利用高速計(jì)數(shù)器檢測(cè)電力參數(shù)的方法

1 引言

電力參數(shù)的檢測(cè)是電力設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制的前提與基礎(chǔ)，同時(shí)亦是電力設(shè)備能夠正常運(yùn)行的先決條件。電力系統(tǒng)作方案時(shí)往往需要考慮多種參數(shù)檢測(cè)的方法，并從中選取最優(yōu)的一種檢測(cè)方法。

2 問(wèn)題的引出

本文所述為風(fēng)力發(fā)電變流裝置的電力參數(shù)檢測(cè)部分。受風(fēng)速的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出線端的頻率、電壓均是波動(dòng)的。風(fēng)力發(fā)電變流裝置的作用是將發(fā)電機(jī)的電變換為與電網(wǎng)同頻、同相，并將電能傳送至電網(wǎng)。本文不對(duì)風(fēng)力發(fā)電變流裝置作更為詳細(xì)的介紹，感興趣的讀者可查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料?？紤]到可靠性等實(shí)際情況，該裝置需用可編程控制器Siemens PLC300。此變流裝置需要測(cè)量發(fā)電機(jī)端電流、電壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩，電網(wǎng)端電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率等電力參數(shù)。本文所述為如何使用PLC300測(cè)量這些電力參數(shù)，其中著重介紹如何使用PLC300測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等。

3 檢測(cè)方法

工業(yè)上對(duì)于電力參數(shù)的檢測(cè)一般使用傳感器將電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其同步的弱信號(hào)，并將其A/D變換后，再使用單片機(jī)計(jì)算得出所需要的各種數(shù)據(jù)。但是PLC300的12位模擬量輸入模塊每個(gè)模擬量輸入通道的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間TT為17ms，每個(gè)模擬量輸入模塊有8個(gè)通道，對(duì)每個(gè)模擬量的采樣時(shí)間TS為 136ms。如果采用分辨率更高的模擬量輸入模塊，采樣時(shí)間還要加長(zhǎng)[1]。而電網(wǎng)信號(hào)的周期T為20ms，不能保證 TS<

查閱PLC300的技術(shù)手冊(cè)發(fā)現(xiàn)的CPU 313C-2DP集成有3個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率為30kHZ，此頻率為電網(wǎng)頻率 50HZ的600倍，能夠用來(lái)測(cè)量電網(wǎng)的電力信號(hào)[1]。將電網(wǎng)同步的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其同步的電平信號(hào)，將電壓、電流的同步電平信號(hào)相“異或”，高電平的時(shí)間長(zhǎng)度便是電網(wǎng)的電壓、電流相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度。將得到的相位信號(hào)與高頻脈沖相“與”，得到一系列斷續(xù)的高頻脈沖信號(hào)。將其送入PLC CPU，對(duì)其計(jì)數(shù)，便的計(jì)算出電網(wǎng)的相位角Ф。發(fā)電機(jī)所發(fā)出電的頻率與其轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成正比。如圖1所示，介紹了電網(wǎng)相位與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)原理。電網(wǎng)的線電壓和相電壓存在的角度差30&ordm;，可以將線電壓與相電流的同步信號(hào)相“異或”，即給相位信號(hào)加入一個(gè)30&ordm;的零偏。通過(guò)檢測(cè)到的相位“〉”還是“<30&ordm;”,能夠判斷相位角是“超前”還是“滯后”，或者相反。同樣將發(fā)電機(jī)的同步電壓信號(hào)與30kHZ脈沖相“與”，送至PLC CPU,便可計(jì)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在測(cè)得相位角Ф、電網(wǎng)電壓為UN、電網(wǎng)電流為IN，可以通過(guò)下列公式算出其他的電力參數(shù)。

視在功率 SN=UN＊IN （1）

有功功率 PN=3＊UN＊IN＊COS（Ф） （2）

無(wú)功功率 VN=3＊UN＊IN＊SIN（Ф） （3）

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 s=60f/p=K/CS （r/min） （4）

式中 SN——視在功率， PN——有功功率， UN——相電壓有效值

IN ——相電流有效值，Ф——相位角，f—— 發(fā)電機(jī)端電壓頻率

p——極對(duì)數(shù)，K——比例常數(shù)，CS——半周期的計(jì)數(shù)值

4 硬件電路

是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)的合理與否，將直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則[2]：

（1）單元電路設(shè)計(jì)模塊化 把系統(tǒng)功能細(xì)分為各個(gè)單元，各單元電路獨(dú)立實(shí)現(xiàn)其功能。這樣電路設(shè)計(jì)的思路就很清晰。

（2）高可靠性設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能采用集成電路，少用分立元件；盡可能使用高集成度元件，減少元件使用的數(shù)量。并且優(yōu)先考慮經(jīng)實(shí)踐證明成熟的電路。

（3）抗干擾設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境比較惡劣，在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要考慮各種干擾，采取抗干擾措施。

（4）高準(zhǔn)確度設(shè)計(jì) 本電路要實(shí)現(xiàn)的功能是電力參數(shù)的測(cè)量，既然是測(cè)量就必然有引起測(cè)量誤差的各種因素。在硬件電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中一定要排除相應(yīng)的誤差因素。

設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)先用二階濾波器對(duì)由電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的同步信號(hào)進(jìn)行濾波，使用由LM339組成的過(guò)零比較器將其變換成同步電平信號(hào)。考慮到高頻脈沖的穩(wěn)定性，用1M的石英晶振作為脈沖信號(hào)源，再用計(jì)數(shù)器對(duì)1M脈沖信號(hào)進(jìn)行35倍分頻，得到28.57Khz的脈沖信號(hào)。電路圖如圖2所示。按照前面所述的處理信號(hào)的方法，將得出的信號(hào)送至PLC的 CPU。

5 誤差分析

本文所述的系統(tǒng)采用工業(yè)上常用的同步變壓器和電流傳感器產(chǎn)生同步電壓、電流信號(hào)。由產(chǎn)生同步信號(hào)造成的相位測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)，測(cè)量誤差為1個(gè)脈沖周期引起的誤差。所采用脈沖的周期為35μS，可以得到測(cè)量誤差為如下所示。

功率因數(shù)的測(cè)量誤差： Δcos（Ф）=sin（Ф）ΔФ<ΔФ （5）

將數(shù)值帶入（1）式得： Δcos（Ф）〈ΔФ=35μS ＊2＊3.14/20mS=0.011

同樣根據(jù)式（2）和式（3）可以得到送至電網(wǎng)的有功功率的測(cè)量誤差為：

ΔPN= IN＊COS（Ф） ＊ΔUN +UN＊COS（Ф） ＊ΔIN +IN＊UNSIN（Ф） ＊ΔФ （6）

ΔVN= IN＊SIN（Ф） ＊ΔUN +UN＊ SIN （Ф） ＊ΔIN +IN＊UN COS（Ф） ＊ΔФ （7）

本系統(tǒng)所述的現(xiàn)場(chǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)為44，輸出頻率為7-22HZ。考慮到測(cè)量的快速性，利用PLC CPU 的高速計(jì)數(shù)功能測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，每個(gè)電壓信號(hào)周期的高電平期間將脈沖串送至PLC CPU 的高速計(jì)數(shù)器，每個(gè)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值CS<650。所測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差為:Δs/s =ΔCS /CS=1/650=1.5＊ 10-3 （8）

對(duì)設(shè)備電力參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果校驗(yàn)表明，檢測(cè)誤差均能控制在0.5%之內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的電力參數(shù)的檢測(cè)方法能夠適應(yīng)PLC300的CPU與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要；所需電路簡(jiǎn)單，可靠性高；測(cè)量精度高。風(fēng)力發(fā)電變流器在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，所檢測(cè)的電力參數(shù)完全能滿足精度要求。