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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系統對系統無功電流進行動態補償。關鍵詞：ip－iq檢測法；無功補償；單片機；87C196
隨著電力系統對電能質量要求的日益提高，影響電力系統電壓穩定的無功功率及其補償問題越來越受到重視。供電系統中已經有大量的無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，在類似于軋鋼等無功功率動態變化的工業場所，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，是動態無功補償裝置的較佳檢測方案。
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１ 系統的硬件結構
無功電流檢測系統由模擬量變送器、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、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。因此，用其組成無功檢測系統結構簡單，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，只取＋號，即只取ｎ＝１），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（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，如果有鍵按下則執行鍵處理后再執行顯示程序。沒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，以等待同步檢測觸發的中斷子程序。
圖３（ｂ）為接收到同步檢測信號后觸發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也已投入實際運行。實踐證明：該系統不但能在２０ｍｓ以內完成無功電流的精確檢測，同時配合ＴＳＣ系統還能在４０ｍｓ內完成電容投切，此外還能實現動態無功補償。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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