電力系統(tǒng)無功功率的平衡是電能質(zhì)量的重要保證。在電力系統(tǒng)0.4kV低壓電網(wǎng)中，采用無功補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)，減少無功損耗，是改善供電質(zhì)量、減少損耗、提高設備利用率的重要手段之一。目前低壓無功補償裝置多采用MCU作為主處理器，通過A/D采樣電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)，實時計算電網(wǎng)的無功功率、無功電流或功率因數(shù)，根據(jù)相應的控制策略來控制電容器組的投切，實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補償。這類控制器由于A/D采樣精度不高，計算量較大，對CPU計算性能要求高，軟硬件設計復雜且難度大，無功補償精度低，系統(tǒng)響應時間比較長等，通常只能用于對無功補償動態(tài)響應速度要求不高的場合。鑒于此，本文提出一種基于專用電能計量芯片+MCU的新型動態(tài)無功補償控制器。
1 控制器工作原理及硬件設計
實現(xiàn)高精度的無功補償?shù)那疤崾悄軌驕蚀_的測量電網(wǎng)的運行參數(shù)，包括對有功功率、無功功率、能量、電網(wǎng)的功率因數(shù)、諧波狀況等參數(shù)的采集和測量。利用ATT7022A電能計量芯片可以得到這些參數(shù)的精確值，并且簡化了軟件的設計。在控制策略上，許多無功補償控制器以功率因數(shù)作為投切判據(jù)(實際上功率因數(shù)的高低并不能直接反映無功缺額的大小)，極易造成在某些情況下頻繁誤動。若采用無功電流判據(jù)，這比僅用功率因數(shù)作判據(jù)好些，但也不夠完善。本設計采用無功缺額作為主判據(jù)，以功率因數(shù)和電壓作為輔助判據(jù)的綜合判據(jù)，通過執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)補償電容器的循環(huán)投切，對無功補償電容的控制更加合理。本文選用ATT7022A電能計量芯片搭配8位單片機ATMGAME168的設計方案，可以完成對電網(wǎng)運行參數(shù)及時精確地測量，實現(xiàn)自動無功補償。
1.1 的結(jié)構(gòu)及性能介紹
ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計量芯片，具有l(wèi)6位A/D轉(zhuǎn)換精度，內(nèi)嵌有專用DSP電路，集成了6路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。
能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，并支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功頻率校驗輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。ATT7022A提供一個SPI接口，方便與外部控制器之間進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。
計量模塊主要是將從電壓、電流采樣通道來的數(shù)據(jù)進行數(shù)字高通濾波和移項濾波或相位校正進行計算，得到需要的參數(shù)量，包括電壓與電流有效值、功率、頻率、相位角等參數(shù)，并將這些參數(shù)存于計量參數(shù)寄存器中，通過SPI口將參數(shù)傳給控制器。
1.2 系統(tǒng)主要功能單元
控制器系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由以下部分構(gòu)成。
圖1 控制器系統(tǒng)硬件原理框圖
數(shù)據(jù)采集單元：電網(wǎng)的電壓、電流分別通過電壓、電流互感器，采用差分方式輸入給ATT7022的電壓通道和電流通道。電壓和電流的采樣輸入回路如圖2所示。電壓信號的輸入采用1：1的電流互感器方式，選用的是SPT204A，電流信號的輸入采用電流單端采樣方式，選用的是SCT254AK，每個輸入通道均加入了抗混疊濾波器。
圖2 電壓和電流的采樣輸入電路
控制單元：在綜合考慮單片機的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，選定AVR系列ATmegal28L單片機作為主控芯片。ATmegal28L是一款高性能低功耗的8位微處理器，采用RISC體系結(jié)構(gòu)，有53個可編程的I/O口，2個可編程的USART口，128K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash和4K字節(jié)的EEPROM，同時支持片內(nèi)調(diào)試，通過JTAG接口可以方便地對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位進行編程。ATmegal28L通過SPI總線接口實現(xiàn)與ATT7022的通信，完成校表數(shù)據(jù)的寫入和寄存器結(jié)果的讀出。
過零觸發(fā)模塊：控制單元通過對ATT7022的測量結(jié)果分析、判斷，決定是否進行無功補償，即電容器的投切，由于電容器兩端電壓不能突變，電網(wǎng)電壓和電容器電壓的差值較大時，觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時的電流沖擊，必須在晶閘管兩端電壓為零時刻投切。所以選擇具有過零觸發(fā)能力的芯片控制電容器的投切，本控制器選用的是Motorola公司的MOC3083晶閘管。其外部連線如圖3所示。
圖3 雙向晶閘管過零觸發(fā)電路
人機接口單元：人機接口包括鍵盤輸入和液晶顯示。鍵盤有確定、退出、前進和后退4個通用按鍵，可手動改變電容器的投切狀態(tài)，可切換液晶顯示內(nèi)容和設置時鐘時間;液晶顯示采用RT12864模塊，主要顯示當前各相的電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、各電容器投切狀態(tài)以及系統(tǒng)時間等。
通信單元：RS232/485串口通信用于與上位機，主要用來進行電網(wǎng)運行參數(shù)和控制器運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸、鐵電存儲器中存儲數(shù)據(jù)的輸出及系統(tǒng)時間的校準等。
數(shù)據(jù)存儲單元：FM24C64為64K位FRAM鐵電存儲器，其支持1012次寫入，用于保存系統(tǒng)的某些初始值，低壓電網(wǎng)運行參數(shù)的定時存儲，系統(tǒng)故障狀態(tài)的存儲等功能，以便監(jiān)控主站隨時查閱歷史記錄。
2 控制器的軟件設計
低壓電網(wǎng)運行的各項參數(shù)可通過ATT7022采樣、計算得出，CPU不用進行A/D采樣數(shù)據(jù)的處理，這使CPU的運算量大大降低，并且大大簡化了軟件程序設計，使系統(tǒng)的運行更為精確、可靠。所以，軟件設計的重點主要是實現(xiàn)對從ATT7022所得到的各項參數(shù)的分析，依托合理的控制策略，進而實現(xiàn)更加合理、可靠地投切電容器和外圍接口電路的軟件設計等。
本裝置采用的電容器投切的控制策略是以無功缺額為主要判據(jù)，并結(jié)合功率因數(shù)與電壓的控制策略。分析電網(wǎng)是否過壓和欠壓，在保證電壓穩(wěn)定的前提下，分析電網(wǎng)的無功功率，判斷功率因數(shù)，與設定值比較，決定是否投切電容器以及如何投切更加合理，最大可能的實現(xiàn)對無功功率的補償。
系統(tǒng)主程序流程圖中ATT7022的初始化，主要是系統(tǒng)的校準，它決定了電網(wǎng)參數(shù)測量的精確度，系統(tǒng)的校準包含相位補償設置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、啟動電流設置等。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖4示。
3 結(jié)束語
采用ATT7022實現(xiàn)電網(wǎng)運行參數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換，并能精確地計算出電網(wǎng)的無功功率、有功功率、功率因數(shù)，為更加精確的實現(xiàn)無功功率的補償提供了準確的數(shù)據(jù)，而且減少了主控制器的運算量，降低了對單片機的要求，大大精簡了軟件設計，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗干擾性。目前樣機已經(jīng)設計完成，經(jīng)過掛網(wǎng)實驗測試證明，該無功補償控制器性能穩(wěn)定，運行良好，電網(wǎng)參數(shù)測量準確，電容器投切正確，能夠滿足0.4kV低壓電網(wǎng)自動無功補償?shù)囊蟆?/div>
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