基于MSP430單片機(jī)的智能無功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了用MSP430單片機(jī)構(gòu)成的智能無功補(bǔ)償控制器，詳細(xì)闡述了控制器的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、檢測(cè)原理和控制策略，該控制器具有性能高、價(jià)位低配置靈活等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用和用戶的好評(píng)。
關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；無功補(bǔ)償；智能控制器

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各行各業(yè)對(duì)供電可靠性和供電質(zhì)量提出了更高的要求。由于配電網(wǎng)處于電網(wǎng)的末端，用戶多為低壓用戶，許多用電器的功率因數(shù)很低，且不帶補(bǔ)償裝置，這給電網(wǎng)帶來很大的功率負(fù)擔(dān)和額外線損，為了維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、保證電能質(zhì)量和安全運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)末端變壓器進(jìn)行就地無功補(bǔ)償很有必要。本文利用TI公司的MSP430F149單片機(jī)為核心構(gòu)成的控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電壓、電流，并計(jì)算出有功、無功、功率因數(shù)，根據(jù)用電負(fù)荷情況，通過復(fù)合開關(guān)控制電容器組的自動(dòng)投、切，實(shí)現(xiàn)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，且具有報(bào)警功能。該裝置安裝在電力配電變壓器低壓側(cè)，用于補(bǔ)償配電變壓器無功功率改善配電變壓器的無功潮流，同時(shí)該裝置也具有輔助調(diào)壓的作用。

2 MSP430系列單片機(jī)的特點(diǎn)[1]

德州儀器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位單片機(jī)，特別適合于電池供電場(chǎng)合或手持設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)是"馮-諾依曼"型，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一地址空間內(nèi)，其特點(diǎn)如下：

1、功耗低，電壓范圍寬（1.8V-3.6V），在1MHz 1.8V條件下工作電流僅為160uA，休眠時(shí)為0.1uA，這時(shí)RAM中的數(shù)據(jù)依然能夠有效保持，真正達(dá)到了微安級(jí)。MSP430F14x單片機(jī)具有五種節(jié)能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4，這五種模式為其低功耗管理提供了極好的性能保證。
2、豐富的外圍模塊集成，以MSP430 F149為例，片內(nèi)集成：看門狗定時(shí)器、1個(gè)精確的模擬比較器、2個(gè)具有捕捉/比較寄存器的定時(shí)器、8路12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)串行通信接口、1個(gè)硬件乘法器、6個(gè)I/O端口（每個(gè)有8個(gè)I/O口）、60KB的Flash ROM，2KB RAM 。
3、先進(jìn)的在線編程技術(shù)，所有型號(hào)都包含JTAG（Joint Test Action Group）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口（IEEE1149標(biāo)準(zhǔn)接口），方便進(jìn)行片上在線仿真，固化于Flash存儲(chǔ)器內(nèi)的程序易于在線升級(jí)和調(diào)試。
4、方便用戶使用C（使用ANSI的C）語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，支持匯編語言與C語言的混合編程模式。
總之，MSP430系列單片機(jī)具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊，方便高效的開發(fā)方式。

3 控制器的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

控制器由單片機(jī)、信號(hào)檢測(cè)模塊、輸出控制模塊、復(fù)合開關(guān)、電容器組、鍵盤及LCD顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊和電源模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 信號(hào)檢測(cè)模塊
該模塊主要是采集電網(wǎng)的電壓、電流信號(hào)，電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別來自電壓互感器和電流互感器的輸出端，無須放大直接送至單片機(jī)的A/D輸入端，A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓設(shè)定為+2.5V。

3.2 信息存儲(chǔ)
為了記錄每相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，以及電容器的投、切時(shí)間，投、切次數(shù)等，系統(tǒng)擴(kuò)展了2片AT24C512以保存運(yùn)行參數(shù)。其接口電路為，用單片機(jī)的P2.0/ACLK和P2.1/TAINCLK分別控制其數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL，寫允許WP接地。該裝置可以記錄大約半年的歷史數(shù)據(jù)和歷史信息，歷史數(shù)據(jù)包括每半個(gè)小時(shí)的電壓、電流、功率因素等數(shù)據(jù)。還包括每個(gè)月發(fā)生的最大最小值，調(diào)整次數(shù)及補(bǔ)償電量，歷史信息包括電容器投、切記錄（及其條件）所發(fā)生的運(yùn)行異常信息和主機(jī)運(yùn)行信息等。

3.3 鍵盤和LCD顯示
鍵盤和LCD顯示是進(jìn)行人機(jī)交互的重要手段，為降低成本，縮小控制器的體積，本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤接口，使用多功能鍵，擴(kuò)展4個(gè)按鍵。系統(tǒng)參數(shù)及信息顯示采用點(diǎn)陣式液晶顯示屏，由于要顯示的數(shù)據(jù)較多，本系統(tǒng)采用24064點(diǎn)陣模塊，可同時(shí)顯示4行，每行顯示15個(gè)漢字。由于MSP430F149工作電壓采用+3.3V，而液晶顯示屏工作電壓為+5V，所以在這兩者之間采用74LVC4245進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。液晶模塊具有背光顯示，且具有時(shí)間控制自動(dòng)關(guān)閉功能，以降低功耗、延長(zhǎng)壽命。

3.4 輸出控制
本裝置具有兩種方式與控制開關(guān)連接，硬件接點(diǎn)方式和通訊方式。使用硬件接點(diǎn)方式可以同時(shí)對(duì)8組單相電容器（24個(gè)）及16組三相電容器進(jìn)行控制，使用通訊方式可以控制多組電容器而不受數(shù)量限制，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行最理想的電容器組配置，達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。

電容器的投、切采用復(fù)合開關(guān)控制，即采用雙向可控硅和磁保繼電器雙重控制。采用雙向可控硅可以發(fā)揮零電壓導(dǎo)通、零電流切斷的控制功能，防止了電容器投、切過程中對(duì)電網(wǎng)的浪涌和對(duì)設(shè)備的沖擊，避免在電容器兩端產(chǎn)生過電壓，延長(zhǎng)電容器的壽命。

3.5 遠(yuǎn)程通訊
與主控中心的通訊：主控機(jī)采用通訊協(xié)議與主控中心通訊，主控中心可以把本裝置作為配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)元件輕易地納入到自動(dòng)化控制系統(tǒng)中來，減少了單獨(dú)組網(wǎng)和開發(fā)系統(tǒng)軟件的巨大工作量。通訊協(xié)議采用多功能電能表通信規(guī)約（DL/T 645-1997）。隨本裝置出廠，提供主控器通信口采集軟件一個(gè)，可用于下載數(shù)據(jù)等。

與復(fù)合開關(guān)的通訊：主控機(jī)與各復(fù)合開關(guān)之間采用485通信，各復(fù)合開關(guān)采用+12V供電。下圖2左邊的FHD為單相組復(fù)合開關(guān)接線圖，右邊的兩個(gè)FHS為三相組復(fù)合開關(guān)接線圖。從圖中可以看出，單相組復(fù)合開關(guān)的電容器組只能接成星型連接，而三相組復(fù)合開關(guān)的電容器組可以接成星型連接或三角型連接。

4控制策略
投切控制不以功率因數(shù)為判據(jù)（可以以功率因數(shù)為判據(jù)），因?qū)嶋H補(bǔ)償是通過無功功率的投入來實(shí)現(xiàn)的，所以以無功功率為判據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償更為科學(xué)。為使控制更為合理，依據(jù)低壓側(cè)總無功功率的大小，實(shí)現(xiàn)電容器的自動(dòng)投入和切除。從下圖3可以看出，控制器工作在陰影區(qū)時(shí)控制器不動(dòng)作，當(dāng)不滿足此條件時(shí)，控制器靠投切一定數(shù)量的電容器來滿足此條件，使控制器工作在陰影區(qū)，達(dá)到平衡無功的目的。投切原則：三相優(yōu)先，單相互補(bǔ)；電壓缺相自動(dòng)切除全部電容器；電壓超過設(shè)定值，由小到大逐級(jí)切除電容器；電容器因電壓超限分閘后，再次投入時(shí)，必須具備以下三個(gè)條件：(1)電壓和無功功率滿足投切定值要求，(2)延時(shí)一定的時(shí)間間隔（0～30秒可調(diào)），(3)根據(jù)投切前后的電壓差值，對(duì)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)（PQI）進(jìn)行綜合分析，確保再次投入后不超過上限電壓，并且要有一個(gè)電壓富余值。

5軟件設(shè)計(jì)
軟件采用匯編語言和C語言混合編寫，系統(tǒng)主時(shí)鐘采用8MHz，定時(shí)器定時(shí)625uS產(chǎn)生中斷，在中斷處理中采樣電壓、電流值，每工頻周期采樣32點(diǎn)數(shù)據(jù)。其主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

6結(jié)語

控制器采用了高性能的單片機(jī)，其豐富的片內(nèi)資源，使得外圍擴(kuò)展器件少，體積小，降低了成本，也降低了故障率，減少了設(shè)備的維護(hù)量。能投入最接近的電容器組合，取得較好的補(bǔ)償效果，系統(tǒng)配置靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況，可靈活的配置電容器組數(shù)、各組容量、投切控制方式等，而且電容器組數(shù)不受數(shù)量的限制，使得控制器可滿足不同的系統(tǒng)需求，具有較大的適應(yīng)性。功能齊全，投、切控制安全，控制器集配變監(jiān)測(cè)、無功補(bǔ)償、諧波分析、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳于一體。能夠存儲(chǔ)多達(dá)半年的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障記錄數(shù)據(jù)，可現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程查閱。

參考文獻(xiàn)（References）
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