低壓配電網智能無功補償控制器設計

崔崇雨

（西藏大學農牧學院，西藏 林芝860000）

電網負載的大量無功功率會引起諸多問題，如果不能進行就地補償，完全依靠電網輸送電能，則會導致發電、配電和輸電設備不能得到充分的利用，降低了電網運行能力，使供電質量下降，影響用電設備的壽命，甚至可能會導致系統癱瘓，造成大面積停電事故等系統安全問題。因此，進行無功補償對電力系統安全、可靠運行有著重要的意義，并且無功補償是一種低投資、見效快的減少損耗的節能措施。在低壓側安裝智能化無功補償裝置可以對電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因數等電力參數進行實時、精準的檢測與監控，及時掌握供電線路和設備的運行狀態，配合通信技術的使用，便可及時發現電網中出現的故障和隱患，大大降低事故的發生率，從而確保電力系統及設備安全可靠的運行[1]。

本設計是在基于低壓配電網中無功補償的相關科學理論知識的基礎上提出了基于DSP（TMS320F2812）芯片的無功補償控制系統設計方案，介紹了系統的軟硬件和控制策略等幾個方面[1]。

1 系統總體設計方案

本系統選擇TI公司生產的TMS320F2812作為CPU(中心處理器)，選擇MAX125作為A/D轉換芯片及以選擇MOC3083作為投切電路的控制芯片[2]。輔以信號采集電路、液晶顯示電路、電源電路、鍵盤電路、時鐘電路以及數據存儲電路和串行通訊電路等。實現了信號的采集、轉換、處理以及控制輸出等功能。

信號采集電路分為電壓信號采集和電流信號采集。信號采集之后經轉換變成TMS3202812能識別的信號，然后經過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，實現電網的無功補償。

系統工作原理：首先，信號的采集，分別采集電壓信號和電流信號，經過MAX125芯片轉換成能識別的信號后，將信號送入TMS320F2812中。其次，由CPU（TMS320 F2812）進行數據分析，并判斷電網是否需要補償。串行通訊電路則是實現系統與PC機的連接，通過電腦對系統進行程序設計，并通過鍵盤以及液晶顯示電路達到監控作用，當無功功率超過程序設定的允許最大值時，TMS320F2812會發出信號，發出信號控制投切電路的晶閘管，完成電容投切，實現對電網的無功補償。

2 主要硬件設備的選型與設計

本設計系統的硬件主要包括以下幾個部分：中央處理器（CPU）、數據采集與處理模塊、投切控制模塊、電源模塊、數據存儲模塊、實時時鐘、串行通訊、鍵盤模塊，液晶顯示模塊等。CPU作為系統的核心控制器件，控制整個系統的運行。電源模塊則是對整個系統供電，數據采集與處理模塊則包含電壓采集、電流采集與信號處理，其主要功能是采集線路電壓與線路電流，經過轉換可識別信號后，交予CPU進行分析，并由中央處理器發出控制信號。投切控制模塊則通過晶閘管的導通和關斷來控制電容器的投入或切除。液晶模塊與鍵盤用于實時監視系統運行，同時能完成人機交流的功能。串行通訊用于擴展系統與上位機的通信功能。

圖1 硬件結構圖

2.1 DSP的選擇

德州儀器的TMS320F2812是針對數字控制的DSP，把微控制器的最佳特性和DSP結合在一起，在嵌入式控制應用中得到充分使用，例如：資料擷取及I/O控制（data acquisition and control，DAQ）、 數 字 電 機 控 制（digital motor control，DMC）等領域。同時，DSPTMS320F2812芯片支持全新CCS環境的C compiler，支持C語言的程序開發，并且在C語言的環境中可以搭配匯編語言來編寫設計程序。不僅如此，TMS320F2812還支持特殊的IQ-math函式庫，開發系統時，可以使用定點數DSP來發展所需的浮點運算算法。目前，DSPTMS320F2812已有150MHz的Flash型式。

2.2 AD轉換設計

使用互感器把采集來的高壓大電流轉換成合適的低電壓，再由A/D模塊轉換成可識別的數字信號后傳輸到DSP中進行分析處理。國內交流電的頻率為50Hz，為了確保采樣的精確性，選擇一個周期采集128個點，而計算處理需要計算出13次諧波，根據采樣定理，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是控制線與數據線共用，因為MAX125的工作電壓與TMS320F2812的工作電壓不同，需要對工作電壓進行轉換，因此選擇74HCT245對工作電壓進行轉換：

表1 MAX125芯片與TMS320F2812對應引腳

圖2 AD轉換電路圖

2.3 投切控制電路設計

本系統選用的是過零觸發控制芯片MOC3O83去控制電容器的投切。芯片MOC3O83是由單片過零電壓硅檢測器和嫁－砷紅外發射二極管構成。一旦引腳1和引腳2間的電流大于5mA時，它的紅外二極管就會發出紅外射線，如果此時引腳4或引腳6接有220Vac，過零檢測裝置會在引腳4和引腳6產生-5～+5（典型值）的電壓致使引腳4和引腳6導通，在2個可控硅的觸發端上產生一定的觸發電壓，在主回路的正向或負向電壓驅動下，可控硅必將導通，則實現了電壓過零導通[8]。

圖3 投切控制電路圖

2.4 內存擴展設計

TMS320F2812（DSP）芯片本身自帶18 KB RAM空間。為了提高系統性能，本設計又增加了256KB SARAM，選用AT28LV256，32K×8位，2片一起使用構成32K×16位。內存擴展與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，片選信號與DSP的XZCS2相連。EEPROM分配在ZONE6，地址范圍為0×10000-0×107FFF，片選信號為XZCS6AND7。

圖4 內存擴展電路圖

3 系統程序

3.1 主程序

首先，將低壓配電網中的電壓電流信號經過互感器轉換成測量芯片能夠識別的微信號。其次，將這些已經被轉化為微交流信號的UA、UB、Uc、IA、IB、IC輸 送到MAX125芯片中進行A/D轉換，再將轉換之后的信號送入DSP。通過DSP分析和運算得出電網參數的相關數據值。再次，DSP按軟件程序預先設定好的控制程序給出控制信號，操控可控硅的關斷或導通，完成電容器組的投切動作，繼而完成對低壓配電網的無功補償。

本系統的硬件設計采用模塊化的設計思想，系統整體的通用性和維護的簡易程度得到了大幅度提升。主程序軟件執行的流程示意圖如圖5所示。

圖5 系統主程序流程圖

3.2 AD轉換子程序

圖6 A/D轉換子程序圖流程圖

由于TMS320F2812的工作電壓與MAX125的不同，所以需要通過3片74HCT245與模/數轉換芯片MAX125相連，每完成一次A/D轉換，A/D轉換芯片則發出1個信號（中斷），然后TMS320F2812芯片開始響應MAX125芯片發出的信號，DSP讀取并記錄下MAX125芯片的模/數轉換結果。因為本系統對三相電壓和電流都需要進行采樣，因此，每一次采樣都要對A/D芯片MAX125選擇其工作模式，即對芯片MAX125的控制位A3、A2、Al、A0進行正確的設置。采集三相電壓信號時，必須把控制位A3、A2、Al、A0置為0010B，也就是選擇CH1A、CH2A、CH3A3個模擬通道。同理，三相電流采樣時，必須把A3、A2、Al、A0設置為0ll0B，也就是選擇CH1B、CH2B、CH3B3個模擬通道。

4 結語

近些年，電力電子技術和微電子技術得到了蓬勃的發展，在其推動下無功補償技術同樣也取得了特別顯著的進步，并且形成了多種補償方式。本著從提高無功補償的性能和實用性出發的目的，設計出一種基于DSP（TMS320F2812）芯片，具有高性能數據處理能力和能夠滿足電力系統對實時性要求的無功補償系統，該系統能夠對低壓配電網的無功功率進行及時、穩定的補償。

［1］王超，龔文杰，段曉燕.青島電網無功規劃介紹［J］.山東電力技術，2008（02）：51-55.

［2］苑舜，韓水.配電網無功優化及無功補償裝置［M］．北京：中國電力出版社，2003.

［3］羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備［M］．北京：中國電力出版社，2006.

［4］田春平.提高功率因數與節能降損的關系［J］．煤炭技術，2008，27（04）：35－36.

［5］靳龍章，丁毓山.電網無功補償實用技術［M］.北京：中國水利水電出版社，1997.

［6］高新霞.基于DSP的TSC型無功補償控制器的研究［D］，江蘇?。航K大學，2007.

［7］Max125Data sheet.Texas Instruments Inc.2003.

［8］王鵬，紀延超.光控電壓過零觸發技術在低壓動態無功補償裝置中的應用［J］．電力電容器，1998（2）：6-8.