分布式电网参数监测系统的设计

    摘要：介绍了分布式电网参数监测系统的结构以及下位机的硬件设计。给出了利用该系统实时检测电网三相电压、电流等运行参数以及通过DFT检测有功功率、无功功率和电网中电压、电流各类谐波分参量的测量原理，以及计算电网负载大小及非线性度的计算方法。

    关键词：分布式 电网 监测 DFT

1 引言

为了保证电网的安全运行和了解电网运行的状况，需要对电网的各种运行参数（如三相电压、电流、有功功率、无功功率等）进行实时检测，以得到电网中电压、电流以及各类谐波成分的参量，计算出电网负载的大小及共非常性度，以便于进行无功补偿。

在电网参数测量方面已经有了基本的测量算法，但目前在实际应用中，在测量方法或测量原理以及A/D转换器的选择等方面还有些欠缺，主要体现在以下方面：

    ●在测量方法上，通常采用直流采用，这种方法虽然简单，但测量精度会受到整流电路的影响。

●在测量的关键部件之一——A/D转换器的选择上，通常多路公用一个A/D转换器，这样难以避免采用孔径时间以及器件的不同引起的误差。

●在测量原理上，有些装置假设工频信号为理想的50Hz正弦波，这样就忽略了谐波信号的影响。

本文介绍的监测系统可对交流信号进行实时采亲，并可测量和处理到16次谐波，利用TI公司最新推出的六路同时采样高速ADS7864可以对电力线的三相共六路信号进行同时采样，然后将现场数据处理后通过串行口传送到中心监控室的PC机上进行二次数据处理。

2 系统结构

该系统采用分布式计算机方式，下位机主要由单片机ATM89C52及可对六路同时采样的高速A/D转换器ADS7864构成，并用于完成现场的信号采样及数据处理；上位机是PC机，用于完成数据的二次处理；上位机与下位机的通信采RS-485标准，系统结构如图1所示。图中，G485A用来完成RS-232与RS-485的转换，而MAX3082则用来完成RS-485与TTL的转换。

3 系统下位机的硬件结构

该系统下位机的电路结构如图2所示。它主要包括电压电流信号的采样电路、滤波电路、信号调理电路、A/D转换电路、无功补偿的控制电路、串行接口电路以及单片机AT89C52等。

3.1 滤波及信号调理电路

系统中的滤波器选用MAX274，它可用作四阶低通波滤器。该滤波器的输出信号范围为-5V～+5V，而ADS7864的模拟输入信号范围为0～+5V，因此需要进行信号的调理。图3所示是其调理电路。

3.2 快速6通道双12位A/D转换器ADS7864

ADS7864是德州仪器（TI）Burr-Brown产品部最新推出的业务最快速的6通道全差分输入双12位A/D转换器。这种模数转换器能以500kHz的采样率同时进行六通道信号的采亲。ADS7864的六路输入通道可以分成三对，以分别用于电网的三相电压和三相电流的输入，并可将模拟信号转换成DSP或微处理器所需的数字信号。输入到片内六个采样-保持放大器的信号经过全差分可在ADC输入期间保持，以使其在50kHz时仍然提供高达80dB的良好模抑制比，这一点对高噪声时的输入噪声抑制可起到非常重要的作用。另外，ADS7864特有的并行接口能够与六个FIFO寄存器进行连接，从而可以更快速地捕获数据。

    ADS7864的内部结构加图4所示。使用时，可将ADS7864的采样保持信号HOLADA，HOLDB，HOLDC全部与单片机的P1.0引脚连在一起，这样，当P1.0为“0”时，可以同时保持六路输入信号，然后按工作模式设定的先后次序分别进行A/D转换。ADS7864的输出数据为16位，其中D15用于表明数据是否有效（有效为“1”），D14，D13，D12用于选择通道（选择方法如表1所列），其余的D11～D0为该通道转换的数据值。AT89C52分两次读入这16位数据，当第一个RD信号有效时，单片机读进低8位数据，而当第二个RD信号有效时，读进高8位数据。

表1 通道真值表

3.3 串行通信电路

上、下位机通信时，由下位机将处理后的数据通过串行口传送到上位机（PC机），由于距离在1km左右，所以采用RS-485串行通信标准。用MAX3082完成TTL电平与RS-485电平转换，可使通信距离达到1200m。

4 测量原理

在下位机以每周波32点采样时，通过DFT可以得到16次以内谐波的幅值和相位等参量，各电气参量的计算如下：

（1）电压、电流的有效值计算

    式中，i表示A、B、C三相的相别，n表示谐波次数。

（2）功率机功率因素的计算

    式中，Pi表示i相的有功功率，Qi表示i相的的无功功率，φn,i表示n次谐波i相的电压电流相位差，cosφ表示i相的功率因素，cosφ表示三相合成的功率因素。

系统软件可采用C51与汇编语言混合编写，程序从略。

5 结束语