电能质量参数采集单元硬件设计

宁夏大学自然基金资助项目(编号:ndzr09-4)。

修改稿收到日期:2010-06-17。

第一作者杨国华,男,1972年生,1994年毕业于重庆大学电力系统及其自动化专业,获学士学位,副教授;主要从事电力检测与电力市场方面的研究。

电能质量参数采集单元硬件设计

Har dware Desi g n o f the Acquisiti o n Un it for Quality Pa r ameters o f El e ctri c Ener gy

杨国华 李建春 李先锋

(宁夏大学物理电气信息学院,宁夏银川 750021)

摘 要:虚拟仪器技术在检测系统中的使用日趋广泛,针对现有虚拟仪器采集卡价格昂贵、性能不高和不便推广的现状,设计了高性价比的虚拟仪器硬件采集单元。根据电能质量参数检测系统的需求特点,从误差控制的角度选用低价通用器件设计模块化的电能质量信号采集单元,并通过误差分析证明了该设计在保证性能的前提下降低了采集成本,为实时、准确检测和控制电能质量提供了基础条件。

关键词:电能质量参数 采集模块 误差分析 虚拟仪器 检测中图分类号:TP274+.2 文献标志码:A

Abstract :The technol ogy of v irt ual i nstru menthas been w i del y appli ed i n detecti on syste ms .A m i i ng at t he current status o f the acqui siti on unit i n virt ual i nstru men,t e .g .,expensive and poor perfor mance t hat bri ng s difficult y t o extend t he applicati ons ,the hi gh cost effecti veness hard ware o f acqui siti on unit has been desi gned .In accordance w it h the de mands on t he detecti on syste m for q uali ty para meters of electric energy ,and based on error contro,l the l o w cost co mm onl y used co mponents are selected t o desi gn m odular si gna l acq u i sition un i .t The h i ghly prec i se desi gn is verified by t he error ana l ysi s .The cost is reduced but still guarantees the perfor mance .Th i s offers f undamenta l conditions f o r real tm i e and precise detecti on&contro l o f t he qua lity o f el ectr i c energy .

K ey words :Q ualit y parameter o f e l ectric energy A cqui siti on unit Error anal ysis V i rtual i nstru ment De t ecti on

0 引言

随着社会的发展,电能质量问题越来越受到电力企业和用户的关注。电能质量的提高是指其能准确、完整地对电力参数进行检测和分析[1-3]

。表征稳态电

能质量的主要指标有:电压偏差、频率偏差、三相不平

衡、谐波、电压波动和闪变

[4]

。现行的电能质量参数虚

拟仪器监测系统硬件采集模块主要采用各大公司的采集卡,这些采集卡的性价比均不高,为此,有必要进一步研究设计电能质量参数采集单元。

在信号采集中,为精确测量高次谐波,必须选取较大的采样频率。本文设计的电能采集单元根据采样对象、采样频率、数据传送速率和使用环境进行设计,具体设计如下:采样频率为f s =6400H z ,即每个工频周期采样128个数据点,这样理论上可以测量64次谐波;电能质量参数中计算数据数量需求最多的为频率测量(需要3s 数据量);由于电网频率变化不大,设定45~55H z 范围的频率信号采集即可满足绝大部分电

力系统检测需求;系统使用工业CAN 总线进行通信和数据传送。

1 采集单元总体设计

1.1 硬件结构设计

采集器以单片机为核心,外设电流/电压输入电

路、信号滤波调理电路、数据片外存储电路、继电器输出电路、锁相倍频电路、看门狗电路和电源电路等。其中,电流电压电路完成三相电力信号的初步采集,看门狗电路完成电路的监控保护,继电器输出电路负责在一些紧急情况下对电路实现保护动作。采集模块结构框图如图1所示。

图1 采集模块结构图

F i g .1 Structure o f acquisiti on m odu l e

系统的主要工作原理是被测的三相交流电压和三相交流电流信号首先经过互感器隔离变换,再经信号

调理电路调整为A/D转换器可测信号,然后送入单片机转换为数字信号并进行相应的数据存储。A/D转换的控制信号由单片机根据锁相环脉冲给出,上下位机根据控制指令,通过CAN现场总线实现数据交换。

1.2主要器件设计

采集单元控制核心M CU选择C8051F060单片机。该芯片有59个I/O口,2个片内16位ADC,内部基准电压为2.4V。C8051F060片内ADC的孔径时间为1.5ns,转换速率为1M S/s。系统采样设计需求面对45~55H z的信号,每个周期采样128个点,最大即为128!55=7.04kS/s,而测量三相电流电压共为6通道,则7.04!6=42.24kS/s∀1M S/s,可以满足系统设计需求。

由于C8051F060存储空间有限(64kB),采用CAN总线传送数据时,其传播速率随距离的增大而递减,当CAN通信距离达到最大10k m时,传送速率仅为5kbit/s[5];而采集频率为42.24kS/s,A/D采集位数为16位,则每秒单个采集器需要传送的数据为42.24! 16=675.84kbit/s#5kb it/s。若CAN总线所挂带的节点增多,则更显速率不足,所以需要扩展存储单元,进行临时的数据存储。

在计算频率时,将3s的波形数据平均分成7段,并分别对每段计算频率,然后把这7段波形频率的平均值作为当前波形的频率。为此,每个节点至少设计为保存3s左右的数据,则需要的扩展存储单元为: 128!6!2!55!3!8b it=247.5k!8bit,而C8051F060扩展地址空间为64kB,所以选用4片64kB!8bit的存储芯片即可满足需求。综合考虑性价比,选择通用的存储芯片M27512。该芯片为D I P封装,存储速度达到200ns,能够满足系统需求。

电压互感器采用SPT204A,其额定输入电流为2mA,额定输入电压为500V,额定输出电流为2mA。由于使用时需要将原边电压信号变换为电流信号,因此,需要在原边串联一个合适的电阻,以满足输入端电流为2mA的要求。

电流互感器采用SCT254F K。该互感器是通过感应原边的输入电流来进行转换的,其额定输入电流为5A,额定输出电流为2.5mA。

2采集单元电路设计

2.1互感器电路设计

在设计中,由于测量的是交流量,A/D转换的最大值对应被测信号的峰值,是其有效值的2倍,当波形不失真时,峰值为内部基准电压2.4V,对应的交流采样信号有效值为

2.4

2

=1.697V,因此,设过量程标志为有效值#1.7V。为留有余量,在量程适当时,交流采

样电压有效值应∀1.5V。设计中选用电压互感器SPT204A,其额定输入交流电压有效值为500V,输出电压有效值为1.5V。

确定电路参数首先要确定限流电阻R

1

和反馈电

阻R

3

的值。选择初级额定电流为2mA,计算限流电

阻R

1

=500V∃2mA=250k ,则选择R

1

为240k /2W时,实际初级额定电流约为:

I=500V/(240+0.11)k =2.082mA(1)式中:0.11k 为SPT204A的初级电阻。在此,初级额定电流要求不是很精确。

反馈电阻R

3

=1.5V∃2.082mA=0.7205k ,则

R

3

可选0.7k 。另外,可串联一个可调电阻进行微调。电压互感器SPT204A电路如图2所示。

图2电压互感器电路图

F i g.2C ircu it o f vo ltage transf o r m er

图2中:电容C

1

和R

4

是用来补偿相移即相位差

的。C

1

应选用CBB电容;由于电容通常不能微调,所

以需要调节补偿电阻R

4

来达到所需的补偿精度。电

容C

3

是400~1000pF的小电容,作用是去耦合滤波。

R

1

和R

3

要求精度优于1%,温度系数优于50!10-6,R

1的功率要求有2倍的余量。

输入端的2个反向并联二极管用于限幅保护,使输入信号电压限制在二极管的正向压降以内,从而保护组件输入级的差分管发射结不被击穿,同时还可避免输入级因信号过大而出现%堵塞&现象。对于输入信号幅值允许较大的组件,可由2只反向串联的稳压管代替[6]。

系统采用SCT254FK设计了一个额定输入电流为2A、输出电压为1.5V的电流互感器电路。电路中互感器的输入端绕为2匝,从而使输入电流与输出电流之比为2.5A/2.5mA。设计方法与电压传感电路的

参数类似:首先确定反馈电阻R

6

的值,选为0.7k ;另

外,串联一个可调电阻R

5

(100 )进行微调。电流互感器电路如图3所示。