C8051F021型單片機實現數據采集系統

介紹的功角測量數據采集卡是采用Cygnal公司C8051F021型單片機實現的PCI總線接口卡。該卡通過2片雙口RAM分別實現與GPS接收板和上位機(PC)的數據交換，從而實現高速、可靠的數據采集、處理與傳送。本數據采集卡采用片內12位高速ADC并配以片外采樣保持電路，通過直接交流采樣方法精確快速地實現對電壓和電流的采樣，保證了電力系統實時測量的要求。

　　1 引言

　　實現自動化的過程中，首要環節就是數據采集。為此我們研究開發了電力系統功角廣域測控系統，其中，用C8051F021型單片機實現的數據采集卡不僅可以準確、高效、實時地進行AD數據采集并通過雙口RAM和PCI接口與上位機交換數據，還可以通過與GPS接收通信接收秒脈沖實現采集數據異地同步。

　　2 功角及其測量

　　2.1 發電機的功角

　　發電機通過變壓器、輸出線路與無限大容量系統母線聯接組成的輸電系統如圖1所示。

　　若圖中G為隱極式發電機，則發電機輸出的有功功率為

　　上式也稱作發電機的功率特性。式中Xd∑=Xd+XTL，其中Xd為發電機d軸等值電抗，XTL為發電機與無限大系統間的聯系電抗，Eq為發電機的空載電勢，V、I為系統參考母線電壓和電流，ψ為母線電壓與電流間的相位差。當發電機的電勢Eq和受端電壓V均恒定時，傳輸功率P是角度δ的正弦函數，角度δ為Eq與V之間的相位差角。因功率P的大小與δ角度切相關，因此稱δ為“功率角”或“功角”。

　　2.2 功角的測量

　　對于隱極發電機和凸極發電機，其電壓和電流矢量圖如圖2(a)、(b)所示，由矢量圖可知功角δ的計算公式為

　　式中，Xq∑=Xq+XTL，其中Xq為發機橫軸電抗。對于確定的系統，Xd∑和Xq∑均為常數，因此在用計算機測量時，只需測出系統母線處的電壓V、電流I及功率因數角，便可由(2)式和(3)式算出功角。此外，描述電力系統受到大干擾后的機電暫態過程是一組非線性微分方程式，不能進行線性化，所以一般采用數值積分法(如歐拉法、龍格-庫塔法、隱式積分法)的時域分析方法，將計算結果是繪制成運行參數(如功角)對時間的曲線，用以判別電力系統暫態穩定性。上述的計算及曲線緩制都是基于電力系統交流信號的精確采集才能實現的。

　　本數據采集卡就是通過交流采樣將3相電壓、電流分別經6路通道采集到計算機進行處理，即對于交流信號不經過電量變換器，直接將互感器(PT/CT)二次測的電壓電流再經一級高精度PT、CT轉換為計算機可測量的小信號(本數據采集卡為-2.5V～+2.5V)，然后經A/D變換后送入計算機進行處理，計算出電壓電流有效值及功率因數角等電氣參數并進而得到功角值及其隨時間變化的情況，提供給電力調度監控中心進行電力系統穩定性的監控。