電機保護中交流量數據采集方法研究

羅書克，王崇星，郗　亮

(1.許昌學院 電氣機電工程學院，河南 許昌 461000；2.許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000)

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電機保護中交流量數據采集方法研究

羅書克1，王崇星2，郗亮2

(1.許昌學院 電氣機電工程學院，河南 許昌 461000；2.許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000)

針對電機保護類設備中的交流數據采集存在的保護時間和速度問題，從硬件和軟件兩方面進行了闡述.給出了隔離法和非隔離法兩種數據采集硬件電路，在硬件電路基礎上，闡述了交流量數據采集的方法，給出了采集到的瞬時值轉換為有效值的計算公式.最后通過實驗驗證了所述方法的準確性.

交流采集；保護時間；瞬時值；有效值

電機測控保護裝置中對于交流數據的采集不同于一般電力儀表數據采集過程，電力儀表因為僅僅是一個采集顯示系統，對數據采集速度要求較低，一般在500 ms采集更新一次即可.而對于電機保護測控裝置，存在保護時間和數據采集失真問題，因此要求該類設備的交流數據采集速度和每周期數據采集次數必須滿足一定的要求，這就給電機保護類設備的交流數據采集帶來了一定的特殊性[1].有必要對其進行深入的分析探討.對交流量的采樣，我們從硬件和軟件兩方面進行討論.

1　硬件設計

電機保護中的交流量采集，硬件采集電路上一般有隔離法和非隔離法，以電壓采集電路為例，其電路圖分別如圖1、2所示.圖1為隔離法采集電路，圖2為非隔離法采集電路，對于追求成本控制的場合可以采用非隔離法采集電路，其缺點主要是抗干擾能力差，主電路中的強電信號容易串入檢測控制回路中，造成二次電路的損壞.一般情況下，都采用隔離采集電路，其優點主要是抗干擾能力強，強、弱電完全隔離；其缺點是成本高，隔離互感器的一、二次邊存在相位差，致使后邊軟件編程處理復雜.

對于電流采集電路，其電路圖和電壓采集電路基本類似，區別之處在于隔離電路省去電路中的電壓電流轉換電阻R1-R3，而非隔離電路的采樣是通過采樣分流器來實現的，分流器后端電路與電壓非隔離采樣電路完全一樣.

2　采樣方法

采樣方法是按照一定的規律對交流信號進行瞬時采樣，把采到的瞬時值用一定的計算方法轉化為有效值，與直流信號采樣的區別主要是用軟件采樣法代替直流硬件的功能，這樣做的好處主要是硬件簡單，成本較低.交流采樣方法按照不同的采樣原理可以分為同步采樣法、準同步采樣法.

同步采樣法按照采樣周期Ts與測量信號周期T以及一個周期內采樣的個數N之間，需要滿足關系式T=N·Ts.N選取的越大，則測得的數據越接近實際波形，但由于計算量大造成實時性較差.同時系統中含有各次諧波，一般以奇次諧波為主，而奇次諧波超過9次后，其含量就比較小了[2].當考慮9次諧波能夠再現時，根據采樣定理N至少需要18以上，但采樣時一般以2的整次方數為最好，因此一般選取采樣次數為32已經可以保證采樣精度了.在應用同步采樣方法時需要保證采樣區間剛好等于被測量信號周期的整數倍.該種采樣方法由于存在采樣周期固定而信號周期波動的情況，因此這種采樣方法存在一定的誤差[3].為了提高采樣精度，需要改進采樣策略，比如，首先采樣被測信號的周期，根據信號周期的波動情況實時調整采樣間隔.

為了改進上述采樣方法不同步采樣中存在的問題，我們可以采用準同步采樣方法.在準同步采樣測量中，采樣測量周期與被測量信號的周期不能實現嚴格同步，即N次采樣不是落在2π區間上，而是必須落在[2π+Δ]區間上(Δ稱為同步偏差或周期偏差，其值可正可負)，此時測量結果就將產生同步誤差[4].即在|Δ|不太大的情況下，通過適當增加采樣數據量和增加迭代次數來提高測量準確度的新方法.它不要求采樣周期與信號周期嚴格同步，不要求同步環節，對第一次采樣的起點無任何要求，在這種情況下，可使測量裝置簡單，簡化電路.

圖1　電壓隔離采集電路

圖2　電壓非隔離采集電路

3　測量計算方法

電力系統中經常需要電壓(U)、電流(I)、有功功率(P)、無功功率(Q)、功率因數(cosφ)以及頻率(f)等參數，在這些參數中，只需檢測出電壓、電流即可，其余的參數除了頻率外都可以通過這兩個量計算出來[5].因此，電機保護中一般只需要檢測出電壓、電流即可，其余的電力參數均可通過相應的公式由電壓、電流計算而得到.電壓電流采集到的數據都是離散數據，需要通過一定的計算方法把這些離散的數據轉換為有效值.電壓電流由離散數據轉換為有效值通過下列公式1、2實現.

(1)

(2)

上述公式中，U、I為電壓電流的有效值，N為每周期采樣次數，u(n)、i(n)為每次電壓電流采樣的瞬時值.

根據電壓電流采集過程中的各個瞬時值，也可以計算出有功功率和無功功率，其計算公式如下式3、4所示.

(3)

(4)

由公式3、4得到是每一相的有功功率和無功功率，如果需要系統總的有功功率和無功功率，則可以根據下面公式5、6進行計算得到.

(5)

(6)

公式5、6在計算有功功率和無功功率過程中，如果系統接線方式為三相四線制的情況，當系統三相負載不平衡時，會在零線中出現零序電流，造成系統采樣計算誤差較大.為了改善這種情況，我們可以采用下邊的公式7、8進行有功、無功功率的計算.

(7)

(8)

功率因數的計算，可以根據有功功率和無功功率來計算功率因數，其計算過程如下式9所示.

(9)

對于頻率的計算，一般是在電壓采集過程中，根據兩次過零點的電壓采樣值的時間間隔來計算，只需要把這個時間間隔取倒數然后除以2即為頻率的值.

4　實驗結果

針對上述的電路和計算方法，我們搭建了實際的采集電路，對一個負荷為2.2KW的三相電機系統進行電力參數采集，并且也通過了一個0.5級精度的多功能表采集結果進行對比，得到結果如表1所示.

表1　采集系統測量結果對比表

通過上表可以看出，自制的測量采集系統的精度完全可以滿足要求需要，達到了0.5級表的采集精度，達到了設計要求.

5　結語

根據實際需要的不同，闡述交流數據量采集的軟硬件解決方案，對比了采集中的隔離法和非隔離法的優缺點提出了采集過程中針對不同接線方式產生誤差的解決方法.并給出了由電壓和電流計算有功功率、無功功率、視在功率、功率因數和計標頻率的具體公式.通過實驗驗證了設計的采集方法是可行的.達到了精度要求.

[1]沐阿華,張磊.基于DAQ和數字鎖定技術的微弱信號測量儀的設計與實現[J].測控技術，2013，32(10)：16-20.

[2]張學武,閏萍.電力系統諧波分析仿真研究[J].計算機仿真,2005，22(9)：195-199.

[3]高輝.基于DSP的交流采樣和電量數字測量的研究[J].電工技術雜志,2002(10):16-19.

[4]左麗霞，鄧芳芳，盧山.基于DSP的高速數據采集系統設計與實現[J].電力系統保護與控制，2010，38(13)：108-112.

[5]李波，陳劍云，黃瑋，等．基于TMS320LF2407的高速數據采集系統設計與實現[J]．繼電器，2008，36(5)：59-62．

責任編輯：趙秋宇

Research of AC Data Acquisition Method in the Motor Protection

LUO Shu-ke1，WANG Chong-xing2，XI Liang2

(1.CollegeofElectrical&InformationEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000,China；2.XujiTransformerCo.Ltd,Xuchang461000,China)

In view of the protection time and speed of the AC data acquisition in the motor protection equipment,the paper studies that isolation method and no-isolation method are two acquisition hardware circuits from two aspects of hardware. and software. On the basis of the hardware circuit, the method of data acquisition is described and the calculation formula of the instantaneous value converted into effective value is given. At last the accuracy of the method is verified by experiments.

AC Acquisition; protect time; instantaneous value; effective value

2015-06-15

河南省科技廳科技攻關項目(162102210302)；許昌市科技局科技攻關項目(1502092)；許昌學院科研基金項目(2016047)

羅書克(1976—)，男，河南禹州人，講師，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動.

1671-9824(2016)05-0067-04

TM921

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