基于MSP430单片机的智能无功补偿控制器设计

1 引言

    随着经济的发展和人们生活水平的提高，各行各业对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于配电网处于电网的末端，用户多为低压用户，许多用电器的功率因数很低，且不带补偿装置，这给电网带来很大的功率负担和额外线损，为了维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行，对电网末端变压器进行就地无功补偿很有必要。本文利用TI公司的MSP430F149单片机为核心构成的控制器，实时监测电网的电压、电流，并计算出有功、无功、功率因数，根据用电负荷情况，通过复合开关控制电容器组的自动投、切，实现无功功率的动态补偿，且具有报警功能。该装置安装在电力配电变压器低压侧，用于补偿配电变压器无功功率改善配电变压器的无功潮流，同时该装置也具有辅助调压的作用。

2 MSP430系列单片机的特点[1]

    德州仪器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位单片机，特别适合于电池供电场合或手持设备，它的结构是"冯-诺依曼"型，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一地址空间内，其特点如下：

1、功耗低，电压范围宽（1.8V-3.6V），在1MHz 1.8V条件下工作电流仅为160uA，休眠时为0.1uA，这时RAM中的数据依然能够有效保持，真正达到了微安级。MSP430F14x单片机具有五种节能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4，这五种模式为其低功耗管理提供了极好的性能保证。
2、丰富的外围模块集成，以MSP430 F149为例，片内集成：看门狗定时器、1个精确的模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、2个串行通信接口、1个硬件乘法器、6个I/O端口（每个有8个I/O口）、60KB的Flash ROM，2KB RAM 。
3、先进的在线编程技术，所有型号都包含JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口（IEEE1149标准接口），方便进行片上在线仿真，固化于Flash存储器内的程序易于在线升级和调试。
4、方便用户使用C（使用ANSI的C）语言进行程序设计，支持汇编语言与C语言的混合编程模式。
总之，MSP430系列单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块，方便高效的开发方式。

3 控制器的硬件结构及工作原理

    控制器由单片机、信号检测模块、输出控制模块、复合开关、电容器组、键盘及LCD显示模块、存储模块、远程通讯模块和电源模块组成，结构如图1所示。
 

3.1 信号检测模块
    该模块主要是采集电网的电压、电流信号，电压信号和电流信号分别来自电压互感器和电流互感器的输出端，无须放大直接送至单片机的A/D输入端，A/D转换基准电压设定为+2.5V。

3.2 信息存储
     为了记录每相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，以及电容器的投、切时间，投、切次数等，系统扩展了2片AT24C512以保存运行参数。其接口电路为，用单片机的P2.0/ACLK和P2.1/TAINCLK分别控制其数据线SDA和时钟SCL，写允许WP接地。该装置可以记录大约半年的历史数据和历史信息，历史数据包括每半个小时的电压、电流、功率因素等数据。还包括每个月发生的最大最小值，调整次数及补偿电量，历史信息包括电容器投、切记录（及其条件）所发生的运行异常信息和主机运行信息等。

3.3 键盘和LCD显示
    键盘和LCD显示是进行人机交互的重要手段，为降低成本，缩小控制器的体积，本系统采用独立式键盘接口，使用多功能键，扩展4个按键。系统参数及信息显示采用点阵式液晶显示屏，由于要显示的数据较多，本系统采用240×64点阵模块，可同时显示4行，每行显示15个汉字。由于MSP430F149工作电压采用+3.3V，而液晶显示屏工作电压为+5V，所以在这两者之间采用74LVC4245进行电压转换。液晶模块具有背光显示，且具有时间控制自动关闭功能，以降低功耗、延长寿命。

3.4 输出控制
    本装置具有两种方式与控制开关连接，硬件接点方式和通讯方式。使用硬件接点方式可以同时对8组单相电容器（24个）及16组三相电容器进行控制，使用通讯方式可以控制多组电容器而不受数量限制，可根据实际情况进行最理想的电容器组配置，达到最佳的补偿效果。

    电容器的投、切采用复合开关控制，即采用双向可控硅和磁保继电器双重控制。采用双向可控硅可以发挥零电压导通、零电流切断的控制功能，防止了电容器投、切过程中对电网的浪涌和对设备的冲击，避免在电容器两端产生过电压，延长电容器的寿命。

3.5 远程通讯
    与主控中心的通讯：主控机采用通讯协议与主控中心通讯，主控中心可以把本装置作为配网自动化系统中的一个元件轻易地纳入到自动化控制系统中来，减少了单独组网和开发系统软件的巨大工作量。通讯协议采用多功能电能表通信规约（DL/T 645-1997）。随本装置出厂，提供主控器通信口采集软件一个，可用于下载数据等。

    与复合开关的通讯：主控机与各复合开关之间采用485通信，各复合开关采用+12V供电。下图2左边的FHD为单相组复合开关接线图，右边的两个FHS为三相组复合开关接线图。从图中可以看出，单相组复合开关的电容器组只能接成星型连接，而三相组复合开关的电容器组可以接成星型连接或三角型连接。

4 控制策略
    投切控制不以功率因数为判据（可以以功率因数为判据），因实际补偿是通过无功功率的投入来实现的，所以以无功功率为判据进行补偿更为科学。为使控制更为合理，依据低压侧总无功功率的大小，实现电容器的自动投入和切除。从下图3可以看出，控制器工作在阴影区时控制器不动作，当不满足此条件时，控制器靠投切一定数量的电容器来满足此条件，使控制器工作在阴影区，达到平衡无功的目的。投切原则：三相优先，单相互补；电压缺相自动切除全部电容器；电压超过设定值，由小到大逐级切除电容器；电容器因电压超限分闸后，再次投入时，必须具备以下三个条件：(1)电压和无功功率满足投切定值要求，(2)延时一定的时间间隔（0～30秒可调），(3)根据投切前后的电压差值，对当前运行参数（PQI）进行综合分析，确保再次投入后不超过上限电压，并且要有一个电压富余值。

5 软件设计
    软件采用汇编语言和C语言混合编写，系统主时钟采用8MHz，定时器定时625uS产生中断，在中断处理中采样电压、电流值，每工频周期采样32点数据。

6 结语

    控制器采用了高性能的单片机，其丰富的片内资源，使得外围扩展器件少，体积小，降低了成本，也降低了故障率，减少了设备的维护量。能投入最接近的电容器组合，取得较好的补偿效果，系统配置灵活、适应性强。根据实际的运行情况，可灵活的配置电容器组数、各组容量、投切控制方式等，而且电容器组数不受数量的限制，使得控制器可满足不同的系统需求，具有较大的适应性。功能齐全，投、切控制安全，控制器集配变监测、无功补偿、谐波分析、数据远传于一体。能够存储多达半年的实时运行数据和故障记录数据，可现场和远程查阅。

参考文献（References）
[1] 魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[2] 胡大可. MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[3] 胡大可. MSP430系列单片机 C语言程序设计与开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[4] 郭屹松，李铁香，任丽红，潘渊颖，苏艳. 基于PIC单片机的智能无功补偿控制器[J]. 仪表技术与传感器，2002(12):15-17.
[5] MSP430F149 Datasheet, Mixed Signal Microcontroller (Rev. E) .