（控制理论与控制工程专业论文）基于单片arm的配电综合测控装置的研究.pdf

摘要 在电力供配电系统中，配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设 备，数量多且应用普遍。实时地监测配电变压器运行中的各种参数，及时地发现 配电变压器运行中出现的异常情况并加以控制和解决，对于电网稳定、优化运行 具有十分重要的意义。 本文根据我国配网现状及配电自动化的需求，在分析国内外配电监测装置研 究与发展状况的基础上，针对目前配电监测终端在成本、精度、通讯和可靠性等 方面存在的问题，提出了一种采用以a r m 为控制核心的智能配电监测终端设计 方案。 文中探讨了三相交流电压和交流电流的采集原理以及相关电力参数的计算 方法，无功功率补偿的原理和补偿方法。详细介绍了配电监测终端硬件电路的设 计方法和软件结构的设计思想。 本文的主要工作表现在以下几个方面： ( 1 ) 研究了配电参数采集的f f r 算法原理、无功补偿的目的和原理，并对并 联电容器低压无功补偿技术进行了比较详细的介绍。 ( 2 ) 根据电力系统配电自动化的内容，进行系统定义和需求分析，确定了配 电监测终端需要达到的总目标及所要采取的策略，确立了配电监测终端开发的软 硬件协同设计流程，并确定了配电监测终端的基本功能和技术指标。 ( 3 ) 根据系统定义和需求分析，提出了配电监测终端的初步设计方案。在配 电监测终端的硬件核心嵌入式微处理器的选择上，采用了高性能的a r m 7 处理器 l p c 2 1 4 4 。在模拟量采集部分采用1 4 位高精度a d 转换芯片m a x l 2 5 ，以提高系 统的采样精度。 关键词：配电监测，a r m ，l p c 2 1 4 4 ，m a x l 2 5 、无功补偿、a d 转换 a b s t r a c t i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c e t or e a l t i m em o n i t o rt h ev a r i o u sp a r a m e t e r so f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r s a sw ek n o w ，t h ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r sa r ew i d e s p r e a d k e ye q u i p m e n t si np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m t h ew o r k i n gs t a t eo ft h ed i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e ri n f l u e n c e st h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l yt ou s e r s an e wd e s i g no fi n t e l l i g e n td i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a lw a sp r o p o s e di n t h i s p a p e r t h en e wd e s i g ni sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts i t u a t i o n o fd i s t r i b u t i o n p o w e rs y s t e m ，t h en e e d so fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ni no u rc o u n t r ya n dt h e i n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cd i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e r m i n a lr e s e a r c h u s i n ga r m a s t h ec o n t r o lc o r ei n t e l l i g e n tp o w e rd i s t r i b u t i o nm o n i t o r st h et e r m i n a ld e s i g np r o p o s a l i nt h i sp a p e r ，t h ep i c k i n gu pp r i n c i p l eo f3 - p h a s ea cv o l t a g ea n dc u r r e n t ，a n d c a l c u l a t i n gm e t h o d so fr e l e v a n tp o w e rp a r a m e t e r s a r ee x p l o r e d t h ew r i t e ra l s o i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r es t r u c t u r a ld e v i s i n gw a y s t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r e 缸f o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c ht h e f f tp r i n c i p l eo fg r i dd a t ac o l l e c t i n g ，r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，a n dd w e l l o nt h ep a r a l l e lc a p a c i t o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h e e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mp o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n c o n t e n t ，c a r r i e so nt h es y s t e md e f i n i t i o na n dt h ed e m a n da n a l y s i s ，h a dd e t e r m i n e dt h e s t r a t e g yw h i c ht h ep o w e rd i s t r i b u t i o nm o n i t o r sw h i c h t h et e r m i n a lt on e e dt oa c h i e v e t h et o t a lg o a la n dn e e d st oa d o p t ，e s t a b l i s h e dt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nt om o n i t o rt h e t e r m i n a ld e v e l o p m e n tt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o o r d i n a t i o nd e s i g nf l o w ，a n dh a d d e t e r m i n e dt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nm o n i t o r e dt h et e r m i n a lt h eb a s i cf u n c t i o na n dt h e t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h es y s t e md e f i n i t i o na n dt h ed e m a n da n a l y s i s ，p r o p o s e dt h e p o w e rd i s t r i b u t i o nm o n i t o r st h et e r m i n a lt h ep r e l i m i n a r yd e s i g np l a n m o n i t o r st h e t e r m i n a li nt h ep o w e rd i s t r i b u t i o ni nt h eh a r d w a r ec o r ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r c h o i c e ，h a su s e dh i 【g hp e r f o r m a n c ea r m 7p r o c e s s o rl p c 2 1 4 4 u s i n g1 4 b i th i g h a c c u r a c ya dt r a n s f o r m a t i o nc h i pm a x l 2 5 i nt h es i m u l a t i o nq u a n t i t yg a t h e r i n gp a r t , e n h a n c e st h es y s t e mt h es a m p l i n gp r e c i s i o n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nm o n i t o r e d ，a r m ，l p c 2 1 4 4 ，m a x l 2 5 ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ， a dc o n v e r t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得云叠王些太堂或其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刁西签字日期：1 1 年) ，月妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 舀、 签字日期：k 伊7 月多日 导师签 签字日月刃日 学位论文的主要创新点 一、在硬件上采用高性能的a r m 7 处理器，其运算速度快，处理能力强，且外围 硬件资源丰富，易于扩展和升级。在模拟量采集上单独采用1 4 位高精度的转换 模块m a x l 2 5 。其转换速度快，单通道转换速度为3 微秒，完全可以满足配电系 统的高精度要求。 二、在软件算法上，采用f f t 算法代替常规的硬件处理和d f t 算法。与d f t 算法 相比，f f t 算法具有运算速度快，易于实现等优点，其运算量要比d f t 算法减少 一半左右。 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力 的需求越来越大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电可靠性的 要求也越来越高，因而，配电系统自动化的研究与应用就显得特别重要。围绕配 电系统自动化的相关研究，如配电网的自动监测、自动管理与自动控制已逐渐成 为一个重要的研究方向。本课题的提出就是针对配电变压器的监测而进行的一项 研究。 1 1 课题的背景和意义 配电网通常是指电力系统中二次降压变电站低压侧直接或降压后向用户供 电的网络。配电网作为电力系统电能发、变、送、配中最后一个直接面向用户的 环节，在电力系统及电力系统自动化中占有非常重要的地位。长期以来，我国电 力的主要矛盾是电力的生产跟不上需求，电力缺口一直比较大。因此前些年电力 投资的重点是电厂和输电网的建设，经过十多年的大投入，电力的生产已在近期 能基本满足需求。而由于过去对配电网的投入较少，建设资金短缺，导致的配电 网结构不合理成为现在面临的主要问题。 电力系统的两大考核指标是供电可靠性和电能质量n 1 。就目前我国经济的发 展来看，对电力的需求增大，促使电网不断扩大，而同时用户对供电的质量和可 靠性提出了更高的要求。但目前我国的配电网很薄弱，绝大多数为树状结构，且 多为架空线，可靠性差，尤其在农村，线损严重，电能质量差，配电设备也趋于 陈旧，大多不可远程监控。另外配电网运行状态的监测设备少，自动化程度低， 事故处理时间长，恢复供电慢。 并且随着我国经济的飞速发展，我国的工业也有了长足的发展。现代电网中 的无功电流在迅速增大，输配电线路的有功损耗加剧，从而造成电压不稳，恶化 电能质量。近年来电力网中的无功问题己经越来越受到人们的广泛关注，由于在 工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例，如异步电动机、变压器以及 大多数家用电器等都是典型的阻感负载，阻感性负载所消耗的无功功率在电力系 统所输送的电量中占有很大的比例。据报道，我国平均每年因为无功分量过大造 成的线损高达1 5 左右，折算成线损电量约为1 2 0 0 亿干瓦时。假设全国电力网负 载的总功率因数为o 8 5 ，如果采用无功补偿装置将功率因数从o 8 5 提高n o 9 5 时， 天津ji2 业人学硕十学位论文 则每年可以降低线损约2 4 0 亿千瓦时，因此进行无功功率补偿的研究对于挖掘电 网的潜力是十分重要的乜1 。 要解决上述问题，必须采用现代化手段提高供电自动化水平，即实施配电 系统自动化。 1 2 配电系统自动化的定义及功能 根据中国国家电力公司在l o k v 配网自动化发展规划要点中的定义，配 电系统自动化是指：“利用现代通信和计算机技术，对电网在线运行的设备进行 远方监视和控制的网络系统。它包括1 0 k v 馈线自动化、开闭所和小区配电所自 动化、配电变压器和电容器组等的检测自动化等。 口1 由此可见，配电自动化包含三个基本功制3 1 ，即对配电网进行安全监测、控 制和保护。其中，安全监测功能是指通过采集配电网上的状态量( 如开关位置和 保护动作情况等) 和模拟量( 如电压、电流和功率等) 以及电度量等，从而对配 电网的运行状况进行监视；控制功能是指在需要的时候，配电主站利用通信系统 实现远程控制开关的合闸或跳闸、有载调压设备升压或降压以及补偿电容的投切 等，以达到所期望的目的( 如满足电压质量的要求、无功补偿和负荷平衡等) ； 保护功能则是指根据检测情况以及统计分析结果，判断故障区段，并隔离故障区 域，恢复正常区域供电。 在上述三个功能中，安全监测功能是配电系统自动化的基础，实时采集的数 据和统计分析结果是电网控制的依据，没有配电网上数据的采集就谈不上电力系 统的控制与保护。 1 3 配电监测的重要性 配电变压器是配电网中将电能直接分配给低压用户的电力设备，是低压 ( 1 0 k v ) 配电网与用户( 3 8 0 2 2 0 v ) 配电网的分界点。配电变压器安装于电线 杆、配电房和箱式变电站，具有分散、地理环境情况变化多端、覆盖面广、用户 众多，容易受用户增容和城市建设影响等特点。 通过长期对配电网事故统计可以看出，配电变压器引起的事故率极高，约占 事故的9 0 。通过对配电变压器的实时监控，可以及时掌握配电变压器的运行情 况，防止配电变压器在严重超负荷运行时，导致设备的烧毁、三相负载严重不平 衡、配电变压器的损坏；在长期轻负荷运行时，导致的不经济运行状态；以及在 大量感性负载运行导致的功率因数过低、高线损等状态。对配电变压器运行进行 2 第一章绪论 实时监测、抄取、分析、处理和控制，可以及时调整运行状态，合理配置配电变 压器容量，调整配电变压器的低压无功补偿控制等，保证配电变压器安全、稳定、 高效的运行，从而保证低压电网运行的安全可靠性。因此，配电变压器的运行数 据是整个配电网基础数据的重要组成部分，其中包括：三相电压、三相电流、三 相有功( 无功) 功率、功率因数、谐波分量、频率、有功( 无功) 电量等h 1 。 对配电变压器的监控可以从以下三个方面优化电网的经济运行： ( 1 ) 提高供电质量、供电可靠性并减少线损。通过对配电变压器的实时监测 可为配电自动化管理提供可靠的运行数据和历史资料，因地制宜，指导现场调整， 提高供电质量。通过现场自动控制，使低压配电网直接受益，实现就地无功补偿， 提高功率因数，有效降低线损。 ( 2 ) 及时发现隐患以保障设备安全。供电部门每年要花费大量的人力、物力 进行配电设备的维护，但仍经常有事故发生。在这些事故当中有许多是运行中出 现的问题，如三相严重不平衡烧毁中线、变压器过载受损等，都需要通过在运行 中的连续监测才能提早发现。因此，保障设备安全是自动监测的重要意义之一。 ( 3 ) 为电网改造方案的制定提供依据。在电网改造制定方案的过程中，基础 数据的完整和可靠相当重要。配电变压器监测为用电情况、用电性质及用电负荷 的增长趋势分析，在进行系统增容、配电变压器布点选择等规划工作提供科学的 数据。 综上所述，实时地监测配电变压器运行中的各种参数，依据采集的数据进行 统计分析，及时地发现配电变压器运行中出现的异常情况并及时加以控制或解 决，可以提高工作效率，降低劳动成本，科学提高配电管理的自动化水平，实现 电网的稳定、优化运行。 1 4 国内外配电监测的发展及研究现状 配电网自动化在国外起步较早，大约从2 0 世纪7 0 年代许多发达国家就开始了 配电网自动化的试点工作，配电监测终端己从早期的单一功能、简单的通信方式 发展到现在的智能化、小型化、多功能化并具备有多种通信方式。目前国外正在 借助于配电监测设备，积极开展有关电力系统电能质量监控的研究。如加拿大 p o w e rm e a s u r e m e n tl t d 公司生产的高级电力综合监控仪，集采集、测量、控制、 通信功能于一体，采用了高性能的d s p 芯片用于数字信号处理，并增加了微机继 电保护功能。但是，国外产品由于其面板按键操作较复杂，技术实现上有所差异， 加之价格昂贵，不能完全适合我国配电网的现状和需求晦1 。 国内配电自动化起步于2 0 世纪9 0 年代，较发达国家滞后约2 0 年。由于近年来 3 天津j ：业入学硕十学位论文 计算机技术、通信技术以及电力事业的飞速发展，配电网综合自动化成为必然趋 势，国内许多厂家和研究单位纷纷研制和开发各种类型的配电监测终端。配电终 端硬件设计从早期的单c p u 结构到多c p u 结构，发展到现在的c p u + d s p + c p l d 技术。为了保证配电终端硬件设计的高可靠性、故障检测的实时性以及谐波检测 分析的需要，数字信号处理器的高速采样和数据处理技术以及冗余设计、自诊断、 自检等渐渐成为普遍采用的硬件设计技术。目前存在的终端硬件设计有4 种基本 类型嘲： ( 1 ) 以各种类型单片机为主c p u 的多c p u 结构，大多采用高档8 位机和1 6 位单 片机，目前以i n t e l8 0 c 1 8 8 1 9 6 系列1 6 位单片机为主。 ( 2 ) 以d s p 芯片为核心的结构。d s p 芯片所提供的数学运算能力和运算速度 远远高于单片机，又具有丰富的指令集和更大的内存空间，可用来完成无功功率 的快速检测和实时动态补偿的运算等功能。 ( 3 ) 采用单片机+ d s p + c p l d 的结构。这种设计使系统的集成化程度和可靠 性得到显著提高，可解决多任务对c p u 的同时请求以及交叉的问题，能有效提高 系统的实时性和软件的运行效率。 ( 4 ) 采用嵌入式模块的结构。该结构采用现成的微型化主板，上面集成了 c p u ，网卡，显卡，输入输出接口芯片等等，存储容量大，开发周期短，程序可 以用高级语言编写，调试方便，但自启动时间长，容易引起故障检测信号丢失。 另外，从国内外配电自动化系统采用的通信方式看，尚没有一种通信技术可 以很好地满足配电系统自动化所有层次的需要。在一个配电自动化系统内，往往 由多种通信技术组合成综合的通信系统，各个层次按实际需要采用合适的通信方 式。根据应用环境的不同，配电监测的通信方法可分为有线监测和无线监测两种。 传统的有线监测主要包括r s 2 3 2 和r s 4 8 5 串行通信、工业现场总线和以太网通信 三种通信方式，其通讯网架设投资太大，维护管理的费用也较高。为了降低成本， 省去网络铺设的麻烦，现在也有很多采用无线通讯手段进行监控。无线监测方式 中主要有超短波、短波、卫星等通信方式，这些通信方式也常常会受到通信质量、 通信条件、通信范围、地理环境、建设成本及运行费用等因素的限制。 1 5 配电监测终端的发展趋势 随着配电系统自动化程度的不断提高，对作为现场监测、控制为目的的配变 监测终端的设计，除了在监测、控制的量上有较大增加外，对数据采集的实时性、 控制操作的快速性、分析手段的多样性、分析算法的复杂性、通信方式的灵活性 等都提出了更高的要求。因而，仅采用单一的单片机或d s p 芯片已明显不能胜任。 4 第一章绪论 此外，由于微电子技术、通信技术、网络技术的不断发展，使得配变监测终端的 结构和功能都将产生相应的变化。 由于配电自动化系统正朝着“分布化、智能化、集成化、可视化和协调化 的方向发展，未来的配电监测终端将具备以下特点：h 1 ( 1 ) 可互操作性。可以与任意一个生产厂家的智能化设备进行通信。 ( 2 ) 即插即用。所有连在系统网络上的设备将由系统自动识别。 ( 3 ) 开放性。提供开放配网自动化系统的平台。 ( 4 ) 冗能化。提供一个人工智能的应用平台，通过这个功能实现故障分析、 选择性的数据和电力系统配合。 ( 6 ) 自动化。通过嵌入算法软件或按用户定义的控制顺序提供未来的自动控 制功能。 ( 7 ) 灵活性、可扩充性。对于当前的硬、软件系统设计要考虑到将来的扩充， 应当易于修改。 ( 8 ) 可靠性、安全性、可信性。这是设备的基本特性，目的是使整个系统达 到同一水平。 1 6 课题研究的目的 本课题研究的目的是研制一种新型低成本的配电监测终端。该监测终端能够 连续地在低压侧自动采集包括：电压、电流、功率因数、有功及无功功率、有功 及无功电量、谐波电压；每日电压和负载电流的最大值和最小值；停电时刻、来 电时刻及累计停电时间；每相的过电压、欠电压及缺相时间等配电参数；具有 r s 2 3 2 现场g p r s 远程采集、监控电网；具有无功功率补偿功能，手动和自动投 切相结合，并且补偿速度快，级数多；还具有故障报警和大容量数据记录功能； 显示采用点阵液晶显示器，具有操作简单灵活等优点。该控制器便于推广利用， 从而可以更大范围的提高电网的供电质量。 1 7 本文主要工作 为满足对配电网络进行自动化监控的需求，本文提出了一种基于单片a r m 的配电监测终端的设计方案。该配电监测终端可以实时监测配电变压器运行状 态，采集配电变压器的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐 波等一系列重要数据，利用r s 2 3 2 或g p r s 快速及时的将数据上传至配电监测中 心站以供工作人员参考、分析。 5 天津t 业人学硕士学位论文 论文首先介绍了配电自动化、配电变压器监测的基本概念，配电变压器监测 在配电自动化中的作用及地位以及配电变压器监测和远程监控的发展现状。随后 本文介绍了无功功率补偿的基本原理和参数采集f f l 算法，之后又介绍了系统的 总体结构，论述了系统各组成部分的主要功能，最后详细说明了系统的硬件设计 和软件设计。 配电变压器监测终端的设计是本文的重点，本文分章详细介绍了配电变压器 监测终端的软硬件设计。配电变压器监测终端以a r m 为控制核心，配以适当的 外围电路来完成各项功能。为了保证系统的采样精度和可靠性，模拟量a d 转换 部分单独采用1 4 位高精度的转换芯片m a x l 2 5 。之后，分模块介绍了监测终端的 软件设计，重点介绍了模拟量采集部分的原理和m a x l 2 5 与a r m 的接口电路，数 据存储电路。此外，就设计过程中所应用到的相关理论算法，如电参数的计算、 等间隔同步采样等理论算法也做了介绍。 最后，对本文的主要研究完成工作进行了总结，并对系统设计的不足之处提 出了改进方向和展望。 1 8 本课题的技术难点 本系统要将配电监测、无功补偿、电能计量、通信等功能融为一体。系统在 现场运行稳定、可靠是产品的基本要求，性能价格比是产品生存的关键。在多功 能、易维护、稳定性好等条件下，本课题难点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在开发成本最低前提下，要实现系统的多功能、高性能等要求，达到较 高的性能价格比。 ( 2 ) 系统要完成电参量测量、电能计量、通信、显示和配变数据存储等功能， 工作量大。同时要保证系统能按照给定的控制策略和补偿算法完成电容器的投 切，系统开发难度较大。 ( 3 ) 为了实现低成本的要求，必须充分利用c p u 集成外设功能，使外部电路 精简。同时，对c p u 的这些资源以及外部电路必须有效、有序的进行管理。 ( 4 ) 由于要求系统存储大量配电数据，这些配电数据必须有效的在存储器中 进行组织，采用合理的数据结构和数据处理方法，以便数据能够实现高效率的查 询。 ( 5 ) 在运行环境比较复杂、干扰比较严重的情况下，如何有效的增强系统的 抗干扰能力以保证系统在现场能稳定可靠的运行。 6 第二章配电参数采集及无功补偿原理 第二章配电参数采集算法及无功补偿原理 在配电自动化系统中，配电参数的监测首先涉及到的是数据的采样以及各种 参量的计算。电力系统配电网的电力参数采集方式一般可以分为直流采样方式和 交流采样方式两种。直流采样方式在早期的配电自动化系统中被广泛采用，这种 方式是将交流电气参数经过整流后得到直流量，供a d 采样并转换。该方式只需 对采样值做一次比例变换，即可得到被测量的数值，其软件设计简单，数据计算 方便，而且c p u 完成采样的周期也很短。但是，这种直流采样方式也存在一些问 题，比如：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性影响；系统组成环节较多， 使投资成本增加，动态响应速度慢；而且用直流采样法测量工频电压和电流是通 过测量它们的平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效 值之问的关系将发生变化，这会给计算结果带来误差阻1 。因此，要获得高精度、 高稳定性的测量结果，通常是采用交流采样方式。 2 1 交流采样技术 所谓交流采样技术，就是通过对互感器二次回路中的交流电压信号和交流电 流信号直接采样，然后根据一组采样值，通过对其模数变换将其变换为数字量， 再按照一定的算法对数字量进行计算，从而获得电压、电流、功率、电能等配电 参数旧1 。其主要思想是按照一定的规律对具有工频交流电量的瞬时值直接采样， 用若干个交流信号瞬时值描述该交流信号波形，如图2 1 所示，用一定的算法求 得被测量的有效值及其他有关参数。 u j 励u = 一l|n(i)t o vy j 图2 。1 交流电量采样原理 7 天津j r 业人学硕士学位论文 现代交流采样技术的一个重要特点是充分利用微处理器的软件功能代替硬 件功能。由于简化了硬件电路，减少了硬件投资，保证了系统监测的精度和可靠 性。交流采样的测量过程如图2 2 所示。 c t p t 处 理 器 图2 - 2 交流采样测量过程 系统将电流互感器咖电压互感器啾来的交流电流和交流电压经过变换 后，通过低通滤波电路滤波，再进行采样保持。系统的采样时间受离散时序控制， 控制采样问隔必须满足采样定理。采样后的离散量经a d 转换变成数字量送至微 处理器，最后由微处理器将数字量进行复原和标度转换，得到所需要的原被测电 量值。根据这个采样值可以计算出其他电量，此外，这个值也可以通过输出显示 电路进行显示或用于输出控制等。 2 2 交流采样频率的确定 由于实际应用中，为了易于信号的处理，通常交流采样是先将一段时间的连 续信号变换为离散的信号( 如图2 1 所示) ，显然，这样将改变原信号的外在形式。 研究证明，在交流数据采样中，离散信号的采样频率是一个不可忽略的重要参数。 实际情况也表明，采样频率( 即采样间隔) 的高低( 大小) 决定了采样信号的质量。 当采样频率过低时，会使被采集模拟信号的某些信息丢失，这将导致采样后的信 号在恢复成原来的信号时出现失真现象。而采样频率过高，又会对电路系统的设 计和采用的器件要求很高，造成设计难度加大或者成本过高，引起不必要的资源 浪费。那么，如何才能保证交流信号经过采样后不改变原有的本质特性，或者说， 根据采样得到的厂宰i f ) ，可以复现厂f ) 的所有本质信息就显得尤为重要。 目前，在绝大多数交流采样中，采样频率都是依据香农定理确定的。香农定 理可叙述为：为了对连续信号厂( f ) 进行不失真的采样，采样频率i s 应不低于厂( f ) 所包含最高频率厂吣。的两倍，即： 声一之2 ，傩 8 ( 2 1 ) 第二章配电参数采集及无功补偿原理 则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。 可见，只要所设计的交流采集系统的采样频率，满足上述条件，即可以保证 所采样的信号不会失真。但是，采样定理是选择采样频率的理论依据，通常在实 际应用中，采样频率总要选得比己知被采样信号的最高频率高两倍以上。例如， 当采样工频交流信号时，采样频率f s 一般为工频频率的8 , - - , 1 0 倍，甚至更高，这 样可以使信号中3 - 5 次谐波分量能在采样信号中反映出来。 2 3 交流采样计算方法n ? 系统在获得交流采样值后，还要通过一定的计算与处理方法，得到所需要的 有关电量参数。由交流采样值求得电压、电流等电量的算法比较多，可以采用快 速算法，也可以采用精度高的算法。快速算法通常精度差，常被继电保护系统所 采用。而高精度的算法一般较复杂或占用时问长，多用于离线测试装置。由于配 电自动化系统的主要功能是检测与控制，按常规一般选用高精度的算法，具体计 算方法如下。 2 3 1 电压、电流有效值的计算 电压、电流的有效值计算方法可由有效值定义推出。由于电压“o ) 和电流i g ) 均为周期性函数，它们的有效值u 和l 可表示为： u 。厢石 l | 氍丽 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 从公式( 2 2 ) 、公式( 2 3 ) 可以发现，有效值的计算主要包括两个部分，即积 分运算和开方运算。由于在计算机中，运算的对象必须是离散的数字量，所以， 首先应将积分运算离散化，然后再进行运算】。 公式( 2 2 ) 中的积分项( “2 ( t ) d t ，将积分区间 0 ，t 等分为n 个子区间，每 ，u 。 个子区间f t n ，则在k k t 时刻的被积分函数值就是u 2 ( 七) ，其中k = l ， 2 ，n 。若用“2 ) 缸来近似f ：u 2 ( f ) 应，即用宽为a t ，高为“2 ( k a t ) 的矩形脉 冲面积近似相应时间宽度内u 2 ( f ) 与时问轴围成的面积，如图2 3 所示，即有： 9 天津t 业人学硕十学位论文 u ；氍蕊 一如篆扩陋协 j 一 、k ，、fy 1 f 1 址幺”r 一尸 i 鼯u k ( 2 - 4 ) 其中：“。= “伍出) ，为第七次的电压采样值，m 七由“( f ) 一个周期内通过等时 间间隔采样获得。 图2 - 3 连续周期信号积分的离散化 同理，对于公式( 2 - 3 ) 也可以得到： l 一瓣l k ( 2 5 ) 式中t 为第足点的电流采样值，其同样也可以由f ( f ) 一个周期内通过等时间 问隔采样获得。 从公式( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 可以看出，积分运算经过离散化处理后，变成了便于计 算机处理的求和运算。所以，电压电流有效值的运算变成了求和运算和开方运算 两个部分。 2 3 2 有功功率和无功功率的计算 1 0 第二章配电参数采集及无功补偿原理 根据分析，若三相电路完全对称，可先测出单相有功功率，然后乘以3 即可 得到三相有功功率。如果三相不对称，则分别求出各相的有功功率，然后求和， 也可以得出三相有功功率。因此，对三相对称电路的有功功率计算，只需研究单 相有功功率的计算方法即可。电路中某一相的有功功率可以表示为： p 一知p ( t ) d t 一知f ( f 渺 ( 2 6 ) 由式( 2 - 6 ) 可知，有功功率是瞬间功率在电网一周t 内的平均值，而瞬间功率 是指在同一时刻电压与电流瞬时值的乘积。因此，实际应用中，对电压和电流采 用同步采样的方法即可获得同一时刻的瞬时值。 同样，对电压、电流模拟量进行离散采样后，有功功率p 可由下式近似计算 得到： n 专缸n 包5 ( 2 7 ) 式中h 。和i 七为同一时刻，第k 点的电压、电流采样值。 由于无功功率与有功功率仅在电压、电流的相位上相差兰2 ，所以三相供电线 路中某一相的无功j ：j j 率q 可以由式( 2 - 8 ) 近似得到： q 一专弘碍， ( 2 8 ) 式中k + 争是第k + 了n 点的电流采样值，比电压采样值“。的相位滞后至2 ，也 就是1 4 的电网周期。可见，只要将相差要的电压和电流采样值相乘后求和，就 可以计算出无功功率q 。这种算法不需要求出电压和电流的相位差，软硬件上都 容易实现。 2 3 3 功率因数的算法 电网的功率因数可由公式( 2 9 ) 获得： 天津i ：业大学硕十学位论文 p 。0 s 驴2 4 p z + q 2 ( 2 9 ) 因此，从前文的算法可以看出，由同步采样得到采样序y o u 。、t 、k = 1 ，2 ， 3 ，n ，即可由式( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 计算得到线路 中某相电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率和功率因数等电力运行参 数，进一步可获得某条三相线路的其它参数。 2 4f i 丌算法 傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换方法，是声学、语音、电 信和信号处理等领域中一种重要的分析工具。傅立叶变换是电力系统上谐波分析 经常采用的算法。 所谓的谐波是存在于电力系统中的一个周期性电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍，电网谐波产生的原因是非线性负载造成的。配电网线路谐 波含量的多少直接反映了供电质量的好坏，通过线路谐波的检测可以很好地掌握 在线供电质量。 电力系统谐波分析是利用谐波分析的方法求出信号( 电压或电流) 的各次谐 波的幅值和相角，准确的得知信号中各次谐波分量的详细情况。采样取得的离散 信号通过离散傅旱叶变换( d ，可以得到各次谐波分量的频谱，由此计算出电 流、电压有效值及其相应的总谐波畸变率、功率等各种电力参数。 d f r 是数字信号处理技术的两种基本算法之一。由于d f r 需要作大量的复数 乘法和加法运算，计算量很大，因此在很长一段时间内其应用受到很大的限制。 快速傅立叶变换( f f r ) 的出现使d f t 的运算大大简化，f f r 是快速计算d f t 的一种 高效方法，运算时间缩短一至二个数量级之多，从而使d f l 在实际应用中得到了 广泛应用。现将f f r 喜7 法原理简单介绍如下嘲。 设x 为n 点有限长序列，则它的d f r 可以表示为： ) 2 磊z o ) 嚼 七= o k 一1 ( 2 1 0 ) 在式中嘭为蝶形运算因子，它等于一p 撕州。通过式( 2 1 0 ) 可以看出，直 接计算d f r 时，乘法次数与加法次数都是和2 成比例的。当n 值很大时，d f r 的运算量相当大，因此需要对算法进行研究以求能减少运算量。两点的d f t 称为 1 2 第二章配电参数采集及无功补偿原理 一个碟形运算，通过蝶形运算因子可以看出： w 等= j 譬n n w 营= w 譬n ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 利用式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 所给出的对称性和周期性等性质就可以减少d f t 的运算 量，实现d f t 的快速算法，即兀丌算法。 f f t 通常可以分为时间抽取f f r 和频率抽取f f t 。如果算法是按照时间n 将 奇、偶分开，因此这种算法被称为按时间抽取f f r 算法，按时间抽取的基2 f f f 算法是最常用的一种变换形式。 把n 点的序n x ( n ) ，n = 0 ，1 ，n - 1 按n 为偶数和奇数分为2 个长为n 2 的序列 ( 即按时间抽取) ，得： 则( 2 1 3 ) 可写为： f x l ( r ) = x ( 2 r ) ，= o ，1 ，n 2 1 ( 2 1 3 ) i x i ( 厂) = x ( 2 r + 1 ) 由于嵋一，2 ，所以根据式( 2 - 1 4 ) 可以得到下式。 式( 2 1 5 ) 可以进一步表示成： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) z ( 七) = x 1 ( 七) + x 2 ( 七) k o ，l ，n 2 1 ( 2 1 6 ) 由公式( 2 1 6 ) 可以看出，x 。 ) 和x ： ) 分别是偶数序列和奇数序列的n 2 点的f f l r 。由于公式( 2 1 6 ) 计算得到的是前n 2 的f i h 值，则利用对称性可以得到 1 3 批 “打 嘴驯 +r2x 一荟 + 睹 嚼 r2x 一磊 i 后x 呜 叫 打 。“ 一蚤 噼略力q 一争 暑 ”“ 天津工业人学硕十学位论文 后n 2 的f f t 值，如式( 2 1 7 ) 所示。 x ( k + n 2 ) = x l ( 七+ n 2 ) + w 篇+ n 2 x 2 ( 七+ n 2 ) ( 2 - 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 可以进一步简化如下： z ) 一x 1 ) + w k x 2 ) k o a ，n 2 - 1 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 8 ) 可以采用如图2 - 4 所示的蝶形运算流图来表示。 x 1 ) x 2 ) 一1 图2 - 4 蝶形运算流图 毛 ) + 孵x ： ) 五 ) 一噼x ： ) 对x ，和x ：可以进一步分解，最后可以将序列长度为一2 工的序列分解l 级， 每级有n 2 个2 点的f f t 蝶形运算，因此n 点h 玎总共有n 2 x ( 1 0 9 ：) 个蝶形运 算，运算量得到很大的简化。 x ( 0 ) x ( 4 ) x ( 2 ) x ( 6 ) x ( 1 x ( 5 ) x ( 3 ) x ( 7 ) x ( o ) x ( 1 ) x ( 2 ) x ( 3 ) x ( 4 ) x ( 5 ) x ( 6 ) x ( 7 ) 图2 - 58 点f f t 时间抽取算法信号流程图 以8 点f f r 为例，如图2 - 5 所示，通过蝶形流图来分析算法，我们可以看出以 下儿点： 1 4 第二章配电参数采集及无功补偿原理 ( 1 ) n 点的蝶形图有m 级m = l o g ，n ： ( 2 ) 每级含有n 2 个蝶形单元； ( 3 ) 每一级的蝶形单元根据旋转因子的不同，可以分成若干个组，每组有相 同的结构和旋转因子分布，第m 级的组数是n 2 m + l ，m = 0 ，l ，m 一1 ； ( 4 ) 码位倒序排列。对于按时间抽取的f f l 变换，输入序列是按所谓的码位 倒序排列的，而输出序列是自然顺序。 以上介绍的是8 点n 的实现过程，3 2 点的f f r 的实现过程与8 点是完全类似 的。 2 5 复序列f f t 配电参数的计算 f f t 可以对实数序列进行变换，也可以对复数序列进行变换n 引。为减少傅立 叶算法的计算次数，缩短计算时间开销，可采用复序列快速傅立叶变换算法。该 方法能够将两个相同序列的数据整合到同一个f f r 运算过程，只需要一次f f t 的 计算就可同时求出两路输入信号的频谱，减少了计算量，提高了系统实时数据处 理的能力。 将同一相的电压和电流分别作为复序列的实部和虚部来进行傅里叶变换，具 体的数学推导如下：已测得的n 点电压序列 u ( n ) ) 和电流序列 i ( n ) ) ，可构造一 个复序列： x ( ，1 ) = “( 疗) + _ ，f ( ，1 ) 0s ，lsn - 1 ( 2 1 9 ) 对于复序列 x ( n ) ，其离散的傅立叶变换为： 由此可得： 一d f 晰) 】_ 专黔矽驯删】( 2 - 2 0 ) “( n ) 一j 1 【z 伽) + z + ( 以) 】 ( 2 2 1 ) f ( 甩) = i z ，t x ( ，1 ) 一工( ，1 ) 】( 2 - 2 2 ) 只需一次复序列d f l l 就能求得三相相电压和电流的各次谐波幅值和相位。对 1 5 天津t 业人学硕士学位论文 ( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 式进行d f t 并利用复数的共扼特性，则可得到电压、电流的频谱 为： u ( k ) = 三【x ( k ) + x ( 一k ) 】 ，僻) 一专瞵僻) + ( 一k ) 】 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 根据香农采样定理，可以知道对于非正弦周期信号的离散傅立叶变换，若已 知最高次谐波为l ，则在一个信号周期内的采样点数n 应为：n 2 l 。因此，对一 个仅含有第q 次谐波的正弦信号而言，应满足n 2 q ，展0 q n 2 。q 为整数，故 1s 留 n 2 - 1 。所以一个仅含有第q 次谐波的正弦电压信号“叮o ) 的d f t 变换后 为： 跖叮o ) = u s i n ( - 警+ 口。) u q ( f ) = d f t u g o ) 】- u 胛( c o s a 叮+ j s i na 叮) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 公式( 2 - 2 5 ) 说明的是在一个信号周期内对联。o ) 进行n 点等间隔