电机保护中交流量数据采集方法研究

罗书克，王崇星，郗　亮

(1.许昌学院 电气机电工程学院，河南 许昌 461000；2.许继变压器有限公司，河南 许昌 461000)



电机保护中交流量数据采集方法研究

罗书克1，王崇星2，郗亮2

(1.许昌学院 电气机电工程学院，河南 许昌 461000；2.许继变压器有限公司，河南 许昌 461000)

针对电机保护类设备中的交流数据采集存在的保护时间和速度问题，从硬件和软件两方面进行了阐述.给出了隔离法和非隔离法两种数据采集硬件电路，在硬件电路基础上，阐述了交流量数据采集的方法，给出了采集到的瞬时值转换为有效值的计算公式.最后通过实验验证了所述方法的准确性.

交流采集；保护时间；瞬时值；有效值

电机测控保护装置中对于交流数据的采集不同于一般电力仪表数据采集过程，电力仪表因为仅仅是一个采集显示系统，对数据采集速度要求较低，一般在500 ms采集更新一次即可.而对于电机保护测控装置，存在保护时间和数据采集失真问题，因此要求该类设备的交流数据采集速度和每周期数据采集次数必须满足一定的要求，这就给电机保护类设备的交流数据采集带来了一定的特殊性[1].有必要对其进行深入的分析探讨.对交流量的采样，我们从硬件和软件两方面进行讨论.

1　硬件设计

电机保护中的交流量采集，硬件采集电路上一般有隔离法和非隔离法，以电压采集电路为例，其电路图分别如图1、2所示.图1为隔离法采集电路，图2为非隔离法采集电路，对于追求成本控制的场合可以采用非隔离法采集电路，其缺点主要是抗干扰能力差，主电路中的强电信号容易串入检测控制回路中，造成二次电路的损坏.一般情况下，都采用隔离采集电路，其优点主要是抗干扰能力强，强、弱电完全隔离；其缺点是成本高，隔离互感器的一、二次边存在相位差，致使后边软件编程处理复杂.

对于电流采集电路，其电路图和电压采集电路基本类似，区别之处在于隔离电路省去电路中的电压电流转换电阻R1-R3，而非隔离电路的采样是通过采样分流器来实现的，分流器后端电路与电压非隔离采样电路完全一样.

2　采样方法

采样方法是按照一定的规律对交流信号进行瞬时采样，把采到的瞬时值用一定的计算方法转化为有效值，与直流信号采样的区别主要是用软件采样法代替直流硬件的功能，这样做的好处主要是硬件简单，成本较低.交流采样方法按照不同的采样原理可以分为同步采样法、准同步采样法.

同步采样法按照采样周期Ts与测量信号周期T以及一个周期内采样的个数N之间，需要满足关系式T=N·Ts.N选取的越大，则测得的数据越接近实际波形，但由于计算量大造成实时性较差.同时系统中含有各次谐波，一般以奇次谐波为主，而奇次谐波超过9次后，其含量就比较小了[2].当考虑9次谐波能够再现时，根据采样定理N至少需要18以上，但采样时一般以2的整次方数为最好，因此一般选取采样次数为32已经可以保证采样精度了.在应用同步采样方法时需要保证采样区间刚好等于被测量信号周期的整数倍.该种采样方法由于存在采样周期固定而信号周期波动的情况，因此这种采样方法存在一定的误差[3].为了提高采样精度，需要改进采样策略，比如，首先采样被测信号的周期，根据信号周期的波动情况实时调整采样间隔.

为了改进上述采样方法不同步采样中存在的问题，我们可以采用准同步采样方法.在准同步采样测量中，采样测量周期与被测量信号的周期不能实现严格同步，即N次采样不是落在2π区间上，而是必须落在[2π+Δ]区间上(Δ称为同步偏差或周期偏差，其值可正可负)，此时测量结果就将产生同步误差[4].即在|Δ|不太大的情况下，通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度的新方法.它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采样的起点无任何要求，在这种情况下，可使测量装置简单，简化电路.

图1　电压隔离采集电路

图2　电压非隔离采集电路

3　测量计算方法

电力系统中经常需要电压(U)、电流(I)、有功功率(P)、无功功率(Q)、功率因数(cosφ)以及频率(f)等参数，在这些参数中，只需检测出电压、电流即可，其余的参数除了频率外都可以通过这两个量计算出来[5].因此，电机保护中一般只需要检测出电压、电流即可，其余的电力参数均可通过相应的公式由电压、电流计算而得到.电压电流采集到的数据都是离散数据，需要通过一定的计算方法把这些离散的数据转换为有效值.电压电流由离散数据转换为有效值通过下列公式1、2实现.

(1)

(2)

上述公式中，U、I为电压电流的有效值，N为每周期采样次数，u(n)、i(n)为每次电压电流采样的瞬时值.

根据电压电流采集过程中的各个瞬时值，也可以计算出有功功率和无功功率，其计算公式如下式3、4所示.

(3)

(4)

由公式3、4得到是每一相的有功功率和无功功率，如果需要系统总的有功功率和无功功率，则可以根据下面公式5、6进行计算得到.

(5)

(6)

公式5、6在计算有功功率和无功功率过程中，如果系统接线方式为三相四线制的情况，当系统三相负载不平衡时，会在零线中出现零序电流，造成系统采样计算误差较大.为了改善这种情况，我们可以采用下边的公式7、8进行有功、无功功率的计算.

(7)

(8)

功率因数的计算，可以根据有功功率和无功功率来计算功率因数，其计算过程如下式9所示.

(9)

对于频率的计算，一般是在电压采集过程中，根据两次过零点的电压采样值的时间间隔来计算，只需要把这个时间间隔取倒数然后除以2即为频率的值.

4　实验结果

针对上述的电路和计算方法，我们搭建了实际的采集电路，对一个负荷为2.2KW的三相电机系统进行电力参数采集，并且也通过了一个0.5级精度的多功能表采集结果进行对比，得到结果如表1所示.

表1　采集系统测量结果对比表

通过上表可以看出，自制的测量采集系统的精度完全可以满足要求需要，达到了0.5级表的采集精度，达到了设计要求.

5　结语

根据实际需要的不同，阐述交流数据量采集的软硬件解决方案，对比了采集中的隔离法和非隔离法的优缺点提出了采集过程中针对不同接线方式产生误差的解决方法.并给出了由电压和电流计算有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和计标频率的具体公式.通过实验验证了设计的采集方法是可行的.达到了精度要求.

[1]沐阿华,张磊.基于DAQ和数字锁定技术的微弱信号测量仪的设计与实现[J].测控技术，2013，32(10)：16-20.

[2]张学武,闰萍.电力系统谐波分析仿真研究[J].计算机仿真,2005，22(9)：195-199.

[3]高辉.基于DSP的交流采样和电量数字测量的研究[J].电工技术杂志,2002(10):16-19.

[4]左丽霞，邓芳芳，卢山.基于DSP的高速数据采集系统设计与实现[J].电力系统保护与控制，2010，38(13)：108-112.

[5]李波，陈剑云，黄玮，等．基于TMS320LF2407的高速数据采集系统设计与实现[J]．继电器，2008，36(5)：59-62．

责任编辑：赵秋宇

Research of AC Data Acquisition Method in the Motor Protection

LUO Shu-ke1，WANG Chong-xing2，XI Liang2

(1.CollegeofElectrical&InformationEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000,China；2.XujiTransformerCo.Ltd,Xuchang461000,China)

In view of the protection time and speed of the AC data acquisition in the motor protection equipment,the paper studies that isolation method and no-isolation method are two acquisition hardware circuits from two aspects of hardware. and software. On the basis of the hardware circuit, the method of data acquisition is described and the calculation formula of the instantaneous value converted into effective value is given. At last the accuracy of the method is verified by experiments.

AC Acquisition; protect time; instantaneous value; effective value

2015-06-15

河南省科技厅科技攻关项目(162102210302)；许昌市科技局科技攻关项目(1502092)；许昌学院科研基金项目(2016047)

罗书克(1976—)，男，河南禹州人，讲师，硕士，研究方向：电力电子与电力传动.

1671-9824(2016)05-0067-04

TM921

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