摘要 由DSPIC33F微处理器组成的智能无功动态补偿控制器具有极低的功耗、处理功能强大、片上外围接口丰富、开发方式方便高效等特点。智能无功动态补偿控制器由微处理器、信号预处理电路、人机联系电路、通信电路、电源电路组成。该控制器根据测量的无功功率和功率因数值通过RS485通信口控制智能低压电力电容器投入和退出。该控制器性价比高、配置灵活。
关键词: DSPIC33F系列微处理器 无功动态补偿 智能控制
0 引言
随着系统负荷日益增长, 无功需求量也不断增加, 无功补偿主要是通过安装补偿电容器来达到降低网损和提高用户电压质量的目的。下面介绍用Microchip制造的微处理器DSPIC33FJ256GP710为核心构成的控制器，实时监测电网的电压、电流，并计算出有功功率、无功功率和功率因数，程序根据测量值经控制算法，通过RS485通信口控制智能低压电力电容器自动投切，实现无功功率的动态补偿，以及过压、欠压、谐波超限等保护功能。
1 DSPIC33F微处理器的特点
DSPIC33F系列单片机美国微芯公司（Microchip）推出的一款高性能单片机，它采用16位改进型哈佛架构，具有增强指令集，提供7种系统时钟选择，支持最高40MHz的工作速度，内置高达256K字节的Flash存储器和30K字节的RAM，具有丰富的通用I／O端口。并且提供多种引脚配置、不同程序存储容量和不同RAM容量的器件，为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统。它将数字信号处理器（dsp）的高速运算能力与单片机的控制特性无缝地集成在一起，为嵌入式系统设计提供了高性价比的单芯片、单指令流的解决方案，在音视频处理、工业控制等方面得到了广泛应用。
DSPIC33F系列微处理器主要资源和特点如下：
(1) 具有DSP引擎、1个高速17×17位乘法器、1个40为ALU、2个40位饱和累加器以及1个40位的双向移位器，其运算速度可达40MI/S。
(2)2个12位模数转换器，最多32路带自动扫描功能的输入通道，转换速率最快可达l.1Msps，非线性误差最大为±1LSb；具有2、4或8路同时采样，休眠模式下仍可进行转换。
(3)灵活的8通道硬件DMA可以管理存储器到存储器、外设到存储器和存储器到外设的数据传输，极少需要CPU 干预。在每次外设中断发生时，DMA 控制器能自动复制整块数据，无需用户软件读或写外设特殊功能寄存器（SFR），DMA 控制器使用专用的总线传输数据，因此，不会占用CPU 的代码执行周期，这就节省CPU的资源来进行其他操作。它支持的外设包括：定时器、ADC、SPI、INT0、输入捕捉、输出比较和USART等。
(4)内部包含多达9个16位定时器、8路通道输入捕捉和8路通道输出比较。
(5)含有丰富的通信接口：两个USART异步串行通信接口、两个I2C接口、两个SPI接口、两个CAN接口和一个数据转换器接口DCI，为实现数据通信提供了保证。
(6)由8个不可屏蔽陷阱向量和多达118个区分优先级的中断向量组成的异常处理结构，中断优先级分为7级，具有最多63个中断源、5个外部中断和5个处理器异常，中断响应延时只有5个周期。
2 控制器的硬件结构与工作原理
控制器由单片机、电压、电流测量预处理电路和通信、显示、键盘电路组成。结构如图1所示。
2.1 基于DMA的A/D转换
电网电压、电流信号经电压互感器和电流互感器输出端小信号交流电，而AD只能处理单极性电压，预处理电路通过LM317产生1.65V基准电压，将输入信号抬升为合理范围的单极性电压信号送单片机A/D输入端。装置共采集3路电压、3路电流和1路基准电压7路模拟量，采用自动采样和Timer3触发转换的模式，在每个采样周期内触发转换一次，全部7路采样结束后产生中断并一次从DMA的RAM区读取所有7路数据。这种工作模式下大大提高了采样处理效率，给MCU腾出足够时间来计算和控制判断。所有测量的精度通过软件校准，电路无需调节元器件，简化了电路设计。
2.2 存储模块
DSPIC33FJ256GP710微处理器内置高达256K字节的Flash存储器和30K字节的RAM（包括2K字节的DMA RAM），用于存放程序和数据。外扩一片16MB的W25P16，用于记录每相的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数的整点值和它们的最大值、最小值及出现时刻及电容器的投切时间和次数,可记录1年的历史数据，并单独开辟2个区各128K字节，用于存放待升级程序。W25P16支持标准的SPI接口，传输速率最大75MHZ。M25P16的SCK、MISO、MOSI、CS分别接DSPIC33FJ256GP710微处理器的RG6、RG7、RG8和RG9口线。
2.3 键盘和显示模块
键盘和LCD显示是人机对话的重要手段。4个键盘直接接DSPIC33FJ256GP710微处理器的RD6-RD9口线。系统参数和信息显示采用点阵式液晶显示屏，因DSPIC33FJ256GP710微处理器电源为3.3V,故选用128×64－3.3V点阵模块，无需电平转换，简化了电路设计。该点阵模块可同时显示4行，每行显示8个汉字。带背光显示，1分钟不操作背光自动熄灭，降低了功耗，延长了使用寿命。
2.4 通信模块
DSPIC33FJ256GP710微处理器含2个USART异步串行通信接口，RS485和RS232共用一个USART通信口，实现与后台主控中心的有线接入,同时RS232可以接GPRS模块，实现与后台主控中心的无线接入。通讯协议为MODBUS-RTU、标准101规约、南网规约、浙江规约等，通过参数设置选择。第2个USART通信口用与智能式低压电力电容器通讯，通讯速率为38400bit/s,控制器控制电容器动作一次的通讯时间只有0.7－2.7毫秒，从而实现真正意义的动态无功补偿。采用通讯方式控制电容器的好处是不受数量限制，可根据实际情况配置最理想的电容器组，达到最佳补偿效果。
论文作者:姚卫东,柳振铁,单亚林
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/13
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