1 引言
實現自動化的過程中，首要環節就是數據采集。為此我們研究開發了電力系統功角廣域測控系統，其中，用C8051F021型單片機實現的數據采集卡不僅可以準確、高效、實時地進行AD數據采集并通過雙口RAM和PCI接口與上位機交換數據，還可以通過與GPS接收通信接收秒脈沖實現采集數據異地同步。
2 功角及其測量
2.1 發電機的功角
發電機通過變壓器、輸出線路與無限大容量系統母線聯接組成的輸電系統如圖1所示。
若圖中G為隱極式發電機，則發電機輸出的有功功率為
上式也稱作發電機的功率特性。式中Xd∑=Xd+XTL，其中Xd為發電機d軸等值電抗，XTL為發電機與無限大系統間的聯系電抗，Eq為發電機的空載電勢，V、I為系統參考母線電壓和電流，ψ為母線電壓與電流間的相位差。當發電機的電勢Eq和受端電壓V均恒定時，傳輸功率P是角度δ的正弦函數，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，因此稱δ為“功率角”或“功角”。
2.2 功角的測量
對于隱極發電機和凸極發電機，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的計算公式為
式中，Xq∑=Xq+XTL，其中Xq為發機橫軸電抗。對于確定的系統，Xd∑和Xq∑均為常數，因此在用計算機測量時，只需測出系統母線處的電壓V、電流I及功率因數角，便可由(2)式和(3)式算出功角。此外，描述電力系統受到大干擾后的機電暫態過程是一組非線性微分方程式，不能進行線性化，所以一般采用數值積分法(如歐拉法、龍格-庫塔法、隱式積分法)的時域分析方法，將計算結果是繪制成運行參數(如功角)對時間的曲線，用以判別電力系統暫態穩定性。上述的計算及曲線緩制都是基于電力系統交流信號的精確采集才能實現的。
本數據采集卡就是通過交流采樣將3相電壓、電流分別經6路通道采集到計算機進行處理，即對于交流信號不經過電量變換器，直接將互感器(PT/CT)二次測的電壓電流再經一級高精度PT、CT轉換為計算機可測量的小信號(本數據采集卡為-2.5V～+2.5V)，然后經A/D變換后送入計算機進行處理，計算出電壓電流有效值及功率因數角等電氣參數并進而得到功角值及其隨時間變化的情況，提供給電力調度監控中心進行電力系統穩定性的監控。
3 采集卡硬件設計
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。從現場PT、CT過來的電壓及電流經隔離互感器隔離變換后輸入數據采集卡，然后經過二階濾波器至A/D轉換器前置通道。單片機通過GPS接口和雙口RAM取得精確的秒脈沖和相應時間(年、月、日、時、分、秒)并實現對信號的同步采集，轉換后得到的數字量再由另外一個雙口RAM和PCI接口送往上位機進行處理。系統的結構框圖如圖3所示。
本采集卡采用Cygnal公司的C8051F021型單片機，該系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(System On Chip)，具有與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內核;峰值速度可達25MI/S;在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件(包括可編程增益放大器PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、UART、定時器、可編程計數器/定時器陣列PCA等)。其指令周期為83ns(3.3V,12MHz);具有大容量的可在系統(ISP)和在應用(IAP)編程的FLASH存儲器;支持符合IEEE 1194.1標準的JTAG調試和邊界掃描，可進行非侵入式、全速的在系統調試。由于C8051F型單片機與其他8位單片機和比具有更為優異的性能，所以一面世就成為很多測控系統設計的首選機型。
ADC轉換器采用片內12位、100ks/s的ADC，每次轉換僅需10μs，完全滿足系統對實時性和快速性的要求。F021型單片機ADC有8個外部輸入，基準電壓可由內部或外部提供(2.5V)，可編程為單端輸入或差分輸入且帶可編程放大器增益，本采集卡使用6路單端輸入以完成對3相電壓、電流的同步采集。因為ADC采用單端輸入時只能對0～2.5V的信號進行AD轉換，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，該信號現經片內可編程增益入大器衰減為0V～2.5V，進而完成A/D轉換。采集時通過采集程序發出采樣保持命令使采樣/保持器保持采集瞬間的值，采集的瞬時信號經過模擬通道開關選擇進入衰減電路，再經過A/D轉換器轉換成12位并行數據輸出到雙口RAM供上位機讀入處理。
雙口RAM采用的是32k、8位高速IDT7007S，單片機和上位機可分別從雙口RAM兩邊同時進行讀寫操作(但不可同時對同一地址單元寫數據)，且該雙口RAM的存取操作時間最長僅需55ns，因此，通過雙口RAM極大地提高了單片機與上位機交換數據的速度，從而為該數據采集卡在電力系統測控領域中的應用提供了保證。
PCI接口主要由PCI接口CH365完成。CH365是一個連接PCI總線的通用接口電路，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM及中斷。本采集卡主要使用CH365的存儲器映射功能，將32位高速PCI總線轉換為8位數據、16位地址主動并行接口。CH365可以通過雙端口存儲器與外部的單片機或者DSP交換數據，然后將數據傳送到上位機做進一步處理。如果將CH365的讀寫選通脈沖的寬度設定為30ns，并且使用雙字為單位進行數據交換，則數據傳輸的實測速度可以達到每秒7M字節。PCI總線與其他主流總線相比，速度更快、實時性更好、可控性更佳，所以CH365特別適用于高速實時I/O控制卡、通訊接口卡和數據采集卡等。
除了上述有關數據采集處理的速度、精度、實時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，在設計中采用了GARMIN公司的GPS接收板(GPS Receiver Board)GPS15L,通過衛星精密授時功能，由衛星提供的精確秒脈沖實現異地同步采集。該接收板最少接收11顆衛星的信號，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間信號：一是秒脈沖1PPS，其與協調世界時UTC(國際標準時間)的同步誤差不超過1μs;二是經串行口輸出的與1PPS脈沖前沿對應的標準時間碼(年、月、日、時、分、秒)，即1PPS的“時間標記”。電力系統內部的各個送端和受端的分布廣泛分散，基順各端安裝一臺GPS接收機，則GPS的全球性和高精度就能保證各地時間信號與UTC的相對誤差都不超過1μs。這種全球范圍內的高精度時間同步在電力系統檢測和測量中有極高的利用價值。本數據采集卡就是通過GPS接收板提供的秒脈沖和其時間標記來進行異地同步數據采集的，實踐證明其效果是理想的。
4 采集卡軟件設計
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、與上位機通信的PCI接口程序及數據采集和處理程序。軟件流程圖如圖4所示。
采集卡可通過雙口RAM與上位機通信以改變采樣點數、采樣頻率，將一個工頻周期等分成40～256個點進行采樣，然后對采樣點進行數值轉換處理并發送上位機進一步處理，如電壓、電流及功角的幅值、曲線顯示監視及進而在系統發生故障時及時作出相應的控制措施。[next]
本采集卡的特點如下：
·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轉換的影響。C8051F021屬于高速混合信號機型，在12MHz的外部晶振下，其時鐘周期為83ns，因此采樣頻率大范圍可調。可廣泛應用于各種采樣速率要求較高的交流采樣測控裝置。
·可同時輸入8路單輸入或4路差分輸入PT/CT信號，進行高精度、高速度采樣。
·采用片內12位分辨率、100ks/s轉換速度的逐次逼近式A/D轉換器和外圍濾波采樣保持電路，能進行快速模/數轉換。
·通過接收GPS的秒脈沖和時標，可以保證異地信號的同步采集。
·雙口RAM和專用PCI接口使得上下位機的通信和交換數據更加快捷。
5 結束語
實踐證明，采用C8051F021型單片機實現的采集系統不僅能夠滿足電力系統測控裝置的需求，還具有較好的性價比，非常適用于各種電壓等級的輸電系統測控裝置和儀器儀表的測量部分。