电网数据采集系统的研究与设计

电网数据采集系统的研究与设计

作者：赵琳娜

来源：《数字技术与应用》2017年第09期

摘要：电网数据的实时采集监测对提高电能质量有着非常重要的意义。本文针对电网主要数据参数--电压、频率及功率因数提出了实时监测的硬件系统设计，并给出了软件流程图，在较小投入的基础上，获得了较好的采集结果。

关键词：电网数据；采集；实时

中图分类号：TM769 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0105-02

电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业。随着我国经济的发展对能源的需求不断扩大，人们对电能质量以及电能的可靠性要求越来越高。当电网参数（电压、频率等）不稳定时，会给用电工业企业造成生产损害，影响用电设备的使用寿命，因此实时采集检测电网运行参数对保障国民生产、生活安全用电有着非常重要的意义。本文通过构建电网数据采集的软硬件系统，实现对三相电压、电流及功率的采集计算及处理，在较小投入的基础上，给出良好的采集结果。

1 测量参数分析

在电力系统中，电压、频率及功率因数是反映电力系统交流电路电能质量的三个重要参数，本系统选择上述电网参数做为实时在线采集对象。

1.1 电网频率的采集计算

在我国正常运行的电网频率一般为50Hz，规定上下波动不得超过±0.5Hz。在实际运行中，有很多因素会引起电网频率的波动，例如电网的实时频率会受用电负荷与发电量的影响。当电网负荷下降，而电网来不及调整发电量时，电网的频率将上升；反之，当电网负荷上升时，电网频率会下降[1]。频率波动会影响电力系统内部的运行情况，使发电机组和发电厂的负荷发生变化，进而影响用电企业的动力系统运行及用户的用电设备[2]。实时采集电网的频率，对波动较大的频率及时采取技术措施，可以较好地保证电力系统的安全稳定运行，为用户提供优质电能。

电网频率的采集也对电网中其他参数的采集有着重要影响。在电网参数采集过程中，为提高电网实时电压、电流值采样的精确，一般需要采集电网电压及电流的交流量值。交流电有周期性，在采集中确定准确的采集时间周期对电压、电流的准确采集是最为重要的工作，而交流

电的周期值即为交流电的频率倒数，因此本采集系统在构建时首先设计电网的实时频率的采集电路系统。

本实时频率的采集电路系统主要通过设置电压过零检测装置和相位比较器电路来实现。具体电路设计如图1所示。

图1中UA及IA分别表示同相电压、同相电流，这两项经变比后的原始线性输入值由比较器的反向端输入，经稳压管和非门后，转换为高低电平表示的数字信号Ua、Ia及检测信号Uc，将这三个数字信号送入计算机，图2为上述电压过零检测装置和相位比较器电路的输入、输出电压、电流波形。如图2所示当三信号的输入值为100B时，表示电压信号过零点，以此做为交流电周期起始点，此时由计算机启动定时接口芯片8254由初值0000H起始做减一计数工作。当计算机接收到来自过零检测电路和相位比较电路转换的数字信号Ua、Ia、Uc为

010B，如图2所示恰好为电压值由高电平到低电平的跳变点，对应了交流电压半个周期的变化，此时停止8254减一计数，并读取8254计数的当前值。由8254的计数定时原理可得出从交流电压周期起始到半周期电压跳变节点的定时时间，该时间计算为

其中N为8254被读出的计数当前值，CLK为8254的原始时钟频率输入（为已知值）。

上述计算的时间即为当前动态电网参数的交流电半周期，由该半周期可求得此时交流电网的全周期，进而可求得这一时刻电网的实时频率值。

1.2 电网电压的采集计算

电网的电压及电流由于是高压值，在进入数据采集系统前需经多级电压互感器及电流互感器进行变比，将大电压及大电流值变比为5V的交流电压值及0.5A交流电流值。为较好地反映实际交流电压、电流的波形，在一个交流电周期内应进行多次采样，即在一个交流电全周期中进行24～64次不等的采样。考虑到实现采样的两个主要硬件设备——采样保持器和A/D转换器的工作速度，本系统对采样次数选择为64次。由于交流电的实时全周期值可由上述式1-1计算获得，因此可得到交流电压、电流的采样时间为：

即在上述所求的一个实时交流电周期进行64等分做为实时交流电压、电流的采样时间。在上述的采样时间t里，采集系统首先通过一组多路开关对输入的交流电压、电流进行采集选择。在本系统中选择CD4051做为多路选择器，通过计算机控制CD4051的A、B、C三选择端，使CD4051八个输入通道的交流电压、电流中的某一路进入下一级电路——采样保持器部件。在采集系统中使用多路选择器可以使构建的数据采集系统分时采集多路不同的模拟交流电压、电流信号，扩大了电网数据采集系统的适用范围。

多路开关选中通路的交流电压、电流值送入采样保持器后，采样保持器将按采样时间点t 的控制要求对电压、电流信号进行采样或保持。当采样时间点t到来时，采样保持器对实时电

压、电流信号进行采样，并将采样到的电压、电流信号送入下一级的A/D转换器，使A/D转换器开始转换工作，在A/D转换器对模拟电压、电流信号进行数字转换的过程中，采样保持器对刚采集到的电压、电流信号进行保持，暂时不再对输入的电压、电流信号进行采样。为得到及时准确的实时采集数据信号，A/D转换器采用中断方式与主机通信。当A/D转换器将输入的模拟电压电流信号转换为数字信号时即本次转换结束时，A/D转换器通过STB引脚向主机发出中断请求，同时STB引脚控制采样保持器解除保持状态，为下一个交流电压、电流信号的采样做准备。当主机接收到中断信号后，执行中断服务程序，对已转换好的数字电压和电流信号进行输入存储和进一步计算处理。电压、电流的数据采集硬件电路结构示意图如图3所示。

1.3 功率因数的采集及计算

在电网中另一重要的采集参数为功率因数。电网的功率因数为电网上同相电压与电流的相位差的余弦值，相位差可通过公式计算如下：

其中Tφ为相电压和相电流的时差，T为交流电周期。T交流电周期由上述采集时间式1-1的计算获得，在此为已知量值，在文章的这部分主要研究Tφ的计算方法。在上述采集计算电网频率的过程中，利用图1的电路结构获得了图2的电压电流波形。从图2中可知交流电压与电流的相位差即为Ua、Ia、Uc由100B到111B的时间段。同理于交流电周期的计算方法，在Ua、Ia、Uc=100时启动8254定时器计数，到Ua、Ia、Uc=111时停止计数，并读取停止计数时8254的当前值N0。可计算Tφ如下：

至此通过式1-1和式1-4，可求得T及Tφ，则由φ=Tφ/T*360，φ值可求。

电网的功率因数为电压和电流之间相位差φ的余弦值，由麦克劳林级数展开式求得：

在系统中可通过编制功率因数计算子程序完成麦克劳林公式中功率因数的计算和存储。

2 采集系统的软件设计

电网参数采集系统软件系统主要包括主程序及五个子程序，五个子程序分别是电压、电流采集子程序、周期测定子程序、相位差测定子程序、电压及电流计算子程序、功率因数计算子程序。其中主程序流程如图4所示。

3 结语

电力供应做为国家、社会最重要的社会资源，其供给的质量越来越受到关注。国家电力监管委员会在2011年监察中发现存在供电质量问题的企业多达133家，其中很多家存在着基础数量错误、电压监测点数不足，设置不合理等问题。在本文中通过采用投资成本较小的微型计