通信技術(shù)在無功功率補償裝置中的研究與應(yīng)用

孫 翼，王倩倩

（陜西凌云電器集團(tuán)有限公司 產(chǎn)品設(shè)計所，陜西 寶雞 721006）

0 引言

無功補償技術(shù)在電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)、信號處理技術(shù)發(fā)展的推動下，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，形成了多種補償方式。本文在對配電網(wǎng)低壓無功補償技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研制了一種改進(jìn)型多功能低壓無功補償裝置，并完成了系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)

本文的軟硬件設(shè)計主要依據(jù)的是國家電力行業(yè)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低壓無功功率自動補償控制器》以及IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)?？刂葡到y(tǒng)以周立功的ARM 7 系列芯片LPC2132 為核心，以基于MODBUS 協(xié)議的RS485總線和基于GSM 的無線數(shù)據(jù)通信為數(shù)傳載體。系統(tǒng)裝置由三部分組成：主控CPU 模塊；人機(jī)交互模塊；IO功能板模塊。具體分析各模塊，其中主控CPU 模塊包括ARM 芯片的相關(guān)內(nèi)容，電源部分，存儲部分，外部看門狗部分以及相關(guān)的外圍電路；人機(jī)交互模塊包括液晶顯示器和鍵盤操作部分，還有開關(guān)量的輸出控制部分；IO功能板模塊包括各種模擬電參量采集部分，開關(guān)量采集部分，以及系統(tǒng)功能輸出控制部分。系統(tǒng)裝置的功能框圖如圖1 所示。

該裝置上電以后，經(jīng)過延時，MCU 控制三相電壓，三相電流通過電參數(shù)采集芯片ATT7022B撲捉到模擬信號，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過多路選擇開關(guān)進(jìn)行采樣，MCU 根據(jù)電壓，電流的值進(jìn)行運算，得到系統(tǒng)的無功功率，通過控制機(jī)制，對電容器組進(jìn)行投切操作，按照“在保證電壓不越線的前提下，使變壓器從系統(tǒng)中吸收的無功功率最小”的原則對電容器組進(jìn)行控制，減少網(wǎng)絡(luò)中的無功功率，降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

圖1 系統(tǒng)總體功能框圖Fig.1 The diagram of the system functions

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計框圖及概述

嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計包含多個功能模塊和接口，設(shè)計方案的各個模塊包括：主控制器模塊，液晶以及鍵盤的數(shù)據(jù)輸入和輸出模塊，電參數(shù)采集和測量模塊，開關(guān)量采集和輸出模塊，通信模塊，電源驅(qū)動和外部看門狗模塊等以及外圍電路組成。其整體設(shè)計框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件功能框圖Fig.2 The diagram of the hardware features

2.1 無線數(shù)據(jù)通信模塊

無線數(shù)據(jù)通信模塊由GSM 基帶處理器、射頻電路和FLASH 存儲器等部分組成，負(fù)責(zé)處理GSM 蜂窩設(shè)備中的數(shù)據(jù)和信號，內(nèi)嵌的軟件部分執(zhí)行應(yīng)用接口和所有GSM 協(xié)議棧的功能。TC35 通過40 芯ZIF 連接蜂窩應(yīng)用部分，ZIF 連接器提供控制數(shù)據(jù)，SIM 卡和電源供應(yīng)線的應(yīng)用接口。其數(shù)據(jù)接口是一個串行異步收發(fā)器，符合RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)，可選波特率300bps～115kbps。支持標(biāo)準(zhǔn)的AT 指令集，通過這一接口可以用AT 命令切換操作模式，可以使它處于各種功能模式。

無線數(shù)據(jù)通信模塊電路主要完成數(shù)據(jù)收發(fā)、與主控CPU 通信，軟件流控制等功能。TC35 的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合RS－232 接口電路標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)接口配置為8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無校驗位，可以在300bps～115kbps 的波特率下運行。

2.2 人機(jī)交互部分

本系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊部分是一個重要的組成部分，如果把該低壓無功功率補償裝置比作成一個計算機(jī)系統(tǒng)的話，那么人機(jī)交互模塊就相當(dāng)于計算機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出部分。具體來講，是由液晶顯示輸出部分和鍵盤輸入兩部分組成的。

2.3 時鐘電路設(shè)計

實時時鐘（RTC）提供一套計數(shù)器在系統(tǒng)上電和關(guān)閉操作時對時間進(jìn)行測量，RTC 消耗的功率非常低。LPC2132 的RTC 時鐘可由獨立的32.768KHz 或基于VPB 時鐘的可編程預(yù)分頻器來提供。另外，RTC 還具有專用的電源管腳Vbat，可連接到電池或其他器件使用的相同的3.3V 電壓上。

2.4 電源電路設(shè)計

在主CPU－LPC2132 的供電上我們選擇AC/DC 模塊電源YAS10－12－N，直接將220V 通過電源轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)槲覀冃枰?2V 電壓。

由于使用的元器件電氣特性不同，系統(tǒng)中的各個部件所需的供電電壓也各不相同，有時需要同時提供幾種不同的電壓值，例如運放的工作電壓為+5V、LCD 顯示模塊工作電壓為+5V，而LPC2132 微處理器的工作電壓為+3.3V，繼電器控制電路的工作電壓為+12V，因此就需要分別設(shè)計不同的電源電路。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計任務(wù)和綜述

3.1 軟件設(shè)計任務(wù)，實現(xiàn)的功能

從大的框架來說，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要有以下三大模塊：①主CPU 板的控制模塊；②液晶顯示部分；③功能板輸入輸出部分。具體功能實現(xiàn)如下分析：

主CPU 板的控制部分：溫度測量功能；計時功能；與顯示面板通訊功能；與開關(guān)量輸入輸出模塊部分的通訊功能；與主機(jī)485 通訊功能；以太網(wǎng)通訊功能。

顯示面板功能需求：按鍵功能；告警，通信燈指示功能；液晶顯示功能；蜂鳴器功能；通訊功能；復(fù)位輸出功能。

功能板輸入輸出部分功能需求：電參數(shù)采集計量；開關(guān)量采集；繼電器控制；與ARM 進(jìn)行422 通信；ADC 采集電壓。

軟件系統(tǒng)的功能設(shè)計框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件功能框圖Fig.3 The diagram of the software features

3.2 通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

MODBUS 網(wǎng)絡(luò)是一個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機(jī)通過公用線路或?qū)Ｓ镁€路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。表1是MODBUS 的功能碼定義。

MODBUS 網(wǎng)絡(luò)只是一個主機(jī)，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247 個之多的遠(yuǎn)程控制器，但實際所支持的從機(jī)數(shù)要由所有通信設(shè)備決定。采用這個系統(tǒng)，各PC 可以和中心主機(jī)交換信息而不影響各PC 執(zhí)行本身的控制任務(wù)。

表1 MODBUS協(xié)議的功能碼Tab.1FunctioncodeofMODBUSagreement

3.3 無線GSM 模塊通信

控制器采集的數(shù)據(jù)除了供本地監(jiān)控、記錄外，還要能夠向上位機(jī)傳送并接受上位機(jī)的操作指令。本控制器考慮到不同的使用環(huán)境和用戶的需求，設(shè)計時以RS485有線通信方式作為一種方案，以GSM 無線模塊通信作為另一種輔助方案。

4 系統(tǒng)的前景與展望

無功補償技術(shù)在電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)、信號處理技術(shù)發(fā)展的推動下，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，形成了多種補償方式。本文在對配電網(wǎng)低壓無功補償技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研制了一種改進(jìn)型多功能低壓無功補償裝置，并完成了系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計與實現(xiàn)。其優(yōu)點如下：

（1）控制策略比較合理。該策略既考慮到配電網(wǎng)無功補償對電容容量需求，又考慮到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求，這種策略較以往單一的控制策略對改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量具有很大的優(yōu)勢。

（2）針對傳統(tǒng)的無功補償裝置在動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)上存在缺點、不能長期穩(wěn)定工作的狀況，對輸出控制回路進(jìn)行了改進(jìn)，選用復(fù)合開關(guān)進(jìn)行投切，避免了合閘涌流。另外裝置大量選用高度集成的模塊化器件，具有很強的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。

（3）具有配電監(jiān)控功能。能夠?qū)ε渚W(wǎng)的各種運行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并能根據(jù)需要及時地將各種測量參數(shù)送往調(diào)度監(jiān)控中心，使調(diào)度監(jiān)控中心及時了解電網(wǎng)運行的狀況，保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運行。

（4）具有無線通訊能力?？梢栽谶h(yuǎn)端通過GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送遠(yuǎn)程控制電容器投切命令和配置控制系統(tǒng)參數(shù)命令，實現(xiàn)對配電節(jié)點電壓的控制作用。GSM 模塊TC35可以很容易升級為功能更強大的GPRS 模塊，最大限度的發(fā)揮裝置的功效；再加上應(yīng)用范圍廣，開發(fā)周期短，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]周立功.ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（第2 版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]譚浩強.C 語言程序設(shè)計（第3 版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]MODBUS 通信協(xié)議.