基于MSP430单片机的智能无功补偿控制器设计

摘要：本文介绍了用MSP430单片机构成的智能无功补偿控制器，详细阐述了控制器的硬件结构、软件设计、检测原理和控制策略，该控制器具有性能高、价位低配置灵活等特点得到了广泛的应用和用户的好评。
关键词：MSP430单片机；无功补偿；智能控制器

1 引言

随着经济的发展和人们生活水平的提高，各行各业对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于配电网处于电网的末端，用户多为低压用户，许多用电器的功率因数很低，且不带补偿装置，这给电网带来很大的功率负担和额外线损，为了维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行，对电网末端变压器进行就地无功补偿很有必要。本文利用TI公司的MSP430F149单片机为核心构成的控制器，实时监测电网的电压、电流，并计算出有功、无功、功率因数，根据用电负荷情况，通过复合开关控制电容器组的自动投、切，实现无功功率的动态补偿，且具有报警功能。该装置安装在电力配电变压器低压侧，用于补偿配电变压器无功功率改善配电变压器的无功潮流，同时该装置也具有辅助调压的作用。

2 MSP430系列单片机的特点[1]

德州仪器公司（TI）推出的MSP430F14x系列是超低功耗Flash型16位单片机，特别适合于电池供电场合或手持设备，它的结构是"冯-诺依曼"型，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一地址空间内，其特点如下：

1、功耗低，电压范围宽（1.8V-3.6V），在1MHz 1.8V条件下工作电流仅为160uA，休眠时为0.1uA，这时RAM中的数据依然能够有效保持，真正达到了微安级。MSP430F14x单片机具有五种节能模式：LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4，这五种模式为其低功耗管理提供了极好的性能保证。
2、丰富的外围模块集成，以MSP430 F149为例，片内集成：看门狗定时器、1个精确的模拟比较器、2个具有捕捉/比较寄存器的定时器、8路12位A/D转换器、2个串行通信接口、1个硬件乘法器、6个I/O端口（每个有8个I/O口）、60KB的Flash ROM，2KB RAM 。
3、先进的在线编程技术，所有型号都包含JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口（IEEE1149标准接口），方便进行片上在线仿真，固化于Flash存储器内的程序易于在线升级和调试。
4、方便用户使用C（使用ANSI的C）语言进行程序设计，支持汇编语言与C语言的混合编程模式。
总之，MSP430系列单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块，方便高效的开发方式。

3 控制器的硬件结构及工作原理

控制器由单片机、信号检测模块、输出控制模块、复合开关、电容器组、键盘及LCD显示模块、存储模块、远程通讯模块和电源模块组成，结构如图1所示。

3.1 信号检测模块
该模块主要是采集电网的电压、电流信号，电压信号和电流信号分别来自电压互感器和电流互感器的输出端，无须放大直接送至单片机的A/D输入端，A/D转换基准电压设定为+2.5V。

3.2 信息存储
为了记录每相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，以及电容器的投、切时间，投、切次数等，系统扩展了2片AT24C512以保存运行参数。其接口电路为，用单片机的P2.0/ACLK和P2.1/TAINCLK分别控制其数据线SDA和时钟SCL，写允许WP接地。该装置可以记录大约半年的历史数据和历史信息，历史数据包括每半个小时的电压、电流、功率因素等数据。还包括每个月发生的最大最小值，调整次数及补偿电量，历史信息包括电容器投、切记录（及其条件）所发生的运行异常信息和主机运行信息等。

3.3 键盘和LCD显示
键盘和LCD显示是进行人机交互的重要手段，为降低成本，缩小控制器的体积，本系统采用独立式键盘接口，使用多功能键，扩展4个按键。系统参数及信息显示采用点阵式液晶显示屏，由于要显示的数据较多，本系统采用240×64点阵模块，可同时显示4行，每行显示15个汉字。由于MSP430F149工作电压采用+3.3V，而液晶显示屏工作电压为+5V，所以在这两者之间采用74LVC4245进行电压转换。液晶模块具有背光显示，且具有时间控制自动关闭功能，以降低功耗、延长寿命。

3.4 输出控制
本装置具有两种方式与控制开关连接，硬件接点方式和通讯方式。使用硬件接点方式可以同时对8组单相电容器（24个）及16组三相电容器进行控制，使用通讯方式可以控制多组电容器而不受数量限制，可根据实际情况进行最理想的电容器组配置，达到最佳的补偿效果。

电容器的投、切采用复合开关控制，即采用双向可控硅和磁保继电器双重控制。采用双向可控硅可以发挥零电压导通、零电流切断的控制功能，防止了电容器投、切过程中对电网的浪涌和对设备的冲击，避免在电容器两端产生过电压，延长电容器的寿命。