C8051F021型單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

介紹的功角測量數(shù)據(jù)采集卡是采用Cygnal公司C8051F021型單片機實現(xiàn)的PCI總線接口卡。該卡通過2片雙口RAM分別實現(xiàn)與GPS接收板和上位機(PC)的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)采集、處理與傳送。本數(shù)據(jù)采集卡采用片內(nèi)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(xiàn)對電壓和電流的采樣，保證了電力系統(tǒng)實時測量的要求。

　　1 引言

　　實現(xiàn)自動化的過程中，首要環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)采集。為此我們研究開發(fā)了電力系統(tǒng)功角廣域測控系統(tǒng)，其中，用C8051F021型單片機實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡不僅可以準確、高效、實時地進行AD數(shù)據(jù)采集并通過雙口RAM和PCI接口與上位機交換數(shù)據(jù)，還可以通過與GPS接收通信接收秒脈沖實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)異地同步。

　　2 功角及其測量

　　2.1 發(fā)電機的功角

　　發(fā)電機通過變壓器、輸出線路與無限大容量系統(tǒng)母線聯(lián)接組成的輸電系統(tǒng)如圖1所示。

　　若圖中G為隱極式發(fā)電機，則發(fā)電機輸出的有功功率為

　　上式也稱作發(fā)電機的功率特性。式中Xd∑=Xd+XTL，其中Xd為發(fā)電機d軸等值電抗，XTL為發(fā)電機與無限大系統(tǒng)間的聯(lián)系電抗，Eq為發(fā)電機的空載電勢，V、I為系統(tǒng)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(fā)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(shù)，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(fā)電機和凸極發(fā)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(fā)機橫軸電抗。對于確定的系統(tǒng)，Xd∑和Xq∑均為常數(shù)，因此在用計算機測量時，只需測出系統(tǒng)母線處的電壓V、電流I及功率因數(shù)角，便可由(2)式和(3)式算出功角。此外，描述電力系統(tǒng)受到大干擾后的機電暫態(tài)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(shù)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(jié)果是繪制成運行參數(shù)(如功角)對時間的曲線，用以判別電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。上述的計算及曲線緩制都是基于電力系統(tǒng)交流信號的精確采集才能實現(xiàn)的。

　　本數(shù)據(jù)采集卡就是通過交流采樣將3相電壓、電流分別經(jīng)6路通道采集到計算機進行處理，即對于交流信號不經(jīng)過電量變換器，直接將互感器(PT/CT)二次測的電壓電流再經(jīng)一級高精度PT、CT轉(zhuǎn)換為計算機可測量的小信號(本數(shù)據(jù)采集卡為-2.5V～+2.5V)，然后經(jīng)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(shù)角等電氣參數(shù)并進而得到功角值及其隨時間變化的情況，提供給電力調(diào)度監(jiān)控中心進行電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)控。