摘要：以MSP430系列單片機組成的智能無功補償器具有功耗低、處理功能強大、方便高效的開發特點，以配電網為補償對象，實現無功補償的實時數據和歷史數據的自動跟蹤、存儲和電容器的自動投切，并實現有線和無線通信功能，具有可控性高、配置靈活等特點。
近年來，由于用電負荷快速增長，對電網無功要求也與日俱增，這給電網帶來很大的負擔和額外線損，為了維護電力系統穩定性，保證電能質量，研制了應用于配網的無功補償控制器，它以FLASH型16位單片機MSP430F149為控制核心，實時監測電網的電壓、電流，并計算出有功、無功、功率因數等，根據晶閘管過零觸發電容器投切，實現無功補償的自動跟蹤和自動投切，并對歷史數據和實時數據存儲、分析，同時無線和有線通信方式實現人機交換，大大提高系統的便捷性和可靠性。
1 MSP430系列單片機的特點
本控制器選用MSP430F149是一款功能強大、性價比極高的FLASH型超低功能的16位單片機，主要有以下幾個部分組成：
CPU內核，由16位ALU指令控制邏輯和16個寄存器組成，運行正交的精簡指令集，可以使應用系統的程序設計實現復雜的尋址模式和軟件算法。
12位的A/D轉換器ADC12，具有告訴、通用的特點。可對8個外部模擬信號之一或4個內部電壓之一作轉換，具有單通道單次、重復和序列通道單次、重復等轉化模式。
16位定時器Timer_A和Timer_B,可支持多個同時進行的時序控制，多個捕獲/比較功能，多種輸出波形，也可以是上述功能的組合。此外，可以對每個捕獲/比較模塊獨立編程。
JTAG標準測試接口便于做片上的在線仿真，固化于Flash存儲器內的程序易于在線編程、升級和調試。
2 控制器硬件設計
控制器由信號轉化電路、數據存儲模塊、通訊模塊、投切控制電路模塊等組成，其結構如圖1所示。
2.1 模擬量取樣與變換電路模塊
模擬量取樣與變換電路主要完成強電信號與弱電信號之間的隔離和變換，該電路包括互感器信號變換電路、電流信號放大電路、電平提升電路和濾波電路等。其中圖2為電壓互感器的I-U轉換圖，該電路將互感器的電流輸出信號轉換成電壓信號，以符合單片機采樣信號的要求。
2.2 數據存儲模塊
系統記錄電壓、電流、有功、無功、日負荷最大值、最小值及每次投切操作發生時間和操作前電壓、電流、有功、無功等數據變化。
2.3 投切控制電路
本投切系統采用雙向反并聯的晶閘管，當電容器在投入或退出運行時，由晶閘管取代接觸器承受強電動態過程的巨大沖擊，當動態過程結束進入穩態時，改由接觸器工作，晶閘管退出運行，此方法的關鍵是控制可控硅在電壓過零時投入。
2.4 通訊模塊
控制器通過通訊模塊實現歷史運行數據及有關信息的上傳和基本參數、控制命令等的接收。鑒于本無功補償控制器用在電網中，因此本系統上位機與下位機的數據傳輸采用無線通信方式，可保證運行的安全。
3 控制器軟件設計及策略
針對系統功能多，控制規律復雜，數據計算量大，因此，軟件主要采用C語言和匯編語言混合編寫，在一些直接對硬件的操作中使用了匯編語言，而且將其編為單獨文件，使程序模塊化，其結構如下。
3.1 數據采集模塊
完成控制器所需各項原始數據的采集，其中，MSP430內部集成的12位精度的A/D轉換模塊內置參考電平發生器和采樣保持電路，最大采樣速率達200 kbit/s。控制器對兩個信號進行采樣，對應A/D轉換通道的0、1通道，分別為A、B相的線電壓，C相的相電流。
3.2 數據計算模塊
完成各項參數的計算工作。10 kV電網采用三相三線制，沒有中性線，且三相基本平衡，因此，數據計算包括電壓、電流、視在功率、功率因數、有功功率、無功功率的計算及濾波算法。
3.3 控制模塊
在數據計算的基礎上實現系統所需的各種控制操作。首先對電路的電壓進行判斷，以區別不同電壓區間所要做出不同的動作；對電路的無功功率進行判斷，當電路呈感性，電壓處于可投區時，啟動10 s延時標志，觸發軟件定時器計時，主程序呈檢測狀態，并比較以前的狀態判斷，當滿足條件時，主程序將進行投或切電容組判斷，并對電容器進行投切。
3.4 歷史數據存儲模塊
完成各項歷史數據的存儲工作。系統在運行狀況自我監測的同時，對其進行后臺分析，可以用來確定無功補償裝置的性能，分析該地區電網的實際負荷量以及負載變化曲線。其中建立數據指針數據區：一部分刷新最近一次的結束頁指針和結束buffer的指針，并向指針所對應的存儲空間中存儲數據，完成歷史數據存儲；另一部分向最新的指針數據所對應的存儲器區間中存儲正點數據，包括數據部分、控制部分、編碼部分和糾錯識別部分等，其系統流程如圖3所示。
3.5 外圍芯片
包括看門狗芯片、時鐘芯片等。即通過串行總線I2C或SPI實現對芯片的讀與寫，并通過MSP430F149芯片內集成的FLASH信息存儲器來記錄系統參數。
4 結論
該控制器采用高性能單片機，因其具有豐富的片內資源，原始數據參數運用FLASH自編程技術，使外圍擴展少，降低成本，減少干擾量，使性能穩定。同時具有無線和有線通信功能。
該控制器應用于10 kV配電網中，具有安全的投、切功能，控制器集配電監測、無功補償于一體，能夠對半年內電網參數的變化做記錄，可以為電網改造集配電管理提供依據。
參考文獻
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