文献翻译译文-基于Web的分布式电能质量评估测量系统.doc
变电站无功控制装置设计（原理图+说明书+开题报告+翻译）
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基于 分布式电能质量评估测量系统 摘 要 工业 系统 已经 几乎完全转向复杂的电子设备 时代 。电能质量 (析对经济 十分重要，因为各种电气设备对电能质量的变化十分敏感。 工业过程的控制和 监测主要 集中在电气保护 ，而很少集中在电能质量上。现在先进的测量和通信系统使安装基于网络的电能监测系统成为现实。从某种意义上说，本文提出了一种创新的低成本测量系统，本文还研究了 分布式电能质量测量系统 存在的挑战和发展趋势。 关键字 ： 分布式系统；电能质量；智能传感器。 1 简介 随着越来越多的电子设备进入工业和商业领域，电能质 量和电能质量测量装置越来越受到用户的关注，其中，电能质量主要由两方面表征： (1)电能质量的技术术语包括：供电可靠性和电压质量，其中供电可靠性表征持续稳定供电的能力，电压质量表征电压电平的变化和抗扰能力。 (2)相关的商业服务规范（如与电网延迟连接等）以及电能零售商业服务客户的规范。 当发生持续中断，电压下降到 0V 超过 1 分钟，这个问题是每个用户都遇到过的问题，也是电网 供电中 常见的现象。 系统平均中断频率 、 客户平均中断持续时间 ，这些指标并不能表征电能质量。 要根据理想正弦电源的电压、电流的电磁偏差来评估电压质量 和电源干扰。电压质量的干扰因素主要源于对设备操作，其可能导致的结果有： 电压瞬变 、电压跌落、电压骤升、浪涌。一些常用的术语可以从文献 2中找到。供电系统中电能质量的好坏存在很大差别，并且取决于多方面的因素。例如照明、工厂投切大容量负荷或者非线性负荷、由于动物、树枝、车辆或人为因素导致的相间短路或接地短路，这些都会影响供电质量。一些电力供应商在建设时遵守参考文献 3的标准进行电力设施建设。 在所有类别的干扰中，电压跌落和瞬时供电中断是自动化工业生产中最常见的干扰4。 电压 跌落 通常定义为实际电压 跌落 超过额定 电压的 10%并且持续 周期。此外，电压骤升（电压骤升不那么常见）通常不会破坏敏感负载，但会对设备造成损害。瞬时电压中断通常是指实际电压下降为额定电压 10时间为 周期。自然因素（例如大树倒塌压倒输电线路或者雷击等）、负荷变化（例如线路投切或者人为失误）、电力活动（如电动机的启动），这些都可能导致电压跌落。在输电线路中，电压跌落的种类根据输电线路在输电网络中位置的不同而不同 5。由于这些短暂的过程，普通用户很少会觉察到这些电压质量变化过程。然而，对于大多数工业用户，造 成停电的另一个显著原因是大规模整体频率偏移，由于这个原因可能导致停电时间长达数小时6。研究发现 85%的供电中断的原因是电压质量达不到要求，而电压骤降是电压质量达不到要求的主要原因。 另一些主要问题与线路电压无关（特别是长时间电压骤降），包括设备跳闸、停转、过载，如果敏感设备对电压要求较高，在供电过程中发生波动，如果电网没有足够的能力抵抗波动，则敏感设备将停运。这些因素随后将导致供电效率降低，更高的电力需求，更高的花销，控制电路受到电磁干扰，电缆和设备过热，并且增加设备受损的几率。线路电压调整仍然是提高工 业生产力的内在要求。调整线路电压的方法有几种，这些方法被广泛应用于市场中。其中最常用的是不间断供电系统 (近年来，例如基于电力电子技术的定制电源设备的新技术得到不断发展，这给提高电能质量提供了一套解决方案 7。然而阻碍提高电能质量的障碍是电力参数的实时监测和存储 8。 准规定了电力参数测量的方法并规定了与电压质量相关的参数的测量方法。根据精度的不同规定测量装置的等级。当对测量精度要求严格时，则必须使用 A 类测量仪器。例如，合同中的应用，验证符合标准，解决纠纷，等等。 B 类 测量仪器被用来确定统计值和调节 /纠正错误。因为电源扰动的发生是高度不可预知的，所以需要一个适当的监测系统，这个检测系统能够连续不间断的检测电能质量参数的变化。 先进的电能质量测量仪器的特性和趋势可以从参考文献 11查到。最近几年，提出了一些实验解决方案。在 14的系统中，该系统使用了标准 P 技术构建了低压供电网络，这一网络可以看成大型供电网络的简化模型。和以往类似，硬件系统由多台 构成，每台 通过电压变送器连接到一个电力系统，并且每台 使用 图形化程序设计语言模拟虚拟仪器。此外，现在许多电力公司在高压和中压变电站利用电能质量测量装置来实时监测电能质量 16。在过去十年中电力科学研究院的发展是其中最具有意义的一个里程碑 17。然而目前安装的最广泛的装置是 18。另一方面，许多自动化的工厂目前使用专用的 量设备，但只用于公共耦合点（ 在 件中确定事故责任。 然而，在工厂内，没有任何可提供参考的整合分布式测量 需要一种低成本的装置来连续不间断的监控电力参数。这是必要的，因为很多隐性故障不是 源于诸如操作失误或者不正确的接线设计。虽然所有主要的事件都可以捕获，但是，这样可能会导致过多的非关键的数据的产生。维护人员必须整理这些数据来分析干扰的来源。手动的方法昂贵，耗时，而且容易出错。使用定制软件来分析每个站点的数据，成本非常昂贵而且难以维护，并且其底层扩展也很难。因此，设计一种能够在电能质量测量中具有分析、存储和解释大量数据的系统是相当具有挑战性的。本文介绍了一种基于网络的电能质量测量装置，本装置适用于工业或者商业。 本文结构如下 : 第 2 节 ， 总结设计开发策略 ； 第 3 节 描述传感器的配置 ； 第 4 节讲述测量 的误差；第 5 节说明定时协议的兼容性；在第 6 节中描述了系统的操作；最后，第 7 节得出结论。 2 设计策略 求 基于网络的测量系统作为一种检测仪器，这种检测仪广泛依赖于工厂配电网中低成本传感器（如 ）的安装。这些传感器连续不间断的检测电量的消耗以及记录各种件详细数据， 包括停电，限电，短时持续时间的扰动，电压 跌落 和骤升 。除了这些功能，更先进的功能，例如节能，提高能源利用率，这些功能也应该得到实现。 另外， 也可以从各个厂房 的站点 内收集所有测量的 据 。 从 感器的数据可以识别 件，并确定 其对单个机器的影响。另外，由于 检测器所测量 的数据 是 通过因特网上传 ，我们可以将各个站点测得的数据建立联系，以便确定其中某一个站点测得的数据是否被检测到或者是否对其他站点产生影响。从这些信息中，我们可以确定某一电力事件的起因以及其对公司的影响。 雷击引起的高频脉冲 ，电压调整不足引起的长时间过电压，这两个原因都会影响量。测量装置的精度也会影响测量参数的选择。一般来说，这些传感器用于测量以下参数： 电压，电流，有功功率，视在功率，总无功功率，基本频率的无功功率， 用电量，电费， 功率因数 ，电源电压的总谐波失真（ 九个最重要的谐波电压， 三相电源电压和 频率的不平衡 。电压骤升，骤降和中断。 检测仪可以按秒、分、小时进行检测。最简单的 测仪仅仅检测上述的电力参数，包括电压电流的变化。 可以将 在线和离线分析作为实施方案。 在线分析用于需要得到立即响应和处理的事件（例如电压骤降和中断）的分析。在线数据分析可以在监测仪器内进行，也可以集中在一个中央处理器内进行。为了降低数据容量，将各种电力事件分成三类： 瞬变，中断或电压骤降和骤升 。由于可能会在同一时间内收到多个报警信号，所以必须使用一些自动分类排序电力事件的算法。这可以通过 使用各种不同的标准实现，例如，最大持续时间，最大幅度或能量最大的变化。 以下信息通常包含 于一份 关于离线 析 的 报告中 ： （ 1） 稳态变化统计（电压电平，谐波，不平衡，或闪烁）。 （ 2） 从事故产生的事件统计（骤降，短期中断，骤升，或瞬间）。 （ 3）识别 干扰的可能原因。 （ 4） 电磁兼容性的表征设备和安装的水平。 （ 5） 成本效益和建议维护解决方案。 此外，有必要采取近似的措施，区分局部近似于和全局。因此，系统的开发的 Q 报告兼容： （ 1） 现场报告（如详细介绍了足够质量报告，规划的无 功功率，对于使用各种设备）。 （ 2） 工厂网络报告（如给简单的网站指数所有的测量点，为投资计划和电压骤降等干扰管理，提供关联记录地质事件的能力图形化分散的地方）。 本报告的所有的情况下，随着站点指数的平均化以及事件的记录，会得到不同的测量值和事件记录。 现方法 基于网络的 测量系统的实现分为以下三个步骤。首先，要以一定的采样频率和分辨率获得采样电压。对于每一个事件，采样电压以一定的采样频率（每秒采样的次数）和采样分辨率（表示电压大小位数）获取。 因为大多数的 件低于 5 频率 ，所以许多商业 量仪器采取每个周期 256 个采样点的方法进行采样。在数据存储发生故障时，存储 的数据 能 为工程故障排除 提供 最详细的信息 。 然后，从采样电压计算出事件的特征函数。 这 些 特性包括电压有效值，电流有效值，负序，零序 分量 ，有功和无功功率，谐波失真和 个别 谐波分量 。对于三相电路，三相电压在时间上有不同的特性。 这三个额外特性 是必须的。 已经提出了几种方法来实现这一目标。尽管主要是基于单相测量 10，在 多 通道测量中 ，当需要进一步分析计算单项指标，应该考虑最糟糕的情况。 这将在下面进行分析。 作为补充，持续不间断测量可以开始于一个通道 并结束于另一个通道； 这种方法提出了 跌落特性，也可以扩展到中断和电压骤升中， 这两个过程减少过度计数 ， 是一种 相聚合 技术。 最后，该方法从事件和变化特征计算单指标。关键的一点是分析所需的时间检索数据。然后， 据可以被重新计算并打包放入目录中，这样 据就可以重新收集并通过 行存储。 这包括电压骤降和骤升的幅度，持续时间的表，瞬变表， 这些表包含最大电压幅值，瞬态时间，瞬态频率， 或用户指定的大小持续时间曲线 19。 另外，它可以提供各种最小，平均，最大值，标准偏差，计数的统计分析， 这些都是测量谐波 指数所必要的。在离线系统中， 单指数给用户准确的诊断 。 总 件的汇总是每一个单一事件数据测量的汇总，这是标记计算的目的。总事件收集相关的测量数据（幅度，持续时间，等），总事件与故障相关联。 许多设备、工艺或者误操作都会导致电压下降。因为这个过程不会重新启动，所以保护电路不会导致误操作。鉴于一个电力系统发生的多次事件可能会降低供电质量。因此，一个聚集期应选择和时间序列相关的保护方案。可以任意选择时间的长度， 1366 中规定的时间为 5 分钟，考虑到电压骤降会影响工业负荷，一些公司采用 15 分钟或者 30 分钟。然而 1 分被认为是最短的时间。 空间聚集是用来减少有效值的测量变化，多个设备的时间汇总测量与单个仪器的结合。这种类型的聚集将会在单一变电站的有效值计算中产生影响。 3 感器配置 传感器可分为电气，机械，热，辐射，光，磁，化学 /生物化学传感器。根据传感器的大小可以将传感器分为微型传感器和一般传感器。传感器的分类是灵活的。 功率测量中 ，传感器输出可以是电压 信号 或电流信号 ，这是传统的模拟传感器。通过一个传输通道可以将这些模拟信号送到中央控制模块进行处理。随后出现了数字传感器，这些数字传感器可以 读取模拟信号并将模拟信号转换成数字信号。在线监测是工业发展的一个新趋势。虽然数字传感器可以实现网络互连，但是，数字传感器同样会给中央处理器带来额外的负担，例如数据处理负担，网络负担。因此数字传感器和模拟传感器都被称为“迟钝的”传感器，这是因为这两种传感器都不具备数据处理能力。智能传感器能和人类的智慧相比。这意味着这种传感器可以提供原始的数据。这种传感器应该叫做“智能”传感器而不是“聪明”传感器。智能传感器由三个部分组成： 通信，数据采集和传感器 。现在已经可以在一块芯片上集成上述的三个功能 20。 相较于 传统 传 感器，智能传感器有自己的 大脑 ， 智能传感器可以做出自己的决定。智能传感器通常输出数字信号，这些数字信号可以被 嵌入式微处理器内核 处理。 传感器的数目，电源，通信节点，该通信能力（单向，双向，不间断的或 间断的 ） 这些因素都会影响智能传感器的价格。然而，目前大多数智能传感器通常都有一个用户界面，有独立的专有网络，例如 总线或线 网络 。由于历史原因，这些现场总线协议彼此之间不兼容，但都与以太网兼容。 近些年互联网的使用程指数增长。这也使得使用互联网产品成为一种趋势， 这一趋势的发展。通过公用网络，互联网提供实时数据通信功能。它是基于标准的 务应用程序，可以简单地集成到 其他 务的应用程序和基础设施。近十年来，互联网几乎无所不在，图 2 展示的传感器可作为嵌入式 务器。其基本功能是采集各个站点的数据。这些数据可以直接通过网络浏览器、客户端访问，并且可以将数据通过 据格式导入到其他系统中。这样就可以通过局域网轻松的访问数据。 本文提出了一种基于 率测量芯片的分布式智能电力参数测量系统，该系统具有测量精度高，带有串口通讯功能，带 有 二阶 数转换器 ， 基准电路，温度传感器， 能 。 一个高度稳定的振荡器被集成到 系统中以用来提供时序脉冲 。 该系统能够测量包括增益，相位和偏移等参数。 片包含了波形采样寄存器和能够保持 5 秒的有功功率寄存器。 率测量仪表包括以下几个模块： 量模块，微控制器模块（ 及通信模块。 于在断电时存储测量数据。本文开发的 B 类版本能够测量的参数有：电压骤降，电压骤升，过流次数以及停电次数， 最大和最小频率 ，相位等 。如图 1 所示，微控制器和的通信通过串口（ 实现。通过 口可以访问 所有寄存器，并且用户可以通过串口来矫正 括 增益，偏移和相位误差 等。 这种测量 集成了一个检测电路 ，通过这一电路可以检测短路持续时间和电压的高低变化。外部 口可以为 片与嵌入式 务器提供通信。该模块是一个设计用于连接工业设备的独立的网络服务器，使用以太网网络的 议。 它包含一个以太网服务器和 85/422 接口。标准功能包括： （ 1）使 用标准的 览器（ 议）或 序以实现网络连接。 （ 2） 通过 85/422 串行端口 实现 连接。 （ 3） 85/422 串行接口来 在使用 P 协议的服务器传输数据 。 （ 4） 使用标准的主页或使用自定义网页特殊的小程序 图 感器框图 图 型开发板 4 测量误差 这一部分将会提及最重要的的测量误差，主要涉及 路测量误差，这将是功率测量仪表 23研究的重点，也是构成功率测量系统的基础。以下提出了一些公式。 输 出频率的误差用 示公式如下： 1F (1) 其中参数 23中被提及。这一计算结果是用于调整 部寄存器产生的误差。 相位误差 可以 通过公式 （ 2） 计算 得 ，它参考 噪声短期误差的变化。 )3 (2) 其中用于测量的功率的相误差 的公式是： a l c u l a t e d a l c u l a t e e a s u r e d P (3) 公式（ 2）用于校准。 直流误差在 产生，通过使用 23中的方法可以补偿 直流误差。 电流互感器是最常用的电流测量传感器，电流互感器有良好的隔离作用，与设备相结合的电流相位线 23;在畸变的条件下认为有 非线性误差。 通道之间的匹配是电能参数测量的关键。在 功率因素以及每相 相位误差，将会在电力参数测量中产生 误差。因此任何信道之间的匹配失衡将会导致测量时误差过大，所以校准时必须的。 与 关的其他测量误差可以查阅 23文献。 5 定时协议的比较和连接 简要的对 588 协议， 议和 451 协议 进行对比。相对于其他专业领域的技术，分布式电力测量系统对时序的要求则没有那么严格。分布式系统在计算机领域使用的同步技术包括使用含有同步时钟的系统组件，这些组件在系统中相互同步，因此又称之为网络时间协议 (者 (现行时钟系统符合 588 规范，如 24. （ 1）定时精度往往以亚微秒计算。 （ 2）该技术在一定范围内可用，例如以太网和其他一些工业自动化行业。 （ 3）缩小管理是非常可取的。 （ 4）该技术可以降低成本，降低终端设备的使用量，减少对网路和计算机资源的占用。 为了提供精准的时间 ，我们完成了 50 次测量。平均结果是 显然是考虑到 588 属于独立于测量系统。 该系统符合 准，这一标准定义一个 议，规定了媒体访问控制子层 (物理层规范 25。 智能传感器接口标准 451 使智能设备与互联网设备之间的互联变得更加简单26。本文提出的系统与 451 这一标准兼容。 6 系统操作 感器 中央控制系统的结构图如图 3 所示， 每个用户都可以注册和配置的传感器，调节 传感器 灵敏度，并指定 和 部署 传感器 的 位置 以及 电子邮件通知地址。 图 统显示来自站点信息网页 网站还提供了一些方法，以查看单个或汇总监视器的数据。客户端软件通过趋势图、表格或者电压记录的方式显示分析结果。这些是站点采集一定周期的数据后获得 计信息一种非常常见的工具。这些信息给工厂用电电能质量的好坏提供了依据 5。这种图被称为持续幅值散点图。它源于信息技术产业协会（ 线转换信息，原名计算机商业设备制造商协会（ 线。曲线规定幅度和输入持续时间的范围，这样输入电压的变化不影响电子设备的可靠性。此外，当所有用户都在 同一个局域网上，静告可以生成并在服务器上发布。对于实时或近实时的数据监测，用户必须需要立即访问的数据，并进行分析诊断。 以自动生成报表并通过邮件将报表“推送”给用户。当用户对每日的数据报表有需求时，这种方法十分有用。像往常一样当数百个测量点分布在工厂网络时，必须用一些规范来将这些信息组织起来。 文件格式数据交换必须足够灵活，以包含不同类型的扰动。最常用的格式是准。 能质量数据交换格式（ 供了一个紧凑的，灵活的，可扩展的，中立的平台来交换这些不 同的 器和软件之间测量数据。 被优化的以最小化存储和传送时间的二进制格式。然而，数据操作的便捷性比数据的大小更重要，因此人们提出另一种更容易解析的数据格式 件由 言构成。 最后，在一个企业系统，嵌入式系统网关可以用于将数据推至一个用密码保护的网站。这允许多个不同局域网的用户访问这些数据。 据排序 事件数据包括事件的持续时间，事件类型，开始时间，结束时间，平均值，以及最小或最大值。事件数据也包含事件的方向，事件方向即事件源的相对位置。事件趋势结果的诊断分为小 时曲线，周曲线，月曲线。此外，用户可以找到在一天，一周，一个月时间段对应的 件。以时间图的形式显示的事件数量累积图 ,总结诊断某时期发生的事件序列。这些是站点采集一定周期的数据后获得 计信息一种非常常见的工具。要确定事件的确切位置，系统还要求电力系统拓扑数据。对于事件的定位算法，用户应建立精确的网络拓扑结构。从这些单一指标得到的组合设施供电质量优劣的信息 5。 图 一年中 线 位置检测异常 图 4 代表标准的图表 ; 它展示在监视时段期间有效值的变化，这种图也被称为幅度 是从 换信息（信息技术工业协会）曲线 27转换而来的，该曲线就是原 算机商业设备制造商协会）曲线。该曲线被认为是计算机硬件的典型设计。曲线规定不影响电子设备的可靠性的连续电压输入幅值。可以看到，稳态误差在标称电压的 10%以内。在此范围内，设备将运行正常。对于较短的时间事件公差会扩大。例如，电压下降至标称的 70可以允许长达 ，而电压骤升可以允许达到标称的120。这种敏感曲线仅适用于 备 ; 对于大多数设备 3 并不具有完全不同的灵敏度特性。 线是专门在 60120 伏配电系统中使用。 该规定在欧洲的 50 30 V 配电系统中用于判断电能质量优劣 10。将这条曲线作为参考。研究表明，一个普通的站点每个月约有 45 次电压骤降和五次瞬间中断。 密度表是一种呈现电压骤降的常见方法。以下推荐的 准，和 个表给出了在给定范围的大小与给定的时间范围的电压骤降（平均）值。得到累积电压表的值的可以表示为一个用 2示的累计角频率、幅度和持续时间。中间函数用插值算法计算。电压骤降的等高线图对应于图 5 图 6 所示 ,与轮廓表示下降频率等于 5、 10、 50、 100 和每年 200 个事件。 设备的灵敏度（电源）向电压骤降通常用幅度和电压骤降持续时间表示。因此提出“矩形电压耐受曲线”。这条曲线表明，如果电压跌落时间超过指定时间或者电压幅度骤降太多将导致故障。从一个设备可以获得电压与设备直接相关的对应的等值线图的信息。因此，在这种情况下，如果电源能承受的电压骤降下降到 37，持续时间达 20 毫秒，设备将每年跳闸 53 次。 像往常一样 ,当数以万计有时数以百计的措施 共存表示状态 在工厂的分销网络必须规范的结构中包含的数据这些测量。 电管理 电力中断可能会导致重大的经济损失。工厂停电管理系统（ 以给工厂的工程师提供一种更好的响应中断供电和恢复供电工具。 主要功能包括识别中断的位置和快速恢复供电中断。在许多停电管理系统，故障电话被作为信息的主要来源。然而从故障的呼叫获取信息来源并不完全可靠。最近的一篇论文 28引入了停电定位算法，结合分布式 统开发重述信息提高了可靠性。该算法由两部分组成：确定停电影响节点和中断位置总数。配电系统建模是一个代表 感器的叶结构的分支树，该业结构与 护装置连接 。 物理结构分布的径向网络总是有一个拓扑树。在径向系统，该系统在单个组件中的故障将影响所有的“下游节点”点。根节点代表 节点为传感器。由于这种拓扑结构的节点可以有任意的子节点，这些网络必须实现一个多树模型结构。该算法可使用 停电范围分析分布系统。因此，在开发的算法时，每个节点应具有以下信息：节点标识符，节点状态（如果有或没有反应），指针父节点和动态矢量的指针的子节点。最后的两个结构允许构造多树的拓扑结构。该程序所需要的输入数据是在一个从文本输入数据表的绘制文件。使用此表输入数据的主要优点是修改 简单。在第一列表包含节点标识符。第二列包含父叶节点标识符和最后一列子节点数。该算法被广泛使用，特别是用于链表数据结构的实现。在确定故障位置的算法中，部分使用了递归的原理。该算法可以分为三个主要部分。第一，形成随着输入数据的分布网络。第二，通过传感器找到干扰节点，并且通过一个称为“干扰节点”的列表找到这些节点。最后，停电影响节点被分组和升级来找到实际中断的位置（“故障原因”表）。停电位置确定并且供电恢复后，确定工厂所有设备都得到供电是十分必要的。最后，在一个企业系统，嵌入式网关可用密码保护的网站。这允许用户在 不在同一局域网的多个位置的人访问这些报表。 图 计倾角频率 图 压跌落，等值线图 7 结论 电力测量是一个复杂的领域，覆盖了十几个地区。目前 ,大多数高耗能设施受损一定程度上是由于电能质量差，而大多数变电站已经采取了一些措施。然而 ,没有单一的解决方案。常见的电压事件，不仅会导致停止生产，还会影响高度集成、高度自动化设备的性能。在每次电压事件，设备必须重新启动，并在某些情况下，要重新编程或修复后才能再次恢复生产。传统的控制和监控主要集中在电力网络的保护上，却很少把注意力集中在电能质量上。 现在 在市场有几种类型的商业工具可用于电能质量监测。 然而，尽管这些设备呈现良好的性能特点，他们通常都非常昂贵。本文介绍的开发的系统对电源管理和电能质量监测是非常有用的，适用于工业或商业，并且可以降低成本。在信息领域，其中一个最流行的和通用的技术是万维网技术（网络技术），万维网技术在全球被广泛使用。计量技术和通信系统的进步，使得基于网络的各类传感器的到飞速发展，电力测量也称谓一个非常重要的领域。 本文介绍的传感器比传统的 视器便宜（每套装置 600 500,传统的 视器每套）。更重要的 是， 每个系统节点的成本的降低
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