低壓配電網(wǎng)智能無(wú)功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

崔崇雨

（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝860000）

電網(wǎng)負(fù)載的大量無(wú)功功率會(huì)引起諸多問(wèn)題，如果不能進(jìn)行就地補(bǔ)償，完全依靠電網(wǎng)輸送電能，則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電、配電和輸電設(shè)備不能得到充分的利用，降低了電網(wǎng)運(yùn)行能力，使供電質(zhì)量下降，影響用電設(shè)備的壽命，甚至可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，造成大面積停電事故等系統(tǒng)安全問(wèn)題。因此，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行有著重要的意義，并且無(wú)功補(bǔ)償是一種低投資、見(jiàn)效快的減少損耗的節(jié)能措施。在低壓側(cè)安裝智能化無(wú)功補(bǔ)償裝置可以對(duì)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率及功率因數(shù)等電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的檢測(cè)與監(jiān)控，及時(shí)掌握供電線路和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，配合通信技術(shù)的使用，便可及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中出現(xiàn)的故障和隱患，大大降低事故的發(fā)生率，從而確保電力系統(tǒng)及設(shè)備安全可靠的運(yùn)行[1]。

本設(shè)計(jì)是在基于低壓配電網(wǎng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)科學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上提出了基于DSP（TMS320F2812）芯片的無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)的軟硬件和控制策略等幾個(gè)方面[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812作為CPU(中心處理器)，選擇MAX125作為A/D轉(zhuǎn)換芯片及以選擇MOC3083作為投切電路的控制芯片[2]。輔以信號(hào)采集電路、液晶顯示電路、電源電路、鍵盤(pán)電路、時(shí)鐘電路以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和串行通訊電路等。實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理以及控制輸出等功能。

信號(hào)采集電路分為電壓信號(hào)采集和電流信號(hào)采集。信號(hào)采集之后經(jīng)轉(zhuǎn)換變成TMS3202812能識(shí)別的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)中心處理器的處理分析，最終輸出控制晶閘管完成電容的投切，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。

系統(tǒng)工作原理：首先，信號(hào)的采集，分別采集電壓信號(hào)和電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)MAX125芯片轉(zhuǎn)換成能識(shí)別的信號(hào)后，將信號(hào)送入TMS320F2812中。其次，由CPU（TMS320 F2812）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并判斷電網(wǎng)是否需要補(bǔ)償。串行通訊電路則是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC機(jī)的連接，通過(guò)電腦對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并通過(guò)鍵盤(pán)以及液晶顯示電路達(dá)到監(jiān)控作用，當(dāng)無(wú)功功率超過(guò)程序設(shè)定的允許最大值時(shí)，TMS320F2812會(huì)發(fā)出信號(hào)，發(fā)出信號(hào)控制投切電路的晶閘管，完成電容投切，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。

2 主要硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件主要包括以下幾個(gè)部分：中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、投切控制模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串行通訊、鍵盤(pán)模塊，液晶顯示模塊等。CPU作為系統(tǒng)的核心控制器件，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。電源模塊則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電，數(shù)據(jù)采集與處理模塊則包含電壓采集、電流采集與信號(hào)處理，其主要功能是采集線路電壓與線路電流，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可識(shí)別信號(hào)后，交予CPU進(jìn)行分析，并由中央處理器發(fā)出控制信號(hào)。投切控制模塊則通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)控制電容器的投入或切除。液晶模塊與鍵盤(pán)用于實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)能完成人機(jī)交流的功能。串行通訊用于擴(kuò)展系統(tǒng)與上位機(jī)的通信功能。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 DSP的選擇

德州儀器的TMS320F2812是針對(duì)數(shù)字控制的DSP，把微控制器的最佳特性和DSP結(jié)合在一起，在嵌入式控制應(yīng)用中得到充分使用，例如：資料擷取及I/O控制（data acquisition and control，DAQ）、 數(shù) 字 電 機(jī) 控 制（digital motor control，DMC）等領(lǐng)域。同時(shí)，DSPTMS320F2812芯片支持全新CCS環(huán)境的C compiler，支持C語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)，并且在C語(yǔ)言的環(huán)境中可以搭配匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)設(shè)計(jì)程序。不僅如此，TMS320F2812還支持特殊的IQ-math函式庫(kù)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)，可以使用定點(diǎn)數(shù)DSP來(lái)發(fā)展所需的浮點(diǎn)運(yùn)算算法。目前，DSPTMS320F2812已有150MHz的Flash型式。

2.2 AD轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

使用互感器把采集來(lái)的高壓大電流轉(zhuǎn)換成合適的低電壓，再由A/D模塊轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后傳輸?shù)紻SP中進(jìn)行分析處理。國(guó)內(nèi)交流電的頻率為50Hz，為了確保采樣的精確性，選擇一個(gè)周期采集128個(gè)點(diǎn)，而計(jì)算處理需要計(jì)算出13次諧波，根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須高于128*50*13=83200Hz。所以，選擇高速A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX125。

采樣電路如下圖2-2，引腳A0，A1，A2，A3是控制線與數(shù)據(jù)線共用，因?yàn)镸AX125的工作電壓與TMS320F2812的工作電壓不同，需要對(duì)工作電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此選擇74HCT245對(duì)工作電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

表1 MAX125芯片與TMS320F2812對(duì)應(yīng)引腳

圖2 AD轉(zhuǎn)換電路圖

2.3 投切控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的是過(guò)零觸發(fā)控制芯片MOC3O83去控制電容器的投切。芯片MOC3O83是由單片過(guò)零電壓硅檢測(cè)器和嫁－砷紅外發(fā)射二極管構(gòu)成。一旦引腳1和引腳2間的電流大于5mA時(shí)，它的紅外二極管就會(huì)發(fā)出紅外射線，如果此時(shí)引腳4或引腳6接有220Vac，過(guò)零檢測(cè)裝置會(huì)在引腳4和引腳6產(chǎn)生-5～+5（典型值）的電壓致使引腳4和引腳6導(dǎo)通，在2個(gè)可控硅的觸發(fā)端上產(chǎn)生一定的觸發(fā)電壓，在主回路的正向或負(fù)向電壓驅(qū)動(dòng)下，可控硅必將導(dǎo)通，則實(shí)現(xiàn)了電壓過(guò)零導(dǎo)通[8]。

圖3 投切控制電路圖

2.4 內(nèi)存擴(kuò)展設(shè)計(jì)

TMS320F2812（DSP）芯片本身自帶18 KB RAM空間。為了提高系統(tǒng)性能，本設(shè)計(jì)又增加了256KB SARAM，選用AT28LV256，32K×8位，2片一起使用構(gòu)成32K×16位。內(nèi)存擴(kuò)展與DSP的接口電路如圖4所示，將SARAM分配在ZONE2，地址范圍為0×80000-0×BFFFF，片選信號(hào)與DSP的XZCS2相連。EEPROM分配在ZONE6，地址范圍為0×10000-0×107FFF，片選信號(hào)為XZCS6AND7。

圖4 內(nèi)存擴(kuò)展電路圖

3 系統(tǒng)程序

3.1 主程序

首先，將低壓配電網(wǎng)中的電壓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器轉(zhuǎn)換成測(cè)量芯片能夠識(shí)別的微信號(hào)。其次，將這些已經(jīng)被轉(zhuǎn)化為微交流信號(hào)的UA、UB、Uc、IA、IB、IC輸 送到MAX125芯片中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)送入DSP。通過(guò)DSP分析和運(yùn)算得出電網(wǎng)參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)值。再次，DSP按軟件程序預(yù)先設(shè)定好的控制程序給出控制信號(hào)，操控可控硅的關(guān)斷或?qū)ǎ瓿呻娙萜鹘M的投切動(dòng)作，繼而完成對(duì)低壓配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償。

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)整體的通用性和維護(hù)的簡(jiǎn)易程度得到了大幅度提升。主程序軟件執(zhí)行的流程示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 AD轉(zhuǎn)換子程序

圖6 A/D轉(zhuǎn)換子程序圖流程圖

由于TMS320F2812的工作電壓與MAX125的不同，所以需要通過(guò)3片74HCT245與模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX125相連，每完成一次A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換芯片則發(fā)出1個(gè)信號(hào)（中斷），然后TMS320F2812芯片開(kāi)始響應(yīng)MAX125芯片發(fā)出的信號(hào)，DSP讀取并記錄下MAX125芯片的模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)對(duì)三相電壓和電流都需要進(jìn)行采樣，因此，每一次采樣都要對(duì)A/D芯片MAX125選擇其工作模式，即對(duì)芯片MAX125的控制位A3、A2、Al、A0進(jìn)行正確的設(shè)置。采集三相電壓信號(hào)時(shí)，必須把控制位A3、A2、Al、A0置為0010B，也就是選擇CH1A、CH2A、CH3A3個(gè)模擬通道。同理，三相電流采樣時(shí)，必須把A3、A2、Al、A0設(shè)置為0ll0B，也就是選擇CH1B、CH2B、CH3B3個(gè)模擬通道。

4 結(jié)語(yǔ)

近些年，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展，在其推動(dòng)下無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)同樣也取得了特別顯著的進(jìn)步，并且形成了多種補(bǔ)償方式。本著從提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)男阅芎蛯?shí)用性出發(fā)的目的，設(shè)計(jì)出一種基于DSP（TMS320F2812）芯片，具有高性能數(shù)據(jù)處理能力和能夠滿足電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Φ蛪号潆娋W(wǎng)的無(wú)功功率進(jìn)行及時(shí)、穩(wěn)定的補(bǔ)償。

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