淺談電力系統(tǒng)電壓電流的采集

韋運(yùn)笙 李卓

（廣西廣播電視技術(shù)中心欽州分中心）

筆者在廣播電臺(tái)從事工作多年，電臺(tái)的主要任務(wù)當(dāng)然是發(fā)射廣播電視信號(hào)，但筆者還負(fù)責(zé)全臺(tái)站的電力維護(hù)工作，發(fā)現(xiàn)電力的采集系統(tǒng)跟發(fā)射機(jī)的采集系統(tǒng)有很大差別，在此把多年來(lái)對(duì)電力采集系統(tǒng)的掌握，簡(jiǎn)單的分享給同仁們，讓大家相互學(xué)習(xí)和借鑒，也是大有裨益的。

在電力系統(tǒng)中，主要是對(duì)高壓線路和變壓器中電壓、電流的采集，這兩大參數(shù)主要用于繼電保護(hù)，繼電保護(hù)又分傳統(tǒng)的繼電保護(hù)和微機(jī)繼電保護(hù)，本文主要介紹微機(jī)繼電保護(hù)中電壓電流的采集部分。事實(shí)上，我們廣播臺(tái)站的電力采集系統(tǒng)主要是為小型發(fā)電機(jī)服務(wù)的，所以跟傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)采集系統(tǒng)有著細(xì)微的差別，其差別在于變送元件的不同。

微機(jī)保護(hù)的采集系統(tǒng)主要由電壓形成回路、模擬濾波、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)等五大部分構(gòu)成。

電壓形成回路 不管是電臺(tái)經(jīng)變壓器降壓用的380V電壓，還是電力部門(mén)用的10千伏以上的高壓，都是不能直接送微處理器處理的。必須要經(jīng)過(guò)幾級(jí)變換，使其幅值降低，變換到微機(jī)芯片能夠處理的幅值范圍內(nèi)，而且變換的數(shù)量級(jí)為上百倍甚至上萬(wàn)倍。第一級(jí)電壓、電流的變換分別用的是電壓和電流互感器，我國(guó)生產(chǎn)的電壓互感器二次邊額定電壓為100V和100/ V；生產(chǎn)的電流互感器二次邊額定電流為5A和1A。顯然這樣大的交流量，微控制器還是不能采集的。接下來(lái)還要進(jìn)行二次的變換，用到電壓變換器、電流變換器或電抗變換器，由于電抗變換器的原理跟電流變換器相似，故下面只介紹電壓和電流變換器。而電臺(tái)在這部分用的是電壓變送器和電流變送器，微機(jī)保護(hù)可通過(guò)變換器將電壓互感器和電流互感器的二次電壓、電流變換成±2.5V、±5V、±10V的電壓信號(hào)供微機(jī)保護(hù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用。

電壓、電流變換器的一次側(cè)都需要接電容，主要作用是為了吸收耦合到導(dǎo)線上的干擾信號(hào)。電流變換器連接如下圖1所示，其中Z為模擬低通濾波器及A/D輸入端等回路構(gòu)成的綜合阻抗，在工頻信號(hào)條件下，其數(shù)值可達(dá)80KΩ以上；RLH為電流變換器二次側(cè)的并聯(lián)電阻，數(shù)值為幾歐姆到十幾歐姆，遠(yuǎn)小于Z，因此RLH與Z的數(shù)值差別很大。

圖1 電流變換器原理圖

前置模擬低通濾波器：通過(guò)電壓、電流變換器變換成的小幅值的交流量還未能采集，因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障初瞬的電壓電流中往往含有頻率很高的分量，其頻率往往高達(dá)2KHZ以上，為了防止頻率混疊，選擇的采樣頻率必須為4KHZ以上，這就對(duì)硬件提出相當(dāng)高的要求，微機(jī)繼電保護(hù)絕大多數(shù)都是基于反映工頻信號(hào)的，因此為了降低采樣頻率，可在采樣之前選用一個(gè)模擬低通濾波器，將高于采樣頻率一半的信號(hào)濾掉。

采樣保持電路：其電路作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間保持其輸出值不變。由于微機(jī)繼電保護(hù)用的電壓、電流三相都要測(cè)量，且要求同步采樣，故大都采用多通道采樣方式。還有采樣頻率是大家熟悉的Fs≥2Fmax，即采樣頻率必須大于原始信號(hào)中最高頻率2倍以上，否則將造成頻率混疊，采樣后的信號(hào)不能真實(shí)代表原始信號(hào)。

模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：對(duì)于采集多個(gè)模擬輸入信號(hào)，又要采用多通道采集方式的繼電保護(hù)系統(tǒng)，為的是準(zhǔn)確地獲得各個(gè)量之間的相位關(guān)系，所有采樣保持器在邏輯輸入端并聯(lián)后由定時(shí)器同時(shí)供給采樣脈沖。但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴，通常不是每個(gè)模擬量通道設(shè)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而是共用一個(gè)，中間經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換，輪流由共用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入微機(jī)。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由選擇接通的路數(shù)的二進(jìn)制譯碼電路和由它控制的多路電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成，且集成在一個(gè)集成電路中。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器：模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓和電流變成與它成正比的數(shù)字量，以便計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一個(gè)編碼電路，它將輸入的模擬量相對(duì)與模擬參考量UR經(jīng)編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出。由于編碼電路的位數(shù)總是有限的，因而對(duì)連續(xù)模擬量用有限長(zhǎng)位數(shù)的二進(jìn)制表示時(shí)，不可避免地要舍去比最低位更小的數(shù)，那就會(huì)引起一定的誤差，為了減小模數(shù)轉(zhuǎn)換編碼的誤差，就必須讓編碼的位數(shù)越多，即數(shù)值分得越細(xì)，所引入的量化誤差就越小，即分辨率就越高。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的方式主要采用逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換和壓頻轉(zhuǎn)換方式兩種，兩種方式各有千秋，其中采用逐次逼近轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果可直接用于微控制器，而采用壓頻轉(zhuǎn)換方式其計(jì)數(shù)器采用了減法計(jì)數(shù)器，所以每次采樣中斷從計(jì)數(shù)器讀出的計(jì)數(shù)值與模擬信號(hào)沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，必須將相鄰幾次讀出的計(jì)數(shù)值相減后才能用于微控制器的數(shù)字計(jì)算。

以上所述的就是整個(gè)電力系統(tǒng)對(duì)電壓、電流的采樣大致過(guò)程，限于篇幅，就不能一一詳細(xì)地介紹給大家了，要想具體了解整個(gè)采集系統(tǒng)，還需參考相關(guān)資料。電力供應(yīng)是整個(gè)廣播臺(tái)站的生命線，它的地位是不言而喻，所以我們必須對(duì)臺(tái)站電力系統(tǒng)保持高度的重視!