分布式電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了分布式電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)。給出了利用該系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)三相電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)以及通過DFT檢測有功功率、無功功率和電網(wǎng)中電壓、電流各類諧波分參量的測量原理，以及計(jì)算電網(wǎng)負(fù)載大小及非線性度的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：分布式 電網(wǎng) 監(jiān)測 DFT

1 引言

為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行和了解電網(wǎng)運(yùn)行的狀況，需要對電網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)（如三相電壓、電流、有功功率、無功功率等）進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以得到電網(wǎng)中電壓、電流以及各類諧波成分的參量，計(jì)算出電網(wǎng)負(fù)載的大小及共非常性度，以便于進(jìn)行無功補(bǔ)償。

在電網(wǎng)參數(shù)測量方面已經(jīng)有了基本的測量算法，但目前在實(shí)際應(yīng)用中，在測量方法或測量原理以及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇等方面還有些欠缺，主要體現(xiàn)在以下方面：

●在測量方法上，通常采用直流采用，這種方法雖然簡單，但測量精度會受到整流電路的影響。

●在測量的關(guān)鍵部件之一——A/D轉(zhuǎn)換器的選擇上，通常多路公用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，這樣難以避免采用孔徑時(shí)間以及器件的不同引起的誤差。

●在測量原理上，有些裝置假設(shè)工頻信號為理想的50Hz正弦波，這樣就忽略了諧波信號的影響。

本文介紹的監(jiān)測系統(tǒng)可對交流信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采親，并可測量和處理到16次諧波，利用TI公司最新推出的六路同時(shí)采樣高速ADS7864可以對電力線的三相共六路信號進(jìn)行同時(shí)采樣，然后將現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理后通過串行口傳送到中心監(jiān)控室的PC機(jī)上進(jìn)行二次數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)方式，下位機(jī)主要由單片機(jī)ATM89C52及可對六路同時(shí)采樣的高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864構(gòu)成，并用于完成現(xiàn)場的信號采樣及數(shù)據(jù)處理；上位機(jī)是PC機(jī)，用于完成數(shù)據(jù)的二次處理；上位機(jī)與下位機(jī)的通信采RS-485標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，G485A用來完成RS-232與RS-485的轉(zhuǎn)換，而MAX3082則用來完成RS-485與TTL的轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)下位機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)下位機(jī)的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要包括電壓電流信號的采樣電路、濾波電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、無功補(bǔ)償?shù)目刂齐娐?、串行接口電路以及單片機(jī)AT89C52等。

3.1 濾波及信號調(diào)理電路

系統(tǒng)中的濾波器選用MAX274，它可用作四階低通波濾器。該濾波器的輸出信號范圍為-5V～+5V，而ADS7864的模擬輸入信號范圍為0～+5V，因此需要進(jìn)行信號的調(diào)理。圖3所示是其調(diào)理電路。

3.2 快速6通道雙12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864

ADS7864是德州儀器（TI）Burr-Brown產(chǎn)品部最新推出的業(yè)務(wù)最快速的6通道全差分輸入雙12位A/D轉(zhuǎn)換器。這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器能以500kHz的采樣率同時(shí)進(jìn)行六通道信號的采親。ADS7864的六路輸入通道可以分成三對，以分別用于電網(wǎng)的三相電壓和三相電流的輸入，并可將模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP或微處理器所需的數(shù)字信號。輸入到片內(nèi)六個(gè)采樣-保持放大器的信號經(jīng)過全差分可在ADC輸入期間保持，以使其在50kHz時(shí)仍然提供高達(dá)80dB的良好模抑制比，這一點(diǎn)對高噪聲時(shí)的輸入噪聲抑制可起到非常重要的作用。另外，ADS7864特有的并行接口能夠與六個(gè)FIFO寄存器進(jìn)行連接，從而可以更快速地捕獲數(shù)據(jù)。

ADS7864的內(nèi)部結(jié)構(gòu)加圖4所示。使用時(shí)，可將ADS7864的采樣保持信號HOLADA，HOLDB，HOLDC全部與單片機(jī)的P1.0引腳連在一起，這樣，當(dāng)P1.0為“0”時(shí)，可以同時(shí)保持六路輸入信號，然后按工作模式設(shè)定的先后次序分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADS7864的輸出數(shù)據(jù)為16位，其中D15用于表明數(shù)據(jù)是否有效（有效為“1”），D14，D13，D12用于選擇通道（選擇方法如表1所列），其余的D11～D0為該通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)值。AT89C52分兩次讀入這16位數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)RD信號有效時(shí)，單片機(jī)讀進(jìn)低8位數(shù)據(jù)，而當(dāng)?shù)诙€(gè)RD信號有效時(shí)，讀進(jìn)高8位數(shù)據(jù)。

表1 通道真值表

3.3 串行通信電路

上、下位機(jī)通信時(shí)，由下位機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)通過串行口傳送到上位機(jī)（PC機(jī)），由于距離在1km左右，所以采用RS-485串行通信標(biāo)準(zhǔn)。用MAX3082完成TTL電平與RS-485電平轉(zhuǎn)換，可使通信距離達(dá)到1200m。

4 測量原理

在下位機(jī)以每周波32點(diǎn)采樣時(shí)，通過DFT可以得到16次以內(nèi)諧波的幅值和相位等參量，各電氣參量的計(jì)算如下：

（1）電壓、電流的有效值計(jì)算

式中，i表示A、B、C三相的相別，n表示諧波次數(shù)。

（2）功率機(jī)功率因素的計(jì)算

式中，Pi表示i相的有功功率，Qi表示i相的的無功功率，φn,i表示n次諧波i相的電壓電流相位差，cosφ表示i相的功率因素，cosφ表示三相合成的功率因素。

系統(tǒng)軟件可采用C51與匯編語言混合編寫，程序從略。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)可用于變電站多路供電線路的綜合檢測和電力設(shè)備的絕緣在線檢測，并可做到無人值守。檢測、分析和動態(tài)無功補(bǔ)償。另外，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到將來擴(kuò)展的需要，還在系統(tǒng)上預(yù)留了輸入輸出接口。