利用高速计数器检测电力参数的方法

1 引言
　　电力参数的检测是电力设备进行自动控制的前提与基础，同时亦是电力设备能够正常运行的先决条件。电力系统作方案时往往需要考虑多种参数检测的方法，并从中选取最优的一种检测方法。

2 问题的引出
　　本文所述为风力发电变流装置的电力参数检测部分。受风速的影响，风力发电机出线端的频率、电压均是波动的。风力发电变流装置的作用是将发电机的电变换为与电网同频、同相，并将电能传送至电网。本文不对风力发电变流装置作更为详细的介绍，感兴趣的读者可查阅相关文献资料。考虑到可靠性等实际情况，该装置需用可编程控制器Siemens PLC300。此变流装置需要测量发电机端电流、电压、发电机转速、扭矩，电网端电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率等电力参数。本文所述为如何使用PLC300测量这些电力参数，其中着重介绍如何使用PLC300测量发电机转速、功率因数等。

3 检测方法
　　工业上对于电力参数的检测一般使用传感器将电流电压信号转换成与其同步的弱信号，并将其A/D变换后，再使用单片机计算得出所需要的各种数据。但是PLC300的12位模拟量输入模块每个模拟量输入通道的最小转换时间TT为17ms，每个模拟量输入模块有8个通道，对每个模拟量的采样时间TS为136ms。如果采用分辨率更高的模拟量输入模块，采样时间还要加长[1]。而电网信号的周期T为20ms，不能保证TS<<T，PLC300的模拟量输入模块无法处理电压、电流的同步信号。需要采用外围电路对采集到的电力信号进行处理。
　　查阅PLC300的技术手册发现的CPU 313C-2DP集成有3个计数器，每个计数器的最高计数频率为30kHZ，此频率为电网频率50HZ的600倍，能够用来测量电网的电力信号[1]。将电网同步的弱信号转换成与其同步的电平信号，将电压、电流的同步电平信号相“异或”，高电平的时间长度便是电网的电压、电流相位差所对应的时间长度。将得到的相位信号与高频脉冲相“与”，得到一系列断续的高频脉冲信号。将其送入PLC CPU，对其计数，便的计算出电网的相位角Ф。发电机所发出电的频率与其转速严格成正比。如图1所示，介绍了电网相位与发电机转速的检测原理。电网的线电压和相电压存在的角度差30&ordm;，可以将线电压与相电流的同步信号相“异或”，即给相位信号加入一个30&ordm;的零偏。通过检测到的相位“〉”还是“<30&ordm;”,能够判断相位角是“超前”还是“滞后”，或者相反。同样将发电机的同步电压信号与30kHZ脉冲相“与”，送至PLC CPU,便可计算出发电机转速。

在测得相位角Ф、电网电压为UN、电网电流为IN，可以通过下列公式算出其他的电力参数。

视在功率 SN=UN＊IN （1）

有功功率 PN=3＊UN＊IN＊COS（Ф） （2）

无功功率 VN=3＊UN＊IN＊SIN（Ф） （3）

发电机转速 s=60f/p=K/CS （r/min） （4）

式中 SN——视在功率， PN——有功功率， UN——相电压有效值

IN ——相电流有效值，Ф——相位角，f—— 发电机端电压频率

p——极对数，K——比例常数，CS——半周期的计数值

4 硬件电路

是整个测量系统稳定工作的基础，其设计的合理与否，将直接关系到系统能否正常工作以实现设计的功能。硬件电路设计应遵循以下原则[2]：

（1）单元电路设计模块化 把系统功能细分为各个单元，各单元电路独立实现其功能。这样电路设计的思路就很清晰。

（2）高可靠性设计 硬件电路设计过程中尽可能采用集成电路，少用分立元件；尽可能使用高集成度元件，减少元件使用的数量。并且优先考虑经实践证明成熟的电路。

（3）抗干扰设计 本系统的现场工作环境比较恶劣，在硬件电路设计过程中一定要考虑各种干扰，采取抗干扰措施。

（4）高准确度设计 本电路要实现的功能是电力参数的测量，既然是测量就必然有引起测量误差的各种因素。在硬件电路设计的过程中一定要排除相应的误差因素。

设计硬件电路时先用二阶滤波器对由电网和发电机的同步信号进行滤波，使用由LM339组成的过零比较器将其变换成同步电平信号。考虑到高频脉冲的稳定性，用1M的石英晶振作为脉冲信号源，再用计数器对1M脉冲信号进行35倍分频，得到28.57Khz的脉冲信号。电路图如图2所示。按照前面所述的处理信号的方法，将得出的信号送至PLC的 CPU。

5 误差分析

本文所述的系统采用工业上常用的同步变压器和电流传感器产生同步电压、电流信号。由产生同步信号造成的相位测量误差可以忽略不计，测量误差为1个脉冲周期引起的误差。所采用脉冲的周期为35μS，可以得到测量误差为如下所示。

功率因数的测量误差： Δcos（Ф）=sin（Ф）ΔФ<ΔФ （5）

将数值带入（1）式得： Δcos（Ф）〈ΔФ=35μS ＊2＊3.14/20mS=0.011

同样根据式（2）和式（3）可以得到送至电网的有功功率的测量误差为：

ΔPN= IN＊COS（Ф） ＊ΔUN +UN＊COS（Ф） ＊ΔIN +IN＊UNSIN（Ф） ＊ΔФ （6）

ΔVN= IN＊SIN（Ф） ＊ΔUN +UN＊ SIN （Ф） ＊ΔIN +IN＊UN COS（Ф） ＊ΔФ （7）

本系统所述的现场同步风力发电机极对数为44，输出频率为7-22HZ。考虑到测量的快速性，利用PLC CPU 的高速计数功能测量发电机转速，每个电压信号周期的高电平期间将脉冲串送至PLC CPU 的高速计数器，每个周期内的计数值CS<650。所测量发电机转速的相对误差为:Δs/s =ΔCS /CS=1/650=1.5＊ 10-3 （8）

对设备电力参数的检测结果校验表明，检测误差均能控制在0.5%之内。

6 结束语

本文所述的电力参数的检测方法能够适应PLC300的CPU与工业现场的需要；所需电路简单，可靠性高；测量精度高。风力发电变流器在工业现场运行稳定可靠，所检测的电力参数完全能满足精度要求。