電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計

趙琳娜

摘要：電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時采集監(jiān)測對提高電能質(zhì)量有著非常重要的意義。本文針對電網(wǎng)主要數(shù)據(jù)參數(shù)--電壓、頻率及功率因數(shù)提出了實時監(jiān)測的硬件系統(tǒng)設(shè)計，并給出了軟件流程圖，在較小投入的基礎(chǔ)上，獲得了較好的采集結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)數(shù)據(jù)；采集；實時

中圖分類號：TM769 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0105-02

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展對能源的需求不斷擴大，人們對電能質(zhì)量以及電能的可靠性要求越來越高。當電網(wǎng)參數(shù)（電壓、頻率等）不穩(wěn)定時，會給用電工業(yè)企業(yè)造成生產(chǎn)損害，影響用電設(shè)備的使用壽命，因此實時采集檢測電網(wǎng)運行參數(shù)對保障國民生產(chǎn)、生活安全用電有著非常重要的意義。本文通過構(gòu)建電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)對三相電壓、電流及功率的采集計算及處理，在較小投入的基礎(chǔ)上，給出良好的采集結(jié)果。

1 測量參數(shù)分析

在電力系統(tǒng)中，電壓、頻率及功率因數(shù)是反映電力系統(tǒng)交流電路電能質(zhì)量的三個重要參數(shù)，本系統(tǒng)選擇上述電網(wǎng)參數(shù)做為實時在線采集對象。

1.1 電網(wǎng)頻率的采集計算

在我國正常運行的電網(wǎng)頻率一般為50Hz，規(guī)定上下波動不得超過±0.5Hz。在實際運行中，有很多因素會引起電網(wǎng)頻率的波動，例如電網(wǎng)的實時頻率會受用電負荷與發(fā)電量的影響。當電網(wǎng)負荷下降，而電網(wǎng)來不及調(diào)整發(fā)電量時，電網(wǎng)的頻率將上升；反之，當電網(wǎng)負荷上升時，電網(wǎng)頻率會下降[1]。頻率波動會影響電力系統(tǒng)內(nèi)部的運行情況，使發(fā)電機組和發(fā)電廠的負荷發(fā)生變化，進而影響用電企業(yè)的動力系統(tǒng)運行及用戶的用電設(shè)備[2]。實時采集電網(wǎng)的頻率，對波動較大的頻率及時采取技術(shù)措施，可以較好地保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，為用戶提供優(yōu)質(zhì)電能。

電網(wǎng)頻率的采集也對電網(wǎng)中其他參數(shù)的采集有著重要影響。在電網(wǎng)參數(shù)采集過程中，為提高電網(wǎng)實時電壓、電流值采樣的精確，一般需要采集電網(wǎng)電壓及電流的交流量值。交流電有周期性，在采集中確定準確的采集時間周期對電壓、電流的準確采集是最為重要的工作，而交流電的周期值即為交流電的頻率倒數(shù)，因此本采集系統(tǒng)在構(gòu)建時首先設(shè)計電網(wǎng)的實時頻率的采集電路系統(tǒng)。

本實時頻率的采集電路系統(tǒng)主要通過設(shè)置電壓過零檢測裝置和相位比較器電路來實現(xiàn)。具體電路設(shè)計如圖1所示。

圖1中UA及IA分別表示同相電壓、同相電流，這兩項經(jīng)變比后的原始線性輸入值由比較器的反向端輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管和非門后，轉(zhuǎn)換為高低電平表示的數(shù)字信號Ua、Ia及檢測信號Uc，將這三個數(shù)字信號送入計算機，圖2為上述電壓過零檢測裝置和相位比較器電路的輸入、輸出電壓、電流波形。如圖2所示當三信號的輸入值為100B時，表示電壓信號過零點，以此做為交流電周期起始點，此時由計算機啟動定時接口芯片8254由初值0000H起始做減一計數(shù)工作。當計算機接收到來自過零檢測電路和相位比較電路轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號Ua、Ia、Uc為010B，如圖2所示恰好為電壓值由高電平到低電平的跳變點，對應(yīng)了交流電壓半個周期的變化，此時停止8254減一計數(shù)，并讀取8254計數(shù)的當前值。由8254的計數(shù)定時原理可得出從交流電壓周期起始到半周期電壓跳變節(jié)點的定時時間，該時間計算為

其中N為8254被讀出的計數(shù)當前值，CLK為8254的原始時鐘頻率輸入（為已知值）。

上述計算的時間即為當前動態(tài)電網(wǎng)參數(shù)的交流電半周期，由該半周期可求得此時交流電網(wǎng)的全周期，進而可求得這一時刻電網(wǎng)的實時頻率值。

1.2 電網(wǎng)電壓的采集計算

電網(wǎng)的電壓及電流由于是高壓值，在進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前需經(jīng)多級電壓互感器及電流互感器進行變比，將大電壓及大電流值變比為5V的交流電壓值及0.5A交流電流值。為較好地反映實際交流電壓、電流的波形，在一個交流電周期內(nèi)應(yīng)進行多次采樣，即在一個交流電全周期中進行24～64次不等的采樣?？紤]到實現(xiàn)采樣的兩個主要硬件設(shè)備——采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的工作速度，本系統(tǒng)對采樣次數(shù)選擇為64次。由于交流電的實時全周期值可由上述式1-1計算獲得，因此可得到交流電壓、電流的采樣時間為：

即在上述所求的一個實時交流電周期進行64等分做為實時交流電壓、電流的采樣時間。在上述的采樣時間t里，采集系統(tǒng)首先通過一組多路開關(guān)對輸入的交流電壓、電流進行采集選擇。在本系統(tǒng)中選擇CD4051做為多路選擇器，通過計算機控制CD4051的A、B、C三選擇端，使CD4051八個輸入通道的交流電壓、電流中的某一路進入下一級電路——采樣保持器部件。在采集系統(tǒng)中使用多路選擇器可以使構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分時采集多路不同的模擬交流電壓、電流信號，擴大了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適用范圍。

多路開關(guān)選中通路的交流電壓、電流值送入采樣保持器后，采樣保持器將按采樣時間點t的控制要求對電壓、電流信號進行采樣或保持。當采樣時間點t到來時，采樣保持器對實時電壓、電流信號進行采樣，并將采樣到的電壓、電流信號送入下一級的A/D轉(zhuǎn)換器，使A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換工作，在A/D轉(zhuǎn)換器對模擬電壓、電流信號進行數(shù)字轉(zhuǎn)換的過程中，采樣保持器對剛采集到的電壓、電流信號進行保持，暫時不再對輸入的電壓、電流信號進行采樣。為得到及時準確的實時采集數(shù)據(jù)信號，A/D轉(zhuǎn)換器采用中斷方式與主機通信。當A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬電壓電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時即本次轉(zhuǎn)換結(jié)束時，A/D轉(zhuǎn)換器通過STB引腳向主機發(fā)出中斷請求，同時STB引腳控制采樣保持器解除保持狀態(tài)，為下一個交流電壓、電流信號的采樣做準備。當主機接收到中斷信號后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，對已轉(zhuǎn)換好的數(shù)字電壓和電流信號進行輸入存儲和進一步計算處理。電壓、電流的數(shù)據(jù)采集硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1.3 功率因數(shù)的采集及計算

在電網(wǎng)中另一重要的采集參數(shù)為功率因數(shù)。電網(wǎng)的功率因數(shù)為電網(wǎng)上同相電壓與電流的相位差的余弦值，相位差可通過公式計算如下：

其中Tφ為相電壓和相電流的時差，T為交流電周期。T交流電周期由上述采集時間式1-1的計算獲得，在此為已知量值，在文章的這部分主要研究Tφ的計算方法。在上述采集計算電網(wǎng)頻率的過程中，利用圖1的電路結(jié)構(gòu)獲得了圖2的電壓電流波形。從圖2中可知交流電壓與電流的相位差即為Ua、Ia、Uc由100B到111B的時間段。同理于交流電周期的計算方法，在Ua、Ia、Uc=100時啟動8254定時器計數(shù)，到Ua、Ia、Uc=111時停止計數(shù)，并讀取停止計數(shù)時8254的當前值N0?？捎嬎鉚φ如下：

至此通過式1-1和式1-4，可求得T及Tφ，則由φ=Tφ/T*360，φ值可求。

電網(wǎng)的功率因數(shù)為電壓和電流之間相位差φ的余弦值，由麥克勞林級數(shù)展開式求得：

在系統(tǒng)中可通過編制功率因數(shù)計算子程序完成麥克勞林公式中功率因數(shù)的計算和存儲。

2 采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

電網(wǎng)參數(shù)采集系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要包括主程序及五個子程序，五個子程序分別是電壓、電流采集子程序、周期測定子程序、相位差測定子程序、電壓及電流計算子程序、功率因數(shù)計算子程序。其中主程序流程如圖4所示。

3 結(jié)語

電力供應(yīng)做為國家、社會最重要的社會資源，其供給的質(zhì)量越來越受到關(guān)注。國家電力監(jiān)管委員會在2011年監(jiān)察中發(fā)現(xiàn)存在供電質(zhì)量問題的企業(yè)多達133家，其中很多家存在著基礎(chǔ)數(shù)量錯誤、電壓監(jiān)測點數(shù)不足，設(shè)置不合理等問題。在本文中通過采用投資成本較小的微型計算機通過構(gòu)建簡單的外圍電路，較好地實現(xiàn)了對電網(wǎng)主要參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測，為供電企業(yè)提供了一個比較經(jīng)濟實用的數(shù)據(jù)采集方式，適于對機網(wǎng)容量比大于8%的小網(wǎng)或孤網(wǎng)的電網(wǎng)參數(shù)采集使用。

參考文獻

[1]朱永強，等.電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)綜述[J].電氣時代，2007：（05）：66.

[2]柳春生，等.實用供配電技術(shù)問答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.endprint