*學 院 SHANDONG INSTITUTE OF BUSINESS AND TECHNOLOGY 畢業(yè)論文 (設計 ) GRADUATION THESIS （ DESIGN） 論文（設計）題目 動態(tài)無功補償控制器的研究與設計 Title Of Thesis（ Design） 分院（系別） 信息與電子工程學院 Department 專 業(yè) 電氣工程及其 自動化 班 級 電氣 053 班 Speciality Class 論文（設計）作者 * 論文完成日期 2009 年 05 月 Author of Thesis（ Design） Date 論文（設計）指導教師 * 指導教師職稱 教授 Advisor The Title of Advisor I 動態(tài)無功補償控 制器的研究與設計 Study and Design Reactive Compensation Controller 2009 年 5 月 20 日 May 20, 2009 II 評閱人意見 評閱人姓名： 職稱： 選項標準： A 很同意 B 同意 C 基本同意 D 不同意 分 項 評 價 評價項目 A B C D 選 題 質(zhì) 量 1 選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標，體現(xiàn)綜合訓練基本要求 2 題目難易適度 3 題目工作量適當 4 有理論意義或?qū)嶋H價值 能 力 水 平 5 查閱文獻資料能力強 6 綜合運用知識能力強 7 研究方案的設計能力強 8 研究方法和手段的運用能力強 9 外文應用能力強 成 果 質(zhì) 量 10 文題相符 11 寫作水平高 12 寫作規(guī)范 13 篇幅適度 14 成果有理論或?qū)嶋H價值 總體評價： 優(yōu) 良 中 及格 不及格 評閱人評語 III 評閱人簽字： 年 月 日 動態(tài)無功補償控制器的研究與設計 摘要 針對電力系統(tǒng)中無功補償裝置發(fā)展的現(xiàn)狀，研制出了一種基于 DSPTMS320LF2407控制的低壓動態(tài)無功補償裝置。作為無功補償控制器和電網(wǎng)監(jiān)測器的統(tǒng)一體，該裝置以實時的電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，以城鎮(zhèn)低壓網(wǎng)（ 220V）的最佳無功補償為對象。 本文主要研究了無功補償對電網(wǎng)性能的改善，無功補償裝置的控制方式及原理，和控制器的硬件設計。系統(tǒng) 硬件上采用了 TI 公司的 16 位定點 DSPTMS320LF2407 控制，具有比傳統(tǒng)的單片機控制運算速度高，實時性好的特點。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)運行狀況，完全實現(xiàn)了電容器的快速，無弧，無沖擊投切，具有優(yōu)良的性能。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)裝置應具有的功能，本文設計并制作了較為完整的控制電路及其外圍設備的硬件電路。它們包括觸發(fā)電路、采樣電路、顯示電路及通訊電路等。 在本文中，還介紹了 電網(wǎng)諧波對補償裝置的影響，以及裝置在電網(wǎng)諧波含量超標時采取的保護措施。最后，對無功補償裝置的發(fā)展和 DSP 控制技術(shù)的發(fā)展進行展望。 關鍵詞 無功補償 電力監(jiān)測 數(shù)字信號處理器 IV Study and Design Reactive Compensation Controller Abstract Contra-posing the developmental actuality of reactive power compensation system in power system, a DSP (Digital Signal Processor) system is designed based on TMS320LF2407 for reactive power dynamic compensation. As the combination of reactive power controller and electric power wires measurement, this devices working theory is based on the real-time data of the electric power wire and its intention is to complete the most felicitous compensation for the reactive power which exists in the 220V electric power wire. The paper mainly includes the followed parts: the ameliorating of the nets capability by the reactive power compensation, the control method and principle of reactive power compensation device and the hardware design of the device. The devices hardware core is the 16-bit fix point DSPTMS320LF2407 produced by TI corp ,which has many merits such as high operating speed and high real-time. The system adopts thyristor as switch that connect capacitors to main circuit, numeralization control, and Chinese menu LCD. Interface displaying systems run-time Status momentarily. It actualizes the capacitors speediness, no arc, no percussion switching, and has superior performance. Mention of switching law, control method considering reactive power, comparing with familiar control method considering power factor, avoids oscillation on the condition of light loading. In order to realize systems required function, this paper designs and realizes comparatively integrate microcomputer controlled circuit and its peripherals circuit, including triggering circuit, sampling circuit, displaying circuit and communicating circuit. This paper also points out the influence of harmonics to the compensation system, and the protect measurement in the condition of high harmonics on the power net. At last, the paper looks in to the future of the development of reactive power compensation and the technique of DSP controller. Keywords reactive power compensation monitor of electric power wire digital signal processor (DSP) V *學院 2009 屆畢業(yè)論文 VII 目 錄 第一章 緒論 . 1 1. 1 無功補償?shù)囊饬x . 1 1.1.1 無功功率的分布對電壓有決定性的影響 . 1 1.1.2 無功功率在線路中的傳輸引起的損耗 . 2 1.1.3 負荷無功功率對系統(tǒng)電壓的影響 . 2 1.2 無功補償裝置的發(fā)展現(xiàn)狀 . 2 1.2.1 無功補償裝置的發(fā)展 . 2 1.2.2 當前無功補償裝置分類 . 4 1.3 無功補償裝置的選擇 . 6 第二章 控制方案的 DSP 實現(xiàn) . 8 2.1 引言 . 8 2.2 設計任務 . 8 2.3 主電路設計 . 10 2.4 主控制器芯片的選取 . 11 2.5 硬件設計 . 12 2.5.1 模擬信號輸入處理單元 . 12 2.5.2 LF2407DSP 系統(tǒng)模塊 . 16 2.5.3 執(zhí)行單元 . 19 2.5.4 顯示及通訊電路設計 . 21 2.6 軟件設計 . 22 2.6.1 主程序 . 23 2.6.2 電容器投切原則 . 25 2.6.3 中斷程序 . 25 2.6.4 串行實時時鐘電路讀寫程序 . 27 2.7 可靠性、抗擾性設計 . 28 第三章 總結(jié)與展望 . 29 致 謝 . 30 參考文獻 . 31 附 錄*學院 2009 屆畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 1. 1 無功補償?shù)囊饬x 電壓是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標。電壓質(zhì)量對電網(wǎng)穩(wěn)定運行，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備，如：軋鋼機、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 求的精密設備，如：計算機，醫(yī)用設備等。因此迫切需要對系統(tǒng)的無功功率進行補償。 1.1.1 無功功率的分布對電壓有決定性的影響 以圖 1-1 所示的簡單的輸電線為例加以說明。 節(jié) 點 iU iR + j XU j節(jié) 點 jP + j Q圖 1-1 簡單輸電線路模型 Figure 1-1 simple transmission line model 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iU和jU，節(jié)點 i、 j 之間的支路阻抗為 R 十 jX。 節(jié)點電壓的關系為： UjUUU QRPXjU QXPRUU jjiji . (1-1) 在超高壓電力系統(tǒng)中，線路電抗遠大于線路電阻，因而上式可寫成 jjji UPXjUQXUU . (1-2) 電壓 iU. 還可以寫成 ： *學院 2009 屆畢業(yè)論文 2 s inc o s.iii jUUU (1-3) 式中 為線路兩端電壓的相位角差。比較 (1-2)、 (1-3)可以得到 ： Q=jji UXUU cos (1-4) 由式 (1-4)，正常運行時輸電線路兩端的電壓的相位角差 比較小，可以認為 cos=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，如果從遠處電源經(jīng)輸電線路向負荷提供無功功率，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 0Q= 2s in4)(1 22 jiji UUUUZ 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 (0)，這是不可避免的；另一部分是因為經(jīng)聯(lián)絡阻抗傳輸了無功功率 (iUjU)?？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222 )( URQPP 可見，當有功功率和無功功率通過網(wǎng)絡電阻時，會造成有功功率損耗。當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 負荷無功功率對系統(tǒng)電壓的影響 在額定電壓附近，負荷從系統(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)所接各負荷的電壓將下降，減少其向系統(tǒng)吸收的無 功功率；當系統(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)電機進相吸收無功功率，當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 無功補償裝置的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 無功補償裝置的發(fā)展 傳統(tǒng)的無功補償設備有并聯(lián)電容器、調(diào)相機和同步發(fā)電機等，圖 1-2 所示為一種最簡單*學院 2009 屆畢業(yè)論文 3 的無功補償。圖 1-2 中， M 代表需要滯后無功功率的用電設備， 2K 和 C 是用于向 M 提供無功的無功補償裝置。 當 1K 閉合使 M 運行時 ， 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 2K 閉合，用 C 中的超前電流補償 M 中的滯后電流，完成無功補償任務。由于 C 的補償容量是固定的，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。 M圖 1-2 最簡單的無功補償 Figure 1-2 simple idle work compensation 但在實際用電系統(tǒng)中，無功往往變化很大，圖 1-2 所示的補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)的跟蹤負荷無功功率的變化：而調(diào)相機和同步發(fā)電機等補償設備又屬于旋轉(zhuǎn)設備，其損耗、噪聲都很大，而且還不適用于太大或太小的無功補償。所以這些設備已經(jīng)越來越不適應電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。 20 世紀 70 年代以來，隨著研究的進一步加深出現(xiàn)了一種靜止無功補償技術(shù) (Static Var Compensation)。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。所謂靜止無功補償是指用不同的靜止開關電容器或電抗器，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。 *學院 2009 屆畢業(yè)論文 4 控 制 器M i M jKK 1 K 2K nC 1C 2C n圖 1-3 實用的無功補償裝置 Figure 1-3 practical idle work compensation system 圖 1-3 所示電路中，當無功變化時，控制器檢測到該變化，就根據(jù)該變化控制補償電容器組的投切，達到按實際需求的無功量進行補償?shù)哪康摹?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iK(i=1,2,3,n) 來完成的，目前這 種靜止開關主要分為兩種，即斷路器或電力電子開關。斷路器開關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償電容器組時，開關速度較慢，約為 10-30ms，不能快速跟蹤負載無功功率的變化，而目前投切電容器時常會引起較為嚴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，而且使補償電容內(nèi)部擊穿，所受應力大，維修量大。因此，采用斷路器作為開關的靜止無功補償裝置也只適合于負荷變化不大，即相對穩(wěn)定的情況。 為了能快速跟蹤補償電網(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)無功補償裝置應運而生 5。 1.2.2 當前無功補償裝置分類 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用，交流無觸點開關 SCR 、 GTR、 GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關速度可以提高 500 倍 (約為 10s)，對任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補償都可以在一個周波內(nèi)完成，而且可以進行單向調(diào)節(jié) 6?，F(xiàn)今所指的無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備，主要有以下三大類型：一類是具有飽和電抗器的無功補償裝置 (SR：*學院 2009 屆畢業(yè)論文 5 Saturated Reactor)；第二類是晶閘管控制電抗器 (TCR： Thyristor Control Reactor)；第三類是晶閘管投切電容器 (TSC： Thyristor Switch Capacitor)，后兩類裝置統(tǒng)稱為 SVC( Static Var Compensator)7。 以下對此三類無功補償技術(shù)逐一介紹。 1.具有飽和電抗器的無功補償裝置 (SR) 飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種，相應的無功補償裝置也就分為兩種。具有自飽和電抗器的無功補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。可控飽和電 抗器通過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，進一步控制無功電流的大小。這類裝置組成的無功補償裝置屬于第一批補償器 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)補償速度慢，由于具有這些缺點，所有飽和電抗器的無功補償器目前應用的比較少，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)中相當于交流調(diào)壓器電路接電感性負載，此電路的有效移相范圍為 900 1800 。當觸發(fā)角 = 900 時，吸收的無功電流最大。根據(jù)觸發(fā)角與補償器等效導納之間的關系式RLLL XBBB 1/)s in( m a xm a x 和可知 ,增大觸發(fā)角即可增大補償器的等效導納，這樣就會減小補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償器所吸收的無功分量，達到調(diào)整無功功率的效果。 A CS C RU ( t )LA CU ( t )CS C RL圖 1-4 TCR 型補償器原理圖 圖 1-5 TSC 型補償器原理圖 Figure 1-4 TCR compensator schematic diagram Figure 1-5 TSC compensator schematic diagram *學院 2009 屆畢業(yè)論文 6 在工程實際中，可以將降壓變壓器設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，這樣就不需要單獨接入一個變壓器，也可以不裝設斷路器。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?shù)难b置回路，例如加裝濾波器，可以進一步降低無功補償產(chǎn)生的諧波 10。 由于單獨 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償器 (TCR+MSC)。這種具有 TCR 型的補償器反應速度快，靈活性大，目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應用最為廣泛 11。由于固定電容器的 TCR+FC 型補償裝置在補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，另外當補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 裝置應運而生。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)運行時可能產(chǎn)生的沖擊電流。現(xiàn)在普遍把這種可以快速補償電網(wǎng)無功功率的晶閘管投切電容器的無功補償裝置叫做動態(tài)無功補償器。 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)絡采用星形連接，負荷不對稱網(wǎng)絡采用三角形連接。不是希望電容器級數(shù)越多越好，但考慮到系統(tǒng)的復雜性及經(jīng)濟性，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。這種補償裝置為了保證更好的投切電容器，必須對電容器預先充電，充電結(jié)束之后再投入電容器。 TSR 補償器可以很好的補償系統(tǒng)所需的無功功率，如果級數(shù)分得足夠細化，基本上可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié) 14。 1.3 無功補償裝置的選擇 從當前無功補償裝置的發(fā)展來看，目前廣泛應用的幾種無功補償裝置，即第二節(jié)所介紹的幾種無功補償裝置，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來控制；一類 是采用晶閘管控制。這兩類無功補償裝置的特點在上一節(jié)中也有所介紹，總起來*學院 2009 屆畢業(yè)論文 7 說采用晶閘管控制投切的無功補償裝置在性能上比采用斷路器開關的無功補償裝置好，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。而斷路器開關費用上又優(yōu)于晶閘管，因此在工程應用上也并沒有被晶閘管開關完全取代。這兩種裝置的特性比較見表 1-1： 表 1-1 斷路器開關與晶閘管開關控制投切的無功補償裝置性能比較 斷路器開關控制 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 ) 適應的負荷 相對穩(wěn)定的負荷 可補償沖擊性負荷 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。以斷路器作開關元件的無功補償裝置，控制器發(fā)出的是接點信號，控制接觸器的吸合或斷開。以晶閘管作開關元件的無功補償裝置，控制器器發(fā)出的是晶閘管的觸發(fā)信號。 *學院 2009 屆畢業(yè)論文 8 第二章 控制方案的 DSP 實現(xiàn) 2.1 引言 目前，無功補償裝置已在電力系統(tǒng)得到廣泛應用。無功電源與有功電源一樣是 維護電力系統(tǒng)穩(wěn)定、保證電能質(zhì)量和安全運行必不可少的 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)中負載多為感性，如：異步電機，變壓器等，傳統(tǒng)的就地無功補償裝置是通過單片機進行控制實現(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，更為嚴重的是如果電容與電網(wǎng)中的感性負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，造成的后果不堪設想。因此，在無功補償?shù)耐瑫r，對電網(wǎng)中的諧波量進行測量和消除是非常重要的，且對系統(tǒng)的無功進行準確補償也建立在對系統(tǒng)各項參 數(shù)進行準確測量的基礎上。 然而，傳統(tǒng)的單片機作為控制器的系統(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 TI公司生產(chǎn)的 DSP TMS320LF2407作為總控制器，指令速度很決，達 30MIPS,更加適合于處理多數(shù)據(jù)、運算量大的系統(tǒng) 16。同時具有強大的控制功能，因此使用 TMS320LF2407作內(nèi)核帶電力監(jiān)測的低壓智能無功補償裝置能更好的滿足實時性和精確性的要求。 2.2 設計任務 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 380V 20%，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： 5A 50Hz 輸入端輸入阻抗： 不大于 0.2 2. 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% *學院 2009 屆畢業(yè)論文 9 (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 應在 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 72h 4.功能 要求 (1) 功能設置要求 1) 能實現(xiàn)三線對稱補償和分相補償組合 2) 投入、切除門限設定值 3) 延時設定值 4) 過壓保護設定值 5) 諧波超值保護設定值 6) 面板功能鍵操作應具有容錯功能 7) 面板設置應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) 過壓保護動作顯示 5) 控制器應具有電網(wǎng)即時運行參數(shù)及設定值調(diào)顯功能 6) 控制器應具有監(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)時應具有自動循環(huán)投切。 *學院 2009 屆畢業(yè)論文 10 (5) 自檢復歸功能 :控制器每次接通電源應進行自檢并復歸輸出回路 (即輸出回路處在斷開狀態(tài) )。 (6) 投切振蕩閉鎖 :在輕負荷時，控制器應有防止投切振蕩的措施。 (7) 閉鎖報警 :當系統(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 主電路設計 帶電力監(jiān)測的智能無功補償裝置 的總電路圖如圖 2-1所示。 負荷信 號 衰 減低 通 濾 波參 考 電 壓+ 1 . 6 5 V信 號 采 集 部 分C TP T觸 發(fā) 電 路觸 發(fā) 變 壓器執(zhí) 行 單 元L F 2 4 0 7R O MR A MD O G鍵盤液晶顯示指示燈R S2 3 2接口PROME 2圖 2-1 帶電力監(jiān)測的無功補償裝置總電路圖 Figure 2-1 charged strength monitor idle work compensation system total circuit diagram 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行控制，能有效改善電壓質(zhì)量，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)*學院 2009 屆畢業(yè)論文 11 絡損耗?？紤]系統(tǒng)的復雜性及經(jīng)濟性，電容器分組采用二進制方案，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償裝置。該裝置因響應速度快、動態(tài)性能好，所以能實現(xiàn)對決速變化的無功進行跟蹤補償。該裝置具備完整的顯示控制保護功能。根據(jù)需要可顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負載電流、無功功率等值。并可實時在線設置投入門限、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，可廣泛應用低壓配電系統(tǒng)及工礦企業(yè)，是老式補償裝置理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 2.4 主控制器芯片的選取 本系統(tǒng)采用 T1 公司的 TMS320LF2407 作為主控制器，主要是考慮諧波測量的準確性與無功補償是不可分割的。 該芯片是 TMS320C2000 平臺下的一種定點 DSP 芯片，是一款專為控制設計的單片機。處理速度很決，達到 30MIPS，在晶振頻率為 20MHz 時，計算一次 64 點的 FFT 運算用時只有 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。 TMS320 LF2407DSP 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 32K 字的 FLASH 程序存儲器，高達 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. 可擴展的外部存儲器總共 192K 字： 64K 字程序存儲器； 64K 字數(shù)據(jù)存儲器； 64KI/O尋址空間。 5. 看門狗定時器模塊 (WD1)。 *學院 2009 屆畢業(yè)論文 12 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 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 單片機不能同時采樣多路信號的缺點。 7. 控制器局域網(wǎng)絡 (CAN)2.0B 模塊。 8. 串行通信接口 (SCI)。能與系統(tǒng)中的其他控制器進行異步通信 (RS232)。 9. 16 位的串行外設接口模塊 (SPI)。 10. 基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。 11. 高達 40 多個可 單獨編程或復用的通用輸入 /輸出引角 (GPIO )。方便擴展外設，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)存儲器獨立編址；取指和執(zhí)行重疊進行；結(jié)構(gòu)的改進，高速緩存，高度并行，大大提高了運算速度。 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)單指令乘加運算和變址運算。 3. DSP 指令： DSP 芯片采用特殊的指令。它將多條指令進行壓縮，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)行同時進行。 5. 在芯片內(nèi)設置了專門的硬件數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ堋Ｒ蝾l譜分析的基礎是 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確的分析諧波量，在諧波量超標的情況下，停止投入電容器，防止了重大事故的發(fā)生。 2.5 硬件設計 基于 DSP 的帶電力監(jiān)測的無功補償裝置的系統(tǒng)框圖如圖 2-1 所示。 2.5.1 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*學院 2009 屆畢業(yè)論文 13 A/D 轉(zhuǎn)換通道進行采樣，將其轉(zhuǎn)化為計算機能接受與識別的數(shù)字量，再進行數(shù)據(jù)處理及運算。 根據(jù)采樣定理，采用 FFT 測量諧波，若要求準確測量 2n ( n=1,2 ,3 ) 次諧波，則 每周波采樣點數(shù)應最少為 2 1n 個點。考慮 DSP 的數(shù)字處理能力突出，適于進行線性運算的特點，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)的信號進行低通濾波，濾除高頻分量，使輸入 DSP 進行處理的信號是滿足奈奎斯特采樣定律 (hs ff 2)要求的信號，消除混疊現(xiàn)象，提高 FFT 的運算精度。 1.電流信號形成回路 電流互感器 T1, T2 和 T3 的原邊電流 1I ,為 0 5A，互感器 CT，變比為 12500/1，則refVIRV 1 2 5 0 011 1 60，其中ref為交流地，對應的直流電平為 1.65V。 圖 2-2 電流信號形成回路 Figure 2-2 electric current signal looping-in 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r e fr e fr e fo u t VVVRRVV 02.0110000/1002201 1 91 2 21。 *學院 2009 屆畢業(yè)論文 14 圖 2-3 電壓信號形成回路 Figure 2-3 voltage signal looping-in 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 2-4 ALF 低通濾波電路 Figure 2-4 ALF low-pass filtering electric circuit