孫久軍¹，劉琳娜²

（1.山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司，山東 汶上 272500）

（2.濟南試金集團有限公司，山東 濟南 250022）

摘  要：本文在簡要介紹風(fēng)力發(fā)電變流器的基礎(chǔ)上提出電力參數(shù)的檢測問題。提出利用PLC的高速計數(shù)器檢測電網(wǎng)相位和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的方法。這是一種簡單、實用高精度的電力參數(shù)檢測方法。

關(guān)鍵詞：電力參數(shù)、相位角檢測、高速計數(shù)器

                             Sun Jiujun¹   Liu Linna²

（1. Sun Jiujun, Shandong Xinfengguang Electronic Techology Develops Co., Ltd , Wenshang Shandong ,272500,   2. Jinan Shijin Group Ltd. ,Jinan Shandong ,250022）

Abstract   The question of testing the electric power parameter is discussed in the base of introducing the convertor simply. A method of testing the electric phase and the speed of generator is introduced , which use the high speed counter of PLC. The method of testing the electric parameter is simple, efficient and precise.

Keywords  Electric power parameter, Testing phase, High speed counter

1 引言 

　　電力參數(shù)的檢測是電力設(shè)備進行自動控制的前提與基礎(chǔ)，同時亦是電力設(shè)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參數(shù)檢測的方法，并從中選取*的一種檢測方法。

2 問題的引出 

　　本文所述為風(fēng)力發(fā)電變流裝置的電力參數(shù)檢測部分。受風(fēng)速的影響，風(fēng)力發(fā)電機出線端的頻率、電壓均是波動的。風(fēng)力發(fā)電變流裝置的作用是將發(fā)電機的電變換為與電網(wǎng)同頻、同相，并將電能傳送至電網(wǎng)。本文不對風(fēng)力發(fā)電變流裝置作更為詳細的介紹，感興趣的讀者可查閱相關(guān)文獻資料。考慮到可靠性等實際情況，該裝置需用可編程控制器Siemens PLC300。此變流裝置需要測量發(fā)電機端電流、電壓、發(fā)電機轉(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PLC300測量這些電力參數(shù)，其中著重介紹如何使用PLC300測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等。

3 檢測方法 

　　工業(yè)上對于電力參數(shù)的檢測一般使用傳感器將電流電壓信號轉(zhuǎn)換成與其同步的弱信號，并將其A/D變換后，再使用單片機計算得出所需要的各種數(shù)據(jù)。但是PLC300的12位模擬量輸入模塊每個模擬量輸入通道的zui小轉(zhuǎn)換時間T_T為17ms，每個模擬量輸入模塊有8個通道，對每個模擬量的采樣時間T_S為136ms。如果采用分辨率更高的模擬量輸入模塊，采樣時間還要加長^[1]。而電網(wǎng)信號的周期T為20ms，不能保證T_S<<T，PLC300的模擬量輸入模塊電壓、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PLC300的技術(shù)手冊發(fā)現(xiàn)的CPU 313C-2DP集成有3個計數(shù)器，每個計數(shù)器的zui高計數(shù)頻率為30kH_Z，此頻率為電網(wǎng)頻率50H_Z的600倍，能夠用來測量電網(wǎng)的電力信號^[1]。將電網(wǎng)同步的弱信號轉(zhuǎn)換成與其同步的電平信號，將電壓、電流的同步電平信號相“異或”，高電平的時間長度便是電網(wǎng)的電壓、電流相位差所對應(yīng)的時間長度。將得到的相位信號與高頻脈沖相“與”，得到一系列斷續(xù)的高頻脈沖信號。將其送入PLC CPU，對其計數(shù)，便的計算出電網(wǎng)的相位角Ф。發(fā)電機所發(fā)出電的頻率與其轉(zhuǎn)速嚴格成正比。如圖1所示，介紹了電網(wǎng)相位與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的檢測原理。電網(wǎng)的線電壓和相電壓存在的角度差30º，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30º的零偏。通過檢測到的相位“〉”還是“<30º”,能夠判斷相位角是“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30kH_Z脈沖相“與”，送至PLC CPU,便可計算出發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

　　在測得相位角Ф、電網(wǎng)電壓為U_N、電網(wǎng)電流為I_N，可以通過下列公式算出其他的電力參數(shù)。

視在功率        S_N=U_N*I_N                                       ?。?）

有功功率        P_N=3*U_N*I_N*COS（Ф）                             　（2）

無功功率        V_N=3*U_N*I_N*SIN（Ф）                             ?。?）

發(fā)電機轉(zhuǎn)速        s=60f/p=K/C_S   （r/min）                         （4）

式中    S_N——視在功率， P_N——有功功率， U_N——相電壓有效值

        I_N ——相電流有效值，Ф——相位角，f—— 發(fā)電機端電壓頻率

　　　p——極對數(shù)，K——比例常數(shù)，C_S——半周期的計數(shù)值

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

（1）單元電路設(shè)計模塊化   把系統(tǒng)功能細分為各個單元，各單元電路獨立實現(xiàn)其功能。這樣電路設(shè)計的思路就很清晰。

（2）高可靠性設(shè)計   硬件電路設(shè)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(shè)計  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(shè)計  本電路要實現(xiàn)的功能是電力參數(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)計的過程中一定要排除相應(yīng)的誤差因素。

　　設(shè)計硬件電路時先用二階濾波器對由電網(wǎng)和發(fā)電機的同步信號進行濾波，使用由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，用1M的石英晶振作為脈沖信號源，再用計數(shù)器對1M脈沖信號進行35倍分頻，得到28.57Khz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的 CPU。

5 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測量誤差可以忽略不計，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，可以得到測量誤差為如下所示。

功率因數(shù)的測量誤差：   Δcos（Ф）=sin（Ф）ΔФ<ΔФ                          　 （5）

將數(shù)值帶入（1）式得：  Δcos（Ф）〈ΔФ=35μS *2*3.14/20mS=0.011

同樣根據(jù)式（2）和式（3）可以得到送至電網(wǎng)的有功功率的測量誤差為：

      ΔP_N= I_N*COS（Ф） *ΔU_N +U_N*COS（Ф） *ΔI_N +I_N*U_NSIN（Ф） *ΔФ             （6）

      ΔV_N= I_N*SIN（Ф） *ΔU_N +U_N* SIN （Ф） *ΔI_N +I_N*U_N COS（Ф） *ΔФ          （7）

　　本系統(tǒng)所述的現(xiàn)場同步風(fēng)力發(fā)電機極對數(shù)為44，輸出頻率為7-22H_Z。考慮到測量的快速性，利用PLC CPU 的高速計數(shù)功能測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速，每個電壓信號周期的高電平期間將脈沖串送至PLC CPU 的高速計數(shù)器，每個周期內(nèi)的計數(shù)值C_S<650。所測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速的相對誤差為:Δs/s =ΔC_S /C_S=1/650=1.5* 10^-3  　?。?）

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

6 結(jié)束語   

　　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)場運行穩(wěn)定可靠，所檢測的電力參數(shù)完滿足精度要求。

   參考文獻：

   [1] S7-300自動化系統(tǒng) CPU 31XC 技術(shù)功能使用手冊

   [2]張鳳蕊 基于DSP電力參數(shù)測試系統(tǒng)的研究 [J] 現(xiàn)代電子技術(shù) 2006,20

作者簡介：孫久軍 男 1977年7月生 山東平陰人 漢族 山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司工程師 碩士 研究方向：變頻器的設(shè)計。