1 問題的引出

對電力參數的檢測是電力設備進行自動控制的前提與基礎，同時亦是電力設備能夠正常運行的先決條件。電力系統作方案時往往需要考慮多種檢測參數的方法，并從中選取最優的一種檢測方法。

受風速的影響，風力發電機出線端的頻率、電壓均是波動的。風力發電變流裝置的作用是將發電機的電能變換為與電網同頻、同相的電能，并將其傳送至電網。本文不對風力發電變流裝置作更為詳細的介紹，感興趣的讀者可查閱相關文獻資料?？紤]到可靠性等實際情況，該裝置需用Siemens可編程控制器PLC 300。此變流裝置需要測量發電機端電流、電壓、發電機轉速、扭矩，電網端電流、電壓、功率因數、有功功率、無功功率等電力參數。本文所述為如何使用PLC 300測量這些電力參數，其中著重介紹如何使用PLC 300測量發電機轉速、功率因數等。

2 檢測方法

工業上對于電力參數的檢測一般是使用傳感器將電流、電壓信號轉換成與其同步的弱信號，進行A/D轉換后，再使用單片機計算得出所需要的各種數據。PLC 300的12位模擬量輸入模塊的每個模擬量輸入通道的最小轉換時間tT為17 ms，又因每個模擬量輸入模塊有8個通道，所以對每個模擬量的采樣時間tS為136 ms。如果采用分辨率更高的模擬量輸入模塊，則采樣時間還要加長[1]。而電網信號的周期T 為20 ms，不能保證tS T，所以PLC 300 的模擬量輸入模塊無法處理電壓、電流的同步信號，需要采用外圍電路對采集到的電力信號進行處理。

查閱PLC 300 的技術手冊，發現其CPU 313C-2DP 集成有3 個計數器，每個計數器的最高計數頻率為30 kHz，此頻率為電網頻率50 Hz 的600 倍，能夠用來測量電網的電力信號[1]。將和電網同步的弱信號轉換成與其同步的電平信號，把電壓、電流的同步電平信號相“異或(XOR)”，則高電平的時間長度便是電網的電壓、電流相位差所對應的時間長度。把得到的相位信號與高頻脈沖相“與(AND)”，會得到一系列斷續的高頻脈沖信號，送入PLC 300 的CPU，對其計數，便計算出電網的相位角漬。發電機所發出電的頻率與其轉速嚴格成正比，所以，通過檢測頻率即可獲得電機轉速。如圖1 所示，介紹了電網相位與發電機轉速的檢測原理。由電網的線電壓和相電壓存在的角度差30°，可以將線電壓與相電流的同步信號相“異或”，即給相位信號加入一個30°的零偏。通過檢測到的相位“>30°”還是“30°”，能夠判斷出相位角是“超前”還是“滯后”，或者相反。同樣將發電機的同步電壓信號與30 kHz 脈沖相“與”，送至PLC 300的CPU，便可計算出發電機轉速。

3 硬件電路

硬件電路是整個測量系統穩定工作的基礎，設計的合理與否將直接關系到系統能否正常工作以實現設計的功能。硬件電路設計應遵循以下原則[2]：

1)單元電路設計模塊化把系統功能細分為不同的單元，各單元電路獨立實現其功能，這樣電路設計的思路就很清晰。

2)高可靠性設計硬件電路設計過程中盡可能采用集成電路，少用分立元件;盡可能使用高集成度元件，減少元件使用的數量。并且優先考慮經實踐證明成熟的電路。

3)抗干擾設計本系統的現場工作環境比較惡劣，在硬件電路設計過程中一定要考慮各種干擾，采取抗干擾措施。

4)高準確度設計本電路要實現的功能是對電力參數的測量，既然是測量就必然有引起測量誤差的各種因素。在硬件電路設計的過程中一定要排除相應的誤差因素。

設計硬件電路時先采用二階濾波器對電網和發電機的同步信號進行濾波，再由LM339 組成的過零比較器將其變換成同步電平信號?？紤]到高頻脈沖的穩定性，選用1 MHz的石英晶振作為脈沖信號源，再用計數器對1 MHz脈沖信號進行35倍分頻，得到28.57 kHz的脈沖信號。電路圖如圖2所示。按照前面所述的處理信號的方法，將得出的信號送至PLC 300的CPU。

4 誤差分析

本文所述的系統采用工業上常用的同步變壓器和電流傳感器產生同步電壓、電流信號。由產生同步信號造成的相位誤差可以忽略不計，測量誤差為1個脈沖周期引起的誤差。所采用脈沖的周期為35μs，可以得到測量誤差如下所示。

功率因數的測量誤差

本系統所述的現場同步風力發電機極對數為44，輸出頻率為7~22 Hz?？紤]到測量的快速性，利用PLC300的CPU的高速計數功能測量發電機轉速，每個電壓信號周期的高電平期間將脈沖串送至PLC300的CPU 的高速計數器，每個周期內的計數值CS650。所測量發電機轉速的相對誤差為

Δn / n =ΔCS /CS=1/650=1.5×10-3 (8)

對設備電力參數的檢測結果校驗表明，檢測誤差均能控制在0.5%之內。

5 結語

本文所述的電力參數的檢測方法能夠適應PLC300的CPU與工業現場的需要;所需電路簡單，可靠性高;測量精度高。風力發電變流器在工業現場運行穩定可靠，所檢測的電力參數完全能滿足精度要求。