发电机电气参数采集传输系统设计的研究

作者：四川大学 王涛 刘念 白维

欢迎访问e展厅 展厅 2 中小型发电机展厅 柴油发电机组, 汽油发电机, 燃气发电机组, 移动电站, ... 摘要：发电机在并入电网后，需要对其输出电压、输出电流、功率因素和输出功率等电气参数进行监测，依据这些参数对发电机进行各种控制，使发电机的输出符合电网要求。采用通用的电气参数采集测量方法，设计了采集系统，介绍了利用各种变换处理电路和单片机组成的电气参数智能采集传输系统框图。 关键词：电气参数；数据采集；监测；电力系统 Abstract: After the synchronization of generator, its electrical parameters such as output voltage, output current, power factor and output power etc need monitoring. Various controls for generator should be carried out based on these parameters, which makes generator output meet the requirements of power grid. The com mon acquisition and measuring method of electrical parameters is adopted, acquis ition system is designed, and the systematic block diagram is also introduced. Key words: electrical parameters; data acquisition; monitoring; power system 在电力系统中，发电机在并入电网后，需要对其输出电压、输出电流、功率因素和输出功率等电气参数进行监测，然后工作人员就可以依据这些参数对发电机进行各种控制，使发电机的输出符合电网要求，以保持电网安全可靠地工作运行。 以前要实时测量这些参数又要保持较高的精度，即使是利用价格昂贵的常规测量仪器，也很难作到，并且由于是大电流高电压，工作人员亲自操作，因此还常常伴随着一定危险性。 上世纪70年代以来随着电子技术、信息处理技术的发展、电子计算机应用的越来越广泛和大规模集成电路技术的发展和普及，数据采集测试技术发生了根本性的变化，以单片机或微处理器为主体的电气参数微机采集系统正在逐步地取代传统的模拟仪表和模拟控制器，这样不仅缩小了器件体积，降低了成本，减小了时间滞后，而且提高了采集的电气参数的准确度和精度，适应更为庞大和复杂的工业生产过程，同时也促进电力生产与使用的调度管理全面实现自动化，为达到无人值班或少人值班创造了条件，实现了对电气参数的快速准确的在线实时监测，工作人员无需亲自在现场，这为保障工作人员的安全也提供可靠的方法。 该设计就是为了对电机的运行状态进行实时监测，利用各种变换处理电路，A/D转换器，单片机组成一个电气参数的采集变送系统，使电机输出的任何变化都能被该数据采集系统实时地捕捉到，供工作人员使用。工作人员无须亲自到测量现场中，电气参数由该数据采集系统采集并进行一定的处理变化（如降压，模/数转化等）后就可以送到主控计算机进行数据处理，工作人员在主控中心就可以实时了解电机的工作状态，进行控制，使电机在一定的条件下按照人们的要求输出所需要的特性。 1设计思路 系统流程图如图1所示，系统由接触采集部分，变化处理部分，输入接口部分和单片机等四部分组成。 流程图的说明： 接触采集部分是系统的参数采集部分。它将所需采集的电气参量采集送入该系统中，并进行初步处理变化（如降电压，降电流等），为后面部分服务。 变化处理部分是对接触采集部分所送出的信号进行各种变化处理加工，如对信号进行滤波，整流，模/数转换等等。经过这样的变化处理使之变为一些合乎需要的数字参数信号输出，以利于以后对信号进行数字处理。 输入接口部分是将被第二部分电路进行变化处理过的信号送入单片机进行处理。 单片机部分和监测控制中心相连，对第二部分输出的数字信号进行一定的处理，然后将所需要的符合要求的这些数字信号送入监控中心。 上述各个部分都是功能模块的含义，在实际工作中，这些功能块所表达的具体装置或仪 器的伸缩性是很大的。 本模块是采集并输出可以直观识别被采集对象中人们所需要的某些参数信号，不管中间 经过多少环节的变化，在这些变换中必须真实地从信号参数采集源点把所需的信息通过其载 体传输到输出端，整个过程不失真也不受干扰，这就要求系统本身具有不失真传输信号的能 力，还需要具有在外界各种干扰情况下能够提取信号中所包含的有用信息的能力。 在设计之前，需要对系统要求作具体的了解和分析。 ①被采集对象的极限变化范围和常用范围；②参数采集所要求的精度和准确度；③输出要求，输出形式，参数的标准化要求；④被采集对象的变化情况，动态精度要求；⑤被采集对象的性质；⑥使用环境、温度、湿度和气压等。 设计过程： (1)方案选择。为了设计一个符合要求的系统，首先是选择一个理想的方案，在设计之前，提出几种可能的方案，然后进行比较，最后选择一个最佳方案。 (2)系统各部分结构形式的确定。方案确定后，综合工作原理、精度要求及元器件、材料工艺的可能性来确定系统各电路部分结构形式。 (3)各个环节的设计与制造。在系统的结构形式确定后，对各组成环节进行设计，包括机械、电气线路的设计和元器件的选择。 (4)总装调试和实验分析。各环节设计制造完成后与模拟的被采集对象相联系进行总装和调试。进行对整个系统的整体分析和评估。 在单片机部分中，硬件和软件对系统都很重要，因此要注意硬件设计和软件设计两大部分。 2系统框图 由于发电机输出的是高电压、大电流。一般普通的采集测量工具无法直接进行采样工作。所以首先需要对输出的电压和电流进行初步的降压和降流，可以在发电机的输出线端分别接电压互感器和电流互感器，将大电流和高电压转换成适合于普通采集测量工具工作的电压和电流。如果经过互感器转换过的电压和电流还是大于本系统所用器件的电压和电流的额定值或安全值，那么还可以选择降幅电路对电压和电流进行进一步降幅，使它们完全符合整个系统的幅值要求，最好留有一定的裕度。 本系统要求采集的电压和电流是50 Hz的正弦波。在理想情况下，发电机的输出电压和输出电流应该是频率为50 Hz的标准正弦波。但是，由于受到各种因数的影响，如发电机转子转速的波动，运行环境的改变等等，都会引起输出波形的畸变，即在波形中除了50 Hz的标准正弦波外还有其他谐波分量（主要是高次谐波）。因此系统还需要有滤波电路，对经降幅电路输出的电压和电流进行滤波，使输出只是50 Hz的标准正弦波。 单片机的输入只能是数字信号，而前面都是模拟量，所以需要加上模/数转换器，把从前面传输过来的电气参数模拟量转换为数字量，再经该A/D转换器送入单片机。 由于本数据采集传输系统采集传输的是电压和电流的有效值，而经滤波电路传输出的波形是50 Hz的正弦波，因此为了得到电压和电流的有效值，还要在滤波电路和模/数转换器之间再加上一个整流电路，把正弦波转换为直流，以方便系统采集电压和电流的有效值。 为了在正确地触发单片机开始工作，可以在滤波电路和单片机的中断接口之间接一个电压比较电路或过零比较电路。当滤波电路对从前面的互感器和降幅电路传输出的电气参数信号进行滤波后，在后加一个支路，滤波后的电气信号从该支路经电压比较电路（过零比较电路）进入单片机的外中断接口，用于单片机的触发工作或其他用途，因此要对单片机的中断口进行合理的设置。 3 结语 介绍了一种发电机电气参数微机采集传输模块的设计方法，参照该方法在实际中可以设计出较满意的采集传输系统。 参考文献 ［1］刘念，滕福生．电力系统电气参数的智能变送技术研究［D］．四川大学学报（工程科学版），2000（1），105-108 ［2］徐伯雄，窦玉情编．电机量测［M］．北京：清华大学出版社，1988(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/21/2005)