【学士论文】毕业设计（论文）-动态无功补偿控制器的研究与设计

*学 院 SHANDONG INSTITUTE OF BUSINESS AND TECHNOLOGY 毕业论文 (设计 ) GRADUATION THESIS （ DESIGN） 论文（设计）题目 动态无功补偿控制器的研究与设计 Title Of Thesis（ Design） 分院（系别） 信息与电子工程学院 Department 专 业 电气工程及其 自动化 班 级 电气 053 班 Speciality Class 论文（设计）作者 * 论文完成日期 2009 年 05 月 Author of Thesis（ Design） Date 论文（设计）指导教师 * 指导教师职称 教授 Advisor The Title of Advisor I 动态无功补偿控 制器的研究与设计 Study and Design Reactive Compensation Controller 2009 年 5 月 20 日 May 20, 2009 II 评阅人意见 评阅人姓名： 职称： 选项标准： A 很同意 B 同意 C 基本同意 D 不同意 分 项 评 价 评价项目 A B C D 选 题 质 量 1 选题符合专业培养目标，体现综合训练基本要求 2 题目难易适度 3 题目工作量适当 4 有理论意义或实际价值 能 力 水 平 5 查阅文献资料能力强 6 综合运用知识能力强 7 研究方案的设计能力强 8 研究方法和手段的运用能力强 9 外文应用能力强 成 果 质 量 10 文题相符 11 写作水平高 12 写作规范 13 篇幅适度 14 成果有理论或实际价值 总体评价： 优 良 中 及格 不及格 评阅人评语 III 评阅人签字： 年 月 日 动态无功补偿控制器的研究与设计 摘要 针对电力系统中无功补偿装置发展的现状，研制出了一种基于 DSPTMS320LF2407控制的低压动态无功补偿装置。作为无功补偿控制器和电网监测器的统一体，该装置以实时的电网监测数据为依据，以城镇低压网（ 220V）的最佳无功补偿为对象。 本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，无功补偿装置的控制方式及原理，和控制器的硬件设计。系统 硬件上采用了 TI 公司的 16 位定点 DSPTMS320LF2407 控制，具有比传统的单片机控制运算速度高，实时性好的特点。采用晶闸管控制投切电容器，全数字化控制，全中文液晶显示界面实时显示系统运行状况，完全实现了电容器的快速，无弧，无冲击投切，具有优良的性能。在投切原则上，与常见的功率因数控制方案相比较，采用无功功率控制，避免了轻载振荡。为了实现装置应具有的功能，本文设计并制作了较为完整的控制电路及其外围设备的硬件电路。它们包括触发电路、采样电路、显示电路及通讯电路等。 在本文中，还介绍了 电网谐波对补偿装置的影响，以及装置在电网谐波含量超标时采取的保护措施。最后，对无功补偿装置的发展和 DSP 控制技术的发展进行展望。 关键词 无功补偿 电力监测 数字信号处理器 IV Study and Design Reactive Compensation Controller Abstract Contra-posing the developmental actuality of reactive power compensation system in power system, a DSP (Digital Signal Processor) system is designed based on TMS320LF2407 for reactive power dynamic compensation. As the combination of reactive power controller and electric power wires measurement, this devices working theory is based on the real-time data of the electric power wire and its intention is to complete the most felicitous compensation for the reactive power which exists in the 220V electric power wire. The paper mainly includes the followed parts: the ameliorating of the nets capability by the reactive power compensation, the control method and principle of reactive power compensation device and the hardware design of the device. The devices hardware core is the 16-bit fix point DSPTMS320LF2407 produced by TI corp ,which has many merits such as high operating speed and high real-time. The system adopts thyristor as switch that connect capacitors to main circuit, numeralization control, and Chinese menu LCD. Interface displaying systems run-time Status momentarily. It actualizes the capacitors speediness, no arc, no percussion switching, and has superior performance. Mention of switching law, control method considering reactive power, comparing with familiar control method considering power factor, avoids oscillation on the condition of light loading. In order to realize systems required function, this paper designs and realizes comparatively integrate microcomputer controlled circuit and its peripherals circuit, including triggering circuit, sampling circuit, displaying circuit and communicating circuit. This paper also points out the influence of harmonics to the compensation system, and the protect measurement in the condition of high harmonics on the power net. At last, the paper looks in to the future of the development of reactive power compensation and the technique of DSP controller. Keywords reactive power compensation monitor of electric power wire digital signal processor (DSP) V *学院 2009 届毕业论文 VII 目 录 第一章 绪论 . 1 1. 1 无功补偿的意义 . 1 1.1.1 无功功率的分布对电压有决定性的影响 . 1 1.1.2 无功功率在线路中的传输引起的损耗 . 2 1.1.3 负荷无功功率对系统电压的影响 . 2 1.2 无功补偿装置的发展现状 . 2 1.2.1 无功补偿装置的发展 . 2 1.2.2 当前无功补偿装置分类 . 4 1.3 无功补偿装置的选择 . 6 第二章 控制方案的 DSP 实现 . 8 2.1 引言 . 8 2.2 设计任务 . 8 2.3 主电路设计 . 10 2.4 主控制器芯片的选取 . 11 2.5 硬件设计 . 12 2.5.1 模拟信号输入处理单元 . 12 2.5.2 LF2407DSP 系统模块 . 16 2.5.3 执行单元 . 19 2.5.4 显示及通讯电路设计 . 21 2.6 软件设计 . 22 2.6.1 主程序 . 23 2.6.2 电容器投切原则 . 25 2.6.3 中断程序 . 25 2.6.4 串行实时时钟电路读写程序 . 27 2.7 可靠性、抗扰性设计 . 28 第三章 总结与展望 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 附 录*学院 2009 届毕业论文 1 第一章 绪论 1. 1 无功补偿的意义 电压是衡量电能质量的一个重要指标。电压质量对电网稳定运行，降低线路损耗，保证工农业安全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响。因此，必须对系统各节点进行监视和控制，使电压水平维持在一个正常范围内。 电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如：轧钢机、电弧炉、电气化铁路等；同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要 求的精密设备，如：计算机，医用设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行补偿。 1.1.1 无功功率的分布对电压有决定性的影响 以图 1-1 所示的简单的输电线为例加以说明。 节 点 iU iR + j XU j节 点 jP + j Q图 1-1 简单输电线路模型 Figure 1-1 simple transmission line model 在不考虑输电线的对地电容时，从节点 i 送到节点 j 的功率为 P+jQ，节点 i 和节点 j 的电压分别为iU和jU，节点 i、 j 之间的支路阻抗为 R 十 jX。 节点电压的关系为： UjUUU QRPXjU QXPRUU jjiji . (1-1) 在超高压电力系统中，线路电抗远大于线路电阻，因而上式可写成 jjji UPXjUQXUU . (1-2) 电压 iU. 还可以写成 ： *学院 2009 届毕业论文 2 s inc o s.iii jUUU (1-3) 式中 为线路两端电压的相位角差。比较 (1-2)、 (1-3)可以得到 ： Q=jji UXUU cos (1-4) 由式 (1-4)，正常运行时输电线路两端的电压的相位角差 比较小，可以认为 cos=1,这样线路中传输的无功功率大小就与线路两端电压有效值之差成正比，无功功率将从节点电压高的一端流向节点电压低的一端。节点电压有效值的变化，也将使流经线路的无功功率随之发生变化。因此电力网中节点电压的变化会引起无功功率潮流的变 化。而且从上式可以看出，如果从远处电源经输电线路向负荷提供无功功率，会使沿线路各点电压下降，甚至不能满足质量要求。 1.1.2 无功功率在线路中的传输引起的损耗 传输无功功率产生的功率损耗为 0Q= 2s in4)(1 22 jiji UUUUZ 1， 可见经电抗传输无功时产生的无功功率损耗有两部分，一部分是因为沿电抗传输有功功率 (0)，这是不可避免的；另一部分是因为经联络阻抗传输了无功功率 (iUjU)。可见减少线路无功功率的传输可以减少线路的无功功率损耗。从有功功率损耗公式222 )( URQPP 可见，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成有功功率损耗。当输送的有功功率一定时，总的有功网损主要取决于输送的无功功率的数值 2。 1.1.3 负荷无功功率对系统电压的影响 在额定电压附近，负荷从系统吸收的无功功率随电压上升而增加，随电压下降而减小 ,当系统出现无功功率缺额，亦即无功电源不能提供足够的无功功率时，系统所接各负荷的电压将下降，减少其向系统吸收的无 功功率；当系统无功过剩，无功吸收能力不足的情况下，系统电压将普遍升高，如果利用发电机进相吸收无功功率，当吸收无功超过其最大吸收能力时，可能会引起系统暂态不稳定 3。 1.2 无功补偿装置的发展现状 1.2.1 无功补偿装置的发展 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，图 1-2 所示为一种最简单*学院 2009 届毕业论文 3 的无功补偿。图 1-2 中， M 代表需要滞后无功功率的用电设备， 2K 和 C 是用于向 M 提供无功的无功补偿装置。 当 1K 闭合使 M 运行时 ， M 从电网吸取有功功率和无功功率。为减少电网中的无功水平，我们将 2K 闭合，用 C 中的超前电流补偿 M 中的滞后电流，完成无功补偿任务。由于 C 的补偿容量是固定的，它不能随着实际无功的变化而变化。因此，它适用于无功变化不大的场合。 M图 1-2 最简单的无功补偿 Figure 1-2 simple idle work compensation 但在实际用电系统中，无功往往变化很大，图 1-2 所示的补偿装置显然无法满足要求。由于并联电容器阻抗固定，不能动态的跟踪负荷无功功率的变化：而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。 20 世纪 70 年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术 (Static Var Compensation)。这种技术经过 20 多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定 系统电压，抑制系统振荡等功能 4。 *学院 2009 届毕业论文 4 控 制 器M i M jKK 1 K 2K nC 1C 2C n图 1-3 实用的无功补偿装置 Figure 1-3 practical idle work compensation system 图 1-3 所示电路中，当无功变化时，控制器检测到该变化，就根据该变化控制补偿电容器组的投切，达到按实际需求的无功量进行补偿的目的。 无论是图 1-2 电路还是图 1-3 电路，电容器组的投切都是靠开关iK(i=1,2,3,n) 来完成的，目前这 种静止开关主要分为两种，即断路器或电力电子开关。断路器开关由于受器件固有特性的限制，在控制器检测到无功的变化需要投入或切除补偿电容器组时，开关速度较慢，约为 10-30ms，不能快速跟踪负载无功功率的变化，而目前投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样在需要频繁投切时，不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容内部击穿，所受应力大，维修量大。因此，采用断路器作为开关的静止无功补偿装置也只适合于负荷变化不大，即相对稳定的情况。 为了能快速跟踪补偿电网中的无功变化，在现代电力电子器件和数字控制技术的支持 下，具有瞬时投切能力的动态无功补偿装置应运而生 5。 1.2.2 当前无功补偿装置分类 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关 SCR 、 GTR、 GTO等的出现，将其作为投切开关速度可以提高 500 倍 (约为 10s)，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单向调节 6。现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置 (SR：*学院 2009 届毕业论文 5 Saturated Reactor)；第二类是晶闸管控制电抗器 (TCR： Thyristor Control Reactor)；第三类是晶闸管投切电容器 (TSC： Thyristor Switch Capacitor)，后两类装置统称为 SVC( Static Var Compensator)7。 以下对此三类无功补偿技术逐一介绍。 1.具有饱和电抗器的无功补偿装置 (SR) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种，相应的无功补偿装置也就分为两种。具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小 8。可控饱和电 抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。这类装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿器 9。但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的 4 倍，并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，铁心损耗大，比并联电抗器大 2 3 倍，另外这种装置有振动和噪声，而且调整时间长，动态补偿速度慢，由于具有这些缺点，所有饱和电抗器的无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使用。 2.晶闸管控制电抗器 两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，其单相原理图 如图 1-4 所示。其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载，此电路的有效移相范围为 900 1800 。当触发角 = 900 时，吸收的无功电流最大。根据触发角与补偿器等效导纳之间的关系式RLLL XBBB 1/)s in( m a xm a x 和可知 ,增大触发角即可增大补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量 ，所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。 A CS C RU ( t )LA CU ( t )CS C RL图 1-4 TCR 型补偿器原理图 图 1-5 TSC 型补偿器原理图 Figure 1-4 TCR compensator schematic diagram Figure 1-5 TSC compensator schematic diagram *学院 2009 届毕业论文 6 在工程实际中，可以将降压变压器设计成具有很大漏抗的电抗变压器，用可控硅控制电抗变 压器，这样就不需要单独接入一个变压器，也可以不装设断路器。电抗变压器的一次绕组直接与高压线路连接，二次绕组经过较小的电抗器与可控硅阀连接。如果在电抗变压器的第三绕组选择适当的装置回路，例如加装滤波器，可以进一步降低无功补偿产生的谐波 10。 由于单独 TCR 只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与 TCR 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为 TCR 与固定电容器配合使用的静止无功补偿器 (TCR+FC)和 TCR 与断路器投切电容器配合使用的静止无功补偿器 (TCR+MSC)。这种具有 TCR 型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用最为广泛 11。由于固定电容器的 TCR+FC 型补偿装置在补偿范围从感性范围延伸到容性范围是要求电抗器的容量大于电容器的容量，另外当补偿器工作在吸收较小的无功电流时，其电抗器和电容器都已吸收了很大的无功电流，只是相互抵消而已。 TSC+MSC型补偿器通过采用分组投切电容器，在某种程度上克服了这种缺点。 3.晶闸管投切电容器 (TSC) 为了解决电容器组频繁投切的问题， TSC 装置应运而生。其单相原理图如图 1-5 所示。两个反并联的 晶闸管只是将电容器并入电网或从电网中断开，串联的小电抗器用于抑制电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流。现在普遍把这种可以快速补偿电网无功功率的晶闸管投切电容器的无功补偿装置叫做动态无功补偿器。 TSC 用于三相电网中可以是三角形连接，也可以是星形连接。一般对称网络采用星形连接，负荷不对称网络采用三角形连接。不是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性及经济性，一般用 K-1 个电容值为 C 的电容和个电容值为 C/2 的电容组成 2K 级的电容组数 12。 TSC 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过多年的分析与实 验研究，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电压的时刻 13。此时投切电容器，电路的冲击电流为零。这种补偿装置为了保证更好的投切电容器，必须对电容器预先充电，充电结束之后再投入电容器。 TSR 补偿器可以很好的补偿系统所需的无功功率，如果级数分得足够细化，基本上可以实现无级调节 14。 1.3 无功补偿装置的选择 从当前无功补偿装置的发展来看，目前广泛应用的几种无功补偿装置，即第二节所介绍的几种无功补偿装置，从控制投切装置的不同来看可以分为两类：一类是采用断路器开关来控制；一类 是采用晶闸管控制。这两类无功补偿装置的特点在上一节中也有所介绍，总起来*学院 2009 届毕业论文 7 说采用晶闸管控制投切的无功补偿装置在性能上比采用断路器开关的无功补偿装置好，它动作时间短，通常能在一个周波 (即 20ms)内动作；动作时无火花，更安全可靠，寿命长。而断路器开关费用上又优于晶闸管，因此在工程应用上也并没有被晶闸管开关完全取代。这两种装置的特性比较见表 1-1： 表 1-1 断路器开关与晶闸管开关控制投切的无功补偿装置性能比较 断路器开关控制 晶闸管控制 投切性能 有火花寿命短 无火花寿命长 动作时间 长 (约几十毫秒 ) 短 (约几十微秒 ) 适应的负荷 相对稳定的负荷 可补偿冲击性负荷 电压稳定性 电压有波动 通过控制投切时间，可消 除电压波动 价格 低 高 任何一种智能无功补偿装置，都需要个控制器来完成电网参数的测量计算，控制电容组的投切。以断路器作开关元件的无功补偿装置，控制器发出的是接点信号，控制接触器的吸合或断开。以晶闸管作开关元件的无功补偿装置，控制器器发出的是晶闸管的触发信号。 *学院 2009 届毕业论文 8 第二章 控制方案的 DSP 实现 2.1 引言 目前，无功补偿装置已在电力系统得到广泛应用。无功电源与有功电源一样是 维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行必不可少的 15。 电网中存在的无功功率有感性的和容性的两种，由于一般的电网中负载多为感性，如：异步电机，变压器等，传统的就地无功补偿装置是通过单片机进行控制实现电容器组的投切。但是，电网中存在谐波时，投切电容有可能发生电容把高次谐波量放大，更为严重的是如果电容与电网中的感性负载在某次谐波恰好发生谐振，电网电压、电流有可能被无限放大，造成的后果不堪设想。因此，在无功补偿的同时，对电网中的谐波量进行测量和消除是非常重要的，且对系统的无功进行准确补偿也建立在对系统各项参 数进行准确测量的基础上。 然而，传统的单片机作为控制器的系统由于受硬件资源与速度的限制，采样精度不高，每周波的采样点少，只自出选择计算量小的算法，结果限制了测量的精度。故本系统采用 TI公司生产的 DSP TMS320LF2407作为总控制器，指令速度很决，达 30MIPS,更加适合于处理多数据、运算量大的系统 16。同时具有强大的控制功能，因此使用 TMS320LF2407作内核带电力监测的低压智能无功补偿装置能更好的满足实时性和精确性的要求。 2.2 设计任务 1.输入模拟量 (1) 工作电压及输入电压模拟量 额定工作电源电压及额定电压模拟量 220V或 380V 20%，电源正弦波形，总畸变率不大于5%。 (2) 输入电流模拟量 额定输入电流模拟量： 5A 50Hz 输入端输入阻抗： 不大于 0.2 2. 测量及显示精度 (1) 电压 各相电压 0.5% (2) 电流 各相电流 0.5% (3) 有功功率 各相及总和 1.0% (4) 无功功率 各相及总和 1.0% *学院 2009 届毕业论文 9 (5) 视在功率 各相及总 和 1.0% (6) 频率 1.0% (7) 功率因数 1.0% 3. 控制要求 (1) 控制灵敏度 不大于 0.2A (2) 过电压保护 应在 105% 120%之间可调，动作回差 6-12V (3) 延时时间 10 120s可调 (4) 过电压分段总时限 不大于 60s (5) 投切动作时间间隔 不小于 300s (6) 断电后所有数据保持时间 不小于 72h 4.功能 要求 (1) 功能设置要求 1) 能实现三线对称补偿和分相补偿组合 2) 投入、切除门限设定值 3) 延时设定值 4) 过压保护设定值 5) 谐波超值保护设定值 6) 面板功能键操作应具有容错功能 7) 面板设置应具有硬件或软件闭锁功能 (2) 显示功能 1) 工作电源工作显示 2) 超前、滞后显示 3) 输出回路工作状态显示 4) 过压保护动作显示 5) 控制器应具有电网即时运行参数及设定值调显功能 6) 控制器应具有监测或统计数据调显功能 7) 谐波超值保打动作显示 8) 手动、自动指示显示 (3) 延时及加速功能 :输出回路动作应具有延时及过电压加速动作功能。 (4) 程序投切功能 :手动或 自动投切选择，自动状态时应具有自动循环投切。 *学院 2009 届毕业论文 10 (5) 自检复归功能 :控制器每次接通电源应进行自检并复归输出回路 (即输出回路处在断开状态 )。 (6) 投切振荡闭锁 :在轻负荷时，控制器应有防止投切振荡的措施。 (7) 闭锁报警 :当系统电压大于或等于一定值 (该值可调 )，闭锁控制器投入回路；投切器内部发生故障时，闭锁输出回路并报警；执行回路发生异常时，闭锁输出回路并报警。 (8) 数据传输 :用中间体 (如抄表器 )抄录实时数据和历史数据，用 RS-232接口 X485接口。 2.3 主电路设计 带电力监测的智能无功补偿装置 的总电路图如图 2-1所示。 负荷信 号 衰 减低 通 滤 波参 考 电 压+ 1 . 6 5 V信 号 采 集 部 分C TP T触 发 电 路触 发 变 压器执 行 单 元L F 2 4 0 7R O MR A MD O G键盘液晶显示指示灯R S2 3 2接口PROME 2图 2-1 带电力监测的无功补偿装置总电路图 Figure 2-1 charged strength monitor idle work compensation system total circuit diagram 该装置上电后，经过一定延时，控制器再开始工作，通过对系统三相电压、三相电流采样，根据电压、电流的值计算系统无功功率，并与用户设定的投入门限、切除门限相比 较，再考虑系统电压幅值情况确定电容器组的投切，投切 命令输入到触发电路，由触发电路控制晶闸管在电压正向峰值时投入电容器，按照 “在保证电压不越限的前提下，使变压器从系统中吸收的无功最小 ”的原则对电容器组进行控制，能有效改善电压质量，提高功率因数，降低网*学院 2009 届毕业论文 11 络损耗。考虑系统的复杂性及经济性，电容器分组采用二进制方案，即采用（ K-1）个电容值均为 C 的电容和一个电容值为 (C/2)的电容，这样的分组可使组成的电容值有 2K 级。最小电容量那一路作为单位电容量，它的大小决定了补偿精度。 本系统由 TMS320LF2407DSP 控制，实时监测电力系统无功功率和电压并跟踪系统无功功率 的大小，采用晶闸管投切并联电容器组的无功功率补偿装置。该装置因响应速度快、动态性能好，所以能实现对决速变化的无功进行跟踪补偿。该装置具备完整的显示控制保护功能。根据需要可显示功率因数、系统电压、负载电流、无功功率等值。并可实时在线设置投入门限、切除门限、过压值、欠压值、延时值等参数。能延时可调、过压自动切除，能有效地提高功率因数改善电压质量、降低电能损耗、消除电压波动、滤除高次谐波，抑制电压闪变，减少电压不平衡，可广泛应用低压配电系统及工矿企业，是老式补偿装置理想的更新换代产品。 2.4 主控制器芯片的选取 本系统采用 T1 公司的 TMS320LF2407 作为主控制器，主要是考虑谐波测量的准确性与无功补偿是不可分割的。 该芯片是 TMS320C2000 平台下的一种定点 DSP 芯片，是一款专为控制设计的单片机。处理速度很决，达到 30MIPS，在晶振频率为 20MHz 时，计算一次 64 点的 FFT 运算用时只有 611s,特别适合于处理谐波分析。用到的数字滤波和傅立叶变换等运算的微处理器。同时它又具有低成本、低功耗、高性能的处理能力 17。 TMS320 LF2407DSP 结构上的特点有以下几个方面： 1. 采用高性能静态 CMOS 技术， 使得供电电压降为 3.3V，减小了控制器的功耗； 30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到 33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。 2. 片内有高达 32K 字的 FLASH 程序存储器，高达 1.5K 字的数据 /程序 RAM,544 字双口 RAM(DARAM)和 2K 字的单口 RAM (SARAM)。 3. 两个事件管理器模块 EVA 和 EVB，每个包括：两个 16 位通用定时器； 8 个 16 位的脉宽调制 (PWM)通道。他们能够实现：三相反向器控制； PWM 的对称和非对称波形； 3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路； 16 通道 A/D 转换器控制 。 4. 可扩展的外部存储器总共 192K 字： 64K 字程序存储器； 64K 字数据存储器； 64KI/O寻址空间。 5. 看门狗定时器模块 (WD1)。 *学院 2009 届毕业论文 12 6. 高性能 10 位模数转换器 ADC)的转换时间为 500ns，提供多达 16 路的模拟输入，具有自动排序功能，可以同时采集最多 16 路的模拟信号，克服了 MCS196 单片机不能同时采样多路信号的缺点。 7. 控制器局域网络 (CAN)2.0B 模块。 8. 串行通信接口 (SCI)。能与系统中的其他控制器进行异步通信 (RS232)。 9. 16 位的串行外设接口模块 (SPI)。 10. 基于锁相环的时钟发生器。 11. 高达 40 多个可 单独编程或复用的通用输入 /输出引角 (GPIO )。方便扩展外设，满足多数控制对像输入输出的需求。 同时，它还具有一些特别适用于进行大量数字信号处理的特点： 1. 哈佛结构：程序存储器和数据存储器独立编址；取指和执行重叠进行；结构的改进，高速缓存，高度并行，大大提高了运算速度。 2. 硬件乘法器：乘法是 DSP 的重要组成部分。乘法的速度越快， DSP 处理器的性能就越高。它能实现单指令乘加运算和变址运算。 3. DSP 指令： DSP 芯片采用特殊的指令。它将多条指令进行压缩，如指令功能压缩和指令周期缩短 (200ns 降到 20ns 以下 )，可 以在一个指令周期内执行多条指令，提高了处理器的速度。 4. 流水线：四级流水线；并行处理；取指、译码、取操作数和执行同时进行。 5. 在芯片内设置了专门的硬件数据指针的逆序寻址功能。因频谱分析的基础是 FFT，从而加快了频谱分析的过程。 综合这几方面原因，采用 F2407 做主控制器，既能满足作为控制器的功能，它突出的计算能力又能快速准确的分析谐波量，在谐波量超标的情况下，停止投入电容器，防止了重大事故的发生。 2.5 硬件设计 基于 DSP 的带电力监测的无功补偿装置的系统框图如图 2-1 所示。 2.5.1 模拟信号输入处理单元 此模块包括电压电流信号形成回路、低通滤波回路 (ALF) 、基准电压 (VBASE)形成回路、同步方波形成回路。此模块的作用是将电压互感器 (YH)和电流互感器 (LH)二次输出的电压、电流模拟量经过上述环节处理成大小与输入量成正比、相位不失真的模拟量，输入到 DSP 的*学院 2009 届毕业论文 13 A/D 转换通道进行采样，将其转化为计算机能接受与识别的数字量，再进行数据处理及运算。 根据采样定理，采用 FFT 测量谐波，若要求准确测量 2n ( n=1,2 ,3 ) 次谐波，则 每周波采样点数应最少为 2 1n 个点。考虑 DSP 的数字处理能力突出，适于进行线性运算的特点，以及测量精度的要求，取系统的采样频率为 3200Hz，即每周波采样 64 点，可准确测量 32 次谐波量。信号调理电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。由互感器得到的电压电流信号线性衰减成能输入 DSP 的量程范围，再经抗混叠滤波器滤波，输入 DSP 的 A/D 转换器中进行采样和模数转换。抗混叠滤波器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波，滤除高频分量，使输入 DSP 进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律 (hs ff 2)要求的信号，消除混叠现象，提高 FFT 的运算精度。 1.电流信号形成回路 电流互感器 T1, T2 和 T3 的原边电流 1I ,为 0 5A，互感器 CT，变比为 12500/1，则refVIRV 1 2 5 0 011 1 60，其中ref为交流地，对应的直流电平为 1.65V。 图 2-2 电流信号形成回路 Figure 2-2 electric current signal looping-in 2.电压信号形成回路 电 压 互 感 器 的 变 比 为 1:1, 原 边 电 阻 相 对 于 110K 可 以 忽 略 ， 因 此r e fr e fr e fo u t VVVRRVV 02.0110000/1002201 1 91 2 21。 *学院 2009 届毕业论文 14 图 2-3 电压信号形成回路 Figure 2-3 voltage signal looping-in 3. ALF 低通滤波电路 图中 Dl, D2 将输出信号钳制在 0-3.3V，保证输入 LF2407A / D 转换口的电压在 0 3.3V之间，以保证其 AD 转换的正常工作。 图 2-4 ALF 低通滤波电路 Figure 2-4 ALF low-pass filtering electric circuit