分布式電網參數監測系統的設計

摘要：介紹了分布式電網參數監測系統的結構以及下位機的硬件設計。給出了利用該系統實時檢測電網三相電壓、電流等運行參數以及通過DFT檢測有功功率、無功功率和電網中電壓、電流各類諧波分參量的測量原理，以及計算電網負載大小及非線性度的計算方法。

關鍵詞：分布式 電網 監測 DFT

1 引言

為了保證電網的安全運行和了解電網運行的狀況，需要對電網的各種運行參數（如三相電壓、電流、有功功率、無功功率等）進行實時檢測，以得到電網中電壓、電流以及各類諧波成分的參量，計算出電網負載的大小及共非常性度，以便于進行無功補償。

在電網參數測量方面已經有了基本的測量算法，但目前在實際應用中，在測量方法或測量原理以及A/D轉換器的選擇等方面還有些欠缺，主要體現在以下方面：

●在測量方法上，通常采用直流采用，這種方法雖然簡單，但測量精度會受到整流電路的影響。

●在測量的關鍵部件之一——A/D轉換器的選擇上，通常多路公用一個A/D轉換器，這樣難以避免采用孔徑時間以及器件的不同引起的誤差。

●在測量原理上，有些裝置假設工頻信號為理想的50Hz正弦波，這樣就忽略了諧波信號的影響。

本文介紹的監測系統可對交流信號進行實時采親，并可測量和處理到16次諧波，利用TI公司最新推出的六路同時采樣高速ADS7864可以對電力線的三相共六路信號進行同時采樣，然后將現場數據處理后通過串行口傳送到中心監控室的PC機上進行二次數據處理。

2 系統結構

該系統采用分布式計算機方式，下位機主要由單片機ATM89C52及可對六路同時采樣的高速A/D轉換器ADS7864構成，并用于完成現場的信號采樣及數據處理；上位機是PC機，用于完成數據的二次處理；上位機與下位機的通信采RS-485標準，系統結構如圖1所示。圖中，G485A用來完成RS-232與RS-485的轉換，而MAX3082則用來完成RS-485與TTL的轉換。

3 系統下位機的硬件結構

該系統下位機的電路結構如圖2所示。它主要包括電壓電流信號的采樣電路、濾波電路、信號調理電路、A/D轉換電路、無功補償的控制電路、串行接口電路以及單片機AT89C52等。

3.1 濾波及信號調理電路

系統中的濾波器選用MAX274，它可用作四階低通波濾器。該濾波器的輸出信號范圍為-5V～+5V，而ADS7864的模擬輸入信號范圍為0～+5V，因此需要進行信號的調理。圖3所示是其調理電路。

3.2 快速6通道雙12位A/D轉換器ADS7864

ADS7864是德州儀器（TI）Burr-Brown產品部最新推出的業務最快速的6通道全差分輸入雙12位A/D轉換器。這種模數轉換器能以500kHz的采樣率同時進行六通道信號的采親。ADS7864的六路輸入通道可以分成三對，以分別用于電網的三相電壓和三相電流的輸入，并可將模擬信號轉換成DSP或微處理器所需的數字信號。輸入到片內六個采樣-保持放大器的信號經過全差分可在ADC輸入期間保持，以使其在50kHz時仍然提供高達80dB的良好模抑制比，這一點對高噪聲時的輸入噪聲抑制可起到非常重要的作用。另外，ADS7864特有的并行接口能夠與六個FIFO寄存器進行連接，從而可以更快速地捕獲數據。

ADS7864的內部結構加圖4所示。使用時，可將ADS7864的采樣保持信號HOLADA，HOLDB，HOLDC全部與單片機的P1.0引腳連在一起，這樣，當P1.0為“0”時，可以同時保持六路輸入信號，然后按工作模式設定的先后次序分別進行A/D轉換。ADS7864的輸出數據為16位，其中D15用于表明數據是否有效（有效為“1”），D14，D13，D12用于選擇通道（選擇方法如表1所列），其余的D11～D0為該通道轉換的數據值。AT89C52分兩次讀入這16位數據，當第一個RD信號有效時，單片機讀進低8位數據，而當第二個RD信號有效時，讀進高8位數據。

表1 通道真值表

3.3 串行通信電路

上、下位機通信時，由下位機將處理后的數據通過串行口傳送到上位機（PC機），由于距離在1km左右，所以采用RS-485串行通信標準。用MAX3082完成TTL電平與RS-485電平轉換，可使通信距離達到1200m。

4 測量原理

在下位機以每周波32點采樣時，通過DFT可以得到16次以內諧波的幅值和相位等參量，各電氣參量的計算如下：

（1）電壓、電流的有效值計算

式中，i表示A、B、C三相的相別，n表示諧波次數。

（2）功率機功率因素的計算

式中，Pi表示i相的有功功率，Qi表示i相的的無功功率，φn,i表示n次諧波i相的電壓電流相位差，cosφ表示i相的功率因素，cosφ表示三相合成的功率因素。

系統軟件可采用C51與匯編語言混合編寫，程序從略。

5 結束語

該系統可用于變電站多路供電線路的綜合檢測和電力設備的絕緣在線檢測，并可做到無人值守。檢測、分析和動態無功補償。另外，設計時考慮到將來擴展的需要，還在系統上預留了輸入輸出接口。