基于S3C6410的高校三相電網無功補償節能控制系統

杜海濤，黎建華，瞿統弟，周志猛

（臺州學院 計 算機系，浙江 臺 州317000）

隨著高等院校的大規模擴招和教學條件的改善，各種電子與電器設備在高校中廣泛應用，高校成為當之無愧的能耗大戶，其中電能是主要能耗[1]。然而在高校校園電網中，大量電力電子產品的存在，諧波污染變得越來越嚴重，無功功率的不斷增加不僅造成電網供電質量下降，對設備造成了極大損害，同時也給高校帶來了極其嚴重的資源浪費。為響應國家建設節能型社會的號召，充分利用電子技術以減少諧波污染，提高電能利用率，有效利用資源以保護生態環境成為當前社會的焦點[2]。

為此，文中介紹了一種以ARM架構的高速處理器S3C6410為核心單元，以嵌入式Linux為軟件平臺的無功補償的節能控制系統設計方案，該設計融合了諧波分析、諧波檢測、無功補償、實施管理、屏幕顯示以及控制電容投切功能。同時，采用嵌入式技術，為該系統不僅便于功能擴展提供豐富硬件資源而且微處理器高速性能和Linux的實時調度，為系統既保障人機交互又保障系統的實時性。

1 諧波檢測原理與無功補償模型

電力系統中大量電力電子元件的使用，不僅有電網諧波的污染造成設備故障，還有大量無功功率的存在導致能耗利用率極低，造成能源的浪費。為保證高校電子與電器設備的正常運行，諧波檢測是治理諧波一個非常重要的先決條件，通常用某次諧波幅值相對于基波幅值的百分數來反應該諧波的含量，即：

用總諧波畸變THD來表征電壓和電流的總諧波含量，其定義為[3]：

式中：U1、I1和Um、Im分別表示基波電壓有效值、電流有效值和第m次諧波電壓有效值、電流有效值。當諧波含量超過一定的指標，則需對諧波進行治理以保護電子設備。隨著國內外學者的研究，諧波檢測的方法更趨向于高精度、高速度和實用性好的方向發展。

功率因數是用來衡量用電效率的重要指標，也從側面反映出電網能耗的利用率，一般用有功功率P和視在功率S的比值來表示：

電網中系統三相電力電子元件的使用會導致三相電流不平衡，產生無功功率，增加配電壓器的有功損耗。為對無功進行補償以節約高校電網能耗，本文采用Y接線和△接線兩種補償方式作用，對各相提供不同無功，消除不對稱負荷產生的負序和零序電流分量，使得高校電網在理論上讓功率因數提高到1，以減少線路耗損，其三相無功補償模型如下[4]：

上式中 Pa、Pb、Pc和 Qa、Qb和 Qc分別表示三相有功功率和無功功率，三相不平衡電流無功補償一般只補償電容。

2 系統硬件

2.1 整體設計

系統硬件總體設計如圖1所示，包括電壓轉換器、電流轉換器、A/D采樣電路、鍵盤、LCD液晶顯示、SD卡、RS485通訊等接口電路。電壓轉換器將三相電壓轉化成PPV為－0．8～0．8 V之間的電壓信號，電流互感器通過接地電阻轉換為電壓后一并送入CS5451進行數據采樣，由三星公司的基于ARM1176JZF－S內核架構的S3C6410嵌入式微處理器負責對數據進行分析，通過LCD控制器將數據傳給LCD進行圖形化顯示，同時將數據結果（三相負荷需要補償的電容數）通過RS485通信接口送給電容組投切復合開關執行投切動作。

2.2 數據采集電路設計

節能控制系統的前端數據采集電路對后端諧波分析與無功補償投切電容的精度和準確度起著關鍵性作用。特別是電網中各次諧波含量較小，所以高精度的AD轉換器對提高數據精度是必要的。

首先三相電壓經過電阻轉換器用分壓電阻的方法，將三相電壓信號轉換成為3個電壓信號，經過阻容濾波送入CS5451。同樣，三相電流經過電流互感器，將三相電流信號轉換成三個電流信號，經過阻容濾波送入CS5451。CS5451是一個精度較高的AD轉換器，將輸入的電流電壓信號轉換成數字信號輸出。CS5451集成了6個△－∑模數轉換器和均分濾波器，3個具有增益可編程放大器的電流輸入通道對剛才輸入的電流進行采樣，3個電壓輸入通道對輸入的電壓進行采樣，6個通道可以實現同步采樣，保證數據沒有相位誤差；CS5451通過一個4線制串行數據輸出口SPI與S3C6410進行通訊，每隔250微秒主動發出一組數據，最后S3C6410對收集到的信息進行分析處理。基于CS5451的數據采樣電路設計如圖2所示。

圖1 系統硬件總體設計Fig．1 The overall design of the system hardware

2.3 LCD液晶顯示與觸摸屏電路原理

ARM11架構的S3C6410處理器本身包含了TFT24位真彩色液晶顯示控制器， 可支持 3．5寸、4．3寸、5．6寸等帶有觸摸屏TFT液晶屏，分辨率可達1024*1024，最大支持2k*2k虛擬屏幕尺寸，擁有16級Alpha混合。本系統采用4．3寸WXCAT43－TG3#001帶有觸摸屏的液晶顯示屏，由一個液晶顯示屏，一個驅動電路，一個背光單元，一個模擬式電阻控制面板，分辨率為480*272，16:9寬顯示，擁有16777216色和24位RGB接口。

LCD液晶顯示與觸摸屏電路總體結構如圖3所示。LCD通過FPC座把接收到S3C6410的數據流輸入到RGB接口中，通過1個門驅動和2個源驅動T－con來控制TFT LCD Panel。對于touch panel觸摸得到的數據直接通過FPC座傳輸到S3C6410，S3C6410觸摸屏控制器采用正常轉換模式、單獨的X/Y坐標轉換模式、自動（順序）的X/Y坐標轉換模式、等待中斷方式對數據寫入到ADC的控制寄存器。

圖2 基于CS5451的數據采樣電路設計Fig.2 Circuit design of sampling data based on CS5451

圖3 LCD液晶顯示與觸摸屏電路總體結構Fig.3 LCD liquid crystal display and touch screen circuit structure

S3C6410顯示控制器有一個用于轉換圖像數據的邏輯，這個邏輯是指從本地總線的后處理器或系統內存內的視頻緩沖區到外部LCD驅動器接口的傳輸圖像數據的邏輯。LCD驅動接口有四種接口，如傳統的RGB接口，I80接口，NTSC/PAL標準TV編碼器接口和IT-R BT.601接口。顯示控制器支持5層圖像窗口。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件組成

系統軟件采用嵌入式Linux作為操作系統。開源的嵌入式linux系統性能優異，軟件移植容易，代碼開放，同時擁有實時性、穩定性、安全性好的特點。通過在PC機linux環境下編譯Qtopia4.4.3移植到開發板上。Qtiopia4.4.3是一個面向嵌入式系統的圖形用戶界面，包含完整的應用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統、應用程序啟動程序以及開發框架。系統的軟件組成如圖4所示。

圖4 系統軟件組成Fig.4 System software

設備驅動程序包含RS232驅動、SD卡驅動、USB驅動和LCD驅動程序等。在PC機linux環境下通過arm-gcc交叉編譯工具生成潛入式Linux內核并將其移植到NandFlash中。應用程序則采用QT creator進行編程和設計，生成的文件通過編譯qtopia4.4.3中的qmake生成makefile，再執行make得到在開發板上運行的qt應用程序。

3.2 CS5451的零點漂移補償算法

對于△-∑型CS5451采樣電路而言，會存在采樣值的零點漂移現象，為保證諧波檢測的精度和準確度，這里采用硬件和軟件結合的兩級消除采樣誤差的方法解決零點漂移現象。

硬件上先設定一個誤差修正電路圖如圖5所示，用來控制CS5451輸入電壓和電流的值進行控制。

圖5 誤差修正電路圖Fig.5 Error correction circuit diagram

在軟件補償過程中，根據誤差修正公式x=b1y+b0，b0、b1為誤差校正因子，因此需要做2次校正。首先進行系統零點校正使輸入量為0，根據誤差修正公式得到：

然后進行系統增益誤差校正使輸入量為采樣電壓U（電流瞬i）的瞬時值，得到公式

最后，對電壓/電流進行測量，得到的結果y，由上述已求出的誤差因子b1和b0可獲得被測量的真值：

3.3基于FFT算法的電網諧波分析

電網諧波的存在不僅會影響電網設備的的正常工作，縮短設備的壽命，同時也會產生諧波損耗，降低用電設備的能耗利用率，而準確的提取諧波信息則是諧波治理的關鍵環節。當前用于諧波分析的算法由很多，比如簡單方便實用的FFT變換，具有時頻分析特性的小波變換等[5-7]。本系統充分利用S3C6410處理器的高速計算能力，采用基于FFT算法的電網諧波檢測方法，其程序流程圖如圖6所示。其主要思想是：

1)電網模擬電壓信號U(t)或電流信號I（t）經過CS5451抽樣離散后，變成U(nT)或I(nT),T為采樣周期；

2)將抽樣離散后的電壓U和電流I瞬時值送入如下的FFT變換公式進行快速傅里葉變換：

試中，WN=e-j2π/N, 被稱為蝶形因子，上式是N點的FFT計算所有的X(k)約需要N2次乘法和N2次加法。由于WN=e-j2π/N具有對稱性和周期性。則FFT利用了蝶形因子這2個性質加快了運算的速度。設N=2M，則總共有N/2個2點的FFT運算，因此，N點FFT進行(N/2)log2N個蝶形運算；

3)FFT變換后得到各個頻率點處的電壓或電流幅值，將這些幅值送入到公式（2）、（3）計算各相總的諧波含量。

圖6 基于FFT算法的高校電網諧波分析流程Fig.6 Process analysis of the harmonic wave in the power grid based on FFT algorithm

4 數據驗證分析

為了基于S3C6410的無功補償技能控制系統的補償節能效果，在封閉型無功補償實驗模擬柜中，人為投入一些感性器件，以增加系統的無功功率。采用本系統進行無功補償實驗，補償前與補償后的電流及各項功率因素入表1所示。實驗結果表明補償前無功實驗柜所采集的三相電流嚴重不平衡，功率因素也很低，但是采用基于專用電能測量芯片CS5451和ARM11架構S3C6410的無功補償節能控制系統，通過Y接線和△接線兩種補償方式共同作用后，三相電流接近于平衡；功率因素達到了0.99，能量損失大大減小；且零序電流接近于0，消除了不對稱負荷產生的零序電流；通過無功補償柜的模擬實驗證明本系統對高校電網節約電能具有重要推廣意義。

表1 補償前后電流及各相功率因素比較Tab.1 Comparison ofthree-pahse current and power factor with and without compensation

5 結束語

本文針對高校電網用電量大，諧波污染嚴重等問題，介紹了基于嵌入式處理器S3C6410的節能控制系統構建過程，給出了系統的軟硬件結構，設計了電網信號曲線實時動態刷新的交互界面；針對諧波檢測過程中的零點漂移現象給出了硬件補償電路和軟件補償算法，提高了諧波檢測的精度；通過FFT算法對諧波進行準確分析；采用三相電流不平衡補償算法模型，將三相負荷需要補償的電容數通過RS485通信接口送給電容組投切復合開關，由復合開關控制電壓的投切動作。該系統集電網諧波檢測和無功補償為一體的電網節能控制系統，也實現了無功補償數據分析控制單元與執行的有效分離，以減小電容投切執行單元對數據分析控制單元的信號干擾。實驗結果表明，采用高速處理器S3C6410的強大數據分析能力和高精度特性，本系統能將功率因素至0.99，大大降低了高校用電能耗。

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