基于 LORA的远程电路开关设计

刘文杰 周家勇 汪理

广州理工学院 电气与电子工程学院，广东 广州 510540

摘要：无功补偿自交流配电标准化以来，已经成为商业电力系统运行的必要组成部分。本论文将回顾无功补偿策略发展的历史，分析无功补偿的装备和方法，探讨在低压配电网中无功补偿的策略。使用LoRa无线串口通信技术，把检测到的数据传输到单片机中分析计算，再根据低压配电网络电容器组优化投切模型，从实时的角度研究电容器组的投切。由单片机进行电能质量的计算，控制智能开关在最佳位置进行投切，以降低产生的电压瞬变，提升电能质量。

关键词：无功补偿；补偿策略；LoRa通信技术；STM32F103单片机

1.引言

随着现代社会的发展，电力系统、电力网的规模也日渐扩展，在电力网的规划建设和运行中展现的问题也日益明显，例如无功功率分布的不合理，无功补偿容量不足，无功补偿效果不理想等。这些问题在低压配电网中体现得更为突出，直接影响到用户终端的电压质量，所以无功补偿一直成为电力系统配电网运行的重要研究项目之一。

2.负荷无功补偿的目的和原理

由于电感性的电气设备在运行时需要建立磁场，此时电气设备消耗的能量不能转化为有功功率，故我们称这些功率为无功功率Q。此时电流滞后于电压一个角度 。在选择变配电设备时所根据的是视在功率S，

无功功率过高会加重电网的负荷，导致电网的损耗增加，从而使系统电压下降。对电力系统进行无功功率的就地补偿以及并联电容器可以补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率 等于感性无功功率 时，电网只传输有功功率P。根据国家规定，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上。

3.低压配电网无功补偿控制装置的设计

设计基于智能控制开关的低压配电网无功补偿控制装置，无功补偿控制装置是由两个部分组成。第一部分为采集发送端，使用的是STM32F103ZET6单片机，以及电流电压采集模块、传输模块等组成。第二部分为接收控制端，使用STM32F103RCT6单片机，再结合传输模块和显示模块所构成。

4.系统主控制模块的硬件设计

设备的采集发送端以STM32F103ZET6单片机为核心，完成采样、计算、输出、通讯等功能。系统整体设计如下图3.1所示。

图4.1 采集发送端的硬件整体设计框图

由电压、电流互感器采集电能质量数据，经过信号调整和A/D转换后输入给STM32F103ZET6主控芯片进行数据处理。电压电流采集模块还能通过外部芯片直接对数据在LCD液晶屏上显示采集到的数据。STM32F103ZET6单片机处理完数据后，通过串口发送给LoRa模块，进行无线传输信号。

4.1.电压电流采集模块的硬件设计

电压电流采集模块是完成电平的转换与隔离，把检测到的数据传输给单片机的输入通道。我们采用的是SUI-101A变送器作为电能质量采集模块，SUI-101A是一款互感器隔离的高精度多功能交流变送器，可以实时检测交流电压、电流、有功功率、累计电量、频率、功率因数等参数，提供标准通信接口（TTL异步串口），可选的标准协议（Modbus协议）以及自定义协议。其中电流和电压的变送精度可达0.2级的高精度。

4.2通信接口模块的硬件设计

使用ATK-LORA-01无线串口模块，可以实现一对多的远程无线控制电容器的投切，理论距离可达3000米。由于无功功率补偿我们通常采用的是就地补偿，实际的电力系统中，使用了LoRa模块就可以解决这个问题。

4,3电能质量采集模块的软件设计

数据插件模块软件分为两部分：一是采集线路的电压与电流；还有一部分是功率因数角和有功功率、无功功率的采集。分别在相应STM32F103ZET6单片机相应的端口读出各项数据，存放在相应的数组中，方便之后的计算与使用。

4.4LoRa无线串行口通信设计

ATK-LORA 配置软件菜单栏中左边有 5个选项功能，分别是“参数配置”、“AT 指令”、“指令帮助”、“固件升级”以及“帮助信息”，上面栏用于配置连接的串口参数，而右边则是串口数据接收框和发送框，用户可以在这里进行数据的收发功能，中间为选中菜单栏的页面内容，如图4.2 所示：

图4.2 在计算机上配置软件界面

4.5数据计算程序的设计

在电流电压检测模块测量到电网电压、电流后，由于是经过了变送后把交流电变成5V的直流电输入到单片机中的，所以我们在单片机中需要经过一系列计算把电压电流值转换回实际电压电流值。计算部分程序如下：

void Sampling_UIF(void) //电压电流采样

{

for(sampling_period_num=0;sampling_period_num<10;sampling_period_num++)

{

for(sampling_num=0;sampling_num<64;sampling_num++)

{

sampling_CA[sampling_num]=read_ADC(0x05); sampling_CB[sampling_num]=read_ADC(0x04);

JUMP_TIME2_IRQ_flag=1; //跳出采样等待循环标志

T2LD=0x330; //计数器的值，大约为312.5uS

T2CON=0x684; //使能Timer2,周期模式，二进制数据格式，CLK/16

IRQEN|=0x10; //使能Timer2 IRQ

while(JUMP_TIME2_IRQ_flag==1);

}

Cal_PowerIndicator();/

sampling_2VA[sampling_period_num]=Uam; sampling_2VB[sampling_period_num]=Ubm;

sampling_2VC[sampling_period_num]=Ucm;

aoo2[sampling_period_num]=aoo;

}

//取平均值，包括电压电流与相位角

Uam=Average(sampling_2VA,10);

Iam=Average(sampling_2CA,10);

aoo=Average(aoo2,10);

Apower_factor=cos((aoo)*PI/180.0);

Pa=Uam*Iam*Apower_factor/1000.0;

Qa=Uam*Iam*sin((aoo)*PI/180.0)/1000.0;

}

5总结

本项目具体分析了无功功率补偿的原理和目的，结合具体要求与电网运行中可能出现的问题得出了相应的方法。在实时补偿中，针对不同的负载，从实时、快速、准确等多个角度研究基于智能控制开关的低压配电网无功补偿控制装置。

参考文献

[1]程汉湘，电力电子技术.科学出版社，2017.9

[2]程汉湘 周永旺 黄德梅，无功补偿理论及其应用[M].北京，机械工业出版社，2016.01

[3]何仰赞，电力系统分析（第三版）[M].北京，机械工业出版社，2000.01

[4]赵文举，低功耗广覆盖LoRa系统的研究与应用，北京邮电大学，2019