基于單片機的電力補償裝置控制系統設計

　　電力補償裝置是對電網實施無功補償，提高電網的功率因數，讓無功功率基本就地平衡，降低線損，改善電壓質量和提高線路及變壓器的輸送能力。目前在電力補償系統中有多種補償方法，本文中的補償系統是根據尋優負序電流最小進行補償的。系統計算需要對交流電一個周期20 ms內對單相電壓u、電流I進行采樣，要求一個周期內采樣次數至少在100次以上。針對這一特點，設計了基于80C196KC的控制系統。Intel公司的高性能16 b單片機80C196KC，其運算速度快，能夠滿足系統高速采樣的要求。

1　系統硬件設計
　　本系統的硬件部分主要由采樣輸入電路、中央控制單元、程序存儲單元、輸出驅動電路4部分組成。系統總體框圖如圖1所示。

1．1　模擬輸入電路
　　系統中數據采集所使用的傳感器為電壓互感器和電流互感器，需要分別采集三相的電壓和電流，共需要六路輸入。80C196KC內有一個逐次逼近型的A／D轉換器，共有8個輸入通道。其輸入引腳ACH0～ACH7與P0．0～P0．7共享。內部的A／D轉換器8 b／10 b可調，自帶采樣、保持電路，這樣減少了外圍電路，也減少了干擾和干擾源，增加了系統的穩定性和抗干擾性，并且減少了控制板的尺寸。在本系統中采用10 b轉換方式。

　　為了保護A／D轉換器，增加可靠性，在A／D通道的輸入端，可采用如圖2所示的輸入接口電路。

　　其中2個二極管D1和D2起過載保護作用，當輸入電壓高于V_REF＋0．7 V左右時，D1導通，輸入電平被箝位在V_REF＋0．7 V的水平上；當輸入電壓低于－0．7 V的水平上。這種過載往往是尖峰干擾，持續時間很短。MCS-96的技術條件規定模擬輸入端對模擬地ANGND的電壓不能低于－0．3 V，這一點可靠輸入端的低通濾波器R₄和C₁來保證。圖中此濾波器的時間常數τ＝R₄C₁＝2700．01＝2．7μs，若以－0．7 V作為此濾波器的階躍輸入，則此濾波器輸出端（即80C196KC的模擬信號輸入端）達到－0．3 V的電平需耗時：
　　t＝－τln（1－0．3／0．7）＝1．15μs
而通常這類尖峰噪聲的峰值持續時間遠小于上述時間，因此，這一輸入電路可有效地起到過載保護作用。

1．2　中央控制單元

　　80C196KC是CHMOS高性能16 b單片機中的一個新分支，內部EPROM／ROM為16 b，內部RAM為488 b，有24 b的專用寄存器。80C196KC中采用了“垂直窗口”結構，使得新增的256 b RAM通過窗口映射同樣可以作為通用寄存器來訪問。80C196KC可以采用16 MHz的晶振，內部時鐘是2分頻，其運行速度比12 MHz的80C196KB快33％，比12 MHz的8096BH快1倍。最小電路是指能使單片機工作而所加的最少的外圍設備，一般包括復位電路和晶振。80C196KC的最小電路如圖3所示。

1．3　輸出單元
　　輸出共有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。輸出經過光控可控硅MOC3061進行隔離，又經一級雙向晶閘管驅動后，加在雙向晶閘管的控制級，控制雙向晶閘管的導通，進而控制電容器的投切。輸出電路如圖4所示。

　　從80C196KC的輸出管腳輸出的信號電流只有幾個μA，不足以驅動后邊的光電耦合器，所以加一個TTL芯片5407作為電流驅動元件。MOC3061是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，他的輸出端是光敏雙向晶閘管，當光電耦合器的輸入端有15 mA電流流入時，晶閘管即導通。MOC3061的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發，以減少用電器在接通時對電網的影響。

2　軟件設計
　　系統的軟件采用了高級語言PL/M-96嵌入匯編語言編寫，采用模塊化結構設計。對于實時性要求較高的部分如A／D轉換部分，由于匯編語言具有靈活性好、代碼轉換速度快等特點，同時80C196KC的指令系統效率高，執行速度快，因此采用匯編語言來編寫A／D轉換程序，其他部分采用高級語言編寫，程序可讀性好。

　　整個軟件共包括7部分，他們分別是：主程序、A／D轉換子程序、投切子程序、電壓投切子程序、電流計算子程序、輸出子程序、軟件定時器中斷服務程序。下面介紹主程序及A／D轉換子程序的設計。

2．1　主程序設計
　　主程序流程圖如圖5所示。

2．2　A／D轉換子程序
　　數據采樣是通過A／D轉換與軟件定時器的中斷服務程序相結合完成的。每個周期測量開始由主程序確定模擬通道；用軟件定時器定時，然后啟動A／D轉換。軟件定時器定時時間到進入軟件定時器中斷服務程序，由軟件定時器中斷服務程序中返回主程序完成一個周期的采樣過程。
A／D轉換子程序流程圖如圖6所示。

　　系統中軟件定時器中斷子程序是采用高級語言PL／M語言來編寫的，附程序如下：
　　定時20 ms程序：
hso_＿command＝18h；／＊采用軟件定時器0，中斷方式＊／
　　hso_＿time＝timer1＋15000； ／＊定時20 ms＊／


3　結　語

　　本文介紹的電力補償器是一種無功功率自動跟蹤補償裝置，他采用微機控制器跟蹤負載無功電流的變化，由大功率晶閘管電路對多級電容器組進行自動投切，對線路無功功率進行實時補償。該補償器無觸點、不發熱、小沖擊、過零投切、安全可靠、免維護。控制部分采用了80C196KC單片機為核心的控制器，實現了自動補償、無人值守。他解決了以往有觸點投切工作不可靠、故障率高、維護量大、使用壽命短等特點。

參考文獻

［1］　伯根A R．電力系統分析［M］．劉康立譯．北京：曉園出版社，1985．
［2］　孫涵芳．Intel16位單片機［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2001．
［3］　喻方平，羅微.MCS-96系列單片機PL／M語言編程及系統的設計與調試［M］．北京：電子工業出版社，1997．