張 芳 丁國(guó)臣 邵 紅 王翠珍

0 引言

經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，用戶對(duì)供電的質(zhì)量、供電可靠性的要求越來(lái)越高[1]。系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)的降低，會(huì)使電氣設(shè)備的利用率降低、線路損耗增加。在低壓配電網(wǎng)中，設(shè)施老化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線徑小、負(fù)荷電流大、自然功率因數(shù)低等問題突出，長(zhǎng)期來(lái)看，將使得電壓質(zhì)量得不到保證，無(wú)功功率的遠(yuǎn)距離輸送得不到很好的跟蹤，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。再加上近年來(lái)隨著需求的增加，電網(wǎng)中引入了大量的非線性和沖擊性負(fù)載，運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生諧波和電壓波動(dòng)，影響供電質(zhì)量及電網(wǎng)設(shè)備的安全性。這就要求我們必須要對(duì)無(wú)功功率和諧波進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量和適當(dāng)補(bǔ)償。目前，電網(wǎng)中存在的多為阻感性負(fù)載，通過STM32進(jìn)行電容器組的投切，投入容性無(wú)功功率，從而使系統(tǒng)的總無(wú)功功率減少?；谶@一思想，本文對(duì)高性能的基于STM32的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在無(wú)功補(bǔ)償控制裝置中，首先進(jìn)行三相電壓、電流的采集，計(jì)算出電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)；然后計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量，選擇合適電容器組通過控制晶閘管進(jìn)行投切?？紤]到裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，電容器組的接線方式為三相分補(bǔ)與三相共補(bǔ)相結(jié)合的方式[2-4]，電容器三相共補(bǔ)部分采用△接線，三相分補(bǔ)部分采用Y接線，運(yùn)行方式機(jī)動(dòng)靈活。裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示?？刂破鞯闹骺匦酒捎肧TM32F103VET6，計(jì)量芯片選用ADE7878，主要的外圍電路模塊有：電流電壓采樣電路、按鍵處理電路、RS485通信模塊等。

圖1系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片的選取

考慮到傳統(tǒng)單片機(jī)的運(yùn)算速度和硬件資源的限制，會(huì)直接影響無(wú)功補(bǔ)償?shù)木群托Ч?，本文采用基于Cortex-M3的STM32F103為主控芯片，主頻高達(dá)36 MHz，內(nèi)嵌4～16 MHz高速晶體振蕩器，強(qiáng)大的運(yùn)算能力能夠保證實(shí)時(shí)快速的數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)，豐富的外設(shè)資源可以極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件電路。

2.2 計(jì)量芯片

選用ADE7878計(jì)量芯片[5-6]來(lái)采集電壓和電流，能夠大大提高采樣精度，將計(jì)算得到的相關(guān)參數(shù)通過SPI口傳遞給STM32控制芯片，計(jì)算簡(jiǎn)便，又提高了采樣速率和數(shù)據(jù)精度。

主控芯片STM32開始啟動(dòng)后，首先將STM32的SPI口與ADE7878的HSDC口相連，得到電壓、電流的瞬時(shí)值;然后通過DMA中斷處理將得到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部數(shù)據(jù)地址中，最后計(jì)算出無(wú)功功率、有功功率和頻率值。ADE7878與主控芯片STM32的通信如圖2所示。PA0和PA1用來(lái)配置計(jì)量芯片的供電模式；SDA和SCL為 口，在系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)通過 進(jìn)行配置；SCK和MOSI為SPI口，接收ADE7878傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在芯片內(nèi)部進(jìn)行處理。

圖2 STM32與ADE7878通信圖

2.3 電源電路

對(duì)輸入相電壓220 V的交流電進(jìn)行電壓采樣調(diào)理，得到9 V直流電源。為防止RS485受到外界干擾，使芯片不能正常工作，將供電分成兩路，其中9V，4W這一路經(jīng)過轉(zhuǎn)換后給STM32和ADE7878以及EEPROM，LED燈、J-LINK等外設(shè)供電；而另一路9 V，1W經(jīng)過轉(zhuǎn)換后用于RS485通信。

為了給RS485和部分器件提供5 V電源，首先進(jìn)行DCDC轉(zhuǎn)換，用AMS1117-5.0芯片將兩路電源從9 V轉(zhuǎn)化為5 V直流。STM32和ADE7878需要3.3 V供電，則需要再將5 V的直流轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的3.3V，所用芯片為AMS1117-3.3。轉(zhuǎn)換電路及濾波電路如圖3所示。

圖3電源轉(zhuǎn)換電路及濾波電路

2.4 電壓電流采樣電路的設(shè)計(jì)

選用的電壓互感器型號(hào)為SPT204，其額定輸入、輸出電流均為2 mA。電壓采集原理圖如圖4所示，首先將電壓信號(hào)變換成電流信號(hào)，為限流電阻，副邊電路是電流/電壓變換電路，調(diào)整圖中反饋電阻的值，可以獲得相應(yīng)的輸出電壓。將兩個(gè)二極管并聯(lián)從而保護(hù)運(yùn)放，電容用來(lái)去耦和濾波[7-8]。

圖4電壓信號(hào)變換電路

選用的電流互感器型號(hào)為SCT254，其輸入額定電流為5 A，額定輸出電流為2.5 mA。如圖5所示，整個(gè)電流信號(hào)變換電路的工作原理是利用SCT254，將電流信號(hào)衰減、隔離，然后通過放大電路將SCT254輸出的負(fù)半周的電流信號(hào)進(jìn)行放大，最終轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。

圖5電流信號(hào)變換電路

2.5 投切電路設(shè)計(jì)

電容器的投切選用過零觸發(fā)控制芯片MOC3083[9-11]來(lái)控制，MOC3083的2腳接STM32的IO口，6腳與電網(wǎng)相接，4腳接電容。當(dāng)過零檢測(cè)器的1腳和2腳間的電流超過5 mA，而且4腳電壓和6腳電壓幅值、相位均相同時(shí)，晶閘管兩端將會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)電壓，使其中一個(gè)晶閘管導(dǎo)通。其原理圖如圖6所示。

圖6投切電路圖

2.6 鍵盤電路設(shè)計(jì)

鍵盤電路設(shè)計(jì)中使用了8個(gè)按鍵，即"上、下、左、右、復(fù)位、確認(rèn)、加、減"。通過鍵盤電路，可以進(jìn)行無(wú)功功率因數(shù)的設(shè)定等，也可以用來(lái)切換手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行。其電路如圖7所示。

圖7按鍵電路

2.7 RS485通信電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)芯片選用MAX3285，進(jìn)行串行通信。接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，RS485的總線接口電路如圖8所示[12]，圖中RXD為信號(hào)輸入端，DE為控制信號(hào)輸入、輸出端口，TXD為信號(hào)輸出端。

圖8 RS485總線接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)功補(bǔ)償控制裝置軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化[13]的設(shè)計(jì)方法，主要包括:數(shù)據(jù)采集和計(jì)算、自動(dòng)投切邏輯、模糊控制和投切控制等，既提高了系統(tǒng)的通用性，也使代碼的可讀性大大增強(qiáng)，修改維護(hù)更加方便快捷。

3.1 主程序結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行瞬時(shí)三相電壓和電流數(shù)據(jù)的采集，將得到的數(shù)據(jù)通過ADE7878傳輸給DMA中斷進(jìn)行處理，從而得到電網(wǎng)功率因數(shù)、無(wú)功功率、有功功率等相關(guān)參數(shù)值并進(jìn)行儲(chǔ)存和顯示，然后依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，從而進(jìn)行電容器的投切。投切電容設(shè)置成手動(dòng)和自動(dòng)控制兩部分，正常運(yùn)行時(shí)讓其處于自動(dòng)控制模式，調(diào)試時(shí)會(huì)用到手動(dòng)投切。主程序流程圖如圖9所示。

圖9主程序流程圖

3.2 模糊控制子程序設(shè)計(jì)

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，其基本形式主要有輸入量模糊化、知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和輸出量反模糊化等四個(gè)部分[14]。模糊控制程序子程序的運(yùn)行過程是首先，計(jì)算出離線情況下的模糊控查詢表。然后，在線情況下，將輸入量模糊化，依據(jù)模糊算法的原理，進(jìn)行模糊控制表的查詢，從而得到其輸出，然后再進(jìn)行去模糊化處理，最終得到準(zhǔn)確地控制量。

3.3 投切控制程序設(shè)計(jì)

依據(jù)模糊控制算法進(jìn)行電容器投切，首先給等容的電容器組編號(hào)，投切時(shí)，采用逐級(jí)循環(huán)投切的方法，并且保證每次只有一組電容器被投入或切除，本著"先入先除，先除先入"的原則，確保每臺(tái)電容器都有均等的機(jī)會(huì)運(yùn)行[15]。為了避免產(chǎn)生瞬時(shí)干擾和投切震蕩，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果異常時(shí)，電容器并不立即投切，也不會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)，而是經(jīng)過一段時(shí)間的延時(shí)之后，再次進(jìn)行檢測(cè)，只有兩次檢測(cè)結(jié)果一致，才會(huì)進(jìn)行動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了研究，硬件部分的設(shè)計(jì)以STM32F103VET6和ADE7878為核心，進(jìn)行了電流電壓采樣電路、溫度檢測(cè)電路、按鍵電路、RS485通信電路等模塊的設(shè)計(jì)，軟件部分分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算、投切控制、模糊控制等軟件模塊的程序設(shè)計(jì)，能夠精確地采集和計(jì)算電網(wǎng)電壓電流值，通過給定的相關(guān)參數(shù)值得到要投入的電容量，在電壓電流過零點(diǎn)時(shí)，通過控制晶閘管進(jìn)行電容器的投切，從而使電網(wǎng)中消耗的無(wú)功功率得到補(bǔ)償，提高電網(wǎng)質(zhì)量。