作者:郑钰 孙国凯 沈阳农业大学 郑炜亮 辽宁省鲅鱼圈供电局
摘自:农村电气化

摘要：以MSP430系列单片机组成的智能无功补偿器具有功耗低、处理功能强大、方便高效的开发特点，以配电网为补偿对象，实现无功补偿的实时数据和历史数据的自动跟踪、存储和电容器的自动投切，并实现有线和无线通信功能，具有可控性高、配置灵活等特点。
近年来，由于用电负荷快速增长，对电网无功要求也与日俱增，这给电网带来很大的负担和额外线损，为了维护电力系统稳定性，保证电能质量，研制了应用于配网的无功补偿控制器，它以FLASH型16位单片机MSP430F149为控制核心，实时监测电网的电压、电流，并计算出有功、无功、功率因数等，根据晶闸管过零触发电容器投切，实现无功补偿的自动跟踪和自动投切，并对历史数据和实时数据存储、分析，同时无线和有线通信方式实现人机交换，大大提高系统的便捷性和可靠性。

1 MSP430系列单片机的特点

本控制器选用MSP430F149是一款功能强大、性价比极高的FLASH型超低功能的16位单片机，主要有以下几个部分组成：

CPU内核，由16位ALU指令控制逻辑和16个寄存器组成，运行正交的精简指令集，可以使应用系统的程序设计实现复杂的寻址模式和软件算法。

12位的A/D转换器ADC12，具有告诉、通用的特点。可对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换，具有单通道单次、重复和序列通道单次、重复等转化模式。

16位定时器Timer_A和Timer_B,可支持多个同时进行的时序控制，多个捕获/比较功能，多种输出波形，也可以是上述功能的组合。此外，可以对每个捕获/比较模块独立编程。

JTAG标准测试接口便于做片上的在线仿真，固化于Flash存储器内的程序易于在线编程、升级和调试。

2 控制器硬件设计

控制器由信号转化电路、数据存储模块、通讯模块、投切控制电路模块等组成，其结构如图1所示。

2.1 模拟量取样与变换电路模块

模拟量取样与变换电路主要完成强电信号与弱电信号之间的隔离和变换，该电路包括互感器信号变换电路、电流信号放大电路、电平提升电路和滤波电路等。其中图2为电压互感器的I-U转换图，该电路将互感器的电流输出信号转换成电压信号，以符合单片机采样信号的要求。

2.2 数据存储模块

系统记录电压、电流、有功、无功、日负荷最大值、最小值及每次投切操作发生时间和操作前电压、电流、有功、无功等数据变化。

2.3 投切控制电路

本投切系统采用双向反并联的晶闸管，当电容器在投入或退出运行时，由晶闸管取代接触器承受强电动态过程的巨大冲击，当动态过程结束进入稳态时，改由接触器工作，晶闸管退出运行，此方法的关键是控制可控硅在电压过零时投入。

2.4 通讯模块

控制器通过通讯模块实现历史运行数据及有关信息的上传和基本参数、控制命令等的接收。鉴于本无功补偿控制器用在电网中，因此本系统上位机与下位机的数据传输采用无线通信方式，可保证运行的安全。

3 控制器软件设计及策略

针对系统功能多，控制规律复杂，数据计算量大，因此，软件主要采用C语言和汇编语言混合编写，在一些直接对硬件的操作中使用了汇编语言，而且将其编为单独文件，使程序模块化，其结构如下。

3.1 数据采集模块

完成控制器所需各项原始数据的采集，其中，MSP430内部集成的12位精度的A/D转换模块内置参考电平发生器和采样保持电路，最大采样速率达200 kbit/s。控制器对两个信号进行采样，对应A/D转换通道的0、1通道，分别为A、B相的线电压，C相的相电流。

3.2 数据计算模块

完成各项参数的计算工作。10 kV电网采用三相三线制，没有中性线，且三相基本平衡，因此，数据计算包括电压、电流、视在功率、功率因数、有功功率、无功功率的计算及滤波算法。

3.3 控制模块

在数据计算的基础上实现系统所需的各种控制操作。首先对电路的电压进行判断，以区别不同电压区间所要做出不同的动作；对电路的无功功率进行判断，当电路呈感性，电压处于可投区时，启动10 s延时标志，触发软件定时器计时，主程序呈检测状态，并比较以前的状态判断，当满足条件时，主程序将进行投或切电容组判断，并对电容器进行投切。

3.4 历史数据存储模块

完成各项历史数据的存储工作。系统在运行状况自我监测的同时，对其进行后台分析，可以用来确定无功补偿装置的性能，分析该地区电网的实际负荷量以及负载变化曲线。其中建立数据指针数据区：一部分刷新最近一次的结束页指针和结束buffer的指针，并向指针所对应的存储空间中存储数据，完成历史数据存储；另一部分向最新的指针数据所对应的存储器区间中存储正点数据，包括数据部分、控制部分、编码部分和纠错识别部分等，其系统流程如图3所示。

3.5 外围芯片

包括看门狗芯片、时钟芯片等。即通过串行总线I2C或SPI实现对芯片的读与写，并通过MSP430F149芯片内集成的FLASH信息存储器来记录系统参数。

4 结论

该控制器采用高性能单片机，因其具有丰富的片内资源，原始数据参数运用FLASH自编程技术，使外围扩展少，降低成本，减少干扰量，使性能稳定。同时具有无线和有线通信功能。

该控制器应用于10 kV配电网中，具有安全的投、切功能，控制器集配电监测、无功补偿于一体，能够对半年内电网参数的变化做记录，可以为电网改造集配电管理提供依据。

参考文献

[1] 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16为单片机[M].北京:航天航空大学出版社,2001.

[2] 孙宇. 单片机智能无功补偿仪的设计[J]. 自动化与仪表,2002,(2).