离网型风力发电机电能参数监测装置的研制.doc

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1、离网型风力发电机电能参数监测装置的研制 董 薇 韩 冰 钟 伟（临朐县供电公司，山东省临朐弥河路4号，262600） 摘要：本论文所开发的离网型风力发电机电能参数监测装置以ATMEL最新的8位单片AT89S52单片机为核心，采用了交流数字采样计算技术，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量电流、电压、有效值、功效因数、风速、风向等参数。文中论述了该电参数测量仪的工作原理，硬件采用了STD总线结构，实现模块化，在此基础上，详细介绍了整个装置的软硬件开发过程。关键词：单片机 电参数测量 交流采样绪 论 本课题研究的任务主要是针对离网型发电机，在研究电能参数及

2、测量方法的基础上，开发对电参数测试的智能化仪器。 主要工作包括：（1） 研究电能参数与风参数的监测方法。（2） 设计电能参数监测装置的软硬件系统，硬件设计需具有总线式、模块化功能，软件设计需实现模块化，便于调试。（3） 实现对风力发电机输出电压、电流、有功功效、功效因数及风速、风向等参数的实时监测。（4） 具有良好的人机接口。1、 基本参数的测量2.1 各电气量参数的计算公式要实现对电气量的精确测量，必须要保证足够的采样频率。由于本装置CPU采用的是单片机，采样频率定为每个工频周期内采样24点。按照误差计算公式可以得到24点采样的裁断误差为采用数字化方法，就要对电气量进行离散化采样，一般是进行

3、等间隔采样，得到离散化序列则各个参数的计算式为三相总的有功功率：现在功率：功率因数：2.2 风速、风向的测量 风速和风杯转速的关系可由风洞实验得出式中：为有阻力矩所决定的常数，数值上等于起动风速，通常为0.5:1.2m/s；为风速表系数，它与风杯的结构和大小有关；是一个很小的系数，,表明风速与风杯并不成严格的线性关系； 为单位时间内风杯的转数。 在测得风力发电机的输出电压、电流并计算出功率和当时的风速后，即可通过计算绘制特性曲线。测试标准要求机组正常工作时，在切入风速至切出风速的整个范围内，由计算机同步采集风速，输出电功率（考虑设备的成本温度、大气压用一般仪表人工读数）。采样频率不小于每秒一次

4、，平均周期不小于30s，不大于60s。为了对不同条件地区的风力发电机性能进行有效的对比，要对实测的性能参数进行修正，反映在标准条件（海平面15）下的工作状态，即利用所测大气压P、气温T计算实验大气密度。通过下述公式对每一区间内输出功率进行修正Ps已经按标准条件修正过的风机输出功率，W；Pr未经修正过的风机输出功率，W。对相应的风速计算其通过风轮的风功率为则风机功效率为：2.3 数据采集的实现 基本参数的计算比较简单，关键是数据的采集。本装置采用MAX125作为A/D转换芯片，该芯片是带同步采样保持电路的14位数据采集芯片，总共有8个输入信号，可以同时对4路输入信号进行同步采样。需要采集的信号有

5、六路：三相电压、电流，因此要分两次进行采样，首先采集AB,BC,两路的线电压、A、B两相电流，再进行CA线电压、C相电流的转换，之间有十几微秒的时间间隔，由于三相量没有同时采集，会对不平衡度的测量增加一些误差。强电信号经过电压、电流互感器变换为-5V；+5V的电压信号进入A/D转换芯片的信号采集端口，通过案的A/D转换芯片发出转换触发脉冲，A/D转换芯片就会将模拟信号转换为数字信号存储在A/D转换芯片的存储器中，CPU通过向A/D转换芯片发出读信号读取转换结果。由于数据在CPU中和在A/D转换芯片中存储的方式不同，要实现CPU对这些数据的处理，就要对数据进行转换。在A/D转换芯片的存储器中，数

6、据以无符号整数的形式存储，由于是14位的A/D转换芯片，-5V：+5V的电压信号被转换为0:16383之间的整数，其中0:8191对应0：+5V的电压信号，8192:16383对应0：-5V的电压信号。要使CPU能够处理这些数据，就要把这些数据转换为有符号的小数。首先要把数据转换为有符号的整数，通过下面的转换子程序就可以实现：程序中，变量“X”存储转换前的数据，变量“y”存储转换后的数据。再通过“A=（float）B”把整数转换为小数。到这里，数据采集的工作就完成了。2、 方案比较与电路的选择整个硬件装置采用易于扩展的总线式结构，共有CPU主板、A/D转换板、12路脉冲采集板、开关量输入板、液

7、晶显示驱动板、键盘等电路板组成，总体框图如图1所示。大部分电路板安装在8槽的STD标准机箱内。整个电路的安装调试均非常方便。由电流、电压传感器输出的模拟量信号经低通滤波及A/D转换电路后，变成相应的数字信号，CPU主板控制A/D转换板定时采集各路信号，控制脉冲采集板采集板采集风速信号，控制开关量输入板采集风向信号，并进行数据处理、保存和实时显示等工作。3.1 装置的硬件结构 装置的硬件结构采用STD总线结构，把硬件结构分为CPU主板、A/D转换板、12路脉冲输入板、开关量输入板四个功能模块，详细硬件结构见附录，装置硬件总体框图如图3.1。CPU主板以AT89S52单片机为核心，32K外部数据存

8、储器、实时时钟电路、64K地址空间范围的全译码电路、键盘接口电路、数据总线、地址总线驱动电路及预留的远程通讯电路接口等组成。电路框图如图3.2所示。A/D转换板由A/D转换芯片MAX125、低通滤波电路、地址译码电路等组成，其中A/D转换芯片MAX125内含采样保持电路、模拟开关电路。电路框图如图3.3所示。12路脉冲采集电路由脉冲采集电路芯片82C53、光电隔离电路、施密特整形电路、地址译码电路等组成。电路框图如图3.4所示。 开关量输入板由开关量输入电路、光电隔离电路、地址数据总线驱动电路等组成。3.2 各部分的电路设计与选择 电量传感器选择了四川绵阳维博电子有限公司生产的型号为WBI41

9、1D47的微型交流电流传感器和型号为WBV411D07的微型交流电压传感器。详细资料见下表： 风速风向传感器选用了长春气象仪研究所生产的型号为FC-1型风速风向传感器，风速传感器用三杯旋转架作为感应元件，一个多齿转盘和光电断器用来将转子转速转换成与风速成正比的频率电信号。风向传感器的感应元件为单板风标，由它驱动格雷码盘，发光二极管和光敏三极管组件用来将风标的角位移转换成相应的格雷码。 主要技术指标见下表3.2.2 CPU的选择 本设计选用ATMEL最新的8位单片机AT89S52作为本系统的CPU。 下面简单地介绍一下89S52的特性；与MCS-51产品兼容，包括引脚；8K字节可编程闪速程序存储

10、器；寿命：1000写/擦循环；全静态工作：033MHz；3级程序存储器加密锁定；2568位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；8个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式，从掉电模式中断恢复；看门狗定时器；双数据指针；断电标志等。 3.2.3 A/D转换器的选择 对于A/D转换来说，最重要的2个技术指标是转换的速度以及转换的精度。由于本系统的测量对象要求高密度，而测量的温度范围为0400V，因此必须采用12位以上的A/D转换器，MAX125是美国MAXIM公司生产的一种八通道高速14位模数转换器件，是一个同步采样数据获得系数。它采用了逐次逼近转换技术，其内部集成了

11、一个八通道的多路开关，它包含一个3微秒的14位分辨率的模数转换器，一个+2.5V内部参考电压，一个参考输入缓冲器，四个同步采样/保持，一个可编程序列发生器，还有四个存放转换数据的14位RAM。四个连续的读信号可访问四个转换数据。每路具有+17V的输入故障保护，避免外界对芯片冲击而造成的损失。MAX125可广泛地应用在多相位马达控制、电网同步、电力系数监控、数字信号处理、震动与波形分析等领域。因此本设计采用美国MAXTM公司产生的一种八通道高速14位模数转换器件MAX125，下面简单地介绍一下MAX125的特性：八个模拟量输入通道，即八种转换模式和一种节电模式；模数转换器的转换时间为3us；模拟

12、量输入电压范围为-5V:+5V；参考电压可选用器件内部提供的2.5V，也可选用外部参考电压；内部集成一个可编程序列发生器；时钟频率为0.1MHz:16MHz。具有高速并行的单片机或微处理接口。 3.2.4 存储器和看门狗电路的选择为了使停电时具有对报警值数据的保护，需要选用具有非易失性（掉电保护数据）的存储器，而且对于一个典型的单片机应用系统，看门狗电路的设计也是必须的。本设计中选用了X5045，除考虑其有掉电保护数据的功能外，还考虑到其有看门狗功能。X5045把四种常用的功能：上电复位、看门狗定时器、电压监控和具有块锁定的串行EEPROM组合在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减少了对电

13、路板的要求。X5045的内部有512个字节的EEPROM，完全足够使我们存放电压、电流的报警值，同时X5045具有最大到1.4S的看门狗溢出时间，这里，我们在软件上的喂狗时间约为1S。硬件看门狗电路X5045由于系统监控，防止程序跑飞，并提供512字节EEPROM来保护重要的系统控制参数，提高了单元控制器的抗干扰能力。液晶显示器可以显示各路电压、电流的有效值、三相总有功功率、视在功率、功率因数、风速、风向值、报警信号的类型及数量等系统状态信息。小键盘用于修改设置参数、改变显示类型，从而使单元控制器在脱离上位机的情况下仍然可以完成控制功能。具体的X5045的应用图见下图。 3.2.5 时钟电路的

14、选择根据题目发挥部分的要求，需要在系统上加上时钟，既然是时钟，为防止系统掉电以后时间的不正确，因此，需要后备电池系统，在正常时给充电电池充电，在电源异常时，电池至少维持时钟的工作，以保证时间的连续性。DS12887/DS12C887时钟片无需MC146818的电源电位检测器（PS），电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充电一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失，因此不需要再另外设计后备电池系统。此外，片内通用的RAM为MC146818的两倍以上。DS12887/DS12C887内部有专门的接口电路，从而使得外部电路的时序要求十分简单，使它与各种微处理器的

15、接口大大简化。使用时无需外围电路元件，只要选择引脚MOT电平，即可和不同计算机总线连接。3.2.6 通信接口的设计现场总线的通信协议结构是根据国际标准化组织提供的开放系统互联模型（ISO/OSI）来制定的。本系统所采用的CAN总线是最早在我国得到应用的现场总线之一，它采用ISO/OSI七层框架中的物理层和数据链路层。CAN总线标准采用多主方式，网络上任何节点均可主动向其它节点发送信息，网络节点可按系统实时性要求分成不同的优先级，数据链路层采用短帧结构，每一帧为8个字节，易子纠错。发送期间丢失仲裁或出错的帧子可自动重新发送，故障节点可自动脱离总线。CAN总线标准支持全双工通信，传输介质采用双绞线

16、和光纤，传输速率可达1Mbps，节点数可达110个。其最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。其容错能力和抗干扰能力强，传输安全性高。CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。对于不同型号的CAN总线通信控制器，实现CAN协议的电路，其结构和功能大体相同；与微控制器接口，其结构及方式存在一些差异。CAN控制器芯片完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。在本设计中，微处理器采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机，CAN总线控制器选用82C200，CAN总线收发器选用82C250，控制CAN总线的数据交换

17、。3.3 监测装置硬件地址的分配监测装置的整个硬件结构分为CPU主板、A/D转换板、12路脉冲输入板、开关量输入板四个部分。通常，外设端口有两种编址方式：（1）对外设单独编址（2）外设端口和存储器统一编址。本设计采用外设端口和存储器统一编址的方式。这种编址方式的优点是：（1）CPU访问外部存储器的一切指令均适用于对I/O端口的访问，这就大大增强了CPU对外设端口信息的处理能力。（2）CPU本身不需要专门为I/O端口设置I/O指令。（3）外设端口地址安排灵活，数量不受限制。本设计的编址，外部存储器的地址空间为0000H-7FFFH，单片机的引脚A15接62256的，CPU主板的74HC138的G

18、1、C、B、A引脚分别接地址线A15、A14、A13、A12，首先74HC688做为各板的板选芯片，通过CPU主板的74HC138的输出选择各板的板选的，见下图，Y4接12路脉冲输入板的板选芯片的，Y5接开关最输入的板选芯片的，Y6接A/D转换板的板选芯片的 ，然后12路脉冲输入板的板选芯片的P0P3接地址线A9A6，从而确定了每块板的地址，这里的硬件地址是考虑到扩展的。各板的板选芯片各接了4根地址线，这样通过改变板选的Q0Q3，可以扩展16块相应的功能版，再次，在各板块的其他芯片通过各板块上的74HC138的输出来选择。4 结论本次设计论述了离网型风力发电机电能参数监测装置的设计，并对装置的

19、数字采样算法及其在单片机系统中的具体实现进行了深入的研究。文中对仪器数字采理论分析的基础上，进行了电能参数监测装置的软硬件设计与调试。在装置的功能实现上，采用以低功耗，带8通道14位高速ADC的MAX125转换芯片为处理器，模拟部分主要包括：时钟单元、输入通道信号交换、抗混叠低通滤波电路等；数字部分主要包括：串口通信、液晶显示等。在将功能单元划分为数据采集、人机接口和通讯的基础上，逐步调通了各自的硬件功能，为装置功能的最终实现奠定了基础。在考虑装置硬件功能实现的同时，考虑了系统的抗干扰性，并提出了硬件和软件抗干扰技术。装置的硬件结构是考虑到扩展的，如开关量输入板设计了32路输入、脉冲板设计了12路频率信号输入，在脉冲板、AD转换板和开关量输入板的地址分别可以扩展成12块相同的功能模块，使整个装置功能更强大，这样可以测量其他一些脉冲量，开关量等等。