基于TE505的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償系統

　　引言

　　電力已經(jīng)成為現代社會(huì )不可或缺的能源。社會(huì )越發(fā)展，對電力的需求越強烈。由于建造發(fā)電廠(chǎng)需要巨額投資，而且會(huì )給環(huán)境帶來(lái)不小的污染。因此，采用電力電子技術(shù)高效地利用已有的電力資源，實(shí)現降低損耗和擴大容量是電力可持續發(fā)展之道。研究和實(shí)際運行的經(jīng)驗表明：采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補償系統可大大提高現有電網(wǎng)的傳輸能力，大幅度降低電網(wǎng)損耗，從而節約了建造電廠(chǎng)的投資。

　　本文提出以Triscend公司的可配置的片上系統(CSoC，Configurable System on Chip)芯片TE505為核心，配合外圍的AD采樣電路，無(wú)功補償裝置的投切電路，脈沖寬度調節電路，顯示模塊以及鍵盤(pán)模塊，通過(guò)軟件編程方式來(lái)實(shí)現核心部分的數據計算，控制算法以及保護邏輯，用硬件來(lái)實(shí)現系統的外圍功能，以實(shí)現對電網(wǎng)線(xiàn)路的無(wú)功補償，提高功率因數。

　　無(wú)功的介紹及無(wú)功補償裝置

　　電力網(wǎng)絡(luò )除了供給用戶(hù)有功負荷之外，還要供給用戶(hù)以無(wú)功的負荷。用戶(hù)的用電設備都有電感和電容存在，所謂無(wú)功負荷，則是為了維護電源和電設備的電感和電容之間磁場(chǎng)和電場(chǎng)振蕩所需的能量。因此，只要電力系統已經(jīng)形成，該能量則是不可避免的。無(wú)功分電感性和電容性?xún)煞N。感性無(wú)功是電力母線(xiàn)上電壓相位超前電流相位造成的，而容性的無(wú)功正好相反。為了電網(wǎng)的穩定和提高電器設備的壽命，應該盡量使電力線(xiàn)路上存在的無(wú)功盡量小。功率因數是電網(wǎng)提供的有功功率與提供的總功率的比值。而總功率是由有功功率和無(wú)功功率共同組成的。若無(wú)功功率降低，則系統功率因數就會(huì )提高。

　　目前真正實(shí)用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償方案主要還是靜止無(wú)功補償裝置(SVC，Static Var Compensator)。自上世紀80年代以來(lái)，傳統靜止無(wú)功補償裝置經(jīng)過(guò)長(cháng)足的發(fā)展，成為了主要的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，解決了大量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補償問(wèn)題。但是在應用于6KV以上的高壓系統時(shí)，還是無(wú)法克服幾個(gè)裝置本身所固有的缺陷：可靠性低、諧波污染大，維護費用高等。隨著(zhù)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和對電抗器工藝與結構的突破性改進(jìn)，在克服了傳統飽和電抗器響應速度慢、損耗大、噪音大、諧波大等缺點(diǎn)之后，一種基于磁閥式飽和電抗器(MCR)的新型靜止無(wú)功補償裝置在具備了響應速度快的特點(diǎn)的同時(shí)，克服了傳統靜止無(wú)功補償裝置的上述諸多缺陷。本系統采用這種新型的無(wú)功補償裝置，該裝置由磁閥式飽和電抗器和電容構成，并聯(lián)到電網(wǎng)母線(xiàn)上。

　　無(wú)功補償系統控制方法

　　該無(wú)功補償系統連接在變電站的低電壓側，實(shí)時(shí)采樣電網(wǎng)母線(xiàn)上電壓值和電流值，通過(guò)瞬時(shí)無(wú)功理論計算電網(wǎng)線(xiàn)路上當前時(shí)刻的無(wú)功。計算出當前的無(wú)功后與用戶(hù)設置的目標無(wú)功值進(jìn)行比較，如果在用戶(hù)設置的范圍內，系統不進(jìn)行任何操作。若當前無(wú)功超出用戶(hù)設置的目標無(wú)功值范圍，該系統就會(huì )在條件滿(mǎn)足時(shí)將無(wú)功補償裝置和電網(wǎng)母線(xiàn)連接的開(kāi)關(guān)閉合，從而實(shí)現對電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補償。

　　無(wú)功補償系統的硬件平臺

　　如圖1所示。AD通過(guò)TE505的配置，循環(huán)采樣電網(wǎng)母線(xiàn)上的電壓值和電流值以及無(wú)功補償裝置的電流。測量電網(wǎng)母線(xiàn)上的電壓和電流是為了計算系統當前的有功和無(wú)功。測量補償裝置的電流值是為當裝置上的電流有效值大于用戶(hù)設置的保護值時(shí)，要切斷無(wú)功補償裝置和母線(xiàn)的連接以保護無(wú)功補償裝置。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入無(wú)功的目標值，無(wú)功補償裝置的電流保護值等一些系統參數以滿(mǎn)足實(shí)際的需要。EEPROM負責存儲用戶(hù)設置的參數，以便每次上電后保持上次的設置。LCD負責顯示當前系統的有功、無(wú)功等信息，也可以顯示用戶(hù)設置的參數值。TE505可以通過(guò)控制投切開(kāi)關(guān)來(lái)控制電容和MCR與電網(wǎng)母線(xiàn)相連。而MCR的電感量的大小可以通過(guò)TE505發(fā)送的脈沖寬度調制信號(PWM，Pulse Width Modulation)來(lái)設置。

　　TE505的介紹

　　TE505是可配置微控制器，它在一個(gè)器件上集成了一個(gè)增強性能的加速8051嵌入式微控制器,一個(gè)大小為16KB的SRAM塊,一個(gè)高速的專(zhuān)用系統總線(xiàn)以及緊密連接在處理器和系統總線(xiàn)上的可配置邏輯。TE505針對嵌入式系統應用進(jìn)行了優(yōu)化的高度集成,全靜態(tài)單芯片系統。TE505內部的增強型8051微控制器的指令周期是4個(gè)時(shí)鐘周期?？梢钥焖偻瓿纱罅康挠嬎?。TE505片內的RAM值可以配置到相應的管腳作為輸出。

　　顯示模塊

　　無(wú)功補償系統中使用一個(gè)可以顯示128×64點(diǎn)陣的字符型LCD來(lái)顯示菜單和用戶(hù)設置的數據以及當前系統狀態(tài)信息。LCD的數據總線(xiàn)、讀寫(xiě)信號線(xiàn)、A0，直接與TE505相應的信號線(xiàn)連接。片選信號CS1，CS2和一根控制線(xiàn)相連。這樣TE505就可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)相應的地址對LCD進(jìn)行控制。

　　鍵盤(pán)控制

　　為了方便操作鍵盤(pán)共有6個(gè)鍵。上、下、左、右、確定，取消。在菜單選擇頁(yè)面，上，下鍵可以選擇相應的菜單，確定鍵用于進(jìn)入有子頁(yè)面的菜單選項，取消鍵用于退出。在數據修改頁(yè)面，上，下鍵用于增加和減少光標所在數據位的值，左，右鍵用于移動(dòng)光標到數據要修改的位。

　　存儲模塊

　　為了存儲用戶(hù)設置的參數，該系統采用Microchip的EEPROM，型號為93AA66A，大小4kbit。這樣在掉電后重新啟動(dòng)時(shí)可以自動(dòng)從EEPROM中將上次用戶(hù)設置的參數讀出來(lái)，供無(wú)功補償系統計算使用。

　　無(wú)功補償裝置模塊

　　無(wú)功補償裝置由磁閥式飽和電抗器(MCR)和電容組成，并聯(lián)到電網(wǎng)母線(xiàn)上。連接方式如圖2所示。

　　無(wú)功補償系統的軟件設計流程

　　TE505的軟件開(kāi)發(fā)，使用Triscend公司提供的軟件FastChip。

　　首先在開(kāi)發(fā)工具FastChip中選擇目標芯片，本系統選擇TE505下的TE505S16-40L。選擇好目標芯片后，要對芯片內部一些如定時(shí)器，看門(mén)狗等基本功能單元進(jìn)行配置。如圖3所示。雙擊要配置的功能單元就可以在出現的對話(huà)框中進(jìn)行參數設置。根據系統的實(shí)際需要，這里選擇定時(shí)器1和看門(mén)狗。通過(guò)配置定時(shí)器1約0.33ms產(chǎn)生1次中斷以啟動(dòng)AD采樣電網(wǎng)母線(xiàn)上的電壓和電流值?？撮T(mén)狗設置為約1.6s‘喂’一次。



　　完成目標芯片的選擇和內部基本功能單元配置后，建立要用的寄存器和相應的輸入，輸出模塊，如圖4所示。左面是一些可以選的資源。選中需要的資源后，拖到右面的框中，就完成了添加。最重要的是該工具能把用邏輯綜合工具(如Synplify)生成的網(wǎng)表文件導入，使芯片具有邏輯可編程功能。在設置好相應寄存器后可以點(diǎn)擊generate鍵， FastChip自動(dòng)給要用的寄存器分配地址，并生成相應的頭文件。以及用于T E505初始化的C語(yǔ)言文件。生成文件后，進(jìn)入芯片管腳分配界面將要輸出的寄存器的各個(gè)位連接到芯片的可用的管腳上，如圖5所示。分配主要根據印刷電路板上的連接。在完成好以上兩步設置后就可以對芯片進(jìn)行綁定了。點(diǎn)擊bind按鈕進(jìn)行綁定。綁定時(shí)還可以對綁定的效果和綁定消耗的時(shí)間進(jìn)行選擇。注意由于軟件破解的問(wèn)題，以上過(guò)程要在英文環(huán)境下進(jìn)行。

　　在對芯片內除微控制器以外的資源進(jìn)行設計完后，開(kāi)始對TE505的基于51內核的控制器進(jìn)行編程。本系統使用Keil uVision2工具，采用C語(yǔ)言編程。在Keil uVision2中建立工程選擇目標芯片時(shí)，選擇Triscend公司的TE505。然后把FastChip生成的頭文件和芯片初始化文件加入工程，在主程序中要調用芯片初始化文件中的對芯片初始化的函數，以完成對芯片的初始設置。初始化后再根據工程的需要編寫(xiě)代碼。編寫(xiě)好代碼后可以用Keil uVision2進(jìn)行仿真和調試，具體用法請參考Keil uVision2使用的相關(guān)文檔。將代碼用Keil uVision2編譯，鏈接生成hex文件后，要啟動(dòng)Triscend公司提供的軟件Device link進(jìn)行下載。啟動(dòng)Device link后要根據實(shí)際情況進(jìn)行配置。主要是時(shí)鐘源的選擇和Flash型號的選擇。下載時(shí)最好停止CPU運行，這樣可以減少對程序下載的干擾。


　　
　　結語(yǔ)

　　現場(chǎng)測試表明，TE505內部增強型8051控制器運行時(shí)鐘快，指令周期短，很好的完成了計算無(wú)功的工作，達到了實(shí)時(shí)處理的效果，實(shí)現了對無(wú)功的動(dòng)態(tài)補償。而且TE505將可編程邏輯資源和微控制器集成到一個(gè)芯片中，避免了用單片機配合FPGA(Field Programmable Gate Array,現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列)來(lái)完成對輸出數據時(shí)序的要求。這樣不但減少了系統所需的芯片數量，降低了成本。還將控制器和可編程邏輯資源之間的連接信號由芯片外放到芯片內，增強了系統的抗干擾能力。

　　參考文獻：

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