電力系統無功功率的平衡是電能質量的重要保證。在電力系統0.4kV低壓電網中，采用無功補償的方法來提高功率因數，減少無功損耗，是改善供電質量、減少損耗、提高設備利用率的重要手段之一。目前低壓無功補償裝置多采用MCU作為主處理器，通過A/D采樣電網的電壓、電流參數，實時計算電網的無功功率、無功電流或功率因數，根據相應的控制策略來控制電容器組的投切，實現對電網的無功補償。這類控制器由于A/D采樣精度不高，計算量較大，對CPU計算性能要求高，軟硬件設計復雜且難度大，無功補償精度低，系統響應時間比較長等，通常只能用于對無功補償動態響應速度要求不高的場合。鑒于此，本文提出一種基于專用電能計量芯片+MCU的新型動態無功補償控制器。
1 控制器工作原理及硬件設計
實現高精度的無功補償的前提是能夠準確的測量電網的運行參數，包括對有功功率、無功功率、能量、電網的功率因數、諧波狀況等參數的采集和測量。利用ATT7022A電能計量芯片可以得到這些參數的精確值，并且簡化了軟件的設計。在控制策略上，許多無功補償控制器以功率因數作為投切判據(實際上功率因數的高低并不能直接反映無功缺額的大小)，極易造成在某些情況下頻繁誤動。若采用無功電流判據，這比僅用功率因數作判據好些，但也不夠完善。本設計采用無功缺額作為主判據，以功率因數和電壓作為輔助判據的綜合判據，通過執行機構實現補償電容器的循環投切，對無功補償電容的控制更加合理。本文選用ATT7022A電能計量芯片搭配8位單片機ATMGAME168的設計方案，可以完成對電網運行參數及時精確地測量，實現自動無功補償。
1.1 的結構及性能介紹
ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計量芯片，具有l6位A/D轉換精度，內嵌有專用DSP電路，集成了6路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路。
能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，并支持全數字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功頻率校驗輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差校正。ATT7022A提供一個SPI接口，方便與外部控制器之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。
計量模塊主要是將從電壓、電流采樣通道來的數據進行數字高通濾波和移項濾波或相位校正進行計算，得到需要的參數量，包括電壓與電流有效值、功率、頻率、相位角等參數，并將這些參數存于計量參數寄存器中，通過SPI口將參數傳給控制器。
1.2 系統主要功能單元
控制器系統原理如圖1所示，主要由以下部分構成。
圖1 控制器系統硬件原理框圖
數據采集單元：電網的電壓、電流分別通過電壓、電流互感器，采用差分方式輸入給ATT7022的電壓通道和電流通道。電壓和電流的采樣輸入回路如圖2所示。電壓信號的輸入采用1：1的電流互感器方式，選用的是SPT204A，電流信號的輸入采用電流單端采樣方式，選用的是SCT254AK，每個輸入通道均加入了抗混疊濾波器。
圖2 電壓和電流的采樣輸入電路
控制單元：在綜合考慮單片機的穩定性、可靠性、經濟性的基礎上，選定AVR系列ATmegal28L單片機作為主控芯片。ATmegal28L是一款高性能低功耗的8位微處理器，采用RISC體系結構，有53個可編程的I/O口，2個可編程的USART口，128K字節系統可編程Flash和4K字節的EEPROM，同時支持片內調試，通過JTAG接口可以方便地對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位進行編程。ATmegal28L通過SPI總線接口實現與ATT7022的通信，完成校表數據的寫入和寄存器結果的讀出。
過零觸發模塊：控制單元通過對ATT7022的測量結果分析、判斷，決定是否進行無功補償，即電容器的投切，由于電容器兩端電壓不能突變，電網電壓和電容器電壓的差值較大時，觸發晶閘管會產生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時的電流沖擊，必須在晶閘管兩端電壓為零時刻投切。所以選擇具有過零觸發能力的芯片控制電容器的投切，本控制器選用的是Motorola公司的MOC3083晶閘管。其外部連線如圖3所示。
圖3 雙向晶閘管過零觸發電路
人機接口單元：人機接口包括鍵盤輸入和液晶顯示。鍵盤有確定、退出、前進和后退4個通用按鍵，可手動改變電容器的投切狀態，可切換液晶顯示內容和設置時鐘時間;液晶顯示采用RT12864模塊，主要顯示當前各相的電流、電壓、功率因數、有功功率、無功功率、各電容器投切狀態以及系統時間等。
通信單元：RS232/485串口通信用于與上位機，主要用來進行電網運行參數和控制器運行狀態的數據傳輸、鐵電存儲器中存儲數據的輸出及系統時間的校準等。
數據存儲單元：FM24C64為64K位FRAM鐵電存儲器，其支持1012次寫入，用于保存系統的某些初始值，低壓電網運行參數的定時存儲，系統故障狀態的存儲等功能，以便監控主站隨時查閱歷史記錄。
2 控制器的軟件設計
低壓電網運行的各項參數可通過ATT7022采樣、計算得出，CPU不用進行A/D采樣數據的處理，這使CPU的運算量大大降低，并且大大簡化了軟件程序設計，使系統的運行更為精確、可靠。所以，軟件設計的重點主要是實現對從ATT7022所得到的各項參數的分析，依托合理的控制策略，進而實現更加合理、可靠地投切電容器和外圍接口電路的軟件設計等。
本裝置采用的電容器投切的控制策略是以無功缺額為主要判據，并結合功率因數與電壓的控制策略。分析電網是否過壓和欠壓，在保證電壓穩定的前提下，分析電網的無功功率，判斷功率因數，與設定值比較，決定是否投切電容器以及如何投切更加合理，最大可能的實現對無功功率的補償。
系統主程序流程圖中ATT7022的初始化，主要是系統的校準，它決定了電網參數測量的精確度，系統的校準包含相位補償設置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、啟動電流設置等。系統軟件主程序流程如圖4示。
3 結束語
采用ATT7022實現電網運行參數的A/D轉換，并能精確地計算出電網的無功功率、有功功率、功率因數，為更加精確的實現無功功率的補償提供了準確的數據，而且減少了主控制器的運算量，降低了對單片機的要求，大大精簡了軟件設計，保證了系統的穩定性及抗干擾性。目前樣機已經設計完成，經過掛網實驗測試證明，該無功補償控制器性能穩定，運行良好，電網參數測量準確，電容器投切正確，能夠滿足0.4kV低壓電網自動無功補償的要求。
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