基于87C196實(shí)現(xiàn)的快速無(wú)功電流檢測(cè)
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摘要:提出了電力系統(tǒng)無(wú)功電流的ip-iq檢測(cè)方案,給出了用87C196單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)的具體方法,該檢測(cè)系統(tǒng)不但可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行無(wú)功檢測(cè),同時(shí)還可以配合TSC系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
隨著電力系統(tǒng)對(duì)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(wú)功功率及其補(bǔ)償問題越來(lái)越受到重視。供電系統(tǒng)中已經(jīng)有大量的無(wú)功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行,這對(duì)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(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(wěn)定電壓,通常要求無(wú)功補(bǔ)償裝置能快速跟隨無(wú)功電流變化,這無(wú)疑對(duì)無(wú)功電流檢測(cè)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(wú)功功率理論?1? 實(shí)現(xiàn)無(wú)功快速檢測(cè),并將檢測(cè)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(cè)精度和較快的檢測(cè)速度,是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的較佳檢測(cè)方案。
1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
無(wú)功電流檢測(cè)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(wú)功電流的大小來(lái)控制電容器的投切,以實(shí)現(xiàn)無(wú)功的快速補(bǔ)償,也可以增加相應(yīng)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(wú)功檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)需大量復(fù)雜外設(shè)及外圍電路。其簡(jiǎn)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(wú)功電流的檢測(cè)原理
基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq檢測(cè)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(duì)稱無(wú)畸變,假定負(fù)載電流是三相對(duì)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),只取+號(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(duì)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(wú)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(wú)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(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(wú)功電流分量的√3 倍 。因此整個(gè)無(wú)功電流的檢測(cè)可按圖2的原理來(lái)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(cè)來(lái)用軟件計(jì)算獲取。
3 無(wú)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(duì)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(wú)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(cè)觸發(fā)的中斷子程序。
圖3(b)為接收到同步檢測(cè)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(cè)信號(hào)后,程序進(jìn)入相應(yīng)的中斷子程序。首先對(duì)程序現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保護(hù),再采樣電流電壓值。系統(tǒng)根據(jù)上述檢測(cè)法和電流電壓值,計(jì)算出無(wú)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(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)出無(wú)功電流。按照本文提出的檢測(cè)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(wú)功電流的精確檢測(cè),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(wú)功補(bǔ)償。因而對(duì)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。