基于MSP430和TC35i無功補償控制器的設計與實現(xiàn)*

張東青，鄭 爽，李 雯

（黑龍江科技學院電氣與信息工程學院，黑龍江哈爾濱150027）

無功補償是涉及電力電子技術、電力系統(tǒng)、電氣自動化技術、理論電工等領域的重大課題。由于大型電機和電力電子裝置的應用日益廣泛，使得無功問題引起人們廣泛的關注。尤其隨著智能電網(wǎng)的建設步伐加快，對電網(wǎng)運行的數(shù)字化要求越來越高，無功功率作為輸配電網(wǎng)中不可缺少的組成部分，對供電系統(tǒng)和負載系統(tǒng)的正常運行是十分重要的、也是必需的[1、2]。因此，本文充分利用GSM信號覆蓋范圍廣泛的特點，結合MPS430單片機設計出及無功補償情況和電網(wǎng)電量采集、傳輸、控制為一體的低功耗、智能型的無功補償控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)突破了空間的限制，對監(jiān)控的設備可以做到無人職守，還可以通過手機短信發(fā)送信息，遠程控制補償電容器和配電監(jiān)測設備[3]。實踐證明，該系統(tǒng)結構簡單、維護方便、數(shù)據(jù)可靠、靈活實用。

1 系統(tǒng)方案設計

本設計是對變壓器無功補償終端控制器的設計，考慮到本系統(tǒng)對可靠性、精確性、處理能力、功耗低等要求，且存在著較大數(shù)量的計算任務，故本系統(tǒng)選用德州儀器公司的16位單片機MSP430 F449芯片為核心的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，它不僅具有運算準確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，而且功耗較低[4]。主要通過電壓互感器、電流互感器將電網(wǎng)高的電壓、大的電流都轉換成低的電壓，經(jīng)過信號調理部分后，信號進入主控芯片，對信號每個周期進行等間隔采樣。MSP430單片機根據(jù)輸入的電流電壓，通過FFT變換計算處理出相應電量參數(shù)以及需要投入的電容組數(shù)，再通過接觸器投切模塊，將相應電容組投入到電網(wǎng)中。最后采用GSM網(wǎng)絡短信收發(fā)模塊TC35i通過手機短信發(fā)送信息，實遠程控制補償電容器和電網(wǎng)的參數(shù)的監(jiān)測。其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號采集電路

信號采集是工作中首項任務，將所需要采集的電量信號通過處理后，輸入到單片機經(jīng)過計算以后才能進行相應的投切工作。為實現(xiàn)強弱電的隔離，檢測電網(wǎng)的相電流以及相電壓，分別采用了電流互感器和電壓互感器。以相電壓為例，通過電壓互感器后將相電壓變成-1.5V到1.5V的電壓輸出，而由于MSP430F449單片機ADC輸入的電壓范圍為0～3.3V，而互感器部分的電壓有正有負，所以需要電壓提升。電壓提升部分采用TLV2782運算放大器，采用同相加法電路，將電壓輸入的范圍提升到0～3.3V。再通過RC濾波電路濾掉輸入信號中的高次諧波，以便對信號進行諧波分析。為保證輸入電壓的穩(wěn)定性，通過由兩個二極管構成的限壓電路，當輸入正向電壓Vin大于AVCC+Uon時，D1就會正向導通，使得輸出電壓Vout鉗制在AVCC+Uon，這樣避免ADC輸入過高的電壓。同理，當輸入電壓幅值低于-Uon時，二極管D2導通，此時電壓被鉗制在-Uon上，這樣避免CPU受過低的負電壓干擾。采集電路如圖2所示。

圖2 信號采集電路圖Fig.2 Signal acquisition circuit

2.2 電容器投切電路

本系統(tǒng)采用交流接觸器控制投切電容器，由于交流接觸器是采用交流電磁系統(tǒng)供電，工作電壓較高，因此從單片機輸出的信號需要經(jīng)過驅動電路進行轉換，使輸出的驅動電壓能夠適應接觸器線圈的要求，為了提高單片機系統(tǒng)的可靠性，本設計采用MOC系列光耦合過零觸發(fā)雙向晶閘管驅動器MOC3041。光電耦合器MOC3041的輸入端由單片機的I/O端口控制，通過同向輸出驅動器7407驅動后，控制觸發(fā)外部雙向晶閘管KS導通或關斷，從而控制電容器的投切。投切電路如圖3所示。

圖3 電容投切電路圖Fig.3 Capacitor switching circuit

2.3 通信電路

本設計利用西門子TC35系列的TC35i無線模塊，以GSM網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)通過手機短信發(fā)送形式進行無線通信。TC35i模塊有40個引腳，這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制[5]。TC35i的第1～5引腳是正電源輸入腳通常推薦值5V，第6～10引腳是電源地。15腳是啟動腳IGT，與MSP430單片機直接相連，系統(tǒng)加電后為使TC35i進入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個大于100ms的低脈沖,電平下降持續(xù)時間不可超過1ms。TC35i模塊支持標準的AT命令集。其中18腳RxD0、19腳TxD0為TTL的串口通訊腳，需要和單片機進行電平轉換后相連。TC35i模塊的SIM卡座子采用的是Molex座子，該座子有8個管腳，J2為SIM卡Molex座子。TC35i的SYNC引腳有兩種工作模式，可用AT命令進行切換。一種是發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況，另一種是指示TC35i的工作狀態(tài)，本設計采用后種功能。電路如圖4所示。

2.4 I2C總線接口的外圍電路

為減少電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低成本，本設計通過I2C總線實現(xiàn)MPS430與各外圍模塊的通訊，主要包括I/O擴展模塊PCA9502、時鐘模塊SD2000A和存儲模塊24C256。

圖4 通信電路圖Fig.4 Communication circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用C語言。C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能[6]。采用模塊化結構設計，將各功能模塊設計為獨立的編程調試程序塊，這樣不僅有利于今后實現(xiàn)功能擴展，而且便于調試和連接，更有利于程序的移植和修改。軟件主要實現(xiàn)以下功能：（1）對電網(wǎng)的電壓、電流及脈沖信號進行周期性采樣，并進行FFT數(shù)據(jù)處理；（2）數(shù)據(jù)經(jīng)過分析計算作為無功補償投切電容器的依據(jù)，并通過輸出I/O端口高低電平控制電容器投切；（3）監(jiān)控中心可通過TC35i通信模塊隨時向變壓器無功補償控制終端召喚實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和電容運行記錄等；（4）整點時刻即防掉電標志時間到達時，收集的實時數(shù)據(jù)作為歷史整點數(shù)據(jù)，直接存儲到外圍存儲器中去以防止由于停電數(shù)據(jù)丟失。具體程序流程圖如圖5所示。

通信程序由GSM網(wǎng)絡短信收發(fā)模塊TC35i完成，通過向TC35i模塊寫入AT指令，完成網(wǎng)絡登陸、SIM信息讀取、短消息收發(fā)等功能。具體程序流程圖如圖6所示。

圖5 軟件主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program of software

圖6 TC35i發(fā)送信息流程圖Fig.6 Flowchart of TC35i sending information

4 結論

經(jīng)實踐證明，采用MSP430F449能夠精確測量進行功率數(shù)的在線檢測，實現(xiàn)電容的自動投切，完成無功補償功能，同時還能能測量顯示三相電網(wǎng)中的電流、電壓值和功率等參數(shù)。并且采用GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，不須再建專用通信網(wǎng)絡，能夠很容易的實現(xiàn)基于短消息功能的數(shù)據(jù)傳輸即可將，現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程終端或控制中心，也可以接收遠端或監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的內容相應地完成各種控制指令，對提高電網(wǎng)的正常運行，改善其性能起到一定的作用。整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，且硬件電路簡單。

［1］翁薇，朱志杰，陳俊杰，等.基于ATmega128和ATT7022B的低壓無功補償控制器的設計［J］.低壓電器，2009,21：30～33.

［2］巫付專，吳必瑞，蔣群.基于MSP430的無功補償系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.自動化儀表，2009，30：33～37.

［3］成春旺.監(jiān)控系統(tǒng)中基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學，2006.

［4］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設計［M］.北京：清華大學出版社,2005，169～173.

［5］肖廣兵，唐慧強.基于TC35i的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計［J］.通信技術,2009,4：189～191.

［6］曹磊.MSP430單片機C語言設計與實踐［M］.北京航空航天大學出版社,2007.