智能低压无功补偿系统的设计

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4.2.7电源电路的设计
输入相电压220V交流电经过变压器以及桥式整流电路后，得到9V, 1W和9V, 4W两
路直流电源。其中9V, 4W经过转换后主要用来供给STM32和ADE7878这两块芯片以及液
晶屏、EEPROM, LED灯、J-LINK等外设，因此需要4W左右功耗;而另一路9V, 1W经
过转换后主要用来供给RS485通信使用，功耗只需要1W。将两路供电分开的主要原因是防
止RS485受到外界干扰后影响电路芯片正常工作。
由于RS485和部分器件需要SV供电，因此首先通过转换电路DC-DC将两路电源从9V
传化为SV直流，这里选用DS8259芯片。STM32和ADE7878需要3.3V供电，则需要将SV
转换成为3.3V，此处选用LM2841芯片进行转换，最终得到稳定的3.3V电源。转换电路如

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4.3无功补偿控制器嵌入式软件的组成模块和运行流程
无功补偿控制器嵌入式软件的设计采用模块化的设计原则，主要包括:数据采集和计算，
自动投切逻辑、液晶显示和按键处理、报警、RS485通信等。这样既提高了系统应用的通用
性，也提高了代码的可读性，维护起来更为方便。
软件运行流程如图4.11所示:系统上电后进行初始化，初始化的工作包括配置主控STM32
芯片的各个外设、通过I2C配置和启动ADE7878并对其内部寄存器进行校准、启动液晶显示
屏进入界面首页、从EEPROM读取上一次存储的参数等;然后进入while循环，在DMA中
断中处理从计量芯片ADE7878传来的数据，计算出各个电网参数值，再通过按键判断选择进
入工况显示界面、参数设置界面、电容状态显示界面和手动控制界面。投切电容分为手动和
自动控制两部分，手动投切主要用于电容器出场调试，平常工作时系统运行都处于自动控制
模式。在没有出现报警的情况下，系统使用循环投切或者优化投切得出需要投切的电容器组，
然后最后通过RS485通信将投切指令传递给智能补偿电容器综合模块，并在中断中处理投切
延时。

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4.4无功补偿控制器嵌入式软件的模块设计
4.4.1电网数据采集与计算
1、电网数据采集与计算
计量芯片ADE7878采集的电压有效值和电流有效值为有符号24位数，并且存储于
AVRMS[23:0]、BVRMS [23:0]、CVRMS[23:0]、AIRMS [23:0]、BIRMS [23:0]、CIRMS [23:
0]寄存器，更新速率为8kHZ。相对于O.SV规定的满度模拟输入信号，ADC处理后的输出编
码大约在士5928256，其等效的满度正弦有效值为4191910，不依赖于电网频率。STM32控制
芯片可以通过I2C从这些寄存器直接读取数据，由于从互感器的前一级到后一级之间电压缩
小了1000倍，因此以A相电压Ua为例，三相电压电流求法如式(4.1)所示。

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液晶显示主要分为四部分，分别是工况显示部分，参数设置部分，电容状态显示部分和
手动投切部分。其中工况显示主要有三相电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、频
率、温度、时间、21次谐波值等参数显示;参数设置包括功率因数投入门限、功率因数切除
门限、零序电流上限、电流变比CT值、电压上下限、电压电流畸变率上下限、电容投切延
时、电容投切路数、第一台电容容量值、温度上限、投切方式选择、电容投切编码、口期设
置、密码设置、恢复出厂时设定等参数的设置;电容状态显示主要为当前各组电容的投切状
态，当电容组为切除状态时显白，当电容组为投入状态时显反白;手动投切主要用来测试电
容器组是否可以投入电网使用，在选定的电容器组界面通过ok键来选择该组电容器投入或者
切除，投入后在电容器组参数上显反白，切除后显白。

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4.4.4自动投切逻辑
本智能无功补偿控制器投切方式分为两种:一种是循环投切方式，另一种是优化投切方
式，投切方式选择可在参数设置界面中进行设置。其中，循环投切方式是针对n组等容量电
容组合，而优化投切方式是针对电容容量比为1:2:4:4等具有比例关系的电容组。投切方式不
同，则自动投切逻辑也不同，下面对两种投切方式进行介绍。
.循环投切方式的自动投切逻辑
对等容量的电容组，控制器采用循环投切方式。投入或者切除电容器组由当前计算得到
的功率因数与设定的功率因数欠补门限和过补门限进行比较决定。当实时功率因数小于欠补
门限时，则投入一组电容器;当功率因数大于过补门限时，则切除一组电容器。反复对功率
因数进行检测和比较，直到功率因数在两者之间时停止投切。投切方式不合理会造成电容器
的损坏，现有很多控制器采用“顺序投切的方法”，这种投切方式下排序在前的电容器组先投
后切，排序在后的则后投先切。这不仅使前面的电容器组时常处在运行模式，积累热量影响
寿命，而且使后面电容器组的开关经常进行投切动作，容易损坏开关[}26}。采用“循环投切方
式”可以解决以上一些问题，这种投切方式使先投入的电容器组先退出，后投入的电容器组
后切除，达到各电容组使用几率均等的目的。“循环投切”可以减少投切次数从而降低了电容
器组的平均温度，延长了电容的使用寿命。
采用循环投切方式投切电容器组的自动投切逻辑流程如图4.16所示。

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由于Simulink仿真模块中没有过零检测元件，因此为了在过零点投切电容，需要人为的
设置触发脉冲的触发时间、脉冲周期和脉冲宽度。由于电压的周期为20ms，因此将触发脉冲
的周期设置为20ms。刚开始运行时，由于电容器中的电压为0，过零点在电源电压为0的时
刻，所以第一次触发晶闸管需要在电源电压为零时(即运行后l Oms或者20ms的时刻)发出
触发脉冲;当电容器充电后，过零点为电源电压达到最大的时刻，所以每次都在电源电压达
到峰值时(即开始运行后Sms, 15ms,25ms等时刻)给晶闸管触发脉冲。这样就能保证电容器
在过零点投入电容。在模型中将Pulse Generatorl的触发延时设置为Sms，脉冲宽度设置为
30%} Pulse Generator3的触发延时设置为15s，脉冲宽度设置为10%，这样就能在每个过零
时刻都给晶闸管触发脉冲，投入电容器。由于切除电容器只需要停止发送触发脉冲即可，因
此在此处设置了两个开关Switchl和Switch2。通过Pulse Generator4和Pulse Generator2对开
关进行控制，经过一段时间后屏蔽脉冲信号，则晶闸管在电流过零时刻切除电容器。触发脉
冲信号波形图如图5.4所示。

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智能补偿电容器综合模块如图7.2所示，由一块长条形的PCB板和4块小型的过零投切
板组成。在长条形的PCB板上主要硬件有主芯片瑞萨单片机R8C25 ,温度检测电路、数码管
显示、按键扫描、RS485电路等;过零投切板上的硬件有MOC3083过零检测电路和复合开
关投切电路。其中每两块过零投切板上的磁保持继电器的接线口与下方一台三相共补电容器
相连，因此一台智能补偿电容器综合模块可以控制两台电力电容器。

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智能低压无功补偿系统的设计

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