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1引 言
国家电力公司陆延昌副总经理在第26届中国电网调度运行全闭幕式上的讲话中指出了今后一段时期内的电网技术的发展上应重点研究和解决的问题，其中，在电网安全、稳定、经济运动领域，互联电力系统实时功角测量受到越来越的关注。特别是在以监控中目的的电力调度自动化系统中，如何快速、准确地采集处理各种电气参数显得尤为重要。而在实现自动化的过程中，首要环节就是数据采集。为此我们研究开发了电力系统功角广域测控系统，其中，用C8051F021型单片机实现的数据采集卡不仅可以准确、高效、实时地进行AD数据采集并通过双口RAM和PCI接口与上位机交换数据，还可以通过与GPS接收通信接收秒脉冲实现采集数据异地同步。
2功角及其测量
2．1发电机的功角
发电机通过变压器、输出线路与无限大容量系统母线联接组成的输电系统如图1所示。
若图中G为隐极式发电机，则发电机输出的有功功率为
上式也称作发电机的功率特性。式中Xd∑=Xd+XTL，其中Xd为发电机d轴等值电抗，XTL为发电机与无限大系统间的联系电抗，Eq为发电机的空载电势，V、I为系统参考母线电压和电流，ψ为母线电压与电流间的相位差。当发电机的电势Eq和受端电压V均恒定时，传输功率P是角度δ的正弦函数，角度δ为Eq与V之间的相位差角。因功率P的大小与δ角度切相关，称δ为“功率角”或“功角”。
2．2功角的测量
对于隐极发电机和凸极发电机，其电压和电流矢量图如图2（a）、（b）所示，由矢量图可知功角δ的计算公式为
式中，Xq∑=Xq+XTL，其中Xq为发机横轴电抗。对于确定的系统，Xd∑和Xq∑均为常数，在用计算机测量时，只需测出系统母线处的电压V、电流I及功率因数角，便可由（2）式和（3）式算出功角。描述电力系统受到大干扰后的机电暂态过程是一组非线性微分方程式，不能进行线性化，一般采用数值积分法（如欧拉法、龙格-库塔法、隐式积分法）的时域分析方法，将计算结果是绘制成运行参数（如功角）对时间的曲线，用以判别电力系统暂态稳定性。上述的计算及曲线缓制都是基于电力系统交流信号的jingque采集才能实现的。
本数据采集卡就是通过交流采样将3相电压、电流分别经6路通道采集到计算机进行处理，即对于交流信号不经过电量变换器，直接将互感器（PT/CT）二次测的电压电流再经一级高精度PT、CT转换为计算机可测量的小信号（本数据采集卡为-2.5V～+2.5V），经A/D变换后送入计算机进行处理，计算出电压电流有效值及功率因数角等电气参数并进而得到功角值及其随时间变化的情况，提供给电力调度监控中心进行电力系统稳定性的监控。
3采集卡硬件设计
本采集卡主要由C8051F021、A/D滤波采样保持电路、双口RAM、GPS接口、PCI接口等部分组成。从现场PT、CT过来的电压及电流经隔离互感器隔离变换后输入数据采集卡，经过二阶滤波器至A/D转换器前置通道。单片机通过GPS接口和双口RAM取得jingque的秒脉冲和相应时间（年、月、日、时、分、秒）并实现对信号的同步采集，转换后得到的数字量再由一个双口RAM和PCI接口送往上位机进行处理。系统的结构框图如图3所示。
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本采集卡采用Cygnal公司的C8051F021型单片机，该系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SystemOnChip），具有与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核；峰值速度可达25MI/S；在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件（包括可编程增益放大器PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、UART、定时器、可编程计数器/定时器阵列PCA等）。其指令周期为83ns(3.3V,12MHz)；具有大容量的可在系统（ISP）和在应用（IAP）编程的FLASH存储器；支持符合IEEE1194.1标准的JTAG调试和边界扫描，可进行非侵入式、全速的在系统调试。由于C8051F型单片机与其他8位单片机和比具有更为优异的性能，一面世就成为很多测控系统设计的机型。
ADC转换器采用片内12位、100ks/s的ADC，每次转换仅需10μs，完全满足系统对实时性和快速性的要求。F021型单片机ADC有8个外部输入，基准电压可由内部或外部提供（2.5V），可编程为单端输入或差分输入且带可编程放大器增益，本采集卡使用6路单端输入以完成对3相电压、电流的同步采集。因为ADC采用单端输入时只能对0～2.5V的信号进行AD转换，对由PT、CT送来的-2.5V～+2.5V正弦交流信号需在A/D转换
4.4上位机和下位机的通讯
4.4.1 PLC和组态王的通讯简介
组态王与PLC之间通信采用的是PPI通讯协议。组态王通过串行口与PLC 进行通信,访问PLC相关的寄存器地址,以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。在实际编程过程不需要编写读写PLC寄存器的程序,组态王提供了一种数据定义方法,在定义了IPO变量后,可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。
上位机和下位机通讯原理图如图4.10所示：
4.4.2 通讯的实现步骤
PLC与上位计算机的通讯可以利用语言编程来实现,用户必须熟悉互连的PLC及PLC网络采用的通讯协议,严格的按照通讯协议规定为计算机编写通讯程序,其对用户要求较高,而采用工控组态软件实现PLC与上位计算机之间的通讯则相对简单,因为工控组态软件中一般都提供了相关设备的通讯驱动程序,例如三菱系列PLC与工控组态王软件“组态王6.0x”之间可进行连接实现PLC与上位计算机之间的通讯。
下面介绍组态王6.0与FX2N PLC 之间通讯的实现步骤。
PLC采用RS-485或RS-232进行通讯,占用计算机的一个串行口。在不添加扩展卡的情况下可以使用编程口和计算机进行通讯。
、设备连接:
利用PLC 与计算机专用的F2 - 232CAB 型RS232C 电缆,将PLC 通过编程口与上位计算机串口(COM 口)连接,进行串行通讯。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口,I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。在本系统通讯中操作如下：
1)在组态王工程浏览器的左侧选中“COM1”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。
2)选择“PLC”下的 “三菱”中“FX2”的“编程口”项，单击“下一步”;
为外部设备取一个名称，输入PLC，单击“下一步”；
3)为设备选择连接串口，设为COM1，单击“下一步”；
4)填写设备地址，设为0，单击“下一步”；
(注：在实际连接设备时，地址的设置要和在设备上配置的地址要一致。)
5)设置通信故障恢复参数（一般情况下使用系统默认设置即可），单击“下一步”；
6)检查各项设置，确认无误后，单击“完成”。
第二、设备配置:
在组态王工程浏览器的工程目录显示区,点击“设备”大纲项下PLC 与上位计算机所连串口(COM1 口) ,进行参数设置。
在组态王浏览器目录内容显示区内双击所设COM1口对应的“新建”图标,会弹出“设备配置向导”对话框。在此对话框中完成与组态王通讯的设备的设置。
第三、构造数据库
定义变量如表4.2所示：
第四、建立动画连接
所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。
1.在上表中建立I/O变量后，就必须建立画面图素与数据变量的对应关系。
例如:(1)定义界面上的“开始”按扭
在画面上双击该按扭，弹出该对象的动画连接对话框。
选择“命令语言连接”下的“弹起”选项，在命令语言中，键入本站点\\开始=1则代表假如在系统运行时，单击该按扭，系统才能响应并且工作。
(2)定义界面上的负载侧的电压输出
在画面上双击电压输出对应的文本框，弹出该对象的动画连接对话框。选择“值输出”下的“模拟值输出”选项，键入表达式\\本站点\\增压132这样就定义好了该图素的动画连接。
其它图素的定义与上面两个例子相似，但必须图素与变量相对应。
2.命令语言：
if(增大调压器2==1&&增压132<10) 负载侧调压器M2调压至额定值；
{
增压132=增压132+1;
if(增压132==10)
{
增大调压器2=0;
\\本站点\m232=1;
}
else
\\本站点\m232=0;
}
if(\\本站点\增大频率==1&&增频率142<50) 变频机组调频至50HZ；
{
增频率142=增频率142+1;
if(增频率142==50)
{
\\本站点\增大频率=0;
\\本站点\m242=1;
}
else
\\本站点\m242=0;
}
if(\\本站点\增大调压器1==1&&增压131<10) 被试侧调压器调压至额定值；
{
增压131=增压131+1;
if(增压131==10)
{
\\本站点\增大调压器1=0;
\\本站点\m231=1;
}
else
\\本站点\m231=0;
}
if(\\本站点\减小频率==1&&增频率142>8) 变频机组往下调节频率；
{
增频率142=增频率142-1;
if(增频率142==8)
{
\\本站点\减小频率=0;
\\本站点\m241=1;
}
else
\\本站点\m241=0;
}
if(\\本站点\结束==1&&\\本站点\高压2==0)
增压131=0;
if(\\本站点\结束==1&&\\本站点\高压1==0)
{
增压132=0; 电压清零；
增频率142=0; 频率返回到初始值；
}
if(\\本站点\高压2==1&& 旋转2<360) 负载侧电机运转；
旋转2= 旋转2+30;
else
旋转2=0;
if(\\本站点\高压1==1&& 旋转1<360) 被试侧电机运转；
旋转1= 旋转1+60;
else
旋转1=0;
if(\\本站点\高压2==1&&\\本站点\电流互感器高==0)
\\本站点\电流互感器低=1;
if(增频率142==35&&减小频率==1)
{
\\本站点\电流互感器低=0;
\\本站点\电流互感器高=1;
}
if(\\本站点\高压2==0)
{
\\本站点\电流互感器高=0;
\\本站点\电流互感器低=0;
}
第五、系统运行
启动组态王运行系统TOUCHVEW； 运行电机智能系统的控制。在写入PLC程序后，将PLC开关指向“RUN”状态,按下“开始”按钮,观察负载试验和空载试验的控制结果。实验结果表明,系统运行正常,动画效果良好。
4.4.3组态界面中系统实现控制功能描述
参照组态界面图，先把空载和负载对应的PLC程序写入PLC内存中，在完成一次演示后，必须先清除PLC中的内存后写入程序。
空载试验时，点击“开始试验”按扭，先在被试侧检测有无高低压信号，如无，则低压侧开关KM1闭合，延时5秒，高压侧开关KM3闭合，电机运转。在本空载试验中，电流互感器的量程切换在负载试验中体现，再延时5秒，调压器开始调节，调至被试侧电机额定电压10KV时，调压停止，测量系统启动开始试验，试验完后，先关高压开关KM3，再关低压开关KM1，试验结束。
负载试验时，点击“开始”按扭，和空载一样，先在被试侧检查有无高低压信号，如无，低压开关KM2闭合，延时5秒高压开关KM4闭合，电流互感器先打到高量程30/5档，负载侧电机开始运转，其实在实际现场控制过程中，要根据现场采集电流信号来选择合适的量程分档，在此只作示意。延时5秒，开始调节变压器，电压从0～10KV时，调压器关闭，延时5秒，频率开始从“6”开始调节，在调节频率至35HZ时，电流互感器切换到低档5/5，等到频率调至50HZ后，延时5秒，被试侧低压开关KM1闭合，延时5秒，高压开关KM3闭合，被试电机开始运转，再延时5秒，被试侧调压器开始调压，等到调至10KV后，延时5秒，负载侧频率开始从50HZ往下调节，在判断频率满足要求后，测量系统启动，在35HZ下，电流互感器又切换到低档，等到调至8时，延时5秒后，依次打开被试侧高压开关KM3→负载侧高压开关KM4→被试侧低压开关KM1→负载侧低压开关KM2，电流互感器开关KM5、KM6也打开。如在5秒内按“结束”按扭，将手动结束控制。也可切换到实时曲线，观察各个参数的变化趋势。