通信技術在無功功率補償裝置中的研究與應用

孫 翼，王倩倩

（陜西凌云電器集團有限公司 產品設計所，陜西 寶雞 721006）

0 引言

無功補償技術在電力電子技術和微電子技術、信號處理技術發展的推動下，在電力系統領域取得了很大的發展，形成了多種補償方式。本文在對配電網低壓無功補償技術進行分析的基礎上，研制了一種改進型多功能低壓無功補償裝置，并完成了系統軟、硬件的設計與實現。

1 系統的整體功能結構

本文的軟硬件設計主要依據的是國家電力行業的專業標準《低壓無功功率自動補償控制器》以及IEEE802.15.4 標準。控制系統以周立功的ARM 7 系列芯片LPC2132 為核心，以基于MODBUS 協議的RS485總線和基于GSM 的無線數據通信為數傳載體。系統裝置由三部分組成：主控CPU 模塊；人機交互模塊；IO功能板模塊。具體分析各模塊，其中主控CPU 模塊包括ARM 芯片的相關內容，電源部分，存儲部分，外部看門狗部分以及相關的外圍電路；人機交互模塊包括液晶顯示器和鍵盤操作部分，還有開關量的輸出控制部分；IO功能板模塊包括各種模擬電參量采集部分，開關量采集部分，以及系統功能輸出控制部分。系統裝置的功能框圖如圖1 所示。

該裝置上電以后，經過延時，MCU 控制三相電壓，三相電流通過電參數采集芯片ATT7022B撲捉到模擬信號，經過AD 轉換成數字信號，再通過多路選擇開關進行采樣，MCU 根據電壓，電流的值進行運算，得到系統的無功功率，通過控制機制，對電容器組進行投切操作，按照“在保證電壓不越線的前提下，使變壓器從系統中吸收的無功功率最小”的原則對電容器組進行控制，減少網絡中的無功功率，降低網絡損耗。

圖1 系統總體功能框圖Fig.1 The diagram of the system functions

2 系統硬件模塊設計框圖及概述

嵌入式控制系統設計包含多個功能模塊和接口，設計方案的各個模塊包括：主控制器模塊，液晶以及鍵盤的數據輸入和輸出模塊，電參數采集和測量模塊，開關量采集和輸出模塊，通信模塊，電源驅動和外部看門狗模塊等以及外圍電路組成。其整體設計框圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件功能框圖Fig.2 The diagram of the hardware features

2.1 無線數據通信模塊

無線數據通信模塊由GSM 基帶處理器、射頻電路和FLASH 存儲器等部分組成，負責處理GSM 蜂窩設備中的數據和信號，內嵌的軟件部分執行應用接口和所有GSM 協議棧的功能。TC35 通過40 芯ZIF 連接蜂窩應用部分，ZIF 連接器提供控制數據，SIM 卡和電源供應線的應用接口。其數據接口是一個串行異步收發器，符合RS232 接口標準，可選波特率300bps～115kbps。支持標準的AT 指令集，通過這一接口可以用AT 命令切換操作模式，可以使它處于各種功能模式。

無線數據通信模塊電路主要完成數據收發、與主控CPU 通信，軟件流控制等功能。TC35 的數據接口采用串行異步收發，符合RS－232 接口電路標準。數據接口配置為8 位數據位，1 位停止位，無校驗位，可以在300bps～115kbps 的波特率下運行。

2.2 人機交互部分

本系統的人機交互模塊部分是一個重要的組成部分，如果把該低壓無功功率補償裝置比作成一個計算機系統的話，那么人機交互模塊就相當于計算機系統的輸入輸出部分。具體來講，是由液晶顯示輸出部分和鍵盤輸入兩部分組成的。

2.3 時鐘電路設計

實時時鐘（RTC）提供一套計數器在系統上電和關閉操作時對時間進行測量，RTC 消耗的功率非常低。LPC2132 的RTC 時鐘可由獨立的32.768KHz 或基于VPB 時鐘的可編程預分頻器來提供。另外，RTC 還具有專用的電源管腳Vbat，可連接到電池或其他器件使用的相同的3.3V 電壓上。

2.4 電源電路設計

在主CPU－LPC2132 的供電上我們選擇AC/DC 模塊電源YAS10－12－N，直接將220V 通過電源轉換模塊變為我們需要的12V 電壓。

由于使用的元器件電氣特性不同，系統中的各個部件所需的供電電壓也各不相同，有時需要同時提供幾種不同的電壓值，例如運放的工作電壓為+5V、LCD 顯示模塊工作電壓為+5V，而LPC2132 微處理器的工作電壓為+3.3V，繼電器控制電路的工作電壓為+12V，因此就需要分別設計不同的電源電路。

3 系統的軟件設計任務和綜述

3.1 軟件設計任務，實現的功能

從大的框架來說，本系統的軟件設計部分主要有以下三大模塊：①主CPU 板的控制模塊；②液晶顯示部分；③功能板輸入輸出部分。具體功能實現如下分析：

主CPU 板的控制部分：溫度測量功能；計時功能；與顯示面板通訊功能；與開關量輸入輸出模塊部分的通訊功能；與主機485 通訊功能；以太網通訊功能。

顯示面板功能需求：按鍵功能；告警，通信燈指示功能；液晶顯示功能；蜂鳴器功能；通訊功能；復位輸出功能。

功能板輸入輸出部分功能需求：電參數采集計量；開關量采集；繼電器控制；與ARM 進行422 通信；ADC 采集電壓。

軟件系統的功能設計框圖如圖3 所示。

圖3 系統軟件功能框圖Fig.3 The diagram of the software features

3.2 通信系統的實現

MODBUS 網絡是一個工業網絡通信系統，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或專用線路連接而成。其系統結構既包括硬件、亦包括軟件。表1是MODBUS 的功能碼定義。

MODBUS 網絡只是一個主機，所有通信都由他發出。網絡可支持247 個之多的遠程控制器，但實際所支持的從機數要由所有通信設備決定。采用這個系統，各PC 可以和中心主機交換信息而不影響各PC 執行本身的控制任務。

表1 MODBUS協議的功能碼Tab.1FunctioncodeofMODBUSagreement

3.3 無線GSM 模塊通信

控制器采集的數據除了供本地監控、記錄外，還要能夠向上位機傳送并接受上位機的操作指令。本控制器考慮到不同的使用環境和用戶的需求，設計時以RS485有線通信方式作為一種方案，以GSM 無線模塊通信作為另一種輔助方案。

4 系統的前景與展望

無功補償技術在電力電子技術和微電子技術、信號處理技術發展的推動下，在電力系統領域取得了很大的發展，形成了多種補償方式。本文在對配電網低壓無功補償技術進行分析的基礎上，研制了一種改進型多功能低壓無功補償裝置，并完成了系統軟、硬件的設計與實現。其優點如下：

（1）控制策略比較合理。該策略既考慮到配電網無功補償對電容容量需求，又考慮到穩定電網電壓質量的要求，這種策略較以往單一的控制策略對改善配電網的電能質量具有很大的優勢。

（2）針對傳統的無功補償裝置在動作執行機構上存在缺點、不能長期穩定工作的狀況，對輸出控制回路進行了改進，選用復合開關進行投切，避免了合閘涌流。另外裝置大量選用高度集成的模塊化器件，具有很強的穩定性、可靠性和抗干擾能力。

（3）具有配電監控功能。能夠對配網的各種運行參數進行實時監測，并能根據需要及時地將各種測量參數送往調度監控中心，使調度監控中心及時了解電網運行的狀況，保證電網的安全、經濟、可靠運行。

（4）具有無線通訊能力。可以在遠端通過GSM 網絡發送遠程控制電容器投切命令和配置控制系統參數命令，實現對配電節點電壓的控制作用。GSM 模塊TC35可以很容易升級為功能更強大的GPRS 模塊，最大限度的發揮裝置的功效；再加上應用范圍廣，開發周期短，應用前景十分廣闊。

[1]周立功.ARM 嵌入式系統基礎教程（第2 版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]譚浩強.C 語言程序設計（第3 版）[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]MODBUS 通信協議.