基于LPC2220低壓無功補償控制器設(shè)計

  如何跟蹤并快速有效地補償無功功率，對電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定、改善電能質(zhì)量、降低線損、實現(xiàn)電力節(jié)能等方面起著重要的作用。

　　本文設(shè)計的無功補償控制器在硬件上力求精簡實用，降低成本同時提高產(chǎn)品的可靠性。發(fā)揮軟件設(shè)計的優(yōu)點，增加實用的功能。

　　控制器工作原理

　　電網(wǎng)中存在大量的感性負載，通過并聯(lián)容性負荷的裝置，實現(xiàn)兩種負荷之間的能量交換。感性負荷所需要的無功功率由容性負荷輸出的無功功率來補償。安裝并聯(lián)電容器改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。本文所設(shè)計的無功補償控制器的基本框架如圖1。三相電壓電流互感器將較高的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成低電壓信號，用LPC2220進行A/D轉(zhuǎn)換并進行數(shù)據(jù)分析并計算出電壓/電流，進而算出功率因數(shù)，無功功率等參數(shù)。采用復(fù)合開關(guān)投切電容實現(xiàn)過零投切。電容投切采取三相共補和三相分補相結(jié)合的方式。該控制器同時具有電壓電流、功率因數(shù)、無功功率以及電容投切的歷史數(shù)據(jù)記錄以及歷史數(shù)據(jù)的查詢功能。運行方式分為自動和手動兩種，手動投切適合調(diào)試時使用，自動運行停電時自動退出，送電后能自動阪復(fù)。用戶可以在現(xiàn)場根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境改變設(shè)置自動電容投切的控制參數(shù)。實時數(shù)據(jù)及電容投切情況可以通過現(xiàn)場液晶顯示或遠程PC進行隨時查詢。

圖1無功補償控制器結(jié)構(gòu)框架圖

　　硬件設(shè)計

　　電壓電流互感器選擇

　　LPC2220共有八路A/D轉(zhuǎn)換接口，可以將0V-VREF（典型為3V，最大不超過VDD）模擬電壓轉(zhuǎn)換成lO位的數(shù)字信號。電壓/電流互感器均采用天瑞電子TR系列檢測用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測用電壓輸出型電壓變換器TRl102－IC，規(guī)格為380V/3.53V，非線性度比差<±0.1%,角差<=±5分。電流互感器采用檢測用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規(guī)格為5A/2.88V，非線性度比差（±0.1%，角差<=±5分。

　　電容投切開關(guān)

　　復(fù)合開關(guān)綜合了機械式接觸器和電子式無觸點可控硅電容投切開關(guān)的優(yōu)點，如電壓過零投入、涌流低、電流過零切除、不產(chǎn)生過電壓、壽命長、功耗低、溫升小。市場上已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品?？梢詫崿F(xiàn)三相共補和三相分補。復(fù)合開關(guān)的原理圖如圖2所示。在整個控制過程中，當需要投入電容時，只需要無功補償控制器發(fā)送電壓信號給復(fù)合開關(guān)，復(fù)合開關(guān)會自動完成電容的投入和切除過程。

圖2復(fù)合開關(guān)基本原理框圖

　　主電路設(shè)計

　　LPC2220是基于支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARMTTDMI－S CPU的微處理器，對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%而性能的損失卻很小。片內(nèi)128寬度的存儲器接口和獨特的加速機構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。同時由于LPC2220的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADO、PWM輸出以及多達9個外部中斷，使它們特別適用于工業(yè)控制，通過配置總線LPC222O最多可提供76個GPIO。多個串行接口包括2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口（400kbit/s）和2個SPI接口，8路lO位A/D，轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間低至2.44ms，CPU操作電壓范圍1.65～1.95V（1.8V±8．3%）、I/O操作電壓范圍3.0－3.6V(3.3V±lO％)。

　　歷史數(shù)據(jù)的存儲可以對控制器運行狀況進行自我監(jiān)測，對其進行后臺分析后可以用來確定無功補償裝置的性能，分析該地區(qū)電網(wǎng)的實際負荷量以及負荷變化曲線，對于今后的電網(wǎng)維護及其改造均有著很重要的參考價值。控制器需要存儲運行三個月內(nèi)的整點數(shù)據(jù)、投切數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量較大，類型也比較多。LPC2220訪問外部存儲器時必須通過其外部存儲器控制器（FMC）。FMC是一個AMBA－ AHB總線上的從模塊｀它為AMBA AHB系統(tǒng)總線和外部存儲器提供了一個接口。該模塊可同時支持多達4組獨立配置的外部存儲器，每組支持RAM、ROM、Flash（閃存）、BurstROM等，最大存儲容量為16MB，并通過編程可將數(shù)據(jù)總線寬度配置為8、16、21位。 SST39LF/VFl60是一個LM×t6的CMOS多功能并行FLASH器件，可進行快速擦除（扇區(qū)、塊、芯片）和字編程，具有軟、硬件寫保護功能，掉電數(shù)據(jù)保持時間大于100年。因此，該芯片常應(yīng)用在大容量數(shù)據(jù)存儲的場合，尤其適用于要求程序、配置或數(shù)據(jù)存儲器可方便和低成本地更新的應(yīng)用㈣。具體接線方法是LPC2220的CS0接至SST39VF160的CE端。 LPC2220的Pin90接的讀信號OE；LPC2220的WE（Pin29）接寫信號SST39VF160的WE端；16位數(shù)據(jù)總線［DO～D15]與LPC2220的［DO～D15］連接；LPC2220外部存儲器的引腳地址輸出線［AI～A20］與SST39VF160芯片的［A0～A19］連接。

　　人機接口單元負擔裝置與操作人員之間的信息交換工作。友好的人機接口對于裝置的使用和維護都是非常重要的。液晶顯示部分可以采用分段式液晶屏，常用256段（32×8）液晶屏控制芯片HTl622，它與主控制器通信只需要4條線，接口非常方便。

　　低壓無功補償控制器工作于變壓器副邊（低壓側(cè)），220V電壓是控制器最易獲得的電源，由電源適配器輸入12V以上的直流電源，經(jīng)7912等器件便可得到穩(wěn)定的12V直流電壓，用于復(fù)合拜關(guān)的控制信號?？紤]到開關(guān)電源的高效節(jié)能特點，而內(nèi)部電路工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，所以自身消耗的能量很低，電源效率可達80％左右，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍?？刂破鞲鱾€模塊需要5V、3．3V、12V。

　　MC34063本身包含了DC／DC變換器所需要的主要功能，且價格便宜。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，R－S觸發(fā)器和大電流輸出開關(guān)電路等組成，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓變換器和電源反向器。由MC3406318電壓降到5V，部分提供給外設(shè)，同時由REG 1117可將電壓降至3.3V和l.8V。

　　控制器與上位機遠程通訊功能可通過使用UART外擴LQ－8100型GPRS傳輸模塊。該模塊具有RS－232數(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)串口透明的無線傳輸，實時穩(wěn)定可靠高速、配置簡單。LQ－8100采用的GPRS技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠在線且按流量計費，迅速降低了服務(wù)成本。LQ－8100與終端接線如圖3。

圖3 LQ－8100與終端接線

　　無功補償控制器軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計須在硬件、軟件功能劃分的基礎(chǔ)上進行?？刂破魇莻€多任務(wù)、對實時性和可靠性要求比較高的系統(tǒng)。uC／OS II作為嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有源代碼公開、可移植、可固化、可裁剪、多任務(wù)、任務(wù)堆棧、系統(tǒng)服務(wù)、中斷管理等特點同。在LPC2220上嵌入uC／OS－II實時操作系統(tǒng)。（uC／OS－It進行任務(wù)調(diào)度的時候，會把當前任務(wù)的CPU寄存器存放圖3 LQ－8100與終端接線圖到任務(wù)的堆棧中，然后當從另一個任務(wù)退出時，堆?；謴?fù)原來的工作寄存器，繼續(xù)運行原來的任務(wù)。控制器軟件體系結(jié)構(gòu)框圖如圖4。底層驅(qū)動程序需完成鍵盤讀取、LCD顯示、以及接口的讀寫等底層功能，把代碼封裝成函數(shù)，供上層調(diào)用。操作系統(tǒng)層可將多個“同時”發(fā)生的事件劃分為相對獨立的“任務(wù)”，確保事件得到適時處理。用戶任務(wù)按照系統(tǒng)所需管理的任務(wù)來模塊化地編寫程序。按系統(tǒng)功能可分為采集模塊、計算模塊、投切控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊模塊等。整個系統(tǒng)的工作過程是，系統(tǒng)開機數(shù)據(jù)初始化，讀取電網(wǎng)參數(shù)，進行相應(yīng)計算判斷是否投切電容，輸出控制信號。當整個過程中出現(xiàn)中斷，如修改設(shè)定參數(shù)、記錄歷史數(shù)據(jù)等，uC／OS－II操作系統(tǒng)可以對中斷進行及時反應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

圖4系統(tǒng)設(shè)計層次圖

　　無功補償控制量的選擇直接關(guān)系到無功補償?shù)男ЧＲ怨β室驍?shù)為控制量是無功補償?shù)膫鹘y(tǒng)方法之一。但僅以功率因數(shù)作為投切判據(jù)并不能直接反映無功缺額的大小，可能會出現(xiàn)實際無功的總量已經(jīng)很大但功率因數(shù)卻仍在“合理”范圍內(nèi)的情況。所以僅由功率因數(shù)作為投切判據(jù)構(gòu)成的自動投切裝置無功補償效果較差，甚至在某些負荷狀態(tài)下存在頻繁誤動作的缺陷。如果以無功功率作為投切判據(jù)，由于檢測量與控制目標一致，能夠真正實現(xiàn)無功功率缺多少補多少，超多少切多少的目的，既可避免投切振蕩，又可實現(xiàn)電容器組的一次投切到位，避免了反復(fù)試投切對電網(wǎng)和電容器的影響。綜合兩種控制量的優(yōu)缺點，及實際中適用的環(huán)境可能有所不同，在設(shè)計無功補償控制器時可采用軟件的方法，設(shè)定不同的控制量，或復(fù)合控制。電容投切采用三相共補和三相分補相結(jié)合的方式，先比較三相無功功率的最小量，由三相共補進行補償，然后再由三相分補的方式補償剩下的無功功率。控制方案軟件框圖如圖5。

圖5控制方案軟件框圖

　　LPC2220外部存儲器控制器EMC包含4個相互獨立的32位且映射含義相同的配置寄存器（BCFG0～BCFG3），并分別對應(yīng)4個地址空間（Bank0～Bank3）。本控制器的處部FLASH存誰儲器SST39VFI60的配置寄存器BCFG0可配置為0X1000FFE8。

　　結(jié)語

　　本文設(shè)計的以LPC2220 ARM7微處理器與uC/OS－ II實時嵌入式操作系統(tǒng)為軟硬件基礎(chǔ)，以復(fù)合開關(guān)作為電容投切拜關(guān)的控制器。在硬件設(shè)計上有高可靠、低成本的特點。軟件設(shè)計在控制系統(tǒng)中嵌入實時多任務(wù)操作系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的效率，縮短開發(fā)周期，方便程序的維護和升級。同時用戶可以更靈活方便地使用?？刂坪托盘柼幚淼睦碚摵图夹g(shù)發(fā)展，以及傳感器與計算機技術(shù)的發(fā)展，把電子信息的一些新成果用到電力無功補償裝置中，將對電力系統(tǒng)自動化水平的提高起到推迸作用。