利用高速計數(shù)器檢測電力參數(shù)的方法

1 引言
　　電力參數(shù)的檢測是電力設備進行自動控制的前提與基礎，同時亦是電力設備能夠正常運行的先決條件。電力系統(tǒng)作方案時往往需要考慮多種參數(shù)檢測的方法，并從中選取最優(yōu)的一種檢測方法。

2 問題的引出
　　本文所述為風力發(fā)電變流裝置的電力參數(shù)檢測部分。受風速的影響，風力發(fā)電機出線端的頻率、電壓均是波動的。風力發(fā)電變流裝置的作用是將發(fā)電機的電變換為與電網(wǎng)同頻、同相，并將電能傳送至電網(wǎng)。本文不對風力發(fā)電變流裝置作更為詳細的介紹，感興趣的讀者可查閱相關文獻資料。考慮到可靠性等實際情況，該裝置需用可編程控制器Siemens PLC300。此變流裝置需要測量發(fā)電機端電流、電壓、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、扭矩，電網(wǎng)端電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等電力參數(shù)。本文所述為如何使用PLC300測量這些電力參數(shù)，其中著重介紹如何使用PLC300測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等。

3 檢測方法
　　工業(yè)上對于電力參數(shù)的檢測一般使用傳感器將電流電壓信號轉(zhuǎn)換成與其同步的弱信號，并將其A/D變換后，再使用單片機計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模擬量輸入通道的最小轉(zhuǎn)換時間TT為17ms，每個模擬量輸入模塊有8個通道，對每個模擬量的采樣時間TS為136ms。如果采用分辨率更高的模擬量輸入模塊，采樣時間還要加長[1]。而電網(wǎng)信號的周期T為20ms，不能保證TS<<T，PLC300的模擬量輸入模塊無法處理電壓、電流的同步信號。需要采用外圍電路對采集到的電力信號進行處理。
　　查閱PLC300的技術手冊發(fā)現(xiàn)的CPU 313C-2DP集成有3個計數(shù)器，每個計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為30kHZ，此頻率為電網(wǎng)頻率50HZ的600倍，能夠用來測量電網(wǎng)的電力信號[1]。將電網(wǎng)同步的弱信號轉(zhuǎn)換成與其同步的電平信號，將電壓、電流的同步電平信號相“異或”，高電平的時間長度便是電網(wǎng)的電壓、電流相位差所對應的時間長度。將得到的相位信號與高頻脈沖相“與”，得到一系列斷續(xù)的高頻脈沖信號。將其送入PLC CPU，對其計數(shù)，便的計算出電網(wǎng)的相位角Ф。發(fā)電機所發(fā)出電的頻率與其轉(zhuǎn)速嚴格成正比。如圖1所示，介紹了電網(wǎng)相位與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的檢測原理。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相“異或”，即給相位信號加入一個30&ordm;的零偏。通過檢測到的相位“〉”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)電機的同步電壓信號與30kHZ脈沖相“與”，送至PLC CPU,便可計算出發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

在測得相位角Ф、電網(wǎng)電壓為UN、電網(wǎng)電流為IN，可以通過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）

無功功率 VN=3＊UN＊IN＊SIN（Ф） （3）

發(fā)電機轉(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)電機端電壓頻率

p——極對數(shù)，K——比例常數(shù)，CS——半周期的計數(shù)值

4 硬件電路

是整個測量系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎，其設計的合理與否，將直接關系到系統(tǒng)能否正常工作以實現(xiàn)設計的功能。硬件電路設計應遵循以下原則[2]：

（1）單元電路設計模塊化 把系統(tǒng)功能細分為各個單元，各單元電路獨立實現(xiàn)其功能。這樣電路設計的思路就很清晰。

（2）高可靠性設計 硬件電路設計過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)實踐證明成熟的電路。

（3）抗干擾設計 本系統(tǒng)的現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，在硬件電路設計過程中一定要考慮各種干擾，采取抗干擾措施。

（4）高準確度設計 本電路要實現(xiàn)的功能是電力參數(shù)的測量，既然是測量就必然有引起測量誤差的各種因素。在硬件電路設計的過程中一定要排除相應的誤差因素。

設計硬件電路時先用二階濾波器對由電網(wǎng)和發(fā)電機的同步信號進行濾波，使用由LM339組成的過零比較器將其變換成同步電平信號。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源，再用計數(shù)器對1M脈沖信號進行35倍分頻，得到28.57Khz的脈沖信號。電路圖如圖2所示。按照前面所述的處理信號的方法，將得出的信號送至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。由產(chǎn)生同步信號造成的相位測量誤差可以忽略不計，測量誤差為1個脈沖周期引起的誤差。所采用脈沖的周期為35μS，可以得到測量誤差為如下所示。

功率因數(shù)的測量誤差： 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)場同步風力發(fā)電機極對數(shù)為44，輸出頻率為7-22HZ。考慮到測量的快速性，利用PLC CPU 的高速計數(shù)功能測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速，每個電壓信號周期的高電平期間將脈沖串送至PLC CPU 的高速計數(shù)器，每個周期內(nèi)的計數(shù)值CS<650。所測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速的相對誤差為:Δs/s =ΔCS /CS=1/650=1.5＊ 10-3 （8）

對設備電力參數(shù)的檢測結(jié)果校驗表明，檢測誤差均能控制在0.5%之內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文所述的電力參數(shù)的檢測方法能夠適應PLC300的CPU與工業(yè)現(xiàn)場的需要；所需電路簡單，可靠性高；測量精度高。風力發(fā)電變流器在工業(yè)現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，所檢測的電力參數(shù)完全能滿足精度要求。