摘要：以MSP430系列單片機(jī)組成的智能無功補(bǔ)償器具有功耗低、處理功能強(qiáng)大、方便高效的開發(fā)特點(diǎn)，以配電網(wǎng)為補(bǔ)償對(duì)象，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的自動(dòng)跟蹤、存儲(chǔ)和電容器的自動(dòng)投切，并實(shí)現(xiàn)有線和無線通信功能，具有可控性高、配置靈活等特點(diǎn)。
近年來，由于用電負(fù)荷快速增長，對(duì)電網(wǎng)無功要求也與日俱增，這給電網(wǎng)帶來很大的負(fù)擔(dān)和額外線損，為了維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證電能質(zhì)量，研制了應(yīng)用于配網(wǎng)的無功補(bǔ)償控制器，它以FLASH型16位單片機(jī)MSP430F149為控制核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的電壓、電流，并計(jì)算出有功、無功、功率因數(shù)等，根據(jù)晶閘管過零觸發(fā)電容器投切，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)跟蹤和自動(dòng)投切，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析，同時(shí)無線和有線通信方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換，大大提高系統(tǒng)的便捷性和可靠性。
1 MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)
本控制器選用MSP430F149是一款功能強(qiáng)大、性價(jià)比極高的FLASH型超低功能的16位單片機(jī)，主要有以下幾個(gè)部分組成：
CPU內(nèi)核，由16位ALU指令控制邏輯和16個(gè)寄存器組成，運(yùn)行正交的精簡指令集，可以使應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的尋址模式和軟件算法。
12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，具有告訴、通用的特點(diǎn)。可對(duì)8個(gè)外部模擬信號(hào)之一或4個(gè)內(nèi)部電壓之一作轉(zhuǎn)換，具有單通道單次、重復(fù)和序列通道單次、重復(fù)等轉(zhuǎn)化模式。
16位定時(shí)器Timer_A和Timer_B,可支持多個(gè)同時(shí)進(jìn)行的時(shí)序控制，多個(gè)捕獲/比較功能，多種輸出波形，也可以是上述功能的組合。此外，可以對(duì)每個(gè)捕獲/比較模塊獨(dú)立編程。
JTAG標(biāo)準(zhǔn)測試接口便于做片上的在線仿真，固化于Flash存儲(chǔ)器內(nèi)的程序易于在線編程、升級(jí)和調(diào)試。
2 控制器硬件設(shè)計(jì)
控制器由信號(hào)轉(zhuǎn)化電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通訊模塊、投切控制電路模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.1 模擬量取樣與變換電路模塊
模擬量取樣與變換電路主要完成強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)之間的隔離和變換，該電路包括互感器信號(hào)變換電路、電流信號(hào)放大電路、電平提升電路和濾波電路等。其中圖2為電壓互感器的I-U轉(zhuǎn)換圖，該電路將互感器的電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以符合單片機(jī)采樣信號(hào)的要求。
2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
系統(tǒng)記錄電壓、電流、有功、無功、日負(fù)荷最大值、最小值及每次投切操作發(fā)生時(shí)間和操作前電壓、電流、有功、無功等數(shù)據(jù)變化。
2.3 投切控制電路
本投切系統(tǒng)采用雙向反并聯(lián)的晶閘管，當(dāng)電容器在投入或退出運(yùn)行時(shí)，由晶閘管取代接觸器承受強(qiáng)電動(dòng)態(tài)過程的巨大沖擊，當(dāng)動(dòng)態(tài)過程結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，改由接觸器工作，晶閘管退出運(yùn)行，此方法的關(guān)鍵是控制可控硅在電壓過零時(shí)投入。
2.4 通訊模塊
控制器通過通訊模塊實(shí)現(xiàn)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)及有關(guān)信息的上傳和基本參數(shù)、控制命令等的接收。鑒于本無功補(bǔ)償控制器用在電網(wǎng)中，因此本系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信方式，可保證運(yùn)行的安全。
3 控制器軟件設(shè)計(jì)及策略
針對(duì)系統(tǒng)功能多，控制規(guī)律復(fù)雜，數(shù)據(jù)計(jì)算量大，因此，軟件主要采用C語言和匯編語言混合編寫，在一些直接對(duì)硬件的操作中使用了匯編語言，而且將其編為單獨(dú)文件，使程序模塊化，其結(jié)構(gòu)如下。
3.1 數(shù)據(jù)采集模塊
完成控制器所需各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)的采集，其中，MSP430內(nèi)部集成的12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)置參考電平發(fā)生器和采樣保持電路，最大采樣速率達(dá)200 kbit/s�？刂破鲗�(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換通道的0、1通道，分別為A、B相的線電壓，C相的相電流。
3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算模塊
完成各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算工作。10 kV電網(wǎng)采用三相三線制，沒有中性線，且三相基本平衡，因此，數(shù)據(jù)計(jì)算包括電壓、電流、視在功率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率的計(jì)算及濾波算法。
3.3 控制模塊
在數(shù)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種控制操作。首先對(duì)電路的電壓進(jìn)行判斷，以區(qū)別不同電壓區(qū)間所要做出不同的動(dòng)作；對(duì)電路的無功功率進(jìn)行判斷，當(dāng)電路呈感性，電壓處于可投區(qū)時(shí)，啟動(dòng)10 s延時(shí)標(biāo)志，觸發(fā)軟件定時(shí)器計(jì)時(shí)，主程序呈檢測狀態(tài)，并比較以前的狀態(tài)判斷，當(dāng)滿足條件時(shí)，主程序?qū)⑦M(jìn)行投或切電容組判斷，并對(duì)電容器進(jìn)行投切。
3.4 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
完成各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。系統(tǒng)在運(yùn)行狀況自我監(jiān)測的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行后臺(tái)分析，可以用來確定無功補(bǔ)償裝置的性能，分析該地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷量以及負(fù)載變化曲線。其中建立數(shù)據(jù)指針數(shù)據(jù)區(qū)：一部分刷新最近一次的結(jié)束頁指針和結(jié)束buffer的指針，并向指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，完成歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；另一部分向最新的指針數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器區(qū)間中存儲(chǔ)正點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)部分、控制部分、編碼部分和糾錯(cuò)識(shí)別部分等，其系統(tǒng)流程如圖3所示。
3.5 外圍芯片
包括看門狗芯片、時(shí)鐘芯片等。即通過串行總線I2C或SPI實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的讀與寫，并通過MSP430F149芯片內(nèi)集成的FLASH信息存儲(chǔ)器來記錄系統(tǒng)參數(shù)。
4 結(jié)論
該控制器采用高性能單片機(jī)，因其具有豐富的片內(nèi)資源，原始數(shù)據(jù)參數(shù)運(yùn)用FLASH自編程技術(shù)，使外圍擴(kuò)展少，降低成本，減少干擾量，使性能穩(wěn)定。同時(shí)具有無線和有線通信功能。
該控制器應(yīng)用于10 kV配電網(wǎng)中，具有安全的投、切功能，控制器集配電監(jiān)測、無功補(bǔ)償于一體，能夠?qū)Π肽陜?nèi)電網(wǎng)參數(shù)的變化做記錄，可以為電網(wǎng)改造集配電管理提供依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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