【文章內容簡介】 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(jīng)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(jù)處理及運算。根據(jù)采樣定理，采用FFT測量諧波，若要求準確測量2 ( n=1,2 ,3… )次諧波，則每周波采樣點數(shù)應最少為2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(jīng)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?？够殳B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()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，其中 為交流地。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。 圖23 電壓信號形成回路3. ALF低通濾波電路圖中Dl, ，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。 圖24 ALF低通濾波電路令R40=R41=R,C40=C41，R42=R,R43=R2,則： ，其中 ,將數(shù)據(jù)帶入上式，可以算出截止頻率為 。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(jù)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，因此輸入DSP的信號最高頻率應為，即低通濾波器應將大于1600Hz的信號濾除。根據(jù)計算結果看出此低通濾波器能滿足要求。系統(tǒng)放大增益。，～，濾波放大電路的輸出能夠滿足DSP的要求。選用LM117產(chǎn)生穩(wěn)壓電路。輸出。將數(shù)據(jù)代入得 。圖25 基準電壓產(chǎn)生回路5. 同步方波產(chǎn)生回路 圖26 同步方波產(chǎn)生回路為模擬信號經(jīng)過低通濾波之后的信號，運放起了電壓比較的作用，VAPULSE為0～，送入DSP的捕捉引角，通過DSP的定時器測出兩個上升沿之間的時間，即通過測出正弦信號過零點之間的時間,而得出電網(wǎng)信號的周期。再由采樣點數(shù)計算出采樣頻率，以保證同步采樣，消除非同步采樣引起的頻譜泄漏，保證測量精確性。6. 模數(shù)轉換器(ADC)模數(shù)轉換器我們采用LF2407自帶的帶內置采樣和保持的A/D轉換器，具有10位精度，轉換速度最快達到500ns，并且可以同時采樣16路信號。有多個觸發(fā)源可以啟動AD轉換，包括軟件啟動、EVA，EVB和外部觸發(fā)(ADCSOC)。模數(shù)轉換模塊的排序器包括兩個獨立的最多可選擇8個模擬轉換通道的排序器(SEQI和SEQ2)，這兩個排序器可被級聯(lián)成個最多可選擇16個轉換模擬通道的排序器(SEQ)。在這兩種工作方式下，ADC模塊都能夠對一序列轉換進行自動排序。轉換后的數(shù)值結果保存在該通道相應的結果寄存器中，這樣用戶可以對同一個通道進行多次采樣，即對某一通道實行“過采樣”，這樣得到的采樣結果比傳統(tǒng)的采樣結果分辨率高。 LF2407DSP系統(tǒng)模塊該模塊包括LF2407DSP電路，存儲器(SRAM)電路，電源保護電路，上電復位電路和串行實時時鐘電路。1. TMS320LF2407電路LF2407DSP是哈佛結構，程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分別尋址，可以實現(xiàn)同時尋址。LF2407具有16位數(shù)據(jù)線和16位地址線。2407的指令執(zhí)行速度為30MIPS，外部時鐘選擇10MHz的石英晶振，再通過內部2倍頻得到20MHz的工作頻率。ADCIN00～ADCIN5為AD轉換器的模擬量輸入，其中ADCIN00, ADCINI、ADCIN2為三相電壓輸入，ADCIN3, ADCIN4,ADCIN5為三相電流量輸入，將三相電壓電流信號轉換成數(shù)字量。雙向IO口PC0～7和PE6,PE7作為控制量(數(shù)字量)輸出和數(shù)字信號輸入接口，既可以用來輸出控制晶閘管導通的控制信號，又可以作為晶閘管導通狀態(tài)輸入接口。SCITXD和SCIRXD接口作為通訊線，CAP1為事件管理器1的捕捉引角，用來捕捉方波信號的上升沿，從而測量電網(wǎng)信號的周期。IO口PA4～7作為控制器狀態(tài)顯示，分別代表通訊自動、諧波超值保護、故障、通訊狀態(tài)。2. 存儲器電路LF2407自帶32K的Flash，外部可擴展64K數(shù)字存儲器和64K程序存儲器。將2407的引角接地，即2407工作在微控制器方式下，即從內部程序存儲器(FLASH EEPROM)的0000h開始程序執(zhí)行，外部擴展的存儲器地址分配到8000h開始的地址空間。DS和PS分別接2407的DS和PS引角，它們分別為數(shù)據(jù)空間選通引角和程序空間選通引腳，當它們?yōu)榈碗娖綍r，分別表示選通數(shù)據(jù)空間和程序空間。選用的外部存儲器為CYPRESS公司的CY7C102l，是64Kl6 SRAM。其中32K空間擴展為程序存儲器，32K空間擴展為數(shù)據(jù)存儲器。A0～A14為地址線的低15位，A15接DS，即SRAM的0000h7FFFh為數(shù)據(jù)空間，8000hFFFFh為程序空間。圖27 存儲器電路3. 時鐘電路 圖28 時鐘電路無源晶振采用10MHZ，經(jīng)內部時鐘定位(PLL)2倍頻得到2407的主頻為20MHz。PLL采用外部濾波環(huán)電路來消除抖動。如圖29所示，濾波環(huán)由C41, C42和R14[18]組成，與2407接口為PLLF和PLLF2。4. 電源管理電路 圖29 電源管理電路電源監(jiān)控芯片選擇了TI公司的TPS7333Q，并有電平監(jiān)控的功能，RESET就輸出200ms的低電平以重啟DSP[19]。本系統(tǒng)共有4種不同的電平，+12V、12V,+5V和+。它們都由220V電壓供電，由變壓器輸出+12V、12V, +5V三種不同的電平信號，再由7912和7812穩(wěn)壓輸出+12V和12V電平；LM25765穩(wěn)壓輸出+5V電平；TPS7333將+5V電平轉換為+。5. 串型實時時鐘電路由于無功補償控制器要有歷史記錄，所以在系統(tǒng)中必須有實時時間基準，即時鐘芯片。在這里，我們選用的是PCF8583，其特點如下所述。PCF8583為帶總線接口的日歷時鐘芯片，其中還有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，由于作為日歷時鐘器件配有電池供電，可作為RAM的保護電源，故256字節(jié)的RAM可視為非易失性RAM。 PCF8583具有寬的工作電壓范圍()；RAM的數(shù)據(jù)保持電源電壓范圍1V6V；最大工作電流150181。A()：24或12小時格式，；具有可編程的鬧鐘、定時和中斷功能。由于TMS320LF2407沒有專用的時序引腳，所以本設計用軟件來模擬總線時序，實現(xiàn)了串行日歷時鐘芯片PCF8583與DSP芯片的接口電路及應用。其中PCF8583的SCL、SDA分別接F2407的IOPF0和IOPF1引腳。如圖211所示，為串型實時時鐘芯片接線圖。由于DSP ，所以設計中采用了三個二極管解決在掉電情況下電池只對PCF8583供電，而且電池處于浮充狀態(tài)。 圖210 串行實時時鐘芯片接線圖由于傳統(tǒng)機械觸頭動作速度與工頻電壓和電流的變化速度不匹配，在投切過程中由于電容器極性的存在產(chǎn)生涌流，難以實現(xiàn)無功補償?shù)膬?yōu)化運行，且經(jīng)常發(fā)生過補償。本系統(tǒng)選用晶閘管控制投切電容器，可以10ms的速度將補償投入電網(wǎng)，并嚴格控制在各相電壓最高點時合閘，無涌流沖擊。只在電流過零時刻切除，防止產(chǎn)生過電壓。可以頻繁投切，不損壞電容器。晶閘管的觸發(fā)脈沖由專門的觸發(fā)電路提供，嚴格保證相序正確。設有觸發(fā)延時可調控制，具備循環(huán)投切功能[20]。1. 驅動電路本系統(tǒng)中采用了先進的過零觸發(fā)電路，以電壓過零型光渦雙向晶閘管取代了由分立元件組成的功放電路及脈沖變壓器等脈動環(huán)節(jié)，簡化了觸發(fā)控制電路的結構：同時，由于無需考慮與系統(tǒng)電壓的同步問題且控制電路與主電路實現(xiàn)了光電隔離，因而提高了裝置的可靠性。本文中采用MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3083芯片設計三相晶閘管觸發(fā)電路，動態(tài)響應時間小于20ms。圖211給出的是單相觸發(fā)電路。圖211 單級觸發(fā)電路示意圖從理論上講，為了使補償電容器的投入與切除過程中不引發(fā)主電路的涌流沖擊，即在這一過程中當電容器上的電流始終保持整周期流動而沒有過渡過程，必須滿足以下3個條件，即保持準備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負峰值；投入選擇在電網(wǎng)線電壓和電容器上的電壓極性相同、峰值相等的時刻；切除時只要撤銷觸發(fā)信號即可，開關在電流過零之后會自行關斷。由于光耦雙向晶閘管的內部帶有過零檢測電路，因此由它組成的SCR觸發(fā)電路能夠在不附加同步電路的情況下實現(xiàn)上述補償電容器的無過渡過程投切。晶閘管的電壓值選擇要考慮電網(wǎng)上的電壓，一般按式(21)選擇： (21)式中 為電壓裕度，～； 為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，； U為電網(wǎng)電壓。晶閘管電流值一般按式(22)選擇： (22)式中C為電容量(μF)。本系統(tǒng)采用液晶顯示測量結果，并由鍵盤輸入命令，液晶顯示和鍵盤都是由F2407的通用I/O口擴展。當有鍵按下時會產(chǎn)生外部中斷，DSP執(zhí)行中斷程序，即鍵盤掃描和顯示器顯示程序。信號經(jīng)運算處理后，可由液晶顯示器顯示結果，便于觀察，也可由RS232接口與上位機進行通訊，上傳數(shù)據(jù)，便于存儲和查詢。 圖212 鍵盤電路鍵盤有上、下、左、右四個按鍵，當其中任何一個按下時，都會引發(fā)外部中斷，進入中斷程序，在中斷程序中判斷按鍵，并執(zhí)行相應命令。 圖213 液晶顯示電路采用12864的點陣式液晶顯示器，能顯示40個漢字，漢字庫預先存儲到程序存儲器中。液晶顯示器是通過DSP的I/O口模擬M6800操作時序進行控制。其中PB0～PB7為數(shù)據(jù)輸出，連接DB0～DB7，控制信號E,CSA,CSB,D/I和R/W分別由PEI～PE5控制。接口電路由圖214所示。3. 通訊接口電路 圖214 RS232通訊接口電路該電路采用了符合RS232標準的驅動芯片MAX232，進行串行通信。MAX232芯片功耗低、集成度高，+5V供電，具有兩個接收和發(fā)送通道。由于TMS320LF2407采用+。所以MAX232與TMS320LF2407之間加了電平匹配電路。第三章 動態(tài)無功補償控制器的軟件設計系統(tǒng)軟件為匯編語言編程，以提高編譯效率[21]。程序遵循模塊化設計原則，提高了系統(tǒng)的通用性和維護的簡易程度。程序主要包括：初始化、采樣、各種電量的計算、顯示和控制輸出等子程序。 主程序主程序的流程圖如圖215所示。DSP在一個工頻周期內等間隔地采集64個瞬間電壓、電流數(shù)據(jù)后，經(jīng)DSP處理計算出電網(wǎng)電壓、電流(包括零序電流)、功率因數(shù)、無功功率、有功功率、電壓電流、1～32次諧波等負荷參數(shù)值，存儲并送參量到顯示單元顯示，同時根據(jù)現(xiàn)場的實際情況通過控制器鍵盤設置參數(shù)來控制電容投切?？刂破鞑粩嗟乇O(jiān)測電網(wǎng)負荷參數(shù)，根據(jù)用戶設置的參數(shù)情況，形成投切控制字，由輸出環(huán)節(jié)具體完成電容器的正確投切。將輸出的9路控制信號分成3組，每組有3路控制信號，可以實現(xiàn)最多9組分補或最多9組共補控制，也可以實現(xiàn)分補、共補同時控制，分補、共補的數(shù)量取決于用戶配電參數(shù)設置和具體電網(wǎng)中電容器的連接情況。1. 初始化程序：主要完成數(shù)據(jù)存儲空間的檢測和初始化、通訊方式的設置、液晶顯示方式設置、事件管理器工作方式設置(設置定時器)、中斷設置（中斷寄存器和中斷優(yōu)先級設置)、啟動硬件看門狗、禁止開關動作等。2. 顯示方式設置：主要完成對液晶顯示的工作方式設置，初始化液晶顯示頁面。3. 掃描鍵盤命令：主要是查詢I/O口查看命令輸入，修改系統(tǒng)的參數(shù)。4. 數(shù)據(jù)處理程序：主要根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)，應用FFT算法計算各相有效電流、電壓、有功功率、無功功率等參數(shù)。5. 控制投切電容程序：根據(jù)計算得到的參數(shù)，運用控制策略控制電容投切，達到補償無功功率的目的。 圖215 系統(tǒng)流程圖 電容器投切原則無功補償?shù)脑砭褪菧蚀_檢測三相電路無功功率Q，然后根據(jù)Q值的大小進行電容器最優(yōu)投切，從而減小Q值，以達到最優(yōu)狀態(tài)。在被諧波污染的電網(wǎng)中投入電容器進行無功補償時，應注意避免產(chǎn)生諧波的諧振。消除諧波的方法，一般是在電容器上串聯(lián)電抗，來防止電流的突變。本系統(tǒng)采用實時跟蹤監(jiān)測電網(wǎng)中的諧波量的方法，在電網(wǎng)中的諧波量超出設定值時，停止投入電容器，并報警，以防止重大事故的發(fā)生。 圖216 頻率測量程序 中斷程序1. 外部中斷當鍵盤有按鍵按下時就進入外部中斷，執(zhí)行外部中斷子程序。此子程序主要完成鍵盤的掃描和執(zhí)行相應于不同按鍵的命令。其中,上、下按鍵控制液晶顯示器顯示內容翻頁和控制光標指示的作用。左、右鍵相當于+和，即在設定參數(shù)時，相對于系統(tǒng)設定值的偏差，按左鍵即加個單位，按右鍵則減一個單位。在設定參數(shù)時，按下鍵即為確定，則進入下一個參數(shù)的設定。2. 定時器中斷程序(頻率測量子程序)定時器捕捉中斷程序由圖217所示。程序主要完成信號頻率的測量，當測量值44f56時為正確值并存儲新頻率值。工頻信號的頻率是50Hz，但是實際的電力系統(tǒng)電網(wǎng)信號由于受到各種月擾，電信號的頻率也不可避免的出現(xiàn)波動。《電能質量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T1594595) 對頻率偏差的限制規(guī)定為：電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值 。當系統(tǒng)容量較小時。 Hz的范圍內。FFT運算又要求采樣點數(shù)必須是2的整數(shù)次冪個，當電網(wǎng)的頻率波動時，采樣的頻率也應該隨之改變，否則將產(chǎn)生頻譜泄漏。故本系統(tǒng)在每次采樣前測量出電網(wǎng)頻率，根據(jù)電網(wǎng)頻率計算出采樣頻率，以保證同步采樣。 圖 2