论文研究-基于C8051F120的无功补偿控制系统 .pdf

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基于C8051F120的无功补偿控制系统,胡鹏,肖攸安,介绍了一种基于高速单片机C8051F120的无功补偿控制系统,该系统能够实时准确地采集电压、电流,通过FFT变换计算出各相关电量参数,投
国科技记义在线 http:/www.paper.edu.cn R4 ADC LeV R3 图4信号调理电路 23.测频电路 为了对信号进行等间隔采样,就需要准确的测量电网的频率。将经过信号调理的正弦波 信号通过电压比较器可以转换成方波信号,再将其输入到C8051F120的捕捉引脚。通过捕 提两次上∫沿来准确测量电网的频率 24.执行单元电路 该系统选用过零触发控制芯片MOC3083来控制电容器的投切。MOC3083的4脚和6 脚分别接电网和电容。当MOC3083的1脚和2脚间的电流超过5mA,而月电网电压和电容 端电压幅值、相位相同时,MOC3083会在两个晶闸管BT151的触发端上产生一定的触发电 压,此时必定会使其中一个导通,实现电压过零导通的日的。其原理图如图5所示 VCC MC303 RI 单机O口 BTIS 容 图5投切电路 25.GPRS接口电路 GPRS模块选用的是Teli公司的GM862模块。GPRS模块提供了标准串口,可以直接 与单片机串∏对接,单片机可以通过发送AT指令对其进行操作 3.下位机软件实现 下位机软件主要包括信号采集部分,FFT信号处理部分,投切控制部分,串口通信部分, 其中有两个串口,一个用于与上位机通信,另一个用于与GPRS模块进行通信。下面主要对 中国武技记文在线 http:/www.paper.edu.cn FFT算法和投切控制算法进行分析。 31.FFT算法 该系统每周期采集32点电压、电流,再通过FFT变换计算出电网电压有效值、电流有 效值、有功功率、无功功率等参数。算法如下:将32点电压、电流构成复序列 x(n)=u(n)+ji(n) (0Sns31) 假设复序刎{x(m)}经过FFT变换后对应的复序列为{X(K)} 由(1)式得:u(n)=[x(n)+x'(n) (2) (n)=2;[(n)-x(m) (3) 对(2)、(3)式进行FFT变换,并考虑其复共轭性质,得到电压、电流的频谱为 U(K)=-[X(k)+X(32-K (4) (K)=[X(K)-X(32-k) (5) 式中X(K)和X"(32-K)分别是x(n)和x'(m)的FFT变换 设UJ为a()第K次谐泼的向量表示,为(1)第K次谐泼的向量表示,则电压、电流 向量与其频谱有如下关系: U U/(K) (6) 32 2 (K) 7) 这样,可导出各次(1≤K≤15)谐波电压、电流的有效值(Uk,k)和有功功率(f)为 √2*32()+x2(32-K)+[X/(K)-X,(32-K) (8) X2(K)-X2(32-k)+[(K)+x(32-K (9) √2*32 X2(k)·X1(32-k)+X(K)X(32-K) (10) 式中X(K)和X(K)分别为复数X(K)的实部和虚部。则此相电压和电流有效值为: 11) (12 有功功率、视在功率、无功功率及功率因数为: (13) K-1 S=U·I 14) 15 cos o=P/s (16) 国科技记义在线 http:/www.paper.edu.cn 3.2.投切控制算法 该系统采用分级投切,由4组电容器组成,各组容量的比值为1:2:4:8。这四组分别 由单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3来控制,高电平为投入电网,低电平为从电网中切除。 设容量最小的一组对应1个单位容量。 具体投切控制算法如下: (1)根据所测得的电压、无功功率计算出需要投入的电容容量。 (2)将需要投入的电容容量除以1个单位容量对应的容量,结果记为 count。 3)如果 count小于1,则4组都从电网中切除,应使P1&=0XF0:如果大于等于15,则4 组都投入到电网中,应使Pl=0X0F;否则对 count取整,结果记为 count1,此时应使 P1=(Pl&oXFO)lcount1 4.上位机软件实现 上位机与单片机主要通过RS485和GPRS进行通信来实现近端监控和远程监控。 RS485通信是一种半双工通信,与RS232相比,抗干扰能力强,传输距离远。通过 MAX485芯片可以很方便的实现电平转换。上位机可以利用ⅴC的 MSComm类实现与单片 机的通信。 随着移动通信的迅速发展,GPRS无线通信在远程监控系统中得到了广泛的应用。利用 GPRS通信投资小,范围不受限制。GM862模块发送远程数据采用 TCP/IP协议,上位机只 要遵循该协议就可以实现远程监控。上位机创建个线程,该线程绑定个端冂,并处于监 听状态;GPRS模块按配置好的P地址与端口号与上位机进行链接,上位机一旦监听到链 接就再创建一个线程,并分配一个端口与GPRS模块建立起一个虚拟的物理链路,依靠该链 路便可实现上位机与单片机的数据收发。 5.实验验证 木系统在低压情况卜进行了实验。实验条件如下: (1)实验中电压有效值为230V左右,频率为50HZ (2)采用电批感性负载。 (3)电容器分成4组,编号依次为1、2、3、4,容量分别为0.uf、0.2utf、0.4uf、0.8uf, 在条件(1)的情况下能够补偿的感性无功功率大小分别为1.662var、3.324var、6.648var、 13.296var。 投入电容之前,对应电批不同的转速测量的数据如表1所示: 表1电容投入前测量数据 转速电压有效值(V)电流有效值(A)有功功率W) 无功功率(var) 功率因数 236.37 0.107 18.933 17.061 0.7428 238.27 0.075 12.117 13.201 0.6781 低 238 0.056 7.346 11.417 0.5411 投入电容之后,对应电批不同的转速测量的数据如表2所示: 山国武技记文在线 http:/www.paper.edu.cn 表2电容投入后测量数据 转速电压有效值)电流有效值(A)有功功率|无功率 (W) 投入组号 功率因数 高中低 237.51 0.078 18.562 0.546 0.9993 23695 0.049 11.569 2.066 0.9844 238.32 0.034 从投切实验可以看出,系统对电压电流的测量、无功功率的讣算以及电容器的投切控制 电路都是正确的。 6.结束语 该系统使用C805IF120单片机,处理速度快,外围模块少。通过现场测试,效果良好。 经过简单改造可以用于家庭用户、工厂和变电站等场合 参考文献 [l]何一浩新型TSC动态无功补偿装置的研究[D]北京:清华大学,2005 [2]黄志军基于嵌入式操作系统的无功补偿控制器设计D]西安西北工业大学,2005 [3]田小林王建华元功补偿制器中数据采集及FFT算沄处理[仪表技术与传感器,2004,(4):34-36. Reactive Compensation Control system Based on c8051F120 Hu Peng, Xiao Youan School of Information Engineering, Wuhan University of Technology. Wuhan(430000) Abstract The paper introduces a reactive compensation control system based on high speed MCU C8051F120.This system can sample voltage and current in real-time and correctly. The sampled data are processed by the FFt algorithm. After each related parameter acquired, it can improve power factor by switching on or off capacitances. In order to short-range and long-distance controling it can communicate with computer by RS485 and GPRS. The paper also analyzes the hardware circuit of the system the FFT algorithm and the switching conrol algorithm Key words: MCU; Reactive Compensation; FFT 作者简介:胡鹏,男,1984年7月7日出生,就读于武汉理工大学信息工程学院通信与信 息系统专业,在读硕士研究生,现主要从事无功补偿、车号识别(RFID)、射频光模块方面 的研究。 6

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