动态无功补偿控制器的研究毕业设计论文

毕业设计（论文）动态无功补偿控制器的研究毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录摘 要1Abstract2第一章 绪 论31.1无功补偿的意义31.1.1 无功功率的分布对电压有决定性的影响31.1.2 无功功率在线路中的传输引起的损耗31.1.3 负荷无功功率对系统电压的影响41.2 无功补偿原理41.3无功补偿装置的发展现状51.3.1无功补偿装置的发展51.3.2 当前无功补偿装置分类61.4 低压无功补偿的改进81.5无功补偿装置的选择8第二章 动态无功无偿控制器的硬件设计102.1 引言102.2 设计任务102.3 主电路设计122.4 主控制器芯片的选取122.5模拟信号输入处理单元142.6 LF2407DSP系统模块172.7执行单元202.8显示及通讯电路设计21第三章 动态无功补偿控制器的软件设计233.1 主程序233.2 电容器投切原则243.3 中断程序253.4 串行实时时钟电路读写程序26第四章 总结与展望28致 谢29参考文献30附录31 摘 要本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，无功补偿装置的控制方式及原理，和控制器的硬件设计。在系统硬件上为了满足比传统的单片机控制运算速度高，实时性好的特点，采用了16位定点DSPTMS320LF2407作为主控制器。在系统软件上采用晶闸管控制投切电容器，全数字化控制，全中文液晶显示界面实时显示系统运行状况，完全实现了电容器的快速，无弧，无冲击投切。在投切原则上，与常见的功率因数控制方案相比较，采用无功功率控制，避免了轻载振荡。为了实现装置应具有的功能，本文设计并制作了较为完整的控制电路及其外围设备的硬件电路。它们包括触发电路、采样电路、显示电路及通讯电路等。最后，还介绍了电网谐波对补偿装置的影响，以及装置在电网谐波含量超标时采取的保护措施。关键词 无功补偿 电力监测 数字信号处理器Abstract The paper mainly includes the followed parts: the ameliorating of the nets capability by the reactive power compensation, the control method and principle of reactive power compensation device and the hardware design of the device. The devices hardware core is the 16-bit fix point DSPTMS320LF2407 produced by TI corp ,which has many merits such as high operating speed and high real-time. The devices software core thyristor as switch that connect capacitors to main circuit, numeralization control, and Chinese menu LCD. Interface displaying systems run-time Status momentarily. It actualizes the capacitors speediness, no arc, no percussion switching, and has superior performance. Mention of switching law, control method considering reactive power, comparing with familiar control method considering power factor, avoids oscillation on the condition of light loading. In order to realize systems required function, this paper designs and realizes comparatively integrate microcomputer controlled circuit and its peripherals circuit, including triggering circuit, sampling circuit, displaying circuit and communicating circuit. At last, also points out the influence of harmonics to the compensation system, and the protect measurement in the condition of high harmonics on the power net. Keywords reactive power compensation monitor of electric power wire digital signal processor (DSP)第一章 绪 论1.1无功补偿的意义电压是衡量电能质量的一个重要指标。电压质量对电网稳定运行，降低线路损耗，保证工农业安全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响。因此，必须对系统各节点进行监视和控制，使电压水平维持在一个正常范围内。电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如：轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如：计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。1.1.1 无功功率的分布对电压有决定性的影响在不考虑输电线的对地电容时，从节点i送到节点j的功率为P+jQ，节点i和节点j的电压分别为 和 ，节点i、j之间的支路阻抗为R十jX。 节点电压的关系为： (1-1)在超高压电力系统中，线路电抗远大于线路电阻，因而上式可写成 (1-2)电压还可以写成： (1-3) 式中为线路两端电压的相位角差。比较(1-2)、(1-3)可以得到： Q = (1-4)由式(1-4)，正常运行时输电线路两端的电压的相位角差比较小，可以认为cos=1,这样线路中传输的无功功率大小就与线路两端电压有效值之差成正比，无功功率将从节点电压高的一端流向节点电压低的一端。节点电压有效值的变化，也将使流经线路的无功功率随之发生变化。因此电力网中节点电压的变化会引起无功功率潮流的变化。而且从上式可以看出，如果从远处电源经输电线路向负荷提供无功功率，会使沿线路各点电压下降，甚至不能满足质量要求。1.1.2 无功功率在线路中的传输引起的损耗传输无功功率产生的功率损耗为=1， 可见经电抗传输无功时产生的无功功率损耗有两部分，一部分是因为沿电抗传输有功功率(0)，这是不可避免的；另一部分是因为经联络阻抗传输了无功功率()。可见减少线路无功功率的传输可以减少线路的无功功率损耗。从有功功率损耗公式可见，当有 功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。当输送的有功功率一定时，总的有功网损主要取决于输送的无功功率的数值2。1.1.3 负荷无功功率对系统电压的影响在额定电压附近，负荷从系统吸收的无功功率随电压上升而增加，随电压下降而减小,当系统出现无功功率缺额，亦即无功电源不能提供足够的无功功率时，系统所接各负荷的电压将下降，减少其向系统吸收的无功功率；当系统无功过剩，无功吸收能力不足的情况下，系统电压将普遍升高，如果利用发电机进相吸收无功功率，当吸收无功超过其最大吸收能力时，可能会引起系统暂态不稳定3。1.2 无功补偿原理配电网中负荷无论是工业负荷还是民用负荷 ,大部分是感性负荷。运行时需从电网吸收大量无功功率 , 致使电网功率因数、电能质量降低 , 电网 “ 技术损耗电能 ”增加。电网中安装并联电容器补偿装置后 , 可以减少电源向感性负荷经由输电线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动 , 故可以降低输电线路和变压器因输送无功功率而造成的电能损耗 , 从而提高电网功率因数、减少线损、电能质量得到明显改善。电网中感性负荷等效电路可看作电阻 R和电感 L串联的电路 , 功率因数 cos =式中X=WL将 R、L串联电路与电容 C并联之后 , 电路见图 1 - a, 该电路电流方程为:= + a) （补偿电路） b) 相量图(欠补偿)c) 相量图(过补偿)图 1-1 并联电容补偿无功功率的电路和向量图由图 1 - b的相量图可知 , 并联电容后 , 电压与 的相位差变小 , 即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流的相位滞后电压 , 这种情况称欠补偿; 若电容 C的容量过大 , 使供电电流的相位超前于电压 , 这种情况称为过补偿 , 其向量图如 1 - c所示。这会引起变压器二次侧电压抬升; 电容器温升高 , 电容器本身的功率损耗增大 , 电容器使用寿命缩短; 容性无功在线路上传输也会增加电能损耗。故此种情况应避免。1.3无功补偿装置的发展现状1.3.1无功补偿装置的发展传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，图1-2所示为一种最简单的无功补偿。图1-2中，M代表需要滞后无功功率的用电设备， 和C是用于向M提供无功的无功补偿装置。当 闭合使M运行时，M从电网吸取有功功率和无功功率。为减少电网中的无功水平，我们将 闭合，用C中的超前电流补偿M中的滞后电流，完成无功补偿任务。由于C的补偿容量是固定的，它不能随着实际无功的变化而变化。因此，它适用于无功变化不大的场合。 图1-2 最简单的无功补偿但在实际用电系统中，无功往往变化很大，图1-2所示的补偿装置显然无法满足要求。由于并联电容器阻抗固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化：而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术(Static Var Compensation)。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能4。图1-3 实用的无功补偿装置图1-3所示电路中，当无功变化时，控制器检测到该变化，就根据该变化控制补偿电容器组的投切，达到按实际需求的无功量进行补偿的目的。无论是图 1-2电路还是图1-3电路，电容器组的投切都是靠开关 (i=1,2,3,n)来完成的，目前这种静止开关主要分为两种，即断路器或电力电子开关。断路器开关由于受器件固有特性的限制，在控制器检测到无功的变化需要投入或切除补偿电容器组时，开关速度较慢，约为10-30ms，不能快速跟踪负载无功功率的变化，而目前投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样在需要频繁投切时，不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容内部击穿，所受应力大，维修量大。因此，采用断路器作为开关的静止无功补偿装置也只适合于负荷变化不大，即相对稳定的情况。为了能快速跟踪补偿电网中的无功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术的支持下，具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置应运而生5。1.3.2 当前无功补偿装置分类随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR 、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关速度可以提高500倍(约为10s)，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单向调节6。现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR：Saturated Reactor)；第二类是晶闸管控制电抗器(TCR：Thyristor Control Reactor)；第三类是晶闸管投切电容器(TSC：Thyristor Switch Capacitor)，后两类装置统称为SVC( Static Var Compensator)7。以下对此三类无功补偿技术逐一介绍。1.具有饱和电抗器的无功补偿装置(SR)饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小8。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿器9。但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大23倍，另外这种装置有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。2.晶闸管控制电抗器两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图如图1-4所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为90180。当触发角= 90时，吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式可知,增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。 图1-4 TCR型补偿器原理图 图1-5 TSC型补偿器原理图 在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波10。由于单独TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为TCR与固定电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+FC)和TCR与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器(TCR+MSC)。这种具有TCR型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛11。由于固定电容器的TCR+FC型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围是要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。TSC+MSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点。3.晶闸管投切电容器(TSC)为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。其单相原理图如图1-5所示。两个反并联的晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。现在普遍把这种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿器。TSC用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用K-1个电容值为C的电容和个电容值为C/2的电容组成2K级的电容组数12。TSC的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻13。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。TSR补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节14。1.4 低压无功补偿的改进低压无功补偿的传统模式主要有以下三种：装于低压电动机的单台就地补偿；装于配电变压器低压侧的补偿箱；装于企业配电房或车间以及高层建筑楼层配电间的自动补偿柜（如PGJ 柜等）。低压补偿箱和补偿柜的技术改进和新技术应用归纳起来主要有以下几方面。1）由三相共补到分相补偿，以求达到更理想的补偿效果。2）由单一的无功补偿到同时具有滤波及抑制谐波功能的补偿装置。3）从采用交流接触器进行通断，到选用晶闸管开关电路通断，发展为等电压接通、零电流分断的最佳通断模式。4）智能型自动补偿控制器和配电变压器的运行记录仪相结合。5）将低压补偿的功能纳入箱式变电站或美式箱式变电站的低压部分。6）采用不锈钢或航空铝板的箱体，具有防寒、防晒、密封、防潮和防锈的特点。7）选用干式或充SF6的自愈式并联电容器，提高运行可靠性，延长使用年限。1.5无功补偿装置的选择从当前无功补偿装置的发展来看，目前广泛应用的几种无功补偿装置，即第二节所介绍的几种无功补偿装置，从控制投切装置的不同来看可以分为两类：一类是采用断路器开关来控制；一类是采用晶闸管控制。这两类无功补偿装置的特点在上一节中也有所介绍，总起来说采用晶闸管控制投切的无功补偿装置在性能上比采用断路器开关的无功补偿装置好，它动作时间短，通常能在一个周波(即20ms)内动作；动作时无火花，更安全可靠，寿命长。而断路器开关费用上又优于晶闸管，因此在工程应用上也并没有被晶闸管开关完全取代。这两种装置的特性比较见表1-1：表1-1 断路器开关与晶闸管开关控制投切的无功补偿装置性能比较断路器开关控制晶闸管控制投切性能有火花寿命短无火花寿命长动作时间长(约几十毫秒)短(约几十微秒)适应的负荷相对稳定的负荷可补偿冲击性负荷电压稳定性电压有波动通过控制投切时间，可消除电压波动价格低高任何一种智能无功补偿装置，都需要个控制器来完成电网参数的测量计算，控制电容组的投切。以断路器作开关元件的无功补偿装置，控制器发出的是接点信号，控制接触器的吸合或断开。以晶闸管作开关元件的无功补偿装置，控制器器发出的是晶闸管的触发信号。第二章 动态无功无偿控制器的硬件设计2.1 引言目前，无功补偿装置已在电力系统得到广泛应用。无功电源与有功电源一样是维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行必不可少的15。电网中存在的无功功率有感性的和容性的两种，由于一般的电网中负载多为感性，如：异步电机，变压器等，传统的就地无功补偿装置是通过单片机进行控制实现电容器组的投切。但是，电网中存在谐波时，投切电容有可能发生电容把高次谐波量放大，更为严重的是如果电容与电网中的感性负载在某次谐波恰好发生谐振，电网电压、电流有可能被无限放大，造成的后果不堪设想。因此，在无功补偿的同时，对电网中的谐波量进行测量和消除是非常重要的，且对系统的无功进行准确补偿也建立在对系统各项参数进行准确测量的基础上。然而，传统的单片机作为控制器的系统由于受硬件资源与速度的限制，采样精度不高，每周波的采样点少，只自出选择计算量小的算法，结果限制了测量的精度。故本系统采用DSP TMS320LF2407作为总控制器，指令速度很决，达30MIPS,更加适合于处理多数据、运算量大的系统16。同时具有强大的控制功能，因此使用TMS320LF2407作内核带电力监测的低压智能无功补偿装置能更好的满足实时性和精确性的要求。2.2 设计任务1.输入模拟量(1) 工作电压及输入电压模拟量额定工作电源电压及额定电压模拟量220V或380V 20%，电源正弦波形，总畸变率不大于5%。(2) 输入电流模拟量额定输入电流模拟量： 5A 50Hz 输入端输入阻抗： 不大于0.2 2. 测量及显示精度(1)电压 各相电压 0.5%(2)电流 各相电流 0.5%(3)有功功率 各相及总和 1.0%(4)无功功率 各相及总和 1.0%(5)视在功率 各相及总和 1.0%(6)频率 1.0%(7)功率因数 1.0%3. 控制要求(1)控制灵敏度 不大于0.2A(2)过电压保护 应在105%120%之间可调，动作回差6-12V(3)延时时间 10120s可调(4)过电压分段总时限 不大于60s(5)投切动作时间间隔 不小于300s(6)断电后所有数据保持时间 不小于72h4.功能要求(1) 功能设置要求1)能实现三线对称补偿和分相补偿组合2)投入、切除门限设定值3)延时设定值4)过压保护设定值5)谐波超值保护设定值6)面板功能键操作应具有容错功能7)面板设置应具有硬件或软件闭锁功能(2) 显示功能1)工作电源工作显示2)超前、滞后显示 3)输出回路工作状态显示4)过压保护动作显示5)控制器应具有电网即时运行参数及设定值调显功能6)控制器应具有监测或统计数据调显功能7)谐波超值保打动作显示8)手动、自动指示显示(3) 延时及加速功能:输出回路动作应具有延时及过电压加速动作功能。(4) 程序投切功能:手动或自动投切选择，自动状态时应具有自动循环投切。(5) 自检复归功能:控制器每次接通电源应进行自检并复归输出回路(即输出回路处在断开状态)。(6) 投切振荡闭锁:在轻负荷时，控制器应有防止投切振荡的措施。(7) 闭锁报警:当系统电压大于或等于一定值(该值可调)，闭锁控制器投入回路；投切器内部发生故障时，闭锁输出回路并报警；执行回路发生异常时，闭锁输出回路并报警。(8) 数据传输:用中间体(如抄表器)抄录实时数据和历史数据，用RS-232接口X485接口。2.3 主电路设计带电力监测的智能无功补偿装置的总电路图如图2-1所示。图 2-1 带电力监测的无功补偿装置的总电路图该装置上电后，经过一定延时，控制器再开始工作，通过对系统三相电压、三相电流采样，根据电压、电流的值计算系统无功功率，并与用户设定的投入门限、切除门限相比较，再考虑系统电压幅值情况确定电容器组的投切，投切命令输入到触发电路，由触发电路控制晶闸管在电压正向峰值时投入电容器，按照“在保证电压不越限的前提下，使变压器从系统中吸收的无功最小”的原则对电容器组进行控制，能有效改善电压质量，提高功率因数，降低网络损耗。考虑系统的复杂性及经济性，电容器分组采用二进制方案，即采用（K-1）个电容值均为C的电容和一个电容值为(C/2)的电容，这样的分组可使组成的电容值有2K级。最小电容量那一路作为单位电容量，它的大小决定了补偿精度。本系统由TMS320LF2407DSP控制，实时监测电力系统无功功率和电压并跟踪系统无功功率的大小，采用晶闸管投切并联电容器组的无功功率补偿装置。该装置因响应速度快、动态性能好，所以能实现对决速变化的无功进行跟踪补偿。该装置具备完整的显示控制保护功能。根据需要可显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率等值。并可实时在线设置投入门限、切除门限、过压值、欠压值、延时值等参数。能延时可调、过压自动切除，能有效地提高功率因数改善电压质量、降低电能损耗、消除电压波动、滤除高次谐波，抑制电压闪变，减少电压不平衡，可广泛应用低压配电系统及工矿企业，是老式补偿装置理想的更新换代产品。2.4 主控制器芯片的选取本系统采用TI公司的TMS320LF2407作为主控制器，主要是考虑谐波测量的准确性与无功补偿是不可分割的。该芯片是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片，是一款专为控制设计的单片机。处理速度很决，达到30MIPS，在晶振频率为20MHz时，计算一次64点的FFT运算用时只有611s,特别适合于处理谐波分析。用到的数字滤波和傅立叶变换等运算的微处理器。同时它又具有低成本、低功耗、高性能的处理能力17。TMS320 LF2407DSP结构上的特点有以下几个方面：1.采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。2.片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM,544字双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM (SARAM)。3.两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制(PWM)通道。他们能够实现：三相反向器控制；PWM的对称和非对称波形；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道A/D转换器控制。4.可扩展的外部存储器总共192K字：64K字程序存储器；64K字数据存储器；64KI/O寻址空间。5.看门狗定时器模块(WD1)。6.高性能10位模数转换器ADC)的转换时间为500ns，提供多达16路的模拟输入，具有自动排序功能，可以同时采集最多16路的模拟信号，克服了MCS196单片机不能同时采样多路信号的缺点。7.控制器局域网络(CAN)2.0B模块。8.串行通信接口(SCI)。能与系统中的其他控制器进行异步通信(RS232)。9.16位的串行外设接口模块(SPI)。10.基于锁相环的时钟发生器。11.高达40多个可单独编程或复用的通用输入/输出引角(GPIO )。方便扩展外设，满足多数控制对像输入输出的需求。同时，它还具有一些特别适用于进行大量数字信号处理的特点：1.哈佛结构：程序存储器和数据存储器独立编址；取指和执行重叠进行；结构的改进，高速缓存，高度并行，大大提高了运算速度。2.硬件乘法器：乘法是DSP的重要组成部分。乘法的速度越快，DSP处理器的性能就越高。它能实现单指令乘加运算和变址运算。3.DSP指令：DSP芯片采用特殊的指令。它将多条指令进行压缩，如指令功能压缩和指令周期缩短(200ns降到20ns以下)，可以在一个指令周期内执行多条指令，提高了处理器的速度。4.流水线：四级流水线；并行处理；取指、译码、取操作数和执行同时进行。5.在芯片内设置了专门的硬件数据指针的逆序寻址功能。因频谱分析的基础是FFT，从而加快了频谱分析的过程。综合这几方面原因，采用F2407做主控制器，既能满足作为控制器的功能，它突出的计算能力又能快速准确的分析谐波量，在谐波量超标的情况下，停止投入电容器，防止了重大事故的发生。2.5模拟信号输入处理单元此模块包括电压电流信号形成回路、低通滤波回路(ALF) 、基准电压(VBASE)形成回路、同步方波形成回路。此模块的作用是将电压互感器(YH)和电流互感器(LH)二次输出的电压、电流模拟量经过上述环节处理成大小与输入量成正比、相位不失真的模拟量，输入到DSP的A/D转换通道进行采样，将其转化为计算机能接受与识别的数字量，再进行数据处理及运算。根据采样定理，采用FFT测量谐波，若要求准确测量2 ( n=1,2 ,3 )次谐波，则每周波采样点数应最少为2个点。考虑DSP的数字处理能力突出，适于进行线性运算的特点，以及测量精度的要求，取系统的采样频率为3200Hz，即每周波采样64点，可准确测量32次谐波量。信号调理电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。由互感器得到的电压电流信号线性衰减成能输入DSP的量程范围，再经抗混叠滤波器滤波，输入DSP的A/D转换器中进行采样和模数转换。抗混叠滤波器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波，滤除高频分量，使输入DSP进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律()要求的信号，消除混叠现象，提高FFT的运算精度。1.电流信号形成回路电流互感器T1, T2和T3的原边电流 ,为05A，互感器CT，变比为12500/1，则，其中 为交流地，对应的直流电平为1.65V。图2-2 电流信号形成回路2.电压信号形成回路电压互感器的变比为1:1,原边电阻相对于110K 可以忽略，因此。 图2-3 电压信号形成回路3. ALF低通滤波电路图中Dl, D2将输出信号钳制在0-3.3V，保证输入LF2407A / D转换口的电压在03.3V之间，以保证其AD转换的正常工作。 图2-4 ALF低通滤波电路令R40=R41=R,C40=C41，R42=R,R43=R2,则： ，其中 ,将数据带入上式，可以算出截止频率为 。由于需计算到工频信号的30次谐波，即需对50x30= 1500Hz的信号进行准确测量，根据奈奎斯特采样定律，系统的采样频率为周波采样64点，采样频率，因此输入DSP的信号最高频率应为，即低通滤波器应将大于1600Hz的信号滤除。根据计算结果看出此低通滤波器能满足要求。系统放大增益。滤波电路输入信号为1.65士0.02V的正弦信号，输出为1.65士1.5V的正弦信号LF2407的A/D输入应在03.3V之间，滤波放大电路的输出能够满足DSP的要求。4.基准电压产生回路选用LM117产生稳压电路。输出。将数据代入得 。图2-5 基准电压产生回路5. 同步方波产生回路 图2-6 同步方波产生回路为模拟信号经过低通滤波之后的信号，运放起了电压比较的作用，VAPULSE为03.3V的方波信号，送入DSP的捕捉引角，通过DSP的定时器测出两个上升沿之间的时间，即通过测出正弦信号过零点之间的时间,而得出电网信号的周期。再由采样点数计算出采样频率，以保证同步采样，消除非同步采样引起的频谱泄漏，保证测量精确性。6. 模数转换器(ADC)模数转换器我们采用LF2407自带的带内置采样和保持的A/D转换器，具有10位精度，转换速度最快达到500ns，并且可以同时采样16路信号。有多个触发源可以启动AD转换，包括软件启动、EVA，EVB和外部触发(ADCSOC)。模数转换模块的排序器包括两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器(SEQI和SEQ2)，这两个排序器可被级联成个最多可选择16个转换模拟通道的排序器(SEQ)。在这两种工作方式下，ADC模块都能够对一序列转换进行自动排序。转换后的数值结果保存在该通道相应的结果寄存器中，这样用户可以对同一个通道进行多次采样，即对某一通道实行“过采样”，这样得到的采样结果比传统的采样结果分辨率高。2.6 LF2407DSP系统模块该模块包括LF2407DSP电路，存储器(SRAM)电路，电源保护电路，上电复位电路和串行实时时钟电路。1. TMS320LF2407电路LF2407DSP是哈佛结构，程序存储器与数据存储器分别寻址，可以实现同时寻址。LF2407具有16位数据线和16位地址线。2407的指令执行速度为30MIPS，外部时钟选择10MHz的石英晶振，再通过内部2倍频得到20MHz的工作频率。ADCIN00ADCIN5为AD转换器的模拟量输入，其中ADCIN00, ADCINI、ADCIN2为三相电压输入，ADCIN3, ADCIN4,ADCIN5为三相电流量输入，将三相电压电流信号转换成数字量。双向IO口PC07和PE6,PE7作为控制量(数字量)输出和数字信号输入接口，既可以用来输出控制晶闸管导通的控制信号，又可以作为晶闸管导通状态输入接口。SCITXD和SCIRXD接口作为通讯线，CAP1为事件管理器1的捕捉引角，用来捕捉方波信号的上升沿，从而测量电网信号的周期。IO口PA47作为控制器状态显示，分别代表通讯自动、谐波超值保护、故障、通讯状态。2. 存储器电路LF2407自带32K的Flash，外部可扩展64K数字存储器和64K程序存储器。将2407的引角接地，即2407工作在微控制器方式下，即从内部程序存储器(FLASH EEPROM)的0000h开始程序执行，外部扩展的存储器地址分配到8000h开始的地址空间。DS-和PS-分别接2407的DS和PS引角，它们分别为数据空间选通引角和程序空间选通引脚，当它们为低电平时，分别表示选通数据空间和程序空间。选用的外部存储器为CYPRESS公司的CY7C102l，是64Kl6 SRAM。其中32K空间扩展为程序存储器，32K空间扩展为数据存储器。A0A14为地址线的低15位，A15接DS-，即SRAM的0000h-7FFFh为数据空间，8000h-FFFFh为程序空间。图2-7 存储器电路3. 时钟电路 图2-8 时钟电路无源晶振采用10MHZ，经内部时钟定位(PLL)2倍频得到2407的主频为20MHz。PLL采用外部滤波环电路来消除抖动。如图2-9所示，滤波环由C41, C42和R1418组成，与2407接口为PLLF和PLLF2。4. 电源管理电路 图2-9 电源管理电路电源监控芯片选择了TI公司的TPS7333Q，此芯片可将5V电压转换成DSP需要的3.3V电平，并有电平监控的功能，当OUT脚输出电平小于2.9V时，RESET就输出200ms的低电平以重启DSP19。本系统共有4种不同的电平，+12V、-12V,+5V和+3.3V。它们都由220V电压供电，由变压器输出+12V、-12V, +5V三种不同的电平信号，再由7912和7812稳压输出+12V和-12V电平；LM2576-5稳压输出+5V电平；TPS7333将+5V电平转换为+3.3V电平输出提供DSP系统需要。5. 串型实时时钟电路由于无功补偿控制器要有历史记录，所以在系统中必须有实时时间基准，即时钟芯片。在这里，我们选用的是PCF8583，其特点如下所述。PCF8583为带总线接口的日历时钟芯片，其中还有256字节的静态RAM，由于作为日历时钟器件配有电池供电，可作为RAM的保护电源，故256字节的RAM可视为非易失性RAM。 PCF8583具有宽的工作电压范围(2.5-6V)；RAM的数据保持电源电压范围1V-6V；最大工作电流150A()：24或12小时格式，时基32.768kHz或50Hz；具有可编程的闹钟、定时和中断功能。由于TMS320LF2407没有专用的时序引脚，所以本设计用软件来模拟总线时序，实现了串行日历时钟芯片PCF8583与DSP芯片的接口电路及应用。其中PCF8583的SCL、SDA分别接F2407的IOPF0和IOPF1引脚。如图2-11所示，为串型实时时钟芯片接线图。由于DSP 用3.3V供电，电池为3.6V，所以设计中采用了三个二极管解决在掉电情况下电池只对PCF8583供电，而在不掉电情况下PCF8583由3.3V供电，而且电池处于浮充状态。 图2-10 串行实时时钟芯片接线图2.7执行单元由于传统机械触头动作速度与工频电压和电流的变化速度不匹配，在投切过程中由于电容器极性的存在产生涌流，难以实现无功补偿的优化运行，且经常发生过补偿。本系统选用晶闸管控制投切电容器，可以10ms的速度将补偿投入电网，并严格控制在各相电压最高点时合闸，无涌流冲击。只在电流过零时刻切除，防止产生过电压。可以频繁投切，不损坏电容器。晶闸管的触发脉冲由专门的触发电路提供，严格保证相序正确。设有触发延时可调控制，具备循环投切功能20。1. 驱动电路本系统中采用了先进的过零触发电路，以电压过零型光涡双向晶闸管取代了由分立元件组成的功放电路及脉冲变压器等脉动环节，简化了触发控制电路的结构：同时，由于无需考虑与系统电压的同步问题且控制电路与主电路实现了光电隔离，因而提高了装置的可靠性。本文中采用MOTOROLA公司生产的MOC3083芯片设计三相晶闸管触发电路，动态响应时间小于20ms。图2-11给出的是单相触发电路。图2-11 单级触发电路示意图从理论上讲，为了使补偿电容器的投入与切除过程中不引发主电路的涌流冲击，即在这一过程中当电容器上的电流始终保持整周期流动而没有过渡过程，必须满足以下3个条件，即保持准备投入的电容器上的电压为电网线电压的正或负峰值；投入选择在电网线电压和电容器上的电压极性相同、峰值相等的时刻；切除时只要撤销触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。由于光耦双向晶闸管的内部带有过零检测电路，因此由它组成的SCR触发电路能够在不附加同步电路的情况下实现上述补偿电容器的无过渡过程投切。2.晶闸管的选择晶闸管的电压值选择要考虑电网上的电压，一般按式(2-1)选择： (2-1)式中 为电压裕度，一般选择1.11.2； 为电网电压波动系数，一般选择1.15； U为电网电压。晶闸管电流值一般按式(2-2)选择： (2-2)式中C为电容量(F)。2.8显示及通讯电路设计本系统采用液晶显示测量结果，并由键盘输入命令，液晶显示和键盘都是由F2407的通用I/O口扩展。当有键按下时会产生外部中断，DSP执行中断程序，即键盘扫描和显示器显示程序。信号经运算处理后，可由液晶显示器显示结果，便于观察，也可由RS-232接口与上位机进行通讯，上传数据，便于存储和查询。1.键盘电路 图2-12 键盘电路键盘有上、下、左、右四个按键，当其中任何一个按下时，都会引发外部中断，进入中断程序，在中断程序中判断按键，并执行相应命令。2.液晶显示电路 图2-13 液晶显示电路采用12864的点阵式液晶显示器，能显示40个汉字，汉字库预先存储到程序存储器中。液晶显示器是通过DSP的I/O口模拟M6800操作时序进行控制。其中PB0PB7为数据输出，连接DB0DB7，控制信号E,CSA,CSB,D/I和R/W分别由PEIPE5控制。接口电路由图2-14所示。3. 通讯接口电路 图2-14 RS-232通讯接口电路该电路采用了符合RS-232标准的驱动芯片MAX232，进行串行通信。MAX232芯片功耗低、集成度高，+5V供电，具有两个接收和发送通道。由于TMS320LF2407采用+3.3V供电。所以MAX232与TMS320LF2407之间加了电平匹配电路。第三章 动态无功补偿控制器的软件设计系统软件为汇编语言编程，以提高编译效率21。程序遵循模块化设计原则，提高了系统的通用性和维护的简易程度。程序主要包括：初始化、采样、各种电量的计算、显示和控制输出等子程序。3.1 主程序主程序的流程图如图2-15所示。DSP在一个工频周期内等间隔地采集64个瞬间电压、电流数据后，经DSP处理计算出电网电压、电流(包括零序电流)、功率因数、无功功率、有功功率、电压电流、132次谐波等负荷参数值，存储并送参量到显示单元显示，同时根据现场的实际情况通过控制器键盘设置参数来控制电容投切。控制器不断地监测电网负荷参数，根据用户设置的参数情况，形成投切控制字，由输出环节具体完成电容器的正确投切。将输出的9路控制信号分成3组，每组有3路控制信号，可以实现最多9组分补或最多9组共补控制，也可以实现分补、共补同时控制，分补、共补的数量取决于用户配电参数设置和具体电网中电容器的连接情况。1.初始化程序：主要完成数据存储空间的检测和初始化、通讯方式的设置、液晶显示方式设置、事件管理器工作方式设置(设置定时器)、中断设置（中断寄存器和中断优先级设置)、启动硬件看门狗、禁止开关动作等。2.显示方式设置：主要完成对液晶显示的工作方式设置，初始化液晶显示页面。3.扫描键盘命令：主要是查询I/O口查看命令输入，修改系统的参数。4.数据处理程序：主要根据采样得到的数据，应用FFT算法计算各相有效电流、电压、有功功率、无功功率等参数。5.控制投切电容程序：根据计算得到的参数，运用控制策略控制电容投切，达到补偿无功功率的目的。 图2-15 系统流程图3.2 电容器投切原则无功补偿的原理就是准确检测三相电路无功功率Q，然后根据Q值的大小进行电容器最优投切，从而减小Q值，以达到最优状态。在被谐波污染的电网中投入电容器进行无功补偿时，应注意避免产生谐波的谐振。消除谐波的方法，一般是在电容器上串联电抗，来防止电流的突变。本系统采用实时跟踪监测电网中的谐波量的方法，在电网中的谐波量超出设定值时，停止投入电容器，并报警，以防止重大事故的发生。 图2-16 频率测量程序3.3 中断程序1. 外部中断当键盘有按键按下时就进入外部中断，执行外部中断子程序。此子程序主要完成键盘的扫描和执行相应于不同按键的命令。其中,上、下按键控制液晶显示器显示内容翻页和控制光标指示的作用。左、右键相当于+和-，即在设定参数时，相对于系统设定值的偏差，按左键即加个单位，按右键则减一个单位。在设定参数时，按下键即为确定，则进入下一个参数的设定。2. 定时器中断程序(频率测量子程序)定时器捕捉中断程序由图2-17所示。程序主要完成信号频率的测量，当测量值44f56时为正确值并存储新频率值。工频信号的频率是50Hz，但是实际的电力系统电网信号由于受到各种月扰，电信号的频率也不可避免的出现波动。电能质量电力系统频率允许偏差(GB/T15945-95) 对频率偏差的限制规定为：电力系统正常频率偏差允许值 0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可放宽到土0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动不得超过士0.1Hz。即电力系统中电压电流信号的频率变化在50士0.5 Hz的范围内。FFT运算又要求采样点数必须是2的整数次幂个，当电网的频率波动时，采样的频率也应该随之改变，否则将产生频谱泄漏。故本系统在每次采样前测量出电网频率，根据电网频率计算出采样频率，以保证同步采样。 图 2-17 串行口中断程序3.串行口中断程序串行口中断程序主要完成测量量的上传和上位机命令信号的接收。通讯波特率最大为9600，数据格式为：起始位 数据或指令位 较验位12345678910要正确实现DSP与上位机的通信，除一般串行通信设置外，还必须正确设置SLEEP位(SCICTLI寄存器第2位)，即将所有参与多机通信的DSP的SLEEP位都设成1，使得他们仅当检测到地址字节时才被中断，在中断服务程序里，将接收到的地址与相应软件设置的地址(本机地址)相比较，若相同则用户程序清除SLEEP位,确保串行通信接口在收到每个数据字节时都产生一个中断，否则SLEEP位保持1以接收下一个地址23。3.4 串行实时时钟电路读写程序对日历时钟PCF8583的读和写是通过 总线来实现，下面就对 总线和对日历时钟的操作介绍如下22。 控制字如下图所示。控制字节的前四位为1010，在这里是固定的。接下来的3位为块选择位(B2, B1, B0)用来选择哪一块256字节，由于日历时钟只有256字节，所以选B2=B1=B0=0。控制字的最后-位为读/写方式选择位。置1表示进行读操作，清0表示写操作。10110B2B1B0R/W 具有两种写操作(字节写、页写)和3种读操作(现行地址读、随机读、序列读)。日历时钟PCF8583对所有的读写方式都要用到。字节写是指向指定片内RAM单元写入一个字节的数据data的操作，其数据操作格式如下：SSLAWAWORDARDADATAAP字节写操作以一个启动位S开始，主机发出控制字选择写操作(SLAW)，然后主机发送要写数据的地址单元（WORDADR)停止位P用于中止接收。每个字节发送完，从机要回送一个应答信号A。随机读是按指定的字节地址读出一个字节数据的操作。由于要写入字节地址，故要先送一个字节地址写操作，然后重复起始状态，读入个数据字节，其数据操作格式如下：SSLAWAWORDARDASSLARADATANAP随机读字节操作以启动位开始，主机发送控制字选择写操作(SLAW)，然后主机发送要读数据的地址单元(WORDADR) ,随后再启动一个启动条件和发送控制字选择读操作(SLAR)，LF2407读取数据后发送一个停止条件,不回送应答信号。LF2407的IOPF0和IOPF1引脚作为实施 总线协议的引脚，这两个引脚配置为I/O口，且通过配置IOPF1(SDA)为输出或输入方式，就可以完成启动、停止、应答功能及实现数据发送和接收。读写操作由不同的启动、停止、应答、接收和发送组成，这些功能都可以由一系列子程序来完成。