箱式变电站智能控制器的研究和设计-自动化控制硕士论文

学校代码： ! ! 1 2 8 鱼 分类弓： 工至3 密级： 公五 uDC ： 鱼21 ：三 学学：Q 8 2 1 5 Q 隶劫大莹 工程硕士学位论文 箱式变电站智能控制器的研究和设计 ( 学位论文形式：应用研究) 研究生姓名： 导师姓名： 申请学位类别工猩亟 学位授予单位塞亩太堂 工程领域名称控制王捏论文答辩日期至Q ! 圣生Q 】且】墨旦 研究方向自动丝控制学位授予日期2 Q玺 且旦 答辩委员会主席 谷趑连高王 评阅人陵窆控教授 2 0 1 3年0 1 月15 日 R e s e a r c hA n d D e s i g nO fI n t e l l i g e n c eC o n t r o l l e rI nB o x - T y p eS u b s t a t i o n AT h e s i sS u b m i t t e dt o S o u t h e a s tU n i v e r s i t y F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g B Y N a m eo f H UL i n g S u p e r v i s e d b u p e r v l s e Ob v D V P r o f e s s o rZ H O UX i n gp e n g S c h o o lo f A u t o m a t i o n S o u t h e a s tU n i v e r s i t y J a n2 0 1 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：避 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名巡导师签名：期：州， 摘要 摘要 目前，我国正在不断发展城市建设。传统的牵引式变电站作为供电系统的核心，已经越 来越不能符合城市建设和发展的需要。占地面积大，投入成本高，已经成为它的主要缺点。 智能型箱式变电站应运而生，它不仅没有上述缺点，而且还能通过智能装置控制供电，反馈 信号，真正实现现场无人操作。 本论文从传统箱变的缺点入手，通过对智能箱变的特点分析，设计出一种集箱变所有二 次设备功能为一体的智能综合测控装置，即R T U 装置。该装置通过与远程主站连接，实现四 遥功能，即遥控、遥调、遥信、遥测。通过四遥功能，装置很方便的将现场数据传送到远方 控制中心，同时远方控制中心也可以发出指令控制现场设备。 本论文的研究设计工作主要分为六大部分，分别是叙述箱变在目前发展现状，指出智能 箱变的必要性。分析箱变的综合自动化的各种功能和参数，强调箱变的智能化特点。介绍数 据采集原理和检定方法，以保证智能箱式变电站能完成与远方控制中心之间的数据传输。分 析智能控制器的硬件设计，主要针对基础模块进行硬件分析。分析智能控制器的软件设计， 主要针对层次结构进行分析。叙述智能控制器的硬件实现和用户界面。 关键词：智能控制器箱变四遥功能 A b s t r a c t A b s t r a c t A tp r e s e n t t h eu r b a nc o n s t r u c t i o ni Sd e v e l o p i n gi nC h i n a T h et r a d i t i o n a lt r a c t i o nt y p es u b s t a t i o na st h ec o r e o ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mh a sb e c o m eu n a b l et om e e tt h en e e d so ft h eu r b a nc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n t T h e m a i nd r a w b a c k sa r el a r g ea r e a sa n dh i g hi n p u tc o s t s T h ei n t e l l i g e n tb o x t y p es u b s t a t i o nn o to n l yh a s n t s u c h s h o r t c o m i n g s ，b u ta l s oc o n t r o l sp o w e rs u p p l ya n dt h ef e e d b a c ks i g n a l sb yi n t e l l i g e n c ed e v i c e A tt h es a m et i m e i t C a nr e a l i z et h eu n a t t e n d e do p e r a t i o no ns i t e I ts t a r t sf r o mt h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ls u b s t a t i o n B ya n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n t e l l i g e n c eb o x t y p es u b s t a t i o n ，i td e s i g n sac o n t r o l l e r , w h i c hh a sa l ls e c o n d a r yd e v i c e s f u n c t i o n s T h i s i st h e R T Ud e v i c e T h ed e v i c ei sc o n n e c t e dt oar e m o t em a s t e rs t a t i o na n di tc a nr e a l i z ef o u rr e m o t ef u n c t i o n s T h e ya r e r e m o t ec o n t r o l ，r e m o t ea d j u s t m e n t ，r e m o t et e l e m e t r ya n dr e m o t em e a s u r e B yt h e s eo u rr e m o t ef u n c t i o n s ，t h e d e v i c eC a ns e n df i e l dd a t at ot h er e m o t ec o n t r o lc e n t e rc o n v e n i e n t l y ，a n dt h er e m o t ec o n t r o lc e n t e rC a na l s os e n d c o m m a n d st oc o n t r o lf i e l de q u i p m e n t s T h e r ea r es i xp a r t si nt h i st h e s i s I td e s c r i b e sd e v e l o p m e n ts t a t u so fb o x t y p es u b s t a t i o n ，a n dp o m t so u tt h e i m p o r t a n c eo ft h ei n t e l l i g e n c eb o x t y p es u b s t a t i o n I ta n a l y s e se v e r yf u n c t i o n sa n dp a r a m e t e r s o fb o x - t y p e s u b s t a t i o na n di te m p h a s i z e st h ei n t e l l i g e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o x - t y p es u b s t a t i o n I ti n t r o d u c e st h ed a t a a c q u i s i t i o np r i n c i p l ea n dt e s tm e t h o d T h e yC a ne n s u r et h a tt h ei n t e l l i g e n tb o x - t y p es u b s t a t i o nc a nc o m p l e t et h e d a t at r a n s m i s s i o nf r o mf i e l dt or e m o t ec o n t r o lc e n t e r I ta n a l y s e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r ，a n dm a i n l ya n a l y s e st h eb a s i cm o d u l e s I ta n a l y s e st h es o f t w a r ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r ，a n d m a i n l ya n a l y s e st h el a y e r e dc o n s t r u c t i o n s I td e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n du s e ri n t e r f a c e s I I F o u rr e m o t ef u n c t i o n s 目录 目录 摘要 A B S T R A C T 目录 第一章绪论 1 I 课题的研究背景与现状 1 2 课题的研究目的和意义 1 3 课题研究的内容 1 4 本论文的主要工作一 1 5 本章小结 第二章箱式变电站综合自动化功能和设计方案 2 1 箱式变电站的功能 2 2 箱变的设计方案一 2 2 1 箱变所处的环境条件一 2 2 2 箱体的材料及五防特性 2 2 3 箱变的结构和组合 2 2 4 箱变的散热 2 2 5 元器件选型 2 3 本章小结 第三章交流采样原理 3 1 采样概述 3 2 交流采样法 3 2 1 硬件同步采样 3 2 2 软件同步采样 3 2 3 准同步采样 3 3 微机交流采样算法原理和误差分析一 3 4 采样频率对测量误差的影响 3 5 软件运算误差分析 3 6 本章小结 第四章系统的硬件设计 4 1 硬件总体结构 4 2 测量模块设计 4 2 1 电流电压电路 4 2 2 光电隔离电路 I I I u U o 卫 卫 4 巧 巧 固 固 固 固 加 屹 掩 坫 嵋 垢 垢 m 埔 ” 均 加 扒 挖 毖 毖 毖 孔 I 一 一 一 一 一 一 一 目录 4 2 3 采样保持电路 4 3 主控模块 4 4 操作显示模块 4 5 复位电路 4 6 实时时钟模块 4 7 内部总线通信模块 4 8 开关量输入输出模块 4 8 1 开关量输入电路 4 8 2 开关量输出电路 4 9 本章小结 第五章系统的软件设计 5 1 系统软件设计整体图 5 2 各程序模块 5 2 1 主控模块 5 2 2 测量模块 5 2 3 显示模块 5 2 4 开关量控制模块 5 2 5 通信模块 5 3 本章小结 第六章硬件实现和用户界面 6 1 智能箱变控制器硬件 6 1 1 数字量的输入 6 1 2 数字量的输出 6 1 3 模拟量的输入 6 i 4C A N 总线的连接 6 1 5 串口通信的连接 6 1 6L C D 接口 6 2 智能箱变控制器用户界面 6 3 本章小结 第七章结论和展望 7 1 结论 7 1 1 本论文的主要工作 7 1 2 智能箱变控制器设计中的心得与体会 7 2 展望 历 掮 卯 勰 四 钉 趴 眩 驼 弘 踮 翡 踮 盯 盯 鹋 鹋 们 必 蛎 蛎 蛎 镐 目录 致谢 参考文献 作者在学期间已完成的论文 V 4 7 4 8 5 0 第一章绪论 1 1 课题的研究背景与现状 第一章绪论 箱式变电站是一种高压开关柜、变压器柜和低压配电柜，功率补偿装置，按 一定接线方式排列成一体的配电设备。箱变也是一种能够深入负荷中心，作为受 电和配电的新型成套设备，它取代了传统牵引式变电站，现主要应用在3 5 k V 和 l O k V 配电系统中。箱变的工作过程主要是电能由高压线路进入箱变系统，经高 压开关后由变压器降压，再经低压配电系统输出到用电设备。目前，箱式变压器 主要有“目”字型和“品”字型两种结构，当高压室、低压室、变压器室三部分 独立分开时，采用“目”字型结构，当低压回路较多，高压开关与变压器连接在 油介质中，采用“品”字型结构。 与传统变电站相比，箱式变电站具有以下特点： ( 1 ) 投资少，占地面积小。由于箱变不需要建房，高低压，变压器等设备 均布置在一个具有五防功能，即防火、防盗、防尘、防锈、防鼠的全封闭可移动 的箱体内。这样既可以减少土建工程量，同时占地面积也会相应减少。从而既节 省了人力，又节省了财力。 ( 2 ) 安装方便。在箱变送到现场之前，所有的元器件安装调试工作都已经 完成。当箱变到达现场后，只需将箱变安置在预先挖好的土建上即可。整个过程 只需很短时间，大大缩短了箱变的现场安装时间，使箱变能够在最短的时间内投 入运行。 ( 3 ) 运行可靠。由于箱式变电站的结构采用了一些特殊处理，并做了一系 列型式试验，使得箱变具有防尘、防锈、防盗、防火、防鼠等特点，即使是在日 晒雨淋、风沙漫天的恶劣气候下，设备依旧能保持正常运行。同时，箱变内部还 安装了温湿度控制器，随时对内部的温度湿度进行检测控制，保障内部元器件安 全运行。 ( 4 ) 通用互换性强。由于箱式变电站的高低压方案齐全，高低压线路方案 可任意搭配，高低压设备及元件可选用各种品牌产品，变压器可选用干式或油浸 式变压器，因此箱变具有强通用性和互换性。 ( 5 ) 进出线电缆灵活。高压线路引入采用电缆或者架空线，低压线路引出 采用电缆，引入，引出电缆可直埋或沟道敷设至高压电源及用户，也可引至电线 杆上。 传统的箱式变电站的二次设备一般包括无功补偿装置，温湿度控制器，计量 装置，通信装置等。这些装置的生产厂家各不相同，具备各自的结构特征和电气 特性，并且装置之间也是相互独立的。这就给传统箱变带来了许多问题。首先， 东南大学工程硕士学位论文 接线繁琐，由于不同装置可能采用同一输入信号，这就增加了接线的复杂性，使 得信号利用率降低。其次，空间浪费，由于这些设备的结构设计缺乏综合考虑， 不同设备组合在一起，相对于单一装置来说，空间就大了很多。再次，装置故障 诊断难，由于各个设备之间都是相互独立的，因此，远动通信装置无法获得其他 装置的运行情况，无法及时向远方发送故障报告。并且装置之间的电磁兼容性能 差，各种装置组装在一次，而未充分考虑到元器件之间的电磁兼容情况，使得装 置的测量精度和动作的可靠性下降。最后，装置维护也很困难，因为是各个厂家 的产品，在产品替换上，需要到各个厂家那里购买相应产品，非常繁杂。 1 2 课题的研究目的和意义 随着科技的发展，计算机技术的不断提高，电网的电压等级和复杂程度也在 不断提高，对于电力运行的安全性，可靠性，连续性的要求也越来越高。因此， 需要不断提高电力系统智能化程度来满足对于电力传输的一系列要求。箱式变电 站作为电力系统传输的末端，它的智能化发展显得尤为重要。箱式变电站的智能 化系统，要求将箱变的保护、测量、监控、远动等融为一体，尽而实现数据共享， 资源共享，以求大幅度提高其智能化效果。箱式变电站的智能化系统主要依靠箱 变的智能控制器R T U ，即远程终端装置的四遥功能来实现。四遥功能，即遥测、 遥信、遥控、遥调。R T U 主要完成模拟量输入、数字量输入、脉冲量输入、运算、 远程控制等功能，同时还要向调度端发送数据，接受调度端的命令等功能。 1 3 课题研究的内容 S C A D A 系统( 即数据采集及监控系统) 是电力调度自动化系统的基本组成部 分。S C A D A 系统的基础是远动系统，远动即是利用通信技术进行信息传输，实现 对远方运行设备的监视和控制。远动可以是命令、告警、指示、仪表、保护和跳 闸设备的任意组合，但不包含任何语言信息的使用。远动系统作为电力行业的 专用自动化系统，对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的 负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率方面有着不可替代的作 用。在远动系统中，主要的执行装置是R T U ，作为一种远端测控单元装置，负 责对现场信号进行监测和控制。远程终端装置R T U 是采用微处理器独立运行的 智能测控模块，它是构成S C A D A 系统的核心装置，具有易扩展和易维护的特点。 R T U 通常要具有优良的通讯能力和大的存储容量，适用于更加恶劣的温湿度环境， 提供更多的计算功能。由于R T U 完善的功能，使得R T U 产品在远动系统中得到广 泛的应用。 第一章绪论 R T U 与主站配合可以实现四遥功能：遥测、遥信、遥控和遥调。 ( 1 ) 遥测即远程测量。它是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测 量站来实现远距离测量的技术。遥测信息是R T U 采集到的电力系统运行的实时参 数，如发电机功率，母线电压，系统中的电流，有功负荷和无功负荷，线路电流， 电度量等测量信息。具体是指变压器、母线、馈电线路的电流、电压、有功功 率、无功功率、功率因数等模拟量的采集和处理。 ( 2 ) 遥信即远程信号。它是对诸如告警情况、开关位置或阀门位置等状态 信息的远程监视，将采集到的变电站设备状态信号，按通信规约传送给调度中心。 这些设备状态信号可能是断路器、隔离开关等这些一次元件的开闭位置状态，也 可能是继电保护与自动装置的二次部分的动作状态。 ( 3 ) 遥控即远程命令。它是通过通信媒体对远距离被控对象进行控制的技 术。 从远方控制中心发出命令来控制现场设备。如操作变电站里的断路器，无 功补偿电容器，电抗器等的分合状态或是闭锁状态。因此遥控要有高可靠性。我 们一般采用“返送校核”这种方式来实现遥控指令向现场传送。在遥控过程中， 远方调度中心发送到变电站智能测控装置R T U 的命令有如下三种：选择命令，执 行命令和撤销命令。选择命令包括两部分：一是选择的对象，即用对象码指定对 哪一个对象进行操作，二是操作的性质，用操作码指示是分闸还是合闸。执行命 令则是R T U 按接收到的命令，执行指定的操作。撤销命令，R T U 撤销已下达的命 令。R T U 端返校内容主要有两部分，一、校核遥控命令的准确性，检查性质码是 否正确，遥控对象号是否符合本站。二、检查R T U 遥控输出对象，继电器是否正 确动作。 ( 4 ) 遥调是对具有两个以上状态的运行设备进行控制的远程命令。可借助 重复传送单命令或双命令，或者传送设定命令的方式来完成。调度中心直接对被 控变电站某些设备的工作状态和参数进行调整。 1 4 本论文的主要工作 本论文主要基于传统箱变的诸多缺陷，在对箱变智能化特性进行详尽的分析 之后，提出一种集箱变所有二次设备功能为一体的智能综合测控装置，即R T U 装 置。该装置在满足电力负荷控制要求的基础上增加了对箱式变电站的智能化控 制，从而实现了对箱变的全方位的管理和控制。本文先是从箱式变电站发展现状 着手，提出R T U 作为远程终端装置的优越性。接着对箱式变电站的一次方案设计， 综合自动化的系统结构、功能以及技术参数进行分析。然后对箱式变电站软硬件 系统进行分析。最后得出结论和展望。 东南大学工程硕士学位论文 1 5 本章小结 社会的发展，科技的进步，箱式变电站也与以往相比，有着突飞猛进的发展。 本章先从箱式变电站与传统变电站相比具有的优势着手，对箱式变电站的发展做 了简要的描述，接着提出箱式变电站智能化的重要意义，并对箱式变电站的智能 化特点，即箱式变电站的四遥功能做了简要的描述。最后简单叙述了本论文的主 要工作。 4 第二章箱式变电站综合自动化功能和设计方案 第二章箱式变电站综合自动化功能和设计方案 2 1 箱式变电站的功能 目前，智能箱变的应用范围和应用模式多种多样，根据不同的功能和用途智 能箱变的内容又各有侧重点，智能箱变在高压侧部分要能满足配电自动化的要 求，而在低压侧部分则要满足小区智能化的要求。具体主要实现以下功能： ( 1 ) 系统各参数的及时检测 箱式变电站配备的变压器主要是1 0 0 4 k V 、3 5 0 4 k V ，由于箱变处于供配 电末端，负荷变化会很大，三相电容易出现不平衡，因此需要对箱变内部参数进 行详细实时的检测。主要内容如下：实时测量高低压侧基本参量，如电压、电流、 有功功率、无功功率、功率因数、频率等。计算三相电流电压不平衡度，配变负 载率，存储电压、电流、有功功率等数据。采集开关开闭情况等信号量。计量电 度，实现远程抄表。掉电数据及时保存。记录停电时间和次数。 ( 2 ) 箱变元器件状态监测 智能箱变应对其内部设备进行实时监测，这些设备如高低压开关、变压器及 各种保护器件的状态监测以及箱变内部环境温湿度监测。监测的方法是加装温湿 度控制器来监测箱变内部环境。在开关设备上加装辅助触点，通过二次回路来监 测出开关状态。通过智能设备及时监测和诊断箱变内部设备的运行状况，实现设 备运行预警。主要监测内容包括：测量高低压开关开闭状态，变压器室及高低压 室环境温度和湿度，监测变压器温度，主要有油温、油位计、压力表计以及线圈、 铁芯等，监测高压侧的熔断器状态等。 ( 3 ) 控制功能 控制功能即遥控功能。当智能设备检测到箱变某一回路发生短路或者接地等 故障时，为了保护在这一回路中的设备不损坏，需立即发送指令跳开相应的开关。 控制功能主要是对设备的控制，其主要是对刀开关、断路器的开合控制，电容器 组投入和切断的控制，变压器的分接头进行相应调节控制，检查保护设备及设定 相应的整定值，投入和退出辅助设备等操作。以上控制功能由运行人员在远方调 度中心进行操作。当然也可以进行现场手动操作，只需要设置远方就地手动开关， 就可以进行远方或就地的操作方式的选择。当微机运行失效时，远方操作失灵， 这时就需要就地手动操作。为了防止元器件误操作，需要进行相应的操作闭锁。 操作闭锁主要包括：元器件操作的跳闸、合闸闭锁功能和屏幕操作的闭锁功能， 此外，当站内通信网退出运行时，为了满足一次设备现场维修需要的五防闭锁功 能。另外，根据一次设备的实际运行状态，自动实现断路器与隔离开关的操作闭 东南大学工程硕士学位论文 锁功能。 ( 4 ) 保护功能 智能箱变高压开关一般采用负荷开关和熔断器的组合方式，这相比直接用断 路器，更加经济适用。智能箱变低压开关一般选用框架断路器或是塑壳断路器， 从而可以实现回路的过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护，同时还有报警 功能，向远方传递信号等。智能箱变作为整个配电系统的一部分，需要与其他配 电设备一起完成整个配电系统的线路保护。 ( 5 ) 计量功能 智能箱变需要在箱变的高低压侧配置计量单元，方便读取高低压侧电压、电 流、电能、功率因素等参数，只需在相应位置安装电压互感器、电流互感器，配 备相应的电力表计，通过表计上的通信接口，即可将读取数据及时传送到远方控 制平台，方便计算电路中的损耗。 ( 6 ) 记录告警功能 智能箱变应对开关开闭状态，温湿度控制器动作，线路故障信息，设备故障 信息，报警信息进行及时记录，并产生告警信号，主要表现为箱变上的告警信号 灯点亮或是液晶屏显示告警信息，或是告警信号传送到远方控制中心。 ( 7 ) 无功补偿功能 在过去的二十年中，电力行业的不断发展，使得电能需求在不断地增加。更 多的发电厂、变电站和传输线路需要建设。然而，目前在配电网中最常用的设备 是断路器。长期的开合操作使他们难以顺利地处理时常变化的负载和瞬时的振 荡。另外，电网中的电动机、变压器等带有电感器件的装置，在整个电网输电运 行过程中会产生无功功率，降低输电系统功率因数，从而造成设备利用率低，电 能质量低等问题。为了补偿这些损失，一般在传统意义上，需要通过加大设备的 投入，并且需要增加人员的投入以弥补这方面的损失。这不仅增加了成本，同时 也降低了效率，并且增加了系统的复杂性和增强了操作和控制的难度。传统的传 输系统已经无法控制元器件之间的兼容要求并且无法满足电能的可靠传输。因 此，对电网安全性和稳定性的研究是改进传输系统的必然趋势。常用的方法就是 无功补偿。无功补偿能够在供电系统中提高电网的功率因数，降低供电变压器及 输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力 供电系统中处在一个非常重要的位置。 随着节能减排，降低能耗这一概念的提出，无功补偿装置也随之应运而生。 智能箱变中增加具有无功补偿功能的装置可以起到对无功功率的补偿和平衡，这 样做既可以提高电压合格率、减少电压波动，又可以改善供电质量、减少线路损 耗。因此，无功补偿方式在实际配电过程中，广泛应用。 第二章箱式变电站综合自动化功能和设计方案 常用的就地补偿方式就是就地安装并联电容器，这种无功补偿传输系统已被 广泛应用在调节电压的大小，改善电压的质量，提高系统的稳定性上。使用并联 连接的电容器，以减少线路损耗，通过补偿无功功率至输电线以使电压保持平衡。 一种简单的使用并联补偿方式的传输系统如图2 - 1 所示。两边母线的电压大 小被标示为V ，它们之间的相角为6 。传输线无损耗，上面的电抗用爿三表示。 在传输线中点，受控电容器并联接入。在连接点的电压被标示为V 。 从图中可以看出，两边母线的电能应该一致。 r - 2 c 月：只：型二s i n 旦( 2 1 ) 天，2 由电容器来调节传输线中点电压的计算公式如下 级= ( 1 一c o s S ) ( 2 2 ) 以 从图中的电能曲线可知，传输线上的电能角度是在不断增长的，峰值点从9 0 度N 1 8 0 度。通过并联补偿，操作数值和系统稳定性在不断地增长。 在输电线中点的电压补偿很容易扩展到传输线端点的电压补偿。在传输线端 部进行无功补偿能够非常有效地提高电压的稳定性。 V 2M ( M 为被测信号最高 次谐波次数) ，用交流同步采样法就不存在测量上的误差，但实际上，采样与被 测信号的周期要严格保持一致是有困难的。在对周期信号与频谱分析中得出，当 采样频率和信号基频不同步时，模拟信号用离散信号代替会出现泄漏误差。在对 含有多次谐波分量的电压和电流周期信号的系统进行测试分析时，这是造成误差 的主要来源。因此，常用锁相环进行同步间隔采样来降低误差。但如果电力系统 谐波含量较大，则会造成锁相跟踪电路不稳定，甚至造成失步，产生很大误差。 特别是含有偶次谐波，一个周期内可能有二次过零。图3 1 为锁相环框图。 U U 3 ，2 2 软件同步采样 图3 一l 锁相环框图 软件同步采样法，我们先要测出被测信号的周期T ，接着我们需要确认一周 期内的采样点数N ，用T 除以N ，得出采样点间的时间间隔，同时我们还需要确 定定时器的计数值，用定时中断方式实现采样。这种方法由于没有硬件，因此结 构简单。但实际上，被测信号的频率是在不断变化的，周期T 的测量数值并不准 确，因此周期T 计算出的采样点间的时间间隔，在进行N 次采样后，并不能与 实际信号周期保持一致。因此用软件采样方法很难得到理想的同步结果。因为单 片机定时器控制着采样节奏，受到晶振周期限制，实际的采样间隔与理想中的采 样间隔存在截断误差，该误差积累N 点后，会引起周期误差和方法误差。因此 需要修改定时器的计数值来减小周期误差，提高准确度。 3 2 3 准同步采样 在实际采样过程中，采样周期与被测信号周期无法实现完全一致，会存在一 个偏差，因此测量结果就会有误差。在偏差不太大的情况下，我们可以通过增加 采样数据和采样次数的方法来提高测量准确度。这种方法不需要采样周期和信号 周期保持一致，对开始采样的初始点没有任何要求，这种测量装置简单，测量方 便。和同步采样法相似，这两种方法都需要被测量信号在一定时间内是稳定的。 准同步采样法的不足之处在于：它要求增加采样周期，并且增加采样数量，采用 1 6 第三章交流采样原理 叠加运算的方法来消除同步误差，这样就需要较多的数据，计算量远大于同步采 样，运算时间也较长，不适合多回路、多参量并且实时性要求高的交流测量系统。 由此可以看出，采样测量，硬件相对简单，软件灵活方便，准确度较好，可 满足大多数场合应用。 3 3 微机交流采样算法原理和误差分析 采用微机监测交流电量、I 、P 、Q 、C O S 巾、F 、k W 、k v a r ) 与传统的测量仪表相比有 很多优点，它功能强、精度高、适应性好、维护方便、总成本低。因此这种方式获得了愈来 愈广泛的应用。 微机监测交流电量一般包括( U 、I 、P 、Q 、C O S 中、F 、k w 、k v a r ) ，其中频率F 的测量 比较简单，一般选用母线电压通过过零比较器转换为方波的方法计算出方波的周期，再求倒 数即得出频率。由于测量方式简单，误差少，因此其测量精度可达0 1 级以上。有功电度和 无功电度的计算通常是将一段时间分成许多时间片A t ，分别求出有功功率和无功功率在A t 内的数值积分并进行累计，即得出该段时间内的有功电度和无功电度。由于这项计算受到功 率计算精度、时间片误差、近似计算误差等诸多因素影响，测量精度不高，在电力系统中只 能作为参考量。功率因数计算公式C O S 中= P Q ，只要算出P 、Q ，C O S 中很快便可得到。下面着 重就U 、I 、P 、Q 的算法原理和计算公式进行详细分析。 采用微机监测交流电量的实用算法大致有两种，即积分法和傅里叶算法。积分法是从连 续周期信号有效值定义式及平均功率定义式出发，用数值积分近似代替连续积分项进行计算 的一种方法，傅里叶算法则是将离散的采样值经过傅氏变换转到频域，求出各次谐波分量， 再利用线性网络叠加原理求出有效值和平均功率的一种方法，下面对这两种算法的原理式进 行分析。 l 、积分法原理公式 = = 痧一魇丙 、l l o r i Z d t 一痧 名= ；r 励j 只= 专姜以功攻功 1 7 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 东南大学工程硕士学位论文 级= 专r 珊一争功j 已= 专喜删咖一争 4 ， 尸= T J o P d t = 专r 魄+ 办+ p o 一 ( 2 ) 带有数据的指令 图5 - 2 不带数据的纯指令 嚣厂 _ 叫T 4 卜 仉。且一一厂 厂 一- _ 眺H o 一一 一- 一_ o 一一 - 一一- 弋户一一卜、。、- 、7 图5 - 4 读取键盘数据指令 上电后，所有显示均为空，当有按键按下时，K E Y 引脚输出变为低电平，此 时如果接收到读键盘数据指令，那么H D 7 2 7 9 A 将输出键盘按键的代码，但是如果 在没有按键的情况下收到了读键盘数据指令，那么H D 7 2 7 9 A 将输出F F H 。 5 2 4 开关量控制模块 开关量状态的检测是通过C P U 定时循环扫描输入端口的状态来实现的。通过 每次扫描开关量输入端i o 状态，然后将读取的状态数据送到对应的发光二极管 显示出对应的开关量状态。 5 2 5 通信模块 通信分为上行通信和下行通信两部分。上行通信是指R T U 向远方控制中心 进行数据传输，下行通信是指远方控制中心向R T U 进行命令传输。通过前置机 的问答方式完成整个通讯过程，因此首先R T U 通过串行口接收数据，然后再发送 相应的数据。 5 3 本章小结 硬件的各方面功能需要软件的配合才能实现。通过分层的方法，本节对主控 模块、测量模块、操作显示模块、开关量输入输出模块以及通信模块分别阐述， 由于所分配的工作仅仅是一些简单的硬件电路，软件并不涉及，所以对以上模块 仅做出了简要的阐述。 东南大学工程硕士学位论文 第六章硬件实现和用户界面 6 1 智能箱变控制器硬件 智能箱变控制器的电路板如图6 - 1 所示。 图6 一l 智能箱变控制器的电路板 该线路板供电电源为D C l 2 V ，可以使用间距为2 m m 的I D C 插针与编程电缆进 行连接。只要将编程电缆的1 脚对准I D C 插座插入，编程电缆的另一端用打印机 延长线连接到计算机。 6 1 1 数字量的输入 数字量的连接方式如图6 - 2 所示。数字量输入每个通道支持+ 2 5 VD C 输入， 带去抖动功能、带有1 5 k V 人体模型的E S D 保护，带8 k VI E C1 0 0 0 4 2 接触 保护和1 5 k V 的a i r g a p 保护。 第六章硬件实现和用户界面 6 1 2 数字量的输出 D I 了n vV 二三 D G N D 图6 2 数字量输入 + 数字量输出为集电极开路方式。如图6 3 所示。E x t P W R 端连接到外部电源正 极，G N D 端连接到外部电源地。负载则跨接到外部电源E x t P W R 端和D O x 之间，电 流由外部电源正极流入负载再经过D O x 回到地端。 D O x ( 十 - - )W 下匝h L C 刈 E xt P W R = O u t C O M 1 图6 - 3 数字量输出 值得注意的是数字量输出可连接的最高电压为5 0 V ，最大连接工作电流为 5 0 0 m A 。每个通道最大功耗为1 w ，8 个通道总的最大功耗为2 2 5 W 。 6 1 3 模拟量的输入 模拟量输入分为单端方式输入和差分方式输入。带有_ + 2 5 V 的输入保护。模 拟量输入有电压电流两种方式。电压可选量程分别为O - 5 V ，O - I O V ，5 V ，I O V ， 电流可选量程为4 - 2 0 m A 。 图6 - 4 为单端方式的模拟量输入。 oA 1 G N D oA 1 N 0 0A I N l oA 丁N 2 $A I N 3 oh I N 4 0A I N 5 0h I N 6 oA T N 7 图6 - 4 单端方式的模拟量输入 3 7 东南大学工程硕士学位论文 单端方式连接时，将外部模拟量连接到A I N x 端口，并将外部模拟量的地连 接到A I G N D 端口。 图6 - 5 为差分方式的模拟量输入。 + 一 0A I G N D 田 A 1 N O 园A I N l oA I N 2 0A I N 3 0A 1 N 4 由 A 1 N 5 0A 1 N 6 固A I N 7 图6 - 5 差分方式的模拟量输入 差分方式连接时，将外部差分模拟量直接连接到输入端，模拟量输入端差分 连接方式时，最多有四个端口，分别对应A I N O A I N l ， A I N 2 一A I N 3 ，A I N 4 一A I N 5 ，A I N 6 一A I N 7 之间。 6 1 4O A N 总线的连接 C A N 总线接口可以与上位机连接或者与另外的R T U 设备连接。连接方式如图 6 - 6 所示。 双绞线 6 1 5 串口通信的连接 图6 - 6C A N 总线连接 该电路具有2 个异步串行口，一个提供D B 9 公头连接器，为5 线制串口。另一 个提供R S 2 3 2 和R S 4 8 5 的可变配置方式。如图6 - 7 和6 - 8 所示。 6 1 6L e D 接口 第六章硬件实现和用户界面 图6 7D B 9 连接器 0 0 + 卜_ 卜_ 口口 图6 - 8R S 4 8 5 连接方式 ； ； 3 9 2 O l l 1 9 双绞线 l ， 一，d i n , 6 R X D2- R T S7 - T X D3- C T S冗 - 4- 9- G N D ， 0 I J - 口0 + 卜o 00 o z o o0D o z o o 0 。卜o0 + 卜口 0 0 口z o 0 引脚符号电平功能 1G N D O V地 2V D D + s v 3 3 V 逻辑电压 3V O 对比度调节电压 4W E 读数据 5O E 写数据 6C SL 片选 7 C DL H数据或命令的选择信号 8R S TL H 复位信号 东南大学工程硕士学位论文 9 1 6 L D O - L D 7L H数据信号 1 7N C 保留 1 8V O U T 负电压输出 1 9L E D + 背光电源正 2 0L E D - 背光电源负 图6 - 9L C D 接口图及说明 6 2 智能箱变控制器用户界面 主配置菜单如图6 1 0 所示。 蜒渤触 渊玎捌燃2 1 0 0 黝蜒潮 F i r i M 8 r e 勰：c 3 辨巧绺嬲蹭 陆 R l US e t u p ilC o nC h a n r l e lS e t u p E d i lA m l 0 9O U I p o i R e c o r d f 4 i I $ 8 0E x e c l , t ei i , eR e c o r d B i s p h yR T UO a t a b a s eI ：l s s i g n m e n l O i s p l a pS t a t u s S Ei n p u t s O i s p l a j f 瓤a 1 0 9l n p u t s O i s p h yf l o a l i n gP o i n t s D i s p l a y 刺H e m o r y C o u a n dS e l e c t B e f o r e O p e r a t e o 衲d I n a l o gO u t p u t * 擅i 艟 r r o rS t , i t o s f r a l I S l i R T Ue o n f i g u r a ti O n 潍i 1 0 9 孙 a b l e E d ilf l c c u R u h t o rN a pl a b l e E d i lO i g i t a l0 u t p u lH 卸l a b l e E d i lf l m l o gO e a d b a z d s D i s p h vS l a , p eD e I | , i c eP o i n lR d n g e s d 订辩F i l eR o u l i mT a b l e e n t e r6 e s i r e df u n c li o n E d i c 0 髓C b a m e if l s s i g n m e n t s E d i f l n a o ol n D u lR e c o r d E d i lS c d i mR e c o r d O i s l ) l a vS v s t e , S t a l u s 1 ) i s p l 甜f l c c u , u l a t o r s O i s p l a l , O l g i t a lO u t p u t s O i s D h vO n a l o oO u t p u t s O i s p h yI l e = o r y O i s p l a yC o n u n i c a l i o n sD a t a C o u a n dO i o i t a lO u t p u l r e s e l 狲U S e C l o c k E d i lS l d