用87C196實(shí)現(xiàn)快速無功電流檢測方案

隨著電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量要求的日益提高，影響電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的無功功率及其補(bǔ)償問題越來越受到重視。供電系統(tǒng)中已經(jīng)有大量的無功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定起到了一定的作用。然而，在類似于軋鋼等無功功率動(dòng)態(tài)變化的工業(yè)場所，由于無功功率的大小不但隨時(shí)間在不斷變化，而且變化的速度很快。為了獲取穩(wěn)定電壓，通常要求無功補(bǔ)償裝置能快速跟隨無功電流變化，這無疑對無功電流檢測的準(zhǔn)確性和快速性提出了更高要求。本文提出了基于瞬時(shí)無功功率理論?１? 實(shí)現(xiàn)無功快速檢測，并將檢測算法在８７Ｃ１９６ＫＣ單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的方法，試驗(yàn)證明，該方法具有較高的檢測精度和較快的檢測速度，是動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的較佳檢測方案。

１　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

無功電流檢測系統(tǒng)由模擬量變送器、模擬信號(hào)處理模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、基于單片機(jī)的微處理系統(tǒng)、鍵盤與顯示單元等組成。若需要根據(jù)無功電流的大小來控制電容器的投切，以實(shí)現(xiàn)無功的快速補(bǔ)償，也可以增加相應(yīng)模塊來控制電容器的投切，如由反并聯(lián)晶閘管組成的開關(guān)模塊、晶閘管的驅(qū)動(dòng)控制電路、電容器補(bǔ)償回路等。整個(gè)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示。

圖中，ＣＰＵ模塊采用Ｉｎｔｅｌ公司生產(chǎn)的８７Ｃ１９６ＫＣ單片機(jī)，該芯片內(nèi)部有８位和１０位可編程采集和轉(zhuǎn)換時(shí)間的Ａ／Ｄ變換、 １６ｋＢ ＲＯＭ以及４８８Ｂ寄存器ＲＡＭ，它的主頻可運(yùn)行到２０ＭＨｚ。８７Ｃ１９６ＫＣ采用高速輸入／輸出（ＨＩＳＯ）結(jié)構(gòu)進(jìn)行事件控制。ＨＩＳＯ口有４個(gè)輸入、６個(gè)輸出，用兩個(gè)１６位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器作為系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)。除此以外的相關(guān)硬件組成還有看門狗定時(shí)器、全雙工位串口（ＳＩＯ）。以及外設(shè)事務(wù)服務(wù)器（ＰＴＳ），它由微代碼處理中斷事件，類似于ＤＭＡ通道方法，這樣可以大大減少ＣＰＵ響應(yīng)中斷服務(wù)的開銷。有關(guān)８７Ｃ１９６ＫＣ的引腳功能、控制命令格式等詳細(xì)內(nèi)容可參看參考文獻(xiàn)?２?。由于８７Ｃ１９６ＫＣ集成了完全可編程、自校準(zhǔn)、高精度的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此，用其組成無功檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需大量復(fù)雜外設(shè)及外圍電路。其簡單的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)系統(tǒng)的工作可靠性和抗干擾能力大為提高。

２ 無功電流的檢測原理

基于瞬時(shí)無功功率理論的ｉｐ－ｉｑ檢測法由于計(jì)算量少且有較好的實(shí)時(shí)性而得到廣泛應(yīng)用?３?。在電力系統(tǒng)中，一般情況下，三相電網(wǎng)電壓都是對稱無畸變，假定負(fù)載電流是三相對稱的，考慮到負(fù)載電流可能含有諧波，因而其電壓、電流表達(dá)式可以表示為：

式中ｎ＝３ｋ±１，其中ｋ為整數(shù)（當(dāng)ｋ＝０時(shí)，只?。?hào)，即只?。睿剑保?，ω為電源角頻率，Ｉｎ、?ｎ為各次電流的有效值和初相角（基波初相角即相對于基波電壓的相位差）。

將三相電流變換到α－β兩相正交坐標(biāo)上可以得到瞬時(shí)電流ｉα和ｉβ。

式２中，Ｃ３２為變換矩陣，其表達(dá)式為：

為了更方便地分解出電流的有功和無功分量，應(yīng)將坐標(biāo)系變換到與電源電壓同步旋轉(zhuǎn)的ｄｑ坐標(biāo)系中，并使ｄ軸與電源電壓同相位，這樣，變換后的ｄ軸即為有功分量，ｑ軸分量則是無功分量。假定由α－β坐標(biāo)變換到ｄｑ坐標(biāo)的變換矩陣為Ｃ，則有：

由式（５）可見，電流的有功分量和無功分量均是瞬時(shí)交變的，除了基波分量外，還含有諧波分量。若只考慮基波，則ｎ＝１時(shí)的基波電流為：

式說明，經(jīng)過上述處理后，通過低通濾波獲得的直流分量ｉｐ和ｉｑ分別為基波電流有功電流分量和無功電流分量的√３ 倍 。因此整個(gè)無功電流的檢測可按圖２的原理來實(shí)現(xiàn)。在變換矩陣Ｃ中ｓｉｎωｔ及ｃｏｓωｔ是與ａ相電壓ｅａ同相的，可用鎖相環(huán)（ＰＬＬ）和正余弦信號(hào)生成電路得到。在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)時(shí)，也可以通過同步過零檢測來用軟件計(jì)算獲取。

３　無功電流計(jì)算的程序流程

圖３是該控制器軟件流程，圖３（ａ）為主程序流程圖。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，以對寄存器和Ｉ／Ｏ端口進(jìn)行設(shè)置，然后執(zhí)行自檢程序，自檢無誤后開放外部中斷，然后進(jìn)行鍵掃描，如果有鍵按下則執(zhí)行鍵處理后再執(zhí)行顯示程序。沒鍵按下則直接執(zhí)行顯示程序。之后再回到主程序的鍵掃描步驟，如此不斷循環(huán)，以等待同步檢測觸發(fā)的中斷子程序。

圖３（ｂ）為接收到同步檢測信號(hào)后觸發(fā)的中斷子程序流程圖。當(dāng)接收到同步檢測信號(hào)后，程序進(jìn)入相應(yīng)的中斷子程序。首先對程序現(xiàn)場進(jìn)行保護(hù)，再采樣電流電壓值。系統(tǒng)根據(jù)上述檢測法和電流電壓值，計(jì)算出無功電流的有效值，并依據(jù)該電流有效值計(jì)算哪些支路需要投切，并輸出投切指令。執(zhí)行完畢后退出中斷，等待下一個(gè)中斷。

４ 結(jié)論

本文提出的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，采用高集度度芯片進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)系統(tǒng)的工作可靠性和抗干擾能力均大為提高，運(yùn)行可靠。同時(shí)又能快速、精確地檢測出無功電流。按照本文提出的檢測方法制作的硬件系統(tǒng)也已投入實(shí)際運(yùn)行。實(shí)踐證明：該系統(tǒng)不但能在２０ｍｓ以內(nèi)完成無功電流的精確檢測，同時(shí)配合ＴＳＣ系統(tǒng)還能在４０ｍｓ內(nèi)完成電容投切，此外還能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。因而對改善電能質(zhì)量、降低損耗具有重要作用，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。