C8051F021型单片机实现数据采集系统

介绍的功角测量数据采集卡是采用Cygnal公司C8051F021型单片机实现的PCI总线接口卡。该卡通过2片双口RAM分别实现与GPS接收板和上位机(PC)的数据交换，从而实现高速、可靠的数据采集、处理与传送。本数据采集卡采用片内12位高速ADC并配以片外采样保持电路，通过直接交流采样方法精确快速地实现对电压和电流的采样，保证了电力系统实时测量的要求。

　　1 引言

　　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，因此称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，因此在用计算机测量时，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。此外，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，所以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精确采集才能实现的。

　　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)，然后经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。