電網數據采集系統的研究與設計

趙琳娜

摘要：電網數據的實時采集監測對提高電能質量有著非常重要的意義。本文針對電網主要數據參數--電壓、頻率及功率因數提出了實時監測的硬件系統設計，并給出了軟件流程圖，在較小投入的基礎上，獲得了較好的采集結果。

關鍵詞：電網數據；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

電力工業是國民經濟發展中最重要的基礎能源產業。隨著我國經濟的發展對能源的需求不斷擴大，人們對電能質量以及電能的可靠性要求越來越高。當電網參數（電壓、頻率等）不穩定時，會給用電工業企業造成生產損害，影響用電設備的使用壽命，因此實時采集檢測電網運行參數對保障國民生產、生活安全用電有著非常重要的意義。本文通過構建電網數據采集的軟硬件系統，實現對三相電壓、電流及功率的采集計算及處理，在較小投入的基礎上，給出良好的采集結果。

1 測量參數分析

在電力系統中，電壓、頻率及功率因數是反映電力系統交流電路電能質量的三個重要參數，本系統選擇上述電網參數做為實時在線采集對象。

1.1 電網頻率的采集計算

在我國正常運行的電網頻率一般為50Hz，規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頻率的波動，例如電網的實時頻率會受用電負荷與發電量的影響。當電網負荷下降，而電網來不及調整發電量時，電網的頻率將上升；反之，當電網負荷上升時，電網頻率會下降[1]。頻率波動會影響電力系統內部的運行情況，使發電機組和發電廠的負荷發生變化，進而影響用電企業的動力系統運行及用戶的用電設備[2]。實時采集電網的頻率，對波動較大的頻率及時采取技術措施，可以較好地保證電力系統的安全穩定運行，為用戶提供優質電能。

電網頻率的采集也對電網中其他參數的采集有著重要影響。在電網參數采集過程中，為提高電網實時電壓、電流值采樣的精確，一般需要采集電網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，因此本采集系統在構建時首先設計電網的實時頻率的采集電路系統。

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

圖1中UA及IA分別表示同相電壓、同相電流，這兩項經變比后的原始線性輸入值由比較器的反向端輸入，經穩壓管和非門后，轉換為高低電平表示的數字信號Ua、Ia及檢測信號Uc，將這三個數字信號送入計算機，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換的數字信號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，對應了交流電壓半個周期的變化，此時停止8254減一計數，并讀取8254計數的當前值。由8254的計數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點的定時時間，該時間計算為

其中N為8254被讀出的計數當前值，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電網參數的交流電半周期，由該半周期可求得此時交流電網的全周期，進而可求得這一時刻電網的實時頻率值。

1.2 電網電壓的采集計算

電網的電壓及電流由于是高壓值，在進入數據采集系統前需經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應進行多次采樣，即在一個交流電全周期中進行24～64次不等的采樣?？紤]到實現采樣的兩個主要硬件設備——采樣保持器和A/D轉換器的工作速度，本系統對采樣次數選擇為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，采集系統首先通過一組多路開關對輸入的交流電壓、電流進行采集選擇。在本系統中選擇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。在采集系統中使用多路選擇器可以使構建的數據采集系統分時采集多路不同的模擬交流電壓、電流信號，擴大了電網數據采集系統的適用范圍。

多路開關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轉換器，使A/D轉換器開始轉換工作，在A/D轉換器對模擬電壓、電流信號進行數字轉換的過程中，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據信號，A/D轉換器采用中斷方式與主機通信。當A/D轉換器將輸入的模擬電壓電流信號轉換為數字信號時即本次轉換結束時，A/D轉換器通過STB引腳向主機發出中斷請求，同時STB引腳控制采樣保持器解除保持狀態，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，執行中斷服務程序，對已轉換好的數字電壓和電流信號進行輸入存儲和進一步計算處理。電壓、電流的數據采集硬件電路結構示意圖如圖3所示。

1.3 功率因數的采集及計算

在電網中另一重要的采集參數為功率因數。電網的功率因數為電網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頻率的過程中，利用圖1的電路結構獲得了圖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，到Ua、Ia、Uc=111時停止計數，并讀取停止計數時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。

電網的功率因數為電壓和電流之間相位差φ的余弦值，由麥克勞林級數展開式求得：

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

2 采集系統的軟件設計

電網參數采集系統軟件系統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、功率因數計算子程序。其中主程序流程如圖4所示。

3 結語

電力供應做為國家、社會最重要的社會資源，其供給的質量越來越受到關注。國家電力監管委員會在2011年監察中發現存在供電質量問題的企業多達133家，其中很多家存在著基礎數量錯誤、電壓監測點數不足，設置不合理等問題。在本文中通過采用投資成本較小的微型計算機通過構建簡單的外圍電路，較好地實現了對電網主要參數的實時動態監測，為供電企業提供了一個比較經濟實用的數據采集方式，適于對機網容量比大于8%的小網或孤網的電網參數采集使用。

參考文獻

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

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