专利名称：基于单片机和组态的电容器投切监控系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统无功补偿控制技术领域，特别是一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统。
背景技术：
电容器无功补偿装置可根据配电系统内负荷的无功功率和电网电压，控制晶闸管投切电容器组，补偿负荷所需无功功率，达到改善功率因数，增加变压器出力，降低网损，提高电能质量的目的；目前该种装置一般由单片机构成，测量精度高，功能比较完备，提高了自动化程度，但是对数据的在线显示、监控、历史查询和打印功能仍然不够理想；近几年来，随着计算机的功能不断强大，各种人机界面软件不断涌现，这给电容器的运行提供了可视化监控画面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，结合高性能的单片机芯片、友好的监控画面，可较好的克服目前控制系统的不足，是一种实用、友好的监控系统。
本发明的技术方案一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，其特征在于它是由作为上位机的组态系统和作为下位机的单片机系统所构成，并且作为上位机的组态系统和作为下位机的单片机系统通过串行口连接；所说的作为上位机的组态系统是由实时数据库和组态软件核心构成；所说的作为下位机的单片机系统是由模拟量输入部分、放大滤波电路、A/D转换电路、微处理器及存储部分、功率驱动电路、通讯接口部分构成；所说的模拟量输入部分外接电流和电压互感器的二次端子，模拟量输出部分连接放大滤波电路的输入端，放大滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接微处理器及存储部分的输入端，微处理器及存储部分的输出端连接功率驱动电路，微处理器及存储部分的输出端通过串行通讯接口与上位机连接。
上述所说的模拟量输入部分即电流、电压的采样系统，该部分的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接放大滤波电路的输入端，采样系统通过电压、电流互感器将系统的电压、电流信号数字化后送至控制系统；电压输入部分的电压输入直接取用220V相电压，采用精密电阻分压形式取得A/D能接受的输出电压，电流输入部分是三相电流及中性线电流经外置电流互感器后二次侧作为此部分的输入量，采用电流互感器进行电流变换，副边加精密电阻，将电流信息转换为A/D能接受的电压量，电路设计时均加装电磁兼容及浪涌吸收器件以提高抗干扰能力。
上述所说的放大滤波电路用于把采到的电流电压信号加以放大，以达到一定的幅值利于进行A/D转换，可以由电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4构成差动放大器，还可以采用专用仪表放大器。
上述所说的A/D转换电路用于把放大滤波后的电流和电压信号转换为单片机可以处理的数字信号；转换器输入端是放大器放大后的信号，其中低噪声精密电源用于A/D转化参考电压，其输出电压为可调节电压。
上述所说的微处理器及存储部分由CPU、时钟芯片、Flash存储器、RAM、开关量输入通道、开关量输出通道等构成；电压、电流经A/D转换后接入单片机高速输入口，由单片机的CPU进行数据计算处理，由单片机高速输出口发出触发脉冲，该触发脉冲经功率驱动管电路进行光电隔离和三极管放大，提供给门极可关断晶闸管电路的IGBT门极输入端，控制晶闸管的导通，用于投切电容器；时钟采用硬件时钟，记录的数据带有时标，Flash存储器用来存储采集、计算和统计的数据；开关量输入则用来监视电容器的投入状态，开关量输出量送入上位机，由上位机组态系统处理。
上述所说的通讯接口设有串行接口芯片和上位机通信，系统采用串口把信号传输到上位机，串行信号通过芯片作电平转换后，成为串行口，该口与上位机进行通信，接受上位机的指令，并将A/D转换结果传输给上位机。
本发明的工作原理本方案是基于单片机和组态的电容器投切监控系统，由单片机作为中央控制单元，负荷电压、电流的采样信号经阻容滤波、放大环节送入A/D转换电路，A/D转换电路的输出送入单片机的输入通道，通过软件快速运算处理，得到负载所需的无功功率投切容量，再快速查表决定应投入电容器的级数，去启动电容器开关的控制流程，并依据二进制编码规则确定投切电容器的支路，然后发出相应的触发有效信号，由晶闸管动态无冲击地投入电容器；上位机通过串行接口与单片机通信，通过实时数据库跟踪现场参数变化，并实时显示当前的电容器的各种运行状态。
本发明的优越性和技术效果在于1、采用了高精度A/D转换器，采用∑Δ技术完成A/D转换，有效地降低模拟信号的带宽，满足采样定理的要求；2、采用的高档型的单片机的设计也可以有效提高系统的数据处理精度；3、采用IGBT作为切换元件，能快速通断，可实现动态快速跟踪补偿，能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现快速动态无功补偿，从而减小电源电压波动，提高供电质量；4、该系统的上位机和下位机的通信接口采用串行通讯接口，上位机实时显示电网的主要参数，便于查询历史数据及统计显示；5、该系统可广泛应用于高压和低压配电系统电容器补偿装置的自动调节，提高电网功率因数。
附图1为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的工作原理结构示意图。
附图2为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的电流/电压输入通道原理示意图。
附图3为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的放大滤波电路结构示意图。
附图4为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的专用放大器结构示意图。
附图5为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的A/D转换电路结构示意图。
附图6为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的单片机控制电路结构示意图。
附图7为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的功率驱动管电路结构示意图。
附图8为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的门极可关断晶闸管电路结构示意图。
附图9为本发明所涉“基于单片机和组态的电容器投切监控系统”中的门极可关断晶闸管电路结构示意图。
具体实施例方式实施例一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统(见图1)，其特征在于它是由作为上位机的组态系统和作为下位机的单片机系统所构成，并且作为上位机的组态系统和作为下位机的单片机通过串行口连接；所说的作为上位机的组态系统是由实时数据库和组态软件核心构成(见图9)；所说的作为下位机的单片机系统是由模拟量输入部分、放大滤波电路、A/D转换电路、微处理器及存储部分、功率驱动电路、通讯接口部分构成；所说的模拟量输入部分外接电流和电压互感器的二次端子，模拟量输出部分连接放大滤波电路的输入端，放大滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接微处理器及存储部分的输入端，微处理器及存储部分的输出端连接功率驱动电路，微处理器及存储部分的输出端通过串行通讯接口与上位机连接。
上述所说的模拟量输入部分(见图2)即电流、电压的采样系统，该部分的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接放大滤波电路的输入端，采样系统通过电压、电流互感器将系统的电压、电流信号数字化后送至控制系统；电压输入部分的电压输入直接取用220V相电压，采用精密电阻分压形式取得A/D能接受的输出电压，电流输入部分是三相电流及中性线电流经外置电流互感器后二次侧作为此部分的输入量，采用电流互感器进行电流变换，副边加精密电阻，将电流信息转换为A/D能接受的电压量，电路设计时均加装电磁兼容及浪涌吸收器件以提高抗干扰能力。
上述所说的放大滤波电路用于把采到的电流电压信号加以放大，以达到一定的幅值利于进行A/D转换，可以由电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4构成差动放大器(见图3)，还可以采用专用仪表放大器INA126(见图4)。
上述所说的A/D转换电路(见图5)用于把放大滤波后的电流和电压信号转换为单片机可以处理的数字信号；AD7716A/D转换器是22位A/D的高精度转换器，其输入端是放大器放大后的信号，其中A/D780是低噪声精密电源，用于AD7716的A/D转化参考电压，AD780的输出电压为可调节电压。
上述所说的微处理器AT89S8252及存储部分(见图6)由CPU、时钟芯片、F1ash存储器、RAM、开关量输入通道、开关量输出通道等构成；电压、电流经A/D转换后接入单片机高速输入口，由单片机的CPU进行数据计算处理，由单片机高速输出口发出触发脉冲，该触发脉冲经功率驱动管电路进行光电隔离和三极管放大(见图7)，提供给门极可关断晶闸管电路的IGBT门极输入端(见图8)，控制晶闸管的导通，用于投切电容器；时钟采用硬件时钟，记录的数据带有时标，Flash存储器用来存储采集、计算和统计的数据；开关量输入则用来监视电容器的投入状态，开关量输出量送入上位机，由上位机组态软件处理。
上述所说的通讯接口设有RS232接口芯片MAX232和上位机通信(见图6)，系统采用串口把信号传输到上位机，串行信号通过MAX232芯片作电平转换后，成为RS232口，该口与上位机进行通信，接受上位机的指令，并将A/D转换结果传输给上位机。
权利要求
1.一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，其特征在于它是由作为上位机的组态系统和作为下位机的单片机系统所构成，并且作为上位机的组态系统和作为下位机的单片机系统通过串行口连接；所说的作为上位机的组态系统是由实时数据库和组态软件核心构成；所说的作为下位机的单片机系统是由模拟量输入部分、放大滤波电路、A/D转换电路、微处理器及存储部分、功率驱动电路、通讯接口部分构成；所说的模拟量输入部分外接电流和电压互感器的二次端子，模拟量输出部分连接放大滤波电路的输入端，放大滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接微处理器及存储部分的输入端，微处理器及存储部分的输出端连接功率驱动电路，微处理器及存储部分的输出端通过串行通讯接口与上位机连接。
2.根据权利要求1所说的一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，其特征在于所说的模拟量输入部分即电流、电压的采样系统，该部分的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接放大滤波电路的输入端，采样系统通过电压、电流互感器将系统的电压、电流信号数字化后送至控制系统；电压输入部分的电压输入直接取用220V相电压，采用精密电阻分压形式取得A/D能接受的输出电压，电流输入部分是三相电流及中性线电流经外置电流互感器后二次侧作为此部分的输入量，采用电流互感器进行电流变换，副边加精密电阻，将电流信息转换为A/D能接受的电压量，电路设计时均加装电磁兼容及浪涌吸收器件以提高抗干扰能力。
3.根据权利要求1所说的一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，其特征在于所说的放大滤波电路用于把采到的电流电压信号加以放大，以达到一定的幅值利于进行A/D转换，可以由电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4构成差动放大器，还可以采用专用仪表放大器。
4.根据权利要求1所说的一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，其特征在于所说的A/D转换电路用于把放大滤波后的电流和电压信号转换为单片机可以处理的数字信号；转换器输入端是放大器放大后的信号，其中低噪声精密电源用于A/D转化参考电压，其输出电压为可调节电压。
5.根据权利要求1所说的一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，其特征在于所说的微处理器及存储部分由CPU、时钟芯片、Flash存储器、RAM、开关量输入通道、开关量输出通道等构成；电压、电流经A/D转换后接入单片机高速输入口，由单片机的CPU进行数据计算处理，由单片机高速输出口发出触发脉冲，该触发脉冲经功率驱动管电路进行光电隔离和三极管放大，提供给门极可关断晶闸管电路的IGBT门极输入端，控制晶闸管的导通，用于投切电容器；时钟采用硬件时钟，记录的数据带有时标，Flash存储器用来存储采集、计算和统计的数据；开关量输入则用来监视电容器的投入状态，开关量输出量送入上位机，由上位机组态系统处理。
6.根据权利要求1所说的一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，其特征在于所说的通讯接口设有串行接口芯片和上位机通信，系统采用串口把信号传输到上位机，串行信号通过芯片作电平转换后，成为串行口，该口与上位机进行通信，接受上位机的指令，并将A/D转换结果传输给上位机。
全文摘要
一种基于单片机和组态的电容器投切监控系统，该系统由工控机的上位机和单片机的下位机组成，下位机采用高性能的单片机芯片为控制核心，并采用了高分辨率的A/D转换器，提高了数据转换的精度和处理速度，实现了对多组电容器快速自动分级投切，可满足低压配电网基波无功补偿的快速性和实时性要求，达到改善功率因数，增加变压器出力，降低网损，提高电能质量的目的。上位机提供可视化菜单，试验人员按组态界面的提示，可在线修改系统参数，并能实时显示系统的运行情况，为分析和决策提供确切可靠的依据。
文档编号H02J3/18GK1801568SQ200510122300
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月12日 优先权日2005年12月12日
发明者李季, 周雪松, 马幼捷, 李超 申请人:天津理工大学