基于ATT7022A的0.4kV低压电网无功补偿控制器的设计
摘 要：本文通过分析现有低压无功补偿控制器的特点，提出了一种基于高精度三相电能计量芯片ATT7022A的新型无功补偿控制器，该控制器以无功功率为投切电容器的基本判据，从根本上消除了投切振荡，详细介绍了控制器的硬件结构、功能及软件设计。
关键词：低压无功补偿;ATT7022A;ATmega128L
引言
电力系统无功功率的平衡是电能质量的重要保证。在电力系统0.4kV低压电网中，采用无功补偿的方法来提高功率因数，减少无功损耗，是改善供电质量、减少损耗、提高设备利用率的重要手段之一。目前，低压无功补偿装置多采用MCU作为主处理器，通过A/D采样电网的电压、电流参数，实时计算电网的无功功率、无功电流或功率因数，根据相应的控制策略来控制电容器组的投切，实现对电网的无功补偿。这类控制器由于A/D采样精度不高、计算量较大，所以，对CPU计算性能要求高、软硬件设计复杂且难度大、无功补偿精度低、系统响应时间比较长，通常只能用于对无功补偿动态响应速度要求不高的场合。鉴于此，本文提出了一种基于专用电能计量芯片ATT7022A+MCU的新型动态无功补偿控制器。
控制器工作原理及硬件设计
实现高精度无功补偿的前提是能够准确测量电网的运行参数，包括有功和无功功率、能量、电网的功率因数、谐波状况等参数的采集和测量。利用ATT7022A电能计量芯片可以得到这些参数的精确值，并且简化软件设计;在控制策略上，许多无功补偿控制器以功率因数作为投切判据，实际上功率因数的高低并不能直接反映无功缺额的大小，极易造成在某些情况下频繁误动。若采用无功电流判据，比仅用功率因数作判据好些，但也不够完善。本设计采用无功缺额作为主判据，以功率因数和电压做为辅助判据，通过执行机构实现补偿电容器的循环投切，对无功补偿电容的控制更加合理。本文选用ATT7022A电能计量芯片搭配8位单片机ATmega128L的设计方案，可以完成对电网运行参数的及时、精确地测量，实现自动无功补偿。
ATT7022A的性能介绍
ATT7022A是一种高精度三相电能专用计量芯片，具有l6位A/D转换精度，内嵌有专用DSP电路，集成了6路二阶??ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流/电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，并支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功频率校验输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7022A提供一个SPI接口，方便与外部控制器进行计量参数以及校表参数的传递。
图1 控制器系统硬件原理框图
系统主要功能单元
控制器系统原理如图1所示，主要由以下部分构成：
1. 数据采集单元：电网的电压、电流分别通过电压、电流互感器，采用差分方式输入ATT7022A的电压通道和电流通道。电压和电流的前端输入通道电路如图2所示。电压信号的输入采用1：1的电流互感器方式，选用的是SPT204A，电流信号的输入采用电流单端采样方式，选用的是SCT254AK，每个输入通道均加入了抗混叠滤波器。
图2 电压和电流的采样输入电路
2. 控制单元：在综合考虑单片机的稳定性、可靠性、经济性的基础上，选定AVR系列ATmegal28L单片机作为主控芯片。 ATmegal28L是一款高性能、低功耗的8位微处理器，采用RISC体系结构，有53个可编程的I/O口，2个可编程的USART口，128KB系统可编程Flash和4KB的EEPROM， 同时支持片内调试，通过JTAG接口可以方便地对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位进行编程。ATmegal28L通过SPI总线接口实现与ATT7022A的通信，完成校表数据的写入和寄存器结果的读出。
3. 过零触发模块：控制单元通过对ATT7022A的测量结果分析、判断，决定是否进行无功补偿，即电容器的投切，由于电容器两端电压不能突变，电网电压和电容器电压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，为了防止在投切电容器时的电流冲击，必须在晶闸管两端电压为零时刻投切。所以选择具有过零触发能力的芯片控制电容器的投切，本控制器选用的是MOC3083。外部连线如图3所示。
图3 双向晶闸管过零触发电路
4.人机接口单元：人机接口包括键盘输入和液晶显示。键盘有确定、退出、前进和后退4个通用按键，可手动改变电容器的投切状态，可切换液晶显示内容并设置时钟时间;液晶显示采用RT12864模块，主要显示当前各相的电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、各电容器投切状态和系统时间等。
5.通信单元：RS-232/485串口通讯用于与上位机通信，主要用来进行电网运行参数和控制器运行状态的数据传输、铁电存储器中存储数据的输出及系统时间的校准等。
6.数据存储单元：FM24C64为64Kb的FRAM铁电存储器，其支持1012次写入,用于保存系统的某些初始值、低压电网运行参数的定时存储、系统故障状态的存储等功能，以便监控主站，随时查阅历史记录。
控制器的软件设计
低压电网运行的各项参数可通过ATT7022A采样、计算得出，CPU不用进行A/D采样数据的处理，这使CPU的运算量大大降低，并且大大简化了软件程序设计，使系统的运行更为精确、可靠。所以，软件设计的重点主要是实现对从ATT7022A所得到的各项参数的分析，依托合理的控制策略，进而实现更加合理 、可靠地投切电容器和外围接口电路的软件设计。
本装置采用的电容器投切控制策略以无功缺额为主要判据，并结合功率因数与电压的控制。分析电网是否过压和欠压，在保证电压稳定的前提下，分析电网的无功功率，判断功率因数，与设定值比较，决定是否投切电容器以及如何投切更加合理，最大可能地实现对无功功率的补偿。系统软件主程序流程如图4所示。
图4 系统主程序流程图
ATT7022A的初始化，主要是系统的校准，它决定了电网参数测量的精确度，系统的校准包含相位补偿设置、功率增益、相位校正、电压/电流校正、启动电流设置等。
结语
采用ATT7022A实现电网运行参数的A/D转换，并能精确地计算出电网的无功功率、有功功率、功率因数，为更加精确地实现无功功率的补偿提供了准确的数据;而且减少了主控制器的运算量，降低了对单片机的要求，大大精简了软件设计，保证了系统的稳定性及抗干扰性。■
参考文献：
1. ATT7022A Datasheet. Actions Inc.2005
2. 沈文,Eagle lee,詹卫前. AVR单片机C语言开发入门指导[M]. 北京：清华大学出版社，2003
3. 李旭辉，金黎，李学军.一种基于DSP的新型低压无功补偿控制器的研制[J],黑龙江电力，2004(3)：206-208
4. 肖洪. 低压无功补偿实验装置的设计[J]. 器件与设备，2004(12):50-51