基于STM32的低压无功补偿装置的研究

张 芳 丁国臣 邵 红 王翠珍

0 引言

经济高速发展，用户对供电的质量、供电可靠性的要求越来越高[1]。系统电压和功率因数的降低，会使电气设备的利用率降低、线路损耗增加。在低压配电网中，设施老化、结构复杂、线径小、负荷电流大、自然功率因数低等问题突出，长期来看，将使得电压质量得不到保证，无功功率的远距离输送得不到很好的跟踪，严重影响电网的经济效益。再加上近年来随着需求的增加，电网中引入了大量的非线性和冲击性负载，运行过程中会产生谐波和电压波动，影响供电质量及电网设备的安全性。这就要求我们必须要对无功功率和谐波进行精准测量和适当补偿。目前，电网中存在的多为阻感性负载，通过STM32进行电容器组的投切，投入容性无功功率，从而使系统的总无功功率减少。基于这一思想，本文对高性能的基于STM32的低压无功补偿装置进行了研究。

1 系统总体设计

在无功补偿控制装置中，首先进行三相电压、电流的采集，计算出电网的相关参数；然后计算出需要补偿的无功量，选择合适电容器组通过控制晶闸管进行投切。考虑到装置运行的经济性，电容器组的接线方式为三相分补与三相共补相结合的方式[2-4]，电容器三相共补部分采用△接线，三相分补部分采用Y接线，运行方式机动灵活。装置系统框图如图1所示。控制器的主控芯片采用STM32F103VET6，计量芯片选用ADE7878，主要的外围电路模块有：电流电压采样电路、按键处理电路、RS485通信模块等。

图1系统框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片的选取

考虑到传统单片机的运算速度和硬件资源的限制，会直接影响无功补偿的精度和效果，本文采用基于Cortex-M3的STM32F103为主控芯片，主频高达36 MHz，内嵌4～16 MHz高速晶体振荡器，强大的运算能力能够保证实时快速的数据处理与算法实现，丰富的外设资源可以极大地简化系统硬件电路。

2.2 计量芯片

选用ADE7878计量芯片[5-6]来采集电压和电流，能够大大提高采样精度，将计算得到的相关参数通过SPI口传递给STM32控制芯片，计算简便，又提高了采样速率和数据精度。

主控芯片STM32开始启动后，首先将STM32的SPI口与ADE7878的HSDC口相连，得到电压、电流的瞬时值;然后通过DMA中断处理将得到的数据存入内部数据地址中，最后计算出无功功率、有功功率和频率值。ADE7878与主控芯片STM32的通信如图2所示。PA0和PA1用来配置计量芯片的供电模式；SDA和SCL为 口，在系统刚启动时通过 进行配置；SCK和MOSI为SPI口，接收ADE7878传输的数据，在芯片内部进行处理。

图2 STM32与ADE7878通信图

2.3 电源电路

对输入相电压220 V的交流电进行电压采样调理，得到9 V直流电源。为防止RS485受到外界干扰，使芯片不能正常工作，将供电分成两路，其中9V，4W这一路经过转换后给STM32和ADE7878以及EEPROM，LED灯、J-LINK等外设供电；而另一路9 V，1W经过转换后用于RS485通信。

为了给RS485和部分器件提供5 V电源，首先进行DCDC转换，用AMS1117-5.0芯片将两路电源从9 V转化为5 V直流。STM32和ADE7878需要3.3 V供电，则需要再将5 V的直流转换成为稳定的3.3V，所用芯片为AMS1117-3.3。转换电路及滤波电路如图3所示。

图3电源转换电路及滤波电路

2.4 电压电流采样电路的设计

选用的电压互感器型号为SPT204，其额定输入、输出电流均为2 mA。电压采集原理图如图4所示，首先将电压信号变换成电流信号，为限流电阻，副边电路是电流/电压变换电路，调整图中反馈电阻的值，可以获得相应的输出电压。将两个二极管并联从而保护运放，电容用来去耦和滤波[7-8]。

图4电压信号变换电路

选用的电流互感器型号为SCT254，其输入额定电流为5 A，额定输出电流为2.5 mA。如图5所示，整个电流信号变换电路的工作原理是利用SCT254，将电流信号衰减、隔离，然后通过放大电路将SCT254输出的负半周的电流信号进行放大，最终转换成电压信号输出。

图5电流信号变换电路

2.5 投切电路设计

电容器的投切选用过零触发控制芯片MOC3083[9-11]来控制，MOC3083的2脚接STM32的IO口，6脚与电网相接，4脚接电容。当过零检测器的1脚和2脚间的电流超过5 mA，而且4脚电压和6脚电压幅值、相位均相同时，晶闸管两端将会产生触发电压，使其中一个晶闸管导通。其原理图如图6所示。

图6投切电路图

2.6 键盘电路设计

键盘电路设计中使用了8个按键，即"上、下、左、右、复位、确认、加、减"。通过键盘电路，可以进行无功功率因数的设定等，也可以用来切换手动或自动运行。其电路如图7所示。

图7按键电路

2.7 RS485通信电路设计

驱动芯片选用MAX3285，进行串行通信。接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，RS485的总线接口电路如图8所示[12]，图中RXD为信号输入端，DE为控制信号输入、输出端口，TXD为信号输出端。

图8 RS485总线接口电路图

3 系统软件设计

无功补偿控制装置软件的设计采用模块化[13]的设计方法，主要包括:数据采集和计算、自动投切逻辑、模糊控制和投切控制等，既提高了系统的通用性，也使代码的可读性大大增强，修改维护更加方便快捷。

3.1 主程序结构

控制系统上电后，首先进行初始化，然后进行瞬时三相电压和电流数据的采集，将得到的数据通过ADE7878传输给DMA中断进行处理，从而得到电网功率因数、无功功率、有功功率等相关参数值并进行储存和显示，然后依据现场情况进行参数设置，从而进行电容器的投切。投切电容设置成手动和自动控制两部分，正常运行时让其处于自动控制模式，调试时会用到手动投切。主程序流程图如图9所示。

图9主程序流程图

3.2 模糊控制子程序设计

模糊控制器是模糊控制系统的核心，其基本形式主要有输入量模糊化、知识库、推理机和输出量反模糊化等四个部分[14]。模糊控制程序子程序的运行过程是首先，计算出离线情况下的模糊控查询表。然后，在线情况下，将输入量模糊化，依据模糊算法的原理，进行模糊控制表的查询，从而得到其输出，然后再进行去模糊化处理，最终得到准确地控制量。

3.3 投切控制程序设计

依据模糊控制算法进行电容器投切，首先给等容的电容器组编号，投切时，采用逐级循环投切的方法，并且保证每次只有一组电容器被投入或切除，本着"先入先除，先除先入"的原则，确保每台电容器都有均等的机会运行[15]。为了避免产生瞬时干扰和投切震荡，当检测结果异常时，电容器并不立即投切，也不会发出跳闸信号，而是经过一段时间的延时之后，再次进行检测，只有两次检测结果一致，才会进行动作。

4 结语

本文对低压无功补偿装置进行了研究，硬件部分的设计以STM32F103VET6和ADE7878为核心，进行了电流电压采样电路、温度检测电路、按键电路、RS485通信电路等模块的设计，软件部分分模块进行设计，完成了电网数据采集和计算、投切控制、模糊控制等软件模块的程序设计，能够精确地采集和计算电网电压电流值，通过给定的相关参数值得到要投入的电容量，在电压电流过零点时，通过控制晶闸管进行电容器的投切，从而使电网中消耗的无功功率得到补偿，提高电网质量。