基于S3C6410的高校三相電網(wǎng)無(wú)功補償節能控制系統

隨著(zhù)高等院校的大規模擴招和教學(xué)條件的改善，各種電子與電器設備在高校中廣泛應用，高校成為當之無(wú)愧的能耗大戶(hù)，其中電能是主要能耗。然而在高校校園電網(wǎng)中，大量電力電子產(chǎn)品的存在，諧波污染變得越來(lái)越嚴重，無(wú)功功率的不斷增加不僅造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，對設備造成了極大損害，同時(shí)也給高校帶來(lái)了極其嚴重的資源浪費。為響應國家建設節能型社會(huì )的號召，充分利用電子技術(shù)以減少諧波污染，提高電能利用率，有效利用資源以保護生態(tài)環(huán)境成為當前社會(huì )的焦點(diǎn)。

為此，文中介紹了一種以ARM架構的高速處理器S3C6410為核心單元，以嵌入式Linux為軟件平臺的無(wú)功補償的節能控制系統設計方案，該設計融合了諧波分析、諧波檢測、無(wú)功補償、實(shí)施管理、屏幕顯示以及控制電容投切功能。同時(shí)，采用嵌入式技術(shù)，為該系統不僅便于功能擴展提供豐富硬件資源而且微處理器高速性能和Linux的實(shí)時(shí)調度，為系統既保障人機交互又保障系統的實(shí)時(shí)性。

1 諧波檢測原理與無(wú)功補償模型

電力系統中大量電力電子元件的使用，不僅有電網(wǎng)諧波的污染造成設備故障，還有大量無(wú)功功率的存在導致能耗利用率極低，造成能源的浪費。為保證高校電子與電器設備的正常運行，諧波檢測是治理諧波一個(gè)非常重要的先決條件，通常用某次諧波幅值相對于基波幅值的百分數來(lái)反應該諧波的含量，即：

式中：U1、I1和Um、Im分別表示基波電壓有效值、電流有效值和第m次諧波電壓有效值、電流有效值。當諧波含量超過(guò)一定的指標，則需對諧波進(jìn)行治理以保護電子設備。隨著(zhù)國內外學(xué)者的研究，諧波檢測的方法更趨向于高精度、高速度和實(shí)用性好的方向發(fā)展。

功率因數是用來(lái)衡量用電效率的重要指標，也從側面反映出電網(wǎng)能耗的利用率，一般用有功功率P和視在功率S的比值來(lái)表示：

λ=cosφ=P/S (4)

電網(wǎng)中系統三相電力電子元件的使用會(huì )導致三相電流不平衡，產(chǎn)生無(wú)功功率，增加配電壓器的有功損耗。為對無(wú)功進(jìn)行補償以節約高校電網(wǎng)能耗，本文采用Y接線(xiàn)和△接線(xiàn)兩種補償方式作用，對各相提供不同無(wú)功，消除不對稱(chēng)負荷產(chǎn)生的負序和零序電流分量，使得高校電網(wǎng)在理論上讓功率因數提高到1，以減少線(xiàn)路耗損，其三相無(wú)功補償模型如下：

上式中Pa、Pb、Pc和Qa、Qb和Qc分別表示三相有功功率和無(wú)功功率，三相不平衡電流無(wú)功補償一般只補償電容。

2 系統硬件

2.1 整體設計

系統硬件總體設計如圖1所示，包括電壓轉換器、電流轉換器、A/D采樣電路、鍵盤(pán)、LCD液晶顯示、SD卡、RS485通訊等接口電路。電壓轉換器將三相電壓轉化成PPV為-0.8～0.8 V之間的電壓信號，電流互感器通過(guò)接地電阻轉換為電壓后一并送入CS5451進(jìn)行數據采樣，由三星公司的基于A(yíng)RM1176JZF—S內核架構的S3C6410嵌入式微處理器負責對數據進(jìn)行分析，通過(guò)LCD控制器將數據傳給LCD進(jìn)行圖形化顯示，同時(shí)將數據結果(三相負荷需要補償的電容數)通過(guò)RS485通信接口送給電容組投切復合開(kāi)關(guān)執行投切動(dòng)作。

2.2 數據采集電路設計

節能控制系統的前端數據采集電路對后端諧波分析與無(wú)功補償投切電容的精度和準確度起著(zhù)關(guān)鍵性作用。特別是電網(wǎng)中各次諧波含量較小，所以高精度的AD轉換器對提高

數據精度是必要的。

首先三相電壓經(jīng)過(guò)電阻轉換器用分壓電阻的方法，將三相電壓信號轉換成為3個(gè)電壓信號，經(jīng)過(guò)阻容濾波送入CS5451。同樣，三相電流經(jīng)過(guò)電流互感器，將三相電流信號轉換成三個(gè)電流信號，經(jīng)過(guò)阻容濾波送入CS5451。CS5451是一個(gè)精度較高的AD轉換器，將輸入的電流電壓信號轉換成數字信號輸出。CS5451集成了6個(gè)△-∑模數轉換器和均分濾波器，3個(gè)具有增益可編程放大器的電流輸入通道對剛才輸入的電流進(jìn)行采樣，3個(gè)電壓輸入通道對輸入的電壓進(jìn)行采樣，6個(gè)通道可以實(shí)現同步采樣，保證數據沒(méi)有相位誤差;CS54 51通過(guò)一個(gè)4線(xiàn)制串行數據輸出口SPI與S3C6410進(jìn)行通訊，每隔250微秒主動(dòng)發(fā)出一組數據，最后$3C6410對收集到的信息進(jìn)行分析處理?；贑S5451的數據采樣電路設計如圖2所示。

2.3 LCD液晶顯示與觸摸屏電路原理

ARM11架構的S3C6410處理器本身包含了TFT24位真彩色液晶顯示控制器，可支持3.5寸、4.3寸、5.6寸等帶有觸摸屏TFT液晶屏，分辨率可達1024*1024，最大支持2k*2k虛擬屏幕尺寸，擁有16級Alpha混合。本系統采用4.3寸WXCAT43-TG3#001帶有觸摸屏的液晶顯示屏，由一個(gè)液晶顯示屏，一個(gè)驅動(dòng)電路，一個(gè)背光單元，一個(gè)模擬式電阻控制面板，分辨率為480*272，16：9寬顯示，擁有16777216色和24位RGB接口。

LCD液晶顯示與觸摸屏電路總體結構如圖3所示。LCD通過(guò)FPC座把接收到S3C6410的數據流輸入到RGB接口中，通過(guò)1個(gè)門(mén)驅動(dòng)和2個(gè)源驅動(dòng)T—con來(lái)控制TFT LCDPanel。對于tou ch panel觸摸得到的數據直接通過(guò)FPC座傳輸到S3C6410，S3C6410觸摸屏控制器采用正常轉換模式、單獨的X/Y坐標轉換模式、自動(dòng)(順序)的X/Y坐標轉換模式、等待中斷方式對數據寫(xiě)入到ADC的控制寄存器。

S3C6410顯示控制器有一個(gè)用于轉換圖像數據的邏輯，這個(gè)邏輯是指從本地總線(xiàn)的后處理器或系統內存內的視頻緩沖區到外部LCD驅動(dòng)器接口的傳輸圖像數據的邏輯。LCD驅動(dòng)接口有四種接口，如傳統的RGB接口，180接口，NTSC/PAL標準TV編碼器接口和IT—R BT.601接口。顯示控制器支持5層圖像窗口。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件組成

系統軟件采用嵌入式Linux作為操作系統。開(kāi)源的嵌入式linux系統性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開(kāi)放，同時(shí)擁有實(shí)時(shí)性、穩定性、安全性好的特點(diǎn)。通過(guò)在PC機linux環(huán)境下編譯Qtopia4.4.3移植到開(kāi)發(fā)板上。Qtiopia4.4.3是一個(gè)面向嵌入式系統的圖形用戶(hù)界面，包含完整的應用層、靈活的用戶(hù)界面、窗口操作系統、應用程序啟動(dòng)程序以及開(kāi)發(fā)框架。系統的軟件組成如圖4所示。

設備驅動(dòng)程序包含RS232驅動(dòng)、SD卡驅動(dòng)、USB驅動(dòng)和LCD驅動(dòng)程序等。在PC機linux環(huán)境下通過(guò)arm—gcc交叉編譯工具生成潛入式Linux內核并將其移植到NandFlash中。應用程序則采用QT creator進(jìn)行編程和設計，生成的文件通過(guò)編譯qtopia4.4.3中的qmake生成makefile，再執行make得到在開(kāi)發(fā)板上運行的qt應用程序。

3.2 CS5451的零點(diǎn)漂移補償算法

對于△-∑型CS5451采樣電路而言，會(huì )存在采樣值的零點(diǎn)漂移現象，為保證諧波檢測的精度和準確度，這里采用硬件和軟件結合的兩級消除采樣誤差的方法解決零點(diǎn)漂移現象。

硬件上先設定一個(gè)誤差修正電路圖如圖5所示，用來(lái)控制CS5451輸入電壓和電流的值進(jìn)行控制。

在軟件補償過(guò)程中，根據誤差修正公式*=b1y+b0，b0、b1為誤差校正因子，因此需要做2次校正。首先進(jìn)行系統零點(diǎn)校正使輸入量為0，根據誤差修正公式得到：

3.3 基于FFT算法的電網(wǎng)諧波分析

電網(wǎng)諧波的存在不僅會(huì )影響電網(wǎng)設備的的正常工作，縮短設備的壽命，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生諧波損耗，降低用電設備的能耗利用率，而準確的提取諧波信息則是諧波治理的關(guān)鍵環(huán)節。當前用于諧波分析的算法由很多，比如簡(jiǎn)單方便實(shí)用的FFT變換，具有時(shí)頻分析特性的小波變換等。本系統充分利用S3C6410處理器的高速計算能力，采用基于FFT算法的電網(wǎng)

諧波檢測方法，其程序流程圖如圖6所示。其主要思想是：

1)電網(wǎng)模擬電壓信號U(t)或電流信號I(t)經(jīng)過(guò)CS5451抽樣離散后，變成U(nT)或I(nT)，T為采樣周期;

2)將抽樣離散后的電壓U和電流I舜時(shí)值送入如下的FFT變換公式進(jìn)行快速傅里葉變換：

試中，

，被稱(chēng)為蝶形因子，上式是N點(diǎn)的FFT計算所有的X(k)約需要N2次乘法和N2次加法。由于

具有對稱(chēng)性和周期性。則FFT利用了蝶形因子這2個(gè)性質(zhì)加快了運算的速度。設N=2M，則總共有N/2個(gè)2點(diǎn)的FFT運算，因此，N點(diǎn)FFT進(jìn)行(N/2)log2N個(gè)蝶形運算;3)FFT變換后得到各個(gè)頻率點(diǎn)處的電壓或電流幅值，將這些幅值送入到公式(2)、(3)計算各相總的諧波含量。

4 數據驗證分析

為了基于S3C6410的無(wú)功補償技能控制系統的補償節能效果，在封閉型無(wú)功補償實(shí)驗模擬柜中，人為投入一些感性器件，以增加系統的無(wú)功功率。采用本系統進(jìn)行無(wú)功補償實(shí)驗，補償前與補償后的電流及各項功率因素入表1所示。實(shí)驗結果表明補償前無(wú)功實(shí)驗柜所采集的三相電流嚴重不平衡，功率因素也很低，但是采用基于專(zhuān)用電能測量芯片CS5 451和ARM11架構S3C6410的無(wú)功補償節能控制系統，通過(guò)Y接線(xiàn)和△接線(xiàn)兩種補償方式共同作用后，三相電流接近于平衡;功率因素達到了0.99，能量損失大大減小;且零序電流接近于0，消除了不對稱(chēng)負荷產(chǎn)生的零序電流;通過(guò)無(wú)功補償柜的模擬實(shí)驗證明本系統對高校電網(wǎng)節約電能具有重要推廣意義。

5 結束語(yǔ)

本文針對高校電網(wǎng)用電量大，諧波污染嚴重等問(wèn)題，介紹了基于嵌入式處理器S3C6410的節能控制系統構建過(guò)程，給出了系統的軟硬件結構，設計了電網(wǎng)信號曲線(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新的交互界面;針對諧波檢測過(guò)程中的零點(diǎn)漂移現象給出了硬件補償電路和軟件補償算法，提高了諧波檢測的精度;通過(guò)FFT算法對諧波進(jìn)行準確分析;采用三相電流不平衡補償算法模型，將三相負荷需要補償的電容數通過(guò)RS485通信接口送給電容組投切復合開(kāi)關(guān)，由復合開(kāi)關(guān)控制電壓的投切動(dòng)作。該系統集電網(wǎng)諧波檢測和無(wú)功補償為一體的電網(wǎng)節能控制系統，也實(shí)現了無(wú)功補償數據分析控制單元與執行的有效分離，以減小電容投切執行單元對數據分析控制單元的信號干擾。實(shí)驗結果表明，采用高速處理器S3C6410的強大數據分析能力和高精度特性，本系統能將功率因素至0.99，大大降低了高校用電能耗。