基于S3C6410的高校三相電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)

 隨著高等院校的大規(guī)模擴(kuò)招和教學(xué)條件的改善，各種電子與電器設(shè)備在高校中廣泛應(yīng)用，高校成為當(dāng)之無(wú)愧的能耗大戶，其中電能是主要能耗。然而在高校校園電網(wǎng)中，大量電力電子產(chǎn)品的存在，諧波污染變得越來(lái)越嚴(yán)重，無(wú)功功率的不斷增加不僅造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，對(duì)設(shè)備造成了極大損害，同時(shí)也給高校帶來(lái)了極其嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。為響應(yīng)國(guó)家建設(shè)節(jié)能型社會(huì)的號(hào)召，充分利用電子技術(shù)以減少諧波污染，提高電能利用率，有效利用資源以保護(hù)生態(tài)環(huán)境成為當(dāng)前社會(huì)的焦點(diǎn)。

為此，文中介紹了一種以ARM架構(gòu)的高速處理器S3C6410為核心單元，以嵌入式Linux為軟件平臺(tái)的無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓?jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)融合了諧波分析、諧波檢測(cè)、無(wú)功補(bǔ)償、實(shí)施管理、屏幕顯示以及控制電容投切功能。同時(shí)，采用嵌入式技術(shù)，為該系統(tǒng)不僅便于功能擴(kuò)展提供豐富硬件資源而且微處理器高速性能和Linux的實(shí)時(shí)調(diào)度，為系統(tǒng)既保障人機(jī)交互又保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1 諧波檢測(cè)原理與無(wú)功補(bǔ)償模型

電力系統(tǒng)中大量電力電子元件的使用，不僅有電網(wǎng)諧波的污染造成設(shè)備故障，還有大量無(wú)功功率的存在導(dǎo)致能耗利用率極低，造成能源的浪費(fèi)。為保證高校電子與電器設(shè)備的正常運(yùn)行，諧波檢測(cè)是治理諧波一個(gè)非常重要的先決條件，通常用某次諧波幅值相對(duì)于基波幅值的百分?jǐn)?shù)來(lái)反應(yīng)該諧波的含量，即：

式中：U1、I1和Um、Im分別表示基波電壓有效值、電流有效值和第m次諧波電壓有效值、電流有效值。當(dāng)諧波含量超過(guò)一定的指標(biāo)，則需對(duì)諧波進(jìn)行治理以保護(hù)電子設(shè)備。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，諧波檢測(cè)的方法更趨向于高精度、高速度和實(shí)用性好的方向發(fā)展。

功率因數(shù)是用來(lái)衡量用電效率的重要指標(biāo)，也從側(cè)面反映出電網(wǎng)能耗的利用率，一般用有功功率P和視在功率S的比值來(lái)表示：

λ=cosφ=P/S (4)

電網(wǎng)中系統(tǒng)三相電力電子元件的使用會(huì)導(dǎo)致三相電流不平衡，產(chǎn)生無(wú)功功率，增加配電壓器的有功損耗。為對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償以節(jié)約高校電網(wǎng)能耗，本文采用Y接線和△接線兩種補(bǔ)償方式作用，對(duì)各相提供不同無(wú)功，消除不對(duì)稱負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序和零序電流分量，使得高校電網(wǎng)在理論上讓功率因數(shù)提高到1，以減少線路耗損，其三相無(wú)功補(bǔ)償模型如下：

上式中Pa、Pb、Pc和Qa、Qb和Qc分別表示三相有功功率和無(wú)功功率，三相不平衡電流無(wú)功補(bǔ)償一般只補(bǔ)償電容。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示，包括電壓轉(zhuǎn)換器、電流轉(zhuǎn)換器、A/D采樣電路、鍵盤(pán)、LCD液晶顯示、SD卡、RS485通訊等接口電路。電壓轉(zhuǎn)換器將三相電壓轉(zhuǎn)化成PPV為-0.8～0.8 V之間的電壓信號(hào)，電流互感器通過(guò)接地電阻轉(zhuǎn)換為電壓后一并送入CS5451進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，由三星公司的基于ARM1176JZF—S內(nèi)核架構(gòu)的S3C6410嵌入式微處理器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)LCD控制器將數(shù)據(jù)傳給LCD進(jìn)行圖形化顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)結(jié)果(三相負(fù)荷需要補(bǔ)償?shù)碾娙輸?shù))通過(guò)RS485通信接口送給電容組投切復(fù)合開(kāi)關(guān)執(zhí)行投切動(dòng)作。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

節(jié)能控制系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集電路對(duì)后端諧波分析與無(wú)功補(bǔ)償投切電容的精度和準(zhǔn)確度起著關(guān)鍵性作用。特別是電網(wǎng)中各次諧波含量較小，所以高精度的AD轉(zhuǎn)換器對(duì)提高

數(shù)據(jù)精度是必要的。

首先三相電壓經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)換器用分壓電阻的方法，將三相電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成為3個(gè)電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)阻容濾波送入CS5451。同樣，三相電流經(jīng)過(guò)電流互感器，將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成三個(gè)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)阻容濾波送入CS5451。CS5451是一個(gè)精度較高的AD轉(zhuǎn)換器，將輸入的電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。CS5451集成了6個(gè)△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器和均分濾波器，3個(gè)具有增益可編程放大器的電流輸入通道對(duì)剛才輸入的電流進(jìn)行采樣，3個(gè)電壓輸入通道對(duì)輸入的電壓進(jìn)行采樣，6個(gè)通道可以實(shí)現(xiàn)同步采樣，保證數(shù)據(jù)沒(méi)有相位誤差;CS54 51通過(guò)一個(gè)4線制串行數(shù)據(jù)輸出口SPI與S3C6410進(jìn)行通訊，每隔250微秒主動(dòng)發(fā)出一組數(shù)據(jù)，最后$3C6410對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析處理。基于CS5451的數(shù)據(jù)采樣電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 LCD液晶顯示與觸摸屏電路原理

ARM11架構(gòu)的S3C6410處理器本身包含了TFT24位真彩色液晶顯示控制器，可支持3.5寸、4.3寸、5.6寸等帶有觸摸屏TFT液晶屏，分辨率可達(dá)1024*1024，最大支持2k*2k虛擬屏幕尺寸，擁有16級(jí)Alpha混合。本系統(tǒng)采用4.3寸WXCAT43-TG3#001帶有觸摸屏的液晶顯示屏，由一個(gè)液晶顯示屏，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)背光單元，一個(gè)模擬式電阻控制面板，分辨率為480*272，16：9寬顯示，擁有16777216色和24位RGB接口。

LCD液晶顯示與觸摸屏電路總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。LCD通過(guò)FPC座把接收到S3C6410的數(shù)據(jù)流輸入到RGB接口中，通過(guò)1個(gè)門(mén)驅(qū)動(dòng)和2個(gè)源驅(qū)動(dòng)T—con來(lái)控制TFT LCDPanel。對(duì)于tou ch panel觸摸得到的數(shù)據(jù)直接通過(guò)FPC座傳輸?shù)絊3C6410，S3C6410觸摸屏控制器采用正常轉(zhuǎn)換模式、單獨(dú)的X/Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式、自動(dòng)(順序)的X/Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式、等待中斷方式對(duì)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到ADC的控制寄存器。

S3C6410顯示控制器有一個(gè)用于轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)的邏輯，這個(gè)邏輯是指從本地總線的后處理器或系統(tǒng)內(nèi)存內(nèi)的視頻緩沖區(qū)到外部LCD驅(qū)動(dòng)器接口的傳輸圖像數(shù)據(jù)的邏輯。LCD驅(qū)動(dòng)接口有四種接口，如傳統(tǒng)的RGB接口，180接口，NTSC/PAL標(biāo)準(zhǔn)TV編碼器接口和IT—R BT.601接口。顯示控制器支持5層圖像窗口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。開(kāi)源的嵌入式linux系統(tǒng)性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開(kāi)放，同時(shí)擁有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、安全性好的特點(diǎn)。通過(guò)在PC機(jī)linux環(huán)境下編譯Qtopia4.4.3移植到開(kāi)發(fā)板上。Qtiopia4.4.3是一個(gè)面向嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面，包含完整的應(yīng)用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序啟動(dòng)程序以及開(kāi)發(fā)框架。系統(tǒng)的軟件組成如圖4所示。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包含RS232驅(qū)動(dòng)、SD卡驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)和LCD驅(qū)動(dòng)程序等。在PC機(jī)linux環(huán)境下通過(guò)arm—gcc交叉編譯工具生成潛入式Linux內(nèi)核并將其移植到NandFlash中。應(yīng)用程序則采用QT creator進(jìn)行編程和設(shè)計(jì)，生成的文件通過(guò)編譯qtopia4.4.3中的qmake生成makefile，再執(zhí)行make得到在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行的qt應(yīng)用程序。

3.2 CS5451的零點(diǎn)漂移補(bǔ)償算法

對(duì)于△-∑型CS5451采樣電路而言，會(huì)存在采樣值的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，為保證諧波檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確度，這里采用硬件和軟件結(jié)合的兩級(jí)消除采樣誤差的方法解決零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

硬件上先設(shè)定一個(gè)誤差修正電路圖如圖5所示，用來(lái)控制CS5451輸入電壓和電流的值進(jìn)行控制。

在軟件補(bǔ)償過(guò)程中，根據(jù)誤差修正公式*=b1y+b0，b0、b1為誤差校正因子，因此需要做2次校正。首先進(jìn)行系統(tǒng)零點(diǎn)校正使輸入量為0，根據(jù)誤差修正公式得到：

3.3 基于FFT算法的電網(wǎng)諧波分析

電網(wǎng)諧波的存在不僅會(huì)影響電網(wǎng)設(shè)備的的正常工作，縮短設(shè)備的壽命，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生諧波損耗，降低用電設(shè)備的能耗利用率，而準(zhǔn)確的提取諧波信息則是諧波治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前用于諧波分析的算法由很多，比如簡(jiǎn)單方便實(shí)用的FFT變換，具有時(shí)頻分析特性的小波變換等。本系統(tǒng)充分利用S3C6410處理器的高速計(jì)算能力，采用基于FFT算法的電網(wǎng)

諧波檢測(cè)方法，其程序流程圖如圖6所示。其主要思想是：

1)電網(wǎng)模擬電壓信號(hào)U(t)或電流信號(hào)I(t)經(jīng)過(guò)CS5451抽樣離散后，變成U(nT)或I(nT)，T為采樣周期;

2)將抽樣離散后的電壓U和電流I舜時(shí)值送入如下的FFT變換公式進(jìn)行快速傅里葉變換：

試中，

，被稱為蝶形因子，上式是N點(diǎn)的FFT計(jì)算所有的X(k)約需要N2次乘法和N2次加法。由于

具有對(duì)稱性和周期性。則FFT利用了蝶形因子這2個(gè)性質(zhì)加快了運(yùn)算的速度。設(shè)N=2M，則總共有N/2個(gè)2點(diǎn)的FFT運(yùn)算，因此，N點(diǎn)FFT進(jìn)行(N/2)log2N個(gè)蝶形運(yùn)算;3)FFT變換后得到各個(gè)頻率點(diǎn)處的電壓或電流幅值，將這些幅值送入到公式(2)、(3)計(jì)算各相總的諧波含量。

4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

為了基于S3C6410的無(wú)功補(bǔ)償技能控制系統(tǒng)的補(bǔ)償節(jié)能效果，在封閉型無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)?zāi)M柜中，人為投入一些感性器件，以增加系統(tǒng)的無(wú)功功率。采用本系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的電流及各項(xiàng)功率因素入表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明補(bǔ)償前無(wú)功實(shí)驗(yàn)柜所采集的三相電流嚴(yán)重不平衡，功率因素也很低，但是采用基于專(zhuān)用電能測(cè)量芯片CS5 451和ARM11架構(gòu)S3C6410的無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)Y接線和△接線兩種補(bǔ)償方式共同作用后，三相電流接近于平衡;功率因素達(dá)到了0.99，能量損失大大減小;且零序電流接近于0，消除了不對(duì)稱負(fù)荷產(chǎn)生的零序電流;通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償柜的模擬實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)對(duì)高校電網(wǎng)節(jié)約電能具有重要推廣意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高校電網(wǎng)用電量大，諧波污染嚴(yán)重等問(wèn)題，介紹了基于嵌入式處理器S3C6410的節(jié)能控制系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程，給出了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電網(wǎng)信號(hào)曲線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新的交互界面;針對(duì)諧波檢測(cè)過(guò)程中的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象給出了硬件補(bǔ)償電路和軟件補(bǔ)償算法，提高了諧波檢測(cè)的精度;通過(guò)FFT算法對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確分析;采用三相電流不平衡補(bǔ)償算法模型，將三相負(fù)荷需要補(bǔ)償?shù)碾娙輸?shù)通過(guò)RS485通信接口送給電容組投切復(fù)合開(kāi)關(guān)，由復(fù)合開(kāi)關(guān)控制電壓的投切動(dòng)作。該系統(tǒng)集電網(wǎng)諧波檢測(cè)和無(wú)功補(bǔ)償為一體的電網(wǎng)節(jié)能控制系統(tǒng)，也實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償數(shù)據(jù)分析控制單元與執(zhí)行的有效分離，以減小電容投切執(zhí)行單元對(duì)數(shù)據(jù)分析控制單元的信號(hào)干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用高速處理器S3C6410的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析能力和高精度特性，本系統(tǒng)能將功率因素至0.99，大大降低了高校用電能耗。