【文章內容簡介】 %。 (2) 輸入電流模擬量 額定輸入電流模擬量： 5A 50Hz 輸入端輸入阻抗： 不大于 2. 測量及顯示精度 (1) 電壓 各相電壓 % (2) 電流 各相電流 % (3) 有功功率 各相及總和 % (4) 無功功率 各相及總和 % (5) 視在功率 各相及總和 % (6) 頻率 % (7) 功率因數(shù) % 3. 控制要求 (1) 控制靈敏度 不大于 (2) 過電壓保護 應在 105%～ 120%之間可調，動作回差 612V (3) 延時時間 10～ 120s 可調 (4) 過電壓分段總時限 不大于 60s (5) 投切動作時間間隔 不小于 300s (6) 斷電后所有數(shù)據保持時間 不小于 72h 11 (1) 功能設置要求 1) 能實現(xiàn)三線對稱補償和分相補償組合 2) 投入、切除門限設定值 3) 延時設定值 4) 過壓保護設定值 5) 諧波超值保護設定值 6) 面板功能鍵操作應具有容錯功能 7) 面板設置應具有硬件或軟件閉鎖功能 (2) 顯示功能 1) 工作電源工作顯示 2) 超前、滯后顯示 3) 輸出回路工作狀態(tài)顯示 4) 過壓保護動作顯示 5) 控制器應具有電網即時運行參數(shù)及設定值調顯功能 6) 控制器應具有監(jiān)測或統(tǒng)計數(shù)據調顯功能 7) 諧波超值保打動作顯示 8) 手動、自動指示顯示 (3) 延時及加速功能 :輸出回路動作 應具有延時及過電壓加速動作功能。 (4) 程序投切功能 :手動或自動投切選擇，自動狀態(tài)時應具有自動循環(huán)投切。 (5) 自檢復歸功能 :控制器每次接通電源應進行自檢并復歸輸出回路 (即輸出回路處在斷開狀態(tài) )。 (6) 投切振蕩閉鎖 :在輕負荷時，控制器應有防止投切振蕩的措施。 (7) 閉鎖報警 :當系統(tǒng)電壓大于或等于一定值 (該值可調 )，閉鎖控制器投入回路；投切器內部發(fā)生故障時，閉鎖輸出回路并報警；執(zhí)行回路發(fā)生異常時，閉鎖輸出回路并報警。 (8) 數(shù)據傳輸 :用中間體 (如抄表器 )抄錄實時數(shù)據和歷史數(shù)據，用 RS232 接口 X485 接口。 12 主電路設計 帶電力監(jiān)測的智能無功補償裝置的 總電路 圖如圖 21 所示。 負荷信 號 衰 減低 通 濾 波參 考 電 壓+ 1 . 6 5 V信 號 采 集 部 分C TP T觸 發(fā) 電 路觸 發(fā) 變 壓器執(zhí) 行 單 元 L F 2 4 0 7R O MR A MD O G鍵盤液晶顯示指示燈R S2 3 2接口PR OME 2 圖 21 帶電力監(jiān)測的無功補償裝置 的總電路 圖 該裝置上電后，經過一定延時，控制器再開始工作，通過對系統(tǒng)三相電壓、三相電流采樣，根據電壓、電流的值計算系統(tǒng)無功功率，并與用戶設定的投入門限、切除門限相比較，再考慮系統(tǒng)電壓幅值情況確定電容器組的投切，投切命令輸入到觸發(fā)電路，由觸發(fā)電路控制晶閘管在電壓正向峰值時投入電容器，按照“在保證電壓不 越限的前提下，使變壓器從系統(tǒng)中吸收的無功最小”的原則對電容器組進行控制，能有效改善電壓質量，提高功率因數(shù)，降低網絡損耗。考慮系統(tǒng)的復雜性及經濟性，電容器分組采用二進制方案，即采用（ K1）個電容值均為 C 的電容和一個電容值為 (C/2)的電容，這樣的分組可使組成的電容值有 2K 級。最小電容量那一路作為單位電容量，它的大小決定了補償精度。 本系統(tǒng)由 TMS320LF2407DSP 控制，實時監(jiān)測電力系統(tǒng)無功功率和電壓并跟蹤系統(tǒng)無功功率的大小，采用晶閘管投切并聯(lián)電容器組的無功功率補償裝置。該裝置因響應速度快、動態(tài)性能好， 所以能實現(xiàn)對決速變化的無功進行跟蹤補償。該裝置具備完整的顯示控制保護功能。根據需要可顯示功率因數(shù)、系統(tǒng)電壓、負載電流、無功功率等值。并可實時在線設置投入門限、切除門限、過壓值、欠壓值、延時值等參數(shù)。能延時可調、過壓自動切除，能有效地提高功率因數(shù)改善電壓質量、降低電能損耗、消除電壓波動、濾除高次諧波，抑制電壓閃變，減少電壓不平衡，可廣泛應用低壓配電系統(tǒng)及工礦企業(yè)，是老式補償裝置理想的更新?lián)Q代產品。 主控制器芯片的選取 本系統(tǒng)采用 TI 公司的 TMS320LF2407 作為主控制器，主要是考慮諧波測量的準確性與無功補償是不可分割的。 13 該芯片是 TMS320C2020 平臺下的一種定點 DSP 芯片，是一款專為控制設計的單片機。處理速度很決，達到 30MIPS，在晶振頻率為 20MHz 時，計算一次 64 點的 FFT 運算用時只有 611s,特別適合于處理諧波分析。用到的數(shù)字濾波和傅立葉變換等運算的微處理器。同時它又具有低成本、低功耗、高性能的處理能 力 [17]。 TMS320 LF2407DSP 結構上的特點有以下幾個方面： 1. 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術，使得供電電壓降為 ，減小了控制器的功耗；30MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周 期縮短到 33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力。 2. 片內有高達 32K 字的 FLASH 程序存儲器，高達 字的數(shù)據 /程序 RAM,544 字雙口 RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM (SARAM)。 3. 兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個包括：兩個 16 位通用定時器； 8 個 16位的脈寬調制 (PWM)通道。他們能夠實現(xiàn)：三相反向器控制； PWM 的對稱和非對稱波形；3 個捕獲單元；片內光電編碼器接口電路； 16 通道 A/D 轉換器控制。 4. 可擴展的外部存儲器總共 192K字： 64K字程序存儲器； 64K字數(shù)據存儲器； 64KI/O尋址空間。 5. 看門狗定時器模塊 (WD1)。 6. 高性能 10 位模數(shù)轉換器 ADC)的轉換時間為 500ns，提供多達 16 路的模擬輸入，具有自動排序功能，可以同時采集最多 16 路的模擬信號，克服了 MCS196 單片機不能同時采樣多路信號的缺點。 7. 控制器局域網絡 (CAN) 模塊。 8. 串行通信接口 (SCI)。能與系統(tǒng)中的其他控制器進行異步通信 (RS232)。 9. 16 位的串行外設接口模塊 (SPI)。 10. 基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。 11. 高達 40 多個可單獨編程或復用 的通用輸入 /輸出引角 (GPIO )。方便擴展外設，滿足多數(shù)控制對像輸入輸出的需求。 同時，它還具有一些特別適用于進行大量數(shù)字信號處理的特點： 1. 哈佛結構：程序存儲器和數(shù)據存儲器獨立編址；取指和執(zhí)行重疊進行；結構的改進，高速緩存，高度并行，大大提高了運算速度。 2. 硬件乘法器：乘法是 DSP 的重要組成部分。乘法的速度越快， DSP 處理器的性能就越高。它能實現(xiàn)單指令乘加運算和變址運算。 3. DSP 指令： DSP 芯片采用特殊的指令。它將多條指令進行壓縮，如指令功能壓縮和指令周期縮短 (200ns 降到 20ns 以下 )，可以在一個指令周期內執(zhí)行多條指令，提高了處理器的速度。 4. 流水線：四級流水線；并行處理；取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行同時進行。 5. 在芯片內設置了專門的硬件數(shù)據指針的逆序尋址功能。因頻譜分析的基礎是 FFT，從而加快了頻譜分析的過程。 綜合這幾方面原因，采用 F2407 做主控制器，既能滿足作為控制器的功能，它突出的計算能力又能快速準確的分析諧波量，在諧波量超標的情況下，停止投入電容器，防止了重大事故的發(fā)生。 14 模擬信號輸入處理單元 此模塊包括電壓電流信號形成回路、低通濾波回路 (ALF) 、基準電壓 (VBASE)形成回路、同步方波形成回路。此模塊的作用是將電壓互感器 (YH)和電流互感器 (LH)二次輸出的電壓、電流模擬量經過上述環(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 轉換通道進行采樣，將其轉化為計算機能接受與識別的數(shù)字量，再進行數(shù)據處理及運算。 根據采樣定理，采用 FFT 測量諧波，若要求準確測量 2n ( n=1,2 ,3? )次諧波，則每周波采樣點數(shù)應最少為 2 1?n 個點?？紤] DSP 的數(shù)字處理能力突 出，適于進行線性運算的特點，以及測量精度的要求，取系統(tǒng)的采樣頻率為 3200Hz，即每周波采樣 64 點，可準確測量 32 次諧波量。信號調理電路包括信號衰減和模擬抗混疊濾波器。由互感器得到的電壓電流信號線性衰減成能輸入 DSP 的量程范圍，再經抗混疊濾波器濾波，輸入 DSP 的A/D 轉換器中進行采樣和模數(shù)轉換。抗混疊濾波器的作用是把電力系統(tǒng)的信號進行低通濾波，濾除高頻分量，使輸入 DSP 進行處理的信號是滿足奈奎斯特采樣定律 ( hs ff 2? )要求的信號，消除混疊現(xiàn)象，提高 FFT 的運算精度。 電流互感器 T1, T2 和 T3 的原邊電流 ,為 0～ 5A，互感器 CT，變比為 12500/1，則refVIRV ?? 1250011160，其中 為交流地，對應的直流電平為 。 1aI 2aI 1bI 2bI 1cI 2cIT 1T 2T 3R 1 1 8R 1 1 7R 1 1 65 05 05 0V r e f [ + 1 . 6 5 v ] 圖 22 電流信號形成回路 電壓互感器的變比為 1:1, 原邊電阻相對于 110K 可以忽略，因此r e fr e fr e fout VVVRRVV ??????? 000 0/1002202091221。 15 T 4T 5T 6R 1 2 4R 1 2 3R 1 2 21 0 01 0 01 0 0V r e f [ + 1 . 6 5 v ]R 1 1 9R 1 2 0R 1 2 11cU 1bU 1aUG R O U N DG R O U N DG R O U N D1 1 0 K1 1 0 K1 1 0 KY R 33 9 0 v3 9 0 vY R 3 圖 23 電壓 信號形成回路 3. ALF 低通濾波電路 圖中 Dl, D2 將輸出信號鉗制在 ，保證輸入 LF2407A / D 轉換口的電壓在 0～，以保證其 AD 轉換的正常工作。 3+aV4 03 KC 4 00 . 1 u FV r e f 1 . 6 5 VR 4 23 . 5 KC 4 10 . 1 u F24V C C + 1 2 VV C C 1 2 VC 4 2R 4 33 5 KL M 3 2 41V A 3 . 3D 1D 2U A I NC 4 30 . 1 u FU 1 2 A0 . 1 u F 圖 24 ALF 低通濾波電路 令 R40=R41=R,C40=C41， R42=R,R43=R2,則： 22231)( SCRR C SASA upu ??? ， 其中121 RRAup ?? ,將數(shù)據帶入上式，可以算出截止頻率為HzRSf p 1 5 9 12 3 ?? ? 。 由于需計算到工頻信號的 30 次諧波，即需 對 50x30= 1500Hz 的信號進行準確測量，根據奈奎斯特采樣定律，系統(tǒng)的采樣頻率為周波采樣 64 點 ， 采 樣 頻 率Hzf s 32020450 ??? ，因此輸入 DSP 的信號最高頻率應為 Hzff sh 16002 ?? ，即低通濾波器應將大于 1600Hz 的信號濾除。根據計算結果看出此低通濾波器能滿足要求。系統(tǒng)放 16 大增益 12 ????? RRA up。 濾波電路輸入信號為 士 ，輸出為 士 LF2407 的 A/D 輸入應在 0～ ，濾波放大電路的輸出能夠滿足 DSP 的要求。 選用 LM117 產生穩(wěn)壓電路。輸出6316263 )1( RIRRV ADre f ???。 將數(shù)據代入得VVref ? 。 5 VC 3 10 . 1 u F2U 3 0L M 1 1 7V i n + V o u tAD11C 3 21 0 u F R 6 31 0 0D 1 4V r e f 1 . 6 5 VC 3 31 u F3R 6 23 3 7 圖 25 基準電壓產生回路 5. 同步方波產生回路 5 1 KV r e f aR 3 41 21 3U 1 2 DL M 3 2 4R 3 34 0 0 KV C C 1 2 VC 6 80 . 1 u FV C C + 1 2 VC 6 80 . 1 u FV A