CN103023046B - 基于dsp芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，包括中央处理器控制模块、电参数测量采样模块、通信模块、显示模块、电源模块、触发模块；中央处理器控制模块通过高速接口、高速数据采集端口、串行同步接口、数据总线接口连接电参数测量采样模块，通过串行异步通信接口、增强型控制器局域网络接口与通讯模块通讯，通过专用电源芯片连接电源模块，通过脉宽调制模块连接触发模块，通过串行异步通信接口连接显示模块；中央处理器控制模块由TMS320F28335芯片和ADE7878芯片形成双核系统；本发明具有过压、失压和过流保护，具有很高的抑制各种谐波干扰作用，安全性、稳定性大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及低压滤波无功补偿，特别是基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置。
背景技术
滤波无功补偿装置主要功能是根据负载无功需求的变化，及时快速进行无功补偿，改善用户的功率因数，降低电耗，稳定母线电压，同时滤波器可滤除系统中谐波电流，改善电压波形畸变，可广泛应用于电力、冶金、煤矿、化工、轻工、建材、机械等行业中。滤波无功补偿装置中用晶闸管作为无触点投切开关实现无功补偿调谐电容器组的投切，可以连续频繁快速投切。目前在国内补偿装置中晶闸管无触点开关过零投切技术设计主要有以下几种:
1.通过光耦采用电压比较确定触发投切点
过零触发投切单元采用光耦触发如（MOC3083系列），当得到主控制器指令后通过采集晶闸管两端电压进行比较直接输出脉冲触发晶闸管.此种方式由于没有隔离措施（信号采集隔离和脉冲输出隔离），光耦的耐压特性较低（800V），在谐波背景下晶闸管很容易因谐波干扰脉冲信号误触发而引起失控。
2.采用相位控制捕捉投切点
过零触发投切单元采用相位捕捉过零点技术，通过对同步信号采集，利用触发单元上的单片机对系统电压相位进行控制，当得到主控制器指令后在电压信号峰值点发出脉冲触发晶闸管，此种过零点投切控制由于受到晶闸管两端电压差异大小不同的影响，也无法实现过零投切，在频繁投切过程中由于涌流较大对晶闸管易造成冲击，容易损坏。
对于上述晶闸管过零投切方案的滤波补偿装置都有不同程度的设计缺陷及应用场合限制，对滤波无功补偿装置快速补偿、安全稳定运行都会照成较大影响。
发明内容
本发明为解决上述问题提供了一种双核系统控制的基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，可以有效避免滤波无功补偿装置受谐波干扰和投切过程中的电流涌流冲击等问题，实现安全稳定、准确、快速频繁投切，满足装置对电网系统提供稳定的无功功率补偿的要求。
本发明的技术方案如下：
基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，其特征在于：包括中央处理器控制模块、电参数测量采样模块、通信模块、显示模块、电源模块、触发模块，中央处理器控制模块设置于CPU主板上，中央处理器控制模块通过专用高速接口、高速数据采集端口HSDC和串行同步接口SPI、数据总线接口I2C连接电参数测量采样模块，中央处理器控制模块通过串行异步通信接口SCIB、增强型控制器局域网络eCAN接口与通讯模块进行通讯，中央处理器控制模块通过专用电源芯片TPS73HD301模块连接电源模块，中央处理器控制模块通过脉宽调制模块PWM连接触发模块，中央处理器控制模块通过串行异步通信接口SCIA连接显示模块；所述中央处理器控制模块设置有32位浮点运算DSP芯片TMS320F28335和微处理器DSP芯片ADE7878形成双核系统。
所述中央处理器控制模块采用32位浮点运算DSPTMS320F28335芯片，该芯片为美国德州仪器TI公司推出的DSP芯片，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个直接存储器访问DMA通道支持模数转换器ADC、多通道缓冲串行端口McBSP和外部存储器接口EMIF，有多达18路的脉宽调制模块PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的脉宽调制模块HRPWM输出接口，12位16通道模数转换器ADC。得益于其浮点运算单元，可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本；它除具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用智能化仪器和仪表等。
所述电参数测量采样模块包括晶闸管电压单元和被测系统的电压电流采样单元；晶闸管电压单元包括晶闸管电压采样电路、连接晶闸管电压采样电路的低通滤波电路，低通滤波电路连接调理运放电路，调理运放电路通过ADC连接至中央处理器控制模块；被测系统的电压电流采样单元包括被测系统的电压电流采样电路，通过专用芯片ADE7878采样电路连接至中央处理器控制模块的串行同步接口SPI，同时采样电路与中央处理器控制模块通过数据总线接口I2C双向连接；所述电参数测量采样模块可以采用美国模拟半导体ADI公司的ADE7878集成谐波监控的多相多功能电能计量IC芯片为核心构成。
所述电参数测量采样模块用于将系统电压、电流转换成各种电参数供中央处理器控制模块使用，主要提供系统电压、电流、频率、各相功率因数、总（基波和谐波）的有功、视在功率的有效值计算，以及基波的有功和无功功率有效值计算等。主CPU控制器通过专用高速接口、高速数据采集端口HSDC和串行同步接口SPI和数据总线接口I2C读取各项系统参数。
所述通信模块配置有MODBUS协议、PROFIBUS协议的RS485及CAN接口通讯，与远方上位机交换信息或接受上位机控制命令，满足接入各种DCS的通信要求。
所述电源模块包括电源隔离变压器、电源芯片，电源连接至电源隔离变压器，电源隔离变压器连接至电源芯片，通过电源隔离变压器将电源降压后整流稳压滤波通过专用电源芯片再供给中央处理器控制模块使用，电源模块提供+5V、+3.3V、+1.9V等电压；所述电源隔离变压器初级次级绝缘在3000V以上，其抗电性能优于GB/T15290标准要求；所述电源芯片可以采用TPS73HD301芯片。
所述触发模块采用脉宽调制模块PWM，通过光耦、场效应管、脉冲隔离变压器（初级次级绝缘在3000V以上）将脉冲隔离放大后触发晶闸管。所述触发模块包括光耦、场效应管、脉冲隔离变压器（初级次级绝缘在3000V以上），中央处理器控制模块通过脉宽调制模块PWM连接到光耦，光耦连接场效应管，场效应管连接脉冲隔离变压器，脉冲隔离变压器将脉冲隔离放大后触发晶闸管。
所有脉冲隔离变压器其基本原理与一般普通变压器(如电力变压器、电源变压器等)相同，但就磁芯的磁化过程这一点来看是有区别的:
(1)脉冲隔离变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，而一般普通变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波形变化；
(2)脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而普通变压器交变信号是连续重复变化的，既有正的也有负的电压值。
所述显示模块采用4.3寸及以上的液晶屏，从而确保显示效果，能够显示大量的系统参数，提供友好的人机界面；显示模块显示各种系统信息，和键盘一起构成控制仪的人机操作界面。
本发明的原理如下：
本发明采用采用数字信号处理器TI公司32位浮点运算DSP芯片TMS320F28335和ADI公司高精度采样微处理器DSP芯片ADE7878形成双核的中央处理器控制模块，该双核的中央处理器控制模块集合了全面的测量电压、电流、功率、电力质量分析、实时波形显示、故障报警、网络通讯等常用电力参数，将瞬时无功理论方法与快速傅里叶变换（FFT）相结合，高速分析系统中的电压和电流基波、谐波分量，实现对电网无功功率的实时跟踪和瞬时补偿，并能实现调谐电容器组谐波工况下的过零投切控制，同时滤波无功补偿装置控制器除具有多种记录统计、存储、删除、查阅功能外，同时还具有通用MODBUS协议、PROFIBUS协议的RS485和CAN接口与本地PC机进行定值查询和配置数据，从而实现遥控、遥信、遥测、遥调等功能，实现自动智能投切，有效保证了设备安全运行和长期稳定可靠使用。动态无功补偿装置动态响应时间：小于20ms，功率因数可提高到0.95以上；
触发模块在双核的中央处理器控制模块上，中央处理器控制模块采用相位捕捉+电压比较控制策略，相位捕捉是通过对系统电压同步信号的采集，利用中央处理器对系统电压相位进行控制，快速捕捉电压信号峰值点；电压比较是通过采集晶闸管两端电压进行比较，当晶闸管两端电压比较为零时，在电压信号峰值点输出脉冲触发晶闸管。首先对采样信号（系统电压和晶闸管电压）进行有效隔离（耐压3500V），对谐波进行低通滤波调理后将信号送到中央处理器CPU（F28335）32位浮点运算芯片上，通过中央处理器实时提取系统的电压波形并准确跟踪其相位，与此同时对系统电压和晶闸管电压进行比较，根据系统无功需求，依靠控制器对无功需求的计算和功率因数的计算，当需要发出无功补偿指令后利用芯片自身高速的运算处理速度，使得这两个影响到过零投切的因素在CPU芯片的高速运行中瞬间处理完成，当相位捕捉+电压比较条件同时满足时通过CPU（F28335）芯片上自带的高精密PWM触发单元输出脉冲，并通过隔离放大触发回路（耐压3500V）送到晶闸管上，这样就既能消除谐波的影响，又可对系统电压相位、系统电压和晶闸管电压比较进行精准、高速控制，有效避免了谐波干扰和投切过程中的电流涌流冲击等问题，就实现了滤波无功补偿装置快速过零投切。
本发明的有益效果如下：
1、本装置的具有过压、失压和过流保护；
2、控制器电源采用全灌封隔离变压器，耐压3000V；
3、电流、电压输入回路通过互感器隔离，耐压3000V；
4、晶闸管触发模块使用脉冲变压器触发晶闸管，脉冲变压器的耐压是3000V；
5、控制器自身有短路保护；
6、以上措施使得本装置具有很高的抑制各种谐波干扰作用，安全性、稳定性大大提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的电参数测量采样模块的结构示意图
图3为本发明的通信模块的CAN电路的结构示意图
图4为本发明的通信模块的RS485电路的结构示意图
图5为本发明的电源模块的结构示意图
图6为本发明的触发模块的结构示意图
具体实施方式
如图1所示，基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，包括中央处理器控制模块、电参数测量采样模块、通信模块、显示模块、电源模块、触发模块，中央处理器控制模块设置于CPU主板上，中央处理器控制模块通过专用高速接口、高速数据采集端口HSDC和串行同步接口SPI、数据总线接口I2C连接电参数测量采样模块，中央处理器控制模块通过串行异步通信接口SCIB、增强型控制器局域网络eCAN接口与通讯模块进行通讯，中央处理器控制模块通过专用电源芯片TPS73HD301模块连接电源模块，中央处理器控制模块通过脉宽调制电路PWM连接触发模块，中央处理器控制模块通过串行异步通信接口SCIA连接显示模块；所述中央处理器控制模块设置有32位浮点运算DSP芯片TMS320F28335和微处理器DSP芯片ADE7878形成双核系统。
所述中央处理器控制模块采用32位浮点运算DSPTMS320F28335芯片，该芯片为美国德州仪器TI公司推出的DSP芯片，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个直接存储器访问DMA通道支持增强型模数转换器ADC、多通道缓冲串行端口McBSP和外部存储器接口EMIF，有多达18路的脉宽调制模块PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的脉宽调制模块HRPWM，12位16通道增强型模数转换器ADC。得益于其浮点运算单元，可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本；它除具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用智能化仪器和仪表等。
如图2所示，所述电参数测量采样模块包括晶闸管电压单元和被测系统的电压电流采样单元；晶闸管电压单元包括晶闸管电压采样电路、连接晶闸管电压采样电路的低通滤波电路，低通滤波电路连接调理运放电路，调理运放电路通过增强型模数转换器(ADC)模块连接至中央处理器控制模块；被测系统的电压电流采样单元包括被测系统的电压电流采样电路，通过专用芯片ADE7878采样电路连接至中央处理器控制模块的串行同步接口SPI，同时采样电路与中央处理器控制模块通过数据总线接口I2C双向连接；所述电参数测量采样模块可以采用ADI公司的ADE7878集成谐波监控的多相多功能电能计量IC芯片为核心构成。
所述电参数测量采样模块用于将系统电压、电流转换成各种电参数供中央处理器控制模块使用，主要提供系统电压、电流、频率、各相功率因数、总（基波和谐波）的有功、视在功率的有效值计算，以及基波的有功和无功功率有效值计算等。主CPU控制器通过专用高速接口、高速数据采集端口HSDC和串行同步接口SPI和数据总线接口I2C读取各项系统参数。
如图3、4所示，所述通信模块配置有MODBUS协议、PROFIBUS协议的RS485及CAN接口通讯，与远方上位机交换信息或接受上位机控制命令，满足接入各种DCS的通信要求。
如图5所示，所述电源模块包括隔离变压器、电源芯片，电源连接至电源隔离变压器，电源隔离变压器连接至电源芯片，通过电源隔离变压器将电源降压后整流稳压滤波通过专用电源芯片在供给中央处理器控制模块使用，电源模块提供+5V、+3.3V、+1.9V等电压；所述电源隔离变压器初级次级绝缘在3000V以上，其抗电性能优于GB/T15290标准要求；所述电源芯片可以采用TPS73HD301芯片。
如图6所示，所述触发模块采用PWM，通过光耦、场效应管、脉冲隔离变压器（初级次级绝缘在3000V以上）将脉冲隔离放大后触发晶闸管。
所述触发模块包括光耦、场效应管、脉冲隔离变压器（初级次级绝缘在3000V以上），中央处理器控制模块通过脉宽调制模块PWM连接到光耦，光耦连接场效应管，场效应管连接脉冲隔离变压器，脉冲隔离变压器将脉冲隔离放大后触发晶闸管。
所有脉冲隔离变压器其基本原理与一般普通变压器(如电力变压器、电源变压器等)相同，但就磁芯的磁化过程这一点来看是有区别的:
(1)脉冲隔离变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，而一般普通变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波形变化；
(2)脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而普通变压器交变信号是连续重复变化的，既有正的也有负的电压值。
如图1所示，所述显示模块采用4.3寸及以上的液晶屏，从而确保显示效果，能够显示大量的系统参数，提供友好的人机界面；显示模块显示各种系统信息，和键盘一起构成控制仪的人机操作界面。
本发明的原理如下：
本发明采用采用数字信号处理器TI公司32位浮点运算DSP芯片TMS320F28335和ADI公司高精度采样微处理器DSP芯片ADE7878形成双核的中央处理器控制模块，该双核的中央处理器控制模块集合了全面的测量电压、电流、功率、电力质量分析、实时波形显示、故障报警、网络通讯等常用电力参数，将瞬时无功理论方法与快速傅里叶变换（FFT）相结合，高速分析系统中的电压和电流基波、谐波分量，实现对电网无功功率的实时跟踪和瞬时补偿，并能实现调谐电容器组谐波工况下的过零投切控制，同时滤波无功补偿装置控制器除具有多种记录统计、存储、删除、查阅功能外，同时还具有通用MODBUS协议、PROFIBUS协议的RS485和CAN接口与本地PC机进行定值查询和配置数据，从而实现遥控、遥信、遥测、遥调等功能，实现自动智能投切，有效保证了设备安全运行和长期稳定可靠使用。动态无功补偿装置动态响应时间：小于20ms，功率因数可提高到0.95以上；
触发模块在双核的中央处理器控制模块上，中央处理器控制模块采用相位捕捉+电压比较控制策略，相位捕捉是通过对系统电压同步信号的采集，利用中央处理器对系统电压相位进行控制，快速捕捉电压信号峰值点；电压比较是通过采集晶闸管两端电压进行比较，当晶闸管两端电压比较为零时，在电压信号峰值点输出脉冲触发晶闸管。
首先对采样信号（系统电压和晶闸管电压）进行有效隔离（耐压3500V），对谐波进行低通滤波调理后将信号送到中央处理器CPU（F28335）32位浮点运算芯片上，通过中央处理器实时提取系统的电压波形并准确跟踪其相位，与此同时对系统电压和晶闸管电压进行比较，根据系统无功需求，依靠控制器对无功需求的计算和功率因数的计算，当需要发出无功补偿指令后利用芯片自身高速的运算处理速度，使得这两个影响到过零投切的因素在CPU芯片的高速运行中瞬间处理完成，当相位捕捉+电压比较条件同时满足时通过CPU（F28335）芯片上自带的高精密脉宽调制PWM触发单元输出脉冲，并通过隔离放大触发回路（耐压3500V）送到晶闸管上，这样就既能消除谐波的影响，又可对系统电压相位、系统电压和晶闸管电压比较进行精准、高速控制，有效避免了谐波干扰和投切过程中的电流涌流冲击等问题，就实现了滤波无功补偿装置快速过零投切。
Claims (4)
1.基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，其特征在于：包括中央处理器控制模块、电参数测量采样模块、通信模块、显示模块、电源模块、触发模块，中央处理器控制模块设置于CPU主板上，中央处理器控制模块通过专用高速接口、高速数据采集端口HSDC和串行同步接口SPI、数据总线接口I2C连接电参数测量采样模块，中央处理器控制模块通过串行异步通信接口SCIB、增强型控制器局域网络eCAN接口与通讯模块进行通讯，中央处理器控制模块通过专用电源芯片TPS73HD301模块连接电源模块，中央处理器控制模块通过脉宽调制模块PWM连接触发模块，中央处理器控制模块通过串行异步通信接口SCIA连接显示模块；所述中央处理器控制模块设置有32位浮点运算DSP芯片TMS320F28335和微处理器DSP芯片ADE7878形成双核系统；
所述电参数测量采样模块包括晶闸管电压单元和被测系统的电压电流采样单元；晶闸管电压单元包括晶闸管电压采样电路、连接晶闸管电压采样电路的低通滤波电路，低通滤波电路连接调理运放电路，调理运放电路通过ADC连接至中央处理器控制模块；被测系统的电压电流采样单元包括被测系统的电压电流采样电路，通过专用芯片ADE7878采样电路连接至中央处理器控制模块的串行同步接口SPI，同时采样电路与中央处理器控制模块通过数据总线接口I2C双向连接；所述电参数测量采样模块采用ADE7878集成谐波监控的多相多功能电能计量IC芯片为核心构成；
所述电参数测量采样模块用于将系统电压、电流转换成各种电参数供中央处理器控制模块使用，提供系统电压、电流、频率、各相功率因数、基波和谐波的有功、视在功率的有效值计算，以及基波的有功和无功功率有效值计算；主CPU控制器通过专用高速接口、高速数据采集端口HSDC和串行同步接口SPI和数据总线接口I2C读取各项系统参数；
所述过零投切滤波无功补偿装置的原理如下：DSP芯片TMS320F28335和DSP芯片ADE7878形成双核的中央处理器控制模块，该双核的中央处理器控制模块设置有触发模块，采用相位捕捉+电压比较控制策略，相位捕捉是通过对系统电压同步信号的采集，利用中央处理器对系统电压相位进行控制，快速捕捉电压信号峰值点；电压比较是通过采集晶闸管两端电压进行比较，当晶闸管两端电压比较为零时，在电压信号峰值点输出脉冲触发晶闸管；首先对系统电压和晶闸管电压的采样信号进行有效隔离，对谐波进行低通滤波调理后将信号送到中央处理器CPU运算芯片上，通过中央处理器CPU实时提取系统的电压波形并准确跟踪其相位，与此同时对系统电压和晶闸管电压进行比较，根据系统无功需求，依靠控制器对无功需求的计算和功率因数的计算，当需要发出无功补偿指令后利用芯片自身高速的运算处理速度，使得这两个影响到过零投切的因素在CPU芯片的高速运行中瞬间处理完成，当相位捕捉+电压比较条件同时满足时通过CPU芯片上自带的高精密PWM触发单元输出脉冲，并通过隔离放大触发回路送到晶闸管上，这样就既能消除谐波的影响，又对系统电压相位、系统电压和晶闸管电压比较进行精准、高速控制，有效避免了谐波干扰和投切过程中的电流涌流冲击问题，实现滤波无功补偿装置快速过零投切。
2.根据权利要求1所述的基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，其特征在于：所述通信模块配置有MODBUS协议、PROFIBUS协议的RS485及CAN接口，与远方上位机交换信息或接受上位机控制命令，满足接入各种DCS的通信要求。
3.根据权利要求1所述的基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，其特征在于：所述电源模块包括电源隔离变压器、电源芯片，电源连接至电源隔离变压器，电源隔离变压器连接至电源芯片，通过电源隔离变压器将电源降压后整流稳压滤波通过专用电源芯片再供给中央处理器控制模块使用，电源模块提供电压；所述电源隔离变压器初级次级绝缘在3000V以上，其抗电性能优于GB/T15290标准要求；所述电源芯片采用TPS73HD301芯片。
4.根据权利要求1所述的基于DSP芯片控制的过零投切滤波无功补偿装置，其特征在于：所述触发模块包括光耦、场效应管、脉冲隔离变压器，中央处理器控制模块通过脉宽调制模块PWM连接到光耦，光耦连接场效应管，场效应管连接脉冲隔离变压器，脉冲隔离变压器将脉冲隔离放大后触发晶闸管。
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