電力系統(tǒng)無功功率的平衡是電能質(zhì)量的重要保證。在電力系統(tǒng)0.4kV低壓電網(wǎng)中，采用無功補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)，減少無功損耗，是改善供電質(zhì)量、減少損耗、提高設(shè)備利用率的重要手段之一。目前低壓無功補(bǔ)償裝置多采用MCU作為主處理器，通過A/D采樣電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)的無功功率、無功電流或功率因數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的控制策略來控制電容器組的投切，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償。這類控制器由于A/D采樣精度不高，計(jì)算量較大，對(duì)CPU計(jì)算性能要求高，軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜且難度大，無功補(bǔ)償精度低，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)等，通常只能用于對(duì)無功補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求不高的場(chǎng)合。鑒于此，本文提出一種基于專用電能計(jì)量芯片+MCU的新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制器。
1控制器工作原理及硬件設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)高精度的無功補(bǔ)償?shù)那疤崾悄軌驕?zhǔn)確的測(cè)量電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，包括對(duì)有功功率、無功功率、能量、電網(wǎng)的功率因數(shù)、諧波狀況等參數(shù)的采集和測(cè)量。利用ATT7022A電能計(jì)量芯片可以得到這些參數(shù)的精確值，并且簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)。在控制策略上，許多無功補(bǔ)償控制器以功率因數(shù)作為投切判據(jù)（實(shí)際上功率因數(shù)的高低并不能直接反映無功缺額的大小），極易造成在某些情況下頻繁誤動(dòng)。若采用無功電流判據(jù)，這比僅用功率因數(shù)作判據(jù)好些，但也不夠完善。本設(shè)計(jì)采用無功缺額作為主判據(jù)，以功率因數(shù)和電壓作為輔助判據(jù)的綜合判據(jù)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容器的循環(huán)投切，對(duì)無功補(bǔ)償電容的控制更加合理。本文選用ATT7022A電能計(jì)量芯片搭配8位單片機(jī)ATMGAME168的設(shè)計(jì)方案，可以完成對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)及時(shí)精確地測(cè)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無功補(bǔ)償。
1.1的結(jié)構(gòu)及性能介紹
ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，具有l(wèi)6位A/D轉(zhuǎn)換精度，內(nèi)嵌有專用DSP電路，集成了6路二階sigma-deltaADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路。
能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，并支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功頻率校驗(yàn)輸出CF1、CF2提供瞬時(shí)有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。ATT7022A提供一個(gè)SPI接口，方便與外部控制器之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。
計(jì)量模塊主要是將從電壓、電流采樣通道來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字高通濾波和移項(xiàng)濾波或相位校正進(jìn)行計(jì)算，得到需要的參數(shù)量，包括電壓與電流有效值、功率、頻率、相位角等參數(shù)，并將這些參數(shù)存于計(jì)量參數(shù)寄存器中，通過SPI口將參數(shù)傳給控制器。
1.2系統(tǒng)主要功能單元
控制器系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由以下部分構(gòu)成。
圖1控制器系統(tǒng)硬件原理框圖
數(shù)據(jù)采集單元：電網(wǎng)的電壓、電流分別通過電壓、電流互感器，采用差分方式輸入給ATT7022的電壓通道和電流通道。電壓和電流的采樣輸入回路如圖2所示。電壓信號(hào)的輸入采用1：1的電流互感器方式，選用的是SPT204A，電流信號(hào)的輸入采用電流單端采樣方式，選用的是SCT254AK，每個(gè)輸入通道均加入了抗混疊濾波器。
圖2電壓和電流的采樣輸入電路
控制單元：在綜合考慮單片機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，選定AVR系列ATmegal28L單片機(jī)作為主控芯片。ATmegal28L是一款高性能低功耗的8位微處理器，采用RISC體系結(jié)構(gòu)，有53個(gè)可編程的I/O口，2個(gè)可編程的USART口，128K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash和4K字節(jié)的EEPROM，同時(shí)支持片內(nèi)調(diào)試，通過JTAG接口可以方便地對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位進(jìn)行編程。ATmegal28L通過SPI總線接口實(shí)現(xiàn)與ATT7022的通信，完成校表數(shù)據(jù)的寫入和寄存器結(jié)果的讀出。
過零觸發(fā)模塊：控制單元通過對(duì)ATT7022的測(cè)量結(jié)果分析、判斷，決定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償，即電容器的投切，由于電容器兩端電壓不能突變，電網(wǎng)電壓和電容器電壓的差值較大時(shí)，觸發(fā)晶閘管會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時(shí)的電流沖擊，必須在晶閘管兩端電壓為零時(shí)刻投切。所以選擇具有過零觸發(fā)能力的芯片控制電容器的投切，本控制器選用的是Motorola公司的MOC3083晶閘管。其外部連線如圖3所示。
圖3雙向晶閘管過零觸發(fā)電路
人機(jī)接口單元：人機(jī)接口包括鍵盤輸入和液晶顯示。鍵盤有確定、退出、前進(jìn)和后退4個(gè)通用按鍵，可手動(dòng)改變電容器的投切狀態(tài)，可切換液晶顯示內(nèi)容和設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間；液晶顯示采用RT12864模塊，主要顯示當(dāng)前各相的電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、各電容器投切狀態(tài)以及系統(tǒng)時(shí)間等。
通信單元：RS232/485串口通信用于與上位機(jī)，主要用來進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和控制器運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸、鐵電存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的輸出及系統(tǒng)時(shí)間的校準(zhǔn)等。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元：FM24C64為64K位FRAM鐵電存儲(chǔ)器，其支持1012次寫入，用于保存系統(tǒng)的某些初始值，低壓電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的定時(shí)存儲(chǔ)，系統(tǒng)故障狀態(tài)的存儲(chǔ)等功能，以便監(jiān)控主站隨時(shí)查閱歷史記錄。
2控制器的軟件設(shè)計(jì)
低壓電網(wǎng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)可通過ATT7022采樣、計(jì)算得出，CPU不用進(jìn)行A/D采樣數(shù)據(jù)的處理，這使CPU的運(yùn)算量大大降低，并且大大簡(jiǎn)化了軟件程序設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的運(yùn)行更為精確、可靠。所以，軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)從ATT7022所得到的各項(xiàng)參數(shù)的分析，依托合理的控制策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加合理、可靠地投切電容器和外圍接口電路的軟件設(shè)計(jì)等。
本裝置采用的電容器投切的控制策略是以無功缺額為主要判據(jù)，并結(jié)合功率因數(shù)與電壓的控制策略。分析電網(wǎng)是否過壓和欠壓，在保證電壓穩(wěn)定的前提下，分析電網(wǎng)的無功功率，判斷功率因數(shù)，與設(shè)定值比較，決定是否投切電容器以及如何投切更加合理，最大可能的實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的補(bǔ)償。
系統(tǒng)主程序流程圖中ATT7022的初始化，主要是系統(tǒng)的校準(zhǔn)，它決定了電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量的精確度，系統(tǒng)的校準(zhǔn)包含相位補(bǔ)償設(shè)置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、啟動(dòng)電流設(shè)置等。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖4示。
圖4系統(tǒng)主程序流程圖
3結(jié)束語
采用ATT7022實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換，并能精確地計(jì)算出電網(wǎng)的無功功率、有功功率、功率因數(shù)，為更加精確的實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而且減少了主控制器的運(yùn)算量，降低了對(duì)單片機(jī)的要求，大大精簡(jiǎn)了軟件設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗干擾性。目前樣機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，經(jīng)過掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，該無功補(bǔ)償控制器性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好，電網(wǎng)參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，電容器投切正確，能夠滿足0.4kV低壓電網(wǎng)自動(dòng)無功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>
