數(shù)字信號處理技術在電力網無功補償中的應用
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
從數(shù)字信號處理的理論出發(fā)，介紹實現(xiàn)的數(shù)字濾波、功率因數(shù)的計算和諧波譜分析等電力網無功補償控制器的基本功能，及基于80C196KC MCU的電力網無功補償控制器。
關鍵詞：數(shù)字信號處理；數(shù)字濾波；無功補償；譜分析；功率因數(shù)
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)電容器靜止補償器(SVC)系統(tǒng)原理簡圖。其中檢測控制器部分是系統(tǒng)的核心模塊。該模塊由80C196KC MCU、電壓和電流的信號調理電路、輸出報警、控制輸出電路及為80C196KC工作而擴展的程序及數(shù)據(jù)存貯器等部分構成。80C196KC為16位單片機，運行速度高，數(shù)據(jù)處理快，并有很強的中斷功能。另外80C196KC上自帶8路10位A/D轉換器，其分辨率及精度足以滿足工業(yè)控制的精度要求。
80C196KC通過對量化的電壓、電流信號的處理，得到電力網各相的峰值、有效值、功率及功率因數(shù)后，決策是否進行電容的投、切或報警，并通過電容投、切執(zhí)行器實現(xiàn)電容的投、切。電容投、切執(zhí)行器模塊負責在電壓過零點對補償電容進行投、切，以降低投、切電容對電網的影響并保證系統(tǒng)電容器組的安全。
實現(xiàn)系統(tǒng)功能的工作流程如圖2所示。80C196KC經初始化后，開始對7個A/D通道進行周期采樣。實現(xiàn)原理如下：利用80C196KC的HSO觸發(fā)T2(定時器2)復位事件，由該事件產生一個軟定時器中斷,在該中斷服務程序中逐個通道啟動A/D轉換，并將A/D采樣結果存入數(shù)組內(HSO觸發(fā)定時中斷的流程圖略)。當完成一組可供80C196K CMCU處理的數(shù)據(jù)后，置采樣數(shù)據(jù)完成標志 ，接著進行下一輪數(shù)據(jù)采樣。
采樣數(shù)據(jù)要能夠實現(xiàn)80C196KC對被監(jiān)測信號的時域和頻域分析的需要。其中包括電壓峰值的檢測、各相電壓、電流有效值的計算、各相電壓電流之間相位差的計算，從而計算出各相交流電的無功功率、并對各相電壓、電流的諧波譜分析等。設計要求能對15次以下的諧波含有量進行分析，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，每個交流信號周期采樣32點，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，進行DFT的數(shù)組長度愈長愈好，但這是以消耗長時間為代價的?？紤]時間因素，DFT的數(shù)組長度定在256(8個基波周期)。工作于20MHz的80C196KC進行一次DFT所需時間約為1.3s，可實現(xiàn) 高精度信號譜分 析。最后，A/D采樣的間隔必須足夠準確，這就要求HSO觸發(fā)定時中斷周期不受其他中斷的影響。采用如下技術實現(xiàn)：程序中對每個高于HSO的中斷源在中斷服務程序中都設有進入中斷標志位。在啟動一個采樣周期時，將這些中斷標志位清零；在采樣周期中，若MCU發(fā)現(xiàn)中斷標志位不為零，則舍棄已采數(shù)據(jù)，立即重新開始新一輪采樣周期。同時，在7個采樣通道輪流采樣期間，將所有可屏蔽中斷關閉(A/D采樣可用查詢方式，若采用中斷方式則不能關閉A/D中斷)，以保證采樣間隔的一致性。理論和實踐證明，對信號整周期的采樣，可以最大程度的減小變換運算由于窗口效應帶來的計算誤差。
峰值和有效值可以用采樣數(shù)組中任意抽取的32點(1周期數(shù)據(jù))計算。有效值的計算式為：
采樣數(shù)據(jù)要能夠實現(xiàn)80C196KC對被監(jiān)測信號的時域和頻域分析的需要。其中包括電壓峰值的檢測、各相電壓、電流有效值的計算、各相電壓電流之間相位差的計算，從而計算出各相交流電的無功功率、并對各相電壓、電流的諧波譜分析等。設計要求能對15次以下的諧波含有量進行分析，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，每個交流信號周期采樣32點，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，進行DFT的數(shù)組長度愈長愈好，但這是以消耗長時間為代價的?？紤]時間因素，DFT的數(shù)組長度定在256(8個基波周期)。工作于20MHz的80C196KC進行一次DFT所需時間約為1.3s，可實現(xiàn) 高精度信號譜分 析。最后，A/D采樣的間隔必須足夠準確，這就要求HSO觸發(fā)定時中斷周期不受其他中斷的影響。采用如下技術實現(xiàn)：程序中對每個高于HSO的中斷源在中斷服務程序中都設有進入中斷標志位。在啟動一個采樣周期時，將這些中斷標志位清零；在采樣周期中，若MCU發(fā)現(xiàn)中斷標志位不為零，則舍棄已采數(shù)據(jù)，立即重新開始新一輪采樣周期。同時，在7個采樣通道輪流采樣期間，將所有可屏蔽中斷關閉(A/D采樣可用查詢方式，若采用中斷方式則不能關閉A/D中斷)，以保證采樣間隔的一致性。理論和實踐證明，對信號整周期的采樣，可以最大程度的減小變換運算由于窗口效應帶來的計算誤差。
峰值和有效值可以用采樣數(shù)組中任意抽取的32點(1周期數(shù)據(jù))計算。有效值的計算式為：
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