研華数据采集卡在移动式电网谐波分析仪.docVIP

系统需求 由于电力机车以及大功率整流器件的广泛使用，使电网的谐波含量逐渐增加，因此国家电网公司提出了“绿色电网、绿色电能”的概念。目的就是为了采取一切可能的措施净化电网。在有关部门的配合下，我们采用IPC平台、并采用高速数据采集器PCI－1712与定时/计数卡PCL－836在Windows操作系统下开发了一套移动式的电网谐波分析仪。 系统描述 电力系统中电参数的定义，一般是在正弦条件下得到的，可以在时域或频域定义；由于电网中存在谐波致使电网为非正弦信号，而在非正弦的电力系统中电参数的定义，一般在频域定义。要得到有用的功率形式，必须有相应的测量算法，避免处理时间过长而不具备实时性。 用微机测量交流信号时，要求在一个工频周期内使采样次数N与采样周期Ts的乘积等于被测信号的周期T(即N×Ts=T)。电网中一般含有奇次谐波，要真正利用Shannon采样定理采集谐波信号，需要根据具体的信号特征以及分析方法来确定采用频率。在实际谐波测量中，要求对电压和电流信号进行交流同步采样，目前交流采样的同步方法主要有硬件同步、软件同步、定时采样3种。 硬件同步的精度最高，但它要求采样装置具备专用同步电路； 软件同步精度次之，它也需要电网频率跟踪测量环节； 定时采样不需要任何附加同步电路，但同步误差大，一般不用于高精度测量场合。 考虑到实际问题，本系统采用定时采样。定时采样实际上是假定电网频率为某一默认值，根据这一默认值和每周期内的采样点数确定定时器的定时值，以此实现同步。但是当电网频率与默认值不符或发生变化时，定时采样的同步误差就会增大。为此，系统有必要对电网频率实行软件跟踪，即利用采样值估算电网周期，然后根据估算周期调整采样周期的值。 目前，谐波测量最常采用的方法为离散傅里叶变换(ＤＦＴ)和快速傅里叶变换(ＦＦＴ)。由于快速傅里叶变换是离散傅里叶变换的快速算法，它能使ＤＦＴ的运算效率提高1～2个数量级，因此在谐波分析中被广泛采用，且采用其中最为常见的基2的ＦＦＴ算法。 对电压和电流信号进行同步采样，在一个工频周期内分别采样Ｎ点，得到离散数字序列{ｕｋ}和{ｉｋ}。显然两序列均为实序列，将它们按下式构成一复序列{ｆｋ} （k＝0、1、2、……、N－1） {}频谱为： （n=0、1、2、……、N－1） 对{}按FFT算法求得后，就可以得出{}、{}的频谱。 其中、分别为第n次谐波电压和谐波电流向量表达式。 测试系统硬件的选用 在利用FFT算法测量谐波时，采样点数一般要求为2的幂次方，最好为1024点。也即要在4ms内采集1024点采样值。因此采样频率应为：1024/4ms＝256KS/s。假如需要“三相同步采样”采集三相电压信号，采样频率至少为：256 KS/s×3＝768KS/s。 根据这个要求，可供选用的板卡不是很多，Advantech公司的PCI－1712可以满足要求。 PCI－1712的特性为： 1MS/S采样频率 12位A/D分辨率，每秒1M采样速率； 16路单端或8路差分或组合模拟量输入， 数据传输可使用PCI总线master功能， 对模拟量输入可使用预触发，后触发，模式匹配以及延迟触发等多种触发模式 2路12位模拟量输出通道，可产生连续波形输出， 用于模拟量输入的1K字FIFO，和用于模拟量输出的4K字 FIFO， 3个16位时基为10MHZ 的可编程计数器/定时器。 由于电网的频率并不稳定，要在一个周期内准确采样1024点，往往存在同步误差ΔT(ΔT=NTs-T)，会影响测量精度。为了减少电网频率波动对测量结果的影响，必要时要实时测量其频率。因此，选用PCL－836计数/定时卡定时检测电网的频率，以动态确定采用周期。同时选用研华ACP-4001工业工作站。实施过程中的几项关键技巧 数据采集方式选用 由于需要采集的数据量很大，同时还要进行数据的实时处理等工作，这样就要求高速数据采集时不能过多占用CPU资源，因此采用DMA数据传输方式及相应的中断控制。系统的工作原理为，三相高压电网经电压互感器PT将高压电网信号转变成适合PC采样的－10V～10V交变信号，再经PCI－1712采集、比例变换等简单的处理后送入FIFO进行缓冲，PCI总线控制器工作在主控模式下，借助PCI总线高带宽、低延迟的特性，经DMA数据传输，将采集的数据从FIFO中读出后直接送至计算机内存，配合设备驱动程序及上层应用程序对结果进行分析、处理、显示和存储，整个传输过程无需CPU干预，完全由硬件来实现，有效地提高了数据的传输速率。这样，采用DMA方式进行大段数据传输，采样周期由板卡严格控制，避免了由于软件系统时间控制的不精确而产生的信号失真。系统可以在样本采