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

该系统可用于变电站多路供电线路的综合检测和电力设备的绝缘在线检测，并可做到无人值守。检测、分析和动态无功补偿。另外，设计时考虑到将来扩展的需要，还在系统上预留了输入输出接口。