浅谈电力系统电压电流的采集

韦运笙 李卓

（广西广播电视技术中心钦州分中心）

笔者在广播电台从事工作多年，电台的主要任务当然是发射广播电视信号，但笔者还负责全台站的电力维护工作，发现电力的采集系统跟发射机的采集系统有很大差别，在此把多年来对电力采集系统的掌握，简单的分享给同仁们，让大家相互学习和借鉴，也是大有裨益的。

在电力系统中，主要是对高压线路和变压器中电压、电流的采集，这两大参数主要用于继电保护，继电保护又分传统的继电保护和微机继电保护，本文主要介绍微机继电保护中电压电流的采集部分。事实上，我们广播台站的电力采集系统主要是为小型发电机服务的，所以跟传统的微机保护采集系统有着细微的差别，其差别在于变送元件的不同。

微机保护的采集系统主要由电压形成回路、模拟滤波、采样保持、多路转换和模数转换(A/D)等五大部分构成。

电压形成回路 不管是电台经变压器降压用的380V电压，还是电力部门用的10千伏以上的高压，都是不能直接送微处理器处理的。必须要经过几级变换，使其幅值降低，变换到微机芯片能够处理的幅值范围内，而且变换的数量级为上百倍甚至上万倍。第一级电压、电流的变换分别用的是电压和电流互感器，我国生产的电压互感器二次边额定电压为100V和100/ V；生产的电流互感器二次边额定电流为5A和1A。显然这样大的交流量，微控制器还是不能采集的。接下来还要进行二次的变换，用到电压变换器、电流变换器或电抗变换器，由于电抗变换器的原理跟电流变换器相似，故下面只介绍电压和电流变换器。而电台在这部分用的是电压变送器和电流变送器，微机保护可通过变换器将电压互感器和电流互感器的二次电压、电流变换成±2.5V、±5V、±10V的电压信号供微机保护的模数转换芯片使用。

电压、电流变换器的一次侧都需要接电容，主要作用是为了吸收耦合到导线上的干扰信号。电流变换器连接如下图1所示，其中Z为模拟低通滤波器及A/D输入端等回路构成的综合阻抗，在工频信号条件下，其数值可达80KΩ以上；RLH为电流变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到十几欧姆，远小于Z，因此RLH与Z的数值差别很大。

图1 电流变换器原理图

前置模拟低通滤波器：通过电压、电流变换器变换成的小幅值的交流量还未能采集，因为在电力系统发生故障时，故障初瞬的电压电流中往往含有频率很高的分量，其频率往往高达2KHZ以上，为了防止频率混叠，选择的采样频率必须为4KHZ以上，这就对硬件提出相当高的要求，微机继电保护绝大多数都是基于反映工频信号的，因此为了降低采样频率，可在采样之前选用一个模拟低通滤波器，将高于采样频率一半的信号滤掉。

采样保持电路：其电路作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟—数字转换器进行转换期间保持其输出值不变。由于微机继电保护用的电压、电流三相都要测量，且要求同步采样，故大都采用多通道采样方式。还有采样频率是大家熟悉的Fs≥2Fmax，即采样频率必须大于原始信号中最高频率2倍以上，否则将造成频率混叠，采样后的信号不能真实代表原始信号。

模拟量多路转换开关：对于采集多个模拟输入信号，又要采用多通道采集方式的继电保护系统，为的是准确地获得各个量之间的相位关系，所有采样保持器在逻辑输入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。但由于模数转换器价格昂贵，通常不是每个模拟量通道设一个模数转换器，而是共用一个，中间经多路转换开关切换，轮流由共用的模数转换器转换成数字量输入微机。多路转换开关由选择接通的路数的二进制译码电路和由它控制的多路电子开关构成，且集成在一个集成电路中。

模数转换器：模数转换器是一种能把输入模拟电压和电流变成与它成正比的数字量，以便计算机进行处理、存储、控制和显示。模数转换器可以认为是一个编码电路，它将输入的模拟量相对与模拟参考量UR经编码电路转换成数字量D输出。由于编码电路的位数总是有限的，因而对连续模拟量用有限长位数的二进制表示时，不可避免地要舍去比最低位更小的数，那就会引起一定的误差，为了减小模数转换编码的误差，就必须让编码的位数越多，即数值分得越细，所引入的量化误差就越小，即分辨率就越高。

实现模数转换部分的方式主要采用逐次逼近模数转换和压频转换方式两种，两种方式各有千秋，其中采用逐次逼近转换芯片的转换结果可直接用于微控制器，而采用压频转换方式其计数器采用了减法计数器，所以每次采样中断从计数器读出的计数值与模拟信号没有对应关系，必须将相邻几次读出的计数值相减后才能用于微控制器的数字计算。

以上所述的就是整个电力系统对电压、电流的采样大致过程，限于篇幅，就不能一一详细地介绍给大家了，要想具体了解整个采集系统，还需参考相关资料。电力供应是整个广播台站的生命线，它的地位是不言而喻，所以我们必须对台站电力系统保持高度的重视!