利用高速計數(shù)器檢測電力參數(shù)的方法

1 問題的引出

對電力參數(shù)的檢測是電力設備進行自動控制的前提與基礎，同時亦是電力設備能夠正常運行的先決條件。電力系統(tǒng)作方案時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。

受風速的影響，風力發(fā)電機出線端的頻率、電壓均是波動的。風力發(fā)電變流裝置的作用是將發(fā)電機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)。本文不對風力發(fā)電變流裝置作更為詳細的介紹，感興趣的讀者可查閱相關文獻資料?？紤]到可靠性等實際情況，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)電機端電流、電壓、發(fā)電機轉速、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)電機轉速、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、電壓信號轉換成與其同步的弱信號，進行A/D轉換后，再使用單片機計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模擬量輸入通道的最小轉換時間tT為17 ms，又因每個模擬量輸入模塊有8個通道，所以對每個模擬量的采樣時間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行處理。

查閱PLC 300 的技術手冊，發(fā)現(xiàn)其CPU 313C-2DP 集成有3 個計數(shù)器，每個計數(shù)器的最高計數(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)”，則高電平的時間長度便是電網(wǎng)的電壓、電流相位差所對應的時間長度。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，對其計數(shù)，便計算出電網(wǎng)的相位角漬。發(fā)電機所發(fā)出電的頻率與其轉速嚴格成正比，所以，通過檢測頻率即可獲得電機轉速。如圖1 所示，介紹了電網(wǎng)相位與發(fā)電機轉速的檢測原理。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)電機的同步電壓信號與30 kHz 脈沖相“與”，送至PLC 300的CPU，便可計算出發(fā)電機轉速。

3 硬件電路

硬件電路是整個測量系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎，設計的合理與否將直接關系到系統(tǒng)能否正常工作以實現(xiàn)設計的功能。硬件電路設計應遵循以下原則[2]：

1)單元電路設計模塊化把系統(tǒng)功能細分為不同的單元，各單元電路獨立實現(xiàn)其功能，這樣電路設計的思路就很清晰。

2)高可靠性設計硬件電路設計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)實踐證明成熟的電路。

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

4)高準確度設計本電路要實現(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。在硬件電路設計的過程中一定要排除相應的誤差因素。

設計硬件電路時先采用二階濾波器對電網(wǎng)和發(fā)電機的同步信號進行濾波，再由LM339 組成的過零比較器將其變換成同步電平信號?？紤]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，再用計數(shù)器對1 MHz脈沖信號進行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，測量誤差為1個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)場同步風力發(fā)電機極對數(shù)為44，輸出頻率為7~22 Hz?？紤]到測量的快速性，利用PLC300的CPU的高速計數(shù)功能測量發(fā)電機轉速，每個電壓信號周期的高電平期間將脈沖串送至PLC300的CPU 的高速計數(shù)器，每個周期內(nèi)的計數(shù)值CS650。所測量發(fā)電機轉速的相對誤差為

Δn / n =ΔCS /CS=1/650=1.5×10-3 (8)

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

5 結語

本文所述的電力參數(shù)的檢測方法能夠適應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。風力發(fā)電變流器在工業(yè)現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，所檢測的電力參數(shù)完全能滿足精度要求。