基于LPC2138的三相輸配電功率因數(shù)測(cè)控系統(tǒng)

0 引言
    三相輸電線(xiàn)路的功率因數(shù)是電力傳輸?shù)闹匾?jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)，關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、損耗、輸電質(zhì)量等多方面的問(wèn)題。為了能比較真實(shí)地反映三相輸電線(xiàn)路的功率因數(shù)值，本文提出了通過(guò)采樣三相交流電中任意一相的相電流，以及另外兩相的線(xiàn)電壓之間的相位差來(lái)得到三相系統(tǒng)功率因數(shù)的檢測(cè)方法。實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率因數(shù)的測(cè)量和數(shù)字顯示，從而近一步對(duì)功率因數(shù)做出補(bǔ)償，最終達(dá)到調(diào)整功率因數(shù)的目的。該系統(tǒng)采用ARM7TDMI -S內(nèi)核微控制器LPC2138，它強(qiáng)大的功能使外圍電路變得比較簡(jiǎn)單，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性；在數(shù)據(jù)采集方面，具有精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。

  
    式中，UM表示每相的電壓幅值，IM表示每相的電流幅值，w表示角頻率，表示相電流滯后相電壓的相位差角(功率因數(shù)角)?？紤]三相三線(xiàn)的情況下，采用其中一相的相電流與另外兩相的相電壓之間的相位差來(lái)測(cè)量功率因數(shù)的接線(xiàn)方式有12種，本文不做詳細(xì)討論，僅給出接線(xiàn)在符合u、v、w正相序條件下，以u(píng)相電流 Iu與v、w兩相的線(xiàn)電壓Uvw之間的相位差來(lái)測(cè)量功率因數(shù)的方法。實(shí)際上，對(duì)于三相三線(xiàn)的情況，只要求得兩相相電壓與另一相的線(xiàn)電流之間的夾角就可以求得功率因數(shù)，如圖2所示。

    在圖2中，Uuv=Uu-Uv，因此Uuv比Uw滯后π／2，而Uuv比Iw滯后α，則φ=π／2-α。這樣線(xiàn)路的功率因數(shù)：

    cosφ=cos(π／2-α)=sinα
    由上式可見(jiàn)，線(xiàn)電流Iw與其他兩相線(xiàn)電壓Uuv的夾角α的正弦值sin α即為三相輸電線(xiàn)路的功率因數(shù)cosφ。通過(guò)PT(電壓互感器)獲得線(xiàn)電壓信號(hào)，由CT(電流互感器)獲得另一相線(xiàn)電流的信號(hào)。兩信號(hào)的相位差的正弦值 sinα即為功率因數(shù)cosφ的值，如圖3所示。

2．1 電壓、電流信號(hào)檢測(cè)
    分別通過(guò)電壓互感器和電流互感器獲取高壓交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電能轉(zhuǎn)換元件(變壓器、線(xiàn)性電阻)，轉(zhuǎn)變成峰值為5V的低壓交流信號(hào)。再分別送到過(guò)零檢測(cè)電路，將低壓交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)PC2138可以識(shí)別的矩形脈沖信號(hào)。
2．2 單片機(jī)LPC21 38系統(tǒng)
    LPC2138利用定時(shí)器對(duì)各輸入信號(hào)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，用公式φ=2 π△T／T求出相位值，再利用余弦子程序求得功率因數(shù)cosφ。同時(shí)，根據(jù)置入的允許功率因數(shù)值，實(shí)時(shí)地判斷是否需要驅(qū)動(dòng)功率因數(shù)補(bǔ)償裝置進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。
2．2．1 信號(hào)周期
    從過(guò)零比較電路輸出的矩形脈沖信號(hào)一路送到LPC2138的外部中斷端口EINT0，低電平有效。利用計(jì)數(shù)法求出信號(hào)周期T。
2．2．2 相位差
    從過(guò)零比較電路輸出的矩形脈沖信號(hào)一路送到LPC2138的比較器端口，比較器將接收到的7位從地址與其自身的從地址(12ADR的7個(gè)最高位)相比較。它還將首次接收到的8位字節(jié)與通用調(diào)用地址(00H)相比較。如果任何一者相同，相應(yīng)的狀態(tài)位置位，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。
    LPC2138根據(jù)中斷請(qǐng)求，對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)器EINT1進(jìn)行編程，則EINT1端的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)寬度代表了電壓、電流兩信號(hào)的相位差。
2．3 功率因數(shù)補(bǔ)償裝置
    LPC2138是小型LQFP64封裝的微控制器，多達(dá)47個(gè)5V的I／O通用口，因此該系統(tǒng)的其它電路不需要再擴(kuò)展接口，簡(jiǎn)化了外圍電路。功率因數(shù)補(bǔ)償接口直接利用LPC2138本身的接口，通過(guò)編程來(lái)控制15個(gè)固態(tài)繼電器工作，從而實(shí)現(xiàn)控制15組電容器何時(shí)投入切換的目的。
2．4 顯示電路
    顯示電路由3位LED構(gòu)成，可分別顯示實(shí)測(cè)值cosφ和希望值cosφ0。顯示“L．××”為滯后(感性負(fù)載)，顯示“C．××”為超前(容性負(fù)載)。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)利用匯編語(yǔ)言，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)。包括主程序、算術(shù)運(yùn)算子程序、求余弦子程序、鍵盤(pán)分析處理子程序、顯示子程序、控制功率因子補(bǔ)償接口主程序等。
    主程序主要完成系統(tǒng)初始化、定時(shí)計(jì)數(shù)器EINT0、EINT1工作方式設(shè)置、比較器的設(shè)置等。如圖5所示：

    算術(shù)運(yùn)算子程序負(fù)責(zé)對(duì)相位時(shí)差、相位差、信號(hào)周期的運(yùn)算；求余弦子程序完成求解電網(wǎng)功率因數(shù)的值；顯示子程序負(fù)責(zé)靜態(tài)顯示電網(wǎng)功率因數(shù)的值；鍵盤(pán)分析處理子程序完成對(duì)本裝置的啟動(dòng)鍵、功率因數(shù)允許值的置數(shù)鍵的定時(shí)掃描和處理；控制功率因數(shù)補(bǔ)償接口子程序根據(jù)允許的功率因數(shù)值，完成選擇適當(dāng)數(shù)目的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置的電容器組。

4 結(jié)束語(yǔ)

    目前的功率因數(shù)大多采用鐵磁電動(dòng)式結(jié)構(gòu)的功率因數(shù)表測(cè)量，讀數(shù)較不方便。本文介紹的利用單片機(jī)LPC2138采集功率因數(shù)的方法，具有較直觀的數(shù)字顯示功能。該測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)在我系實(shí)驗(yàn)室投入使用，進(jìn)一步證明了本測(cè)控裝置精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中利用軟件自檢程序檢測(cè)硬件部分的故障，以減少硬件配置。輸出接口采用固態(tài)繼電器控制，從而切斷了補(bǔ)償接口與單片機(jī)之間的電磁聯(lián)系，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。