2020年第24期/总第318期
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
摘要
无功功率是维持电压稳定的关键因素，决定着电力系统能否安全稳定运行。本文以STM32为主控芯片，采用分组投切的方式，研究了基于模糊控制理论的无功补偿装置，采用无功功率与电压相结合的复合投切判据，能够有效避免产生投切震荡，保证了无功补偿装置的安全、稳定、可靠运行。关键词
无功补偿；STM32；分组投切；模糊控制；晶闸管
中图分类号:TM761
文献标识码:A
DOI ：10.19694/jki.issn2095-2457.2020.24.02Abstract
Reactive power is one of the important factors that affect whether the voltage stability ，can determine the power system safe and stable operation.Grouping based on STM32as main control chip ，this paper adopts the way of cutting ，the reactive power compensation device based on fuzzy control theory ，by adopting the combination of voltage and
reactive power criterion ，composite shock ，can effectively avoid to produce to ensure the safety of the reactive power compensation device ，
stable and reliable operation .Key words Reactive power compensation;STM32;Grouping switching;Fuzzy control;
Thyristor
张芳
助教，工作于海军航空大学青岛校区，主要从事电工电子技术教学工作。
丁国臣
海军航空大学青岛校区。
邵红
reactivepower海军航空大学青岛校区。
王翠珍
海军航空大学青岛校区。
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Science &Technology Vision 科技视界置运行的经济性，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36MHz ，内嵌4~16MHz 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2STM32与ADE7878通信图
2.3电源电路
对输入相电压220V 的交流电进行电压采样调理，得到9V 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9V ，1W 经过转换后用于RS485通信。
为了给RS485和部分器件提供5V 电源，首先进行DC-DC 转换，用AMS1117-5.0芯片将两路电源从9V 转化为5V 直流。STM32和ADE7878需要3.3V 供电，则需要再将5V 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2mA 。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5A ，额定输出电流为2.5mA 。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
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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5mA ，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
2.7RS485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8RS485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8
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。
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Science&Technology Vision

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