實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過程中,，首要環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)采集,。為此我們研究開發(fā)了電力系統(tǒng)功角廣域測控系統(tǒng)，其中,，用C8051F021型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡不僅可以準(zhǔn)確、高效,、實(shí)時(shí)地進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采集并通過雙口RAM和PCI接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù),，還可以通過與GPS接收通信接收秒脈沖實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)異地同步。

　　2 功角及其測量

　　2.1 發(fā)電機(jī)的功角

　　發(fā)電機(jī)通過變壓器,、輸出線路與無限大容量系統(tǒng)母線聯(lián)接組成的輸電系統(tǒng)如圖1所示,。

　　若圖中G為隱極式發(fā)電機(jī)，則發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為

　　上式也稱作發(fā)電機(jī)的功率特性,。式中Xd∑=Xd+XTL,，其中Xd為發(fā)電機(jī)d軸等值電抗，XTL為發(fā)電機(jī)與無限大系統(tǒng)間的聯(lián)系電抗,，Eq為發(fā)電機(jī)的空載電勢,，V、I為系統(tǒng)參考母線電壓和電流,，ψ為母線電壓與電流間的相位差,。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電勢Eq和受端電壓V均恒定時(shí)，傳輸功率P是角度δ的正弦函數(shù),，角度δ為Eq與V之間的相位差角,。因功率P的大小與δ角度切相關(guān)，因此稱δ為“功率角”或“功角”,。

　　2.2 功角的測量

　　對于隱極發(fā)電機(jī)和凸極發(fā)電機(jī),，其電壓和電流矢量圖如圖2(a)、(b)所示,，由矢量圖可知功角δ的計(jì)算公式為

　　式中,，Xq∑=Xq+XTL,，其中Xq為發(fā)機(jī)橫軸電抗。對于確定的系統(tǒng),，Xd∑和Xq∑均為常數(shù),，因此在用計(jì)算機(jī)測量時(shí)，只需測出系統(tǒng)母線處的電壓V,、電流I及功率因數(shù)角,，便可由(2)式和(3)式算出功角。此外,，描述電力系統(tǒng)受到大干擾后的機(jī)電暫態(tài)過程是一組非線性微分方程式,，不能進(jìn)行線性化，所以一般采用數(shù)值積分法(如歐拉法,、龍格-庫塔法,、隱式積分法)的時(shí)域分析方法，將計(jì)算結(jié)果是繪制成運(yùn)行參數(shù)(如功角)對時(shí)間的曲線,，用以判別電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性,。上述的計(jì)算及曲線緩制都是基于電力系統(tǒng)交流信號的精確采集才能實(shí)現(xiàn)的。

　　本數(shù)據(jù)采集卡就是通過交流采樣將3相電壓,、電流分別經(jīng)6路通道采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,，即對于交流信號不經(jīng)過電量變換器，直接將互感器(PT/CT)二次測的電壓電流再經(jīng)一級高精度PT,、CT轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可測量的小信號(本數(shù)據(jù)采集卡為-2.5V～+2.5V),，然后經(jīng)A/D變換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出電壓電流有效值及功率因數(shù)角等電氣參數(shù)并進(jìn)而得到功角值及其隨時(shí)間變化的情況,，提供給電力調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)控,。

3 采集卡硬件設(shè)計(jì)

　　本采集卡主要由C8051F021、A/D濾波采樣保持電路,、雙口RAM,、GPS接口、PCI接口等部分組成,。從現(xiàn)場PT,、CT過來的電壓及電流經(jīng)隔離互感器隔離變換后輸入數(shù)據(jù)采集卡，然后經(jīng)過二階濾波器至A/D轉(zhuǎn)換器前置通道,。單片機(jī)通過GPS接口和雙口RAM取得精確的秒脈沖和相應(yīng)時(shí)間(年,、月、日,、時(shí),、分、秒)并實(shí)現(xiàn)對信號的同步采集,，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量再由另外一個(gè)雙口RAM和PCI接口送往上位機(jī)進(jìn)行處理,。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。

　　本采集卡采用Cygnal公司的C8051F021型單片機(jī)，該系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(System On Chip),，具有與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內(nèi)核;峰值速度可達(dá)25MI/S;在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件(包括可編程增益放大器PGA,、ADC、DAC,、電壓比較器,、電壓基準(zhǔn)、UART,、定時(shí)器,、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列PCA等)。其指令周期為83ns(3.3V,12MHz);具有大容量的可在系統(tǒng)(ISP)和在應(yīng)用(IAP)編程的FLASH存儲(chǔ)器;支持符合IEEE 1194.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG調(diào)試和邊界掃描,，可進(jìn)行非侵入式,、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。由于C8051F型單片機(jī)與其他8位單片機(jī)和比具有更為優(yōu)異的性能,，所以一面世就成為很多測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選機(jī)型,。

　　ADC轉(zhuǎn)換器采用片內(nèi)12位、100ks/s的ADC,，每次轉(zhuǎn)換僅需10μs,，完全滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性和快速性的要求。F021型單片機(jī)ADC有8個(gè)外部輸入,，基準(zhǔn)電壓可由內(nèi)部或外部提供(2.5V)，可編程為單端輸入或差分輸入且?guī)Э删幊谭糯笃髟鲆?，本采集卡使?路單端輸入以完成對3相電壓,、電流的同步采集。因?yàn)锳DC采用單端輸入時(shí)只能對0～2.5V的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,，所以對由PT,、CT送來的-2.5V～+2.5V正弦交流信號需在A/D轉(zhuǎn)換的前置通道加一直流偏置電壓2.5V，使得輸入信號幅值為0V～5V,，該信號現(xiàn)經(jīng)片內(nèi)可編程增益入大器衰減為0V～2.5V,，進(jìn)而完成A/D轉(zhuǎn)換。采集時(shí)通過采集程序發(fā)出采樣保持命令使采樣/保持器保持采集瞬間的值,，采集的瞬時(shí)信號經(jīng)過模擬通道開關(guān)選擇進(jìn)入衰減電路,，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位并行數(shù)據(jù)輸出到雙口RAM供上位機(jī)讀入處理。

　　雙口RAM采用的是32k,、8位高速IDT7007S,，單片機(jī)和上位機(jī)可分別從雙口RAM兩邊同時(shí)進(jìn)行讀寫操作(但不可同時(shí)對同一地址單元寫數(shù)據(jù))，且該雙口RAM的存取操作時(shí)間最長僅需55ns,，因此,，通過雙口RAM極大地提高了單片機(jī)與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)的速度,，從而為該數(shù)據(jù)采集卡在電力系統(tǒng)測控領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了保證。

　　PCI接口主要由PCI接口CH365完成,。CH365是一個(gè)連接PCI總線的通用接口電路,，支持I/O端口映射、存儲(chǔ)器映射,、擴(kuò)展ROM及中斷,。本采集卡主要使用CH365的存儲(chǔ)器映射功能，將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù),、16位地址主動(dòng)并行接口,。CH365可以通過雙端口存儲(chǔ)器與外部的單片機(jī)或者DSP交換數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)做進(jìn)一步處理,。如果將CH365的讀寫選通脈沖的寬度設(shè)定為30ns,，并且使用雙字為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)測速度可以達(dá)到每秒7M字節(jié),。PCI總線與其他主流總線相比,，速度更快、實(shí)時(shí)性更好,、可控性更佳,，所以CH365特別適用于高速實(shí)時(shí)I/O控制卡、通訊接口卡和數(shù)據(jù)采集卡等,。

　　除了上述有關(guān)數(shù)據(jù)采集處理的速度,、精度、實(shí)時(shí)傳送等方面的考慮外,，本采集卡還考慮了各路依賴的異地同步采集,，在設(shè)計(jì)中采用了GARMIN公司的GPS接收板(GPS Receiver Board)GPS15L,通過衛(wèi)星精密授時(shí)功能，由衛(wèi)星提供的精確秒脈沖實(shí)現(xiàn)異地同步采集,。該接收板最少接收11顆衛(wèi)星的信號,，專用集成電路和處理軟件能從接收到的信息中提取并輸出二種時(shí)間信號：一是秒脈沖1PPS，其與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)的同步誤差不超過1μs;二是經(jīng)串行口輸出的與1PPS脈沖前沿對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼(年,、月,、日、時(shí),、分,、秒)，即1PPS的“時(shí)間標(biāo)記”,。電力系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)送端和受端的分布廣泛分散,，基順各端安裝一臺GPS接收機(jī)，則GPS的全球性和高精度就能保證各地時(shí)間信號與UTC的相對誤差都不超過1μs。這種全球范圍內(nèi)的高精度時(shí)間同步在電力系統(tǒng)檢測和測量中有極高的利用價(jià)值,。本數(shù)據(jù)采集卡就是通過GPS接收板提供的秒脈沖和其時(shí)間標(biāo)記來進(jìn)行異地同步數(shù)據(jù)采集的,，實(shí)踐證明其效果是理想的。

　　4 采集卡軟件設(shè)計(jì)

　　本采集卡的軟件程序主要包括與GPS接收板的串口通信程序,、與上位機(jī)通信的PCI接口程序及數(shù)據(jù)采集和處理程序,。軟件流程圖如圖4所示。

　　采集卡可通過雙口RAM與上位機(jī)通信以改變采樣點(diǎn)數(shù),、采樣頻率,，將一個(gè)工頻周期等分成40～256個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后對采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換處理并發(fā)送上位機(jī)進(jìn)一步處理,，如電壓,、電流及功角的幅值、曲線顯示監(jiān)視及進(jìn)而在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)作出相應(yīng)的控制措施,。[next]

本采集卡的特點(diǎn)如下：

　　·由于采用二階濾波電路,，因此采集卡可以較好的屏蔽高次諧波對A/D轉(zhuǎn)換的影響。C8051F021屬于高速混合信號機(jī)型,，在12MHz的外部晶振下,，其時(shí)鐘周期為83ns，因此采樣頻率大范圍可調(diào),?？蓮V泛應(yīng)用于各種采樣速率要求較高的交流采樣測控裝置。

　　·可同時(shí)輸入8路單輸入或4路差分輸入PT/CT信號,，進(jìn)行高精度,、高速度采樣。

　　·采用片內(nèi)12位分辨率,、100ks/s轉(zhuǎn)換速度的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和外圍濾波采樣保持電路,，能進(jìn)行快速模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　·通過接收GPS的秒脈沖和時(shí)標(biāo),，可以保證異地信號的同步采集。

　　·雙口RAM和專用PCI接口使得上下位機(jī)的通信和交換數(shù)據(jù)更加快捷,。

　　5 結(jié)束語

　　實(shí)踐證明,，采用C8051F021型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的采集系統(tǒng)不僅能夠滿足電力系統(tǒng)測控裝置的需求，還具有較好的性價(jià)比,，非常適用于各種電壓等級的輸電系統(tǒng)測控裝置和儀器儀表的測量部分,。