數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電力網(wǎng)無功補(bǔ)償中的應(yīng)用

Application of DSP Technique in Reactive Compensation of Power N etwork

LIU Huancheng

(Mailbox 26, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

　　Key words: DSP(digital signal processing); digital filtering; reactive power compensation; spectral analysis; power factor

　　圖1是并聯(lián)電容器靜止補(bǔ)償器(SVC)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖。其中檢測(cè)控制器部分是系統(tǒng)的核心模塊。該模塊由80C196KC MCU、電壓和電流的信號(hào)調(diào)理電路、輸出報(bào)警、控制輸出電路及為80C196KC工作而擴(kuò)展的程序及數(shù)據(jù)存貯器等部分構(gòu)成。80C196KC為16位單片機(jī)，運(yùn)行速度高，數(shù)據(jù)處理快，并有很強(qiáng)的中斷功能。另外80C196KC上自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率及精度足以滿足工業(yè)控制的精度要求。

　　80C196KC通過對(duì)量化的電壓、電流信號(hào)的處理，得到電力網(wǎng)各相的峰值、有效值、功率及功率因數(shù)后，決策是否進(jìn)行電容的投、切或報(bào)警，并通過電容投、切執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)電容的投、切。電容投、切執(zhí)行器模塊負(fù)責(zé)在電壓過零點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償電容進(jìn)行投、切，以降低投、切電容對(duì)電網(wǎng)的影響并保證系統(tǒng)電容器組的安全。

　　實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的工作流程如圖2所示。80C196KC經(jīng)初始化后，開始對(duì)7個(gè)A/D通道進(jìn)行周期采樣。實(shí)現(xiàn)原理如下：利用80C196KC的HSO觸發(fā)T2(定時(shí)器2)復(fù)位事件，由該事件產(chǎn)生一個(gè)軟定時(shí)器中斷,在該中斷服務(wù)程序中逐個(gè)通道啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D采樣結(jié)果存入數(shù)組內(nèi)(HSO觸發(fā)定時(shí)中斷的流程圖略)。當(dāng)完成一組可供80C196K CMCU處理的數(shù)據(jù)后，置采樣數(shù)據(jù)完成標(biāo)志 ，接著進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)采樣。
　　采樣數(shù)據(jù)要能夠?qū)崿F(xiàn)80C196KC對(duì)被監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)域和頻域分析的需要。其中包括電壓峰值的檢測(cè)、各相電壓、電流有效值的計(jì)算、各相電壓電流之間相位差的計(jì)算，從而計(jì)算出各相交流電的無功功率、并對(duì)各相電壓、電流的諧波譜分析等。設(shè)計(jì)要求能對(duì)15次以下的諧波含有量進(jìn)行分析，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于兩倍信號(hào)譜的最高頻率(Ωs＞2Ωh)，15次諧波的頻率的2倍為1.5kHz；考慮到利用基-2的FFT算法，每個(gè)交流信號(hào)周期采樣32點(diǎn)，則：
　　
滿足采樣定理要求。其次是采樣數(shù)問題，為了提高譜線的分辨率，進(jìn)行DFT的數(shù)組長(zhǎng)度愈長(zhǎng)愈好，但這是以消耗長(zhǎng)時(shí)間為代價(jià)的?？紤]時(shí)間因素，DFT的數(shù)組長(zhǎng)度定在256(8個(gè)基波周期)。工作于20MHz的80C196KC進(jìn)行一次DFT所需時(shí)間約為1.3s，可實(shí)現(xiàn) 高精度信號(hào)譜分 析。最后，A/D采樣的間隔必須足夠準(zhǔn)確，這就要求HSO觸發(fā)定時(shí)中斷周期不受其他中斷的影響。采用如下技術(shù)實(shí)現(xiàn)：程序中對(duì)每個(gè)高于HSO的中斷源在中斷服務(wù)程序中都設(shè)有進(jìn)入中斷標(biāo)志位。在啟動(dòng)一個(gè)采樣周期時(shí)，將這些中斷標(biāo)志位清零；在采樣周期中，若MCU發(fā)現(xiàn)中斷標(biāo)志位不為零，則舍棄已采數(shù)據(jù)，立即重新開始新一輪采樣周期。同時(shí)，在7個(gè)采樣通道輪流采樣期間，將所有可屏蔽中斷關(guān)閉(A/D采樣可用查詢方式，若采用中斷方式則不能關(guān)閉A/D中斷)，以保證采樣間隔的一致性。理論和實(shí)踐證明，對(duì)信號(hào)整周期的采樣，可以最大程度的減小變換運(yùn)算由于窗口效應(yīng)帶來的計(jì)算誤差。
　　峰值和有效值可以用采樣數(shù)組中任意抽取的32點(diǎn)(1周期數(shù)據(jù))計(jì)算。有效值的計(jì)算式為：