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基于ADuC812的智能無功補償控制器的研制
摘要：摘要介紹無功補償?shù)幕驹�、方法及ADμC812單片機的特點。詳細論述了基于ADμC812單片機的無功補償控制器的結(jié)構(gòu)、原理、及電參量的檢測方法。該控制器硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、適應(yīng)性強，具有很高的推廣價值。關(guān)鍵詞：ADμC812單片機 無功補償 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、惡化了電能質(zhì)量。由于電網(wǎng)負載絕大多數(shù)呈感性，因而采用并聯(lián)電容器組，通過對并聯(lián)電容器組的投切控制來進行無功補償是一種簡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償，但這種方式僅適用于用戶負載固定、無功需求相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，不能動態(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。隨著微機控制技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，用微機進行實時檢測、跟蹤負荷的無功功率的變化并自動控制補償電路的投切，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確，快速的動態(tài)無功補償，從而達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償裝置（Static Var Compensator），簡稱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，投入時沖擊電流大，切換時會產(chǎn)生過電壓，自身觸頭易甚至熔焊，噪聲大，而且投切時間長，在控制環(huán)節(jié)上基本不能滿足分相、分級、快速及跟蹤補償?shù)囊�。也有少量的SVC以晶閘管作為執(zhí)行元件，雖能達到快速、安全的補償效果，但由于晶閘管元件價格昂貴且控制系統(tǒng)較復(fù)雜，使得這種系統(tǒng)的可靠性差，容量產(chǎn)生誤動作。
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本文介紹一種基于ADμC812單片機的智能無功補償控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、適用性強。
1 ADμC812單片機簡介
ADμC812單片機是美國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8通道5μs轉(zhuǎn)換時間且精度自校準(zhǔn)的12位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器、兩個12位的D/A轉(zhuǎn)換器、8KB的閃速/電擦除程序存儲器、640字節(jié)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器、80C52單片機的內(nèi)核。其它的一些重要功能模塊包括：一個看門狗定時器和電源監(jiān)控器、A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)存儲器之間的DMA電路、存儲保護電路、SPI和I2C總線接口。ADμC812優(yōu)點之一是集成了一個完全可編程的、自校準(zhǔn)、高精度的模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADμC812另一個優(yōu)點是它采用了閃速/電擦除存儲器，輔之以內(nèi)含的加載器和調(diào)試軟件，使系統(tǒng)的設(shè)計、編程、調(diào)試簡便。另外，它的靜CPU操作以及空閑和掉電方式，對于電池供電的測控設(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內(nèi)容可參看參考文獻[2]。
2 控制器的硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單，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。簡單的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計使得整個系統(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，既滿足了補償電容無沖擊電流投切的要求，同時也有效地克服了執(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，檢測模塊在A相電壓正向過零時刻產(chǎn)生中斷觸發(fā)脈沖的下降沿，系統(tǒng)進入中斷。系統(tǒng)在中斷程序運動過程中測得電網(wǎng)無功電流及基波電壓的有效值，從而計算出電網(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)繼電器動作，投入或切除補償電容器，從而達到補償無功功率的目。
2.2 無功電流的檢測及補償容量的確定
無功電流的檢測原理很簡單，負載電流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，il(2kπ)=Iqm，即只要測量在相電壓正向過零時的負載電流，就知對應(yīng)的無功電流的最大值IqM。將該IqM換算成有效值Iq即可計算出一相的無功分量進而得到總的無功分量。這種無功電流的檢測方法簡單、快速，各相在一個周期內(nèi)只要采樣一次即可滿足基波動態(tài)補償?shù)囊蟆?/p>
系統(tǒng)對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，負載的電流就由網(wǎng)端電流is和電容器補償電流ic共同承擔(dān)。Ic為一純無功電流，若能使ic=iq，則is=il-ic=ip，實現(xiàn)了無功功率的完全補償。由無功補償原理可知，全補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，表明系統(tǒng)處于過補償狀態(tài)，應(yīng)切除相應(yīng)容量的電容器；若IqM為負，則ΔC為正，表明系統(tǒng)處于欠補償狀態(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，為提高動態(tài)補償?shù)木_性，應(yīng)將電容器的標(biāo)稱容量換算成實際電網(wǎng)電壓下的實際容量。
2.3 過零檢測電路
圖3為按上述思想設(shè)計的電壓正向過零檢測電路。220V的交流電首先經(jīng)過電阻分壓，然后進行光電耦合，假設(shè)輸入的是A相電壓，則在A相電壓由負半周向正半周轉(zhuǎn)換時，圖中三極管導(dǎo)通并工作在飽和狀態(tài)，會產(chǎn)生一個下降沿脈沖送入ADμC812的INT0引腳使系統(tǒng)進入中斷程序。微機系統(tǒng)進入中斷程序后，發(fā)出采樣命令并從采樣保持器讀取無功電流值Iqm，這個無功電流即為A相的無功電流，經(jīng)過1/4個周期電壓達到最大值，此時對電壓進行采樣，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刻和達到最大值時刻可以精確地計算得到，在t1時刻微機系統(tǒng)運行中斷程序，采集A相的無功電流，并同時啟動定時程序，在t2時刻采集A相電壓最大值，以此類推，在t3時刻測得B相無功電流最大值，在t4時刻測得B相電壓最大值，在t5時刻測得C相無功電流最大值，在t6時刻測得C相電壓最大值，然后系統(tǒng)便進入下一個采樣循環(huán)。由于單片機的額定工作頻率為12MHz，遠大于電網(wǎng)基波頻率50Hz，因此系統(tǒng)在各個采樣間隔內(nèi)完全有充足的時間對采樣結(jié)果進行處理，并以盡可能少的硬件投入，實現(xiàn)了系統(tǒng)所需各種電參量的檢測。
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)信號合成一起輸入到ADμC812單片機的INT1端口。有鍵按下時，系統(tǒng)進入鍵盤中斷服務(wù)程序，判斷哪個鍵被按下，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)的實際情況，設(shè)置為三相共補或分相補償）等；按“切換”鍵可進行手動/自動補償切換；相應(yīng)時刻按“加”、“減”鍵可以修改電流和電壓的保護值，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，顯示電網(wǎng)的功率因數(shù)；有按鍵按下時根據(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
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，首先進行初始化，對寄存器和I/O端口進行設(shè)置，然后執(zhí)行自檢程序，自檢測無誤后開放外部中斷，等待A相的正向過零中斷信號和用戶操作鍵盤的中斷信號。當(dāng)接收到過零中斷時，系統(tǒng)按一定的時序檢測無功電流和電壓值，分別計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，等待下一個中斷循環(huán)。系統(tǒng)在每個中斷循環(huán)內(nèi)還把測得的電流值和電壓值與設(shè)定的超限保護值進行比較，超限時報警并采取保護動作。當(dāng)接收到鍵盤中斷時，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，降低了對控制器中速度要求，又可以使信號的測量時序精確可靠。ADμ812具有在系統(tǒng)可編程的特點，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把它與計算機的串行口相連，運行下載程序就可以把程序?qū)懭階DμC812的閃速/電擦除程序存儲器，因此可以進行在線程序調(diào)試。同時也可以將其作為后備資源，用來實現(xiàn)多機之間相互通訊或與上位機通訊。
4 系統(tǒng)的特點
（1）結(jié)構(gòu)簡單，采用高度集度芯片簡化了電路，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）運動可靠，抗干擾的能力強，不會產(chǎn)生誤動作，在電網(wǎng)波動較大時有自保護功能。
（4）適用范圍廣，考慮三相不平衡情況，三相共補與三相分補相統(tǒng)一，不需改變硬件和軟件的結(jié)構(gòu)，只要根據(jù)實際需要進行設(shè)置并在外部接線方式上做簡單改動即可實現(xiàn)。
本文設(shè)計的智能無功補償器可以方便地用于低壓變（配）電站的功率補償，對改善電能質(zhì)量、降低損耗具有重要作用，有很好的推廣應(yīng)用價值。
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