用87C196實(shí)現快速無(wú)功電流檢測方案

隨著(zhù)電力系統對電能質(zhì)量要求的日益提高，影響電力系統電壓穩定的無(wú)功功率及其補償問(wèn)題越來(lái)越受到重視。供電系統中已經(jīng)有大量的無(wú)功補償裝置投入運行，這對電力系統的穩定起到了一定的作用。然而，在類(lèi)似于軋鋼等無(wú)功功率動(dòng)態(tài)變化的工業(yè)場(chǎng)所，由于無(wú)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。為了獲取穩定電壓，通常要求無(wú)功補償裝置能快速跟隨無(wú)功電流變化，這無(wú)疑對無(wú)功電流檢測的準確性和快速性提出了更高要求。本文提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論?１? 實(shí)現無(wú)功快速檢測，并將檢測算法在８７Ｃ１９６ＫＣ單片機上實(shí)現的方法，試驗證明，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(wú)功補償裝置的較佳檢測方案。

１　系統的硬件結構

無(wú)功電流檢測系統由模擬量變送器、模擬信號處理模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、基于單片機的微處理系統、鍵盤(pán)與顯示單元等組成。若需要根據無(wú)功電流的大小來(lái)控制電容器的投切，以實(shí)現無(wú)功的快速補償，也可以增加相應模塊來(lái)控制電容器的投切，如由反并聯(lián)晶閘管組成的開(kāi)關(guān)模塊、晶閘管的驅動(dòng)控制電路、電容器補償回路等。整個(gè)控制系統硬件結構如圖１所示。

圖中，ＣＰＵ模塊采用Ｉｎｔｅｌ公司生產(chǎn)的８７Ｃ１９６ＫＣ單片機，該芯片內部有８位和１０位可編程采集和轉換時(shí)間的Ａ／Ｄ變換、 １６ｋＢ ＲＯＭ以及４８８Ｂ寄存器ＲＡＭ，它的主頻可運行到２０ＭＨｚ。８７Ｃ１９６ＫＣ采用高速輸入／輸出（ＨＩＳＯ）結構進(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／計數器作為系統時(shí)間基準。除此以外的相關(guān)硬件組成還有看門(mén)狗定時(shí)器、全雙工位串口（ＳＩＯ）。以及外設事務(wù)服務(wù)器（ＰＴＳ），它由微代碼處理中斷事件，類(lèi)似于ＤＭＡ通道方法，這樣可以大大減少ＣＰＵ響應中斷服務(wù)的開(kāi)銷(xiāo)。有關(guān)８７Ｃ１９６ＫＣ的引腳功能、控制命令格式等詳細內容可參看參考文獻?２?。由于８７Ｃ１９６ＫＣ集成了完全可編程、自校準、高精度的模擬數據采集系統。因此，用其組成無(wú)功檢測系統結構簡(jiǎn)單，無(wú)需大量復雜外設及外圍電路。其簡(jiǎn)單的硬件結構設計使得整個(gè)系統的工作可靠性和抗干擾能力大為提高。

２ 無(wú)功電流的檢測原理

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

式中ｎ＝３ｋ±１，其中ｋ為整數（當ｋ＝０時(shí)，只?。?，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，其表達式為：

為了更方便地分解出電流的有功和無(wú)功分量，應將坐標系變換到與電源電壓同步旋轉的ｄｑ坐標系中，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(wú)功分量。假定由α－β坐標變換到ｄｑ坐標的變換矩陣為Ｃ，則有：

由式（５）可見(jiàn)，電流的有功分量和無(wú)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(shuō)明，經(jīng)過(guò)上述處理后，通過(guò)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(wú)功電流分量的√３ 倍 。因此整個(gè)無(wú)功電流的檢測可按圖２的原理來(lái)實(shí)現。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）和正余弦信號生成電路得到。在單片機中實(shí)現時(shí)，也可以通過(guò)同步過(guò)零檢測來(lái)用軟件計算獲取。

３　無(wú)功電流計算的程序流程

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)行設置，然后執行自檢程序，自檢無(wú)誤后開(kāi)放外部中斷，然后進(jìn)行鍵掃描，如果有鍵按下則執行鍵處理后再執行顯示程序。沒(méi)鍵按下則直接執行顯示程序。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后觸發(fā)的中斷子程序流程圖。當接收到同步檢測信號后，程序進(jìn)入相應的中斷子程序。首先對程序現場(chǎng)進(jìn)行保護，再采樣電流電壓值。系統根據上述檢測法和電流電壓值，計算出無(wú)功電流的有效值，并依據該電流有效值計算哪些支路需要投切，并輸出投切指令。執行完畢后退出中斷，等待下一個(gè)中斷。

４ 結論

本文提出的檢測系統結構簡(jiǎn)單，采用高集度度芯片進(jìn)行硬件結構設計使得整個(gè)系統的工作可靠性和抗干擾能力均大為提高，運行可靠。同時(shí)又能快速、精確地檢測出無(wú)功電流。按照本文提出的檢測方法制作的硬件系統也已投入實(shí)際運行。實(shí)踐證明：該系統不但能在２０ｍｓ以?xún)韧瓿蔁o(wú)功電流的精確檢測，同時(shí)配合ＴＳＣ系統還能在４０ｍｓ內完成電容投切，此外還能實(shí)現動(dòng)態(tài)無(wú)功補償。因而對改善電能質(zhì)量、降低損耗具有重要作用，具有很好的推廣應用價(jià)值。