基于S3C6410的高校三相电网无功补偿节能控制系统

 随着高等院校的大规模扩招和教学条件的改善，各种电子与电器设备在高校中广泛应用，高校成为当之无愧的能耗大户，其中电能是主要能耗。然而在高校校园电网中，大量电力电子产品的存在，谐波污染变得越来越严重，无功功率的不断增加不仅造成电网供电质量下降，对设备造成了极大损害，同时也给高校带来了极其严重的资源浪费。为响应国家建设节能型社会的号召，充分利用电子技术以减少谐波污染，提高电能利用率，有效利用资源以保护生态环境成为当前社会的焦点。

为此，文中介绍了一种以ARM架构的高速处理器S3C6410为核心单元，以嵌入式Linux为软件平台的无功补偿的节能控制系统设计方案，该设计融合了谐波分析、谐波检测、无功补偿、实施管理、屏幕显示以及控制电容投切功能。同时，采用嵌入式技术，为该系统不仅便于功能扩展提供丰富硬件资源而且微处理器高速性能和Linux的实时调度，为系统既保障人机交互又保障系统的实时性。

1 谐波检测原理与无功补偿模型

电力系统中大量电力电子元件的使用，不仅有电网谐波的污染造成设备故障，还有大量无功功率的存在导致能耗利用率极低，造成能源的浪费。为保证高校电子与电器设备的正常运行，谐波检测是治理谐波一个非常重要的先决条件，通常用某次谐波幅值相对于基波幅值的百分数来反应该谐波的含量，即：

式中：U1、I1和Um、Im分别表示基波电压有效值、电流有效值和第m次谐波电压有效值、电流有效值。当谐波含量超过一定的指标，则需对谐波进行治理以保护电子设备。随着国内外学者的研究，谐波检测的方法更趋向于高精度、高速度和实用性好的方向发展。

功率因数是用来衡量用电效率的重要指标，也从侧面反映出电网能耗的利用率，一般用有功功率P和视在功率S的比值来表示：

λ=cosφ=P/S (4)

电网中系统三相电力电子元件的使用会导致三相电流不平衡，产生无功功率，增加配电压器的有功损耗。为对无功进行补偿以节约高校电网能耗，本文采用Y接线和△接线两种补偿方式作用，对各相提供不同无功，消除不对称负荷产生的负序和零序电流分量，使得高校电网在理论上让功率因数提高到1，以减少线路耗损，其三相无功补偿模型如下：

上式中Pa、Pb、Pc和Qa、Qb和Qc分别表示三相有功功率和无功功率，三相不平衡电流无功补偿一般只补偿电容。

2 系统硬件

2.1 整体设计

系统硬件总体设计如图1所示，包括电压转换器、电流转换器、A/D采样电路、键盘、LCD液晶显示、SD卡、RS485通讯等接口电路。电压转换器将三相电压转化成PPV为-0.8～0.8 V之间的电压信号，电流互感器通过接地电阻转换为电压后一并送入CS5451进行数据采样，由三星公司的基于ARM1176JZF—S内核架构的S3C6410嵌入式微处理器负责对数据进行分析，通过LCD控制器将数据传给LCD进行图形化显示，同时将数据结果(三相负荷需要补偿的电容数)通过RS485通信接口送给电容组投切复合开关执行投切动作。

2.2 数据采集电路设计

节能控制系统的前端数据采集电路对后端谐波分析与无功补偿投切电容的精度和准确度起着关键性作用。特别是电网中各次谐波含量较小，所以高精度的AD转换器对提高

数据精度是必要的。

首先三相电压经过电阻转换器用分压电阻的方法，将三相电压信号转换成为3个电压信号，经过阻容滤波送入CS5451。同样，三相电流经过电流互感器，将三相电流信号转换成三个电流信号，经过阻容滤波送入CS5451。CS5451是一个精度较高的AD转换器，将输入的电流电压信号转换成数字信号输出。CS5451集成了6个△-∑模数转换器和均分滤波器，3个具有增益可编程放大器的电流输入通道对刚才输入的电流进行采样，3个电压输入通道对输入的电压进行采样，6个通道可以实现同步采样，保证数据没有相位误差;CS54 51通过一个4线制串行数据输出口SPI与S3C6410进行通讯，每隔250微秒主动发出一组数据，最后$3C6410对收集到的信息进行分析处理。基于CS5451的数据采样电路设计如图2所示。

2.3 LCD液晶显示与触摸屏电路原理

ARM11架构的S3C6410处理器本身包含了TFT24位真彩色液晶显示控制器，可支持3.5寸、4.3寸、5.6寸等带有触摸屏TFT液晶屏，分辨率可达1024*1024，最大支持2k*2k虚拟屏幕尺寸，拥有16级Alpha混合。本系统采用4.3寸WXCAT43-TG3#001带有触摸屏的液晶显示屏，由一个液晶显示屏，一个驱动电路，一个背光单元，一个模拟式电阻控制面板，分辨率为480*272，16：9宽显示，拥有16777216色和24位RGB接口。

LCD液晶显示与触摸屏电路总体结构如图3所示。LCD通过FPC座把接收到S3C6410的数据流输入到RGB接口中，通过1个门驱动和2个源驱动T—con来控制TFT LCDPanel。对于tou ch panel触摸得到的数据直接通过FPC座传输到S3C6410，S3C6410触摸屏控制器采用正常转换模式、单独的X/Y坐标转换模式、自动(顺序)的X/Y坐标转换模式、等待中断方式对数据写入到ADC的控制寄存器。

S3C6410显示控制器有一个用于转换图像数据的逻辑，这个逻辑是指从本地总线的后处理器或系统内存内的视频缓冲区到外部LCD驱动器接口的传输图像数据的逻辑。LCD驱动接口有四种接口，如传统的RGB接口，180接口，NTSC/PAL标准TV编码器接口和IT—R BT.601接口。显示控制器支持5层图像窗口。

3 系统软件设计

3.1 系统软件组成

系统软件采用嵌入式Linux作为操作系统。开源的嵌入式linux系统性能优异，软件移植容易，代码开放，同时拥有实时性、稳定性、安全性好的特点。通过在PC机linux环境下编译Qtopia4.4.3移植到开发板上。Qtiopia4.4.3是一个面向嵌入式系统的图形用户界面，包含完整的应用层、灵活的用户界面、窗口操作系统、应用程序启动程序以及开发框架。系统的软件组成如图4所示。

设备驱动程序包含RS232驱动、SD卡驱动、USB驱动和LCD驱动程序等。在PC机linux环境下通过arm—gcc交叉编译工具生成潜入式Linux内核并将其移植到NandFlash中。应用程序则采用QT creator进行编程和设计，生成的文件通过编译qtopia4.4.3中的qmake生成makefile，再执行make得到在开发板上运行的qt应用程序。

3.2 CS5451的零点漂移补偿算法

对于△-∑型CS5451采样电路而言，会存在采样值的零点漂移现象，为保证谐波检测的精度和准确度，这里采用硬件和软件结合的两级消除采样误差的方法解决零点漂移现象。

硬件上先设定一个误差修正电路图如图5所示，用来控制CS5451输入电压和电流的值进行控制。

在软件补偿过程中，根据误差修正公式*=b1y+b0，b0、b1为误差校正因子，因此需要做2次校正。首先进行系统零点校正使输入量为0，根据误差修正公式得到：

3.3 基于FFT算法的电网谐波分析

电网谐波的存在不仅会影响电网设备的的正常工作，缩短设备的寿命，同时也会产生谐波损耗，降低用电设备的能耗利用率，而准确的提取谐波信息则是谐波治理的关键环节。当前用于谐波分析的算法由很多，比如简单方便实用的FFT变换，具有时频分析特性的小波变换等。本系统充分利用S3C6410处理器的高速计算能力，采用基于FFT算法的电网

谐波检测方法，其程序流程图如图6所示。其主要思想是：

1)电网模拟电压信号U(t)或电流信号I(t)经过CS5451抽样离散后，变成U(nT)或I(nT)，T为采样周期;

2)将抽样离散后的电压U和电流I舜时值送入如下的FFT变换公式进行快速傅里叶变换：

试中，

，被称为蝶形因子，上式是N点的FFT计算所有的X(k)约需要N2次乘法和N2次加法。由于

具有对称性和周期性。则FFT利用了蝶形因子这2个性质加快了运算的速度。设N=2M，则总共有N/2个2点的FFT运算，因此，N点FFT进行(N/2)log2N个蝶形运算;3)FFT变换后得到各个频率点处的电压或电流幅值，将这些幅值送入到公式(2)、(3)计算各相总的谐波含量。

4 数据验证分析

为了基于S3C6410的无功补偿技能控制系统的补偿节能效果，在封闭型无功补偿实验模拟柜中，人为投入一些感性器件，以增加系统的无功功率。采用本系统进行无功补偿实验，补偿前与补偿后的电流及各项功率因素入表1所示。实验结果表明补偿前无功实验柜所采集的三相电流严重不平衡，功率因素也很低，但是采用基于专用电能测量芯片CS5 451和ARM11架构S3C6410的无功补偿节能控制系统，通过Y接线和△接线两种补偿方式共同作用后，三相电流接近于平衡;功率因素达到了0.99，能量损失大大减小;且零序电流接近于0，消除了不对称负荷产生的零序电流;通过无功补偿柜的模拟实验证明本系统对高校电网节约电能具有重要推广意义。

5 结束语

本文针对高校电网用电量大，谐波污染严重等问题，介绍了基于嵌入式处理器S3C6410的节能控制系统构建过程，给出了系统的软硬件结构，设计了电网信号曲线实时动态刷新的交互界面;针对谐波检测过程中的零点漂移现象给出了硬件补偿电路和软件补偿算法，提高了谐波检测的精度;通过FFT算法对谐波进行准确分析;采用三相电流不平衡补偿算法模型，将三相负荷需要补偿的电容数通过RS485通信接口送给电容组投切复合开关，由复合开关控制电压的投切动作。该系统集电网谐波检测和无功补偿为一体的电网节能控制系统，也实现了无功补偿数据分析控制单元与执行的有效分离，以减小电容投切执行单元对数据分析控制单元的信号干扰。实验结果表明，采用高速处理器S3C6410的强大数据分析能力和高精度特性，本系统能将功率因素至0.99，大大降低了高校用电能耗。