基于单片机的电力补偿装置控制系统设计

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摘　要：以80C196KC单片机为核心的电力补偿控制系统，通过模拟输入电路对三相电压、电流进行采样，计算后通过输出单元控制电容器的投切，从而实现对电网无功功率的补偿。本文介绍了系统硬件和软件的设计方法。
关键词：电力补偿；80C196KC；控制系统；单片机

　　电力补偿装置是对电网实施无功补偿，提高电网的功率因数，让无功功率基本就地平衡，降低线损，改善电压质量和提高线路及变压器的输送能力。目前在电力补偿系统中有多种补偿方法，本文中的补偿系统是根据寻优负序电流最小进行补偿的。系统计算需要对交流电一个周期20 ms内对单相电压u、电流I进行采样，要求一个周期内采样次数至少在100次以上。针对这一特点，设计了基于80C196KC的控制系统。Intel公司的高性能16 b单片机80C196KC，其运算速度快，能够满足系统高速采样的要求。

1　系统硬件设计
　　本系统的硬件部分主要由采样输入电路、中央控制单元、程序存储单元、输出驱动电路4部分组成。系统总体框图如图1所示。

1．1　模拟输入电路
　　系统中数据采集所使用的传感器为电压互感器和电流互感器，需要分别采集三相的电压和电流，共需要六路输入。80C196KC内有一个逐次逼近型的A／D转换器，共有8个输入通道。其输入引脚ACH0～ACH7与P0．0～P0．7共享。内部的A／D转换器8 b／10 b可调，自带采样、保持电路，这样减少了外围电路，也减少了干扰和干扰源，增加了系统的稳定性和抗干扰性，并且减少了控制板的尺寸。在本系统中采用10 b转换方式。

　　为了保护A／D转换器，增加可靠性，在A／D通道的输入端，可采用如图2所示的输入接口电路。

　　其中2个二极管D1和D2起过载保护作用，当输入电压高于VREF＋0．7 V左右时，D1导通，输入电平被箝位在VREF＋0．7 V的水平上；当输入电压低于－0．7 V的水平上。这种过载往往是尖峰干扰，持续时间很短。MCS-96的技术条件规定模拟输入端对模拟地ANGND的电压不能低于－0．3 V，这一点可靠输入端的低通滤波器R4和C1来保证。图中此滤波器的时间常数τ＝R4C1＝270×0．01＝2．7μs，若以－0．7 V作为此滤波器的阶跃输入，则此滤波器输出端（即80C196KC的模拟信号输入端）达到－0．3 V的电平需耗时：
　　t＝－τln（1－0．3／0．7）＝1．15μs
而通常这类尖峰噪声的峰值持续时间远小于上述时间，因此，这一输入电路可有效地起到过载保护作用。

1．2　中央控制单元

　　80C196KC是CHMOS高性能16 b单片机中的一个新分支，内部EPROM／ROM为16 b，内部RAM为488 b，有24 b的专用寄存器。80C196KC中采用了“垂直窗口”结构，使得新增的256 b RAM通过窗口映射同样可以作为通用寄存器来访问。80C196KC可以采用16 MHz的晶振，内部时钟是2分频，其运行速度比12 MHz的80C196KB快33％，比12 MHz的8096BH快1倍。最小电路是指能使单片机工作而所加的最少的外围设备，一般包括复位电路和晶振。80C196KC的最小电路如图3所示。

1．3　输出单元
　　输出共有12路，其中P1．0～P1．3控制A相，P1．4～P1．7控制B相，HSO．0，HSO．1，P2．6，P2．7控制C相。输出经过光控可控硅MOC3061进行隔离，又经一级双向晶闸管驱动后，加在双向晶闸管的控制级，控制双向晶闸管的导通，进而控制电容器的投切。输出电路如图4所示。

　　从80C196KC的输出管脚输出的信号电流只有几个μA，不足以驱动后边的光电耦合器，所以加一个TTL芯片5407作为电流驱动元件。MOC3061是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，他的输出端是光敏双向晶闸管，当光电耦合器的输入端有15 mA电流流入时，晶闸管即导通。MOC3061的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电器在接通时对电网的影响。

2　软件设计
　　系统的软件采用了高级语言PL/M-96嵌入汇编语言编写，采用模块化结构设计。对于实时性要求较高的部分如A／D转换部分，由于汇编语言具有灵活性好、代码转换速度快等特点，同时80C196KC的指令系统效率高，执行速度快，因此采用汇编语言来编写A／D转换程序，其他部分采用高级语言编写，程序可读性好。

　　整个软件共包括7部分，他们分别是：主程序、A／D转换子程序、投切子程序、电压投切子程序、电流计算子程序、输出子程序、软件定时器中断服务程序。下面介绍主程序及A／D转换子程序的设计。

2．1　主程序设计
　　主程序流程图如图5所示。

2．2　A／D转换子程序
　　数据采样是通过A／D转换与软件定时器的中断服务程序相结合完成的。每个周期测量开始由主程序确定模拟通道；用软件定时器定时，然后启动A／D转换。软件定时器定时时间到进入软件定时器中断服务程序，由软件定时器中断服务程序中返回主程序完成一个周期的采样过程。
    A／D转换子程序流程图如图6所示。

　　系统中软件定时器中断子程序是采用高级语言PL／M语言来编写的，附程序如下：
　　定时20 ms程序：
    hso＿command＝18h；／＊采用软件定时器0，中断方式＊／
　　hso＿time＝timer1＋15000；         ／＊定时20 ms＊／


3　结　语

　　本文介绍的电力补偿器是一种无功功率自动跟踪补偿装置，他采用微机控制器跟踪负载无功电流的变化，由大功率晶闸管电路对多级电容器组进行自动投切，对线路无功功率进行实时补偿。该补偿器无触点、不发热、小冲击、过零投切、安全可靠、免维护。控制部分采用了80C196KC单片机为核心的控制器，实现了自动补偿、无人值守。他解决了以往有触点投切工作不可靠、故障率高、维护量大、使用寿命短等特点。

参考文献
［1］　伯根A R．电力系统分析［M］．刘康立译．北京：晓园出版社，1985．
［2］　孙涵芳．Intel16位单片机［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2001．
［3］　喻方平，罗微.MCS-96系列单片机PL／M语言编程及系统的设计与调试［M］．北京：电子工业出版社，1997．