基于MSP430單片機的智能無功補償控制器的設計

1 引言

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，各行各業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，為了維護電力系統穩定、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，實現無功功率的動態補償，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，本系統采用獨立式鍵盤接口，使用多功能鍵，擴展4個按鍵。系統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中的一個元件輕易地納入到自動化控制系統中來，減少了單獨組網和開發系統軟件的巨大工作量。通訊協議采用多功能電能表通信規約（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。