【正文】 3. 完成了用 DSP 控制的智能無功補(bǔ)償裝置的軟硬件設(shè)計(jì)。 具體的工作總結(jié)如下： 1. 對(duì)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償原理作了分析，提出諧波測(cè)量的精度決定了電網(wǎng)參數(shù)測(cè)的精度，因此選用計(jì)算精確性高和計(jì)算量 小的算法來測(cè)量諧波量是關(guān)鍵。讀寫操作由不同的啟動(dòng)、停止、應(yīng)答、接收和發(fā)送組成，這些功能都可以由一系列子程序來完成。由于要寫入字節(jié)地址，故要先送一個(gè)字節(jié)地址寫操作，然后重復(fù)起始狀態(tài)，讀入個(gè)數(shù) 據(jù)字節(jié)，其數(shù)據(jù)操作格式如下： S SLAW A WORDARD A S SLAR A DATA NA P 隨機(jī)讀字節(jié)操作以啟動(dòng)位開始，主機(jī)發(fā)送控制字選擇寫操作 (SLAW)，然后主機(jī)發(fā)送要讀數(shù)據(jù)的地址單元 (WORDADR) ,隨后再啟動(dòng)一個(gè)啟動(dòng)條件和發(fā)送控制字選擇讀操作(SLAR)， LF2407 讀取數(shù)據(jù)后發(fā)送一個(gè)停止條件 ,不回送應(yīng)答信號(hào)。每個(gè)字節(jié)發(fā)送完，從機(jī)要回送一個(gè)應(yīng)答信號(hào) A。日歷時(shí)鐘 PCF8583 對(duì)所有的讀寫方式都要用到。置 1 表示進(jìn)行讀操作，清 0 表示寫 27 操作。接下來的 3 位為塊選擇位 (B2, B1, B0)用來選擇哪一塊 256 字節(jié)，由于日歷時(shí)鐘只有 256 字節(jié)，所以選B2=B1=B0=0。 控制字如下圖所示。通訊波特率最大為9600，數(shù)據(jù)格式為： 起始位 數(shù)據(jù)或指令位 較驗(yàn)位 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 要正確實(shí)現(xiàn) DSP 與上位機(jī)的通信，除一般串行通信設(shè)置外，還必須正確設(shè)置 SLEEP位 (SCICTLI 寄存器第 2 位 )，即將所有參與多機(jī)通信的 DSP 的 SLEEP 位都設(shè)成 1，使得他們僅當(dāng)檢測(cè)到地址字節(jié)時(shí)才被中斷，在中斷服務(wù)程序里，將接收到的地址與相應(yīng)軟件設(shè)置的地址 (本機(jī)地址 )相比較，若相同則用戶程序清除 SLEEP 位 ,確保串行通信接口在收到每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)都產(chǎn)生一個(gè)中斷，否則 SLEEP 位保持 1 以接收下一個(gè)地 址 [23]。故本系統(tǒng)在每次采樣前測(cè)量出電網(wǎng)頻率，根據(jù)電網(wǎng)頻率計(jì)算出采樣頻率，以保證同步采樣。即電力系統(tǒng)中電壓電流信號(hào)的頻率變化在 50 士 Hz 的范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差值可放寬到土 。 工頻信號(hào)的頻率是 50Hz，但是實(shí)際的電力系統(tǒng)電網(wǎng)信號(hào)由于受到各種月擾，電信號(hào)的頻率也不可避免的出現(xiàn)波動(dòng)。 2. 定時(shí)器中斷程序 (頻率測(cè)量子程序 ) 定時(shí)器捕捉中斷程序由圖 217 所示。左、右鍵相當(dāng)于 +和 ，即在設(shè)定參數(shù)時(shí)，相對(duì)于系統(tǒng)設(shè)定值的偏差，按左鍵即加個(gè)單位，按右鍵則減一個(gè)單位。此子程序主要完成鍵盤的掃描和執(zhí)行相應(yīng)于不同按鍵的命令。本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)跟 蹤監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的諧波量的方法，在電網(wǎng)中的諧波量超出設(shè)定值時(shí)，停止投入電容器，并報(bào)警，以防止重大事故的發(fā)生。在被諧波污染的電網(wǎng)中投入電容器進(jìn)行 25 無功補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)注意避免產(chǎn)生諧波的諧振。 5. 控制投切電容程序：根據(jù)計(jì)算得到的參數(shù)，運(yùn)用控制策略控制電容投切，達(dá)到補(bǔ)償無功功率的目的。 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)。 1. 初始化程序：主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的檢測(cè)和初始化、通訊方式的設(shè)置、液晶顯示方式設(shè)置、事件管理器工作方式設(shè)置 (設(shè)置定時(shí)器 )、中斷設(shè)置（中斷寄存器和中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置 )、啟動(dòng)硬件看門狗、禁止開關(guān)動(dòng)作等?？刂破鞑粩嗟乇O(jiān)測(cè)電網(wǎng)負(fù)荷參數(shù)，根據(jù)用戶設(shè)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。 主程序 主程序的流程圖如圖 215 所示。程序遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，提高了系統(tǒng)的通用性和維護(hù)的簡(jiǎn)易程度。所以 MAX232 與 TMS320LF2407 之間加了電平匹配電路。 MAX232 芯片功耗低、集成度高， +5V供電，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道。接口電路由圖 214 所示。液晶顯示器是通過 DSP 的 I/O 口模擬 M6800 操作時(shí)序進(jìn)行控制。 3T O I O P F 2O R 1T O I O P F 4O R 3O R 2T O I O P F 3O R 4T O I O P F 5I O P F 47 4 F 3 27 4 F 3 2U 2 4 AU 2 5 A1212312U 2 6 A7 4 F 3 23 E X I N T 3 V 3 . 3P 3 01 . 5 KC 2 01 0 u FU 2 0 A7 4 L S 1 42 T O I O P F 2S SS W D P S T 圖 212 鍵盤電路 22 鍵盤有上、下、左、右四個(gè)按鍵，當(dāng)其中任何一個(gè)按下時(shí)，都會(huì)引發(fā)外部中斷，進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中判 斷按鍵，并執(zhí)行相應(yīng)命令。當(dāng)有鍵按下時(shí)會(huì)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。 晶閘管電流值一般按式 (22)選擇： ??? CUI SCR ? (22) 式中 C 為電容量 (μ F)。由于光耦雙向晶閘管的內(nèi)部帶有過零檢測(cè)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(shí)現(xiàn)上述補(bǔ)償電容器的無過渡過程投切。圖 211 給出的是單相觸發(fā)電路。 1. 驅(qū)動(dòng)電路 本系統(tǒng)中采用了先進(jìn)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(dòng)環(huán) 節(jié)，簡(jiǎn)化了觸發(fā)控制電路的結(jié)構(gòu)：同時(shí)，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(shí)現(xiàn)了光電隔離，因而提高了裝置的可靠性。晶閘管的觸發(fā)脈沖由專門的觸發(fā)電路提供，嚴(yán)格保證相序正確。只在電流過零時(shí)刻切除，防止產(chǎn)生過電壓。 20 D 1 7D I O D ED 1 8D I O D ER 7 1V C C + 5 VC 7 31 0 u F / 1 6 VC 7 20 . 1 u FD 1 9D I O D EV 3 . 3R 7 31 0 KR 7 21 0 KI O P F 0I O P F 18761234C 7 01 5 u FC 7 11 5 u FY 2C R Y S T A LO B C 1O B D 0A 0V R SV D DI N TB C LS D A51 0 0 KP C F 8 5 8 3B 13 . 6 V 圖 210 串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片接線圖 執(zhí)行單元 由于傳統(tǒng)機(jī)械觸頭動(dòng)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(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化運(yùn)行，且經(jīng)常發(fā)生過補(bǔ)償。如圖 211 所示，為串型實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片接線圖。 由于 TMS320LF2407 沒有專用的 CI2 時(shí)序引腳，所以本設(shè)計(jì)用軟件來模擬 CI2 總線時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了 CI2 串行日歷時(shí)鐘芯片 PCF8583 與 DSP 芯片的接口電路及應(yīng)用。 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。在這里，我們選用的是 PCF8583，其特點(diǎn)如下所述。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(hào)，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(zhuǎn)換為 + 電平輸出提供 DSP 系統(tǒng)需要。 4. 電源管理電路 19 1+ 5 VC 10 . 1 u F234U 2G N DE NI NI NR E S E TS E N S EO U TO U T76T O P W E R O N R E S E TR 3 02 5 0 KC 21 0 uL 1I N D U C T O RC 30 , 0 1 u FL 2I N D U C T O RV 3 3C 70 . 0 1 u FV 3 358 圖 29 電源管理電路 電源監(jiān)控芯片選擇了 TI 公司的 TPS7333Q，此芯片可將 5V電壓轉(zhuǎn)換成 DSP 需要的，并有電平監(jiān)控的功能，當(dāng) OUT 腳輸出電平小于 時(shí)， RESET 就輸出 200ms的低電平以重啟 DSP[19]。 PLL采用外部濾波環(huán)電路來消除抖動(dòng)。 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。選用的外部存儲(chǔ)器為CYPRESS 公司的 CY7C102l，是 64K l6 SRAM。將 2407的 MCMP\ 引角接地，即 2407 工作在微控制器方式下，即從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 (FLASH EEPROM)的 0000h 開始程序執(zhí)行，外部擴(kuò)展的存儲(chǔ)器地址分配到 8000h 開始的地址空間。 IO 口 PA4～ 7 作為控制器狀態(tài)顯示，分別代表通訊自動(dòng)、諧波超值保護(hù)、故障、通訊狀態(tài)。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(hào)輸入接口，既可以用來輸出控制晶閘管導(dǎo)通的控制信號(hào)，又可以作為晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)輸入接口。 2407 的指令執(zhí)行速度為 30MIPS，外部時(shí)鐘選擇 10MHz 的石英晶振，再通過內(nèi)部 2 倍頻得到 20MHz 的工作頻率。 1. TMS320LF2407 電路 LF2407DSP 是哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別尋址，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)尋址。轉(zhuǎn)換后的數(shù)值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器中，這樣用戶可以對(duì)同一個(gè)通道進(jìn)行多次采樣，即對(duì)某一通道實(shí)行“過采樣”，這樣得到的采樣結(jié)果比傳統(tǒng)的采樣結(jié)果分辨率高。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的排序器包括兩個(gè)獨(dú)立的最多可選擇 8 個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器 (SEQI 和 SEQ2)，這兩個(gè)排序器可被級(jí)聯(lián)成個(gè)最多可選擇 16 個(gè)轉(zhuǎn)換模擬通道的排序器 (SEQ)。 6. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器我們采用 LF2407 自帶的帶內(nèi)置采樣和保持的 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有 10 位精度，轉(zhuǎn)換速度最快達(dá)到 500ns，并且可以同時(shí)采樣 16 路信號(hào)。 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(zhǔn)電壓產(chǎn)生回路 5. 同步方波產(chǎn)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 3 . 3D 1 6U pD 1 51 4+ 圖 26 同步方波產(chǎn)生回路 aV 為模擬信號(hào)經(jīng)過低通濾波之后的信號(hào)，運(yùn)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(shí)器測(cè)出兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，即通過測(cè)出正弦信號(hào)過零點(diǎn)之間的時(shí)間 ,而得出電網(wǎng)信號(hào)的周期。輸出6316263 )1( RIRRV ADre f ???。 濾波電路輸入信號(hào)為 士 ，輸出為 士 LF2407 的 A/D 輸入應(yīng)在 0～ ，濾波放大電路的輸出能夠滿足 DSP 的要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果看出此低通濾波器能滿足要求。 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(jù)帶入上式，可以算出截止頻率為HzRSf p 1 5 9 12 3 ?? ? 。 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(hào)形成回路 電壓互感器的變比為 1:1, 原邊電阻相對(duì)于 110K 可以忽略，因此r e fr e fr e fout VVVRRVV ??????? 000 0/1002202091221。抗混疊濾波器的作用是把電力系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量，使輸入 DSP 進(jìn)行處理的信號(hào)是滿足奈