数字信号处理技术在电力网无功补偿中的应用

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

　　图1是并联电容器静止补偿器(SVC)系统原理简图。其中检测控制器部分是系统的核心模块。该模块由80C196KC MCU、电压和电流的信号调理电路、输出报警、控制输出电路及为80C196KC工作而扩展的程序及数据存贮器等部分构成。80C196KC为16位单片机，运行速度高，数据处理快，并有很强的中断功能。另外80C196KC上自带8路10位A/D转换器，其分辨率及精度足以满足工业控制的精度要求。

　　80C196KC通过对量化的电压、电流信号的处理，得到电力网各相的峰值、有效值、功率及功率因数后，决策是否进行电容的投、切或报警，并通过电容投、切执行器实现电容的投、切。电容投、切执行器模块负责在电压过零点对补偿电容进行投、切，以降低投、切电容对电网的影响并保证系统电容器组的安全。

　　实现系统功能的工作流程如图2所示。80C196KC经初始化后，开始对7个A/D通道进行周期采样。实现原理如下：利用80C196KC的HSO触发T2(定时器2)复位事件，由该事件产生一个软定时器中断,在该中断服务程序中逐个通道启动A/D转换，并将A/D采样结果存入数组内(HSO触发定时中断的流程图略)。当完成一组可供80C196K CMCU处理的数据后，置采样数据完成标志 ，接着进行下一轮数据采样。
　　采样数据要能够实现80C196KC对被监测信号的时域和频域分析的需要。其中包括电压峰值的检测、各相电压、电流有效值的计算、各相电压电流之间相位差的计算，从而计算出各相交流电的无功功率、并对各相电压、电流的谐波谱分析等。设计要求能对15次以下的谐波含有量进行分析，根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于两倍信号谱的最高频率(Ωs＞2Ωh)，15次谐波的频率的2倍为1.5kHz；考虑到利用基-2的FFT算法，每个交流信号周期采样32点，则：
　　
满足采样定理要求。其次是采样数问题，为了提高谱线的分辨率，进行DFT的数组长度愈长愈好，但这是以消耗长时间为代价的。考虑时间因素，DFT的数组长度定在256(8个基波周期)。工作于20MHz的80C196KC进行一次DFT所需时间约为1.3s，可实现 高精度信号谱分 析。最后，A/D采样的间隔必须足够准确，这就要求HSO触发定时中断周期不受其他中断的影响。采用如下技术实现：程序中对每个高于HSO的中断源在中断服务程序中都设有进入中断标志位。在启动一个采样周期时，将这些中断标志位清零；在采样周期中，若MCU发现中断标志位不为零，则舍弃已采数据，立即重新开始新一轮采样周期。同时，在7个采样通道轮流采样期间，将所有可屏蔽中断关闭(A/D采样可用查询方式，若采用中断方式则不能关闭A/D中断)，以保证采样间隔的一致性。理论和实践证明，对信号整周期的采样，可以最大程度的减小变换运算由于窗口效应带来的计算误差。
　　峰值和有效值可以用采样数组中任意抽取的32点(1周期数据)计算。有效值的计算式为：