如何跟蹤并快速有效地補償無功功率，對電力系統的運行穩定、改善電能質量、降低線損、實現電力節能等方面起著重要的作用。
本文設計的無功補償控制器在硬件上力求精簡實用，降低成本同時提高產品的可靠性。發揮軟件設計的優點，增加實用的功能。
控制器工作原理
電網中存在大量的感性負載，通過并聯容性負荷的裝置，實現兩種負荷之間的能量交換。感性負荷所需要的無功功率由容性負荷輸出的無功功率來補償。安裝并聯電容器改善電網電壓質量。本文所設計的無功補償控制器的基本框架如圖1。三相電壓電流互感器將較高的電壓和電流信號轉換成低電壓信號，用LPC2220進行A/D轉換并進行數據分析并計算出電壓/電流，進而算出功率因數，無功功率等參數。采用復合開關投切電容實現過零投切。電容投切采取三相共補和三相分補相結合的方式。該控制器同時具有電壓電流、功率因數、無功功率以及電容投切的歷史數據記錄以及歷史數據的查詢功能。運行方式分為自動和手動兩種，手動投切適合調試時使用，自動運行停電時自動退出，送電后能自動阪復。用戶可以在現場根據實際應用環境改變設置自動電容投切的控制參數。實時數據及電容投切情況可以通過現場液晶顯示或遠程PC進行隨時查詢。
圖1無功補償控制器結構框架圖
硬件設計
電壓電流互感器選擇
LPC2220共有八路A/D轉換接口，可以將0V-VREF（典型為3V，最大不超過VDD）模擬電壓轉換成lO位的數字信號。電壓/電流互感器均采用天瑞電子TR系列檢測用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測用電壓輸出型電壓變換器TRl102－IC，規格為380V/3.53V，非線性度比差<±0.1%,角差<=±5分。電流互感器采用檢測用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規格為5A/2.88V，非線性度比差（±0.1%，角差<=±5分。
電容投切開關
復合開關綜合了機械式接觸器和電子式無觸點可控硅電容投切開關的優點，如電壓過零投入、涌流低、電流過零切除、不產生過電壓、壽命長、功耗低、溫升小。市場上已經有很多成熟的產品。可以實現三相共補和三相分補。復合開關的原理圖如圖2所示。在整個控制過程中，當需要投入電容時，只需要無功補償控制器發送電壓信號給復合開關，復合開關會自動完成電容的投入和切除過程。
圖2復合開關基本原理框圖
主電路設計
LPC2220是基于支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARMTTDMI－S CPU的微處理器，對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%而性能的損失卻很小。片內128寬度的存儲器接口和獨特的加速機構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。同時由于LPC2220的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADO、PWM輸出以及多達9個外部中斷，使它們特別適用于工業控制，通過配置總線LPC222O最多可提供76個GPIO。多個串行接口包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口（400kbit/s）和2個SPI接口，8路lO位A/D，轉換器轉換時間低至2.44ms，CPU操作電壓范圍1.65～1.95V（1.8V±8．3%）、I/O操作電壓范圍3.0－3.6V(3.3V±lO％)。
歷史數據的存儲可以對控制器運行狀況進行自我監測，對其進行后臺分析后可以用來確定無功補償裝置的性能，分析該地區電網的實際負荷量以及負荷變化曲線，對于今后的電網維護及其改造均有著很重要的參考價值。控制器需要存儲運行三個月內的整點數據、投切數據和報警數據。數據量較大，類型也比較多。LPC2220訪問外部存儲器時必須通過其外部存儲器控制器（FMC）。FMC是一個AMBA－ AHB總線上的從模塊｀它為AMBA AHB系統總線和外部存儲器提供了一個接口。該模塊可同時支持多達4組獨立配置的外部存儲器，每組支持RAM、ROM、Flash（閃存）、BurstROM等，最大存儲容量為16MB，并通過編程可將數據總線寬度配置為8、16、21位。 SST39LF/VFl60是一個LM×t6的CMOS多功能并行FLASH器件，可進行快速擦除（扇區、塊、芯片）和字編程，具有軟、硬件寫保護功能，掉電數據保持時間大于100年。因此，該芯片常應用在大容量數據存儲的場合，尤其適用于要求程序、配置或數據存儲器可方便和低成本地更新的應用㈣。具體接線方法是LPC2220的CS0接至SST39VF160的CE端。 LPC2220的Pin90接的讀信號OE；LPC2220的WE（Pin29）接寫信號SST39VF160的WE端；16位數據總線［DO～D15]與LPC2220的［DO～D15］連接；LPC2220外部存儲器的引腳地址輸出線［AI～A20］與SST39VF160芯片的［A0～A19］連接。
人機接口單元負擔裝置與操作人員之間的信息交換工作。友好的人機接口對于裝置的使用和維護都是非常重要的。液晶顯示部分可以采用分段式液晶屏，常用256段（32×8）液晶屏控制芯片HTl622，它與主控制器通信只需要4條線，接口非常方便。
低壓無功補償控制器工作于變壓器副邊（低壓側），220V電壓是控制器最易獲得的電源，由電源適配器輸入12V以上的直流電源，經7912等器件便可得到穩定的12V直流電壓，用于復合拜關的控制信號。考慮到開關電源的高效節能特點，而內部電路工作在高頻開關狀態，所以自身消耗的能量很低，電源效率可達80％左右，比普通線性穩壓電源提高近一倍。控制器各個模塊需要5V、3．3V、12V。
MC34063本身包含了DC／DC變換器所需要的主要功能，且價格便宜。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發生器、比較器、占空比可控的振蕩器，R－S觸發器和大電流輸出開關電路等組成，能輸出1.5A的開關電流。它能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓變換器和電源反向器。由MC3406318電壓降到5V，部分提供給外設，同時由REG 1117可將電壓降至3.3V和l.8V。
控制器與上位機遠程通訊功能可通過使用UART外擴LQ－8100型GPRS傳輸模塊。該模塊具有RS－232數據接口，可實現串口透明的無線傳輸，實時穩定可靠高速、配置簡單。LQ－8100采用的GPRS技術，實現數據分組發送和接收，用戶永遠在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。LQ－8100與終端接線如圖3。
圖3 LQ－8100與終端接線
無功補償控制器軟件設計
軟件設計須在硬件、軟件功能劃分的基礎上進行。控制器是個多任務、對實時性和可靠性要求比較高的系統。uC／OS II作為嵌入式實時操作系統，具有源代碼公開、可移植、可固化、可裁剪、多任務、任務堆棧、系統服務、中斷管理等特點同。在LPC2220上嵌入uC／OS－II實時操作系統。（uC／OS－It進行任務調度的時候，會把當前任務的CPU寄存器存放圖3 LQ－8100與終端接線圖到任務的堆棧中，然后當從另一個任務退出時，堆棧恢復原來的工作寄存器，繼續運行原來的任務。控制器軟件體系結構框圖如圖4。底層驅動程序需完成鍵盤讀取、LCD顯示、以及接口的讀寫等底層功能，把代碼封裝成函數，供上層調用。操作系統層可將多個“同時”發生的事件劃分為相對獨立的“任務”，確保事件得到適時處理。用戶任務按照系統所需管理的任務來模塊化地編寫程序。按系統功能可分為采集模塊、計算模塊、投切控制模塊、數據存儲模塊、通訊模塊等。整個系統的工作過程是，系統開機數據初始化，讀取電網參數，進行相應計算判斷是否投切電容，輸出控制信號。當整個過程中出現中斷，如修改設定參數、記錄歷史數據等，uC／OS－II操作系統可以對中斷進行及時反應，執行相應任務。
圖4系統設計層次圖
無功補償控制量的選擇直接關系到無功補償的效果。以功率因數為控制量是無功補償的傳統方法之一。但僅以功率因數作為投切判據并不能直接反映無功缺額的大小，可能會出現實際無功的總量已經很大但功率因數卻仍在“合理”范圍內的情況。所以僅由功率因數作為投切判據構成的自動投切裝置無功補償效果較差，甚至在某些負荷狀態下存在頻繁誤動作的缺陷。如果以無功功率作為投切判據，由于檢測量與控制目標一致，能夠真正實現無功功率缺多少補多少，超多少切多少的目的，既可避免投切振蕩，又可實現電容器組的一次投切到位，避免了反復試投切對電網和電容器的影響。綜合兩種控制量的優缺點，及實際中適用的環境可能有所不同，在設計無功補償控制器時可采用軟件的方法，設定不同的控制量，或復合控制。電容投切采用三相共補和三相分補相結合的方式，先比較三相無功功率的最小量，由三相共補進行補償，然后再由三相分補的方式補償剩下的無功功率。控制方案軟件框圖如圖5。
圖5控制方案軟件框圖
LPC2220外部存儲器控制器EMC包含4個相互獨立的32位且映射含義相同的配置寄存器（BCFG0～BCFG3），并分別對應4個地址空間（Bank0～Bank3）。本控制器的處部FLASH存誰儲器SST39VFI60的配置寄存器BCFG0可配置為0X1000FFE8。
結語
本文設計的以LPC2220 ARM7微處理器與uC/OS－ II實時嵌入式操作系統為軟硬件基礎，以復合開關作為電容投切拜關的控制器。在硬件設計上有高可靠、低成本的特點。軟件設計在控制系統中嵌入實時多任務操作系統可以提高系統的效率，縮短開發周期，方便程序的維護和升級。同時用戶可以更靈活方便地使用。控制和信號處理的理論和技術發展，以及傳感器與計算機技術的發展，把電子信息的一些新成果用到電力無功補償裝置中，將對電力系統自動化水平的提高起到推迸作用。