數字信號處理技術(shù)在電力網(wǎng)無(wú)功補償中的應用

Application of DSP Technique in Reactive Compensation of Power N etwork

LIU Huancheng

(Mailbox 26, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

　　Key words: DSP(digital signal processing); digital filtering; reactive power compensation; spectral analysis; power factor

　　圖1是并聯(lián)電容器靜止補償器(SVC)系統原理簡(jiǎn)圖。其中檢測控制器部分是系統的核心模塊。該模塊由80C196KC MCU、電壓和電流的信號調理電路、輸出報警、控制輸出電路及為80C196KC工作而擴展的程序及數據存貯器等部分構成。80C196KC為16位單片機，運行速度高，數據處理快，并有很強的中斷功能。另外80C196KC上自帶8路10位A/D轉換器，其分辨率及精度足以滿(mǎn)足工業(yè)控制的精度要求。

　　80C196KC通過(guò)對量化的電壓、電流信號的處理，得到電力網(wǎng)各相的峰值、有效值、功率及功率因數后，決策是否進(jìn)行電容的投、切或報警，并通過(guò)電容投、切執行器實(shí)現電容的投、切。電容投、切執行器模塊負責在電壓過(guò)零點(diǎn)對補償電容進(jìn)行投、切，以降低投、切電容對電網(wǎng)的影響并保證系統電容器組的安全。

　　實(shí)現系統功能的工作流程如圖2所示。80C196KC經(jīng)初始化后，開(kāi)始對7個(gè)A/D通道進(jìn)行周期采樣。實(shí)現原理如下：利用80C196KC的HSO觸發(fā)T2(定時(shí)器2)復位事件，由該事件產(chǎn)生一個(gè)軟定時(shí)器中斷,在該中斷服務(wù)程序中逐個(gè)通道啟動(dòng)A/D轉換，并將A/D采樣結果存入數組內(HSO觸發(fā)定時(shí)中斷的流程圖略)。當完成一組可供80C196K CMCU處理的數據后，置采樣數據完成標志 ，接著(zhù)進(jìn)行下一輪數據采樣。
　　采樣數據要能夠實(shí)現80C196KC對被監測信號的時(shí)域和頻域分析的需要。其中包括電壓峰值的檢測、各相電壓、電流有效值的計算、各相電壓電流之間相位差的計算，從而計算出各相交流電的無(wú)功功率、并對各相電壓、電流的諧波譜分析等。設計要求能對15次以下的諧波含有量進(jìn)行分析，根據奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于兩倍信號譜的最高頻率(Ωs＞2Ωh)，15次諧波的頻率的2倍為1.5kHz；考慮到利用基-2的FFT算法，每個(gè)交流信號周期采樣32點(diǎn)，則：
　　
滿(mǎn)足采樣定理要求。其次是采樣數問(wèn)題，為了提高譜線(xiàn)的分辨率，進(jìn)行DFT的數組長(cháng)度愈長(cháng)愈好，但這是以消耗長(cháng)時(shí)間為代價(jià)的?？紤]時(shí)間因素，DFT的數組長(cháng)度定在256(8個(gè)基波周期)。工作于20MHz的80C196KC進(jìn)行一次DFT所需時(shí)間約為1.3s，可實(shí)現 高精度信號譜分 析。最后，A/D采樣的間隔必須足夠準確，這就要求HSO觸發(fā)定時(shí)中斷周期不受其他中斷的影響。采用如下技術(shù)實(shí)現：程序中對每個(gè)高于HSO的中斷源在中斷服務(wù)程序中都設有進(jìn)入中斷標志位。在啟動(dòng)一個(gè)采樣周期時(shí)，將這些中斷標志位清零；在采樣周期中，若MCU發(fā)現中斷標志位不為零，則舍棄已采數據，立即重新開(kāi)始新一輪采樣周期。同時(shí)，在7個(gè)采樣通道輪流采樣期間，將所有可屏蔽中斷關(guān)閉(A/D采樣可用查詢(xún)方式，若采用中斷方式則不能關(guān)閉A/D中斷)，以保證采樣間隔的一致性。理論和實(shí)踐證明，對信號整周期的采樣，可以最大程度的減小變換運算由于窗口效應帶來(lái)的計算誤差。
　　峰值和有效值可以用采樣數組中任意抽取的32點(diǎn)(1周期數據)計算。有效值的計算式為：