基于DSP的低壓無功自動補償控制器的研究與設計

1、2006年第4期儀表技術11基于DSP的低壓無功自動補償控制器的研究與設計康文利,李娟,劉洪偉,張雄華(1.華北電力大學機械工程學院,河北保定071003;2.華北電力大學動力工程學院,河北保定071003)摘要:提出一種采用DSP芯片作為控制核心的控制器,它能自動跟蹤檢測電網(wǎng)的無功功率和電壓,實現(xiàn)無功功率的動態(tài)快速補償,同時,完成對低壓電網(wǎng)的配電監(jiān)測,諧波治理和電能計量等多種功能。關鍵詞:低壓無功補償;數(shù)字信號處理;諧波治理;功率因數(shù)中圖分類號:TM761文獻標識碼:B文章編號:1006-2394(2006)04-0011-022DesignofLow2voltageReactivePowe

2、rCompensationControllerBasedonDSPKANGWen2li,LIJuan,LIUHong2wei,ZHANGXiong2hua2(1.MechanicalEngineeringSchool,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China;2.PowerEngineeringSchool,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)Abstract:Bycomparingandanalyzingdifferentexistinglow2volta

3、gereactivepowercompensationcontrollers,anewlow2voltagereactivepowercompensationcontrollerbasedonDSPisproposed.Thiscontrollercansurveytheworklesspowerandvoltageautomaticallyandachievethefunctionssuchasquickcompensationofworklesspower,supervisionofthelow2voltagegrid,harmoniccontrol,electricitycalculat

4、ionandsoon.Keywords:lowvoltageworklesscompensation;DSP;harmoniccontrol;powerfactor1塊,開關量輸出模塊,。整個控制器的硬件結構原理圖如圖1所示。圖1控制器硬件結構原理圖1.1模擬信號輸入處理模塊此模塊包括電壓電流信號形成回路、信號放大電路、電平提升電路、濾波電路。其作用是將電壓互感器和電流互感器二次輸出的電壓、電流模擬量經過上述環(huán)節(jié)處理成大小與輸入量成正比、相位不失真的模擬量,輸入到DSP的A/D轉換通道進行采樣,將其轉化為計算機能接受與識別的數(shù)字量。此處選用的是電壓互感器SPT204A和電流互感,2mA,額定輸

5、出電流為2mA,使用時要將電壓信號轉變電流信號,調整限流電阻的值,使額定輸入電流接近2mA。SCT254AK是一款精密電流互感器,輸入額定電流為5mA,額定輸出電流為2.5mA。由于TMS320LF2407的A/D輸入的電壓范圍為03.3V,因此系統(tǒng)輸入的信號需經過電平提升后方可進行測量,電平提升電路由加法電路構成。1.2中央控制單元模塊本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407作為主控制器,該芯片是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片,是一款專為控制設計的單片機。處理速度快,達到30MIPS,在晶振頻率為20MHz時,計算一次64點s,是一種特別適合于處理諧的FFT運算用時只有

6、6波分析中經常用到的數(shù)字濾波和傅里葉變換等運算的微處理器。其供電電壓為3.3V,減小了控制器的功耗;片內有高達32K字的FLASH程序存儲器,高達1.5K的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM,和2K字單口RAM;兩個事件管理器模塊EVA和EVB;高性能的10位模數(shù)轉換器的轉換時間為500ns,提供多達16路的模擬輸入;自動看門狗電路等等。根據(jù)采樣定理,采用FFT測量諧波,若要準確測n量2(n=1,2,3)次諧波,則每周波采樣點數(shù)應最少n+1為2個點。若系統(tǒng)的采樣頻率為3200Hz,可準確測收稿日期:2006-03作者簡介:康文利(1961),女,副教授,碩士,主要從事計算機輔助設計與制造、先

7、進制造技術的教學與科研工作。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 12儀表技術2006年第4期量32次諧波量。由互感器得到的電壓電流信號調整到DSP的輸入范圍之內,再經抗混疊濾波電路濾波,輸入到DSP的A/D轉換器中進行采樣和模數(shù)轉換?？够殳B濾波電路的作用是把電力系統(tǒng)的信號進行低通濾波,濾除高頻分量,使輸入DSP進行處理的信號滿足奈奎斯特采樣定律的要求,消除混疊現(xiàn)象,提高FFT的運算精度。1.3開關量輸出模塊本系統(tǒng)采用過零觸發(fā)電路,用過零觸發(fā)芯片MOC3

8、083控制雙向晶閘管,避免了在補償電容器的投入與切除過程中產生的涌流沖擊現(xiàn)象。其示意原理圖如圖2所示。圖3控制器通訊電路流的值計算系統(tǒng)無功功率,并與用戶設定的投入門限、切除門限相比較,再考慮系統(tǒng)電壓幅值情況確定電容器組的投切,投入時刻選擇在電容器電壓與電網(wǎng)電壓極性相同,峰值相同的時刻。按照“在保證電壓不越限的前提下,使變壓器從系統(tǒng)中吸收的無功最小”的原則對電容器組進行控制,能有效改善電壓質量,提高功率因數(shù),降低網(wǎng)絡損耗。其程序框圖如圖4所示。圖2晶閘管無觸兩MOC3083過零觸發(fā)器時晶閘管兩端電壓為零,這時過零觸發(fā)器可輸出觸發(fā)信號,觸發(fā)對應的晶閘管導通,電容器便投入運行。晶閘管導通后兩端電壓接

9、近為零,只要DSP輸出的投入信號存在,過零觸發(fā)器就一直有觸發(fā)信號輸出,保證了晶閘管可靠導通。當DSP輸出的投入信號撤消時,便停發(fā)觸發(fā)信號,晶閘管則在電流過零時關斷,直到DSP下次發(fā)出投入指令才選擇電壓過零點重新投入。1.4通訊模塊及人機交互模塊通訊電路模塊采用驅動芯片MAX232,采用3線傳送方式進行串行通信。MAX232芯片功耗低、集成度高,+5V供電,具有兩個發(fā)送和接收通道。由于TMS320LF2407采用+3.3V供電,在3.3V器件的輸入端加上5V的信號,則5V電源會向3.3V電源充電,持續(xù)的電流將會損壞二極管和其他電路元件。所以在MAX232與TMS320LF2407之間要加上電平匹

10、配電路,采用TI公司提供的典型電平匹配電路。MAX232周圍的電阻主要用于分壓,使輸入到TMS320LF2407的電壓在3.3V左右,電容等一些元件主要用于濾波。這一部分原理圖如圖3所示。2低壓無功補償控制器的軟件設計3總結圖4軟件程序流程圖該裝置上電后,經過一定延時,控制器再開始工作,通過對系統(tǒng)三相電壓、三相電流采樣,根據(jù)電壓、電采用DSP進行控制并采用晶閘管控制投切的無功補償裝置,避免了投切時電網(wǎng)對觸點造成的電流沖擊。使控制器能夠長期穩(wěn)定工作,既能快速地補償無(下轉第15頁)© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publish

11、ing House. All rights reserved. 2006年第4期儀表技術15前的采樣數(shù)據(jù),并發(fā)送1個字節(jié)的標志碼0x06結束通訊。采樣數(shù)據(jù)是12位的二進制數(shù)(04095),分兩個字節(jié)發(fā)送,高6位(H)在前,低6位(L)在后。根據(jù)記錄儀的485通訊協(xié)議,主機向記錄儀發(fā)送點名命令的格式如下:幀ID+記錄儀的地址碼。幀ID的11位地址碼是CAN485MB的地址,記錄儀地址寫在數(shù)據(jù)域的第一個字節(jié),表3所示為環(huán)式爐單的點名命令幀格式。表3環(huán)式爐單的點名命令幀格式幀格式(FF)幀類型(RTR)幀ID1位01位011位0x07次數(shù)小于N,這包數(shù)據(jù)就變成非0值,且每個數(shù)據(jù)都位于對應參數(shù)的量程范

12、圍內,則視這幾次通信受到了干擾,清除計數(shù)器,并將新數(shù)據(jù)賦予對應參數(shù)。正常通信過程中,如果前后兩次通信數(shù)據(jù)的絕對差值在對應參數(shù)的閾值范圍內,則把新數(shù)據(jù)賦予該參數(shù),即更新參數(shù),否則視新數(shù)據(jù)為干擾,保持參數(shù)原值不變。第三類參數(shù)在兩種情況下會出現(xiàn)數(shù)值由很大跳變到0或一個比較小的值,一是受干擾,二是突然拔除熱電偶。因此,采用計數(shù)器和閾值比較法相結合的方式,若傳送的數(shù)據(jù)數(shù)值變化超出了所定閾值范圍,則保持原來的參數(shù)數(shù)值不變,同時用計數(shù)器計數(shù),若連續(xù)N次出現(xiàn)上述情況,可判斷是熱電偶拔除造成的,清除計數(shù)器;若出現(xiàn)上述情況的計數(shù)次數(shù)小于N,則前面的幾次傳送是干擾,更新該參數(shù),計數(shù)器清0。4結束語數(shù)據(jù)長度(DLC)

13、4位1數(shù)據(jù)域Data084主機采用查詢方式接收數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行適當?shù)淖儞Q將通道采樣值轉換為相應參數(shù)的實際值。3數(shù)據(jù)處理石墨電極生產中存在大量的大電流設備(如石墨化車間)、頻繁啟動的機電設備和高噪聲,使網(wǎng)絡的環(huán)境十分惡劣,產生相當強的各種電磁干擾,嚴重影響了網(wǎng)絡的通訊質量和可靠性。有效抗干擾措施外,將參數(shù)對象分為三類:第一類是變化平緩的參數(shù),如溫度;第二類是設備啟動和停機時有突然跳變的參數(shù),如電流、電壓、功率;第三類是特殊參數(shù),如環(huán)式爐的溫度,該溫度參數(shù)變化平緩,但在達到規(guī)定的最大值后,環(huán)式爐停機,讓爐溫自然冷卻,因生產的需要,對應熱電偶溫度傳感器可能會被拔除,此時記錄儀的通道輸入為0,通道采

14、樣值發(fā)生大的跳變。對于第一類參數(shù),利用閾值比較法剔除受干擾的數(shù)據(jù),即計算前后兩次數(shù)據(jù)的絕對差值,將該差值與設定的閾值比較,若小于閾值,則傳送的數(shù)據(jù)有效,否則,傳送的數(shù)據(jù)受干擾而無效,保持原來的參數(shù)值。第二類參數(shù)在設備啟動前和停機后為0,在啟動和停機的短時間內會出現(xiàn)突變,在正常生產過程中變化比較平穩(wěn),一個終端有多個這樣的參數(shù),且這些參數(shù)不會同時為0。根據(jù)這些特征可區(qū)分終端設備是否運行或停機,數(shù)據(jù)在傳送過程中是否受干擾。對第二類參數(shù)采用如下處理方法:將同一個終端的第二類參數(shù)組合在同一個數(shù)據(jù)包。首次通信時,若數(shù)據(jù)在對應參數(shù)的量程范圍內,則把數(shù)據(jù)賦予該參數(shù);若這包數(shù)據(jù)全為0或全小于相應的給定值,則用計

15、數(shù)器計數(shù),如果這包數(shù)據(jù)連續(xù)N次出現(xiàn)這種情況,且發(fā)生在首次通信時,可判斷設備沒有開機,否則,可判斷設備已停機,將相應參數(shù)置0,并清除計數(shù)器;若計數(shù)某炭素企業(yè)的實際運行結果表明,該系統(tǒng)能滿足復雜環(huán)境下大功率石墨電極生產過程實時監(jiān)測的需要,。:1饒運濤,鄒繼軍,鄭勇云.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術M.北京:北京航空航天大學出版社,2003.2北京英華達電力電子工程科技有限公司.用戶操作手冊Z.2002.3基于CAN2bus總線的模擬空調溫/濕度控制系統(tǒng)EB/OL.http:/2004-04-29.4周立功公司.CAN485MB智能協(xié)議轉換器用戶手冊Z.2005.5楊飛,鄭貴林.基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設計J.微型計算機信息,2005,21(7):34-36.(許雪軍編發(fā))(上接第12頁)功功率,滿足電能質量的要求,又能同時監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù),抑制諧波,在目前的電網(wǎng)改造中前途廣大。參考文獻:1汪鍵,趙俊峰.基于80C196單片機的電網(wǎng)參數(shù)數(shù)字測量系統(tǒng)J.微處理機,2002,5(2):55-57.2王見樂