徐志高 龔康 王雅銘

摘 要：近些年，隨著我國(guó)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(duì)10kV線路配電網(wǎng)系統(tǒng)的無功補(bǔ)償問題，本文研制了一種新型的柱上式無功補(bǔ)償裝置。由于柱上式無功補(bǔ)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(jì)首先要考慮的問題。本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，分主控、電源、采集、通信、交互等幾個(gè)功能對(duì)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：柱上式無功補(bǔ)償裝置；硬件設(shè)計(jì)；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(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)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(bǔ)償具有補(bǔ)償效率高、投資小、回收快，便于管理和維護(hù)及檢修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。圖1是一種柱上式無功補(bǔ)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(bǔ)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(jì)需求，能夠大大降低工作人員工作強(qiáng)度，降低設(shè)備等額運(yùn)維成本。

1 柱上式無功補(bǔ)償裝置需要滿足的技術(shù)要求

無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)遵從以下設(shè)計(jì)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(dòng)可以長(zhǎng)期工作運(yùn)行，電壓波動(dòng)范圍大于10%則按照相關(guān)規(guī)定和實(shí)際情況縮短工作時(shí)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(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信功能，可以存儲(chǔ)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(shí)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(shí)候電容器應(yīng)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)起動(dòng)保護(hù)動(dòng)能，切除電容。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，本文所設(shè)計(jì)的柱上式無功補(bǔ)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(qiáng)的微控制器，具有功耗低、兼容性優(yōu)越、能夠處理混合信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)大，便于擴(kuò)展，而且價(jià)格低廉，是柱上式無功補(bǔ)償裝置控制單元理想的選擇。

2.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

本柱上式無功補(bǔ)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(hào)，+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(hào)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(hào)則采用電源變換模塊得到。

2.3 通信模塊的設(shè)計(jì)

本柱上式無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)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(jì)，安裝在柱上式無功補(bǔ)償裝置箱體底板上，該有線通信接口設(shè)計(jì)主要是為了方便在檢修人員到裝置安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢修、調(diào)試等作業(yè)時(shí)柱上無功補(bǔ)償裝置與附近設(shè)備連接使用。GPRS遠(yuǎn)程無線通信設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了裝置與主站之間自動(dòng)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了裝置的自用運(yùn)行。中國(guó)移動(dòng)公司提供的GPRS通信服務(wù)，其信息覆蓋面廣、性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性突出，非常適合用于戶外柱上式無功補(bǔ)償裝置與主站之間進(jìn)行信息的交流。

2.4 信號(hào)輸入模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端之間采用光耦合開關(guān)的設(shè)計(jì)，信號(hào)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(qiáng)，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(hào)出現(xiàn)高電壓時(shí)，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(jì)

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(hào)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(hào)的濾波、穩(wěn)壓限幅，提升了信號(hào)的質(zhì)量。

2.6 人機(jī)互動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

人機(jī)互動(dòng)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(yùn)行狀況。指示燈模塊安裝在柱上式無功補(bǔ)償裝置的面板上，其由五個(gè)LED燈組成。五個(gè)LED燈能夠?qū)崟r(shí)反映裝置的各種狀態(tài)，非常方便反映裝置運(yùn)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(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)性介紹了本柱上式無功補(bǔ)償裝置的硬件設(shè)計(jì)方案，在硬件的設(shè)計(jì)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(dòng)模塊的設(shè)計(jì)方案和每個(gè)模塊的工作原理。

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