基于TE505的动态无功补偿系统

　　引言

　　电力已经成为现代社会不可或缺的能源。社会越发展，对电力的需求越强烈。由于建造发电厂需要巨额投资，而且会给环境带来不小的污染。因此，采用电力电子技术高效地利用已有的电力资源，实现降低损耗和扩大容量是电力可持续发展之道。研究和实际运行的经验表明：采用动态无功补偿系统可大大提高现有电网的传输能力，大幅度降低电网损耗，从而节约了建造电厂的投资。

　　本文提出以Triscend公司的可配置的片上系统(CSoC，Configurable System on Chip)芯片TE505为核心，配合外围的AD采样电路，无功补偿装置的投切电路，脉冲宽度调节电路，显示模块以及键盘模块，通过软件编程方式来实现核心部分的数据计算，控制算法以及保护逻辑，用硬件来实现系统的外围功能，以实现对电网线路的无功补偿，提高功率因数。

　　无功的介绍及无功补偿装置

　　电力网络除了供给用户有功负荷之外，还要供给用户以无功的负荷。用户的用电设备都有电感和电容存在，所谓无功负荷，则是为了维护电源和电设备的电感和电容之间磁场和电场振荡所需的能量。因此，只要电力系统已经形成，该能量则是不可避免的。无功分电感性和电容性两种。感性无功是电力母线上电压相位超前电流相位造成的，而容性的无功正好相反。为了电网的稳定和提高电器设备的寿命，应该尽量使电力线路上存在的无功尽量小。功率因数是电网提供的有功功率与提供的总功率的比值。而总功率是由有功功率和无功功率共同组成的。若无功功率降低，则系统功率因数就会提高。

　　目前真正实用的动态无功补偿方案主要还是静止无功补偿装置(SVC，Static Var Compensator)。自上世纪80年代以来，传统静止无功补偿装置经过长足的发展，成为了主要的动态无功补偿装置，解决了大量的动态无功补偿问题。但是在应用于6KV以上的高压系统时，还是无法克服几个装置本身所固有的缺陷：可靠性低、谐波污染大，维护费用高等。随着控制技术的不断发展和对电抗器工艺与结构的突破性改进，在克服了传统饱和电抗器响应速度慢、损耗大、噪音大、谐波大等缺点之后，一种基于磁阀式饱和电抗器(MCR)的新型静止无功补偿装置在具备了响应速度快的特点的同时，克服了传统静止无功补偿装置的上述诸多缺陷。本系统采用这种新型的无功补偿装置，该装置由磁阀式饱和电抗器和电容构成，并联到电网母线上。

　　无功补偿系统控制方法

　　该无功补偿系统连接在变电站的低电压侧，实时采样电网母线上电压值和电流值，通过瞬时无功理论计算电网线路上当前时刻的无功。计算出当前的无功后与用户设置的目标无功值进行比较，如果在用户设置的范围内，系统不进行任何操作。若当前无功超出用户设置的目标无功值范围，该系统就会在条件满足时将无功补偿装置和电网母线连接的开关闭合，从而实现对电网动态无功补偿。

　　无功补偿系统的硬件平台

　　如图1所示。AD通过TE505的配置，循环采样电网母线上的电压值和电流值以及无功补偿装置的电流。测量电网母线上的电压和电流是为了计算系统当前的有功和无功。测量补偿装置的电流值是为当装置上的电流有效值大于用户设置的保护值时，要切断无功补偿装置和母线的连接以保护无功补偿装置。用户可以通过键盘输入无功的目标值，无功补偿装置的电流保护值等一些系统参数以满足实际的需要。EEPROM负责存储用户设置的参数，以便每次上电后保持上次的设置。LCD负责显示当前系统的有功、无功等信息，也可以显示用户设置的参数值。TE505可以通过控制投切开关来控制电容和MCR与电网母线相连。而MCR的电感量的大小可以通过TE505发送的脉冲宽度调制信号(PWM，Pulse Width Modulation)来设置。

　　TE505的介绍

　　TE505是可配置微控制器，它在一个器件上集成了一个增强性能的加速8051嵌入式微控制器,一个大小为16KB的SRAM块,一个高速的专用系统总线以及紧密连接在处理器和系统总线上的可配置逻辑。TE505针对嵌入式系统应用进行了优化的高度集成,全静态单芯片系统。TE505内部的增强型8051微控制器的指令周期是4个时钟周期。可以快速完成大量的计算。TE505片内的RAM值可以配置到相应的管脚作为输出。

　　显示模块

　　无功补偿系统中使用一个可以显示128×64点阵的字符型LCD来显示菜单和用户设置的数据以及当前系统状态信息。LCD的数据总线、读写信号线、A0，直接与TE505相应的信号线连接。片选信号CS1，CS2和一根控制线相连。这样TE505就可以通过访问相应的地址对LCD进行控制。

　　键盘控制

　　为了方便操作键盘共有6个键。上、下、左、右、确定，取消。在菜单选择页面，上，下键可以选择相应的菜单，确定键用于进入有子页面的菜单选项，取消键用于退出。在数据修改页面，上，下键用于增加和减少光标所在数据位的值，左，右键用于移动光标到数据要修改的位。

　　存储模块

　　为了存储用户设置的参数，该系统采用Microchip的EEPROM，型号为93AA66A，大小4kbit。这样在掉电后重新启动时可以自动从EEPROM中将上次用户设置的参数读出来，供无功补偿系统计算使用。

　　无功补偿装置模块

　　无功补偿装置由磁阀式饱和电抗器(MCR)和电容组成，并联到电网母线上。连接方式如图2所示。

　　无功补偿系统的软件设计流程

　　TE505的软件开发，使用Triscend公司提供的软件FastChip。

　　首先在开发工具FastChip中选择目标芯片，本系统选择TE505下的TE505S16-40L。选择好目标芯片后，要对芯片内部一些如定时器，看门狗等基本功能单元进行配置。如图3所示。双击要配置的功能单元就可以在出现的对话框中进行参数设置。根据系统的实际需要，这里选择定时器1和看门狗。通过配置定时器1约0.33ms产生1次中断以启动AD采样电网母线上的电压和电流值。看门狗设置为约1.6s‘喂’一次。



　　完成目标芯片的选择和内部基本功能单元配置后，建立要用的寄存器和相应的输入，输出模块，如图4所示。左面是一些可以选的资源。选中需要的资源后，拖到右面的框中，就完成了添加。最重要的是该工具能把用逻辑综合工具(如Synplify)生成的网表文件导入，使芯片具有逻辑可编程功能。在设置好相应寄存器后可以点击generate键， FastChip自动给要用的寄存器分配地址，并生成相应的头文件。以及用于T E505初始化的C语言文件。生成文件后，进入芯片管脚分配界面将要输出的寄存器的各个位连接到芯片的可用的管脚上，如图5所示。分配主要根据印刷电路板上的连接。在完成好以上两步设置后就可以对芯片进行绑定了。点击bind按钮进行绑定。绑定时还可以对绑定的效果和绑定消耗的时间进行选择。注意由于软件破解的问题，以上过程要在英文环境下进行。

　　在对芯片内除微控制器以外的资源进行设计完后，开始对TE505的基于51内核的控制器进行编程。本系统使用Keil uVision2工具，采用C语言编程。在Keil uVision2中建立工程选择目标芯片时，选择Triscend公司的TE505。然后把FastChip生成的头文件和芯片初始化文件加入工程，在主程序中要调用芯片初始化文件中的对芯片初始化的函数，以完成对芯片的初始设置。初始化后再根据工程的需要编写代码。编写好代码后可以用Keil uVision2进行仿真和调试，具体用法请参考Keil uVision2使用的相关文档。将代码用Keil uVision2编译，链接生成hex文件后，要启动Triscend公司提供的软件Device link进行下载。启动Device link后要根据实际情况进行配置。主要是时钟源的选择和Flash型号的选择。下载时最好停止CPU运行，这样可以减少对程序下载的干扰。


　　
　　结语

　　现场测试表明，TE505内部增强型8051控制器运行时钟快，指令周期短，很好的完成了计算无功的工作，达到了实时处理的效果，实现了对无功的动态补偿。而且TE505将可编程逻辑资源和微控制器集成到一个芯片中，避免了用单片机配合FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)来完成对输出数据时序的要求。这样不但减少了系统所需的芯片数量，降低了成本。还将控制器和可编程逻辑资源之间的连接信号由芯片外放到芯片内，增强了系统的抗干扰能力。

　　参考文献：

　　1．王志泳，徐雪连 ，MCR型动态无功补偿装置设计手册，北京三得普华科技有限公司，2003

　　2．王兆安，杨君，谐波分析和无功功率补偿，机械工业出版社，1998

　　3．TE505 Configurable System-on-Chip Platform，2004

　　4．4K Microwire Compatible Serial EEPROM，Microchip,2003

　　5．8-CHANNEL 10-BIT 1.25-MSPS SERIAL ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER，Texas Instrument,1998

　　6．HD61202 液晶显示控制驱动器的应用，誉信电子公司