摘要：本文介紹了用MSP430單片機構成的智能無功補償控制器,，詳細闡述了控制器的硬件結構、軟件設計,、檢測原理和控制策略,，該控制器具有性能高、價位低配置靈活等特點得到了廣泛的應用和用戶的好評,。
關鍵詞：MSP430單片機,；無功補償；智能控制器
1 引言
隨著經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高,，各行各業(yè)對供電可靠性和供電質量提出了更高的要求,。由于配電網處于電網的末端，用戶多為低壓用戶,，許多用電器的功率因數很低,，且不帶補償裝置，這給電網帶來很大的功率負擔和額外線損,，為了維護電力系統(tǒng)穩(wěn)定,、保證電能質量和安全運行，對電網末端變壓器進行就地無功補償很有必要,。本文利用TI公司的MSP430F149單片機為核心構成的控制器,，實時監(jiān)測電網的電壓、電流,，并計算出有功,、無功、功率因數,，根據用電負荷情況,，通過復合開關控制電容器組的自動投、切,，實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補償,，且具有報警功能。該裝置安裝在電力配電變壓器低壓側,，用于補償配電變壓器無功功率改善配電變壓器的無功潮流,，同時該裝置也具有輔助調壓的作用,。
2 MSP430系列單片機的特點[1]
德州儀器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位單片機，特別適合于電池供電場合或手持設備,，它的結構是"馮-諾依曼"型,，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一地址空間內,，其特點如下：
1,、功耗低，電壓范圍寬（1.8V-3.6V）,，在1MHz 1.8V條件下工作電流僅為160uA,，休眠時為0.1uA，這時RAM中的數據依然能夠有效保持,，真正達到了微安級,。MSP430F14x單片機具有五種節(jié)能模式：LPM0、LPM1,、LPM2,、LPM3、LPM4,，這五種模式為其低功耗管理提供了極好的性能保證,。
2、豐富的外圍模塊集成,，以MSP430 F149為例,，片內集成：看門狗定時器、1個精確的模擬比較器,、2個具有捕捉/比較寄存器的定時器,、8路12位A/D轉換器、2個串行通信接口,、1個硬件乘法器,、6個I/O端口（每個有8個I/O口）、60KB的Flash ROM,，2KB RAM ,。
3、先進的在線編程技術,，所有型號都包含JTAG（Joint Test Action Group）標準測試接口（IEEE1149標準接口）,，方便進行片上在線仿真，固化于Flash存儲器內的程序易于在線升級和調試,。
4,、方便用戶使用C（使用ANSI的C）語言進行程序設計，支持匯編語言與C語言的混合編程模式,。
總之,，MSP430系列單片機具有極低的功耗,、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊,，方便高效的開發(fā)方式,。
3 控制器的硬件結構及工作原理
控制器由單片機、信號檢測模塊,、輸出控制模塊,、復合開關、電容器組,、鍵盤及LCD顯示模塊、存儲模塊,、遠程通訊模塊和電源模塊組成,，結構如圖1所示。
3.1 信號檢測模塊
該模塊主要是采集電網的電壓,、電流信號,，電壓信號和電流信號分別來自電壓互感器和電流互感器的輸出端，無須放大直接送至單片機的A/D輸入端,，A/D轉換基準電壓設定為+2.5V,。
3.2 信息存儲
為了記錄每相電壓、電流,、有功功率,、無功功率、功率因數,，以及電容器的投,、切時間，投,、切次數等,，系統(tǒng)擴展了2片AT24C512以保存運行參數。其接口電路為,，用單片機的P2.0/ACLK和P2.1/TAINCLK分別控制其數據線SDA和時鐘SCL,，寫允許WP接地。該裝置可以記錄大約半年的歷史數據和歷史信息,，歷史數據包括每半個小時的電壓,、電流、功率因素等數據,。還包括每個月發(fā)生的最大最小值,，調整次數及補償電量，歷史信息包括電容器投,、切記錄（及其條件）所發(fā)生的運行異常信息和主機運行信息等,。
3.3 鍵盤和LCD顯示
鍵盤和LCD顯示是進行人機交互的重要手段,，為降低成本，縮小控制器的體積,，本系統(tǒng)采用獨立式鍵盤接口,，使用多功能鍵，擴展4個按鍵,。系統(tǒng)參數及信息顯示采用點陣式液晶顯示屏,，由于要顯示的數據較多，本系統(tǒng)采用240×64點陣模塊,，可同時顯示4行,，每行顯示15個漢字。由于MSP430F149工作電壓采用+3.3V,，而液晶顯示屏工作電壓為+5V,，所以在這兩者之間采用74LVC4245進行電壓轉換。液晶模塊具有背光顯示,，且具有時間控制自動關閉功能,，以降低功耗、延長壽命,。
3.4 輸出控制
本裝置具有兩種方式與控制開關連接,，硬件接點方式和通訊方式。使用硬件接點方式可以同時對8組單相電容器（24個）及16組三相電容器進行控制,，使用通訊方式可以控制多組電容器而不受數量限制,，可根據實際情況進行最理想的電容器組配置，達到最佳的補償效果,。
電容器的投,、切采用復合開關控制，即采用雙向可控硅和磁保繼電器雙重控制,。采用雙向可控硅可以發(fā)揮零電壓導通,、零電流切斷的控制功能，防止了電容器投,、切過程中對電網的浪涌和對設備的沖擊,，避免在電容器兩端產生過電壓，延長電容器的壽命,。
3.5 遠程通訊
與主控中心的通訊：主控機采用通訊協(xié)議與主控中心通訊,，主控中心可以把本裝置作為配網自動化系統(tǒng)中的一個元件輕易地納入到自動化控制系統(tǒng)中來，減少了單獨組網和開發(fā)系統(tǒng)軟件的巨大工作量,。通訊協(xié)議采用多功能電能表通信規(guī)約（DL/T 645-1997）,。隨本裝置出廠，提供主控器通信口采集軟件一個，可用于下載數據等,。
與復合開關的通訊：主控機與各復合開關之間采用485通信,，各復合開關采用+12V供電。下圖2左邊的FHD為單相組復合開關接線圖,，右邊的兩個FHS為三相組復合開關接線圖,。從圖中可以看出，單相組復合開關的電容器組只能接成星型連接,，而三相組復合開關的電容器組可以接成星型連接或三角型連接,。
4 控制策略
投切控制不以功率因數為判據（可以以功率因數為判據），因實際補償是通過無功功率的投入來實現(xiàn)的,，所以以無功功率為判據進行補償更為科學,。為使控制更為合理，依據低壓側總無功功率的大小,，實現(xiàn)電容器的自動投入和切除,。從下圖3可以看出，控制器工作在陰影區(qū)時控制器不動作,，當不滿足此條件時，控制器靠投切一定數量的電容器來滿足此條件,，使控制器工作在陰影區(qū),，達到平衡無功的目的。投切原則：三相優(yōu)先,，單相互補,；電壓缺相自動切除全部電容器；電壓超過設定值,，由小到大逐級切除電容器,；電容器因電壓超限分閘后，再次投入時,，必須具備以下三個條件：(1)電壓和無功功率滿足投切定值要求,，(2)延時一定的時間間隔（0～30秒可調），(3)根據投切前后的電壓差值,，對當前運行參數（PQI）進行綜合分析,，確保再次投入后不超過上限電壓，并且要有一個電壓富余值,。
5 軟件設計
軟件采用匯編語言和C語言混合編寫,，系統(tǒng)主時鐘采用8MHz，定時器定時625uS產生中斷,，在中斷處理中采樣電壓,、電流值，每工頻周期采樣32點數據。其主程序的流程圖如圖4所示,。
圖4 主程序流程圖
6 結語
控制器采用了高性能的單片機,，其豐富的片內資源，使得外圍擴展器件少,，體積小,，降低了成本，也降低了故障率,，減少了設備的維護量,。能投入最接近的電容器組合，取得較好的補償效果,，系統(tǒng)配置靈活,、適應性強。根據實際的運行情況,，可靈活的配置電容器組數,、各組容量、投切控制方式等,，而且電容器組數不受數量的限制,，使得控制器可滿足不同的系統(tǒng)需求，具有較大的適應性,。功能齊全,，投、切控制安全,，控制器集配變監(jiān)測,、無功補償、諧波分析,、數據遠傳于一體,。能夠存儲多達半年的實時運行數據和故障記錄數據，可現(xiàn)場和遠程查閱,。
參考文獻（References）
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