中的几种无功补偿的方式

提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。因此，影响

功率因数的主要因素有三种，一是异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备；二是供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响；三是电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响。

针对影响功率因数的一些主要因素，要寻求一些行之有效的、能够使低压电网功率因数提高的一些实用方法，使低压电网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。常采用地方式有三种： 随机补偿、随器补偿、跟踪补偿[1]。 (1) 随机补偿，是指将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿励磁为主，此种方式可较好的限制用电单位的无功负荷。

随机补偿地优点是：用电设备运行时，无功补偿投入；用电设备停止运补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量。更具有投资少、占位小、配置灵活、维护简单方便、事故率低等优点。为防止电机推出时产生自激过电压，补偿容量一般不大于电机的空载无功。

(2) 随器补偿，是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以

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补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，从而导致电费单价的增加。

随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，是该部分的无功就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低无功网损，提高用户的功率因数，改善用户的电压质量，具有较高的经济性，是目前无功补偿最有效的方法之一。

(3) 跟踪补偿，是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式，适用于100kVA及以上的专用配变电用户。

跟踪补偿的优点是：可较好的跟踪无功负荷的变化，运行方式灵活，补偿效果好，但是费用高，且自动投切装置较随机、随器补偿的控制保护装置复杂，如有任一元件损坏，则可导致电容器不能投切。且主要适用于大容量大负荷的配变。

上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现“就地平衡”的无功补偿，降损节能效果好。

2．3 确定补偿容量的几种方法

2．3．1 从提高功率因数需要确定补偿容量

设电网的最大负荷月的平均有功功率为PRj，补偿前的功率因数为cos1，补

偿后的功率因数为cos2，则所需要的补偿容量Qc的计算公式为

QcPpj(tg1tg2)

(2.10)

若要求将功率因数由cos1提高的cos2而小于cos3，则补偿容量Qc计算为

Ppj(tg1tg2)QcPpj(tg1tg3)

(2.11)

2．3．2 从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量

设补偿前线路中的电流为I1，相应的有功电流为Ir1，无功电流为Ix1，补偿

无功Q后线路中的电流为I2，相应的有功电流为Ir2，无功电流为Ix1，则

补偿前的线路损耗为：

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P13I12R3(

补偿后的线路损耗为：

2P23I2R3(Ir12)Rcos1

(2.12)

Ir22)Rcos2

(2.13)

则补偿后线损降低的百分值为：

P%Pl1Pl2cos12100%[1()]100%Pl2cos2

(2.14)

若根据要求P%已经确定，则可求得：

cos2cos11P

(2.15)

则补偿容量可以按式

QcPpj(tg1tg2)

(2.16)

来计算。

2．3．3 从提高运行电压需要来确定补偿容量

配电线路末端电压较低，通常是通过无功补偿来提高供电电压的，因此，有

时要从提高线路电压来确定补偿容量。

设补偿前线路电源电压为U1，线路末端电压为U2，线路输送的有功功率为

P，无功功率为Q，电阻为R，电抗为X，则

PRQXU2U1U2

(2.17)

'补偿无功Qc后，线路末端电压升为U2则

U1U2

PR(QQc)XU2

(2.18)

所以投入无功补偿后末端电压增量U为

U2UU2QcXU2

(2.19)

故补偿容量

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QcUU2X

(2.20)

若为三相线路，则所需的补偿容量为

QclUlU2X

(2.21)

式中 Ui——三相线路的线电压增量，kV U2i'——三相线路的线电压，

kV

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第3章 硬件设计

在一系列的理论分析之后，本次设计将采用根据功率因数来确定补偿容量的

方法，再根据当前无功补偿技术的发展状况，我们采用TSC并联电容器型的无功补偿装置。它具有连线和控制方式简单，电容使用效率高及不产生谐波污染等优点。

3．1 无功补偿装置的技术要求

3．1．1 补偿控制应符合技术条件

本次装置设计的基本技术条件[6]：

(1) 控制方式：可控硅与接触器联合控制，即在投切时采用可控硅，正常运

行时采用接触器的方式。

(2) 工作方式：动态跟踪，逻辑判断，自动及时补偿容量。 (3) 控制物理量：以无功功率电容器的投切。 (4) 补偿方式：采用三相共补。

(5) 自动延时功能：电容器投切延时至少10秒，同组电容器的投切间隔时间大于5分钟 。

(6) 保护功能：

过电压快速切断功能：当电网电压大于高压保护值时，自动切除全部电容器。短路保护：由快速熔断器和空气开关双重保护。

(7) 现场参数显示：可现场显示电网运行参数，比如电压、电流、功率因数。

3．1．2 测量精度 (1) 电压、电流：1.0级

(2) 有功功率、无功功率、功率因数：1.0级 3．1．3 控制器原理

由以上功能，可得到控制器的机构图如图3.1

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图3.1 控制器结构原理图

3．2 硬件介绍

3．2．1 微处理器

AT89C52[7]是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可

反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

主要功能特性

(1) 兼容MCS51指令系统。

(2) 8k可反复擦写(大于1000次)Flash ROM。 (3) 32个双向I/O口。 (4) 256x8bit内部RAM。

(5) 3个16位可编程定时/计数器中断。 (6) 时钟频率0-24MHz。

(7) 2个串行中断，可编程UART串行通道。 (8) 2个外部中断源，共8个中断源。 (9) 2个读写中断口线，3级加密位。

(10) 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。

(11) 有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

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图3.2 PDIP封装的AT89C52引脚图

AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管

脚排布上与通用的8xc51相同（如图3.2），其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

(1) P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

(2) P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口， P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在

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上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

(3) P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

(4) P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示：

表3.1 AT89C52 P3口备选功能

管脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0 (外部中断0) INT1（外部中断1） T0（记时器0外部输入） T1（记时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7

RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

(5) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高(6) ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存

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电平将使单片机复位。

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允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

(7) PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

(8) EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

(9) XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

(10) XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

时钟振荡器：AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，

引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器适宜选择40pF10pF。用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

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3．2．2 A/D转换器选型

图3.3 ADC0809内部结构及封装

ADC0809[8]是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近

式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片 主要特性：

(1) 8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 (2) 具有转换起停控制端。

(3) 转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）。 (4) 单个+5V电源供电。

(5) 模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。 (6) 工作温度范围为-40～+85摄氏度。 (7) 低功耗，约15mW。

内部结构：

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图3.3所示，

它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

外部特性（引脚如图3.3）：

(1) ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.3所示。下面说明各引脚功能。

(2) IN0～IN7：8路模拟量输入端。 (3) 2-1～2-8：8位数字量输出端。

(4) ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

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(5) ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

(6) START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

(7) EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

(8) OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

(9) CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640kHz。 (10) REF（+）、REF（-）：基准电压。 (11) VCC：电源，单一+5V。 (12) GND：地。

ADC0809的工作过程：

ADC0809芯片可以分时处理8路模拟量输入信号，使用模拟开关切换。首先

输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。表3.2所示C、B、A是三条通道的地址线。当地址所存信号ALE为高电平时，C、B、A三条线上的数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道。当ALE=0时，地址锁存器处于锁存状态，模拟开关始终与刚才选中的输入通道接通。

表3.2 8路模拟开关与输入通道的关系表

同入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 A B C

0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据

传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。

(1) 定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

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(2) 查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此

可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

(3) 中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传

据传送。

送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

ADC0809的A/D转换过程是在时钟信号的协调下进行的，ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入，其最佳频率为640kHz，在这个最高频率下ADC0809的A/D转换时间为100s左右。当ADC0809用于AT89C52单片机系统时，若AT89C52采用12MHz的晶振，则ADC0809的时钟信号可以由AT89C52的ALE经过一个四分频电路获取。这时ADC0809的时钟频率为500kHz，A/D转换时间为130s。ADC0809时钟电路由两个D触发器构成，如图3.4所示 ：

图3.4 四分频电路

AT89C52

ADC0809 CLK

A/D转换结束后，A/D转换的结果(8位数字量)送到三态锁存输出缓冲器，此

时A/D转换结果还没有现在DB0-DB7八条数字量输出线上，单片机不能获取之。单片机要想读到A/D转换结果，必须使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平，打开三态输了锁存器，A/D转换结果出现在DB0-DB7上。

单片机读取A /D转换结果的方法有三种： (1) 延迟法单片机启动ADC0809后，延时130s以上，可以读到正确的A/D(2) 查询法EOC必须接到AT89C52的一条I/O线上。单片机启动ADC0809

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转换结果。

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后，延迟10s，检测EOC，若EOC=0则A/D转换没有结束，继续检测EOC直到EOC=1。当EOC=1时，A/D转换已经结束，单片机读取A/D转换结果。 (3) 中断法EOC必须经过非门接到AT89C52的中断请求输入线INT0或INT1上，AT89C52的中断触发方式为下降沿触发。单片机启动A/D转换后可以做其它工作，当A/D转换结束时，EOC由0—1经过非门传到INT端，AT89C52收到中断请求信号，若AT89C52开着中断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取A/D转换的结果。 3．2．3 看门狗

看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:

看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位。

硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或者说PC指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。常用的WDT芯片如MAX813 ,5045, IMP 813等,价格4~10元不等。

[7]

本系统采用MAXIM公司的低成本微处理器监控芯片MAX813L构成硬件狗，与AT89C51的接口电路如图3.3所示。MR与WDO经过一个二极管连接起

来，WDI接单片机的P2.7口，RESET接单片机的复位输入脚RESET，MR经过一个复位按钮接地。

该监控电路的主要功能如下：

(1) 系统正常上电复位：电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65V，RESET端输出200ms的复位信号，使系统复位。

(2) 对+5V电源进行监视：当+5V电源正常时，RESET为低电平，单片机正常工作；当+5V电源电压降至+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位。

(3) 看门狗定时器被清零，WDO维持高电平；当程序跑飞或死机时，CPU不能在1.6s内给出“喂狗”信号，WDO跳变为低电平，由于MR端有一个内部

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3．2．4 LCD显示

能对系统进行有效的复位。

(1) LCD简介

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片机复位，看门狗定时器清零，WDO又恢复成高电平。

250mA的上拉电流，D导通MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单

(4) 手动复位：如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就

图3.5 MAX813L与AT89C52接口图

条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD

1602字符型LCD[9]通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2

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完全一样，引脚功能如表3.3所示：

表3.3 LCD引脚功能

引脚 符号 1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 VSS VDD V0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 BLA BLK 对比度最高。 功能说明 一般接地 接电源（+5V） 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 R/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 E(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。 低4位三态、 双向数据总线0位（最低位） 低4位三态、 双向数据总线1位 低4位三态、 双向数据总线2位 低4位三态、 双向数据总线3位 高4位三态、 双向数据总线4位 高4位三态、 双向数据总线5位 高4位三态、 双向数据总线6位 高4位三态、 双向数据总线7位（最高位）（也是busy flag） 背光电源正极 背光电源负极 表3.4 寄存器选择控制表

RS R/W 0 0 1 1 求。

0 1 0 1 操作说明 写入指令寄存器（清除屏等） 读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值 写入数据寄存器（显示各字型等） 从数据寄存器读取数据 busy flag（DB7）：在此位为被清除为0时，LCD将无法再处理其他的指令要1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的

点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码

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是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编(2) LCD与AT89C52接口电路

M-162液晶显示模块可以和单片机AT89C52直接接口，电路如图3．6所示。 程中还可以用字符型常量或变量赋值，如“A”。

图3.6 DM-162液晶显示模块与AT89C52连接

3．3 模拟信号调理电路

3．3．1 电流电压互感器

在此用到的是精密电压互感器[3]SPT204A和电流互感器SCT254AK。 (1) 精密电压互感器 SPT204A

SPT204是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为2mA，额定输出电性能指标：表3.5

表3.5 SPT204A主要参数

流为2mA。

输入电流 输出电流 输入电压 输出电压 匝数比 精度 相移 副边电阻

2mA 最大电流 常通10mA 0～10mA(R1<5%Ri) 2mA 线性范围 串联电阻后50～1000V 可耐冲击电流 100mA * 1秒 2500Vac 50mV～8V（运放输出） 隔离耐压 1:1 使用温度 -50℃～+65℃ <1% 贮藏温度 -60℃～+80℃ 小于5＇（补偿后） 相对湿度 <90% 110W 重量 15～16克 (2) 精密电流互感器 SCT254AK

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SCT254AK是一款精密电流互感器，输入额定电流为5A，额定输出电流为性能指标：表3.6

表3.6 SCT254AK主要参数

2.5mA。

额定输入电流 额定输出电流 匝数比 线性度 相移 副边内阻Ri 重量 5A 2.5mA 1:2000 <0.1% <5＇（补偿后） 约220 15～16克 最大电流 线性范围(R1=0) 可耐冲击电流 隔离耐压 使用温度 贮藏温度 相对温度 常通10A 0～20A 100A * 1秒 >3500Vac -50℃--+65℃ -60℃--+80℃ <90% 3．3．2 电压、电流采样及信号处理电路

如图3.7所示，R'是限流电阻，不论额定输入电压多大，调整R'的值，使额

定输入电流为2mA，就满足使用条件。副边电路是电流/电压变换电路，当需要电压输出时采用。调整图中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容

C1及可调电阻r'是用来补偿相移的。建议R取V00.002,r取R10，C1取值约为65R(F), r'取200k。电容C2是400至1000pF的小电容，用来防振和滤波。C3起抗干扰作用，但其数值不得大于400pF。两个反接的二极管是起保护运算

放大器作用的。运算放大器推荐使用OP系列，使用性能较好的运算放大器较容易达到较高的精度和较好的稳定性。运算放大器电源电压通常取+15V或+12V，也可根据具体情况自定。图中电阻R和R'要求温度系数优于50PPM，R'的功率要求有2倍的余量。用户使用推荐电路稍加改动也可构成单电源供电模式，适用于单极性A/D转换器的输入。

额定输入电流也可以选为1mA以降低功耗或5mA以减小相移，线性度仍优于0.1%。

图3.7 电压互感器电路

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调整图3.8中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容C1及可调

电阻r'是用来补偿相移的。电容C2是400至1000pF的小电容，用来防振和滤波。C3起抗干扰作用，其数值不得大于400pF。两个反接的二极管是起保护运算放大器作用的。运算放大器推荐使用OP系列，使用性能较好的运算放大器较容易达到较高的精度和较好的稳定性。运算放大器电源电压通常取+15V或+12V，也可根据具体情况自定。 温度系数应优于50PPM。推荐使用电路稍加改动也可构成单电源供电模式，适用于单极性A/D转换器的输入。

图3.8 电流互感器电路

运算放大器视精度要求使用[10]，使用性能较好的运算放大器较容易达到较高

的精度和较好的稳定性。此处选用的是BB公司的高精度运放OPA2277。它具有以下特点:

(1) 超低失调电压:10P (2) 超低温漂:0.1V (3) 超低失调电流: 1nA (4) 高开环增益:134dB (5) 宽供电范围:2V~18V

OPA2277具有连续的供电范围2V~18V，这使它不像大多数的OP系列运放局限于固定的工作电压。而且轨至轨的特性使其输出电压的范围能跟随电源工作范围，这就能在保证输出电压的大小的前提下，尽可能的减少工作电压，达到节能的目的。由于OPA2277具有内部补偿失调电流的电路，故在使用中不需要在输入脚上接上补偿失调电流的电阻，如上图所示，这同样减少了PCB布板和使用的复杂度。

3．4 输出控制电路

3．4．1 控制电路

控制电路[10]如图3.9，采用光电隔离电路、驱动电路，控制继电器，再控制

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电容器组投切的形式。以下是其中一路光电隔离和驱动电路。

图3.9 输出控制电路

这部分电路的设计采用单片机的I/O口灌电流的方法控制可控硅实现开关与

继电器控制，用光电耦合器MOC3021作为可控硅的驱动器，同时实现强、弱电的隔离。光电偶合器通过一个非门与AT89C52的一个输出口连接，当此脚输出高电平时，使MOC3021打开驱动双向可控硅，使晶体管导通和继电器吸合，驱动电容器组投入运行，发光二级管发光指示。当管脚输出为低电平时，将会封锁住MOC3021，则继电器释放，发光二级管熄灭，电容器组退出电路。 3．4．2 固态继电器

固态继电器（Solid State Relay,缩写SSR），是由微电子电路，分立电子器件，

电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。

它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。

固态继电器可以方便的与TTL,MOS逻辑电路连接。固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。

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第4章 软件设计

4．1 功率因数计算

功率因数是随着负荷和电源电压的变动而变动，因此该值的计算也就有多种(1) 瞬时功率因数

瞬时功率因数是指某一刻的功率因数，可由功率因数表直接测量，也可以用

方法。

在同一时间有功功率表、电流表和电压表的读数计算，按下式计算

cosP3UI

（4.1）

式中，P为功率表测出的三相功率读数（kW）；U为电压表测出的线电压的读书（kV）；I为电流表测出的线电流的读数（A）。

(2) 平均功率因数

平均功率因数是指在某一时间内的功率因数，也称加权平均功率因数。 由消耗的电能计算

Pav22PavQavcosavWatWaWrtt22WaWa2Wr21Wr1Wa2

式中，Wa为某一时间内消耗的有功电能（kWh，由有功电度表读数求出）；Wr某

（4.2）

一时间内消耗的无功电能（kvarh,有无功电度表读数求出）。

有计算负荷计算

cosavPavSavKaLPc12KrLQc1KPaLc

式中，KaL为有功负荷系数（一般为0.7~0.75）;KrL为无功负荷系数（一般为

KaLPc2KrLQc2（4.3）

0.76~0.82）。

(3) 最大负荷时的功率因数

最大负荷时的功率因数是指在年最大负荷（计算负荷）时的功率因数。计算

公式为

cos

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PcSc

（4.4）

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在此采用的是有效值算法，该算法比平均值算法更具真实性，其原理如下所

述。根据定义，电压u(t)的有效值U是u(t)加在电阻R上单位时间内所做的功，其U数学表达式是：

U21u(t)u(t)dtRROt（4.5）

（4.6）

即：

tU

将式4.6在时间上进行离散，就得到U的离散表达式：

0u(t)u(t)dtN1i0U1N[u(i)u(i)]（4.7）

式中：u(t)——电压采样周期中的第i个采样点的值

对电流有效值I有相似的离散表达式：

I1N[i(k)i(k)]k0N1（4.8）

式中：i(k)——电流采样周期中的第i个采样点的值

由上两式可得视在功率

SUI

（4.9）

有功功率P的定义为：单位时间内，电压u(t)和电流i(r)所作的不可逆的功，

其数学表达式是：

tPu(t)i(t)dt0（4.10）

对其作离散处理，即每隔一定的时间间隔测得一个电压值和一个电流值，将

其相乘，最后把一个采样周期内的所有乘积值相加并求平均值，其数学表达式是:

1PN[u(k)i(k)]k0N1

（4.11）

式中：u(k)——采样周期内的第k个电压采样值 i(k)——采样周期内的第k个电压采样值

电网的功率因数受电压和电流相位差,波形畸变以及三相不对称等因素的影

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响。三相不对称路的功率因数和含谐波的非正弦电路的无功功率情况较为复杂且没有科学而统一的定义,故在此只考虑三相对称电路的功率因数和无功计算，测量时仅对两相间线电压和另一相电流进行采样，采样的电压为UAC，采样电流为

IB，每个周期的采样点数为N，则计算公式如下：

AC相间的线电压为：

UAC1Nuk1N1k1N12ack（4.12）

B相的线电流：

IB1Ni2bk（4.13）

三相有功功率：

3N1PuackibkNk1

（4.14）

视在功率：

S3UACIB

（4.15）

无功功率：

QS2P2

（4.16）

功率因数：

cosPS

（4.17）

4．2 投切原则

本次设计的装置主要的投切标准是功率因数和测量电压，本装置采用默认的随器补偿应以配变容量的6%～8%选择电容器容量效果较好，因为这大约相

1CU2，则2标准功率因数为0.90。

当于配电变压器空载时的无功功率，又电容器补偿容量可近似为Q本次设计一共设了3组容量为25FP电容器组，方便控制和调节补偿容量，采用三相共同补偿。

当检测到到的功率因数小于0.95是，投入第一组电容器组；再进行第二次检

测，计算得到功率因数再于默认值进行比较，若实际功率因数仍然小于0.95的

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话，继续投入第二组电容器组，以次类推，直到实际功率因数小于标准。

当检测到的三相电压大于标准电压时（通常取400V），即电网处于容性状态，无功补偿过量，则立即切除第三组电容；继续检测电压，若电压仍然高于标准的话，则切除第二组电容器组，以次类推，直到实际电压小于标准。

开始 主要的程序流程如图4.1

初始化 电压检测 过压？ N Y 电流检测 N 补偿？ Y 投电容器 切电容器 图4.1单片机程序流程图

30

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第5章 结论与展望

无功补偿技术在边沿科学如电力电子技术和微电子技术发展的推动下，在电

力系统领域取得了很大的发展，形成了多种补偿方式。本文在对无功补偿技术进行分析的基础上，针对传统无功补偿装置的缺点提出了一种新型的智能无功补偿控制器,该装置适合对大用户进行无功补偿,也就是随器补偿,其优点如下:

(1) 装置结构简单，通过硬件软件配合，稳定性高，用单片机控制，可实现(2) 采用LCD显示，可实时显示电压、电流和功率因数等数据。

(3) 控制策略比较合理。该策略既考虑到无功补偿对电容容量需求，又考虑真正的智能控制，具有很高的性价比。

到稳定电压质量的要求，比如在高电压区间的只切不投原则和在低压区间的只投不切原则。

31

今后本控制器在以下几方面还有待提高： (1) 优化采样电路，使采样数据更为精确。

(2) 采用较高档的CPU系统，升级A/D位数，使控制器的电网监测功能到(3) 采用更简便准确的无功计算方案和更多组数的电容器组，使软件更为简(4) 可外接存储装置，用于存储电压、电流等数据，这样有助于对电网的电总之，无功补偿目前在我国还是很有发展潜力的行业，其技术还有待于进一

进一步的完善，也可使控制系统实现实时检测实时控制。 便，控制更加精确。 能质量进行评估。 步的深究和提高。

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致谢

我要感谢我的导师马淋淋老师，谢谢马老师从论文的最初选题、到论文框架

的建立、初稿的修改、直到论文最后完成的悉心指导和亲切教诲，使我少走了很多弯路，起到了事半功倍的效果。

马老师在教学中治学严谨，对学生认真负责，严格要求，他平易近人的性格及和蔼可亲的学者风度，高度的工作责任心，给我留下了深刻的印象，是我学习的榜样，努力的方向。在此，我要向他表示忠心的感谢和良好的祝愿。

在设计过程和论文的撰写中，也得到了我的许多朋友和同学们的大力帮助，给我提出了许多宝贵意见。在系统开发过程中遇到了很多靠自己难以解决的问题，正是他们给予了我很大的帮助，帮助查资料，搞测试，解决了许多的问题与难点，得以使系统及时顺利开发完成。在此，特向他们表示诚挚的谢意。

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参考文献

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[3] 南余荣，李刚，鲁聪达．基于单片机的复合开关及其在低压无功补偿中的应用 [J]．现代电子技术2004，28(15)：15～67

[4] 吴启富，王主丁．配电网无功综合优化的补偿模型及其应用[J]．四川电力技术, 1994：106~11．

[5] 刘凤君．市电电能质量补偿技术［M］．北京：科学出版社，2005：69~111 [6] 胡秀娟．浅议低压电网无功补偿的几种方法[J]．电力与能源．2007年35期

[7] 梅丽凤，王艳秋．单片机原理及接口技术[M]．北京：清华大学出版社，2004：55~102 [8] 刘焕平，韩树新．ADC0809和AT89C52的一种接口方法[J]．石家庄师范专科学校学报．2002-6

[9] 丁毓山．单片机与无功补偿[M]．南京：南京大学出版社，2006：86~121 [10] 康华光，陈大钦．电子技术基础［M］．高等教育出版社，2004：10~15

[11] 彭沛夫，张桂芳．微机控制技术与实验指导[M]．北京：清华大学出版社.，2005：152~ 157

[12] 胡汉才．单片机原理及其接口技术［M］．清华大学出版社，2004：155~159

[13] Yang. Y., Yi. J., Woo, Y.Y., and Kim. B.: „Optimum design for linearityand efficiency of microwave Doherty amplifier using a new loadmatching technique‟, Microw. J., 2001, 44, (12), pp. 20～36

[14] Kundur，Tom．Power system stability and control[M]．New York, USA： McGraw-Hill, 1994：124～241

33

附图

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附录1：硬件结构图

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附录2：软件程序

/*程序入口*/ ORG 0000H

LJMP MAIN ;主程序地址入口 COL1 EQU P2.5 COL2 EQU P2.6

COL3 EQU P2.7

/*分时采样程序*/

MAIN:

CLR P2.1 CLR P2.2 CLR P2.0 SETB P2.1 SETB P2.2 NOP NOP NOP NOP NOP

JNB P3.2,$ MOV A,P0 MOV R7,A SETB P2.0 SETB P2.1 NOP NOP NOP NOP NOP

JNB P3.2,$ MOV A,P0 MOV R6,A CJNE R7,#04H,LR JMP NEXT1 LR:

MOV COL1, #0B MOV COL2, #0B MOV COL3, #0B JMP MAIN /*运算主程序 */ NEXT1:

;欲选IN0通道 ;ALE出现上升沿，选中IN0通道 ;START出现上升沿，ADC0809复位 ;沿时10uS后，检测EOC ;EOC=1时，读取A/D转换结果 ;IN0的A/D转换结果存于R7 ;欲选IN1通道 ;IN1的A/D转换结果存与R6 ;大于04H，则LR ;跳转到开始指令 35

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MOV A, R7 ;电压扩大10倍 MOV B,#10H MUL AB ;相乘 MOV 08H, A ;电压存入08H中 MOV A，08H MOV B, A MUL AB ;相乘得到积BA MOV 10H,#00H ADD B,10H ;相加并存入B MOV 10H,B MOV 11H,#00H ADD A,11H INC NEXT2 INC A MOV 11H,A NEXT2:

MOV A，R6

MOV 09H，A MOV B, A MUL AB MOV 12H,#00H ADD B,12H MOV 12H,B

MOV 13H,#00H ADD A,13H INC NEXT3 INC A MOV 13H,A NEXT3:

MOV A,08H MOV B,09H MUL AB MOV 14H,#00H ADD B,14H MOV 15H,#00H ADD A,15H INC NEXT4 INC A

MOV 15H,A NEXT4:

MOV A,00H INC A

MOV 18H,#00H

;相加并存入A ;无进位则NEXT2 ;A加1 ;电压平方放到10H11H中 ;电流存09H ;得到积BA ;相加并存入B ;13H清0 ;相加并存入A ;无进位则NEXT3 ;A 加1 ;电流平方放到12H13H中 ;相乘 ;相加存入B ;相加存入A ;有功功率放到14H15H中 36

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ADD A,18H MOV 18H, A

;相加存入A

/*延时子程序 */

DELAY:

MOV R5,#1H ;延迟1ms子程序 Y3: MOV R5,0FFH Y4: NOP DJNE R5,Y4 DJNZ R4,Y3 RET CHECK:

CJNE 18H,#63H,START /*除法子程序*/

CF1:

MOV A,10H MOV B,11H MOV R5,B MOV R4,A MOV R7,#64H D457: CLR C MOV A,R4 SUBB A,R7 JC DV50 SETB OV RET

DV50: MOV R6,#08H DV51: MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV F0,C CLR C

SUBB A,R7 ANL C,/F0 JC DV52 MOV R4,A DV52: CPL C MOV A,R3 RLC A MOV R3,A DJNZ R6,DV51

;采样小于100次，则继续采样 ;电压平方/100 ;商溢出 ;求平均值（R4R5／R7－→R3）37

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MOV A,R4 ;四舍五入 ADD A,R4 JC DV53 SUBB A,R7 JC DV54

DV53: INC R3 DV54: CLR OV RET

MOV R2，#00H

PF1:

MOV A,R2 ORL A,R3 JNZ SH20 RET SH20: MOV R7,#00H MOV A,R2

SH22: ANL A,#0C0H JNZ SQRH CLR C MOV A,R3 RLC A OV F0,C CLR C RLC A MOV R3,A MOV A,R2 MOV ACC.7,C MOV C,F0 RLC A RLC A MOV R2,A INC R7 SJMP SH22

ZY1:

MOV 10H,#00H MOV 11H,#00H MOV A,R2 MOV 10H,A MOV B,R3 MOV 11H,B CF2:

;对商开平方 ;被开方数为零，不必运算 ;左规次数初始化 ;被开方数高字节小于４０Ｈ否？ ;不小于４０Ｈ，左规格化完成，转开方过程 ;每左规一次，被开方数左移两位 ;左规次数加一 ;继续左规 ;电压有效值存入10H11H中 38

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MOV A;12H ;电流平方/100 MOV B;13H MOV R5,B MOV R4,A MOV R7,#64H D457: CLR C MOV A,R4 SUBB A,R7 JC DV50 SETB OV RET

DV50: MOV R6,#8 DV51: MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV F0,C CLR C

SUBB A,R7 ANL C,/F0 JC DV52 MOV R4,A DV52: CPL C MOV A,R3 RLC A MOV R3,A DJNZ R6,DV51 MOV A,R4 ADD A,R4 JC DV53 SUBB A,R7 JC DV54

DV53: INC R3 DV54: CLR OV RET

MOV R2,#00H

/*开平方子程序*/ PF2:

MOV A,R2 ORL A,R3 JNZ SH20

;商溢出 ;求平均值（R4R5／R7－→R3） ;四舍五入 ;对商开平方

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RET ;被开方数为零，不必运算 SH20: MOV R7,#00H ;左规次数初始化 MOV A,R2

SH22: ANL A,#0C0H ;被开方数高字节小于４０Ｈ否？ JNZ SQRH ;不小于４０Ｈ，左规格化完成，转开方过程 CLR C ;每左规一次，被开方数左移两位 MOV A,R3 RLC A OV F0,C CLR C RLC A MOV R3,A MOV A,R2 MOV ACC.7,C MOV C,F0 RLC A RLC A MOV R2,A INC R7 SJMP SH22 ZY2:

MOV 12H,#00H MOV 13H,#00H MOV A,R2 MOV 12H,A MOV B,R3 MOV 13H,B

MOV A,12H MOV B,10H MUL AB MOV R6,B MOV R7,7 MOV R2,#00H MOV R3,#00H MOV A,14H MOV R4,A MOV A,15H MOV R5,A

DIVD: CLR C

CF3:

MOV A,R3

;左规次数加一 ;继续左规 ;电流有效值存入12H13H中 ;取电流整数部分 ;取电压整数部分 ;比较被除数和除数 40

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SUBB A,R7 MOV A,R2 SUBB A,R6 JC DVD1 SETB OV ;溢出 RET

DVD1: MOV B,#10H ;计算双字节商 DVD2: CLR C ;部分商和余数同时左移一位 MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV A,R3 RLC A MOV R3,A XCH A,R2 RLC A XCH A,R2 MOV F0,C CLR C

SUBB A,R7 MOV R1,A MOV A,R2 SUBB A,R6

ANL C,/F0 JC DVD3

MOV R2,A MOV A,R1 MOV R3,A INC R5 DVD3: DJNZ B,DVD2 MOV A,R4 MOV R2,A MOV A,R5 MOV R3,A CLR OV RET PD1:

CJNE R2,#5FH,COMP COMP: JNC JS ZY:

;保存溢出位 ;计算（R2R3－R6R7） ;结果判断 ;够减，存放新的余数 ;商的低位置一

;计算完十六位商（R4R5） ;将商移到R2R3中 ;设立成功标志 ;不等于95则COMP，并产生Cy 则JS，Cy=0,则下一步程序41

; Cy=1 青岛理工大学毕业设计（论文）

MOV A,10H MOV R3,A MOV A,11H MOV R4,A

/*进制转换程序*/

ZH:

SHORT_ASC PROC FAR ;进制转换 USES AX,BX,CX,DX, MOV BX,10 C0:MOV DX,0 MOV AX,R3 CMP AX,0 JE C1 DIV BX

MOVE RSLTHI,AX MOV AX,R4 DIV BX

MOV R4,AX OR DL,30H MOV [DI],DL DEC DI

JMP CHAR,C0 C1:MOV AX,R4 C2:CMP AX,0 JZ C3

MOV DX,0 DIV BX OR DL,30H MOV [DL],DL DEC DI

JMP CHAR C2 C3:RET

SHORT_ASC ENDP CODE ENDS END MAIN MOV A，#00H INC A MOV R0，A XZ1：

CJNE R0,#01H,XZ2 MOV A,R4 MOV R5,A MOV A, 12H

;A累加1 ;不等于1则，即为2，进行XZ2 42

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MOV R3, A MOV A, 13H MOV R4, A JMP ZH XZ2：

CJNE R0,#02H,WAIT: MOV A, R4 MOV R6, A MOV A, R2 MOV R4, A MOV R3, #00H JMP ZH /*显示子程序*/

;不等于2则，即为3，进行WAIT

;等待空闲子程序, 该程序用于检测1602的状态，至到1602进入空闲状态时退出 WAIT:

MOV lCD, #OFFH ；令P0做输入口使用 CLR RS ;将RS清0，RW置1 SETB RW CLR E NOP SETB E JB BF,WAIT RET

;写入指令子程序，入口参数为A，A中存储需向1602写指令 W-CMD: ACALL WAIT MOV LCD,A CLR RS ;将RS与RW清0 CLR RW SETB E ;令E端产生下降沿使指令写入1602 NOP CLR E RET

;写入指令数据程序，入口参数为A，A中存储需向1602写入程序的数据 W-DATA: ACALL WAIT MOV LCD,A SETB RS ;将RS置1，将RW清0 CLR RW SETB E ;令E端产生下降沿使数据写入1602 NOP CLR E RET

TAB: DB 'U/10 I/10 %' DB R5 DB ' '

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DB R6 DB' ' DB R4

MAIN: MOV A,#00000001B ;发送清屏操作指令 ACALL W-CMD MOV A,#00111000B ACALL W-CMD MOV A,#00001111B ACALL W-CMD MOV A,#00010100B ACALL W-CMD MOV A,#10000000B ACLL W-CDM 出）

MOV DPTR,#TAB MOV R4,0

SLOOP1: MOV A,R4

MOVC A,@A+DPTR ACALL W-DATA INC R0

CJNE R0,#9,SLOOP1 MOV A,#0C0H ACALL W-CDM SLOOP2: MOV A,R MOVC A,@A+DPTR ACALL W-DATA INC RO

CJNE R0,#18,SLOOP2 RET /*延时子程序 */

DELAY2:MOV R0,FFH LOOP1:MOV R1,#0FH LOOP2:NOP DJNZ R1,LOOP2 MOV P2.7,#1B DJNZ R0,LOOP1 RET END

/*输出控制程序*/

JS: MOV 0FH，#00H INC 0FH

MOV A,0FH

;清屏操作 ;发送功能设置指令 ;令1602以8位数据总线双行显示5*7的字符 ;发送显示控制指令 ;打开并使用光标闪烁 ;发送光标移位指令 ;令光标自动右移 ;发送DDRAM设置指令 ;将当前位置设置在00H处（屏幕第一行的起始;装入查表地址 ;将当前9个字符写入第一行 ;将后9个字符写入第二行 ;0FH中内容加1

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CJNE A，#01H,PD2 ;不等于1则PD2 MOV COL1 #1B JMP MAIN PD2:

CJNE A,#02H,PD3 MOV COL1 #1B MOV COL2 #1B JMP MAIN PD3:

CJNE A,#03H,WAIT MOV COL1 #1B MOV COL2 #1B MOV COL3 #1B JMP MAIN

;跳转到START ;不等于2，即为3，则PD3 ;不等于3，即为4，则WAIT;进行显示 ;跳转到START

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