基于模糊控制的智能负载在线控制系统

王明晨 于业熙 王晖

摘 要：本文涉及供电配电网络实时监测与控制技术领域领域，特别是涉及全自动的无功补偿、电能质量参数的采集计算的在线监测系统。由MSP430作为控制核心，实现补偿电容器，电抗器的自动投切，来进行全自动的无功补偿；并且可以实现容性、感性和阻性负载的人为设定，模拟可组成的常见负载，可用作线路测试，电源测试，风力发电机，太阳能并网逆变器的带载能力实验等，并且能够通过带载之后的电能质量反应供电器的状态。

关键词：模糊控制；负载；无功补偿；电能质量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.111

0 引言

智能负载柜作为电器，或配电网交流通断试验及寿命试验用的负载阻抗装置，它接于电网实际试验线路中，模拟控制用电装置和线路的阻抗，供调节试验电流及功率因数用，是各种试验机和低压电器带电实验必用的配件。目前国内各种模拟负载调节装置多以手动调节的方式实现，即需要手动调节模拟负载中各阻抗性元器件的参数值，使模拟负载在系统给定的电压及频率条件下达到各项测试标准所要求的各项电参数指标。该设备既可以让工厂企业实现廉价的动态无功补偿，而且它的负载可调型还可以应用于很多研究所学校进行研究工作，使用效果前景广泛，价格低廉，控制简单。

1 总体方案

本设计主要解决的技术问题是提供一种电能质量采集监测装置，能够实现全自动的无功补偿、电能质量参数的采集计算的在线监测系统为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种在线监测控制装置。第一步电压互感器、电流互感器实现电参数的精确采集。第二步主控芯片对采集的参数与所设定参数进行比较计算分析，如需调整发出控制指令，负载自动调整，调整后参数再反馈给上位机。第三步可根据反馈数据人工判断，如需调整还可以远程手动调整。

2 系统设计

2.1 控制系统的设计

本监测系统一种实施例的结构，如图1所示，包括1款msp430的主控单片机，其功耗很低且能完全满足此设备的现需要，与其连接的有电能质量采集板，使用的是C8051F控制器，由于电能质量参数的计算量也十分巨大，为了不造成开关误动作，所以采用将电能质量采集板与主控单片机相分开的方式。电能质量采集板直接采集两组电压电流互感器的数据，通过快速AD转换读取整个电压和电流波形的数据，并且在其中进行算法处理，计算出三相电的各种电能参数。

2.2 人机交互的设计

此款设备配备了电能表，它配置了液晶显示器（11），能够更方便地就地读取数据，而且显示更加的直观。这款智能负载也能就地人为控制，可以通过键盘（5）在箱子内部进行设定操作，也可以通过RS-485通信，将数据以有线的方式发送给旁边的控制室。

2.3 具体实施方案

在一些特殊的时候，此设备的负载可能会有过流，欠压，过温的时候，这时候就需要一些继电保护的方式将电路跳闸，通过电压电流互感器和温度传感器检测故障状态，一旦发生故障就会跳闸，并且发出报警信号。但是为了保证此设备的供电可靠性，所以我们将两侧的断路器更换成可以自动回复的自动重合闸（6），在故障切除之后能够快速回复供电，降低因断电造成的损失。

电源管理模块能够将开关电源输出的12V直流电，稳定地供给主控单片机等一些控制，采集，计量设备，当系统过压保护，欠压保护，过流保护，过温保护而断电的时候它能够及时启用蓄电池中的电来供给控制采集设备的使用，如果设备在正常工作时候他还能给蓄电池进行充电，用来作事故备用电源。

以下是通过开关器件控制接入电路的并联电抗器并联电容器并联电阻器值来采用模糊控制的控制策略：比如说通过采集，计算出现在需要接入电路500uf的并联电容器，其中有10uf，20uf，40uf，80uf，160uf，320uf，470uf的电容器，可以通过最优策略组合成500uf，那就是接入10uf，20uf，470uf的交流电容。

当然并联电容器和并联电抗器都是储能元件，所以给他们需要特殊的接入方式。电容支路需要放电回路，所以我们使用了电容式专用接触器组，能够有效地抑制电容充电时候的过电流，和放电时候的过电流。同时并联电抗器也是储能元件，因此采用固态继电器组，因为固态继电器不存在普通硬开关的间隙击穿现象。但是这些开关器件不能直接和主控单片机的控制I/O口相接，所以需要相应的驱动和隔离电路。固态继电器组通过专用的moc3021双向可控硅光电隔离。电容器组通过微型继电器组进行电气隔离，信号也通过多路TLP521四路光电隔离来驱动微型继电器。同时功率继电器组通过光电隔离来驱动。这些开关的供电都通过12V，小功率隔离电源模块来供电，成功做到了电源的电气隔离和信号的电气隔离。

此设备能够进行远程的无线通讯和有线通讯，无线通讯可以通过蓝牙和WiFi进行连接。蓝牙（15）可以通过手持设备在设备附近进行无线的控制，通讯和数据读取，因为不是人员在箱体内进行控制和操作，所以能有效防止人为误触造成的触电事故。WIFI（16）就是能通过Wi-Fi方式进行数据的实时上传和汇总，并且Wi-Fi能够在旧的快速组网进行就地多机通讯数据多机互联。以前我们要对这些采上来的数据和控制的历史记录进行上传和读取，所以通过有线的以太网（17）进行实施，因为以太网是有线的，可靠性也很高。可以通过和当地互联网相桥接将数据上传到互联网内的任何一个指定服务器上，再通过这些服务器进行运算和处理，数据的分析和总结，数据的可视化处理后，通过组态软件，将其以网页、软件的形式，展示到人们的面前。

3 结束语

该系统由MSP430作为控制核心，实现补偿电容器，电抗器的自动投切，来进行全自动的无功补偿；并且可以实现容性、感性和阻性负载的人为设定模拟可组成的常见负载，可用作线路测试，电源测试，风力发电机，太阳能并网逆变器的带载能力实验等，并且能够通过带载之后的电能质量反应供电器的状态。

参考文献：

[1]李佩佩，宋潇.基于51單片机的智能负载监控系统设计[J].电脑与电信.

[2]施毅，顾为东，施建中.智能电网系统中智能负载的关键作用[J].中国工程科学，10-13.

[3]王兆安等.谐波抑制和无功功率补偿 （第二版）[M].机械工业出版社，2009.

基金项目：本论文得到长春工程学院大学生创新创业训练计划资助项目（20171143732）的支持。