基于MSP430單片機(jī)的智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)
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(lái)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(wú)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(wú)功、功率因數(shù),根據(jù)用電負(fù)荷情況,通過(guò)復(fù)合開(kāi)關(guān)控制電容器組的自動(dòng)投、切,實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)功功率改善配電變壓器的無(wú)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(mén)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(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),支持匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)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(kāi)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(kāi)關(guān)、電容器組、鍵盤(pán)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(lái)自電壓互感器和電流互感器的輸出端,無(wú)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(wú)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(xiě)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(pán)和LCD顯示
鍵盤(pán)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(pán)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240×64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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(lái),減少了單獨(dú)組網(wǎng)和開(kāi)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(kāi)關(guān)的通訊:主控機(jī)與各復(fù)合開(kāi)關(guān)之間采用485通信,各復(fù)合開(kāi)關(guān)采用+12V供電。下圖2左邊的FHD為單相組復(fù)合開(kāi)關(guān)接線圖,右邊的兩個(gè)FHS為三相組復(fù)合開(kāi)關(guān)接線圖。從圖中可以看出,單相組復(fù)合開(kāi)關(guān)的電容器組只能接成星型連接,而三相組復(fù)合開(kāi)關(guān)的電容器組可以接成星型連接或三角型連接。
評(píng)論