羅書克，王崇星，郗　亮

(1.許昌學(xué)院 電氣機(jī)電工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000)

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電機(jī)保護(hù)中交流量數(shù)據(jù)采集方法研究

羅書克1，王崇星2，郗亮2

(1.許昌學(xué)院 電氣機(jī)電工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000)

針對(duì)電機(jī)保護(hù)類設(shè)備中的交流數(shù)據(jù)采集存在的保護(hù)時(shí)間和速度問(wèn)題，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了闡述.給出了隔離法和非隔離法兩種數(shù)據(jù)采集硬件電路，在硬件電路基礎(chǔ)上，闡述了交流量數(shù)據(jù)采集的方法，給出了采集到的瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換為有效值的計(jì)算公式.最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所述方法的準(zhǔn)確性.

交流采集；保護(hù)時(shí)間；瞬時(shí)值；有效值

電機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置中對(duì)于交流數(shù)據(jù)的采集不同于一般電力儀表數(shù)據(jù)采集過(guò)程，電力儀表因?yàn)閮H僅是一個(gè)采集顯示系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)采集速度要求較低，一般在500 ms采集更新一次即可.而對(duì)于電機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，存在保護(hù)時(shí)間和數(shù)據(jù)采集失真問(wèn)題，因此要求該類設(shè)備的交流數(shù)據(jù)采集速度和每周期數(shù)據(jù)采集次數(shù)必須滿足一定的要求，這就給電機(jī)保護(hù)類設(shè)備的交流數(shù)據(jù)采集帶來(lái)了一定的特殊性[1].有必要對(duì)其進(jìn)行深入的分析探討.對(duì)交流量的采樣，我們從硬件和軟件兩方面進(jìn)行討論.

1　硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)保護(hù)中的交流量采集，硬件采集電路上一般有隔離法和非隔離法，以電壓采集電路為例，其電路圖分別如圖1、2所示.圖1為隔離法采集電路，圖2為非隔離法采集電路，對(duì)于追求成本控制的場(chǎng)合可以采用非隔離法采集電路，其缺點(diǎn)主要是抗干擾能力差，主電路中的強(qiáng)電信號(hào)容易串入檢測(cè)控制回路中，造成二次電路的損壞.一般情況下，都采用隔離采集電路，其優(yōu)點(diǎn)主要是抗干擾能力強(qiáng)，強(qiáng)、弱電完全隔離；其缺點(diǎn)是成本高，隔離互感器的一、二次邊存在相位差，致使后邊軟件編程處理復(fù)雜.

對(duì)于電流采集電路，其電路圖和電壓采集電路基本類似，區(qū)別之處在于隔離電路省去電路中的電壓電流轉(zhuǎn)換電阻R1-R3，而非隔離電路的采樣是通過(guò)采樣分流器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，分流器后端電路與電壓非隔離采樣電路完全一樣.

2　采樣方法

采樣方法是按照一定的規(guī)律對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)采樣，把采到的瞬時(shí)值用一定的計(jì)算方法轉(zhuǎn)化為有效值，與直流信號(hào)采樣的區(qū)別主要是用軟件采樣法代替直流硬件的功能，這樣做的好處主要是硬件簡(jiǎn)單，成本較低.交流采樣方法按照不同的采樣原理可以分為同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法.

同步采樣法按照采樣周期Ts與測(cè)量信號(hào)周期T以及一個(gè)周期內(nèi)采樣的個(gè)數(shù)N之間，需要滿足關(guān)系式T=N·Ts.N選取的越大，則測(cè)得的數(shù)據(jù)越接近實(shí)際波形，但由于計(jì)算量大造成實(shí)時(shí)性較差.同時(shí)系統(tǒng)中含有各次諧波，一般以奇次諧波為主，而奇次諧波超過(guò)9次后，其含量就比較小了[2].當(dāng)考慮9次諧波能夠再現(xiàn)時(shí)，根據(jù)采樣定理N至少需要18以上，但采樣時(shí)一般以2的整次方數(shù)為最好，因此一般選取采樣次數(shù)為32已經(jīng)可以保證采樣精度了.在應(yīng)用同步采樣方法時(shí)需要保證采樣區(qū)間剛好等于被測(cè)量信號(hào)周期的整數(shù)倍.該種采樣方法由于存在采樣周期固定而信號(hào)周期波動(dòng)的情況，因此這種采樣方法存在一定的誤差[3].為了提高采樣精度，需要改進(jìn)采樣策略，比如，首先采樣被測(cè)信號(hào)的周期，根據(jù)信號(hào)周期的波動(dòng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整采樣間隔.

為了改進(jìn)上述采樣方法不同步采樣中存在的問(wèn)題，我們可以采用準(zhǔn)同步采樣方法.在準(zhǔn)同步采樣測(cè)量中，采樣測(cè)量周期與被測(cè)量信號(hào)的周期不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步，即N次采樣不是落在2π區(qū)間上，而是必須落在[2π+Δ]區(qū)間上(Δ稱為同步偏差或周期偏差，其值可正可負(fù))，此時(shí)測(cè)量結(jié)果就將產(chǎn)生同步誤差[4].即在|Δ|不太大的情況下，通過(guò)適當(dāng)增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度的新方法.它不要求采樣周期與信號(hào)周期嚴(yán)格同步，不要求同步環(huán)節(jié)，對(duì)第一次采樣的起點(diǎn)無(wú)任何要求，在這種情況下，可使測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化電路.

圖1　電壓隔離采集電路

圖2　電壓非隔離采集電路

3　測(cè)量計(jì)算方法

電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要電壓(U)、電流(I)、有功功率(P)、無(wú)功功率(Q)、功率因數(shù)(cosφ)以及頻率(f)等參數(shù)，在這些參數(shù)中，只需檢測(cè)出電壓、電流即可，其余的參數(shù)除了頻率外都可以通過(guò)這兩個(gè)量計(jì)算出來(lái)[5].因此，電機(jī)保護(hù)中一般只需要檢測(cè)出電壓、電流即可，其余的電力參數(shù)均可通過(guò)相應(yīng)的公式由電壓、電流計(jì)算而得到.電壓電流采集到的數(shù)據(jù)都是離散數(shù)據(jù)，需要通過(guò)一定的計(jì)算方法把這些離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效值.電壓電流由離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效值通過(guò)下列公式1、2實(shí)現(xiàn).

(1)

(2)

上述公式中，U、I為電壓電流的有效值，N為每周期采樣次數(shù)，u(n)、i(n)為每次電壓電流采樣的瞬時(shí)值.

根據(jù)電壓電流采集過(guò)程中的各個(gè)瞬時(shí)值，也可以計(jì)算出有功功率和無(wú)功功率，其計(jì)算公式如下式3、4所示.

(3)

(4)

由公式3、4得到是每一相的有功功率和無(wú)功功率，如果需要系統(tǒng)總的有功功率和無(wú)功功率，則可以根據(jù)下面公式5、6進(jìn)行計(jì)算得到.

(5)

(6)

公式5、6在計(jì)算有功功率和無(wú)功功率過(guò)程中，如果系統(tǒng)接線方式為三相四線制的情況，當(dāng)系統(tǒng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，會(huì)在零線中出現(xiàn)零序電流，造成系統(tǒng)采樣計(jì)算誤差較大.為了改善這種情況，我們可以采用下邊的公式7、8進(jìn)行有功、無(wú)功功率的計(jì)算.

(7)

(8)

功率因數(shù)的計(jì)算，可以根據(jù)有功功率和無(wú)功功率來(lái)計(jì)算功率因數(shù)，其計(jì)算過(guò)程如下式9所示.

(9)

對(duì)于頻率的計(jì)算，一般是在電壓采集過(guò)程中，根據(jù)兩次過(guò)零點(diǎn)的電壓采樣值的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算，只需要把這個(gè)時(shí)間間隔取倒數(shù)然后除以2即為頻率的值.

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)上述的電路和計(jì)算方法，我們搭建了實(shí)際的采集電路，對(duì)一個(gè)負(fù)荷為2.2KW的三相電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電力參數(shù)采集，并且也通過(guò)了一個(gè)0.5級(jí)精度的多功能表采集結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如表1所示.

表1　采集系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)上表可以看出，自制的測(cè)量采集系統(tǒng)的精度完全可以滿足要求需要，達(dá)到了0.5級(jí)表的采集精度，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

5　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際需要的不同，闡述交流數(shù)據(jù)量采集的軟硬件解決方案，對(duì)比了采集中的隔離法和非隔離法的優(yōu)缺點(diǎn)提出了采集過(guò)程中針對(duì)不同接線方式產(chǎn)生誤差的解決方法.并給出了由電壓和電流計(jì)算有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)和計(jì)標(biāo)頻率的具體公式.通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的采集方法是可行的.達(dá)到了精度要求.

[1]沐阿華,張磊.基于DAQ和數(shù)字鎖定技術(shù)的微弱信號(hào)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2013，32(10)：16-20.

[2]張學(xué)武,閏萍.電力系統(tǒng)諧波分析仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2005，22(9)：195-199.

[3]高輝.基于DSP的交流采樣和電量數(shù)字測(cè)量的研究[J].電工技術(shù)雜志,2002(10):16-19.

[4]左麗霞，鄧芳芳，盧山.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(13)：108-112.

[5]李波，陳劍云，黃瑋，等．基于TMS320LF2407的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．繼電器，2008，36(5)：59-62．

責(zé)任編輯：趙秋宇

Research of AC Data Acquisition Method in the Motor Protection

LUO Shu-ke1，WANG Chong-xing2，XI Liang2

(1.CollegeofElectrical&InformationEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000,China；2.XujiTransformerCo.Ltd,Xuchang461000,China)

In view of the protection time and speed of the AC data acquisition in the motor protection equipment,the paper studies that isolation method and no-isolation method are two acquisition hardware circuits from two aspects of hardware. and software. On the basis of the hardware circuit, the method of data acquisition is described and the calculation formula of the instantaneous value converted into effective value is given. At last the accuracy of the method is verified by experiments.

AC Acquisition; protect time; instantaneous value; effective value

2015-06-15

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(162102210302)；許昌市科技局科技攻關(guān)項(xiàng)目(1502092)；許昌學(xué)院科研基金項(xiàng)目(2016047)

羅書克(1976—)，男，河南禹州人，講師，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng).

1671-9824(2016)05-0067-04

TM921

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