用87C196实现快速无功电流检测方案

随着电力系统对电能质量要求的日益提高，影响电力系统电压稳定的无功功率及其补偿问题越来越受到重视。供电系统中已经有大量的无功补偿装置投入运行，这对电力系统的稳定起到了一定的作用。然而，在类似于轧钢等无功功率动态变化的工业场所，由于无功功率的大小不但随时间在不断变化，而且变化的速度很快。为了获取稳定电压，通常要求无功补偿装置能快速跟随无功电流变化，这无疑对无功电流检测的准确性和快速性提出了更高要求。本文提出了基于瞬时无功功率理论?１? 实现无功快速检测，并将检测算法在８７Ｃ１９６ＫＣ单片机上实现的方法，试验证明，该方法具有较高的检测精度和较快的检测速度，是动态无功补偿装置的较佳检测方案。

１　系统的硬件结构

无功电流检测系统由模拟量变送器、模拟信号处理模块、开关量输入模块、开关量输出模块、基于单片机的微处理系统、键盘与显示单元等组成。若需要根据无功电流的大小来控制电容器的投切，以实现无功的快速补偿，也可以增加相应模块来控制电容器的投切，如由反并联晶闸管组成的开关模块、晶闸管的驱动控制电路、电容器补偿回路等。整个控制系统硬件结构如图１所示。

图中，ＣＰＵ模块采用Ｉｎｔｅｌ公司生产的８７Ｃ１９６ＫＣ单片机，该芯片内部有８位和１０位可编程采集和转换时间的Ａ／Ｄ变换、 １６ｋＢ ＲＯＭ以及４８８Ｂ寄存器ＲＡＭ，它的主频可运行到２０ＭＨｚ。８７Ｃ１９６ＫＣ采用高速输入／输出（ＨＩＳＯ）结构进行事件控制。ＨＩＳＯ口有４个输入、６个输出，用两个１６位定时器／计数器作为系统时间基准。除此以外的相关硬件组成还有看门狗定时器、全双工位串口（ＳＩＯ）。以及外设事务服务器（ＰＴＳ），它由微代码处理中断事件，类似于ＤＭＡ通道方法，这样可以大大减少ＣＰＵ响应中断服务的开销。有关８７Ｃ１９６ＫＣ的引脚功能、控制命令格式等详细内容可参看参考文献?２?。由于８７Ｃ１９６ＫＣ集成了完全可编程、自校准、高精度的模拟数据采集系统。因此，用其组成无功检测系统结构简单，无需大量复杂外设及外围电路。其简单的硬件结构设计使得整个系统的工作可靠性和抗干扰能力大为提高。

２ 无功电流的检测原理

基于瞬时无功功率理论的ｉｐ－ｉｑ检测法由于计算量少且有较好的实时性而得到广泛应用?３?。在电力系统中，一般情况下，三相电网电压都是对称无畸变，假定负载电流是三相对称的，考虑到负载电流可能含有谐波，因而其电压、电流表达式可以表示为：

式中ｎ＝３ｋ±１，其中ｋ为整数（当ｋ＝０时，只取＋号，即只取ｎ＝１），ω为电源角频率，Ｉｎ、?ｎ为各次电流的有效值和初相角（基波初相角即相对于基波电压的相位差）。

将三相电流变换到α－β两相正交坐标上可以得到瞬时电流ｉα和ｉβ。

式２中，Ｃ３２为变换矩阵，其表达式为：

为了更方便地分解出电流的有功和无功分量，应将坐标系变换到与电源电压同步旋转的ｄｑ坐标系中，并使ｄ轴与电源电压同相位，这样，变换后的ｄ轴即为有功分量，ｑ轴分量则是无功分量。假定由α－β坐标变换到ｄｑ坐标的变换矩阵为Ｃ，则有：

由式（５）可见，电流的有功分量和无功分量均是瞬时交变的，除了基波分量外，还含有谐波分量。若只考虑基波，则ｎ＝１时的基波电流为：

式说明，经过上述处理后，通过低通滤波获得的直流分量ｉｐ和ｉｑ分别为基波电流有功电流分量和无功电流分量的√３ 倍 。因此整个无功电流的检测可按图２的原理来实现。在变换矩阵Ｃ中ｓｉｎωｔ及ｃｏｓωｔ是与ａ相电压ｅａ同相的，可用锁相环（ＰＬＬ）和正余弦信号生成电路得到。在单片机中实现时，也可以通过同步过零检测来用软件计算获取。

３　无功电流计算的程序流程

图３是该控制器软件流程，图３（ａ）为主程序流程图。系统上电后，首先进行初始化，以对寄存器和Ｉ／Ｏ端口进行设置，然后执行自检程序，自检无误后开放外部中断，然后进行键扫描，如果有键按下则执行键处理后再执行显示程序。没键按下则直接执行显示程序。之后再回到主程序的键扫描步骤，如此不断循环，以等待同步检测触发的中断子程序。

    图３（ｂ）为接收到同步检测信号后触发的中断子程序流程图。当接收到同步检测信号后，程序进入相应的中断子程序。首先对程序现场进行保护，再采样电流电压值。系统根据上述检测法和电流电压值，计算出无功电流的有效值，并依据该电流有效值计算哪些支路需要投切，并输出投切指令。执行完毕后退出中断，等待下一个中断。

４ 结论

本文提出的检测系统结构简单，采用高集度度芯片进行硬件结构设计使得整个系统的工作可靠性和抗干扰能力均大为提高，运行可靠。同时又能快速、精确地检测出无功电流。按照本文提出的检测方法制作的硬件系统也已投入实际运行。实践证明：该系统不但能在２０ｍｓ以内完成无功电流的精确检测，同时配合ＴＳＣ系统还能在４０ｍｓ内完成电容投切，此外还能实现动态无功补偿。因而对改善电能质量、降低损耗具有重要作用，具有很好的推广应用价值。