专利名称：一种具有组网和在线监测功能的无功优化控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于ARM平台的具有无线组网和在线监测等多种功能的无功优化控制器，属控制技术领域。
背景技术：
为实现配电网无功功率的平衡，减少损耗，通常采用在配电线路上并联电容器的方法对无功进行补偿，补偿电容器的投切由补偿控制器根据配电线路的具体状况自动控制。 传统的无功补偿控制器以未使用嵌入式操作系统的8位或16位单片机为核心器件，仅以功率因数、电压或无功功率作为投切电容器的判断依据，不仅实时性和稳定性不强，而且模拟量采样较少，算法不合理，控制器功能不完善，致使补偿效果不明显，节能效益不高。现有控制器的另一个缺点是对于电容器和外置CT与PT缺少足够的检测和保护手段，不具备电容器质量的实时在线诊断功能，造成电容器、电压互感器和电流互感器故障率高，寿命短，维护费用增大而且补偿效果及补偿现状不明确。此外，传统控制器只能作为单独的设备使用，不能实现配电系统内多台组网，仅能够进行单台简单的无功补偿，并没有考虑对较大的配电系统甚至整个配电系统进行无功的优化补偿，因而系统的无功无法达到最佳的优化补偿效果，使补偿设备无法最大限度地发挥作用。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足、提供一种功能完善、控制器精度高、
实时性和稳定性强的具有组网和在线监测功能的无功优化控制器。 本实用新型的问题是以下述技术方案实现的 —种具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，由主机模块和显示模块组成，二者之间通过RS485通信接口交换信息，所述主机模块由控制单片机、电容检测电路、模拟量采集电路和执行电路组成，所述控制单片机采用LPC2366FBD100，所述电容检测电路的输入端接补偿电容器的电流信号，输出端接控制单片机的输入端，所述模拟量采集电路的输入端接配电网络的电压、电流信号，输出端接控制单片机的输入端，所述执行电路的输入端接控制单片机的输出端口 ，输出端控制补偿电容器。 上述具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，所述电容检测电路由三个电压跟随器和一个A/D转换器构成，三个电压跟随器分别对应补偿线路中的三相补偿电流，每个电压跟随器的输入端经电流互感器接一相补偿电流，输出端接A/D转换器的一个输入端，所述A/D转换器的输出端接控制单片机的P1. 23端；所述模拟量采集电路由六个结构相同的采集单元构成，所述采集单元是由运算放大器和反馈电阻构成的信号放大器，六个采集单元中运算放大器的输入端分别经电压互感器或电流互感器接配电网络的三相电压、三相电流，输出端分别接控制单片机的ADO AD5端；所述执行电路由多个继电器构成，每个继电器控制一组补偿电容器，其控制线圈经光电隔离器接控制单片机的输出端。[0008] 上述具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，构成中还包括组网通讯接口电路，所述组网通讯接口电路由RS485通信接口芯片构成，所述RS485通信接口芯片的R端和D端分别经光电隔离器接控制单片机的RXD2和TXD2端，A、 B端接上位机。[0009] 上述具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，所述显示模块由显示单片机、按键电路、显示器和接口电路组成，所述显示单片机采用LPC2312FBD64，所述按键电路由四个按钮组成，所述四个按钮一端接地，另一端分别接显示单片机的P0. 2 P0. 5端，所述显示器接显示单片机的P0RT0接口 ，所述接口电路由RS485通信接口芯片构成，所述RS485通信接口芯片的R端和D端分别接显示单片机的RXD和TXD端，A、 B端接控制单片机的显示通讯接口 。 本实用新型的主机模块与显示模块采取单独设计的形式，主机模块和显示模块均可使用嵌入式实时操作系统，模拟量采集与显示的实时性非常好，组网通讯接口电路则可以通过外置无线通信GPRS模块或有线通信线路与上位机实时通信，将各个独立的补偿装置组成一个网络，由上位机进行实时在线监测，监测内容极其丰富，包括电容器质量，电压互感器、电流互感器质量，各个模拟量的2 19次电压电流谐波，并将各种数据形成历史数据曲线，用户可在与之连接的上位机上直接观察，简单明了 ，主机模块即可按照自身采样进行无功优化分析，也可按照上位机指令进行无功优化分析，控制电容器的投切，达到系统无功优化的最佳效果。显示模块具有很强的人机交互性，用户操作简单，使用方便，且主机模块与显示模块程序完全独立，采取分工合作的方式，易于模块的移植、功能的改进和扩展。本实用新型具有体积小，价格低廉，使用方便，功能完善，在线监测手段齐全，无功优化效果最佳等特点，能够极大地提高设备的使用寿命和用户的经济效益。
图1是本实用新型的电原理框图；[0012] 图2是主机模块的电原理图；[0013] 图3是显示模块的电原理图。 图中各标号为U1、控制单片机，U2、显示单片机，U3、U4、U5、RS485通信接口芯片，U6、A/D转换器，A-1 A-6、模拟量采集单元，B-1 B-3、电压跟随器，GL1 GL3、光电隔离器，Fl F2、运算放大器，LCD、显示器，AN1 AN4、按钮，Rl R15、电阻。
具体实施方式参看图l，本实用新型采用主机模块与显示模块各自单独设计的方式，两者之间通过标准RS485接口连接，两者之间采用Modbus通信协议进行显示通信，两者采用独立硬件设计方式，便于产品开发和维护。主机模块主要完成系统的采样、计算、分析和控制输出，显示模块主要完成对装置的设置输入和各种显示，主机模块和显示模块均采用高性能32位ARM微型处理器作为主处理器，软件设计均采用了嵌入式实时操作系统uC/0S-I1，进一步提高了系统的可靠稳定性和实时性能。 参看图2，主机模块包括控制单片机U1、电容检测电路、模拟量采集电路、执行电路和组网通讯接口电路，电容检测电路用于采集补偿电容器电流，模拟量采集电路用于采集配电网络的三相电压、三相电流和零序电流信号。此外，控制单片机U1还应配置大容量存储模块、实时时钟电路、和看门狗电路模块。 配电网络的三相电压和三相电流信号由电压互感器、电流互感器转化为电流信号后，经过运算放大器F1和电阻R1组成的负反馈电路处理后送给控制单片机U1 ;电容检测电路主要对补偿电流进行采样，通过本公司自己生产的三相精密电流互感器采样，直接输出1. 1V的电压信号，该信号经耦合电阻R2进人由运算放大器F2组成的电压跟随器的输入端，再从电压跟随器的输出端直接送入外置A/D转换器U6的输入端，A/D转换器U6将信号转换成数字信号后由SD0端送入控制单片机Ul的Pl. 23端。 控制单片机U1的型号是NXP的LPC2366FBD100，通过对外部模拟量的数据采集，计算，分析，得到各个模拟量的值，以及各种监测数据，计算出各线路的控制物理量，根据控制条件和算法，进行无功优化分析，电容器投切判断，当条件满足时，通过执行电路对电容器进行投切操作。 由于电容器质量检测实时性要求稍差些，所以该类模拟量采用外置高精度A/D进行数据采集，大大的增加了采集数据的量，对于分析补偿线路，保护补偿装置具有重要意义。此外，零序电流监测的实时性要求也不高，具体实施时可采用外置高精度A/D进行数据采集或经过内部程序将A， B， C三相电流矢量和相加计算得到。 组网通讯接口电路由RS485通信接口芯片U4构成，U4的型号为SN65LBC184，它与控制单片机U1设置有光电隔离器GL1和GL2，光电隔离器GL1和GL2采用TLP113。 RS485通信接口具有性能稳定，传输距离远的特点，可以通过双绞线或者外部通信模块与上位机进行通信，从而将多台分布式控制器组成一个无功优化监测控制网络。图中，电阻R3、R6为上拉电阻，R4、R5为限流电阻。 执行电路可实现最多14组电容器的投入与切除，它采用24V微型继电器J，并用光电隔离器GL3控制输出，避免了控制器的干扰，保护了微控制器，提高了本实用新型的稳定性和可靠性。 参看图3，显示模块由显示单片机U2、按键电路、LCD显示器和接口电路组成，LCD显示器采用的金鹏公司生产的0CM12232系列图形点阵液晶显示模块，可以实现同屏显示中英文、点阵图形以及各类自造字体。0CM12232模块采用8位并行接口方式，提高了显示速度。显示单片机U2采用了 32位ARM微控制器NXP的LPC2312FBD64，该控制器具有足够的10接口 ，运行速度高，性能稳定，它通过并行10与LCD显示器直接连接，控制LCD显示器的显示输出。 显示单片机U2通过RS485通信接口芯片U3与主机模块的RS485通信接口芯片U5连接，主机模块与显示模块之间只要进行Modbus通信协议内容的确定就可以实现显示板与主机的配合，将所要显示的数据图形进行实时显示。 按键电路采用独立式键盘，按钮AN1 AN4 —端接地，另一端接显示单片机U2的10 口，由于显示单片机U2具有足够的IO 口，采用独立式键盘便于软件的编写，也增加了系统的运行速度和可靠性。图3中，电阻R9 R14均为上拉电阻。 本控制器工作时，控制单片机U1对无功优化补偿线路电压、电流、功率，电容器电流、无功分别进行实时采样，控制单片机U1对采用信号进行分析后得到补偿线路三相电压、电流、功率因数、有功、无功，2到19次谐波电压、谐波电流，电容器电压、电流、无功、容值等各种参数，并准确判断所有参数是否在正常范围内，所有参数可随时通过显示模块的按键进行设置，并通过显示模块进行显示，主机模块可根据各相实时无功功率，电压，功率因数等控制物理量进行无功优化分析，选择合适电容器进行投切，还可以通过组网方式接收上位机命令，实现整个配电系统的无功优化补偿。
权利要求一种具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，其特征是它由主机模块和显示模块组成，二者之间通过RS485通信接口交换信息，所述主机模块由控制单片机(U1)、电容检测电路、模拟量采集电路和执行电路组成，所述控制单片机(U1)采用LPC2366FBD100，所述电容检测电路的输入端接补偿电容器的电流信号，输出端接控制单片机的输入端，所述模拟量采集电路的输入端接配电网络的电压、电流信号，输出端接控制单片机的输入端，所述执行电路的输入端接控制单片机的输出端口，输出端控制补偿电容器。
2. 根据权利要求1所述具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，其特征是，所述 电容检测电路由三个电压跟随器(B-l B-3)和一个A/D转换器(U6)构成，三个电压跟随 器分别对应补偿线路中的三相补偿电流，每个电压跟随器的输入端经电流互感器接一相补 偿电流，输出端接A/D转换器(U6)的一个输入端，所述A/D转换器(U6)的输出端接控制单 片机(Ul)的P1.23端；所述模拟量采集电路由六个结构相同的采集单元(A-l A-6)构 成，所述采集单元是由运算放大器(Fl)和反馈电阻(Rl)构成的信号放大器，六个采集单 元中运算放大器(Fl)的输入端分别经电压互感器或电流互感器接配电网络的三相电压、 三相电流信号，输出端分别接控制单片机(Ul)的AD0 AD5端；所述执行电路由多个继电 器(J)构成，每个继电器(J)控制一组补偿电容器，其控制线圈经光电隔离器接控制单片机 (Ul)的输出端。
3. 根据权利要求1或2所述具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，其特征是，构 成中还包括组网通讯接口电路，所述组网通讯接口电路由RS485通信接口芯片(U4)构成， 所述RS485通信接口芯片(U4)的R端和D端分别经光电隔离器接控制单片机(Ul)的RXD2 和TXD2端，A、 B端接上位机。
4. 根据权利要求3所述具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，其特征是，所述 显示模块由显示单片机(U2)、按键电路、显示器(LCD)和接口电路组成，所述显示单片机 (U2)采用LPC2312FBD64，所述按键电路由四个按钮(AN1 AN4)组成，所述四个按钮一端 接地，另一端分别接显示单片机(U2)的P0. 2 P0. 5端，所述显示器(LCD)接显示单片机 (U2)的P0RT0接口 ，所述接口电路由RS485通信接口芯片(U3)构成，所述RS485通信接口芯 片(U3)的R端和D端分别接显示单片机(U2)的RXD和TXD端，A、 B端接控制单片机(Ul) 的显示通讯接口。
专利摘要一种具有组网和在线监测功能的无功优化控制器，用于改善无功补偿效果，减少损耗，达到最佳的无功优化补偿。其技术方案是控制器由主机模块和显示模块组成，二者之间通过RS485通信接口交换信息，所述主机模块由控制单片机、电容检测电路、模拟量采集电路和执行电路组成，所述电容检测电路的输入端接补偿电容器的电流信号，输出端接控制单片机的输入端，所述模拟量采集电路的输入端接配电网络的电压、电流信号，输出端接控制单片机的输入端，所述执行电路的输入端接控制单片机的输出端口，输出端控制补偿电容器。本实用新型具有体积小，价格低廉，使用方便，功能完善，在线监测手段齐全，无功优化最佳等特点，能够极大地提高设备的使用寿命和用户的经济效益。
文档编号H02J3/18GK201533171SQ20092025409
公开日2010年7月21日 申请日期2009年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者梁松, 贾北平, 陈占群 申请人:保定市尤耐特电气有限公司