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基于87C196實現的快速無功電流檢測
摘要：提出了電力系統(tǒng)無功電流的ip－iq檢測方案，給出了用87C196單片機實現無功電流實時檢測的具體方法，該檢測系統(tǒng)不但可以快速準確地進行無功檢測，同時還可以配合TSC系統(tǒng)對系統(tǒng)無功電流進行動態(tài)補償。關鍵詞：ip－iq檢測法；無功補償；單片機；87C196
隨著電力系統(tǒng)對電能質量要求的日益提高，影響電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的無功功率及其補償問題越來越受到重視。供電系統(tǒng)中已經有大量的無功補償裝置投入運行，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態(tài)變化的工業(yè)場所，由于無功功率的大小不但隨時間在不斷變化，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確性和快速性提出了更高要求。本文提出了基于瞬時無功功率理論?１? 實現無功快速檢測，并將檢測算法在８７Ｃ１９６ＫＣ單片機上實現的方法，試驗證明，該方法具有較高的檢測精度和較快的檢測速度，是動態(tài)無功補償裝置的較佳檢測方案。
(范文先生網m.panasonaic.com收集整理)
１ 系統(tǒng)的硬件結構
無功電流檢測系統(tǒng)由模擬量變送器、模擬信號處理模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、基于單片機的微處理系統(tǒng)、鍵盤與顯示單元等組成。若需要根據無功電流的大小來控制電容器的投切，以實現無功的快速補償，也可以增加相應模塊來控制電容器的投切，如由反并聯晶閘管組成的開關模塊、晶閘管的驅動控制電路、電容器補償回路等。整個控制系統(tǒng)硬件結構如圖１所示。
圖中，ＣＰＵ模塊采用Ｉｎｔｅｌ公司生產的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）結構進行事件控制。ＨＩＳＯ口有４個輸入、６個輸出，用兩個１６位定時器／計數器作為系統(tǒng)時間基準。除此以外的相關硬件組成還有看門狗定時器、全雙工位串口（ＳＩＯ）。以及外設事務服務器（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響應中斷服務的開銷。有關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(tǒng)。因此，用其組成無功檢測系統(tǒng)結構簡單，無需大量復雜外設及外圍電路。其簡單的硬件結構設計使得整個系統(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
基于瞬時無功功率理論的ｉｐ－ｉｑ檢測法由于計算量少且有較好的實時性而得到廣泛應用?３?。在電力系統(tǒng)中，一般情況下，三相電網電壓都是對稱無畸變，假定負載電流是三相對稱的，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，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，電流的有功分量和無功分量均是瞬時交變的，除了基波分量外，還含有諧波分量。若只考慮基波，則ｎ＝１時的基波電流為：
式說明，經過上述處理后，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 。因此整個無功電流的檢測可按圖２的原理來實現。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。在單片機中實現時，也可以通過同步過零檢測來用軟件計算獲取。
３ 無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(tǒng)上電后，首先進行初始化，以對寄存器和Ｉ／Ｏ端口進行設置，然后執(zhí)行自檢程序，自檢無誤后開放外部中斷，然后進行鍵掃描，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，程序進入相應的中斷子程序。首先對程序現場進行保護，再采樣電流電壓值。系統(tǒng)根據上述檢測法和電流電壓值，計算出無功電流的有效值，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(zhí)行完畢后退出中斷，等待下一個中斷。
４ 結論
本文提出的檢測系統(tǒng)結構簡單，采用高集度度芯片進行硬件結構設計使得整個系統(tǒng)的工作可靠性和抗干擾能力均大為提高，運行可靠。同時又能快速、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)也已投入實際運行。實踐證明：該系統(tǒng)不但能在２０ｍｓ以內完成無功電流的精確檢測，同時配合ＴＳＣ系統(tǒng)還能在４０ｍｓ內完成電容投切，此外還能實現動態(tài)無功補償。因而對改善電能質量、降低損耗具有重要作用，具有很好的推廣應用價值。
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