基于MSP430和TC35i无功补偿控制器的设计与实现*

张东青，郑 爽，李 雯

（黑龙江科技学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨150027）

无功补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。由于大型电机和电力电子装置的应用日益广泛，使得无功问题引起人们广泛的关注。尤其随着智能电网的建设步伐加快，对电网运行的数字化要求越来越高，无功功率作为输配电网中不可缺少的组成部分，对供电系统和负载系统的正常运行是十分重要的、也是必需的[1、2]。因此，本文充分利用GSM信号覆盖范围广泛的特点，结合MPS430单片机设计出及无功补偿情况和电网电量采集、传输、控制为一体的低功耗、智能型的无功补偿控制系统。本系统突破了空间的限制，对监控的设备可以做到无人职守，还可以通过手机短信发送信息，远程控制补偿电容器和配电监测设备[3]。实践证明，该系统结构简单、维护方便、数据可靠、灵活实用。

1 系统方案设计

本设计是对变压器无功补偿终端控制器的设计，考虑到本系统对可靠性、精确性、处理能力、功耗低等要求，且存在着较大数量的计算任务，故本系统选用德州仪器公司的16位单片机MSP430 F449芯片为核心的数据采集与处理系统，它不仅具有运算准确度高、稳定性好的优点，而且功耗较低[4]。主要通过电压互感器、电流互感器将电网高的电压、大的电流都转换成低的电压，经过信号调理部分后，信号进入主控芯片，对信号每个周期进行等间隔采样。MSP430单片机根据输入的电流电压，通过FFT变换计算处理出相应电量参数以及需要投入的电容组数，再通过接触器投切模块，将相应电容组投入到电网中。最后采用GSM网络短信收发模块TC35i通过手机短信发送信息，实远程控制补偿电容器和电网的参数的监测。其系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System block diagram

2 系统硬件设计

2.1 信号采集电路

信号采集是工作中首项任务，将所需要采集的电量信号通过处理后，输入到单片机经过计算以后才能进行相应的投切工作。为实现强弱电的隔离，检测电网的相电流以及相电压，分别采用了电流互感器和电压互感器。以相电压为例，通过电压互感器后将相电压变成-1.5V到1.5V的电压输出，而由于MSP430F449单片机ADC输入的电压范围为0～3.3V，而互感器部分的电压有正有负，所以需要电压提升。电压提升部分采用TLV2782运算放大器，采用同相加法电路，将电压输入的范围提升到0～3.3V。再通过RC滤波电路滤掉输入信号中的高次谐波，以便对信号进行谐波分析。为保证输入电压的稳定性，通过由两个二极管构成的限压电路，当输入正向电压Vin大于AVCC+Uon时，D1就会正向导通，使得输出电压Vout钳制在AVCC+Uon，这样避免ADC输入过高的电压。同理，当输入电压幅值低于-Uon时，二极管D2导通，此时电压被钳制在-Uon上，这样避免CPU受过低的负电压干扰。采集电路如图2所示。

图2 信号采集电路图Fig.2 Signal acquisition circuit

2.2 电容器投切电路

本系统采用交流接触器控制投切电容器，由于交流接触器是采用交流电磁系统供电，工作电压较高，因此从单片机输出的信号需要经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压能够适应接触器线圈的要求，为了提高单片机系统的可靠性，本设计采用MOC系列光耦合过零触发双向晶闸管驱动器MOC3041。光电耦合器MOC3041的输入端由单片机的I/O端口控制，通过同向输出驱动器7407驱动后，控制触发外部双向晶闸管KS导通或关断，从而控制电容器的投切。投切电路如图3所示。

图3 电容投切电路图Fig.3 Capacitor switching circuit

2.3 通信电路

本设计利用西门子TC35系列的TC35i无线模块，以GSM网络作为数据无线传输网络，将数据通过手机短信发送形式进行无线通信。TC35i模块有40个引脚，这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制[5]。TC35i的第1～5引脚是正电源输入脚通常推荐值5V，第6～10引脚是电源地。15脚是启动脚IGT，与MSP430单片机直接相连，系统加电后为使TC35i进入工作状态，必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。TC35i模块支持标准的AT命令集。其中18脚RxD0、19脚TxD0为TTL的串口通讯脚，需要和单片机进行电平转换后相连。TC35i模块的SIM卡座子采用的是Molex座子，该座子有8个管脚，J2为SIM卡Molex座子。TC35i的SYNC引脚有两种工作模式，可用AT命令进行切换。一种是发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，本设计采用后种功能。电路如图4所示。

2.4 I2C总线接口的外围电路

为减少电路板的空间和芯片管脚的数量，降低成本，本设计通过I2C总线实现MPS430与各外围模块的通讯，主要包括I/O扩展模块PCA9502、时钟模块SD2000A和存储模块24C256。

图4 通信电路图Fig.4 Communication circuit

3 系统软件设计

本系统的软件开发采用C语言。C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能[6]。采用模块化结构设计，将各功能模块设计为独立的编程调试程序块，这样不仅有利于今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。软件主要实现以下功能：（1）对电网的电压、电流及脉冲信号进行周期性采样，并进行FFT数据处理；（2）数据经过分析计算作为无功补偿投切电容器的依据，并通过输出I/O端口高低电平控制电容器投切；（3）监控中心可通过TC35i通信模块随时向变压器无功补偿控制终端召唤实时数据、历史数据统计数据和电容运行记录等；（4）整点时刻即防掉电标志时间到达时，收集的实时数据作为历史整点数据，直接存储到外围存储器中去以防止由于停电数据丢失。具体程序流程图如图5所示。

通信程序由GSM网络短信收发模块TC35i完成，通过向TC35i模块写入AT指令，完成网络登陆、SIM信息读取、短消息收发等功能。具体程序流程图如图6所示。

图5 软件主程序流程图Fig.5 Flowchart of main program of software

图6 TC35i发送信息流程图Fig.6 Flowchart of TC35i sending information

4 结论

经实践证明，采用MSP430F449能够精确测量进行功率数的在线检测，实现电容的自动投切，完成无功补偿功能，同时还能能测量显示三相电网中的电流、电压值和功率等参数。并且采用GSM网络实现数据通信，不须再建专用通信网络，能够很容易的实现基于短消息功能的数据传输即可将，现场数据通过GSM网络传输到远程终端或控制中心，也可以接收远端或监控中心发送的数据，再根据数据的内容相应地完成各种控制指令，对提高电网的正常运行，改善其性能起到一定的作用。整个系统稳定、可靠，且硬件电路简单。

［1］翁薇，朱志杰，陈俊杰，等.基于ATmega128和ATT7022B的低压无功补偿控制器的设计［J］.低压电器，2009,21：30～33.

［2］巫付专，吴必瑞，蒋群.基于MSP430的无功补偿系统设计与实现［J］.自动化仪表，2009，30：33～37.

［3］成春旺.监控系统中基于GPRS的无线数据传输系统的研究与实现［D］.北京：北京邮电大学，2006.

［4］沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计［M］.北京：清华大学出版社,2005，169～173.

［5］肖广兵，唐慧强.基于TC35i的无线数据采集系统的设计［J］.通信技术,2009,4：189～191.

［6］曹磊.MSP430单片机C语言设计与实践［M］.北京航空航天大学出版社,2007.