基于DSP的低壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償控制器的研究與設(shè)計(jì)

1、2006年第4期儀表技術(shù)11基于DSP的低壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償控制器的研究與設(shè)計(jì)康文利,李娟,劉洪偉,張雄華(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北保定071003;2.華北電力大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)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(dòng)跟蹤檢測(cè)電網(wǎng)的無(wú)功功率和電壓,實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)快速補(bǔ)償,同時(shí),完成對(duì)低壓電網(wǎng)的配電監(jiān)測(cè),諧波治理和電能計(jì)量等多種功能。關(guān)鍵詞:低壓無(wú)功補(bǔ)償;數(shù)字信號(hào)處理;諧波治理;功率因數(shù)中圖分類(lèi)號(hào):TM761文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):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(kāi)關(guān)量輸出模塊,。整個(gè)控制器的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。圖1控制器硬件結(jié)構(gòu)原理圖1.1模擬信號(hào)輸入處理模塊此模塊包括電壓電流信號(hào)形成回路、信號(hào)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(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)能接受與識(shí)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(shí)要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變電流信號(hào),調(diào)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(hào)需經(jīng)過(guò)電平提升后方可進(jìn)行測(cè)量,電平提升電路由加法電路構(gòu)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(tái)下的一種定點(diǎn)DSP芯片,是一款專(zhuān)為控制設(shè)計(jì)的單片機(jī)。處理速度快,達(dá)到30MIPS,在晶振頻率為20MHz時(shí),計(jì)算一次64點(diǎn)s,是一種特別適合于處理諧的FFT運(yùn)算用時(shí)只有

6、6波分析中經(jīng)常用到的數(shù)字濾波和傅里葉變換等運(yùn)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(nèi)有高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器,高達(dá)1.5K的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM,和2K字單口RAM;兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB;高性能的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,提供多達(dá)16路的模擬輸入;自動(dòng)看門(mén)狗電路等等。根據(jù)采樣定理,采用FFT測(cè)量諧波,若要準(zhǔn)確測(cè)n量2(n=1,2,3)次諧波,則每周波采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)最少n+1為2個(gè)點(diǎn)。若系統(tǒng)的采樣頻率為3200Hz,可準(zhǔn)確測(cè)收稿日期:2006-03作者簡(jiǎn)介:康文利(1961),女,副教授,碩士,主要從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、先

7、進(jìn)制造技術(shù)的教學(xué)與科研工作。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 12儀表技術(shù)2006年第4期量32次諧波量。由互感器得到的電壓電流信號(hào)調(diào)整到DSP的輸入范圍之內(nèi),再經(jīng)抗混疊濾波電路濾波,輸入到DSP的A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換?？够殳B濾波電路的作用是把電力系統(tǒng)的信號(hào)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(hào)滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定律的要求,消除混疊現(xiàn)象,提高FFT的運(yùn)算精度。1.3開(kāi)關(guān)量輸出模塊本系統(tǒng)采用過(guò)零觸發(fā)電路,用過(guò)零觸發(fā)芯片MOC3

8、083控制雙向晶閘管,避免了在補(bǔ)償電容器的投入與切除過(guò)程中產(chǎn)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(jì)算系統(tǒng)無(wú)功功率,并與用戶(hù)設(shè)定的投入門(mén)限、切除門(mén)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(shí)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(shí)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(wú)功最小”的原則對(duì)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。其程序框圖如圖4所示。圖2晶閘管無(wú)觸兩MOC3083過(guò)零觸發(fā)器時(shí)晶閘管兩端電壓為零,這時(shí)過(guò)零觸發(fā)器可輸出觸發(fā)信號(hào),觸發(fā)對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通,電容器便投入運(yùn)行。晶閘管導(dǎo)通后兩端電壓接

9、近為零,只要DSP輸出的投入信號(hào)存在,過(guò)零觸發(fā)器就一直有觸發(fā)信號(hào)輸出,保證了晶閘管可靠導(dǎo)通。當(dāng)DSP輸出的投入信號(hào)撤消時(shí),便停發(fā)觸發(fā)信號(hào),晶閘管則在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷,直到DSP下次發(fā)出投入指令才選擇電壓過(guò)零點(diǎn)重新投入。1.4通訊模塊及人機(jī)交互模塊通訊電路模塊采用驅(qū)動(dòng)芯片MAX232,采用3線(xiàn)傳送方式進(jìn)行串行通信。MAX232芯片功耗低、集成度高,+5V供電,具有兩個(gè)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(hào),則5V電源會(huì)向3.3V電源充電,持續(xù)的電流將會(huì)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?chē)碾娮柚饕糜诜謮?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(wú)功補(bǔ)償控制器的軟件設(shè)計(jì)3總結(jié)圖4軟件程序流程圖該裝置上電后,經(jīng)過(guò)一定延時(shí),控制器再開(kāi)始工作,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)三相電壓、三相電流采樣,根據(jù)電壓、電采用DSP進(jìn)行控制并采用晶閘管控制投切的無(wú)功補(bǔ)償裝置,避免了投切時(shí)電網(wǎng)對(duì)觸點(diǎn)造成的電流沖擊。使控制器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,既能快速地補(bǔ)償無(wú)(下轉(zhuǎn)第15頁(yè))© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publish

11、ing House. All rights reserved. 2006年第4期儀表技術(shù)15前的采樣數(shù)據(jù),并發(fā)送1個(gè)字節(jié)的標(biāo)志碼0x06結(jié)束通訊。采樣數(shù)據(jù)是12位的二進(jìn)制數(shù)(04095),分兩個(gè)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(jī)向記錄儀發(fā)送點(diǎn)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(xiě)在數(shù)據(jù)域的第一個(gè)字節(jié),表3所示為環(huán)式爐單的點(diǎn)名命令幀格式。表3環(huán)式爐單的點(diǎn)名命令幀格式幀格式(FF)幀類(lèi)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(gè)數(shù)據(jù)都位于對(duì)應(yīng)參數(shù)的量程范

12、圍內(nèi),則視這幾次通信受到了干擾,清除計(jì)數(shù)器,并將新數(shù)據(jù)賦予對(duì)應(yīng)參數(shù)。正常通信過(guò)程中,如果前后兩次通信數(shù)據(jù)的絕對(duì)差值在對(duì)應(yīng)參數(shù)的閾值范圍內(nèi),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(lèi)參數(shù)在兩種情況下會(huì)出現(xiàn)數(shù)值由很大跳變到0或一個(gè)比較小的值,一是受干擾,二是突然拔除熱電偶。因此,采用計(jì)數(shù)器和閾值比較法相結(jié)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(lái)的參數(shù)數(shù)值不變,同時(shí)用計(jì)數(shù)器計(jì)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(jì)數(shù)器;若出現(xiàn)上述情況的計(jì)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(jì)數(shù)器清0。4結(jié)束語(yǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(DLC)

13、4位1數(shù)據(jù)域Data084主機(jī)采用查詢(xún)方式接收數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q將通道采樣值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)參數(shù)的實(shí)際值。3數(shù)據(jù)處理石墨電極生產(chǎn)中存在大量的大電流設(shè)備(如石墨化車(chē)間)、頻繁啟動(dòng)的機(jī)電設(shè)備和高噪聲,使網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境十分惡劣,產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的各種電磁干擾,嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的通訊質(zhì)量和可靠性。有效抗干擾措施外,將參數(shù)對(duì)象分為三類(lèi):第一類(lèi)是變化平緩的參數(shù),如溫度;第二類(lèi)是設(shè)備啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)有突然跳變的參數(shù),如電流、電壓、功率;第三類(lèi)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(dá)到規(guī)定的最大值后,環(huán)式爐停機(jī),讓爐溫自然冷卻,因生產(chǎn)的需要,對(duì)應(yīng)熱電偶溫度傳感器可能會(huì)被拔除,此時(shí)記錄儀的通道輸入為0,通道采

14、樣值發(fā)生大的跳變。對(duì)于第一類(lèi)參數(shù),利用閾值比較法剔除受干擾的數(shù)據(jù),即計(jì)算前后兩次數(shù)據(jù)的絕對(duì)差值,將該差值與設(shè)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(wú)效,保持原來(lái)的參數(shù)值。第二類(lèi)參數(shù)在設(shè)備啟動(dòng)前和停機(jī)后為0,在啟動(dòng)和停機(jī)的短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)突變,在正常生產(chǎn)過(guò)程中變化比較平穩(wěn),一個(gè)終端有多個(gè)這樣的參數(shù),且這些參數(shù)不會(huì)同時(shí)為0。根據(jù)這些特征可區(qū)分終端設(shè)備是否運(yùn)行或停機(jī),數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中是否受干擾。對(duì)第二類(lèi)參數(shù)采用如下處理方法:將同一個(gè)終端的第二類(lèi)參數(shù)組合在同一個(gè)數(shù)據(jù)包。首次通信時(shí),若數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)參數(shù)的量程范圍內(nèi),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(yīng)的給定值,則用計(jì)

15、數(shù)器計(jì)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(shí),可判斷設(shè)備沒(méi)有開(kāi)機(jī),否則,可判斷設(shè)備已停機(jī),將相應(yīng)參數(shù)置0,并清除計(jì)數(shù)器;若計(jì)數(shù)某炭素企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該系統(tǒng)能滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境下大功率石墨電極生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要,。:1饒運(yùn)濤,鄒繼軍,鄭勇云.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN原理與應(yīng)用技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.2北京英華達(dá)電力電子工程科技有限公司.用戶(hù)操作手冊(cè)Z.2002.3基于CAN2bus總線(xiàn)的模擬空調(diào)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(zhuǎn)換器用戶(hù)手冊(cè)Z.2005.5楊飛,鄭貴林.基于CAN總線(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.微型計(jì)算機(jī)信息,2005,21(7):34-36.(許雪軍編發(fā))(上接第12頁(yè))功功率,滿(mǎn)足電能質(zhì)量的要求,又能同時(shí)監(jiān)測(cè)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(xiàn):1汪鍵,趙俊峰.基于80C196單片機(jī)的電網(wǎng)參數(shù)數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)J.微處理機(jī),2002,5(2):55-57.2王見(jiàn)樂(lè)