利用高速計數器檢測電力參數的方法

1 引言

電力參數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。電力系統作方案時往往需要考慮多種參數檢測的方法，并從中選取最優的一種檢測方法。

2 問題的引出

本文所述為風力發電變流裝置的電力參數檢測部分。受風速的影響，風力發電機出線端的頻率、電壓均是波動的。風力發電變流裝置的作用是將發電機的電變換為與電網同頻、同相，并將電能傳送至電網。本文不對風力發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電機端電流、電壓、發電機轉速、扭矩，電網端電流、電壓、功率因數、有功功率、無功功率等電力參數。本文所述為如何使用PLC300測量這些電力參數，其中著重介紹如何使用PLC300測量發電機轉速、功率因數等。

3 檢測方法

工業上對于電力參數的檢測一般使用傳感器將電流電壓信號轉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據。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]。而電網信號的周期T為20ms，不能保證 TS<

查閱PLC300的技術手冊發現的CPU 313C-2DP集成有3個計數器，每個計數器的最高計數頻率為30kHZ，此頻率為電網頻率 50HZ的600倍，能夠用來測量電網的電力信號[1]。將電網同步的弱信號轉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”，得到一系列斷續的高頻脈沖信號。將其送入PLC CPU，對其計數，便的計算出電網的相位角Ф。發電機所發出電的頻率與其轉速嚴格成正比。如圖1所示，介紹了電網相位與發電機轉速的檢測原理。電網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,便可計算出發電機轉速。

在測得相位角Ф、電網電壓為UN、電網電流為IN，可以通過下列公式算出其他的電力參數。

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）

發電機轉速 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—— 發電機端電壓頻率

p——極對數，K——比例常數，CS——半周期的計數值

4 硬件電路

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

（1）單元電路設計模塊化 把系統功能細分為各個單元，各單元電路獨立實現其功能。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，減少元件使用的數量。并且優先考慮經實踐證明成熟的電路。

（3）抗干擾設計 本系統的現場工作環境比較惡劣，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 本電路要實現的功能是電力參數的測量，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和發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定性，用1M的石英晶振作為脈沖信號源，再用計數器對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

本文所述的系統采用工業上常用的同步變壓器和電流傳感器產生同步電壓、電流信號。由產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。

功率因數的測量誤差： Δcos（Ф）=sin（Ф）ΔФ<ΔФ （5）

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

同樣根據式（2）和式（3）可以得到送至電網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）

本系統所述的現場同步風力發電機極對數為44，輸出頻率為7-22HZ。考慮到測量的快速性，利用PLC CPU 的高速計數功能測量發電機轉速，每個電壓信號周期的高電平期間將脈沖串送至PLC CPU 的高速計數器，每個周期內的計數值CS<650。所測量發電機轉速的相對誤差為:Δs/s =ΔCS /CS=1/650=1.5＊ 10-3 （8）

對設備電力參數的檢測結果校驗表明，檢測誤差均能控制在0.5%之內。

6 結束語

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