在工業和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的工作性質決定的。最合理的方法就是在這些感性設備附近及線路適當位置并聯電容器組來進行無功補償。在電力系統中，采用無功補償的方法來提高功率因數、減少無功損耗，是改善供電質量、提高設備利用率的重要手段之一。

1 以ATT7022A為核心的無功補償器介紹

進行無功補償的前提是能準確地測量電網的運行狀況，主要有功功率、無功功率、功率因數、諧波狀況等。ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。

它能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、相角、頻率等參數，充分滿足電能數據采集的需求。而且提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數的傳遞，所有的計量參數都可以通過SPI接口讀出。用它能準確地采集這些參數，并且精度高，軟件設計簡單，內部框圖如圖1所示。

圖1 ATT7022A內部框圖

文中所介紹的無功補償控制器是基于三相電能專用計量芯片ATT7022A來實現的，控制芯片為atmel公司生產的AVR單片機ATmega128和ATme ga16相比，它是AVR8位系列單片機的最高配置的一款單片機，并有53個可編程IO口，在設計液晶顯示和驅動電路上比較方便。該控制器能根據ATT7022A提供的的有功功率、無功功率、功率因數來分析判斷是否進行無功補償，自動投切電容器，實現配電網的自動無功補償，提高輸電效率。

2 硬件電路設計

控制器的硬件電路設計主要有電壓電流檢測電路、電源電路、驅動電路、通信電路及液晶顯示模塊等組成，以Atmega128為控制芯片，可以輕松的完成這些控制功能。其硬件結構框圖如下圖所示。電網電壓、電流經過互感器后，電壓電流信號送到了ATT7022A上。ATT7022A提供一個SPI接口，所有的計量參數都可以通過SPI接口讀出，單片機根據這些參數來判斷功率因數，決定是否進行無功補償，并把信號傳送給電容投切模塊。

圖2 控制器硬件結構電路

檢測電路如圖，該模塊主要是采集電網的電壓、電流信號，電壓輸入UA UB UC UN,量程0~220V.電流輸入IA1 IA2 IB1 IB2 IC1 IC2,量程0~5 A.ATT7022A推薦芯片電壓輸入腳上的采樣值為0.2~0.5 V,芯片電流輸入腳上采樣電壓為0.1 V.因此，5 A的電流信號通過5 A/2.5 mA電流互感器把5 A的電流轉換成2.5 mA的電流。再經過40 Ω的電阻，輸入電壓為0.1 V.220 V的電壓信號通過120 K的電阻，再經過2 mA/2 mA電流型電壓互感器，輸出電流大約為2 mA,再經過250 Ω的電阻。轉換成0.5 V的電壓。ATT7022內部集成了7路16位ADC,參考電壓電路和所有功率、能量、有效值、功率因數及頻率測量的數字信號處理等電路，并分別將實測值存放在相對應的存儲空間，并通過SPI與單片機進行數據交換，無需在系統軟件中進行編程得出無功功率，這樣不僅節省了CPU空間，還提高了計算效率。

圖3 電壓和電流輸入通道原理圖

電源電路設計如圖4所示，采用24V開關電源，它是高頻逆變開關電源中的一個種類。開關電源輸入為200~240VAC,輸出為正24V電壓，供驅動芯片MCl413使用。再用MC34063DC/DC變換器，可實現升壓或降壓電源變換器，把24 V的電壓轉換成5 V電壓，Atmega128和ATT7022、液晶模塊LCD所需要的電壓都是+5 V.數字電路與模擬電路，一般要分開，最后一點匯集在一起，此時可以用0歐電阻相連，作用有：1）直接相連的電流通路可能很大，用0歐電阻則可以獲得很窄的電流通路，能有效限制環路電流，抑制噪聲。2）布線的時候，區分數字地與模擬地很麻煩，用0歐電阻分開，可以清楚的分辨數字地與模擬地。

圖4 電壓轉換電路

電容投切單元。通過對ATT7022A測量出來的無功功率或功率因數分析，決定是否進行無功補償，即投切電容器，本控制器采用晶閘管控制電容器進行投切。由于電容器兩端電壓不能突變，電網電壓和電容器電壓差值較大時，觸發晶閘管會產生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時產生涌流，在晶閘管兩端電壓為零時投入，電流為零時切除，對無功功率實時動態補償。

驅動芯片選用摩托羅拉公司生產的MC1413,它是大電流達林頓陳列反向驅動器，工作電壓高，灌電流可以達到500mA,并能夠在關態時承受50 V的電壓。如圖所示，MC1413在輸入為1時，輸出為0,這樣三極管在電阻的分壓下，發射極、基極和集電極之間形成壓降，連通發射極和集電極，輸出+24 V的電壓，通過一個脈沖變壓器，可以驅動可控硅打開，反之則關閉。

圖5 電源電路

晶閘管控制電容器，每兩個晶閘管連接一個電容器，圖中所示為一路晶閘管輸出，G1、K1分別接晶閘管的門極和陰極，控制器用兩個MC1413芯片，可以控制12個晶閘管共6組，可以控制6組電容器投切。

圖6 驅動電路原理圖

通信模塊。其電路采用單電源電平轉換芯片max232,用于與上位機通信，主要用來進行電網運行參數和系統運行狀態的數據傳輸以及系統時間的校準，并接受上位機發出的投切等操作命令。

人機接口單元。人機接口單元包括鍵盤輸入和液晶顯示兩部分。鍵盤部分用于設定工作參數、切換顯示內容和設置時鐘時間，也可特殊情況下實現電容器的手動投切，鍵盤采用I/O口直接驅動。液晶顯示功能主要顯示電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、電容的運行狀態及諧波狀況等。

3 軟件流程設計

采用ATT7022A計量芯片，單片機無需進行任何復雜的運算，測量數據直接提供，并且可以提供四象限功率測量參數，可準確測量到21次以上諧波。CPU不涉及A/D采樣數據的處理，這使CPU的運算量大大降低，并且大大的簡化了軟件程序設計，使系統的運行更加可靠。

在電力傳輸過程中，電力系統功率因數一般大于0.95,如果功率因數小于0.95就要進行補償。功率因數是投切的依據，若功率因數低于0.95,則投入電容器，若大于1.0,切除電容器。控制器的控制策略是根據計量芯片提供的有功功率、無功功率等參數，分析電網的功率因數是否低于0.95,電網是否過壓或者欠壓等，通過與設定值比較，決定電容器是分相投切還是三相同時投切，電容器投切時，采取"先投先切，先切先投"的原則，防止對一組電容器組的頻繁投切，保證電容器安全，實現電網的正常運行。

圖7 系統軟件流程圖

4 控制器測量大電流大電壓的方法

控制器的電壓輸入范圍為0~220 V,電流的輸入范圍為0~5 A,所以測量大電流大電壓時需要進行電壓電流轉換。如測量0.4 kV,500 KVA的負載時，其額定電流大約為700 A,因此可以選用電流互感器的型號為LMZJ1000/5的電流互感器，變比為200.程序中對讀取的電流、有功功率、無功功率、視在功率乘以變比200,就是實測的電參數。

測量10 kV,200 A的負載，電壓和電流都不能直接測量，需要加電壓互感器和電流互感器，可以選用變比為100的電壓互感器，變比為50電流互感器，如下圖接線。程序中，對讀取的電壓乘以變比100,讀取的電流、有功功率、無功功率、視在功率乘以變比50,就是實際的測量參數。

圖8 控制器連接互感器接線圖

5 結論

以ATmega128單片機為CPU,ATT7022A為計量芯片設計的無功補償控制器，能精確的計算出電網的無功功率、有功功率、功率因數，為實現無功功率的補償提供了準確的數據，硬件結構簡單，可靠，同時減低了對CPU的要求，精簡了軟件設計，同時有能保證穩定性好的特點。

該控制器只適用于低壓配電網無功功率的補償，對于測高電壓大電流的方案，文中也給出了測量方法及接線圖。該控制器對改善電網功率因數、降低電網損耗有良好的效果，并且設計簡單，成本低，具有良好的市場前景。