专利名称：自动控制的无功补偿及继电保护装置的制作方法
技术领域：
本发明属于供电或配电的一种电路装置，它涉及到新型无功功率补偿的方法和设备，也包括继电保护的装置。
对电网或电力设备进行动态的无功功率补偿是节能和改善供电质量的重要手段，对我国目前能源不足供电能力很低的现状看，提高功率因数是充分挖潜节能的重要方法，有着极重要的现实意义。在各国工业发展过程中都研究设计无功功率补偿设备，力求提高对电力的有效应用，近年随着计算机的发展给寻求一种结构简单、自动稳定、效率高而成本较低的补偿设备提供了新的天地。传统的电网无功控制装置分为旋转调相机和静止型电容器补偿两大类。现有的静止型无功功率补偿装置一般采用功率因数方式或无功功率方式控制补偿电容的投入和切除。据中国专利局的检索提出了有关的相近专利①US4188573《具有时间相关误差消除器的静态无功功率发生器》，在该专利中是用各相间的电容及可控硅控制的电感来提供恰当的无功功率以保持电源的电流与电压相位相同，减少线路的电压波动，为提高所提供的无功功率的准确性，在设备内部设有可控硅点火时间的相关误差消除器，并提出了三种该消除器的实施办法；②US3936727《在电力系统中用于电压稳定的无功功率高速控制》该专利提供的无功功率发生器是由一组固定的电容和与负载并联的可控硅开关控制的电感组成的，其控制是根据负载电流与临界母线电压的夹角和线电流与临界母线电压的夹角之间的不同经加法运算得出可控硅导电角，作移相控制，以维持无功补偿电流基本上与负载电流的无功部分相等且相反，并涉及到无功功率的连续高速控制。前两专利的共同特点是它们都是采用一组固定的电容器。为适应较大的无功负载的波动，电容器的容量要大，随之其电感的容量也要加大，不但设备成本高，其功率损耗也加大；③CN87100007《单片微机无功功率控制装置》它提出了精确计算选择投入或切除电容器数量并针对投入区、切除区、波动区及稳定区四种情况综合判断，确定合理投切的电容器，以消除“振荡”现象的方法。但是，这个专利的无功补偿是有级的调节，响应时间长，且在低负荷下控制精度甚低。可见目前尚缺乏较理想的无功功率补偿设备，以使功率因数能稳定调节到较高水平。
本实用新型的目的是为解决上述的问题对电力网、地区变电站、企业、农村变电所、电力线路及大、中型电力设备提供一种完全自动控制的无功功率静止型动态补偿和继电保护的综合装置，它能使cos∮达到0.999或任一要求值，它具有动态响应快、可靠性高、抗干扰能力强、适应性好的特点。
按如上构思，本发明的“单片机自动控制的无功补偿的方法”的特征是它用单片机直接数字式自动控制在多个电容器柜中选择投切作无功补偿过补的粗调，并通过可控硅控制一个容量不大的电抗器作微调来实现负载线路上的高功率因数数值如0.999或任一值的动态实时补偿，它的单片机的控制过程是采用双闭环数字PID调节器来实现。它的电容器柜共四组，其中有一台容量较小，其投切方式由软件控制循环投切。双闭环是由按PID调节器设计的电感电流内环，和按PID调节器设计的总无功电流外环所构成的。
本实用新型所提供的“自动补偿及继电保护的综合装置”的特征是它采用了双闭环的原理，采用了新型的相角检测电路，采用了抗干扰能力强的线性光电隔离放大器和光电隔离驱动器，该设备的电路是由主回路三相电流检测电路、主回路相角检测电路、各负载回路电流和电压的检测电路、线性隔离放大器、模数转换器、中心控制单元CPU还包括数字显示、键盘、打印机、程序存贮器的单片微机部分、光电隔离、触发可控硅驱动的电抗器部分、光电隔离驱动的电容柜部分及以中间继电器为执行元件的欠压和过流保护电路所构成。它的新型主电路相角检测电路是由电压和电流的过零比较器接非门所构成，然后将各自信号输入到单片机的外部中断请求输入线INT0和INT1。它的线性光电隔离放大器是由两个光电耦合器和两个运算放大器组成的，它是一个不共地的线性放大器。它的数字光电隔离驱动器是由光电耦合器和双向可控硅所组成的。它的电容器柜共四组。其电抗器的容量QL＝(1.3～2)Qc max。Qt max为最大的一组电容器的容量。
采用本方案能体现以下的优越性①功率因数由原有的0.7～0.8上升到0.999节能效果显著，降低了电力线路中的有功损耗，可减少电能的损失10～20％；②可避免较大的无功功率在电网中流动所造成的电压波动，提高供电质量；③也可作到抑制电压的闪变；④提高了发电机、变压器、线路及配电设备的利用率，以90年全国发电量6000亿度为例，由于cos∮提高到0.999的水平，每年可增加近960亿度的电力供应，相当于增加了36套30万千瓦的发电机组；⑤灵活性强适应面广，可用于电网，地区变压器，企业、亦可用在大中型电气设备，能达到明显节能而又不加大投资的效果。⑥使企业在不更换变压器的情况下能增容10～30％。
以下结合
本方案主要实施例的工作原理。图1是主电路原理图。图中的(1)、(2)、(3)为容量不同的四组电容器柜。(4)是容量不大的电抗器，(5)可控硅开关，(6)空气开关。虚线框内就是由可控硅开关控制的电抗器部分，它与电容器柜配套安装在变压器低压母线上。
本装置是用自动分级投切电容器柜作粗调，用电抗器作微调来实现提供准确的补偿用的无功功率。电力负荷多为感性的，而且随时在变，设无功负荷Q′L如图2曲线所示。图2是无功功率补偿情况的示意图。计算机检测到主电路中电流为感性的并与给定的功率因数值不同时，立即发出投入电容器柜的命令，直到出现容性电流为止，如图在O点时投入2台电容器柜，此时出现过补偿，计算机数字PID调节器发指令立即调节电抗器电流以保持cos∮≥0.999(或任一规定值)，在o～t1阶段内只需改变电感电流进行微调。QcΣ为全补偿时所需的全部电容器的容量，Qc1、Qc2、Qc3为单台电容器柜的容量。
图3是整机的原理框图。无功补偿的控制装置是以单片机为核心的综合电路，它包括了以控制电感电流的内环及控制无功电流的外环的双闭环电路，它具有双闭环系统的一切优点，如精度高、调节速度快、抗干扰能力强等等。两个环的调节及可控硅的数字触发均由单片机来完成。
图4是整机的电路原理图。图5是主程序的框图。
图6是主电路的相位检测电路中新型的电路结构示意图。它由两套过零比较器B1、B2和非门F1、F2组成。它的特点是检测精度高、简单、可靠。抗干扰能力强。另外，主电路电流反馈、电感电流反馈量都经过高性能的线性光电隔离放大器，实现了强电系统与计算机系统的有效隔离，既保证了反馈信号与被测信号之间的线性关系，又有效地克服了各种干扰信号对系统的不良影响，保证了系统有极强的抗干扰性能。图7是线性光电隔离放大器的结构图。它由两光电耦合器GD1、GD2和两运放A1、A2构成。
图8是可控硅移相控制及电容开关的开关控制用的光电隔离驱动器的结构图，它可代替常规的脉冲变压器构成的驱动器和灵灵敏继电器，它是由非门F3、光电耦合器GD3及双向可控硅SCR所构成，既实现了强电系统与计算机系统的隔离，还减小了体积，提高抗干扰能力，保证可靠的触发，又可大大节省了CPU的时间。
本方案中为使一台电容器柜在短时间内不作第二次投切，采用由计算机软件“排队”的方法解决，由于所设计的电抗器容量大于一台电容器柜的容量，在一般情况下，可以避免负荷变动时电容器柜的多次投切。但在某些特殊情况下，反复短时工作负荷(如电焊机)的跳动恰在投切一台电容器柜的临界数值时，会出现频繁投切，即所谓的“振荡”现象。图9是频繁投切情况示意图。为克服这一问题可采取三种措施①电抗器容量较一台电容器柜容量大，可QL＝(1.3～2)Qc max；②电容器柜的容量不等，且有一台容量较小；③用软件解决“排队”问题，作到循环投切，可解决上述“振荡”问题。图10是避免振荡的补偿情况示意图。
该装置在线运行时，主电路负荷低于一规定的不控制的负荷限值时，现规定为额定负荷的2％，此时可处于等待状态，当高于额定负荷的5％时可立即投入运行。这样可实现无人管理，适用于各种工作制的单位使用，且可控负荷范围大，优于已有技术的其它方案。
本装置还具有主电路的失压、断相、过负荷、过电流保护的功能，其各项工作均由计算机的软件来完成，经对各种信息数值的计算和判断，它可发出显示警报或由它的执行元件中间继电器工作来切断主电路的开关。
本方案的另一实施例对于中小型变电所，在功率因数要求不太高、无大频繁波动负荷的情况下，为减少投资，可取消图4中的虚线内的可控硅电抗器部分，直接采用计算机投切电容器柜的方法来补偿调整。当测出主电路电流I1及功率因数cos∮的数值、计算出有功电流与无功电流，并与计算出的相应允许的无功电流相比较，若在允许值域外，则计算并确定应投(切)的电容器柜。投切后的实测cos∮值经计算与允许值比较，可再作一、二次调整即可到位。此外，为了在电机起动时不频繁投切电容器，在软件中采取了需连续超出域外20秒(此值可调)后，才能作投切的操作。
采用本方案将获得极大的经济效果；每年在线路及各电气设备上无功电流形成的损失是巨大的，仅就上海85年的统计，用户装置的无功功率补偿容量为226.1万千乏，除去用户的自动补偿装置的容量外，还有55万千乏的无功功率在电网中流动，相当于每年浪费2千万度电能。本方案的样机在某厂试用运行1年效果良好，功率因数能稳定地保持在0.999，运行期间折合节约6万度电。它的一台电容柜容量为56KVAr，最小的电容器柜容量为48KVAr。电抗器的容量为80KVA。
权利要求1.一种用单片机自动控制的无功补偿及继电保护的综合装置，其特征是它采用了双闭环的结构，采用了新型的相位检测电路，采用了抗干扰能力强的线性的光电隔离放大器和数字光电隔离驱动器，该装置的电路由主回路三相电流检测电路、主回路相角检测电路、各负载回路电压电流检测电路、线性隔离放大器、模数转换器、中心控制器CPU还包括LED显示、键盘、打印机、程序存贮器的单片微机部分、光电隔离触发可控硅驱动的电抗器部分、光电隔离驱动的接触器电容器柜部分及以中间继电器为执行元件的欠压过流保护电路所组成的。
2.按照权利要求1所述的无功补偿及继电保护的综合装置，其特征是它的主电路相角检测电路是用两过零比较器经非门输入到单片微机外部中断请求输入线INT0、INT1组成的。
3.按照权利要求1所述的无功补偿及继电保护的综合装置，其特征是它的线性光电隔离放大器是由两个光电耦合器和两个运算放大器组成的，它是一个不共地的线性放大器。
4.按照权利要求1所述的无功补偿及继电保护的综合装置，其特征是它的数字光电隔离驱动器是由光电耦合器和双向可控硅组成的。
5.按照权利要求1所述的无功补偿及继电保护的综合装置，其特征是它的电抗器的容量QL＝(1.3～2)Qc max。Qt max为最大的一组电容器的容量。
专利摘要本实用新型属于供配电系统的一种电路装置。为克服已有技术中无功功率补偿器效率低、结构复杂的问题特提供本方案，该方案采用单片微机作中心控制，采用双闭环的工作原理，以选择投切适当的电容器柜作过补的粗调，并用可控硅控制的电抗器作微调来实现负载线路高功率因数的静态实时补偿，它有cos∮可保持稳定在0.999的高度值、动态响应快、可靠性高、抗干扰能力强的优点，该样机试运行1年效果良好稳定。
文档编号H02J3/18GK2100705SQ91206738
公开日1992年4月1日 申请日期1991年4月27日 优先权日1991年4月27日
发明者尚品一, 李悦璞, 于新华, 李克骄 申请人:天津市工人业余技术大学