基于模糊控制的智能負載在線控制系統

王明晨 于業熙 王暉

摘 要：本文涉及供電配電網絡實時監測與控制技術領域領域，特別是涉及全自動的無功補償、電能質量參數的采集計算的在線監測系統。由MSP430作為控制核心，實現補償電容器，電抗器的自動投切，來進行全自動的無功補償；并且可以實現容性、感性和阻性負載的人為設定，模擬可組成的常見負載，可用作線路測試，電源測試，風力發電機，太陽能并網逆變器的帶載能力實驗等，并且能夠通過帶載之后的電能質量反應供電器的狀態。

關鍵詞：模糊控制；負載；無功補償；電能質量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.111

0 引言

智能負載柜作為電器，或配電網交流通斷試驗及壽命試驗用的負載阻抗裝置，它接于電網實際試驗線路中，模擬控制用電裝置和線路的阻抗，供調節試驗電流及功率因數用，是各種試驗機和低壓電器帶電實驗必用的配件。目前國內各種模擬負載調節裝置多以手動調節的方式實現，即需要手動調節模擬負載中各阻抗性元器件的參數值，使模擬負載在系統給定的電壓及頻率條件下達到各項測試標準所要求的各項電參數指標。該設備既可以讓工廠企業實現廉價的動態無功補償，而且它的負載可調型還可以應用于很多研究所學校進行研究工作，使用效果前景廣泛，價格低廉，控制簡單。

1 總體方案

本設計主要解決的技術問題是提供一種電能質量采集監測裝置，能夠實現全自動的無功補償、電能質量參數的采集計算的在線監測系統為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種在線監測控制裝置。第一步電壓互感器、電流互感器實現電參數的精確采集。第二步主控芯片對采集的參數與所設定參數進行比較計算分析，如需調整發出控制指令，負載自動調整，調整后參數再反饋給上位機。第三步可根據反饋數據人工判斷，如需調整還可以遠程手動調整。

2 系統設計

2.1 控制系統的設計

本監測系統一種實施例的結構，如圖1所示，包括1款msp430的主控單片機，其功耗很低且能完全滿足此設備的現需要，與其連接的有電能質量采集板，使用的是C8051F控制器，由于電能質量參數的計算量也十分巨大，為了不造成開關誤動作，所以采用將電能質量采集板與主控單片機相分開的方式。電能質量采集板直接采集兩組電壓電流互感器的數據，通過快速AD轉換讀取整個電壓和電流波形的數據，并且在其中進行算法處理，計算出三相電的各種電能參數。

2.2 人機交互的設計

此款設備配備了電能表，它配置了液晶顯示器（11），能夠更方便地就地讀取數據，而且顯示更加的直觀。這款智能負載也能就地人為控制，可以通過鍵盤（5）在箱子內部進行設定操作，也可以通過RS-485通信，將數據以有線的方式發送給旁邊的控制室。

2.3 具體實施方案

在一些特殊的時候，此設備的負載可能會有過流，欠壓，過溫的時候，這時候就需要一些繼電保護的方式將電路跳閘，通過電壓電流互感器和溫度傳感器檢測故障狀態，一旦發生故障就會跳閘，并且發出報警信號。但是為了保證此設備的供電可靠性，所以我們將兩側的斷路器更換成可以自動回復的自動重合閘（6），在故障切除之后能夠快速回復供電，降低因斷電造成的損失。

電源管理模塊能夠將開關電源輸出的12V直流電，穩定地供給主控單片機等一些控制，采集，計量設備，當系統過壓保護，欠壓保護，過流保護，過溫保護而斷電的時候它能夠及時啟用蓄電池中的電來供給控制采集設備的使用，如果設備在正常工作時候他還能給蓄電池進行充電，用來作事故備用電源。

以下是通過開關器件控制接入電路的并聯電抗器并聯電容器并聯電阻器值來采用模糊控制的控制策略：比如說通過采集，計算出現在需要接入電路500uf的并聯電容器，其中有10uf，20uf，40uf，80uf，160uf，320uf，470uf的電容器，可以通過最優策略組合成500uf，那就是接入10uf，20uf，470uf的交流電容。

當然并聯電容器和并聯電抗器都是儲能元件，所以給他們需要特殊的接入方式。電容支路需要放電回路，所以我們使用了電容式專用接觸器組，能夠有效地抑制電容充電時候的過電流，和放電時候的過電流。同時并聯電抗器也是儲能元件，因此采用固態繼電器組，因為固態繼電器不存在普通硬開關的間隙擊穿現象。但是這些開關器件不能直接和主控單片機的控制I/O口相接，所以需要相應的驅動和隔離電路。固態繼電器組通過專用的moc3021雙向可控硅光電隔離。電容器組通過微型繼電器組進行電氣隔離，信號也通過多路TLP521四路光電隔離來驅動微型繼電器。同時功率繼電器組通過光電隔離來驅動。這些開關的供電都通過12V，小功率隔離電源模塊來供電，成功做到了電源的電氣隔離和信號的電氣隔離。

此設備能夠進行遠程的無線通訊和有線通訊，無線通訊可以通過藍牙和WiFi進行連接。藍牙（15）可以通過手持設備在設備附近進行無線的控制，通訊和數據讀取，因為不是人員在箱體內進行控制和操作，所以能有效防止人為誤觸造成的觸電事故。WIFI（16）就是能通過Wi-Fi方式進行數據的實時上傳和匯總，并且Wi-Fi能夠在舊的快速組網進行就地多機通訊數據多機互聯。以前我們要對這些采上來的數據和控制的歷史記錄進行上傳和讀取，所以通過有線的以太網（17）進行實施，因為以太網是有線的，可靠性也很高。可以通過和當地互聯網相橋接將數據上傳到互聯網內的任何一個指定服務器上，再通過這些服務器進行運算和處理，數據的分析和總結，數據的可視化處理后，通過組態軟件，將其以網頁、軟件的形式，展示到人們的面前。

3 結束語

該系統由MSP430作為控制核心，實現補償電容器，電抗器的自動投切，來進行全自動的無功補償；并且可以實現容性、感性和阻性負載的人為設定模擬可組成的常見負載，可用作線路測試，電源測試，風力發電機，太陽能并網逆變器的帶載能力實驗等，并且能夠通過帶載之后的電能質量反應供電器的狀態。

參考文獻：

[1]李佩佩，宋瀟.基于51單片機的智能負載監控系統設計[J].電腦與電信.

[2]施毅，顧為東，施建中.智能電網系統中智能負載的關鍵作用[J].中國工程科學，10-13.

[3]王兆安等.諧波抑制和無功功率補償 （第二版）[M].機械工業出版社，2009.

基金項目：本論文得到長春工程學院大學生創新創業訓練計劃資助項目（20171143732）的支持。