一種具有電能質(zhì)量監(jiān)測的總線式支路控制器

摘" 要：隨著大功率開關(guān)管越來越廣泛的使用，電流諧波對電力系統(tǒng)的影響日益加重，導(dǎo)致整個系統(tǒng)電能質(zhì)量逐漸下降。該文設(shè)計并實現(xiàn)一種基于CAN總線的支路控制器，該控制器通過對支路電流的實時采集、頻譜分析實現(xiàn)對支路電流諧波的在線檢測，如發(fā)現(xiàn)支路電流諧波異常，該控制器通過CAN總線上報主控節(jié)點，由主控節(jié)點統(tǒng)籌決策。主控節(jié)點的決策指令通過CAN總線下達到控制器，可指示控制器切斷支路，以保障主控節(jié)點下的全局電能質(zhì)量。該控制器在一個芯片完成電流采集、分析、通信和控制，多個控制器通過總線串聯(lián)連接，具有接線簡單、體積小、成本低的特點，為保障電力供給的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量提供一種解決方案。

關(guān)鍵詞：總線式；電流質(zhì)量；監(jiān)測；支路；控制器

中圖分類號：TM464 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0127-04

Abstract： With the increasing widespread use of high-power switches， the impact of current harmonics on the power system is increasing， thus resulting in the gradual decline of the power quality of the whole system. In this paper， a branch controller based on CAN bus is designed and implemented. the controller realizes on-line detection of branch current harmonics through real-time collection of branch current and spectrum analysis. If branch current harmonics are found， the controller reports to the main control node through the CAN bus， and the master node makes overall decisions. The decision instruction of the main control node is sent to the controller through the CAN bus， which can instruct the controller to cut off the branch to ensure the global power quality under the main control node. The controller completes current acquisition， analysis， communication and control in one chip， and multiple controllers are connected in series through the bus， which has the characteristics of simple wiring， small size and low cost. It provides a solution to ensure the stability of power supply and power quality.

Keywords： CAN bus; current quality; monitoring; branch; controller

目前大功率開關(guān)管的使用越來越廣泛，一方面，越來越多的家用電器采用開關(guān)管來調(diào)節(jié)功率，如電磁爐、變頻空調(diào)等，這些家用電器的用量增加迅猛；另一方面，隨著環(huán)境可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)的加劇，光伏發(fā)電因其清潔、建設(shè)周期短、使用年限長的特點，近十年來得到迅速發(fā)展[1]，并在繼續(xù)飛速增加[2]，光伏逆變器的最主要部件也是大功率開關(guān)管。

單相逆變器輸出瞬時功率含有大量2倍工頻的波動，同樣在二級式逆變器中，直流母線電壓2次紋波會導(dǎo)致前級DC/DC電路產(chǎn)生2次諧波電流[3]。大功率開關(guān)管的使用也會不可避免產(chǎn)生電流諧波，諧波電流導(dǎo)致電壓畸變[4]引起整個系統(tǒng)內(nèi)電機的震動甚至設(shè)備損壞，增加了系統(tǒng)的運行風(fēng)險。

對光伏發(fā)電的迅猛發(fā)展而引起的電能質(zhì)量問題和對整個電網(wǎng)的沖擊和影響得到越來越多的關(guān)注和重視[5-6]，對并網(wǎng)點進行電能質(zhì)量分析和監(jiān)測的相關(guān)研究越來越多[7-9]，以幫助電網(wǎng)運管了解區(qū)域諧波的主要成分和來源。但電能質(zhì)量檢測裝置的價格達到開關(guān)本體價格的數(shù)倍，每個支路加裝檢測裝置成本太高，目前一般僅在并網(wǎng)點主回路上安裝電能質(zhì)量檢測裝置，來監(jiān)控整個廠站或用戶片區(qū)的電能質(zhì)量，但是對支路電流諧波的監(jiān)與控仍缺少有效手段。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CAN總線的支路控制器，該控制器以低成本實現(xiàn)對支路諧波電流的實時監(jiān)測和對支路的投切控制，將可疑支路電流諧波通過總線上報主控節(jié)點，由主控節(jié)點統(tǒng)籌決策是否切斷支路來保障全局電能質(zhì)量。

1" 支路控制器的接入方案

首先，支路控制器的系統(tǒng)接入方案如圖1所示。主線路開關(guān)作為主控節(jié)點，帶有高精度點電能質(zhì)量檢測裝置，負責(zé)整個轄區(qū)的電能質(zhì)量。當(dāng)主控節(jié)點檢測到電能質(zhì)量異常時，可以跳開主線開關(guān)，但這樣對整個轄區(qū)的用電造成極大影響。

通過支路控制器的接入，主控節(jié)點可實時獲取各支路的基本電氣量。通過匯總分析和極大估計，主控節(jié)點可分析判斷出影響最大的支路，并統(tǒng)籌作出切斷策略。從接入方案分析，支路控制器應(yīng)該是簡單高效，并且具有低成本的特性，不然與每個支路加裝電能質(zhì)量檢測裝置沒有實質(zhì)區(qū)別。

2" 支路電流諧波分析

支路電流諧波分析，可以通過對支路電流的采集，再通過快速傅里葉變換（FFT）得到支路電流頻譜[10]。

對離散信號x（n），其中n表示離散時間樣本點的索引，x（n）表示在時間域的信號值。DFT將這個信號從時間域變換到頻率域，生成一個包含頻率分量的復(fù)數(shù)系數(shù)的序列x（k），其中k表示頻率分量的索引。DFT的公式如式（1）所示

FFT算法將信號分解成較小的子問題，計算它們的DFT，然后將其組合起來以得到整個信號的DFT。FFT算法的核心思想可以用如公式（2）所示

x（k）=Xe（k）+e-j2πk/N·X0（k）。（2）

通過分別計算子信號的DFT，然后將它們組合，可以得到整個信號的DFT。k=8的蝶形計算圖如圖2所示[11]。

3" 支路控制器的硬件實現(xiàn)

3.1" 微控制器芯片和端口布置

微控制器芯片采用GD32F103C8T6，其是GigaDevice公司推出的微控制器芯片，Cortex-M3內(nèi)核，72 MHz主頻，含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、Flash存儲器、SRAM存儲器、時鐘等模塊，包括SPI、I2C、CAN等接口。

根據(jù)功能需求，GD32F103C8T6外圍電路和端口布置如圖3所示。電流互感器CT的小電流接入控制器口，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)小電阻接PA0電流采樣，PA1和PA2為開關(guān)的控制端口，PA5到PA7連接信號指示燈，PA8到PA14為CAN通信口，PB0和PB1控制三位數(shù)碼顯示，PB13到PB15連接3個設(shè)置按鈕。

3.2" 三位數(shù)碼顯示

三位數(shù)碼顯示采用了AiP650 LED驅(qū)動控制芯片。內(nèi)部集成有MCU輸入輸出控制數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED驅(qū)動等電路（圖4）。

AiP650是采用I2C總線與微控制器芯片通信實現(xiàn)顯示控制，I2C只利用一根時鐘線CLK和一根數(shù)據(jù)線DAT構(gòu)建2個器件之間的信息傳遞。微控制器芯片通過I2C向AiP650寄存器寫顯示命令控制數(shù)碼管顯示。為保障穩(wěn)定通信，本文將通信頻率設(shè)在56 kHz以下。

3.3" 按鈕和指示信號

按鈕和指示信號電路非常簡單。

3個按鈕分別為S1、S2、S3。在默認狀態(tài)下斷路器控制器的參數(shù)不能進行修改，只有解鎖之后才可以修改。同時按住S1和S3于3 s以上解鎖。解鎖后第1位數(shù)碼管顯示A。按S2和S3來調(diào)整數(shù)值，S2為+，S3為-。如5 s內(nèi)沒有按鍵操作，恢復(fù)為鎖定狀態(tài)。電路中3個發(fā)光管分別指示為開關(guān)合狀態(tài)、開關(guān)斷狀態(tài)和通信狀態(tài)指示。

3.4" 開關(guān)的控制輸出

開關(guān)的控制輸出是將PA1和PA2的電平信號通過功率管放大后，分別驅(qū)動合閘和跳閘繼電器，繼電器觸點用來輸出對開關(guān)的控制，電路如圖5所示。

3.5" CAN控制電路

CAN控制電路如圖 6所示，本文采用了TJA1042高速CAN收發(fā)器，在CAN FD快速相位下數(shù)據(jù)速率可達5 Mbps，并具有較高的電磁兼容性（EMC）。CAN控制器通過控制雙絞線上的電位差實現(xiàn)差分信號傳送，能實現(xiàn)公里級的單發(fā)單收與廣播通信，一條總線可掛128臺設(shè)備。

圖7顯示了裝配后的硬件實體。

4" 支路控制器的軟件流程

支路控制器軟件的幾個主要模塊流程如圖8—圖10。圖8為主流程，主流程循環(huán)運行的是按鈕檢測、電流采樣和諧波計算、上行心跳和匯報、下行心跳及通信故障指示燈。上行心跳包中含支路電流數(shù)據(jù)供主控節(jié)點分析。如有某次諧波超標(biāo)，主流程也發(fā)起主動上報各次諧波電流分量，主控節(jié)點側(cè)也可發(fā)起查詢，控制器側(cè)的響應(yīng)放在中斷程序中。

將AD轉(zhuǎn)換后的序列進行零漂移校正和數(shù)據(jù)填充，可有效防止頻譜泄漏[12]，然后對輸入序列分成兩半，分別計算它們的DFT。在分治運算的每一個階段，需要執(zhí)行蝶形運算。對于每一對成對的點計算其DFT，并將它們合并成一個點，將計算結(jié)果按照一定的規(guī)則合并成較大的DFT，重復(fù)上述步驟，逐漸形成完整頻域信號即諧波分量。圖 9中對諧波的輸出是采用某次諧波值與基波的比值，因為隨基波幅度的變化，各次諧波幅度也隨之變化，采用比值更符合電能質(zhì)量的要求。

在圖10控制器地址設(shè)置流程中需同時按S1和S3 3 s進入設(shè)置，流程采用了循環(huán)防抖動，N1和N2分別為按鈕S2和S3按下時的檢測次數(shù)，當(dāng)N1或N2大于設(shè)定值A(chǔ)時認為按鈕動作有效，其間的按鈕抖動即導(dǎo)致N1和N2均為0。如5 s內(nèi)沒有按鍵操作即退出流程。

主控節(jié)點定時或根據(jù)需要下行數(shù)據(jù)包，這是控制器最高級別的人工指令。數(shù)據(jù)包包含1字節(jié)長度指令，00表示無指令，01為執(zhí)行合閘，02為執(zhí)行跳閘，03為上報電能質(zhì)量信息。打開控制器側(cè)的CAN通信中斷使能和軟中斷，根據(jù)主控節(jié)點指令進行動作響應(yīng)。主控節(jié)點的定時數(shù)據(jù)包是下行心跳，控制器側(cè)下行定時器的清零在中斷服務(wù)程序中完成，否則主流程將檢查到下行超時而發(fā)出通信故障指示。

5" 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有電流諧波監(jiān)測的總線式支路控制器。該控制器通過對支路采樣電流的頻譜分析實現(xiàn)電流諧波檢測，通過CAN總線實現(xiàn)與主控節(jié)點的通信，以及多個控制器之間的串聯(lián)連接，可在主控節(jié)點的統(tǒng)籌下切斷異常之路，保障用電穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。

該控制器成本低、體積小、接線簡單，為保障電力供給的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量提供了一種解決方案。

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