基于MSP430單片機的智能無(wú)功補償控制器設計

摘要：本文介紹了用MSP430單片機構成的智能無(wú)功補償控制器，詳細闡述了控制器的硬件結構、軟件設計、檢測原理和控制策略，該控制器具有性能高、價(jià)位低配置靈活等特點(diǎn)得到了廣泛的應用和用戶(hù)的好評。
關(guān)鍵詞：MSP430單片機；無(wú)功補償；智能控制器

1 引言

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，各行各業(yè)對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(hù)多為低壓用戶(hù)，許多用電器的功率因數很低，且不帶補償裝置，這給電網(wǎng)帶來(lái)很大的功率負擔和額外線(xiàn)損，為了維護電力系統穩定、保證電能質(zhì)量和安全運行，對電網(wǎng)末端變壓器進(jìn)行就地無(wú)功補償很有必要。本文利用TI公司的MSP430F149單片機為核心構成的控制器，實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)的電壓、電流，并計算出有功、無(wú)功、功率因數，根據用電負荷情況，通過(guò)復合開(kāi)關(guān)控制電容器組的自動(dòng)投、切，實(shí)現無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補償，且具有報警功能。該裝置安裝在電力配電變壓器低壓側，用于補償配電變壓器無(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壓的作用。

2 MSP430系列單片機的特點(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，特別適合于電池供電場(chǎng)合或手持設備，它的結構是"馮-諾依曼"型，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一地址空間內，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中的數據依然能夠有效保持，真正達到了微安級。MSP430F14x單片機具有五種節能模式：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(xiàn)編程技術(shù)，所有型號都包含JTAG（Joint Test Action Group）標準測試接口（IEEE1149標準接口），方便進(jìn)行片上在線(xiàn)仿真，固化于Flash存儲器內的程序易于在線(xiàn)升級和調試。
4、方便用戶(hù)使用C（使用ANSI的C）語(yǔ)言進(jìn)行程序設計，支持匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言的混合編程模式。
總之，MSP430系列單片機具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊，方便高效的開(kāi)發(fā)方式。

3 控制器的硬件結構及工作原理

控制器由單片機、信號檢測模塊、輸出控制模塊、復合開(kāi)關(guān)、電容器組、鍵盤(pán)及LCD顯示模塊、存儲模塊、遠程通訊模塊和電源模塊組成，結構如圖1所示。

3.1 信號檢測模塊
該模塊主要是采集電網(wǎng)的電壓、電流信號，電壓信號和電流信號分別來(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的A/D輸入端，A/D轉換基準電壓設定為+2.5V。

3.2 信息存儲
為了記錄每相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數，以及電容器的投、切時(shí)間，投、切次數等，系統擴展了2片AT24C512以保存運行參數。其接口電路為，用單片機的P2.0/ACLK和P2.1/TAINCLK分別控制其數據線(xiàn)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據和歷史信息，歷史數據包括每半個(gè)小時(shí)的電壓、電流、功率因素等數據。還包括每個(gè)月發(fā)生的最大最小值，調整次數及補償電量，歷史信息包括電容器投、切記錄（及其條件）所發(fā)生的運行異常信息和主機運行信息等。

3.3 鍵盤(pán)和LCD顯示
鍵盤(pán)和LCD顯示是進(jìn)行人機交互的重要手段，為降低成本，縮小控制器的體積，本系統采用獨立式鍵盤(pán)接口，使用多功能鍵，擴展4個(gè)按鍵。系統參數及信息顯示采用點(diǎn)陣式液晶顯示屏，由于要顯示的數據較多，本系統采用24064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(cháng)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量限制，可根據實(shí)際情況進(jìn)行最理想的電容器組配置，達到最佳的補償效果。

電容器的投、切采用復合開(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)揮零電壓導通、零電流切斷的控制功能，防止了電容器投、切過(guò)程中對電網(wǎng)的浪涌和對設備的沖擊，避免在電容器兩端產(chǎn)生過(guò)電壓，延長(cháng)電容器的壽命。

3.5 遠程通訊
與主控中心的通訊：主控機采用通訊協(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)化系統中的一個(gè)元件輕易地納入到自動(dòng)化控制系統中來(lái)，減少了單獨組網(wǎng)和開(kāi)發(fā)系統軟件的巨大工作量。通訊協(xié)議采用多功能電能表通信規約（DL/T 645-1997）。隨本裝置出廠(chǎng)，提供主控器通信口采集軟件一個(gè)，可用于下載數據等。

與復合開(kāi)關(guān)的通訊：主控機與各復合開(kāi)關(guān)之間采用485通信，各復合開(kāi)關(guān)采用+12V供電。下圖2左邊的FHD為單相組復合開(kāi)關(guān)接線(xiàn)圖，右邊的兩個(gè)FHS為三相組復合開(kāi)關(guān)接線(xiàn)圖。從圖中可以看出，單相組復合開(kāi)關(guān)的電容器組只能接成星型連接，而三相組復合開(kāi)關(guān)的電容器組可以接成星型連接或三角型連接。

4控制策略
投切控制不以功率因數為判據（可以以功率因數為判據），因實(shí)際補償是通過(guò)無(wú)功功率的投入來(lái)實(shí)現的，所以以無(wú)功功率為判據進(jìn)行補償更為科學(xué)。為使控制更為合理，依據低壓側總無(wú)功功率的大小，實(shí)現電容器的自動(dòng)投入和切除。從下圖3可以看出，控制器工作在陰影區時(shí)控制器不動(dòng)作，當不滿(mǎn)足此條件時(shí)，控制器靠投切一定數量的電容器來(lái)滿(mǎn)足此條件，使控制器工作在陰影區，達到平衡無(wú)功的目的。投切原則：三相優(yōu)先，單相互補；電壓缺相自動(dòng)切除全部電容器；電壓超過(guò)設定值，由小到大逐級切除電容器；電容器因電壓超限分閘后，再次投入時(shí)，必須具備以下三個(gè)條件：(1)電壓和無(wú)功功率滿(mǎn)足投切定值要求，(2)延時(shí)一定的時(shí)間間隔（0～30秒可調），(3)根據投切前后的電壓差值，對當前運行參數（PQI）進(jìn)行綜合分析，確保再次投入后不超過(guò)上限電壓，并且要有一個(gè)電壓富余值。

5軟件設計
軟件采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編寫(xiě)，系統主時(shí)鐘采用8MHz，定時(shí)器定時(shí)625uS產(chǎn)生中斷，在中斷處理中采樣電壓、電流值，每工頻周期采樣32點(diǎn)數據。其主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

6結語(yǔ)

控制器采用了高性能的單片機，其豐富的片內資源，使得外圍擴展器件少，體積小，降低了成本，也降低了故障率，減少了設備的維護量。能投入最接近的電容器組合，取得較好的補償效果，系統配置靈活、適應性強。根據實(shí)際的運行情況，可靈活的配置電容器組數、各組容量、投切控制方式等，而且電容器組數不受數量的限制，使得控制器可滿(mǎn)足不同的系統需求，具有較大的適應性。功能齊全，投、切控制安全，控制器集配變監測、無(wú)功補償、諧波分析、數據遠傳于一體。能夠存儲多達半年的實(shí)時(shí)運行數據和故障記錄數據，可現場(chǎng)和遠程查閱。

參考文獻（References）
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