專利名稱：發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實時直接測量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和功角的裝置。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的監(jiān)視和控制提出了更嚴(yán)格的要求。電力系統(tǒng)中的功角是反映系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的最直接的物理量，但是因為缺乏高精度的同步時鐘，長期以來電力系統(tǒng)無法直接獲得系統(tǒng)中各節(jié)點同一時刻的電壓相量和功角。隨著美國將其全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)開放給民用，電力系統(tǒng)獲得了新的時間同步手段。近年來，基于GPS的相量測量裝置(PhaseMeasurement Unit，簡稱PMU)已經(jīng)研制成功并且在美國和法國等國家投入實際應(yīng)用，我國的一些單位也開展了PMU的研制和應(yīng)用工作。
在電力系統(tǒng)中，使用現(xiàn)有的PMU可以方便地測量出母線電壓相量，包括其幅值和相角。但在發(fā)電廠中，還需要測量發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位，測量的方法包括間接法和直接法。其中間接法是利用測量到的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和電流，以及已知的發(fā)電機(jī)參數(shù)來計算出發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位；直接法則是利用安裝在發(fā)電機(jī)上的位置傳感器，通過檢測轉(zhuǎn)子位置來測量發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位。直接法不受發(fā)電機(jī)模型和參數(shù)的影響，而且當(dāng)系統(tǒng)處于暫態(tài)過程時比間接法具有更高的測量精度，因此具有更大的優(yōu)越性。
目前我國電力系統(tǒng)正在開展廣域動態(tài)安全穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)的研究和建設(shè)，迫切需要監(jiān)測各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和內(nèi)電勢相位，計算發(fā)電機(jī)的功角，從而滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的分析、動態(tài)安全評價、預(yù)防與緊急控制等需要?，F(xiàn)有的PMU裝置雖然也可以用于發(fā)電機(jī)測量，但它是通過間接法計算得到發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位和功角，受到發(fā)電機(jī)模型和暫態(tài)過程等因素影響，精度不如直接法。因此利用當(dāng)前GPS系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)上的位置傳感器(例如光電傳感器等)，開發(fā)高精度的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和功角監(jiān)測裝置是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種檢測精度高、響應(yīng)速度快、成本低的發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)該發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置包括CPU模塊、GPS模塊、轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊，以及電源模塊CPU模塊與GPS模塊、轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊相連接，用于轉(zhuǎn)子位置信號的采集，形成GPS時標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、完成功角計算等數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù)；GPS模塊與CPU模塊連接，當(dāng)收到GPS信號后，通過串行通訊口向CPU模塊發(fā)出時間信息，同時提供一個秒脈沖信號；轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路與CPU模塊及硬件時鐘與信號采集電路連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由轉(zhuǎn)子位置傳感器生成的脈沖電信號，經(jīng)過光電隔離和濾波處理后由CPU檢測和采集，同時在CPU的控制下與硬件時鐘與信號采集電路配合，確定該脈沖電信號出現(xiàn)的精確時刻，從而確定轉(zhuǎn)子位置和發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位；硬件時鐘與信號采集電路與CPU模塊及光電隔離電路連接，硬件時鐘電路用于提供微秒級的時間，由高精度時鐘源產(chǎn)生單位小于1微秒的計時脈沖信號，該信號送到計數(shù)器電路進(jìn)行累加計數(shù)，供CPU讀??；信號采集電路用于在轉(zhuǎn)子脈沖信號到達(dá)時，在CPU控制下讀取硬件時鐘電路提供的微秒級時間，從而與GPS提供的時間信息相結(jié)合形成微秒級的GPS時標(biāo)，精確地確定轉(zhuǎn)子位置脈沖到來的時刻。
鍵盤與顯示模塊與CPU模塊連接，在CPU控制下檢測各按鍵的狀態(tài)，當(dāng)有鍵按下時執(zhí)行相應(yīng)的命令，并通過數(shù)據(jù)總線向顯示模塊中的液晶顯示器發(fā)送信息，顯示GPS接收狀態(tài)、監(jiān)測功能、通訊狀態(tài)等。
電源模塊為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。
本發(fā)明是利用發(fā)電機(jī)上的位置傳感器(例如光電傳感器)和GPS的時鐘信號，直接檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和內(nèi)電勢相位，進(jìn)而計算出功角。首先接收GPS發(fā)送的時鐘信息，獲得當(dāng)前精確時間；同時利用轉(zhuǎn)子脈沖采集電路和信號采集電路，采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的光電傳感器發(fā)出的脈沖信號，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行監(jiān)測；由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置直接決定了發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位，因此也就同時獲得發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位。然后它經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊獲得發(fā)電機(jī)端電壓相位，最后計算發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位和機(jī)端電壓相位之間的相位差而獲得功角。利用本裝置與現(xiàn)有的相量測量單元(PMU)相配合，可在統(tǒng)一的GPS時鐘基準(zhǔn)下，在廣域范圍內(nèi)實現(xiàn)不同地點的發(fā)電機(jī)和母線的功角監(jiān)測，從而組成電力系統(tǒng)功角監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)廣域穩(wěn)定監(jiān)視和控制。
本發(fā)明具有測量精度高、響應(yīng)速度快、成本低、體積小的特點。其中，測量精度高是本發(fā)明的主要優(yōu)點，是通過以下技術(shù)措施來保證的。首先，在工作原理上，本發(fā)明采用直接法進(jìn)行測量，不受發(fā)電機(jī)模型的影響，能對各種不同類型的發(fā)電機(jī)進(jìn)行精確測量。其次，本發(fā)明能夠?qū)崟r測量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此即使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變時，也能夠通過軟件對測量結(jié)果進(jìn)行修正，從而計算出準(zhǔn)確的功角。最后，由于采用了GPS時鐘(誤差為1微秒)和專門設(shè)計的微秒級硬件時鐘電路，總測量誤差小于5微秒(對應(yīng)相角約0.09度)，完全能夠滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)控的需要。另外，由于采取采集后立即發(fā)送的策略，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送間隔取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，大約是20ms。本發(fā)明采用通用型單片機(jī)(Intel 80C196 CPU)，合理安排各功能模塊，構(gòu)成了成本低、功能配置合理的數(shù)據(jù)采集裝置，而且組裝后的裝置體積較小。


圖1是本發(fā)明工作原理框圖。
圖2是本發(fā)明CPU模塊和GPS模塊電路原理3是本發(fā)明轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、以及硬件時鐘與信號采集電路原理圖。
圖4是本發(fā)明的鍵盤與顯示模塊的電路原理圖。
其中1、CPU微處理器，2、鎖存器，3、程序存儲器，4、數(shù)據(jù)存儲器，5、譯碼器，6、對外通訊接口，7、GPS模塊，8、轉(zhuǎn)子位置傳感器，9、光電隔離電路，10、時鐘源，11、計數(shù)器，12、鎖存器，13、可編程邏輯器件，14、液晶顯示器，15、鍵盤，16、總線輸入接口芯片，17、可編程邏輯器件具體實施方式
實施例
圖1給出了本發(fā)明的工作原理框圖。該發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置主要包括CPU模塊、GPS模塊、轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊，以及電源模塊。
CPU模塊與GPS模塊、轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊相連接，用來完成轉(zhuǎn)子位置信號的采集、形成GPS時標(biāo)、進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、完成功角計算等多種任務(wù)。如圖2所示，CPU模塊包括CPU微處理器1、鎖存器2、程序存儲器3、數(shù)據(jù)存儲器4、譯碼器5和對外通訊接口6等部分。其中CPU微處理器1采用16位的80C196單片機(jī)，它具有256字節(jié)片內(nèi)RAM和專用寄存器，片外可尋址空間為64K字節(jié)。由于80C196片內(nèi)不含程序存儲器，因此在外部擴(kuò)展了程序存儲器3和數(shù)據(jù)存儲器4，并由鎖存器2完成低8位地址與數(shù)據(jù)的分離，由譯碼器5完成地址空間的分配。80C196 CPU具有豐富的I/O接口，包括高速輸入口、高速輸出口、A/D轉(zhuǎn)換接口、定時器接口、中斷接口、串行通訊接口等，適合用于工業(yè)現(xiàn)場來完成各種監(jiān)視和控制任務(wù)。本發(fā)明中利用80C196的高速輸出口HS03和高速輸入口HSI3構(gòu)造了軟件串行口，通過軟件編程實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，用來和GPS模塊7進(jìn)行通訊，以獲得GPS時間信息；GPS模塊輸出的秒脈沖信號(1PPS)直接送入CPU的高速輸入口HSI0；CPU原有的RXD和TXD串行接口則用來和外部裝置(如PMU)進(jìn)行通訊，獲得發(fā)電機(jī)端電壓相位，從而實現(xiàn)功角的計算。為了連接外圍的其他模塊，CPU模塊還將8位數(shù)據(jù)總線(DataBus)、低8位地址總線(AddrBus)、高8位地址譯碼輸出(PA5)、讀允許信號(/RD)、寫允許信號(/WR)、高速輸出口(HSI0和HSI1)，以及高速輸入口(HSI1)等信號線引出，管理和控制外圍的轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊。
GPS模塊與GPS天線和CPU模塊連接，圖2中給出了GPS模塊7與CPU微處理器1的電路接線圖。本裝置選用GPS(全球定位系統(tǒng))作為系統(tǒng)時鐘。為了獲得GPS的時間信息，本裝置的GPS模塊選用定時型的GPS接收器，具有體積小、易于安裝等特點。GPS模塊需要外接一個GPS天線，而GPS天線通常被引到室外安裝在較高的位置，以獲得更好的GPS信號接收性能。收到GPS信號后，GPS模塊能夠通過串行口(也就是其RXD和TXD引腳)向CPU提供年、月、日、時、分、秒等時間信息，同時還輸出一個秒脈沖信號(1PPS)。
轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路與CPU模塊、及硬件時鐘與信號采集電路連接，其電路原理圖如圖3所示。安裝在發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)子位置傳感器8(例如光電傳感器)，可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時生成脈沖電信號，該脈沖電信號經(jīng)過光電隔離電路9和濾波處理后由CPU的高速輸入端口HSI1檢測和采集，同時提供給硬件時鐘與信號采集電路。由于該脈沖電信號與轉(zhuǎn)子位置相對應(yīng)，所以通過檢測該脈沖電信號出現(xiàn)的精確時刻(微秒級)就可以確定轉(zhuǎn)子位置和發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位。為保證測量精度，本裝置在采集轉(zhuǎn)子脈沖信號時，利用能承受上千伏高壓的光電隔離器件(TLP521-4)設(shè)計了光電隔離電路9，并配合電容濾波和軟件濾波，有效地濾除干擾信號，并保護(hù)裝置內(nèi)部電路的安全。
硬件時鐘與信號采集電路與CPU模塊及光電隔離電路連接，圖3中給出了其電路原理圖，該電路包括硬件時鐘電路和信號采集電路兩個部分。其中硬件時鐘電路包括2MHz的時鐘源10和兩個計數(shù)器11，信號采集電路包括三個鎖存器12，它們都由可編程邏輯器件(GAL16V8)13完成地址譯碼和邏輯控制。由于GPS模塊發(fā)送的時鐘信號的最小時間單位是秒，不能滿足電力系統(tǒng)進(jìn)行功角計算時的精度要求，因此本發(fā)明專門設(shè)計硬件時鐘電路，來產(chǎn)生微秒級的時標(biāo)。與采用CPU內(nèi)的軟件時鐘相比，采用硬件時鐘電路的優(yōu)點是不會受到CPU任務(wù)繁忙程度和中斷響應(yīng)時間等因素影響，具有更高的計時精度。該硬件時鐘電路使用一個頻率為2MHz的高精度時鐘源，產(chǎn)生單位為0.5微秒的計時信號，該計時信號送到計數(shù)器電路11進(jìn)行累加計數(shù)，以備CPU讀取，從而可以提供轉(zhuǎn)子脈沖信號到來的微秒級時間。兩個計數(shù)器CD4040的RST(復(fù)位)引腳連接到GAL16V8的輸出端，在邏輯上受CPU的高速輸出口HSO0的控制，這樣CPU可以根據(jù)需要對計數(shù)器進(jìn)行復(fù)位清零操作。信號采集電路12在轉(zhuǎn)子脈沖信號到達(dá)時，首先在HSO1和GAL16V8控制下同時給兩個鎖存器12的CLK引腳提供鎖存信號，記憶住當(dāng)時計數(shù)器11的計數(shù)值；然后利用GAL16V8依次譯碼輸出讀數(shù)據(jù)信號到鎖存器12的OE(輸出允許)引腳，分3次將3個鎖存器記憶的微秒級時間信息通過數(shù)據(jù)總線(DataBus)提供給CPU。這樣，CPU綜合利用從GPS模塊獲得的GPS的時間信息(單位是秒)和硬件時鐘電路提供的微秒級時間，形成微秒級GPS時標(biāo)，從而精確地確定轉(zhuǎn)子位置脈沖到來的時刻。
鍵盤與顯示模塊與CPU模塊連接，圖4給出了其電路原理圖，它包括液晶顯示器(LCD)14、鍵盤(KEY1～KEY7)15、總線輸入接口芯片(74LS244)16，以及可編程邏輯器件(GAL16V8)17。本裝置具有較好的人機(jī)聯(lián)系功能，配備有薄膜鍵盤和液晶顯示器，可以通過面板上的按鍵，來控制和顯示裝置的GPS接收狀態(tài)、監(jiān)測功能、通訊狀態(tài)等。當(dāng)讀鍵盤信息時，首先由CPU控制輸出地址信號(A2～A4和PA5)和讀信號(/RD)到GAL16V8，GAL16V8完成地址譯碼后輸出讀允許信號到74LS244的第1和第19引腳，然后數(shù)據(jù)總線(DataBus)就可以通過總線輸入接口芯片74LS244讀取各按鍵的狀態(tài)。當(dāng)檢測到有鍵按下時，CPU執(zhí)行相應(yīng)的命令。在顯示信息時，首先由CPU輸出地址信號(A0～A5和PA5)和寫信號(/WR)到GAL16V8，GAL16V8進(jìn)行地址譯碼后選通液晶顯示器(LCD)，然后CPU通過數(shù)據(jù)總線(DataBus)向顯示模塊中的液晶顯示器(LCD)發(fā)送信息，顯示GPS接收狀態(tài)、監(jiān)測功能、通訊狀態(tài)等。
電源模塊采用通用開關(guān)電源，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。
本發(fā)明具有以下特點1、測量精度高首先，在工作原理上，本裝置采用直接法對發(fā)電機(jī)進(jìn)行測量，不受發(fā)電機(jī)模型的影響，能對各種不同類型的發(fā)電機(jī)進(jìn)行精確測量。其次，本裝置能夠?qū)崟r測量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此即使在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變時，也能夠通過軟件對測量結(jié)果進(jìn)行修正，從而計算出準(zhǔn)確的功角。另外，由于采用了GPS時鐘(誤差為1微秒)和專門設(shè)計的微秒級硬件時鐘電路，總測量誤差小于5微秒(對應(yīng)相角約0.09度)，完全能夠滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)控的需要。
2、響應(yīng)速度快由于采用直接法測量，本裝置輸出轉(zhuǎn)子位置和功角信息的時間間隔主要取決于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，基本恒定為20毫秒。
3、成本低采用INTEL公司的通用型單片機(jī)80C196，構(gòu)成了成本低、功能合理的數(shù)據(jù)采集裝置。
4、體積小本裝置通過合理劃分功能模塊，將各電路制成CPU板、信號采集板、顯示和鍵盤板、電源模塊等幾個部分，組裝完成后的裝置體積很小。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置，其特征在于包括CPU模塊、GPS模塊、轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊，以及電源模塊CPU模塊與GPS模塊、轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊相連接，用于轉(zhuǎn)子位置信號的采集，形成GPS時標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、完成功角計算等數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù)；GPS模塊與CPU模塊連接，當(dāng)收到GPS信號后，通過串行通訊口向CPU模塊發(fā)出時間信息，同時提供一個秒脈沖信號；轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路與CPU模塊及硬件時鐘與信號采集電路連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由轉(zhuǎn)子位置傳感器生成的脈沖電信號，經(jīng)過光電隔離和濾波處理后由CPU檢測和采集，同時在CPU的控制下與硬件時鐘與信號采集電路配合，確定該脈沖電信號出現(xiàn)的精確時刻，從而確定轉(zhuǎn)子位置和發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位；硬件時鐘與信號采集電路與CPU模塊及光電隔離電路連接，硬件時鐘電路用于提供微秒級的時間；信號采集電路用于在轉(zhuǎn)子脈沖信號到達(dá)時，在CPU控制下讀取硬件時鐘電路提供的微秒級時間，從而與GPS提供的時間信息相結(jié)合形成微秒級的GPS時標(biāo)，精確地確定轉(zhuǎn)子位置脈沖到來的時刻；鍵盤與顯示模塊與CPU模塊連接，在CPU控制下檢測各按鍵的狀態(tài)，當(dāng)有鍵按下時執(zhí)行相應(yīng)的命令，并通過數(shù)據(jù)總線向顯示模塊中的液晶顯示器發(fā)送信息，顯示GPS接收狀態(tài)、監(jiān)測功能、通訊狀態(tài)等；電源模塊采用通用開關(guān)電源，為整個裝置提供穩(wěn)定的電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置，其特征在于選用定時型的GPS接收器作為GPS模塊，而且同時利用了GPS模塊輸出的時間信息和秒脈沖信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置，其特征在于所述硬件時鐘電路中，由高精度時鐘源產(chǎn)生單位小于1微秒的計時脈沖信號，該信號送到計數(shù)器電路進(jìn)行累加計數(shù)，供CPU讀取。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置。該發(fā)電機(jī)實時功角監(jiān)測裝置包括CPU模塊、GPS模塊、轉(zhuǎn)子脈沖采集與光電隔離電路、硬件時鐘與信號采集電路、鍵盤與顯示模塊，以及電源模塊等。首先接收全球定位系統(tǒng)(GPS)發(fā)送的時鐘信息，獲得當(dāng)前精確時間，同時利用轉(zhuǎn)子脈沖采集電路和信號采集電路，采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的光電傳感器發(fā)出的脈沖信號，對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實時監(jiān)測，獲得發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位；然后通過數(shù)據(jù)通信獲得發(fā)電機(jī)端電壓相位；最后通過計算發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相位和機(jī)端電壓相位的相位差獲得功角。本發(fā)明具有測量精度高、響應(yīng)速度快、成本低、體積小的特點。
文檔編號G01R25/00GK1794000SQ20051004514
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者張大海, 劉玉田 申請人:山東大學(xué)