利用高速計(jì)數(shù)器檢測電力參數(shù)的方法

1 問題的引出

對電力參數(shù)的檢測是電力設(shè)備進(jìn)行自動控制的前提與基礎(chǔ)，同時(shí)亦是電力設(shè)備能夠正常運(yùn)行的先決條件。電力系統(tǒng)作方案時(shí)往往需要考慮多種檢測參數(shù)的方法，并從中選取最優(yōu)的一種檢測方法。

受風(fēng)速的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出線端的頻率、電壓均是波動的。風(fēng)力發(fā)電變流裝置的作用是將發(fā)電機(jī)的電能變換為與電網(wǎng)同頻、同相的電能，并將其傳送至電網(wǎng)。本文不對風(fēng)力發(fā)電變流裝置作更為詳細(xì)的介紹，感興趣的讀者可查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。考慮到可靠性等實(shí)際情況，該裝置需用Siemens可編程控制器PLC 300。此變流裝置需要測量發(fā)電機(jī)端電流、電壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩，電網(wǎng)端電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等電力參數(shù)。本文所述為如何使用PLC 300測量這些電力參數(shù)，其中著重介紹如何使用PLC 300測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等。

2 檢測方法

工業(yè)上對于電力參數(shù)的檢測一般是使用傳感器將電流、電壓信號轉(zhuǎn)換成與其同步的弱信號，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，再使用單片機(jī)計(jì)算得出所需要的各種數(shù)據(jù)。PLC 300的12位模擬量輸入模塊的每個(gè)模擬量輸入通道的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間tT為17 ms，又因每個(gè)模擬量輸入模塊有8個(gè)通道，所以對每個(gè)模擬量的采樣時(shí)間tS為136 ms。如果采用分辨率更高的模擬量輸入模塊，則采樣時(shí)間還要加長[1]。而電網(wǎng)信號的周期T 為20 ms，不能保證tS T，所以PLC 300 的模擬量輸入模塊無法處理電壓、電流的同步信號，需要采用外圍電路對采集到的電力信號進(jìn)行處理。

查閱PLC 300 的技術(shù)手冊，發(fā)現(xiàn)其CPU 313C-2DP 集成有3 個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率為30 kHz，此頻率為電網(wǎng)頻率50 Hz 的600 倍，能夠用來測量電網(wǎng)的電力信號[1]。將和電網(wǎng)同步的弱信號轉(zhuǎn)換成與其同步的電平信號，把電壓、電流的同步電平信號相“異或(XOR)”，則高電平的時(shí)間長度便是電網(wǎng)的電壓、電流相位差所對應(yīng)的時(shí)間長度。把得到的相位信號與高頻脈沖相“與(AND)”，會得到一系列斷續(xù)的高頻脈沖信號，送入PLC 300 的CPU，對其計(jì)數(shù)，便計(jì)算出電網(wǎng)的相位角漬。發(fā)電機(jī)所發(fā)出電的頻率與其轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成正比，所以，通過檢測頻率即可獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖1 所示，介紹了電網(wǎng)相位與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測原理。由電網(wǎng)的線電壓和相電壓存在的角度差30°，可以將線電壓與相電流的同步信號相“異或”，即給相位信號加入一個(gè)30°的零偏。通過檢測到的相位“>30°”還是“30°”，能夠判斷出相位角是“超前”還是“滯后”，或者相反。同樣將發(fā)電機(jī)的同步電壓信號與30 kHz 脈沖相“與”，送至PLC 300的CPU，便可計(jì)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 硬件電路

硬件電路是整個(gè)測量系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的合理與否將直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則[2]：

1)單元電路設(shè)計(jì)模塊化把系統(tǒng)功能細(xì)分為不同的單元，各單元電路獨(dú)立實(shí)現(xiàn)其功能，這樣電路設(shè)計(jì)的思路就很清晰。

2)高可靠性設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)過程中盡可能采用集成電路，少用分立元件;盡可能使用高集成度元件，減少元件使用的數(shù)量。并且優(yōu)先考慮經(jīng)實(shí)踐證明成熟的電路。

3)抗干擾設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，在硬件電路設(shè)計(jì)過程中一定要考慮各種干擾，采取抗干擾措施。

4)高準(zhǔn)確度設(shè)計(jì)本電路要實(shí)現(xiàn)的功能是對電力參數(shù)的測量，既然是測量就必然有引起測量誤差的各種因素。在硬件電路設(shè)計(jì)的過程中一定要排除相應(yīng)的誤差因素。

設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)先采用二階濾波器對電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的同步信號進(jìn)行濾波，再由LM339 組成的過零比較器將其變換成同步電平信號。考慮到高頻脈沖的穩(wěn)定性，選用1 MHz的石英晶振作為脈沖信號源，再用計(jì)數(shù)器對1 MHz脈沖信號進(jìn)行35倍分頻，得到28.57 kHz的脈沖信號。電路圖如圖2所示。按照前面所述的處理信號的方法，將得出的信號送至PLC 300的CPU。

4 誤差分析

本文所述的系統(tǒng)采用工業(yè)上常用的同步變壓器和電流傳感器產(chǎn)生同步電壓、電流信號。由產(chǎn)生同步信號造成的相位誤差可以忽略不計(jì)，測量誤差為1個(gè)脈沖周期引起的誤差。所采用脈沖的周期為35μs，可以得到測量誤差如下所示。

功率因數(shù)的測量誤差

本系統(tǒng)所述的現(xiàn)場同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)極對數(shù)為44，輸出頻率為7~22 Hz?？紤]到測量的快速性，利用PLC300的CPU的高速計(jì)數(shù)功能測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，每個(gè)電壓信號周期的高電平期間將脈沖串送至PLC300的CPU 的高速計(jì)數(shù)器，每個(gè)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值CS650。所測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的相對誤差為

Δn / n =ΔCS /CS=1/650=1.5×10-3 (8)

對設(shè)備電力參數(shù)的檢測結(jié)果校驗(yàn)表明，檢測誤差均能控制在0.5%之內(nèi)。

5 結(jié)語

本文所述的電力參數(shù)的檢測方法能夠適應(yīng)PLC300的CPU與工業(yè)現(xiàn)場的需要;所需電路簡單，可靠性高;測量精度高。風(fēng)力發(fā)電變流器在工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定可靠，所檢測的電力參數(shù)完全能滿足精度要求。