基于STM32的低壓無功補償裝置的研究

張 芳 丁國臣 邵 紅 王翠珍

0 引言

經(jīng)濟高速發(fā)展，用戶對供電的質(zhì)量、供電可靠性的要求越來越高[1]。系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)的降低，會使電氣設(shè)備的利用率降低、線路損耗增加。在低壓配電網(wǎng)中，設(shè)施老化、結(jié)構(gòu)復雜、線徑小、負荷電流大、自然功率因數(shù)低等問題突出，長期來看，將使得電壓質(zhì)量得不到保證，無功功率的遠距離輸送得不到很好的跟蹤，嚴重影響電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。再加上近年來隨著需求的增加，電網(wǎng)中引入了大量的非線性和沖擊性負載，運行過程中會產(chǎn)生諧波和電壓波動，影響供電質(zhì)量及電網(wǎng)設(shè)備的安全性。這就要求我們必須要對無功功率和諧波進行精準測量和適當補償。目前，電網(wǎng)中存在的多為阻感性負載，通過STM32進行電容器組的投切，投入容性無功功率，從而使系統(tǒng)的總無功功率減少?；谶@一思想，本文對高性能的基于STM32的低壓無功補償裝置進行了研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在無功補償控制裝置中，首先進行三相電壓、電流的采集，計算出電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)；然后計算出需要補償?shù)臒o功量，選擇合適電容器組通過控制晶閘管進行投切?？紤]到裝置運行的經(jīng)濟性，電容器組的接線方式為三相分補與三相共補相結(jié)合的方式[2-4]，電容器三相共補部分采用△接線，三相分補部分采用Y接線，運行方式機動靈活。裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示。控制器的主控芯片采用STM32F103VET6，計量芯片選用ADE7878，主要的外圍電路模塊有：電流電壓采樣電路、按鍵處理電路、RS485通信模塊等。

圖1系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片的選取

考慮到傳統(tǒng)單片機的運算速度和硬件資源的限制，會直接影響無功補償?shù)木群托Ч?，本文采用基于Cortex-M3的STM32F103為主控芯片，主頻高達36 MHz，內(nèi)嵌4～16 MHz高速晶體振蕩器，強大的運算能力能夠保證實時快速的數(shù)據(jù)處理與算法實現(xiàn)，豐富的外設(shè)資源可以極大地簡化系統(tǒng)硬件電路。

2.2 計量芯片

選用ADE7878計量芯片[5-6]來采集電壓和電流，能夠大大提高采樣精度，將計算得到的相關(guān)參數(shù)通過SPI口傳遞給STM32控制芯片，計算簡便，又提高了采樣速率和數(shù)據(jù)精度。

主控芯片STM32開始啟動后，首先將STM32的SPI口與ADE7878的HSDC口相連，得到電壓、電流的瞬時值;然后通過DMA中斷處理將得到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部數(shù)據(jù)地址中，最后計算出無功功率、有功功率和頻率值。ADE7878與主控芯片STM32的通信如圖2所示。PA0和PA1用來配置計量芯片的供電模式；SDA和SCL為 口，在系統(tǒng)剛啟動時通過 進行配置；SCK和MOSI為SPI口，接收ADE7878傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在芯片內(nèi)部進行處理。

圖2 STM32與ADE7878通信圖

2.3 電源電路

對輸入相電壓220 V的交流電進行電壓采樣調(diào)理，得到9 V直流電源。為防止RS485受到外界干擾，使芯片不能正常工作，將供電分成兩路，其中9V，4W這一路經(jīng)過轉(zhuǎn)換后給STM32和ADE7878以及EEPROM，LED燈、J-LINK等外設(shè)供電；而另一路9 V，1W經(jīng)過轉(zhuǎn)換后用于RS485通信。

為了給RS485和部分器件提供5 V電源，首先進行DCDC轉(zhuǎn)換，用AMS1117-5.0芯片將兩路電源從9 V轉(zhuǎn)化為5 V直流。STM32和ADE7878需要3.3 V供電，則需要再將5 V的直流轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的3.3V，所用芯片為AMS1117-3.3。轉(zhuǎn)換電路及濾波電路如圖3所示。

圖3電源轉(zhuǎn)換電路及濾波電路

2.4 電壓電流采樣電路的設(shè)計

選用的電壓互感器型號為SPT204，其額定輸入、輸出電流均為2 mA。電壓采集原理圖如圖4所示，首先將電壓信號變換成電流信號，為限流電阻，副邊電路是電流/電壓變換電路，調(diào)整圖中反饋電阻的值，可以獲得相應的輸出電壓。將兩個二極管并聯(lián)從而保護運放，電容用來去耦和濾波[7-8]。

圖4電壓信號變換電路

選用的電流互感器型號為SCT254，其輸入額定電流為5 A，額定輸出電流為2.5 mA。如圖5所示，整個電流信號變換電路的工作原理是利用SCT254，將電流信號衰減、隔離，然后通過放大電路將SCT254輸出的負半周的電流信號進行放大，最終轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。

圖5電流信號變換電路

2.5 投切電路設(shè)計

電容器的投切選用過零觸發(fā)控制芯片MOC3083[9-11]來控制，MOC3083的2腳接STM32的IO口，6腳與電網(wǎng)相接，4腳接電容。當過零檢測器的1腳和2腳間的電流超過5 mA，而且4腳電壓和6腳電壓幅值、相位均相同時，晶閘管兩端將會產(chǎn)生觸發(fā)電壓，使其中一個晶閘管導通。其原理圖如圖6所示。

圖6投切電路圖

2.6 鍵盤電路設(shè)計

鍵盤電路設(shè)計中使用了8個按鍵，即"上、下、左、右、復位、確認、加、減"。通過鍵盤電路，可以進行無功功率因數(shù)的設(shè)定等，也可以用來切換手動或自動運行。其電路如圖7所示。

圖7按鍵電路

2.7 RS485通信電路設(shè)計

驅(qū)動芯片選用MAX3285，進行串行通信。接口采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，RS485的總線接口電路如圖8所示[12]，圖中RXD為信號輸入端，DE為控制信號輸入、輸出端口，TXD為信號輸出端。

圖8 RS485總線接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無功補償控制裝置軟件的設(shè)計采用模塊化[13]的設(shè)計方法，主要包括:數(shù)據(jù)采集和計算、自動投切邏輯、模糊控制和投切控制等，既提高了系統(tǒng)的通用性，也使代碼的可讀性大大增強，修改維護更加方便快捷。

3.1 主程序結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，然后進行瞬時三相電壓和電流數(shù)據(jù)的采集，將得到的數(shù)據(jù)通過ADE7878傳輸給DMA中斷進行處理，從而得到電網(wǎng)功率因數(shù)、無功功率、有功功率等相關(guān)參數(shù)值并進行儲存和顯示，然后依據(jù)現(xiàn)場情況進行參數(shù)設(shè)置，從而進行電容器的投切。投切電容設(shè)置成手動和自動控制兩部分，正常運行時讓其處于自動控制模式，調(diào)試時會用到手動投切。主程序流程圖如圖9所示。

圖9主程序流程圖

3.2 模糊控制子程序設(shè)計

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，其基本形式主要有輸入量模糊化、知識庫、推理機和輸出量反模糊化等四個部分[14]。模糊控制程序子程序的運行過程是首先，計算出離線情況下的模糊控查詢表。然后，在線情況下，將輸入量模糊化，依據(jù)模糊算法的原理，進行模糊控制表的查詢，從而得到其輸出，然后再進行去模糊化處理，最終得到準確地控制量。

3.3 投切控制程序設(shè)計

依據(jù)模糊控制算法進行電容器投切，首先給等容的電容器組編號，投切時，采用逐級循環(huán)投切的方法，并且保證每次只有一組電容器被投入或切除，本著"先入先除，先除先入"的原則，確保每臺電容器都有均等的機會運行[15]。為了避免產(chǎn)生瞬時干擾和投切震蕩，當檢測結(jié)果異常時，電容器并不立即投切，也不會發(fā)出跳閘信號，而是經(jīng)過一段時間的延時之后，再次進行檢測，只有兩次檢測結(jié)果一致，才會進行動作。

4 結(jié)語

本文對低壓無功補償裝置進行了研究，硬件部分的設(shè)計以STM32F103VET6和ADE7878為核心，進行了電流電壓采樣電路、溫度檢測電路、按鍵電路、RS485通信電路等模塊的設(shè)計，軟件部分分模塊進行設(shè)計，完成了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和計算、投切控制、模糊控制等軟件模塊的程序設(shè)計，能夠精確地采集和計算電網(wǎng)電壓電流值，通過給定的相關(guān)參數(shù)值得到要投入的電容量，在電壓電流過零點時，通過控制晶閘管進行電容器的投切，從而使電網(wǎng)中消耗的無功功率得到補償，提高電網(wǎng)質(zhì)量。