一種柱上式無功補償裝置硬件設(shè)計

徐志高 龔康 王雅銘

摘 要：近些年，隨著我國電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，占有電網(wǎng)很大比例的配電網(wǎng)板塊無功消耗問題日益突出，針對10kV線路配電網(wǎng)系統(tǒng)的無功補償問題，本文研制了一種新型的柱上式無功補償裝置。由于柱上式無功補償裝置的工作環(huán)境惡劣、集成的功能復(fù)雜、位置偏遠(yuǎn)不便維護(hù)，因此裝置的可靠穩(wěn)定是硬件設(shè)計首先要考慮的問題。本文采用模塊化的設(shè)計思路，分主控、電源、采集、通信、交互等幾個功能對裝置進(jìn)行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：柱上式無功補償裝置；硬件設(shè)計；模塊化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.099

0 引言

在10kV及以下配電網(wǎng)無功損耗問題最為嚴(yán)重[1-2]。采用10kV柱上無功補償裝置進(jìn)行無功補償，能夠有效提高配電網(wǎng)輸電線路功率因數(shù)，達(dá)到降損目的。柱上無功補償具有補償效率高、投資小、回收快，便于管理和維護(hù)及檢修費用低等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。圖1是一種柱上式無功補償裝置的拓?fù)鋱D。

由于柱上式無功裝置的工作環(huán)境惡劣，且地理上分布偏遠(yuǎn)，不便進(jìn)行頻繁的維護(hù)，因此，柱上式無功補償裝置必須穩(wěn)定可靠，最終希望能達(dá)到免維護(hù)，這樣的設(shè)計需求，能夠大大降低工作人員工作強度，降低設(shè)備等額運維成本。

1 柱上式無功補償裝置需要滿足的技術(shù)要求

無功補償裝置的設(shè)計遵從以下設(shè)計要求：

（1）工作電壓：線電壓為10kV的配電網(wǎng)線路，電壓10%上線波動可以長期工作運行，電壓波動范圍大于10%則按照相關(guān)規(guī)定和實際情況縮短工作時間，額定頻率：50HZ±0.5。

（2）控制方式：采用電壓優(yōu)先控制，其次滿足無功平衡的控制方式。

（3）控制器具有同時進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲及通信功能，可以存儲多種數(shù)據(jù)，且可通過GPRS模塊接受主站指令上傳數(shù)據(jù)或遠(yuǎn)方遙控。

（4）具有數(shù)據(jù)采集及顯示功能，能夠?qū)崟r采集10kV輸電線路的電壓、電流、無功、有功等相關(guān)的電氣量，并且能夠通過液晶顯示屏和LED指示燈顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

（5）具有保護(hù)功能，當(dāng)線路出現(xiàn)工頻過電壓、短路及過電流、瞬態(tài)過電等狀況的時候電容器應(yīng)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)起動保護(hù)動能，切除電容。

2 硬件設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計的技術(shù)要求，本文所設(shè)計的柱上式無功補償裝置的功能模塊圖分別如圖2所示。

2.1 微控制單元的選取

本文選擇的微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）是飛思卡爾Kinetis K60芯片，Kinetis是擴(kuò)展性很強的微控制器，具有功耗低、兼容性優(yōu)越、能夠處理混合信號等優(yōu)點。且該芯片系列包含超過兩百種器件，功能各異，使用面廣。K60微控制器不僅功能強大，便于擴(kuò)展，而且價格低廉，是柱上式無功補償裝置控制單元理想的選擇。

2.2 電源模塊的設(shè)計

本柱上式無功補償裝置中電力電子器件中所使用的電流都是低壓直流電，有±24V、+4V、+5V、+3.3V等。24V電壓在光耦合開入模塊以及電壓反饋模塊中有使用，+4V為GPRS模塊供電電壓，+5V為裝置中基本電壓信號，+3.3V電壓用途很廣，按鍵模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊以及端口輸入輸出模塊電路產(chǎn)生的電平信號等。

10kV電壓接通電壓互感器一次側(cè)，其二次側(cè)電壓為100V，經(jīng)過互感器采集線路上的電壓變化調(diào)整，經(jīng)整流濾波，就可得到±24V、+5V的電壓，+3.3V、+4V直流電壓信號則采用電源變換模塊得到。

2.3 通信模塊的設(shè)計

本柱上式無功補償裝置設(shè)計有兩套通信模塊，分別為有線通信和GPRS遠(yuǎn)程無線通信，有線通信采用專用的鳳凰端子接口設(shè)計，安裝在柱上式無功補償裝置箱體底板上，該有線通信接口設(shè)計主要是為了方便在檢修人員到裝置安裝現(xiàn)場進(jìn)行檢修、調(diào)試等作業(yè)時柱上無功補償裝置與附近設(shè)備連接使用。GPRS遠(yuǎn)程無線通信設(shè)計實現(xiàn)了裝置與主站之間自動數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了裝置的自用運行。中國移動公司提供的GPRS通信服務(wù)，其信息覆蓋面廣、性能穩(wěn)定、實時性突出，非常適合用于戶外柱上式無功補償裝置與主站之間進(jìn)行信息的交流。

2.4 信號輸入模塊的設(shè)計

信號輸入端和信號輸出端之間采用光耦合開關(guān)的設(shè)計，信號只能從外部到裝置內(nèi)部單向傳輸，該器件性能穩(wěn)定、抗干擾能力強，能夠在輸入端口和輸出端口間形成電氣隔離的效應(yīng)。當(dāng)外部信號出現(xiàn)高電壓時，僅僅能燒毀光耦合開關(guān)，由于內(nèi)部端口與外部端口之間沒有電氣上的聯(lián)系，因此內(nèi)部器件得以保全。

2.5 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

10kV線路上的電壓、電流經(jīng)PT、CT變換后，得到100V、5A交流電，該信號進(jìn)過進(jìn)一步降壓處理后連接到A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)崿F(xiàn)信號的濾波、穩(wěn)壓限幅，提升了信號的質(zhì)量。

2.6 人機(jī)互動模塊的設(shè)計

人機(jī)互動模塊包含按鍵模塊、液晶顯示模塊和LED指示燈模塊。通過按鍵即可定裝置參數(shù)。LED指示燈模塊和液晶顯示莫模塊則可向工作人員反映裝置的運行狀況。指示燈模塊安裝在柱上式無功補償裝置的面板上，其由五個LED燈組成。五個LED燈能夠?qū)崟r反映裝置的各種狀態(tài)，非常方便反映裝置運行狀態(tài)，供工程人員查閱。工作人員如果需要查看液晶顯示屏上的內(nèi)容，必須通過按鍵模塊才能實現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)性介紹了本柱上式無功補償裝置的硬件設(shè)計方案，在硬件的設(shè)計上，采用了功能模塊化的思想，著重介紹了微控制器、電源模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)互動模塊的設(shè)計方案和每個模塊的工作原理。

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