引言

　　電力已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的能源。社會(huì)越發(fā)展，對(duì)電力的需求越強(qiáng)烈。由于建造發(fā)電廠需要巨額投資，而且會(huì)給環(huán)境帶來(lái)不小的污染。因此，采用電力電子技術(shù)高效地利用已有的電力資源，實(shí)現(xiàn)降低損耗和擴(kuò)大容量是電力可持續(xù)發(fā)展之道。研究和實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明：采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)可大大提高現(xiàn)有電網(wǎng)的傳輸能力，大幅度降低電網(wǎng)損耗，從而節(jié)約了建造電廠的投資。

　　本文提出以Triscend公司的可配置的片上系統(tǒng)(CSoC，Configurable System on Chip)芯片TE505為核心，配合外圍的AD采樣電路，無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切電路，脈沖寬度調(diào)節(jié)電路，顯示模塊以及鍵盤(pán)模塊，通過(guò)軟件編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)核心部分的數(shù)據(jù)計(jì)算，控制算法以及保護(hù)邏輯，用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外圍功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)線(xiàn)路的無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。

　　無(wú)功的介紹及無(wú)功補(bǔ)償裝置

　　電力網(wǎng)絡(luò)除了供給用戶(hù)有功負(fù)荷之外，還要供給用戶(hù)以無(wú)功的負(fù)荷。用戶(hù)的用電設(shè)備都有電感和電容存在，所謂無(wú)功負(fù)荷，則是為了維護(hù)電源和電設(shè)備的電感和電容之間磁場(chǎng)和電場(chǎng)振蕩所需的能量。因此，只要電力系統(tǒng)已經(jīng)形成，該能量則是不可避免的。無(wú)功分電感性和電容性?xún)煞N。感性無(wú)功是電力母線(xiàn)上電壓相位超前電流相位造成的，而容性的無(wú)功正好相反。為了電網(wǎng)的穩(wěn)定和提高電器設(shè)備的壽命，應(yīng)該盡量使電力線(xiàn)路上存在的無(wú)功盡量小。功率因數(shù)是電網(wǎng)提供的有功功率與提供的總功率的比值。而總功率是由有功功率和無(wú)功功率共同組成的。若無(wú)功功率降低，則系統(tǒng)功率因數(shù)就會(huì)提高。

　　目前真正實(shí)用的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案主要還是靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC，Static Var Compensator)。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展，成為了主要的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，解決了大量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。但是在應(yīng)用于6KV以上的高壓系統(tǒng)時(shí)，還是無(wú)法克服幾個(gè)裝置本身所固有的缺陷：可靠性低、諧波污染大，維護(hù)費(fèi)用高等。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)電抗器工藝與結(jié)構(gòu)的突破性改進(jìn)，在克服了傳統(tǒng)飽和電抗器響應(yīng)速度慢、損耗大、噪音大、諧波大等缺點(diǎn)之后，一種基于磁閥式飽和電抗器(MCR)的新型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置在具備了響應(yīng)速度快的特點(diǎn)的同時(shí)，克服了傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的上述諸多缺陷。本系統(tǒng)采用這種新型的無(wú)功補(bǔ)償裝置，該裝置由磁閥式飽和電抗器和電容構(gòu)成，并聯(lián)到電網(wǎng)母線(xiàn)上。

　　無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)控制方法

　　該無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)連接在變電站的低電壓側(cè)，實(shí)時(shí)采樣電網(wǎng)母線(xiàn)上電壓值和電流值，通過(guò)瞬時(shí)無(wú)功理論計(jì)算電網(wǎng)線(xiàn)路上當(dāng)前時(shí)刻的無(wú)功。計(jì)算出當(dāng)前的無(wú)功后與用戶(hù)設(shè)置的目標(biāo)無(wú)功值進(jìn)行比較，如果在用戶(hù)設(shè)置的范圍內(nèi)，系統(tǒng)不進(jìn)行任何操作。若當(dāng)前無(wú)功超出用戶(hù)設(shè)置的目標(biāo)無(wú)功值范圍，該系統(tǒng)就會(huì)在條件滿(mǎn)足時(shí)將無(wú)功補(bǔ)償裝置和電網(wǎng)母線(xiàn)連接的開(kāi)關(guān)閉合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

　　無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

　　如圖1所示。AD通過(guò)TE505的配置，循環(huán)采樣電網(wǎng)母線(xiàn)上的電壓值和電流值以及無(wú)功補(bǔ)償裝置的電流。測(cè)量電網(wǎng)母線(xiàn)上的電壓和電流是為了計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)前的有功和無(wú)功。測(cè)量補(bǔ)償裝置的電流值是為當(dāng)裝置上的電流有效值大于用戶(hù)設(shè)置的保護(hù)值時(shí)，要切斷無(wú)功補(bǔ)償裝置和母線(xiàn)的連接以保護(hù)無(wú)功補(bǔ)償裝置。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入無(wú)功的目標(biāo)值，無(wú)功補(bǔ)償裝置的電流保護(hù)值等一些系統(tǒng)參數(shù)以滿(mǎn)足實(shí)際的需要。EEPROM負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)置的參數(shù)，以便每次上電后保持上次的設(shè)置。LCD負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前系統(tǒng)的有功、無(wú)功等信息，也可以顯示用戶(hù)設(shè)置的參數(shù)值。TE505可以通過(guò)控制投切開(kāi)關(guān)來(lái)控制電容和MCR與電網(wǎng)母線(xiàn)相連。而MCR的電感量的大小可以通過(guò)TE505發(fā)送的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM，Pulse Width Modulation)來(lái)設(shè)置。

　　TE505的介紹

　　TE505是可配置微控制器，它在一個(gè)器件上集成了一個(gè)增強(qiáng)性能的加速8051嵌入式微控制器,一個(gè)大小為16KB的SRAM塊,一個(gè)高速的專(zhuān)用系統(tǒng)總線(xiàn)以及緊密連接在處理器和系統(tǒng)總線(xiàn)上的可配置邏輯。TE505針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的高度集成,全靜態(tài)單芯片系統(tǒng)。TE505內(nèi)部的增強(qiáng)型8051微控制器的指令周期是4個(gè)時(shí)鐘周期?？梢钥焖偻瓿纱罅康挠?jì)算。TE505片內(nèi)的RAM值可以配置到相應(yīng)的管腳作為輸出。

　　顯示模塊

　　無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中使用一個(gè)可以顯示128×64點(diǎn)陣的字符型LCD來(lái)顯示菜單和用戶(hù)設(shè)置的數(shù)據(jù)以及當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)信息。LCD的數(shù)據(jù)總線(xiàn)、讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)、A0，直接與TE505相應(yīng)的信號(hào)線(xiàn)連接。片選信號(hào)CS1，CS2和一根控制線(xiàn)相連。這樣TE505就可以通過(guò)訪問(wèn)相應(yīng)的地址對(duì)LCD進(jìn)行控制。

　　鍵盤(pán)控制

　　為了方便操作鍵盤(pán)共有6個(gè)鍵。上、下、左、右、確定，取消。在菜單選擇頁(yè)面，上，下鍵可以選擇相應(yīng)的菜單，確定鍵用于進(jìn)入有子頁(yè)面的菜單選項(xiàng)，取消鍵用于退出。在數(shù)據(jù)修改頁(yè)面，上，下鍵用于增加和減少光標(biāo)所在數(shù)據(jù)位的值，左，右鍵用于移動(dòng)光標(biāo)到數(shù)據(jù)要修改的位。

　　存儲(chǔ)模塊

　　為了存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)置的參數(shù)，該系統(tǒng)采用Microchip的EEPROM，型號(hào)為93AA66A，大小4kbit。這樣在掉電后重新啟動(dòng)時(shí)可以自動(dòng)從EEPROM中將上次用戶(hù)設(shè)置的參數(shù)讀出來(lái)，供無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)計(jì)算使用。

　　無(wú)功補(bǔ)償裝置模塊

　　無(wú)功補(bǔ)償裝置由磁閥式飽和電抗器(MCR)和電容組成，并聯(lián)到電網(wǎng)母線(xiàn)上。連接方式如圖2所示。

　　無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程

　　TE505的軟件開(kāi)發(fā)，使用Triscend公司提供的軟件FastChip。

　　首先在開(kāi)發(fā)工具FastChip中選擇目標(biāo)芯片，本系統(tǒng)選擇TE505下的TE505S16-40L。選擇好目標(biāo)芯片后，要對(duì)芯片內(nèi)部一些如定時(shí)器，看門(mén)狗等基本功能單元進(jìn)行配置。如圖3所示。雙擊要配置的功能單元就可以在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，這里選擇定時(shí)器1和看門(mén)狗。通過(guò)配置定時(shí)器1約0.33ms產(chǎn)生1次中斷以啟動(dòng)AD采樣電網(wǎng)母線(xiàn)上的電壓和電流值。看門(mén)狗設(shè)置為約1.6s‘喂’一次。



　　完成目標(biāo)芯片的選擇和內(nèi)部基本功能單元配置后，建立要用的寄存器和相應(yīng)的輸入，輸出模塊，如圖4所示。左面是一些可以選的資源。選中需要的資源后，拖到右面的框中，就完成了添加。最重要的是該工具能把用邏輯綜合工具(如Synplify)生成的網(wǎng)表文件導(dǎo)入，使芯片具有邏輯可編程功能。在設(shè)置好相應(yīng)寄存器后可以點(diǎn)擊generate鍵， FastChip自動(dòng)給要用的寄存器分配地址，并生成相應(yīng)的頭文件。以及用于T E505初始化的C語(yǔ)言文件。生成文件后，進(jìn)入芯片管腳分配界面將要輸出的寄存器的各個(gè)位連接到芯片的可用的管腳上，如圖5所示。分配主要根據(jù)印刷電路板上的連接。在完成好以上兩步設(shè)置后就可以對(duì)芯片進(jìn)行綁定了。點(diǎn)擊bind按鈕進(jìn)行綁定。綁定時(shí)還可以對(duì)綁定的效果和綁定消耗的時(shí)間進(jìn)行選擇。注意由于軟件破解的問(wèn)題，以上過(guò)程要在英文環(huán)境下進(jìn)行。

　　在對(duì)芯片內(nèi)除微控制器以外的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)完后，開(kāi)始對(duì)TE505的基于51內(nèi)核的控制器進(jìn)行編程。本系統(tǒng)使用Keil uVision2工具，采用C語(yǔ)言編程。在Keil uVision2中建立工程選擇目標(biāo)芯片時(shí)，選擇Triscend公司的TE505。然后把FastChip生成的頭文件和芯片初始化文件加入工程，在主程序中要調(diào)用芯片初始化文件中的對(duì)芯片初始化的函數(shù)，以完成對(duì)芯片的初始設(shè)置。初始化后再根據(jù)工程的需要編寫(xiě)代碼。編寫(xiě)好代碼后可以用Keil uVision2進(jìn)行仿真和調(diào)試，具體用法請(qǐng)參考Keil uVision2使用的相關(guān)文檔。將代碼用Keil uVision2編譯，鏈接生成hex文件后，要啟動(dòng)Triscend公司提供的軟件Device link進(jìn)行下載。啟動(dòng)Device link后要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置。主要是時(shí)鐘源的選擇和Flash型號(hào)的選擇。下載時(shí)最好停止CPU運(yùn)行，這樣可以減少對(duì)程序下載的干擾。


　　
　　結(jié)語(yǔ)

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，TE505內(nèi)部增強(qiáng)型8051控制器運(yùn)行時(shí)鐘快，指令周期短，很好的完成了計(jì)算無(wú)功的工作，達(dá)到了實(shí)時(shí)處理的效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而且TE505將可編程邏輯資源和微控制器集成到一個(gè)芯片中，避免了用單片機(jī)配合FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列)來(lái)完成對(duì)輸出數(shù)據(jù)時(shí)序的要求。這樣不但減少了系統(tǒng)所需的芯片數(shù)量，降低了成本。還將控制器和可編程邏輯資源之間的連接信號(hào)由芯片外放到芯片內(nèi)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。

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