專利名稱：功率因數(shù)監(jiān)控方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)在線檢測(cè)電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)，準(zhǔn)確控制補(bǔ)償電容器(組)投入或切除的功率因數(shù)監(jiān)控方法以及使用該方法的監(jiān)控裝置。
電網(wǎng)的視在功率(S)是由有功功率(P)和無(wú)功功率(Q)兩部分構(gòu)成，即S＝P+jQ。為了充分有效地利用電網(wǎng)的視在功率，則要求提高電網(wǎng)視在功率中有功功率所占的比例，降低無(wú)功功率所占的比例，所以目前一般采用投切靜電補(bǔ)償電容器(組)來(lái)就地補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功需求的措施，以達(dá)到提高電網(wǎng)的功率因數(shù)(cosφ＝ (P)/(S) )，節(jié)約電能的目的。
傳統(tǒng)的監(jiān)控方法采用檢測(cè)功率因數(shù)方式或檢測(cè)無(wú)功功率方式來(lái)控制補(bǔ)償電容器(組)的投入或切除。如圖9、

圖10所示。
不論是檢測(cè)無(wú)功功率方式還是檢測(cè)功率因數(shù)方式，皆是預(yù)先設(shè)定被檢測(cè)參數(shù)的下限基準(zhǔn)值和上限基準(zhǔn)值，將檢測(cè)電路的輸出信號(hào)V01或V02與設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較來(lái)控制補(bǔ)償電容器(組)的投入或切除。這種監(jiān)控模式存在許多不足之處。其一是難以避免在某一設(shè)定值附近的反復(fù)多次投切動(dòng)作和在負(fù)荷反復(fù)地發(fā)生微小變化或負(fù)荷很小，特別是小于一組電容器容量時(shí)發(fā)生反復(fù)多次的投切動(dòng)作。這種現(xiàn)象無(wú)助于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，反而給電網(wǎng)增加不穩(wěn)定因數(shù)并縮短了監(jiān)控裝置的使用壽命。為解決上述問(wèn)題中國(guó)專利85100197提供了一種消除反復(fù)投切的閉鎖電路。這種電路措施只有在至少出現(xiàn)兩次誤動(dòng)作(投切各一次)時(shí)才將裝置閉鎖。同時(shí)不能克服因負(fù)荷波動(dòng)引起的“不必要投切”。同樣為解決上述問(wèn)題，中國(guó)專利87100007提供了一種旨在徹底消除補(bǔ)償電容器(組)投入或切除誤動(dòng)作，精確調(diào)整投入電網(wǎng)補(bǔ)償電容器數(shù)量的監(jiān)控裝置。該裝置依據(jù)無(wú)功功率的上、下限基準(zhǔn)值，將控制區(qū)域分為投入?yún)^(qū)、切除區(qū)、波動(dòng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的要求和所要求的功率因數(shù)作出綜合判斷來(lái)控制補(bǔ)償電容器的投入或切除，從而將補(bǔ)償電容器的投入切除次數(shù)減少到最低限度。然而，這種方法只有在掌握某一特定電力負(fù)荷的變化規(guī)律并采用特定容量的電容器及其分組后才能實(shí)現(xiàn)，否則，只要補(bǔ)償電容器的單組容量不是足夠小，反復(fù)投切現(xiàn)象還是難以避免的，因此這種方法通用性差。
其二，傳統(tǒng)監(jiān)控模式中的無(wú)功功率信號(hào)V01和功率因數(shù)信號(hào)V02皆是由模擬件組成的電路產(chǎn)生，由于器件的性能參數(shù)受電氣環(huán)境溫濕度、老化程度的影響較大，使輸出信號(hào)V01、V02的誤差大并不可測(cè)，由此產(chǎn)生補(bǔ)償裝置的誤投切。
其三，傳統(tǒng)裝置由于cosφ設(shè)定值的不變性，使檢測(cè)裝置的通用性降低。因?yàn)樵谟秒姯h(huán)境惡劣的情況下，如大電機(jī)負(fù)荷的頻繁起動(dòng)、停止，可控硅裝置的投入、調(diào)節(jié)和切除，必然引起cosφ值的頻繁變化，使裝置發(fā)生反復(fù)投切動(dòng)作。
本發(fā)明的目的就是為克服以上已有技術(shù)的缺陷，而向電力用戶提供一種精確測(cè)量電網(wǎng)功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率，最低限度地消除補(bǔ)償電容器(組)的投入、切除“誤動(dòng)作”，使電網(wǎng)及功率因數(shù)穩(wěn)定在一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理范圍內(nèi)的一種智能化的功率因數(shù)監(jiān)控方法及使用該方法的監(jiān)控裝置。
本發(fā)明是采用下面的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)其目的的。一種功率因數(shù)監(jiān)控方法它首先對(duì)同一相電壓、電流及功率因數(shù)下限設(shè)定值進(jìn)行定時(shí)連續(xù)采樣，并將上述三參數(shù)Ii、Vi、cosφ下限設(shè)定值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，設(shè)定一個(gè)負(fù)荷電流最小值Imin，當(dāng)負(fù)荷電流小于最小設(shè)定值Imin時(shí)，則全部切除補(bǔ)償電容器
否則將利用“十二點(diǎn)傅氏算法”在線計(jì)算電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)值。再將計(jì)算值與下、上限設(shè)定值比較，判斷電網(wǎng)是處于欠補(bǔ)償、過(guò)補(bǔ)償或正常狀態(tài)。對(duì)欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)，只有在負(fù)荷電流大于設(shè)定的負(fù)荷電流量小值及連續(xù)計(jì)數(shù)次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)時(shí)才驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償電容器(組)的投入或切除。對(duì)欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)連續(xù)計(jì)數(shù)的設(shè)定次數(shù)為5～15次。計(jì)數(shù)時(shí)間為2.5～22.5秒。而設(shè)定的最小負(fù)荷電流為10～25安培。
一種使用上述功率因數(shù)監(jiān)控方法的功率因數(shù)監(jiān)控裝置。它由中央微處理器，程序存貯器，數(shù)據(jù)存貯器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，計(jì)數(shù)/定時(shí)器，數(shù)碼顯示器和平行接口電路組成。電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路及cosφ設(shè)定電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三個(gè)輸入端相聯(lián)。平行接口電路的輸出端接有輸出開關(guān)電路和報(bào)警電路。
附圖的圖面說(shuō)明如下圖1為本發(fā)明所述方法的方框圖， c為cosφ下限設(shè)定電壓。圖2為本發(fā)明所述裝置的原理框圖。圖3為本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所述裝置的電壓檢測(cè)電路圖。圖5為本發(fā)明所述裝置的電流檢測(cè)電路圖。圖6為本發(fā)明所述裝置的輸出開關(guān)電路圖。圖7為本發(fā)明所述裝置的主控程序流程圖。圖8為同一相電壓、電流波形曲線及一周期內(nèi)12點(diǎn)采樣示意圖。圖9為傳統(tǒng)監(jiān)控方法中按無(wú)功功率方式的監(jiān)控原理框圖。圖10為傳統(tǒng)監(jiān)控方法中按功率因數(shù)方式的監(jiān)控原理框圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳述。
本發(fā)明所述的方法首先是對(duì)同一相的電壓(Vi)、電流(Ii)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)到的模擬信號(hào)( )進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字信號(hào)(IL，VL)，運(yùn)用“十二點(diǎn)傅氏算法”根據(jù)數(shù)字信號(hào)VL和IL計(jì)算出被監(jiān)控電網(wǎng)的無(wú)功功率、有功功率和功率因數(shù)。
十二點(diǎn)傅氏算法簡(jiǎn)單介紹如下如圖八所示。
首先對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)(VL、IL)定時(shí)采樣12次，定時(shí)采樣周期△T＝ 5/3 =1.667ms，即每隔1.667ms對(duì)VL和IL信號(hào)同時(shí)采樣一次，而在一個(gè)周期T內(nèi)采集V和I信號(hào)各12點(diǎn)即V0……V11、I0……I11，顯然采樣頻率fc＝50×12＝600Hz。
由于VL和IL信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓、電流檢測(cè)電路(I)(V)的低通濾波環(huán)節(jié)，6次以上諧波分量已基本被濾掉，故VL和IL信號(hào)中最高次諧波分量為6次(300Hz)。故fc＝600Hz＝2fmax(fmax為最高諧波分量頻率)，滿足采樣定理fc≥2fmax，故“十二點(diǎn)傅氏算法”完全可以無(wú)畸變地?cái)M合原來(lái)的信號(hào)V和I。
A·G·Phadke等推出的正序電量的基頻分量的實(shí)、虛部以離散化形式表達(dá)如下
即有Ix=16[(i0-i6)+32(i1-i5-i7+i11)+12(i2]]>-i4-i8+i10)]]]>IR=16[(i3-i9)+32(i2+i4-i8-i10)+12(i1]]>+i5-i7-i11)]]]>Vx=16[(V0-V6)+32(V1-V5-V7+V11)+12(V2]]>
-V4-V8+V10)]]]>VR=16[(V3-V9)+32(V2+V4-V8-V10)+12(V1]]>+V5-V7-V11)]]]>由于
＝VR+jVx
＝IR+jIx視在功率S=
S＝(VR+jVx)(IR-jIx)＝(VRIR+VxIx)+j(VxIR-IxVR)＝P+jQ則有功功率P＝VRIR+VxIx無(wú)功功率Q＝VxIR-IxVR設(shè)V、I之間夾角為φ那么ctgφ＝ (P)/(Q) ＝X(cos2φ)/(1-cos2φ) = X2
在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)可調(diào)的功率因數(shù)(cosφ)下限基準(zhǔn)電壓，該電壓也經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換形成數(shù)字量，將采樣計(jì)算出的功率因數(shù)值與設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷電網(wǎng)是過(guò)補(bǔ)償，還是欠補(bǔ)償，或者是正常狀態(tài)，若是過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，則分別進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，當(dāng)累加計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)，并且負(fù)荷電流大于設(shè)定的負(fù)荷電流最小值時(shí)，則控制補(bǔ)償電容器投入或切除。累加計(jì)數(shù)的設(shè)定次數(shù)為5～15次，計(jì)數(shù)時(shí)間為2.5～22.5秒，即計(jì)數(shù)5～15次應(yīng)進(jìn)行2.5～22.5秒。設(shè)置累加計(jì)數(shù)的目的是為了避免由于功率因數(shù)在基準(zhǔn)值附近微小波動(dòng)所產(chǎn)生的反復(fù)投切。設(shè)定的負(fù)荷電流最小值為10～25安培，當(dāng)負(fù)荷電流小于設(shè)定的最小值時(shí)，應(yīng)將全部補(bǔ)償電容器切除，此舉是因?yàn)楫?dāng)負(fù)荷電流小于一定值時(shí)，投切補(bǔ)償電容器已成為無(wú)意義。
使用本發(fā)明所述方法的功率因數(shù)監(jiān)控裝置是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器，中央處理器，數(shù)據(jù)存貯器，程序存貯器，計(jì)數(shù)/定時(shí)器，數(shù)碼顯示器和平行接口電路所組成，構(gòu)成一個(gè)基本的微處理系統(tǒng)，中央處理器可采用Z80或MCS-51系列。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三個(gè)輸入端分別與電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路和功率因數(shù)下限基準(zhǔn)電壓的設(shè)定電路相聯(lián)接，平行接口電路的輸出端接有輸出開關(guān)電路和報(bào)警電路。
如圖4所示，相電壓(
i)檢測(cè)電路，由波形變換器(PT)，加法器和低通濾波器構(gòu)成。
如圖5所示，相電流(
i)檢測(cè)電路，由波形變換器(CT)，加法器和低通濾波器構(gòu)成。
如圖6所示，輸出開關(guān)電路，由放大器和固態(tài)繼電器構(gòu)成。由于固態(tài)繼電器內(nèi)部采用光電耦合器，使裝置和電網(wǎng)之間有很強(qiáng)的電氣隔離作用，裝置具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
如圖7所示，微機(jī)上電復(fù)位后，開始初始化，并檢查功能鍵的狀態(tài)，若功能鍵壓下則轉(zhuǎn)去功能鍵處理程序。然后檢測(cè)負(fù)荷電流大小，若IL＜Imin則全部切除補(bǔ)償電容器并返回。若IL＞Imin則依據(jù)“十二點(diǎn)傅氏算法”計(jì)算電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，經(jīng)過(guò)較強(qiáng)的數(shù)字濾波環(huán)節(jié)后顯示功率因數(shù)(規(guī)定
滯后
時(shí)cosφ為正值;
超前
時(shí)cosφ為負(fù)值)。
1、當(dāng)cosφ為正值時(shí)，與下限基準(zhǔn)值Cx比較，若C＞Cx時(shí)對(duì)欠補(bǔ)償計(jì)數(shù)器清零并返回;若C＜Cx時(shí)，對(duì)欠補(bǔ)償狀態(tài)連續(xù)計(jì)數(shù)，當(dāng)連續(xù)次數(shù)＞N1時(shí)投入一組電容器，當(dāng)計(jì)數(shù)次數(shù)＜N1繼續(xù)返回計(jì)數(shù)。
2、當(dāng)cosφ為負(fù)值時(shí)，與上限基準(zhǔn)值Cs比較，若C＝Cs時(shí)，對(duì)過(guò)補(bǔ)償計(jì)數(shù)器清零并返回;若C＜Cs對(duì)過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)連續(xù)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)次數(shù)＞N2時(shí)，切除一組電容器，當(dāng)計(jì)數(shù)次數(shù)＜N2時(shí)，繼續(xù)返回計(jì)數(shù)。
3、設(shè)定的負(fù)荷電流量小值Imin為10～25安培，當(dāng)負(fù)荷電流IL＜Imin時(shí)全部切除補(bǔ)償電容器。此舉消除了負(fù)荷很小，特別是小于一組電容器容量時(shí)引起的反復(fù)投切。
4、設(shè)定的連續(xù)計(jì)數(shù)次數(shù)N1，N2為5～15次，計(jì)數(shù)間隔為0.5～1.5秒/次，此舉避免了功率因數(shù)cosφ在某一設(shè)定值附近反復(fù)變化引起反復(fù)投切，同時(shí)避免了大容量負(fù)載的頻繁起動(dòng)、調(diào)節(jié)、停止引起的反復(fù)投切。
綜上所述，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)本發(fā)明所述的方法，思路新穎，可靠性高，通用性好，所采用的“十二點(diǎn)傅氏算法”徹底拋棄了傳統(tǒng)裝置由模擬電路產(chǎn)生信號(hào)φ01＝K1Isinφ，V02＝K2cosφ的方法，最小限度地消除了模擬器件的參數(shù)變化或失效所引起裝置誤動(dòng)作，并且“十二點(diǎn)傅氏算法”本身隱含強(qiáng)烈的數(shù)字濾波作用并配以對(duì)硬件電路移相的軟件補(bǔ)償，使本方法的功率因數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確。同時(shí)，本方法設(shè)定一個(gè)最小負(fù)荷電流Imin和欠、過(guò)補(bǔ)償連續(xù)計(jì)數(shù)次數(shù)N1，N2及cosφ下限基準(zhǔn)值。這種監(jiān)控方式，功率因數(shù)下限設(shè)定值是可變的，適用于實(shí)際負(fù)荷平穩(wěn)、突變、變化頻繁等各種場(chǎng)合，可以全面有效地消除補(bǔ)償裝置的“誤動(dòng)作”。
本發(fā)明所述的功率因數(shù)監(jiān)控裝置較傳統(tǒng)的監(jiān)控裝置相比具有測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
本裝置有效地利用了微處理器的特性，充分靈活地使用了本發(fā)明所述的方法，簡(jiǎn)化了硬件電路。由于本裝置所采用的輸出開關(guān)電路具有很強(qiáng)的電氣隔離作用，使裝置有很強(qiáng)的抗干擾能力。本裝置有自動(dòng)/手動(dòng)兩種功能，在手動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，仍能連續(xù)顯示功率因數(shù)值。在欠補(bǔ)償，過(guò)補(bǔ)償時(shí)能給出聲、光報(bào)警信號(hào)，提醒值班人員進(jìn)行手動(dòng)投切。
另外，本裝置面板設(shè)定、調(diào)整器件少，操作維護(hù)方便。
權(quán)利要求
1.一種功率因數(shù)監(jiān)控方法，其特征是1.1對(duì)同一相電壓、電流及COSφ設(shè)定值進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在一個(gè)周期內(nèi)定時(shí)采得電壓、電流各12點(diǎn)數(shù)值V0、V1……V11；I0、I1……I11，使用正序電量基頻分量的實(shí)、虛部“十二點(diǎn)傅氏算法”來(lái)直接計(jì)算電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)值；1.2設(shè)定一個(gè)負(fù)荷電流最小值Imin，當(dāng)負(fù)荷電流小于Imin時(shí)，全部切除補(bǔ)償電容器(組)；1.3將功率因數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算值與上、下限基準(zhǔn)值比較，判斷電網(wǎng)是處于過(guò)補(bǔ)償、欠補(bǔ)償或正常狀態(tài)，對(duì)欠、過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)并設(shè)定一個(gè)連續(xù)小數(shù)次數(shù)N1和N2，當(dāng)連續(xù)計(jì)數(shù)次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)N1或N2時(shí)并且負(fù)荷電流IL＞Imin時(shí)便投入或切除補(bǔ)償電容器(組)。
2.如權(quán)利要求1所述的功率因數(shù)監(jiān)控方法，其特征是設(shè)定的連續(xù)計(jì)數(shù)次數(shù)N1和N2皆為5～15次，計(jì)數(shù)時(shí)間為2.5～22.5秒。
3.如權(quán)利要求2所述的功率因數(shù)監(jiān)控方法，其特征是設(shè)定的最小負(fù)荷電流為10～25安培。
4.一種使用權(quán)利要求1所述的功率因數(shù)監(jiān)控方法形成的功率因數(shù)監(jiān)控裝置，它是由Z80或MCS-51系列8位微處理器、程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)/定時(shí)器、數(shù)碼顯示器和平行接口電路所組成，其特征是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三個(gè)輸入端分別與電壓檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路和功率因數(shù)下限基準(zhǔn)值設(shè)定電路相聯(lián)接;平行接口電路的輸出端接有輸出開關(guān)電路和報(bào)警電路。
5.如權(quán)利要求4所述的功率因數(shù)監(jiān)控裝置，其特征在于所述的電壓檢測(cè)電路是由波形變換器(PT)，加法器和低通濾波器構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求4所述的功率因數(shù)監(jiān)控裝置，其特征在于所述的電流檢測(cè)電路是由波形變換器(CT)，加法器和低通濾波器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種功率因數(shù)監(jiān)控方法及裝置，它對(duì)同一相電壓、電流進(jìn)行定時(shí)采樣，利用“十二點(diǎn)傅氏算法”計(jì)算電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)值，將計(jì)算值起設(shè)定的基準(zhǔn)值相比較，依據(jù)比較結(jié)果控制補(bǔ)償電容器(組)的投切。本裝置采用Z80或MCS-51系列微處理器，簡(jiǎn)化了硬件電路。
文檔編號(hào)G05F1/70GK1060723SQ90106280
公開日1992年4月29日 申請(qǐng)日期1990年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月8日
發(fā)明者徐福海 申請(qǐng)人:徐福海