動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的研究畢業(yè)設(shè)計word資料

畢業(yè)設(shè)計（論文）動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的研究

畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：日期：

目錄摘要 1Abstract 2第一章緒論 31.1無功補(bǔ)償?shù)囊饬x 31.1.1無功功率的分布對電壓有決定性的影響 31.1.2無功功率在線路中的傳輸引起的損耗 31.1.3負(fù)荷無功功率對系統(tǒng)電壓的影響 41.2無功補(bǔ)償原理 41.3無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展現(xiàn)狀 51.3.1無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展 51.3.2當(dāng)前無功補(bǔ)償裝置分類 61.4低壓無功補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn) 81.5無功補(bǔ)償裝置的選擇 8第二章動態(tài)無功無償控制器的硬件設(shè)計 102.1引言 102.2設(shè)計任務(wù) 102.3主電路設(shè)計 122.4主控制器芯片的選取 122.5模擬信號輸入處理單元 142.6LF2407DSP系統(tǒng)模塊 172.7執(zhí)行單元 202.8顯示及通訊電路設(shè)計 21第三章動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的軟件設(shè)計 233.1主程序 233.2電容器投切原則 243.3中斷程序 253.4串行實時時鐘電路讀寫程序 26第四章總結(jié)與展望 28致謝 29參考文獻(xiàn) 30附錄 31摘要本文主要研究了無功補(bǔ)償對電網(wǎng)性能的改善，無功補(bǔ)償裝置的控制方式及原理，和控制器的硬件設(shè)計。在系統(tǒng)硬件上為了滿足比傳統(tǒng)的單片機(jī)控制運(yùn)算速度高，實時性好的特點，采用了16位定點DSPTMS320LF2407作為主控制器。在系統(tǒng)軟件上采用晶閘管控制投切電容器，全數(shù)字化控制，全中文液晶顯示界面實時顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，完全實現(xiàn)了電容器的快速，無弧，無沖擊投切。在投切原則上，與常見的功率因數(shù)控制方案相比較，采用無功功率控制，避免了輕載振蕩。為了實現(xiàn)裝置應(yīng)具有的功能，本文設(shè)計并制作了較為完整的控制電路及其外圍設(shè)備的硬件電路。它們包括觸發(fā)電路、采樣電路、顯示電路及通訊電路等。最后，還介紹了電網(wǎng)諧波對補(bǔ)償裝置的影響，以及裝置在電網(wǎng)諧波含量超標(biāo)時采取的保護(hù)措施。[關(guān)鍵詞]無功補(bǔ)償電力監(jiān)測數(shù)字信號處理器AbstractThepapermainlyincludesthefollowedparts:theamelioratingofthenet'scapabilitybythereactivepowercompensation,thecontrolmethodandprincipleofreactivepowercompensationdeviceandthehardwaredesignofthedevice.Thedevice'shardwarecoreisthe16-bitfixpointDSPTMS320LF2407producedbyTIcorp,whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeedandhighreal-time.Thedevice'ssoftwarecorethyristorasswitchthatconnectcapacitorstomaincircuit,numeralizationcontrol,andChinesemenuLCD.Interfacedisplayingsystem'srun-timeStatusmomentarily.Itactualizesthecapacitor'sspeediness,noarc,nopercussionswitching,andhassuperiorperformance.Mentionofswitchinglaw,controlmethodconsideringreactivepower,comparingwithfamiliarcontrolmethodconsideringpowerfactor,avoidsoscillationontheconditionoflightloading.Inordertorealizesystem'srequiredfunction,thispaperdesignsandrealizescomparativelyintegratemicrocomputercontrolledcircuitanditsperipheralscircuit,includingtriggeringcircuit,samplingcircuit,displayingcircuitandcommunicatingcircuit.Atlast,alsopointsouttheinfluenceofharmonicstothecompensationsystem,andtheprotectmeasurementintheconditionofhighharmonicsonthepowernet.[Keywords]reactivepowercompensationmonitorofelectricpowerwiredigitalsignalprocessor(DSP)第一章緒論1.1無功補(bǔ)償?shù)囊饬x電壓是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。電壓質(zhì)量對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低線路損耗，保證工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低用電損耗等都有直接影響。因此，必須對系統(tǒng)各節(jié)點進(jìn)行監(jiān)視和控制，使電壓水平維持在一個正常范圍內(nèi)。電力系統(tǒng)的各節(jié)點無功功率平衡決定了該節(jié)點的電壓水平，由于當(dāng)今電力系統(tǒng)的用戶中存在著大量無功功率頻繁變化的設(shè)備，如：軋鋼機(jī)、電弧爐、電氣化鐵路等；同時用戶中又有大量的對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有較高要求的精密設(shè)備，如：計算機(jī)，醫(yī)用設(shè)備等。因此迫切需要對系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。1.1.1無功功率的分布對電壓有決定性的影響在不考慮輸電線的對地電容時，從節(jié)點i送到節(jié)點j的功率為P+jQ，節(jié)點i和節(jié)點j的電壓分別為和，節(jié)點i、j之間的支路阻抗為R十jX。節(jié)點電壓的關(guān)系為：(1-1)在超高壓電力系統(tǒng)中，線路電抗遠(yuǎn)大于線路電阻，因而上式可寫成(1-2)電壓還可以寫成：(1-3)式中δ為線路兩端電壓的相位角差。比較(1-2)、(1-3)可以得到：Q=(1-4)由式(1-4)，正常運(yùn)行時輸電線路兩端的電壓的相位角差δ比較小，可以認(rèn)為cosδ=1,這樣線路中傳輸?shù)臒o功功率大小就與線路兩端電壓有效值之差成正比，無功功率將從節(jié)點電壓高的一端流向節(jié)點電壓低的一端。節(jié)點電壓有效值的變化，也將使流經(jīng)線路的無功功率隨之發(fā)生變化。因此電力網(wǎng)中節(jié)點電壓的變化會引起無功功率潮流的變化。而且從上式可以看出，如果從遠(yuǎn)處電源經(jīng)輸電線路向負(fù)荷提供無功功率，會使沿線路各點電壓下降，甚至不能滿足質(zhì)量要求。1.1.2無功功率在線路中的傳輸引起的損耗傳輸無功功率產(chǎn)生的功率損耗為△=[1]，可見經(jīng)電抗傳輸無功時產(chǎn)生的無功功率損耗有兩部分，一部分是因為沿電抗傳輸有功功率(δ>0)，這是不可避免的；另一部分是因為經(jīng)聯(lián)絡(luò)阻抗傳輸了無功功率(>)?？梢姕p少線路無功功率的傳輸可以減少線路的無功功率損耗。從有功功率損耗公式可見，當(dāng)有功功率和無功功率通過網(wǎng)絡(luò)電阻時，會造成有功功率損耗。當(dāng)輸送的有功功率一定時，總的有功網(wǎng)損主要取決于輸送的無功功率的數(shù)值[2]。1.1.3負(fù)荷無功功率對系統(tǒng)電壓的影響在額定電壓附近，負(fù)荷從系統(tǒng)吸收的無功功率隨電壓上升而增加，隨電壓下降而減小,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率缺額，亦即無功電源不能提供足夠的無功功率時，系統(tǒng)所接各負(fù)荷的電壓將下降，減少其向系統(tǒng)吸收的無功功率；當(dāng)系統(tǒng)無功過剩，無功吸收能力不足的情況下，系統(tǒng)電壓將普遍升高，如果利用發(fā)電機(jī)進(jìn)相吸收無功功率，當(dāng)吸收無功超過其最大吸收能力時，可能會引起系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定[3]。1.2無功補(bǔ)償原理配電網(wǎng)中負(fù)荷無論是工業(yè)負(fù)荷還是民用負(fù)荷,大部分是感性負(fù)荷。運(yùn)行時需從電網(wǎng)吸收大量無功功率,致使電網(wǎng)功率因數(shù)、電能質(zhì)量降低,電網(wǎng)“技術(shù)損耗電能”增加。電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置后,可以減少電源向感性負(fù)荷經(jīng)由輸電線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動,故可以降低輸電線路和變壓器因輸送無功功率而造成的電能損耗,從而提高電網(wǎng)功率因數(shù)、減少線損、電能質(zhì)量得到明顯改善。電網(wǎng)中感性負(fù)荷等效電路可看作電阻R和電感L串聯(lián)的電路,功率因數(shù)cosΦ=式中X=WL將R、L串聯(lián)電路與電容C并聯(lián)之后,電路見圖1-a,該電路電流方程為:=+a)（補(bǔ)償電路）b)相量圖(欠補(bǔ)償)c)相量圖(過補(bǔ)償)圖1-1并聯(lián)電容補(bǔ)償無功功率的電路和向量圖由圖1-b的相量圖可知,并聯(lián)電容后,電壓與的相位差變小,即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流的相位滯后電壓,這種情況稱欠補(bǔ)償;若電容C的容量過大,使供電電流的相位超前于電壓,這種情況稱為過補(bǔ)償,其向量圖如1-c所示。這會引起變壓器二次側(cè)電壓抬升;電容器溫升高,電容器本身的功率損耗增大,電容器使用壽命縮短;容性無功在線路上傳輸也會增加電能損耗。故此種情況應(yīng)避免。1.3無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等，圖1-2所示為一種最簡單的無功補(bǔ)償。圖1-2中，M代表需要滯后無功功率的用電設(shè)備，和C是用于向M提供無功的無功補(bǔ)償裝置。當(dāng)閉合使M運(yùn)行時，M從電網(wǎng)吸取有功功率和無功功率。為減少電網(wǎng)中的無功水平，我們將閉合，用C中的超前電流補(bǔ)償M中的滯后電流，完成無功補(bǔ)償任務(wù)。由于C的補(bǔ)償容量是固定的，它不能隨著實際無功的變化而變化。因此，它適用于無功變化不大的場合。圖1-2最簡單的無功補(bǔ)償?shù)趯嶋H用電系統(tǒng)中，無功往往變化很大，圖1-2所示的補(bǔ)償裝置顯然無法滿足要求。由于并聯(lián)電容器阻抗固定，不能動態(tài)的跟蹤負(fù)荷無功功率的變化：而調(diào)相機(jī)和同步發(fā)電機(jī)等補(bǔ)償設(shè)備又屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無功補(bǔ)償。所以這些設(shè)備已經(jīng)越來越不適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。20世紀(jì)70年代以來，隨著研究的進(jìn)一步加深出現(xiàn)了一種靜止無功補(bǔ)償技術(shù)(StaticVarCompensation)。這種技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過程。所謂靜止無功補(bǔ)償是指用不同的靜止開關(guān)電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能[4]。圖1-3實用的無功補(bǔ)償裝置圖1-3所示電路中，當(dāng)無功變化時，控制器檢測到該變化，就根據(jù)該變化控制補(bǔ)償電容器組的投切，達(dá)到按實際需求的無功量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪康?。無論是圖1-2電路還是圖1-3電路，電容器組的投切都是靠開關(guān)(i=1,2,3,…,n)來完成的，目前這種靜止開關(guān)主要分為兩種，即斷路器或電力電子開關(guān)。斷路器開關(guān)由于受器件固有特性的限制，在控制器檢測到無功的變化需要投入或切除補(bǔ)償電容器組時，開關(guān)速度較慢，約為10-30ms，不能快速跟蹤負(fù)載無功功率的變化，而目前投切電容器時常會引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣在需要頻繁投切時，不但易造成接觸點燒焊，而且使補(bǔ)償電容內(nèi)部擊穿，所受應(yīng)力大，維修量大。因此，采用斷路器作為開關(guān)的靜止無功補(bǔ)償裝置也只適合于負(fù)荷變化不大，即相對穩(wěn)定的情況。為了能快速跟蹤補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功變化，在現(xiàn)代電力電子器件和數(shù)字控制技術(shù)的支持下，具有瞬時投切能力的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)運(yùn)而生[5]。1.3.2當(dāng)前無功補(bǔ)償裝置分類隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無觸點開關(guān)SCR、GTR、GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)速度可以提高500倍(約為10μs)，對任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補(bǔ)償都可以在一個周波內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單向調(diào)節(jié)[6]?，F(xiàn)今所指的無功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要有以下三大類型：一類是具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置(SR：SaturatedReactor)；第二類是晶閘管控制電抗器(TCR：ThyristorControlReactor)；第三類是晶閘管投切電容器(TSC：ThyristorSwitchCapacitor)，后兩類裝置統(tǒng)稱為SVC(StaticVarCompensator)[7]。以下對此三類無功補(bǔ)償技術(shù)逐一介紹。1.具有飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置(SR)飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補(bǔ)償裝置是依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā)出或吸收無功功率的大小[8]?？煽仫柡碗娍蛊魍ㄟ^改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進(jìn)一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的無功補(bǔ)償裝置屬于第一批補(bǔ)償器[9]。但是由于這種裝置中的飽和電抗器造價高，約為一般電抗器的4倍，并且電抗器的硅鋼片長期處于飽和狀態(tài)，鐵心損耗大，比并聯(lián)電抗器大2～3倍，另外這種裝置有振動和噪聲，而且調(diào)整時間長，動態(tài)補(bǔ)償速度慢，由于具有這些缺點，所有飽和電抗器的無功補(bǔ)償器目前應(yīng)用的比較少，一般只在超高壓輸電線路才有使用。2.晶閘管控制電抗器兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖1-4所示。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網(wǎng)中相當(dāng)于交流調(diào)壓器電路接電感性負(fù)載，此電路的有效移相范圍為90～180。當(dāng)觸發(fā)角α=90時，吸收的無功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系式可知,增大觸發(fā)角即可增大補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就會減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的效果。圖1-4TCR型補(bǔ)償器原理圖圖1-5TSC型補(bǔ)償器原理圖在工程實際中，可以將降壓變壓器設(shè)計成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨(dú)接入一個變壓器，也可以不裝設(shè)斷路器。電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經(jīng)過較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當(dāng)?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進(jìn)一步降低無功補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波[10]。由于單獨(dú)TCR只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用構(gòu)成無功補(bǔ)償器。根據(jù)投切電容器的元件不同，又可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器(TCR+FC)和TCR與斷路器投切電容器配合使用的靜止無功補(bǔ)償器(TCR+MSC)。這種具有TCR型的補(bǔ)償器反應(yīng)速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用最為廣泛[11]。由于固定電容器的TCR+FC型補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償范圍從感性范圍延伸到容性范圍是要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收較小的無功電流時，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無功電流，只是相互抵消而已。TSC+MSC型補(bǔ)償器通過采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點。3.晶閘管投切電容器(TSC)為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應(yīng)運(yùn)而生。其單相原理圖如圖1-5所示。兩個反并聯(lián)的晶閘管只是將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)的小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時可能產(chǎn)生的沖擊電流?，F(xiàn)在普遍把這種可以快速補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率的晶閘管投切電容器的無功補(bǔ)償裝置叫做動態(tài)無功補(bǔ)償器。TSC用于三相電網(wǎng)中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對稱網(wǎng)絡(luò)采用星形連接，負(fù)荷不對稱網(wǎng)絡(luò)采用三角形連接。不是希望電容器級數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，一般用K-1個電容值為C的電容和個電容值為C/2的電容組成2K級的電容組數(shù)[12]。TSC的關(guān)鍵技術(shù)問題是投切電容器時刻的選取。經(jīng)過多年的分析與實驗研究，其最佳投切時間是晶閘管兩端的電壓為零的時刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時刻[13]。此時投切電容器，電路的沖擊電流為零。這種補(bǔ)償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預(yù)先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。TSR補(bǔ)償器可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分得足夠細(xì)化，基本上可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)[14]。1.4低壓無功補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)低壓無功補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)模式主要有以下三種：裝于低壓電動機(jī)的單臺就地補(bǔ)償；裝于配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償箱；裝于企業(yè)配電房或車間以及高層建筑樓層配電間的自動補(bǔ)償柜（如PGJ柜等）。低壓補(bǔ)償箱和補(bǔ)償柜的技術(shù)改進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用歸納起來主要有以下幾方面。1）由三相共補(bǔ)到分相補(bǔ)償，以求達(dá)到更理想的補(bǔ)償效果。2）由單一的無功補(bǔ)償?shù)酵瑫r具有濾波及抑制諧波功能的補(bǔ)償裝置。3）從采用交流接觸器進(jìn)行通斷，到選用晶閘管開關(guān)電路通斷，發(fā)展為等電壓接通、零電流分?jǐn)嗟淖罴淹〝嗄Ｊ健?）智能型自動補(bǔ)償控制器和配電變壓器的運(yùn)行記錄儀相結(jié)合。5）將低壓補(bǔ)償?shù)墓δ芗{入箱式變電站或美式箱式變電站的低壓部分。6）采用不銹鋼或航空鋁板的箱體，具有防寒、防曬、密封、防潮和防銹的特點。7）選用干式或充SF6的自愈式并聯(lián)電容器，提高運(yùn)行可靠性，延長使用年限。1.5無功補(bǔ)償裝置的選擇從當(dāng)前無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展來看，目前廣泛應(yīng)用的幾種無功補(bǔ)償裝置，即第二節(jié)所介紹的幾種無功補(bǔ)償裝置，從控制投切裝置的不同來看可以分為兩類：一類是采用斷路器開關(guān)來控制；一類是采用晶閘管控制。這兩類無功補(bǔ)償裝置的特點在上一節(jié)中也有所介紹，總起來說采用晶閘管控制投切的無功補(bǔ)償裝置在性能上比采用斷路器開關(guān)的無功補(bǔ)償裝置好，它動作時間短，通常能在一個周波(即20ms)內(nèi)動作；動作時無火花，更安全可靠，壽命長。而斷路器開關(guān)費(fèi)用上又優(yōu)于晶閘管，因此在工程應(yīng)用上也并沒有被晶閘管開關(guān)完全取代。這兩種裝置的特性比較見表1-1：表1-1斷路器開關(guān)與晶閘管開關(guān)控制投切的無功補(bǔ)償裝置性能比較斷路器開關(guān)控制晶閘管控制投切性能有火花壽命短無火花壽命長動作時間長(約幾十毫秒)短(約幾十微秒)適應(yīng)的負(fù)荷相對穩(wěn)定的負(fù)荷可補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷電壓穩(wěn)定性電壓有波動通過控制投切時間，可消除電壓波動價格低高任何一種智能無功補(bǔ)償裝置，都需要個控制器來完成電網(wǎng)參數(shù)的測量計算，控制電容組的投切。以斷路器作開關(guān)元件的無功補(bǔ)償裝置，控制器發(fā)出的是接點信號，控制接觸器的吸合或斷開。以晶閘管作開關(guān)元件的無功補(bǔ)償裝置，控制器器發(fā)出的是晶閘管的觸發(fā)信號。第二章動態(tài)無功無償控制器的硬件設(shè)計2.1引言目前，無功補(bǔ)償裝置已在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。無功電源與有功電源一樣是維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、保證電能質(zhì)量和安全運(yùn)行必不可少的[15]。電網(wǎng)中存在的無功功率有感性的和容性的兩種，由于一般的電網(wǎng)中負(fù)載多為感性，如：異步電機(jī)，變壓器等，傳統(tǒng)的就地?zé)o功補(bǔ)償裝置是通過單片機(jī)進(jìn)行控制實現(xiàn)電容器組的投切。但是，電網(wǎng)中存在諧波時，投切電容有可能發(fā)生電容把高次諧波量放大，更為嚴(yán)重的是如果電容與電網(wǎng)中的感性負(fù)載在某次諧波恰好發(fā)生諧振，電網(wǎng)電壓、電流有可能被無限放大，造成的后果不堪設(shè)想。因此，在無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r，對電網(wǎng)中的諧波量進(jìn)行測量和消除是非常重要的，且對系統(tǒng)的無功進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償也建立在對系統(tǒng)各項參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上。然而，傳統(tǒng)的單片機(jī)作為控制器的系統(tǒng)由于受硬件資源與速度的限制，采樣精度不高，每周波的采樣點少，只自出選擇計算量小的算法，結(jié)果限制了測量的精度。故本系統(tǒng)采用DSPTMS320LF2407作為總控制器，指令速度很決，達(dá)30MIPS,更加適合于處理多數(shù)據(jù)、運(yùn)算量大的系統(tǒng)[16]。同時具有強(qiáng)大的控制功能，因此使用TMS320LF2407作內(nèi)核帶電力監(jiān)測的低壓智能無功補(bǔ)償裝置能更好的滿足實時性和精確性的要求。2.2設(shè)計任務(wù)1.輸入模擬量(1)工作電壓及輸入電壓模擬量額定工作電源電壓及額定電壓模擬量220V或380V20%，電源正弦波形，總畸變率不大于5%。(2)輸入電流模擬量額定輸入電流模擬量：5A50Hz輸入端輸入阻抗：不大于0.22.測量及顯示精度(1) 電壓各相電壓0.5%(2) 電流各相電流0.5%(3) 有功功率各相及總和1.0%(4) 無功功率各相及總和1.0%(5) 視在功率各相及總和1.0%(6) 頻率1.0%(7) 功率因數(shù)1.0%3.控制要求(1) 控制靈敏度不大于0.2A(2) 過電壓保護(hù)應(yīng)在105%～120%之間可調(diào)，動作回差6-12V(3) 延時時間10～120s可調(diào)(4) 過電壓分段總時限不大于60s(5) 投切動作時間間隔不小于300s(6) 斷電后所有數(shù)據(jù)保持時間不小于72h4.功能要求(1)功能設(shè)置要求1) 能實現(xiàn)三線對稱補(bǔ)償和分相補(bǔ)償組合2) 投入、切除門限設(shè)定值3) 延時設(shè)定值4) 過壓保護(hù)設(shè)定值5) 諧波超值保護(hù)設(shè)定值6) 面板功能鍵操作應(yīng)具有容錯功能7) 面板設(shè)置應(yīng)具有硬件或軟件閉鎖功能(2)顯示功能1) 工作電源工作顯示2) 超前、滯后顯示3) 輸出回路工作狀態(tài)顯示4) 過壓保護(hù)動作顯示5) 控制器應(yīng)具有電網(wǎng)即時運(yùn)行參數(shù)及設(shè)定值調(diào)顯功能6) 控制器應(yīng)具有監(jiān)測或統(tǒng)計數(shù)據(jù)調(diào)顯功能7) 諧波超值保打動作顯示8) 手動、自動指示顯示(3)延時及加速功能:輸出回路動作應(yīng)具有延時及過電壓加速動作功能。(4)程序投切功能:手動或自動投切選擇，自動狀態(tài)時應(yīng)具有自動循環(huán)投切。(5)自檢復(fù)歸功能:控制器每次接通電源應(yīng)進(jìn)行自檢并復(fù)歸輸出回路(即輸出回路處在斷開狀態(tài))。(6)投切振蕩閉鎖:在輕負(fù)荷時，控制器應(yīng)有防止投切振蕩的措施。(7)閉鎖報警:當(dāng)系統(tǒng)電壓大于或等于一定值(該值可調(diào))，閉鎖控制器投入回路；投切器內(nèi)部發(fā)生故障時，閉鎖輸出回路并報警；執(zhí)行回路發(fā)生異常時，閉鎖輸出回路并報警。(8)數(shù)據(jù)傳輸:用中間體(如抄表器)抄錄實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用RS-232接口X485接口。2.3主電路設(shè)計帶電力監(jiān)測的智能無功補(bǔ)償裝置的總電路圖如圖2-1所示。圖2-1帶電力監(jiān)測的無功補(bǔ)償裝置的總電路圖該裝置上電后，經(jīng)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、電流的值計算系統(tǒng)無功功率，并與用戶設(shè)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，投切命令輸入到觸發(fā)電路，由觸發(fā)電路控制晶閘管在電壓正向峰值時投入電容器，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(jìn)行控制，能有效改善電壓質(zhì)量，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)損耗?？紤]系統(tǒng)的復(fù)雜性及經(jīng)濟(jì)性，電容器分組采用二進(jìn)制方案，即采用（K-1）個電容值均為C的電容和一個電容值為(C/2)的電容，這樣的分組可使組成的電容值有2K級。最小電容量那一路作為單位電容量，它的大小決定了補(bǔ)償精度。本系統(tǒng)由TMS320LF2407DSP控制，實時監(jiān)測電力系統(tǒng)無功功率和電壓并跟蹤系統(tǒng)無功功率的大小，采用晶閘管投切并聯(lián)電容器組的無功功率補(bǔ)償裝置。該裝置因響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好，所以能實現(xiàn)對決速變化的無功進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。該裝置具備完整的顯示控制保護(hù)功能。根據(jù)需要可顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負(fù)載電流、無功功率等值。并可實時在線設(shè)置投入門限、切除門限、過壓值、欠壓值、延時值等參數(shù)。能延時可調(diào)、過壓自動切除，能有效地提高功率因數(shù)改善電壓質(zhì)量、降低電能損耗、消除電壓波動、濾除高次諧波，抑制電壓閃變，減少電壓不平衡，可廣泛應(yīng)用低壓配電系統(tǒng)及工礦企業(yè)，是老式補(bǔ)償裝置理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。2.4主控制器芯片的選取本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407作為主控制器，主要是考慮諧波測量的準(zhǔn)確性與無功補(bǔ)償是不可分割的。該芯片是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片，是一款專為控制設(shè)計的單片機(jī)。處理速度很決，達(dá)到30MIPS，在晶振頻率為20MHz時，計算一次64點的FFT運(yùn)算用時只有611s,特別適合于處理諧波分析。用到的數(shù)字濾波和傅立葉變換等運(yùn)算的微處理器。同時它又具有低成本、低功耗、高性能的處理能力[17]。TMS320LF2407DSP結(jié)構(gòu)上的特點有以下幾個方面：1. 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力。2. 片內(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器，高達(dá)1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。3. 兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。他們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反向器控制；PWM的對稱和非對稱波形；3個捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道A/D轉(zhuǎn)換器控制。4. 可擴(kuò)展的外部存儲器總共192K字：64K字程序存儲器；64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器；64KI/O尋址空間。5. 看門狗定時器模塊(WD1)。6. 高性能10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)的轉(zhuǎn)換時間為500ns，提供多達(dá)16路的模擬輸入，具有自動排序功能，可以同時采集最多16路的模擬信號，克服了MCS196單片機(jī)不能同時采樣多路信號的缺點。7. 控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊。8. 串行通信接口(SCI)。能與系統(tǒng)中的其他控制器進(jìn)行異步通信(RS232)。9. 16位的串行外設(shè)接口模塊(SPI)。10. 基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。11. 高達(dá)40多個可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引角(GPIO)。方便擴(kuò)展外設(shè)，滿足多數(shù)控制對像輸入輸出的需求。同時，它還具有一些特別適用于進(jìn)行大量數(shù)字信號處理的特點：1. 哈佛結(jié)構(gòu)：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址；取指和執(zhí)行重疊進(jìn)行；結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，高速緩存，高度并行，大大提高了運(yùn)算速度。2. 硬件乘法器：乘法是DSP的重要組成部分。乘法的速度越快，DSP處理器的性能就越高。它能實現(xiàn)單指令乘加運(yùn)算和變址運(yùn)算。3. DSP指令：DSP芯片采用特殊的指令。它將多條指令進(jìn)行壓縮，如指令功能壓縮和指令周期縮短(200ns降到20ns以下)，可以在一個指令周期內(nèi)執(zhí)行多條指令，提高了處理器的速度。4. 流水線：四級流水線；并行處理；取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行同時進(jìn)行。5. 在芯片內(nèi)設(shè)置了專門的硬件數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ?。因頻譜分析的基礎(chǔ)是FFT，從而加快了頻譜分析的過程。綜合這幾方面原因，采用F2407做主控制器，既能滿足作為控制器的功能，它突出的計算能力又能快速準(zhǔn)確的分析諧波量，在諧波量超標(biāo)的情況下，停止投入電容器，防止了重大事故的發(fā)生。2.5模擬信號輸入處理單元此模塊包括電壓電流信號形成回路、低通濾波回路(ALF)、基準(zhǔn)電壓(VBASE)形成回路、同步方波形成回路。此模塊的作用是將電壓互感器(YH)和電流互感器(LH)二次輸出的電壓、電流模擬量經(jīng)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(zhuǎn)換通道進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能接受與識別的數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。根據(jù)采樣定理，采用FFT測量諧波，若要求準(zhǔn)確測量2(n=1,2,3…)次諧波，則每周波采樣點數(shù)應(yīng)最少為2個點?？紤]DSP的數(shù)字處理能力突出，適于進(jìn)行線性運(yùn)算的特點，以及測量精度的要求，取系統(tǒng)的采樣頻率為3200Hz，即每周波采樣64點，可準(zhǔn)確測量32次諧波量。信號調(diào)理電路包括信號衰減和模擬抗混疊濾波器。由互感器得到的電壓電流信號線性衰減成能輸入DSP的量程范圍，再經(jīng)抗混疊濾波器濾波，輸入DSP的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換?？够殳B濾波器的作用是把電力系統(tǒng)的信號進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量，使輸入DSP進(jìn)行處理的信號是滿足奈奎斯特采樣定律()要求的信號，消除混疊現(xiàn)象，提高FFT的運(yùn)算精度。1.電流信號形成回路電流互感器T1,T2和T3的原邊電流,為0～5A，互感器CT，變比為12500/1，則，其中為交流地，對應(yīng)的直流電平為1.65V。圖2-2電流信號形成回路2.電壓信號形成回路電壓互感器的變比為1:1,原邊電阻相對于110K可以忽略，因此。圖2-3電壓信號形成回路3.ALF低通濾波電路圖中Dl,D2將輸出信號鉗制在0-3.3V，保證輸入LF2407A/D轉(zhuǎn)換口的電壓在0～3.3V之間，以保證其AD轉(zhuǎn)換的正常工作。圖2-4ALF低通濾波電路令R40=R41=R,C40=C41，R42=R,R43=R2,則：，其中,將數(shù)據(jù)帶入上式，可以算出截止頻率為。由于需計算到工頻信號的30次諧波，即需對50x30=1500Hz的信號進(jìn)行準(zhǔn)確測量，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，系統(tǒng)的采樣頻率為周波采樣64點，采樣頻率，因此輸入DSP的信號最高頻率應(yīng)為，即低通濾波器應(yīng)將大于1600Hz的信號濾除。根據(jù)計算結(jié)果看出此低通濾波器能滿足要求。系統(tǒng)放大增益。濾波電路輸入信號為1.65士0.02V的正弦信號，輸出為1.65士1.5V的正弦信號LF2407的A/D輸入應(yīng)在0～3.3V之間，濾波放大電路的輸出能夠滿足DSP的要求。4.基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生回路選用LM117產(chǎn)生穩(wěn)壓電路。輸出。將數(shù)據(jù)代入得。圖2-5基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生回路5.同步方波產(chǎn)生回路圖2-6同步方波產(chǎn)生回路為模擬信號經(jīng)過低通濾波之后的信號，運(yùn)放起了電壓比較的作用，VAPULSE為0～3.3V的方波信號，送入DSP的捕捉引角，通過DSP的定時器測出兩個上升沿之間的時間，即通過測出正弦信號過零點之間的時間,而得出電網(wǎng)信號的周期。再由采樣點數(shù)計算出采樣頻率，以保證同步采樣，消除非同步采樣引起的頻譜泄漏，保證測量精確性。6.模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模數(shù)轉(zhuǎn)換器我們采用LF2407自帶的帶內(nèi)置采樣和保持的A/D轉(zhuǎn)換器，具有10位精度，轉(zhuǎn)換速度最快達(dá)到500ns，并且可以同時采樣16路信號。有多個觸發(fā)源可以啟動AD轉(zhuǎn)換，包括軟件啟動、EVA，EVB和外部觸發(fā)(ADCSOC)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的排序器包括兩個獨(dú)立的最多可選擇8個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器(SEQI和SEQ2)，這兩個排序器可被級聯(lián)成個最多可選擇16個轉(zhuǎn)換模擬通道的排序器(SEQ)。在這兩種工作方式下，ADC模塊都能夠?qū)σ恍蛄修D(zhuǎn)換進(jìn)行自動排序。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器中，這樣用戶可以對同一個通道進(jìn)行多次采樣，即對某一通道實行“過采樣”，這樣得到的采樣結(jié)果比傳統(tǒng)的采樣結(jié)果分辨率高。2.6LF2407DSP系統(tǒng)模塊該模塊包括LF2407DSP電路，存儲器(SRAM)電路，電源保護(hù)電路，上電復(fù)位電路和串行實時時鐘電路。1.TMS320LF2407電路LF2407DSP是哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分別尋址，可以實現(xiàn)同時尋址。LF2407具有16位數(shù)據(jù)線和16位地址線。2407的指令執(zhí)行速度為30MIPS，外部時鐘選擇10MHz的石英晶振，再通過內(nèi)部2倍頻得到20MHz的工作頻率。ADCIN00～ADCIN5為AD轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入，其中ADCIN00,ADCINI、ADCIN2為三相電壓輸入，ADCIN3,ADCIN4,ADCIN5為三相電流量輸入，將三相電壓電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。雙向IO口PC0～7和PE6,PE7作為控制量(數(shù)字量)輸出和數(shù)字信號輸入接口，既可以用來輸出控制晶閘管導(dǎo)通的控制信號，又可以作為晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)輸入接口。SCITXD和SCIRXD接口作為通訊線，CAP1為事件管理器1的捕捉引角，用來捕捉方波信號的上升沿，從而測量電網(wǎng)信號的周期。IO口PA4～7作為控制器狀態(tài)顯示，分別代表通訊自動、諧波超值保護(hù)、故障、通訊狀態(tài)。2.存儲器電路LF2407自帶32K的Flash，外部可擴(kuò)展64K數(shù)字存儲器和64K程序存儲器。將2407的引角接地，即2407工作在微控制器方式下，即從內(nèi)部程序存儲器(FLASHEEPROM)的0000h開始程序執(zhí)行，外部擴(kuò)展的存儲器地址分配到8000h開始的地址空間。DS-和PS-分別接2407的DS和PS引角，它們分別為數(shù)據(jù)空間選通引角和程序空間選通引腳，當(dāng)它們?yōu)榈碗娖綍r，分別表示選通數(shù)據(jù)空間和程序空間。選用的外部存儲器為CYPRESS公司的CY7C102l，是64K×l6SRAM。其中32K空間擴(kuò)展為程序存儲器，32K空間擴(kuò)展為數(shù)據(jù)存儲器。A0～A14為地址線的低15位，A15接DS-，即SRAM的0000h-7FFFh為數(shù)據(jù)空間，8000h-FFFFh為程序空間。圖2-7存儲器電路3.時鐘電路圖2-8時鐘電路無源晶振采用10MHZ，經(jīng)內(nèi)部時鐘定位(PLL)2倍頻得到2407的主頻為20MHz。PLL采用外部濾波環(huán)電路來消除抖動。如圖2-9所示，濾波環(huán)由C41,C42和R14[18]組成，與2407接口為PLLF和PLLF2。4.電源管理電路圖2-9電源管理電路電源監(jiān)控芯片選擇了TI公司的TPS7333Q，此芯片可將5V電壓轉(zhuǎn)換成DSP需要的3.3V電平，并有電平監(jiān)控的功能，當(dāng)OUT腳輸出電平小于2.9V時，RESET就輸出200ms的低電平以重啟DSP[19]。本系統(tǒng)共有4種不同的電平，+12V、-12V,+5V和+3.3V。它們都由220V電壓供電，由變壓器輸出+12V、-12V,+5V三種不同的電平信號，再由7912和7812穩(wěn)壓輸出+12V和-12V電平；LM2576-5穩(wěn)壓輸出+5V電平；TPS7333將+5V電平轉(zhuǎn)換為+3.3V電平輸出提供DSP系統(tǒng)需要。5.串型實時時鐘電路由于無功補(bǔ)償控制器要有歷史記錄，所以在系統(tǒng)中必須有實時時間基準(zhǔn)，即時鐘芯片。在這里，我們選用的是PCF8583，其特點如下所述。PCF8583為帶總線接口的日歷時鐘芯片，其中還有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，由于作為日歷時鐘器件配有電池供電，可作為RAM的保護(hù)電源，故256字節(jié)的RAM可視為非易失性RAM。PCF8583具有寬的工作電壓范圍(2.5-6V)；RAM的數(shù)據(jù)保持電源電壓范圍1V-6V；最大工作電流150μA()：24或12小時格式，時基32.768kHz或50Hz；具有可編程的鬧鐘、定時和中斷功能。由于TMS320LF2407沒有專用的時序引腳，所以本設(shè)計用軟件來模擬總線時序，實現(xiàn)了串行日歷時鐘芯片PCF8583與DSP芯片的接口電路及應(yīng)用。其中PCF8583的SCL、SDA分別接F2407的IOPF0和IOPF1引腳。如圖2-11所示，為串型實時時鐘芯片接線圖。由于DSP用3.3V供電，電池為3.6V，所以設(shè)計中采用了三個二極管解決在掉電情況下電池只對PCF8583供電，而在不掉電情況下PCF8583由3.3V供電，而且電池處于浮充狀態(tài)。圖2-10串行實時時鐘芯片接線圖2.7執(zhí)行單元由于傳統(tǒng)機(jī)械觸頭動作速度與工頻電壓和電流的變化速度不匹配，在投切過程中由于電容器極性的存在產(chǎn)生涌流，難以實現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化運(yùn)行，且經(jīng)常發(fā)生過補(bǔ)償。本系統(tǒng)選用晶閘管控制投切電容器，可以10ms的速度將補(bǔ)償投入電網(wǎng)，并嚴(yán)格控制在各相電壓最高點時合閘，無涌流沖擊。只在電流過零時刻切除，防止產(chǎn)生過電壓?？梢灶l繁投切，不損壞電容器。晶閘管的觸發(fā)脈沖由專門的觸發(fā)電路提供，嚴(yán)格保證相序正確。設(shè)有觸發(fā)延時可調(diào)控制，具備循環(huán)投切功能[20]。1.驅(qū)動電路本系統(tǒng)中采用了先進(jìn)的過零觸發(fā)電路，以電壓過零型光渦雙向晶閘管取代了由分立元件組成的功放電路及脈沖變壓器等脈動環(huán)節(jié)，簡化了觸發(fā)控制電路的結(jié)構(gòu)：同時，由于無需考慮與系統(tǒng)電壓的同步問題且控制電路與主電路實現(xiàn)了光電隔離，因而提高了裝置的可靠性。本文中采用MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3083芯片設(shè)計三相晶閘管觸發(fā)電路，動態(tài)響應(yīng)時間小于20ms。圖2-11給出的是單相觸發(fā)電路。圖2-11單級觸發(fā)電路示意圖從理論上講，為了使補(bǔ)償電容器的投入與切除過程中不引發(fā)主電路的涌流沖擊，即在這一過程中當(dāng)電容器上的電流始終保持整周期流動而沒有過渡過程，必須滿足以下3個條件，即保持準(zhǔn)備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負(fù)峰值；投入選擇在電網(wǎng)線電壓和電容器上的電壓極性相同、峰值相等的時刻；切除時只要撤銷觸發(fā)信號即可，開關(guān)在電流過零之后會自行關(guān)斷。由于光耦雙向晶閘管的內(nèi)部帶有過零檢測電路，因此由它組成的SCR觸發(fā)電路能夠在不附加同步電路的情況下實現(xiàn)上述補(bǔ)償電容器的無過渡過程投切。2.晶閘管的選擇晶閘管的電壓值選擇要考慮電網(wǎng)上的電壓，一般按式(2-1)選擇：(2-1)式中為電壓裕度，一般選擇1.1～1.2；為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，一般選擇1.15；U為電網(wǎng)電壓。晶閘管電流值一般按式(2-2)選擇：(2-2)式中C為電容量(μF)。2.8顯示及通訊電路設(shè)計本系統(tǒng)采用液晶顯示測量結(jié)果，并由鍵盤輸入命令，液晶顯示和鍵盤都是由F2407的通用I/O口擴(kuò)展。當(dāng)有鍵按下時會產(chǎn)生外部中斷，DSP執(zhí)行中斷程序，即鍵盤掃描和顯示器顯示程序。信號經(jīng)運(yùn)算處理后，可由液晶顯示器顯示結(jié)果，便于觀察，也可由RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，上傳數(shù)據(jù)，便于存儲和查詢。1.鍵盤電路圖2-12鍵盤電路鍵盤有上、下、左、右四個按鍵，當(dāng)其中任何一個按下時，都會引發(fā)外部中斷，進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中判斷按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)命令。2.液晶顯示電路圖2-13液晶顯示電路采用128×64的點陣式液晶顯示器，能顯示40個漢字，漢字庫預(yù)先存儲到程序存儲器中。液晶顯示器是通過DSP的I/O口模擬M6800操作時序進(jìn)行控制。其中PB0～PB7為數(shù)據(jù)輸出，連接DB0～DB7，控制信號E,CSA,CSB,D/I和R/W分別由PEI～PE5控制。接口電路由圖2-14所示。3.通訊接口電路圖2-14RS-232通訊接口電路該電路采用了符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片MAX232，進(jìn)行串行通信。MAX232芯片功耗低、集成度高，+5V供電，具有兩個接收和發(fā)送通道。由于TMS320LF2407采用+3.3V供電。所以MAX232與TMS320LF2407之間加了電平匹配電路。第三章動態(tài)無功補(bǔ)償控制器的軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件為匯編語言編程，以提高編譯效率[21]。程序遵循模塊化設(shè)計原則，提高了系統(tǒng)的通用性和維護(hù)的簡易程度。程序主要包括：初始化、采樣、各種電量的計算、顯示和控制輸出等子程序。3.1主程序主程序的流程圖如圖2-15所示。DSP在一個工頻周期內(nèi)等間隔地采集64個瞬間電壓、電流數(shù)據(jù)后，經(jīng)DSP處理計算出電網(wǎng)電壓、電流(包括零序電流)、功率因數(shù)、無功功率、有功功率、電壓電流、1～32次諧波等負(fù)荷參數(shù)值，存儲并送參量到顯示單元顯示，同時根據(jù)現(xiàn)場的實際情況通過控制器鍵盤設(shè)置參數(shù)來控制電容投切?？刂破鞑粩嗟乇O(jiān)測電網(wǎng)負(fù)荷參數(shù)，根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)情況，形成投切控制字，由輸出環(huán)節(jié)具體完成電容器的正確投切。將輸出的9路控制信號分成3組，每組有3路控制信號，可以實現(xiàn)最多9組分補(bǔ)或最多9組共補(bǔ)控制，也可以實現(xiàn)分補(bǔ)、共補(bǔ)同時控制，分補(bǔ)、共補(bǔ)的數(shù)量取決于用戶配電參數(shù)設(shè)置和具體電網(wǎng)中電容器的連接情況。1. 初始化程序：主要完成數(shù)據(jù)存儲空間的檢測和初始化、通訊方式的設(shè)置、液晶顯示方式設(shè)置、事件管理器工作方式設(shè)置(設(shè)置定時器)、中斷設(shè)置（中斷寄存器和中斷優(yōu)先級設(shè)置)、啟動硬件看門狗、禁止開關(guān)動作等。2. 顯示方式設(shè)置：主要完成對液晶顯示的工作方式設(shè)置，初始化液晶顯示頁面。3. 掃描鍵盤命令：主要是查詢I/O口查看命令輸入，修改系統(tǒng)的參數(shù)。4. 數(shù)據(jù)處理程序：主要根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用FFT算法計算各相有效電流、電壓、有功功率、無功功率等參數(shù)。5. 控制投切電容程序：根據(jù)計算得到的參數(shù)，運(yùn)用控制策略控制電容投切，達(dá)到補(bǔ)償無功功率的目的。圖2-15系統(tǒng)流程圖3.2電容器投切原則無功補(bǔ)償?shù)脑砭褪菧?zhǔn)確檢測三相電路無功功率Q，然后根據(jù)Q值的大小進(jìn)行電容器最優(yōu)投切，從而減小Q值，以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。在被諧波污染的電網(wǎng)中投入電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償時，應(yīng)注意避免產(chǎn)生諧波的諧振。消除諧波的方法，一般是在電容器上串聯(lián)電抗，來防止電流的突變。本系統(tǒng)采用實時跟蹤監(jiān)測電網(wǎng)中的諧波量的方法，在電網(wǎng)中的諧波量超出設(shè)定值時，停止投入電容器，并報警，以防止重大事故的發(fā)生。圖2-16頻率測量程序3.3中斷程序1.外部中斷當(dāng)鍵盤有按鍵按下時就進(jìn)入外部中斷，執(zhí)行外部中斷子程序。此子程序主要完成鍵盤的掃描和執(zhí)行相應(yīng)于不同按鍵的命令。其中,上、下按鍵控制液晶顯示器顯示內(nèi)容翻頁和控制光標(biāo)指示的作用。左、右鍵相當(dāng)于+和-，即在設(shè)定參數(shù)時，相對于系統(tǒng)設(shè)定值的偏差，按左鍵即加個單位，按右鍵則減一個單位。在設(shè)定參數(shù)時，按下鍵即為確定，則進(jìn)入下一個參數(shù)的設(shè)定。2.定時器中斷程序(頻率測量子程序)定時器捕捉中斷程序由圖2-17所示。程序主要完成信號頻率的測量，當(dāng)測量值44<f<56時為正確值并存儲新頻率值。工頻信號的頻率是50Hz，但是實際的電力系統(tǒng)電網(wǎng)信號由于受到各種月擾，電信號的頻率也不可避免的出現(xiàn)波動?！峨娔苜|(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T15945-95)對頻率偏差的限制規(guī)定為：電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值0.2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差值可放寬到土0.5Hz。用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動不得超過士0.1Hz。即電力系統(tǒng)中電壓電流信號的頻率變化在50士0.5Hz的范圍內(nèi)。FFT運(yùn)算又要求采樣點數(shù)必須是2的整數(shù)次冪個，當(dāng)電網(wǎng)的頻率波動時，采樣的頻率也應(yīng)該隨之改變，否則將產(chǎn)生頻譜泄漏。故本系統(tǒng)在每次采樣前測量出電網(wǎng)頻率，根據(jù)電網(wǎng)頻率計算出采樣頻率，以保證同步采樣。圖2-17串行口中斷程序3.串行口中斷程序串行口中斷程序主要完成測量量的上傳和上位機(jī)命令信號的接收。通訊波特率最大為9600，數(shù)據(jù)格式為：起始位數(shù)據(jù)或指令位較驗位12345678910要正確實現(xiàn)DSP與上位機(jī)的通信，除一般串行通信設(shè)置外，還必須正確設(shè)置SLEEP位(SCICTLI寄存器第2位)，即將所有參與多機(jī)通信的DSP的SLEEP位都設(shè)成1，使得他們僅當(dāng)檢測到地址字節(jié)時才被中斷，在中斷服務(wù)程序里，將接收到的地址與相應(yīng)軟件設(shè)置的地址(本機(jī)地址)相比較，若相同則用戶程序清除SLEEP位,確保串行通信接口在收到每個數(shù)據(jù)字節(jié)時都產(chǎn)生一個中斷，否則SLEEP位保持1以接收下一個地址[23]。3.4串行實時時鐘電路讀寫程序?qū)θ諝v時鐘PCF8583的讀和寫是通過總線來實現(xiàn)，下面就對總線和對日歷時鐘的操作介紹如下[22]。控制字如下圖所示?？刂谱止?jié)的前四位為1010，在這里是固定的。接下來的3位為塊選擇位(B2,B1,B0)用來選擇哪一塊256字節(jié)，由于日歷時鐘只有256字節(jié)，所以選B2=B1=B0=0?？刂谱值淖詈?位為讀/寫方式選擇位。置1表示進(jìn)行讀操作，清0表示寫操作。10110B2B1B0R/W具有兩種寫操作(字節(jié)寫、頁寫)和3種讀操作(現(xiàn)行地址讀、隨機(jī)讀、序列讀)。日歷時鐘PCF8583對所有的讀寫方式都要用到。字節(jié)寫是指向指定片內(nèi)RAM單元寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)data的操作，其數(shù)據(jù)操作格式如下：SSLAWAWORDARDADATAAP字節(jié)寫操作以一個啟動位S開始，主機(jī)發(fā)出控制字選擇寫操作(SLAW)，然后主機(jī)發(fā)送要寫數(shù)據(jù)的地址單元（WORDADR)停止位P用于中止接收。每個字節(jié)發(fā)送完，從機(jī)要回送一個應(yīng)答信號A。隨機(jī)讀是按指定的字節(jié)地址讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù)的操作。由于要寫入字節(jié)地址，故要先送一個字節(jié)地址寫操作，然后重復(fù)起始狀態(tài)，讀入個數(shù)據(jù)字節(jié)，其數(shù)據(jù)操作格式如下：SSLAWAWORDARDASSLARADATANAP隨機(jī)讀字節(jié)操作以啟動位開始，主機(jī)發(fā)送控制字選擇寫操作(SLAW)，然后主機(jī)發(fā)送要讀數(shù)據(jù)的地址單元(WORDADR),隨后再啟動一個啟動條件和發(fā)送控制字選擇讀操作(SLAR)，LF2407讀取數(shù)據(jù)后發(fā)送一個停止條件,不回送應(yīng)答信號。LF2407的IOPF0和IOPF1引腳作為實施總線協(xié)議的引腳，這兩個引腳配置為I/O口，且通過配置IOPF1(SDA)為輸出或輸入方式，就可以完成啟動、停止、應(yīng)答功能及實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。讀寫操作由不同的啟動、停止、應(yīng)答、接收和發(fā)送組成，這些功能都可以由一系列子程序來完成。第四章總結(jié)與展望本文介紹了目前無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r，分析了目前應(yīng)用廣泛的幾種無功補(bǔ)償裝置的原理、性能及適用場合，在此基礎(chǔ)上，為了滿足電力系統(tǒng)對實時性更高的要求，提出了采用DSP進(jìn)行控制的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，并進(jìn)行了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。具體的工作總結(jié)如下：1. 對電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償原理作了分析，提出諧波測量的精度決定了電網(wǎng)參數(shù)測的精度，因此選用計算精確性高和計算量小的算法來測量諧波量是關(guān)鍵。2. 分析了無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，對目前流行的幾種無功補(bǔ)償裝置在原理、性能、使用場所等方面進(jìn)行了比較，提出了采用DSP進(jìn)行控制并采用晶閘管控制投切的無功補(bǔ)償裝置既能快速地補(bǔ)償無功功率，既滿足電能質(zhì)量的要求，成本又較低，在目前的電網(wǎng)改造中前途廣大。3. 完成了用DSP控制的智能無功補(bǔ)償裝置的軟硬件設(shè)計。通過半學(xué)期的研究，取得了一定的成果，但工作中還有一些不足之處，采用DSP進(jìn)行控制的無功補(bǔ)償裝置在系統(tǒng)抗干擾性的研究還需進(jìn)一步深入，爭取在今后的工作中將理論上的一些新成果應(yīng)用到電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置中。致謝在完成論文的過程中，很多人給予了我關(guān)心、支持和幫助。在論文將要完成之際，我對他們表示衷心的感謝！首先，我要感謝的是我的指導(dǎo)老師張教授！在我的學(xué)習(xí)生活中，始終得到了張老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷。老師嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、求實、創(chuàng)新的工作作風(fēng)，淵博的知識和坦誠正直的優(yōu)秀品格，給我留下了深刻的印象，并將對我將來的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生重要的影響。同時我也感謝各位老師，他們在我平時的學(xué)習(xí)生活和論文成文過程中都給出了很多具體指導(dǎo)和幫助。感謝代課的各位老師和一起生活兩年的同學(xué)的無私支持和幫助，感謝他們在我學(xué)習(xí)以及論文的完成期間遇到困難時給予的巨大幫助,有了以上各位的幫助和知道才使自己完成了畢業(yè)設(shè)計,并獲得了寶貴的知識,鍛煉了自己以后再學(xué)習(xí)的能力!參考文獻(xiàn)[1]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2019.[2]粟時平,劉桂英.靜止無功功率補(bǔ)償技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2019.[3]王潞剛,陳林炕,曾越南,等.DSPC2000程序員高手進(jìn)階[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2019.[4]朱是.電力系統(tǒng)靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電力電容器,2019,22(4):31-34.[5]劉和平,嚴(yán)利平,張學(xué)峰,等.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2019.[6]王兆安,黃俊,電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[7]李雪.基于DSP的TCR型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置控制器的研究與設(shè)計[D].南京:河海大學(xué)2019.[8]李輝,全慶貽,趙光宙.基于DSP電力系統(tǒng)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置[J].江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,2(6):601-604.[9]顏友鈞,朱宇光.DSP應(yīng)用教程[M].北京:中國電力出版社,2019.[10]寧改娣,楊栓科.DSP控制器原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.[11]田廣青.江門變電站靜止補(bǔ)償器簡介[M].北京:水利電力出版社,1990.[12]米勒.電力系統(tǒng)無功功率控制[M].北京:水利電力出版社,1990.[13]王慶林.無功功率快速自動補(bǔ)償裝置設(shè)計探討[J].電力電容器,1993,14(2):16-19.[14]梁志勇.靜止無功補(bǔ)償設(shè)備運(yùn)行綜述[J].電力電容器，2019,18(2):41-45.[15]劉黎明,劉滌塵.智能式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研究[J].電力自動化設(shè)備,2019,22(8):28-31.[16]張忠宇,王立寧.基于DSP技術(shù)的交流電路全電量測量系統(tǒng)的研究[J].計算機(jī)應(yīng)用,2019,17(1):44-46.[17]江思敏.TMS320LF240xDSP硬件開發(fā)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2019.[18]趙世廉.TMS320X240xDSP原理及應(yīng)用開發(fā)指南[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2019.[19]鄭紅,隋強(qiáng)強(qiáng),周星.DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2019.[20]陳文潔,楊拴科.采用電力電子集成技術(shù)的軟開關(guān)PFC電路的研究[J].電力電子技術(shù),2019,37(2):53-55.[21]劉和平,王維俊.TMS320LF24OxDSPC語言開發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2019.[22]朱銘鋯,趙勇,甘泉.DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2019.[23]劉向東.DSP技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2019.[24]張雄偉,曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用(第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.附錄英文資料及翻譯:Industrialenterprisesofreactivepowercompensation(原文)Theimprovementofindustrialenterprisesistoimprovethepowerfactorofelectricpowerefficiency，animportantmeansofsavingenergy.Inthispaper，theoreticalanalysisandapplicationexamplesoftheindustrialenterprises，thesignificanceofreactivepowercompensationandtheroleandviewofthecurrentpowersystem，industrialenterprises，theproblemsfortheproposedimprovementsandmeasures.thevastmajorityofelectricalequipmentbelongstoperceptualload，thesedevicesinoperationtoabsorbalargenumberofreactivepower.Anincreaseinreactivepowersupplysystempowerfactortolowersystemvoltagedroptooccur，electricalequipmentnotfullyutilized，increasinglinelossesandlower-poweredequipment，powersupplycapacityandsoon.InsitureactivepowercompensationandthusimprovethepowerfactoroftheEnergyConservationhasextremelyimportantsignificance.ThechoiceofmethodofcompensationCompensationforreactivepowercompensationisdividedintocentralizedanddecentralizedcompensationforthreekindsofcompensationandinsitu.Focusoncompensation，thatis，highandlowvoltagepowerdistributionsetupbyseveralgroupswithinthecapacitor，capacitorconnectedtothepowerdistributionbus，thecompensationforthedistributionofpowerwithinthereactivepower，andtoreachtherequiredvalueofthetotalpowerfactorabove.Thismethodofcompensationcancompensateforhighandlowvoltagebusroutespriortothereactivepower，whichisequivalenttothereactivepowersourcetomovetheelectricitydistributioncompanies,allowinguserstopowerthesystemrequirementsforreactivepowerhasbeenreductionintheelectricitysectortoachievetherequiredpowerfactor.Andtheirdistributionwithintheenterprisebusfollowingthelineoftransformerandreactivepowercompensationcannotplayarole，thereisstillalargenumberofreactivepowerlineflowswithintheenterpriseandgeneratelosses.Dispersioncompensationisthecapacitorswereinstalledatvariousworkshopsattheswitchboard，whichwillenableinstallationofdistributiontransformerandthesubstationtotheplantlinescanbeduetoadecreaseinreactiveloadcompensationeffect.Localcompensationisthereactivepowercompensationdevicedirectlyconnectedtotheinductionmotorterminalsonthesideorintotheline.Focusoncompensationmethodsusedinthecapacityofcapacitorcompensationorin-placethanthegroupingofcompensationshouldbesmall，itsutilizationrateisevenhigherdisadvantageisthechangeindistributionhasnotbeencompensatedbythefeeders，onlylightenedtheloadreactivepowergrid.Dispersioncompensationinthewaytheutilizationofcapacitorcompensationthantheinsituhigh，sothetotalrequirementofcompensationissmallerthanthespotisaneconomicalandreasonableremedy.Reactivepowercompensationshouldfollowthe"overallplanning,rationaldistribution,classificationofcompensation，in-placebalance;focusoncompensationanddispersioncompensationcombinetospread-basedcompensation;highcompensationandlowvoltagecompensationcombinedwithlow-pressure-basedcompensation;Regulatorcombinedwithlowerlosses,downarethemainloss"principle.CompensationcapacitytodetermineInthepowergridinthereactivepowerconsumptionisabig，about50%ofthereactivepowerconsumedintransmission，transformationandthedevice，50%oftheconsumedelectricityusers.Inordertoreducereactivepowerconsumption，itisnecessarytoreducethereactivepowerinthegridwhereflow.Thebestwaytostartfromtheusertoincreasereactivepowercompensation，improveuserloadpowerfactor，sothatGeneratorreactivepowercanbereducedandthereductionoftransmission，transformationanddistributionequipmentinthereactivepowerconsumption，soastoachievethepurposeofreducingwearandtear.CompensationforreactivepowercapacityofQcforLoadchangescanbedecidedaccordingtothestaticordynamiccompensationmode.Whentheloadchangeisrelativelystable，weshouldusethestaticmethodofcompensation，whichcannotonlyreducethelinelosses，andinvestment;whentheloadchangeislarge，dynamiccompensationmethodshouldbeused，stablevoltage.Lines，transformercapacityincreaseLines，transformercapacityincreasedΔSfortheAdditionalcompensationdevice，mayimprovethepowerfactor，powerfactoronthebusinessofdirecteconomicbenefitisobvious.Becausethestateelectricitysystem，startingfromtherationaluseofenergy，accordingtothepowercompanytoadjustthepriceduetohighandlowvalues.Thecompensationdeviceforenterpriseandtheentirepowersystemeconomicoperationallhavesignificanteconomiceffects.ToimprovethevoltagequalityToimprovethevoltagequalityisthedynamicreactivepowercompensationequipmentinstalledaroundtheroleofplaceinthelinevoltagecompensationhasincreasedslightly.Wheretgφ1-compensationdeviceisnotinstalledbeforetheφ1angletangent;tgφ2-compensationequipmentinstalled