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基于ADuC812的智能無功補(bǔ)償控制器的研制
摘要：摘要介紹無功補(bǔ)償?shù)幕驹怼⒎椒癆DμC812單片機(jī)的特點(diǎn)。詳細(xì)論述了基于ADμC812單片機(jī)的無功補(bǔ)償控制器的結(jié)構(gòu)、原理、及電參量的檢測(cè)方法。該控制器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)，具有很高的推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：ADμC812單片機(jī) 無功補(bǔ)償 固態(tài)繼電器
任何輸配電設(shè)備和用電裝置都不可能是純阻性負(fù)載，因此它們必然要占用一定的無功功率。無功電流的存在使線路總電流增大，因而增大了輸配電線路的有功損耗，造成電壓下降、電能浪費(fèi)、惡化了電能質(zhì)量。由于電網(wǎng)負(fù)載絕大多數(shù)呈感性，因而采用并聯(lián)電容器組，通過對(duì)并聯(lián)電容器組的投切控制來進(jìn)行無功補(bǔ)償是一種簡(jiǎn)單易于的措施并已得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)方式采用固定電容補(bǔ)償，但這種方式僅適用于用戶負(fù)載固定、無功需求相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，不能動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)的無功功率的變化，而且還有可能和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)振導(dǎo)致諧波放大，因而并聯(lián)固定電容的方法目前正逐漸被淘汰。隨著微機(jī)控制技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，用微機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、跟蹤負(fù)荷的無功功率的變化并自動(dòng)控制補(bǔ)償電路的投切，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確，快速的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，從而達(dá)到降低配電線路的線損、改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的目的。這就是所為的靜止無功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator），簡(jiǎn)稱SVC。目前常用的SVC大多以接觸器作為電容器投切的執(zhí)行元件，投入時(shí)沖擊電流大，切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生過電壓，自身觸頭易甚至熔焊，噪聲大，而且投切時(shí)間長(zhǎng)，在控制環(huán)節(jié)上基本不能滿足分相、分級(jí)、快速及跟蹤補(bǔ)償?shù)囊�。也有少量的SVC以晶閘管作為執(zhí)行元件，雖能達(dá)到快速、安全的補(bǔ)償效果，但由于晶閘管元件價(jià)格昂貴且控制系統(tǒng)較復(fù)雜，使得這種系統(tǒng)的可靠性差，容量產(chǎn)生誤動(dòng)作。
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本文介紹一種基于ADμC812單片機(jī)的智能無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、適用性強(qiáng)。
1 ADμC812單片機(jī)簡(jiǎn)介
ADμC812單片機(jī)是美國(guó)AD公司新推出的具有真正意義上的完整的數(shù)據(jù)采集芯片。其組成為：一個(gè)8通道5μs轉(zhuǎn)換時(shí)間且精度自校準(zhǔn)的12位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器、8KB的閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器、640字節(jié)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、80C52單片機(jī)的內(nèi)核。其它的一些重要功能模塊包括：一個(gè)看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)控器、A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的DMA電路、存儲(chǔ)保護(hù)電路、SPI和I2C總線接口。ADμC812優(yōu)點(diǎn)之一是集成了一個(gè)完全可編程的、自校準(zhǔn)、高精度的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADμC812另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它采用了閃速/電擦除存儲(chǔ)器，輔之以內(nèi)含的加載器和調(diào)試軟件，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試簡(jiǎn)便。另外，它的靜CPU操作以及空閑和掉電方式，對(duì)于電池供電的測(cè)控設(shè)備來說都是至關(guān)重要的性能。有關(guān)ADμC812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]。
2 控制器的硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖1所示，主要芯片有ADμC812、8255和ADM202，而且串行口電平轉(zhuǎn)換芯片ADM202在程序?qū)懭氩⒄{(diào)試成功后可以取掉。簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個(gè)系統(tǒng)的工作可靠性的抗干擾能力均大為提高。另一方面，電容器的投切控制元件采用大功率的過零型固態(tài)繼電器SSR，由于該元件本身封裝有過零觸發(fā)模塊且自行工作不需CPU控制，既滿足了補(bǔ)償電容無沖擊電流投切的要求，同時(shí)也有效地克服了執(zhí)行元件采用晶閘管控制模塊所帶來的控制復(fù)雜及易受干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作的弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2.1 系統(tǒng)的基本工作原理
控制器在上電初始化后即打開INT0中斷，檢測(cè)模塊在A相電壓正向過零時(shí)刻產(chǎn)生中斷觸發(fā)脈沖的下降沿，系統(tǒng)進(jìn)入中斷。系統(tǒng)在中斷程序運(yùn)動(dòng)過程中測(cè)得電網(wǎng)無功電流及基波電壓的有效值，從而計(jì)算出電網(wǎng)無功功率的盈缺量。系統(tǒng)以此盈缺量并輔之以電網(wǎng)電壓作為投切判據(jù)，控制固態(tài)繼電器動(dòng)作，投入或切除補(bǔ)償電容器，從而達(dá)到補(bǔ)償無功功率的目。
2.2 無功電流的檢測(cè)及補(bǔ)償容量的確定
無功電流的檢測(cè)原理很簡(jiǎn)單，負(fù)載電流il(t)=ip(t)+iq(t)，其中ip(t)和iq(t)分別是有功電流分量和無功電流分量。當(dāng)ωt=2kπ時(shí)，il(2kπ)=Iqm，即只要測(cè)量在相電壓正向過零時(shí)的負(fù)載電流，就知對(duì)應(yīng)的無功電流的最大值IqM。將該IqM換算成有效值Iq即可計(jì)算出一相的無功分量進(jìn)而得到總的無功分量。這種無功電流的檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、快速，各相在一個(gè)周期內(nèi)只要采樣一次即可滿足基波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>
系統(tǒng)對(duì)Iq的處理原理可借助于圖2來說明：當(dāng)某一電容器組被投入電網(wǎng)后，負(fù)載的電流就由網(wǎng)端電流is和電容器補(bǔ)償電流ic共同承擔(dān)。Ic為一純無功電流，若能使ic=iq，則is=il-ic=ip，實(shí)現(xiàn)了無功功率的完全補(bǔ)償。由無功補(bǔ)償原理可知，全補(bǔ)償所需投或切的電容器容量為
，式中ω=314，U為電網(wǎng)電壓有效值。若IqM為正，則ΔC為負(fù)，表明系統(tǒng)處于過補(bǔ)償狀態(tài)，應(yīng)切除相應(yīng)容量的電容器；若IqM為負(fù)，則ΔC為正，表明系統(tǒng)處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，應(yīng)增投相應(yīng)容量的電容器。需要注意的是，要根據(jù)ΔC確定需投入或切斷的電容器組時(shí)，為提高動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)木_性，應(yīng)將電容器的標(biāo)稱容量換算成實(shí)際電網(wǎng)電壓下的實(shí)際容量。
2.3 過零檢測(cè)電路
圖3為按上述思想設(shè)計(jì)的電壓正向過零檢測(cè)電路。220V的交流電首先經(jīng)過電阻分壓，然后進(jìn)行光電耦合，假設(shè)輸入的是A相電壓，則在A相電壓由負(fù)半周向正半周轉(zhuǎn)換時(shí)，圖中三極管導(dǎo)通并工作在飽和狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖送入ADμC812的INT0引腳使系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序。微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序后，發(fā)出采樣命令并從采樣保持器讀取無功電流值Iqm，這個(gè)無功電流即為A相的無功電流，經(jīng)過1/4個(gè)周期電壓達(dá)到最大值，此時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，得到UM，由UM=1.414U可以得到電壓有效值U。
由于A、B、C三相交流電之間的相位差是2π/3，如圖4所示，所示各相電壓的正向過零時(shí)刻和達(dá)到最大值時(shí)刻可以精確地計(jì)算得到，在t1時(shí)刻微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中斷程序，采集A相的無功電流，并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)程序，在t2時(shí)刻采集A相電壓最大值，以此類推，在t3時(shí)刻測(cè)得B相無功電流最大值，在t4時(shí)刻測(cè)得B相電壓最大值，在t5時(shí)刻測(cè)得C相無功電流最大值，在t6時(shí)刻測(cè)得C相電壓最大值，然后系統(tǒng)便進(jìn)入下一個(gè)采樣循環(huán)。由于單片機(jī)的額定工作頻率為12MHz，遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率50Hz，因此系統(tǒng)在各個(gè)采樣間隔內(nèi)完全有充足的時(shí)間對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行處理，并以盡可能少的硬件投入，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需各種電參量的檢測(cè)。
2.4 鍵盤和液晶顯示電路
本系統(tǒng)控制器的鍵盤采用中斷工作方式，這四個(gè)按鍵分別是“設(shè)置”、“加”、“減”和“切換”，通過“與”門電路把這些低電平觸發(fā)信號(hào)合成一起輸入到ADμC812單片機(jī)的INT1端口。有鍵按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤中斷服務(wù)程序，判斷哪個(gè)鍵被按下，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。通過按“設(shè)置”鍵可以查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電流和電壓的超限保護(hù)值、電網(wǎng)參數(shù)及系統(tǒng)的工作模式（即根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況，設(shè)置為三相共補(bǔ)或分相補(bǔ)償）等；按“切換”鍵可進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)補(bǔ)償切換；相應(yīng)時(shí)刻按“加”、“減”鍵可以修改電流和電壓的保護(hù)值，以及投切電容。
液晶顯示電路采用串行輸入的4字節(jié)數(shù)碼顯示器。在無按鍵按下時(shí)，顯示電網(wǎng)的功率因數(shù)；有按鍵按下時(shí)根據(jù)其功能不同而顯示不同的數(shù)據(jù)。
3 控制器的軟件設(shè)計(jì)
控制器的軟件由Franklin C51編譯器編寫而成，軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，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，自檢測(cè)無誤后開放外部中斷，等待A相的正向過零中斷信號(hào)和用戶操作鍵盤的中斷信號(hào)。當(dāng)接收到過零中斷時(shí)，系統(tǒng)按一定的時(shí)序檢測(cè)無功電流和電壓值，分別計(jì)算各相無功功率的盈缺量，得到各相的應(yīng)該投切的電容量ΔC，驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器投切電容器，執(zhí)行完畢后退出中斷，等待下一個(gè)中斷循環(huán)。系統(tǒng)在每個(gè)中斷循環(huán)內(nèi)還把測(cè)得的電流值和電壓值與設(shè)定的超限保護(hù)值進(jìn)行比較，超限時(shí)報(bào)警并采取保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)接收到鍵盤中斷時(shí)，系統(tǒng)立即響應(yīng)并根據(jù)按下的鍵執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成后退出鍵盤中斷程序。
由于系統(tǒng)軟件采用中斷方式，降低了對(duì)控制器中速度要求，又可以使信號(hào)的測(cè)量時(shí)序精確可靠。ADμ812具有在系統(tǒng)可編程的特點(diǎn)，不需要專用的編程器寫入程序，只要用串行口電平轉(zhuǎn)換芯片ADM202把它與計(jì)算機(jī)的串行口相連，運(yùn)行下載程序就可以把程序?qū)懭階DμC812的閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器，因此可以進(jìn)行在線程序調(diào)試。同時(shí)也可以將其作為后備資源，用來實(shí)現(xiàn)多機(jī)之間相互通訊或與上位機(jī)通訊。
4 系統(tǒng)的特點(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用高度集度芯片簡(jiǎn)化了電路，縮小了控制器的體積，便于加工安裝。
（2）操作方便，使用四個(gè)按鍵，根據(jù)液晶顯示器的提示就可以完成多種功能操作。
（3）運(yùn)動(dòng)可靠，抗干擾的能力強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，在電網(wǎng)波動(dòng)較大時(shí)有自保護(hù)功能。
（4）適用范圍廣，考慮三相不平衡情況，三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相統(tǒng)一，不需改變硬件和軟件的結(jié)構(gòu)，只要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置并在外部接線方式上做簡(jiǎn)單改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。
本文設(shè)計(jì)的智能無功補(bǔ)償器可以方便地用于低壓變（配）電站的功率補(bǔ)償，對(duì)改善電能質(zhì)量、降低損耗具有重要作用，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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