（检测技术与自动化装置专业论文）电网电压谐波监测系统的设计与实现.pdf

东南大学硕士学位论文电网电压谐波临测系统的设计j 实现 摘要 随着社会经济的发展和管理体制的改革，电网电压谐波监测的重要性日益突出。研 制开发电压谐波监测系统产品已成为有关技术标准贯彻实施的前提。 本文首先简单介绍了d t 4 型电压谐波监测仪，对电网电压谐波监测系统进行分析， 确定数据传输部分和m i s 部分的功能和设计要求。在制定系统数据传输协议的基础上，殴 计了f s k 方式m o d e m 和掌抄机，并编程实现了d t 4 仪表与m i s 之间多种方式的数据传输功 能。采用结构化设计技术，刑电网电压谐波监测系统m i s 的需求分析、概念设计、逻辑设 计、物理设计过程作了详细的阐述；介绍了数据库设计和系统软件设计，并讨论了v b 数据 库访问技术在m i s 中的应用以及a d o 编程实现。最后，对电网电压谐波监测系统的研发进 行总结。 关键词：电网电压谐波监测数据传输管理信息系统m s c o m m a d o 东南大学硕士学位论文电网电压谐波监测系统的设汁与实现 a b s t r a c t p o w e rs y s t e mv o l t a g ea n dh a m o r n i cm o n i t o r i n gh a sb e e nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m i c sa n dt h er e f o r mo fm a n a g e m e n ts y s t e m i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pv o l t a g ea n dh a m o m i cm o n i t o r i n gs y s t e m ( v h m s ) p r o d u c t st om e e tt h ed e m a n do f e n f o r c i n gt h en a t i o n a ls t a n d a r t d s i nt h i sp a p e lf o l l o w i n gab r i e fi n t r o d u c t i o no fd t 4v o l t a g ea n dh a m o r n i cm o n i t o r i n g j n s t m m e n t t h ev h m si s a n a l y s e dt od e t e r m i n et h ef u n c t i o n sa n dd e s i g ng u i d e l i n eo fi t s c o m m u n i c a t i o na n dm i sc o m p o n e n t s b a s e do nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 af s km o d e m o d e ma n dap o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra r ed e s i g n e d ，s oa st oi m p l e m e n td a t ac o m m u n i c a t i o no f t h es y s t e mt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，c o n c e p t u a ld e s i g n ，l o g i c a ld e s i g na n dp h y s i c a ld e s i g na r e p r e s e n t e db yu s i n gt e c h n i q u eo f s t r u c t u r a ld e s i g n t h ed e s i g no f d a t a b a s ea n ds y s t e ms o f t w a r ei s d e s c r i b e d w i t hd i s c u s s i o n sa b o u td a t a b a s ea c c e s su s i n gv i s u a lb a s i ca n di t sa p p l i c a t i o ni nt h e m 1 s ，a n da d op r o g r a m m i n g f i n a l l y , t h ed e v e l o p m e n to f v h m si ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m v o l t a g ea n dh a r m o n i cm o n i t o r i n g d a t ac o m m u n i c a t i o n m i s m s c o m m a d o i i 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。 关于学位论文使用授权的说明 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 东南大学硕士学位论文电网电压九皆波监测系统的设计与实现 1 1 电网监测及其应用 第一章引言 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主 要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同利对电能质 量的要求也越来越高。 表1 1 电力系统电磁现象的种类 1 1 1 电能质量及其指标广t t 1 磊面一 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正 弦的波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流 电力系统中，各相的电压的电流都应该处于幅值大小相 等、相位互差2 玎3 的对称状态。由于系统各元什( 发 电机、变压器、线路等等) 参数并不是理想线性对称， 加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机 性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在实 际当中并不存在，因此产生了电能质量的概念。 电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正 常工作的电压、电流或频率偏差、其内容涉及频率偏差、 电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不 平衡以及电压波动和闪变等等【】j 。有关这些电磁现象的 的一些种类参见表1 1 。 人们对电能质量问题的重视并非近几年的事情，而 是伴随着电力系统发展的全过程，早期的内容比较简单， 主要是局限在频率偏差和电压偏差两个方面。自从8 0 年代以来，随着新型电力负荷的出现以及它们对电能质 量的不断增加的要求，电能质量才逐渐引起电力公司私j 电力用户的普遍重视，其主要原因有以下几个方面【ij ： 1 为了提高劳动生产率和自动化水平。大量基于 计算机系统的控制设备和电子装置的投入，这些设备和 装置对电能质量非常敏感。一个计算中心失去电压2 s 就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万 美元的产值。当今自动化生产设备的连续精密加工生产， 不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自动化生产 线，例如柔性制造系统( f m s ) 或计算机综合制造系统 ( c i m s ) ，它们对配电系统中的干扰和异常非常敏感，甚 至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些用户对不合格电力的容许程度严 格到只有持续工频l 2 个频率周期。 2 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压 及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电气等负荷的迅速发展，由于其非线性、 冲击性以及不平衡的用电特性，使电网电压波形发生畸变，或引起电压波动和闪变以及三 相不平衡，甚至引起系统频率变动，这些对供电电能质量会造成严重的干扰和污染。 东南大学硕士学位论文电网电压谐波监测系统的啦汁与实现 3 电能作为商品，在电力市场运行机制下，不同的发电公司，包括独立电能生产商， 在发电侧实行竞争，输配电系统( 即电力公司) 与发电分离，独立经营管理，为发电公司 和用户提供转送电能服务，用户侧也可以作为独立实体参加价格控制。这样个开放和鼓 励竞争的运行环境，必然对电能质量提出越来越高的要求，并促使电能质量标准化的发展 和不断完善。 电能质量和一般产品质量不同，有其如下特点：l 不完全取决于电力生产企业，甚至 有的质量指标( 例如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度) 往往是由用户干扰所造 成的；2 对于不同的供( 或用) 电点在不同的供( 或用) 电时刻，电能质量的指标往往是 不同的，也就是说电能质量在时间和空间上都处于动态的变化之中。特点1 说明：全面保 障电能质量，既是电力企业的责任，也是用户府尽的义务：特点2 说明：电能质量指标宜 用概率统计结果来衡量，并且需指明监测点。 1 1 2 改善电能质量的意义 改善电能质量对于电网的安全经济运行，保障工业产品质量币i 科学试验的正常进行以 及降低能耗等均有重要意义，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。 良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的，但是恶劣的电能质量对电力系统运 行的不利影响并没有引起人们足够的重视。 从危害程度讲，某些电能质量问题的危害是破坏性的。例如，雷电波冲击、电容器和 电缆线路投切时因渚波谐振引起的过电压往往造成电气设备的绝缘和机械损坏，从而影响 电力系统的正常运行；继电保护装置因谐波和负序干扰引起误动造成电网大面积停电会造 成巨大的经济损失；短时的供电中断或电压跌落可能导致生产混乱和工业冶金产品的大量 报废甚至危害人身安全。 另一方面，某些电能质量问题主要影响电气设备的性能指标，例如不正常的电压和频 率偏差会引起异步电机负荷的转速和功率变化，导致传动机械的效率降低，使纺织、造纸 等产品的质量受到影响；谐波电流在旋转电机、输电线路、变压器等输配电设备中流通使 得这些设备因产生附加损耗而过热，从而降低了这些设备的寿命或容量。 因此，提高电能质量，保证持续、可靠供电成为发电部门、供电部门和电力用户共同 关注的问题。然而，电能从生产到消费是一个整体，电力系统的发、供、用始终处于动态 平衡之中，其中任何一个环节都会对电能质量产生影响：而电能质量指标的控制需要相当 的投入( 包括电网结构的改进、有功功率和无功功率的平衡，各种凋频、调压、滤波和无 功补偿装置的使用以及调度和运行技术管理等) ，而且各种指标的控制技术也在不断发展利 完善之中。实际上，电能质量指标和额定值的偏差是不可避免的，为此，世界各国和地医 都从当前( 或近期发展) 的技术水平出发，确定适当地电能质量指标偏差允许值，制定了 电能质量标准。 1 1 3 电能质量国家标准简介1 1 电能质量标准制定的任务，就是从当前( 或近期发展) 的技术水平出发，确定适当的 电能质量指标偏差的允许值。标准合理与否的判断准则应是：1 基本上能保证电力系统的 安全、连续供电和经济运行；2 总体上能够保证用户电气设备的正常用电；3 电力部门( 包 括干扰性用户) 在当前技术水平基础上，作一定的努力应能达标。 从上世纪8 0 年代初开始，国家质量技术监督局( 原国家标准局) 将制定国家电能质量 系列标准列为重点项目。至2 0 0 0 年底已颁布系列标准5 个，即g b1 2 3 2 5 - - 9 0 供电电压允 许偏差；g b l 2 3 2 3 2 0 0 0 电压波动和闪变：g b t 1 4 5 4 9 9 3 公用电网谐波；g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度；g b t1 5 4 9 5 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差。上述五 2 东南大学硕士学位论文 电网电压 旨波监劂系统的设计与实现 个标准虽然对供电特性作了一些基本的规定，但尚不全面。进一步完善电能质量标准体系 的工作国内外都在进行之中。由于不同国家和地区电力设备装机容量的丰裕程度、输配电 距离的长短、国民经济的发展速度、无功补偿与调压设备的满足程度和用户生产的性质等 不尽相同，所以对电能质量的要求也不完全一致。 目前国家对电压的监测作出了规定，其中电压有效值的监测已经成为强制性规定，电 压谐波的监测也日益受到相关部门的重视，本文内容正是针对这两个方面展开，在此给出 国家关于电压标准的概述。 1 9 9 0 年1 2 月1 日开始实施的国家标准g b l 2 3 2 5 - - 9 0 供电电压允许偏差规定了我国 电力系统在正常运行条件f 的供电电压允许偏差范围： 1 用户受电端的电压允许偏差范围 在电力系统正常运行的情况下，供电企业到用户端的供电电压允许偏差： ( 1 ) 3 5 k v 及以上供电的，电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 。 ( 2 ) l o k v 及以下三相供电电压( 含3 b o v ) 允许偏差为额定电压的7 。 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差范围为额定电压的+ 7 ，1 0 。 ( 4 ) 在电力系统非正常运行的情况下，用户受电端电压最大允许偏差不应该超过额定值的 1 0 。 ( 5 ) 用户用电功率因数达不到规定要求的，其受电端的电压偏差不受上述限制。 ( 6 ) 对电压有特殊要求的用户，其供电电压允许偏差由供电协议确定。 2 发电厂、变电所母线电压允许偏差范围 ( 1 ) 5 0 0 ( 3 3 0 ) k v 母线：正常运行方式时，最高运行电压不得超过系统额定电压的l o ： 晟低运行电压不应影响电力系统同步稳定、电压稳定、工厂的正常用电以及下一级电 压的调节。向空载线路充电，在暂态过程衰减后，线路末端电压不应超过系统额定电 压的1 ，1 5 倍，持续时问不应超过2 0 m i n 。 ( 2 ) 发电厂和5 0 0 k v 变电所的2 2 0 k v 母线：正常运行方式时，电压允许偏差为系统额定电 压的0 i 0 ；事故运行方式时，为系统额定电压的一5 + 1 0 。 ( 3 ) 发电厂平2 2 0 ( 3 3 0 ) k v 变电所的l l o 3 5 0 k v 母线：正常运行方式时，电压允许偏差 为相应系统额定电压的- - 3 + 7 ：事故后为系统额定电压的1 0 。 ( 4 ) 发电厂和变电所的l o k v 母线：应使所带线路的全部高压用户和经配电变压器供电的 低压用户的电压，均符合上述用户受电端的电压允许偏差范围。 3 电压合格率 电压合格率是指实际运行电压在允许电压偏差及电压变动幅度范围内的累计运行时间 与对应的运行统计时间的比值。 1 9 9 4 年3 月1 日开始实施的国家标准g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 公用电网谐波规定了对公用 电网谐波的要求，公用电网电压谐波限制值如表1 2 所示。 表1 2 公用电网电压谐波限值 电网标称电压( k v ) 电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) ( ) 奇次偶次 o3 85 04 o2 0 6 、1 04 03 21 6 3 5 、6 63 o2 4l2 1 t 02 0l6o 8， 东南大学硕士学位论文 电网电压谐波监测系统的设计与实现 1 2 电网电压谐波监测技术 1 2 1 电网电压的监测 电压是电能质量的重要指标之一。电压合格率是评价电网电压质量、生产调度管理工 作、制订电网规划和技术改造计划的重要依据，也是考核系统运行管理水平的重要指标之 一。因此，建立完善的能反映全貌的电压监测体系，并对其监测数据加强分析工作，对供 电企业的调度运行管理和规划改造工作十分重要【ij 。 为了使得电压监测点的电压质量记录能够科学真实地反映电压状况根据需要已经开 发出了专门用于电压质量监测的“电压监测仪”产品。早期产品为记录式，它对被监测电 压的超限时间与总供电时间分别由相应的计时器记录、累计，由人二【进行电压台格率的计 算，已经被淘汰。目前广泛使用的是统计式，它是以微处理器为主的设备构成，具有进行 自动记录和统计功能，其主要功能有”】： 1 具有监测电压偏差及直接或间接地统计电压合格率或电压超限率的功能。 2 具有按月和按日统计的功能和具有打印功能。 3 实时显示被监测电压，刷新周期为2 s 。 4 能够预置被监测电压额定值，并按要求整定在被监测电压允许偏差范围内的上限值 和下限值。 5 在正常使用条件下，在被监测额定电压的2 0 范围内，其综合误差k 0 5 。 由于电网中各点的电压值不同，故整个电力系统必须设置足够数量并具有代表性的发 电厂、变电所、配电网以及各电压等级用户的电压监测点。电力系统电压监测点的设置原 则是： 1 与主网( 2 2 0 k v 及以上电网) 直接连接的发电厂高压母线： 2 各级调度“界面”处的3 3 0 k v 及以上变电所的一、二次母线，2 2 0 k v 变电所的二次 母线和一次母线； 3 所有变电所l o k v 母线； 4供电企业应选定一批具有代表性的用户作为电压质量考核点。应包括：所有1 l o k v 及以上供电的和3 5 k v 专线供电的用户；其他3 5 k v 用户和l o k v 用户，每l 万k v 负 荷至少设置一个并应包括对电压有较高要求的重要用户和每个变电所l o k v 母线所 带有代表性的线路末端用户；低压3 8 0 2 2 0 v 用户，至少每百台配电变压器设置一个， 应设置在有代表性的低压配电网的首末二端和部分重要用户中。 5供电企业还应对所辖电网的 o k v 用户和公用配电变压器、小区配电室以及具有代表 性的低压配电网线路首末端用户的电压进行巡回检测，检测周期不应少于每年一次， 每次持续时间不应少于2 4 h 。 为了促使供电企业向用户提供优质电能 流工作中，对电压合格率指标作了明确规定 决。具体要求如下： 在供电企业开展的安全文明生产达标和刨一 是必备条件之一，若达不到要求，则一票否 达标企业：供电电压合格率9 2 ，其中a 类电压合格率9 0 一流企业：供电电压合格率9 8 ，其中a 类电压合格率9 9 1 2 2 电网谐波的监测 由于电网谐波问题的复杂性，采用近似的程序计算很难反映出电网的真实谐波，通常 采用谐波实际测量数据作为发现问题、研究问题和解决问题的最终手段。实测电网谐波的 干扰状况，已经成为保证电网安全经济运行，高质量供电必不可少的措施之一。为此，世 4 东南大学删士学位论文电网电压谐波临测系统的设计与实现 界各国相应研制和开发了一系列的谐波测量装置和仪器。谐波测量的历程大致可以分为三 个阶段h 【 j ：第一阶段时从l 9 世纪初至2 0 世纪4 0 年代，谐波成份的分析主要依靠实测波 形的傅立叶计算，即利用信号波形的录波图，人工手动等间隔地量取数值，然后采用手算 的方法进行谐波分析计算，计算过程十分费时费力，精度很低，分析谐波次数也不高。这 一方法在我国一直沿用到上世纪7 0 年代。第二阶段是2 0 实际5 0 年代8 0 年代，这一时期 选频测量技术获得了广泛的应用和普及，相应研制了一系列选频式谐波测量仪器仪表，测 量方式是用失真度式的仪器测量谐波总畸变率，外差选频式逐项测试各次谐波分量，现在 使用的有些谐波监测仪、报警仪、谐波电压表和电流表就是根据此原理制成的。这类谐波 分析仪器仪表虽然较早期的人工分析方法有了很大的提高，但是测试的结果只能给出谐波 的幅值而不能给出相位，测试调节也很麻烦。第三阶段是2 0 世纪8 0 年代至今，由于集成 电路和微处理机及计算机技术的迅速发展，已经产生了一系列基于快速傅立叶变换的谐波 分析仪，被测信号经过采样保持、a d 转换，计算机傅立叶计算输出结果，测试操作十分 方便，计算结果快速而准确，可同时进行多路信号的测量。新一代多功能、数字化、自动 化和智能化的谐波测量分析仪已经成为发展的主要方向，与此相应的谐波测量方法和谐波 传感装置都得到了很大的发展。 电网谐波的分析研究和日常监督管理是建立在谐波测量基础上的，而谐波数据的取得 必须借助于有效的测量仪器，目前国内外已经研制成功的各种可供谐波测量分析使用的仪 器中仪器性能和测试目的的不同大致可以分为三类：一是用于谐波日常监测：l 作的监测仪 或报警仪，该类仪器测试功能简单，但是精度不高：二是专门测试谐波用的高性能谐波分 析仪和频谱分析仪：三是用于谐波和其他电能质量综合测量的分析仪。 近年来，发达国家在研制和使用谐波分析仪方面发展较为迅速，仪器的性能先进，测 量功能齐全，使用范围广，但是价格较为昂贵。相比之下国内测量仪器价格较低，但是制 造工艺较差，可靠性和精度方面较差。 谐波作为表征电能质量的一个重要指标，也有必要在电力系统e l 常运行中加以监删， 以保证供电系统谐波含量和波形畸变率符合国家标准要求，维护电力系统的正常安全运行， 保证良好的供电电能质量。应对谐波电压比较严重的电网公用连接点，接有对谐波影响比 较敏感的重要设备点，安装谐波电压监测仪。 监测点原则上选取谐波源用户和其他用户的公共连接点，要求监测点谐波水平必须符 合谐波标准。为了即时掌握电网谐波状况，应选取大谐波源用户供电的枢纽变电所l o k v 、 3 5 k v 和1 l o k v 母线作为电网谐波监测点。监测的主要目的是判断谐波电压含有率、总畸变 率以及谐波源的电流值是否符合标准规定。监测谐波次数一般为2 1 9 次，可根据监测点 实际情况具体适当调整。 在电网中主要谐波监测点安装固定的谐波监测仪，进行连续监测或者选取某些时段进 行监测，并定期统计监测点谐波超标情况。当谐波源用户有变化时( 新投或增容) 应及时 进行测量，正常情况下至少每年测一次。 1 2 3 电网监测技术的自动化9 目前传统的监洲手段要求每一监测点需要人员现场实时跟踪、人工打印和统计处理。 而随着无人值班变电站的增加，街区开关站、配电所的大量建立，监测点( 尤其是用户端) 也随之增加，监测点分散，范围更大，倘若仍采用目前的监测手段，需要增加人力定期到 各监测点收集监测数据，由此造成的误抄率高、数据失电丢失、故障处理率低等现象，将 大大影响监测数据的参考价值，对电能质量管理十分不利。因此如何摆脱目前监测管理中 人一r 介入，实现监测自动化、数据采集的自动化以及数据处理的微机化，是本论文探讨的 问题。 东南大学硕士学位论文 电网电压i f f 波监测系统的设汁与实现 1 3 本文研究的背景、意义及主要内容 1 3 1 本文的背景和意义 基于上述原因，无论是用户( 特别是大型用电企业) 还是电力管理部门都迫切需要现 代化管理手段的介入，对电网数据进行自动化监测、对数据实行网络化的采集管理，以便 电管部门加强电网质量的管理，向用户提供合格的电力，保证电网安全、经济、稳定运行， 同时为各供电企业做好电网规划建设与运行管理提供依据，使得电网结构、布置、供电半 径、潮流分布经济合理。 随着微电子技术、传感器技术、计算机技术以及现代通信技术的发展，研制电网数据 监测仪表以及为之建立相应的数据传输、管理系统便提上日释。目前，国外已有较为成熟 的电压监测成套技术，并已广泛应用。这类产品通常只是针对电压监测的要求设计，能够 睦期连续地对监测点电压有效值进行实时测量和统计记录，并将统计数据传输到m i s 中， 进行数据管理和报表输出。 随着国家能源事业的发展和管理体制的改革，发电、供电已分割为不同企业，实行市 场化运作，发电、供电之间电能质量监测的要求进一步提高；电力用户对供电质量的要求 电不断提高，有关电能质量的经济纠纷也日益增多，迫切需要有效的技术手段对包括谐波 在内的电能质量进行监测。有关国内有关企业正针对这一需求，大力开展研制开发相关的 监测系统产品。 本文的研究课题正是在上述市场背景下，根据厂家提出的具体设计技术要求，结合电 压谐波监测仪表的研制，建立电能质量监测数据传输通信系统及其管理信息系统。本课题 的研究对于研发拥有自主知识产权的电能质量监测与管理信息系统技术、提高电网管理自 动化水平、适应我国目前厂网分离的发展趋势、满足国内市场需求有着重要的意义。 1 3 2 本文的主要内容 本文结合电网电压谐波监测系统的研制，讨论数据采集技术利m i s 的应用。 第二章进行系统分析，首先介绍现场仪表，包括仪表系统结构、监测原理、统计数据 以及数据通信方式；然后对电网电压谐波监测系统进行系统分析，讨论该系统使用的数据 传输方式和m i s ，并简要介绍一下系统编程实现。 第三章讨论系统数据采集，首先介绍系统的通信协议，包括系统数据传输采用的数据 格式、仪表数据约定以及差错检验；然后介绍为本系统数据传输而研制的m o d e m 和掌上型 抄表机( 下称掌抄机) ；最后介绍系统数据传输程序设计和编程实现。 第四章讨论管理信息系统的设计与实现，首先介绍m i s 设计，包括需求分析、概念设计、 逻辑设计和物理设计：然后介绍m i s 实现，主要介绍a c c e s s 在本系统中的应用以及v b 对 数据库的访问；最后介绍安装程序的制作。 第五章中给出本文的结论。 东南大学硕士学位论文电网电压，谐波监测系统的设计与实现 第二章系统设计 在系统中，一台d t 4 型电压谐波监测仪( 下称d t 4 仪表) 完成一个监测点电压i a 波 的测量和记录，并以一定的通信协议向p c 机传送数据：数据通信可采用多种方式：运行在 p c 机上的m i s 完成所有监测点数据的存贮、管理和有关统计。本章首先对d t 4 型电压谐波 监测仪做简单介绍，并在此基础上讨论数据通信和m i s 总体设计中的有关问题。 2 1d t 4 型电压谐波监测仪1 2 d t 4 仪表是与数据通信、m i s 部分同步开发的，它是整个系统的“数据前端”。在讨论 数据通信和m i s 设计之前，先作简要介绍。 d t 4 仪表设计中充分考虑了电网电压、谐波的测量、记录和数据传输要求，以及应用中 对仪表体积、重量、功耗、操作方式等方面的要求。它采用双m c u 结构，以满足较大的计 算量、实时响应和较低成本的设计要求，功能设计中遵循了有关的国家标准和行业标准， 并兼顾了与以前有关产品的兼容。 图2 1d t 4 电压谐波监测仪原理框图 d t 4 仪表的总体结构如图2 1 所示，它适用于各种电压等级监测点，对2 0 0 v 3 8 0 v 监测 点，被测信号直接取自供电线路；对更高的电压等级，被测信号则是经电压互感器降压后 的l o o v 额定电压信号。 被测信号经调理后分别送电压测量采样、谐波测量采样。电压测量采样选用了a d 5 3 6 和7 1 3 5 芯片，前者是a d 公司出品的交流真有效值变换器，后者是与常用的4 。几位双积分型 a d 转换器，它们的组合保证了非正弦电网电压情况f 的测量精度。电压测量a d 值经线性变 换即可得到电压测量值。谐波测量采用交流采样，即在一个工频周期内对被测信号进行6 4 东南大学硕士学位论文 电网电压谐波崎测系统的敬计与实现 点采样，并对采样数据进行f f t 运算，得到2 3 1 次谐波分量，再按照式2 1 式2 2 计算各 次电压谐波含有率h r u 。和总谐波含有率t h d u ： 瑚乩= 静圳。 弦， 式中，虬为第h 次谐波电压( 均方根值) ，u 为基波电压( 均方根值) 。 u h ( 2 2 ) 可见，谐波测量的计算量比较大，所以发计中采用了双m c u 结构，即一个从m c u 专门 用于谐波测量的采样和计算，并将测量结果通过共享数据存贮器传给另一个主m c u 。主m c i j 则负责电压测量( 线性变换所需计算量很小) 、电压谐波数据统计和存贮管理、数据通信 以及显示和键盘输入等。 d t 4 仪表设置了8 个按键、1 0 位l e d 数码管显示器和1 2 个发光管，作为人机操作的输 入输出装置。功能设计中合理复用，并配以适当的字符、指示灯等操作提示，以在满足参 数数据显示要求的前提下，使操作面板简捷、人机交互方便。由于需要实时记录存贮电压、 谐波的统计信息，仪表配置了d a l l a s 公司生产的时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 作为时钟基准，并配 置了1 2 8 k 字节容量的非易失性数据存贮器，以满足大量实时统计数据存贮的需要。 在测量的基础上，d t 4 仪表按照国家标准的规范，对电压谐波数据进行相应的处理， 形成实时监测统计数据，并按照相应的数据结构存贮。这些数据就是监测点电压渚波监测 的最终结果，也是整个m i s 的基础数据。实时统计数据处理以分钟为统计单位，将电压和 谐波测量值变换为统计值，井根据国家电能质量标准判断其是否合格，再完成统计记录。 由于是实时数据，数据存贮以时间为地址索引，数据结构也经过了优化。 d t 4 仪表记录存贮的电压谐波实时统计数据见表21 。 表2 1d t 4 仪表存贮的实时统计数据和仪表参数 数据项电压数据谐波数据 总监测时间、电压超上限时间、电压总监测时间、谐波超上限时间、总谐 曰统计超下限时间、最大电压、最大电压时波超限时间、奇次谐波超限时间、偶 数据 刻、最小电压、最小电压时刻次谐波超限时间、最大总谐波、最大 总谐波时刻 总监测时间、电压超上限时间、电乐总监测时间、谐波超上限时间、总谐 月统计超下限时间、最大电压、最大电压时波超限时间、奇次谐波超限时间、偶 数据刻、最小电压、最小电压时刻次谐波超限时间、最大总谐波、最大 总谐波时刻 整点数据整点电压整点总谐波、2 3 1 次谐波 停电数据最近6 4 次停电记录：上电时刻、下电时刻 参数仪表密码、仪表编号、电压等级、统计标准、通信方式等设簧 可见，d t 4 仪表中，实时统计数据的最小时间单位是日，并提供“整小时”时间点测量 值作为典型值采样时点。仪表可以存贮两个月的日统计数据、两年的月统计数据，其中所 东南大学硕士学位论文 电网电压谐波监测系统的设计与实现 有数据均能够通过不同的通信方式向m i s 传送，日统计数据、月统计数据和停电数据可通 过仪表面板显示。为防止误操作和人为破坏，仪表设置了操作密码，即对涉及测量、统计 的工作参数和系统参数的堤置修改都必须经过密码验证。对实时统计数据采取了一定的抗 干扰措施，并对重要的参数进行多组备份和合理性判断，进一步提高仪表工作的可靠性。 在数据通信方面，考虑到不同应用场合的情况，d t 4 共可配置4 种通信方式，即电话远 传、r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 和i c 卡。电话远传方式即m i s 通过公用电话远程调取仪表数据，为此 仪表设置了呼叫音识别、电话摘机挂机、f s k 调n 解凋等电路；r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 通信方 式则通过配置相应的通信接口电路实现；i c 卡方式选用a t m e l 公司生产的2 4 c x x 系列i c 卡。 在硬件电路的基础上，通信功能的实现依赖于通信协议的设计，有关内容将在后面的章节 中讨论。 2 2 系统结构 供电系统是一个具有时间和空间属性的监测对象，电网电压谐波监测系统的最终目标 是完成所辖区域内所有监测点电压谐波的监测、统计和信息管理，它必然是分散监测、集 中管理的系统结构：在各监测点现场完成电压谐波监测，并实时统计记录：将有关数据通 过远距离传输送到数据管理中心。即m i s ，形成整体数据的处理和输出。所以，整个系统由 三部分组成，即现场仪表、数据传输和m i s 。 图2 2 电压谐波监测系统示意图 电网电压凿波监测系统如图22 所示。现场仪表安装在各个监测点现场，完成电压 谐波监测、实时统计记录，前面介绍的d t 4 仪表正是为此而设计的。m i s 就是数据管理中心， 需要记录、处理大量的数据，并以灵活方便的形式输出结果，它安装在供电管理部门，因 此是一个运行于p c 环境下的数据库和信息处理软件系统。数据传输则是联接现场仪表平| 1 m i s 的纽带，由通信设备硬件和数据通信协议组成。 东南大学硕士学位论文电网电压，谐波监测系统的设计与实现 由于全国各地电力生产供应体制、用户特点、系统运行状况都不尽相同，所阻对所辖 区域电能质量管理的具体要求千差万别。电网电压谐波监测系统中，通过m i s 的不同设计 实现不同用户的不同要求。这样不仅实现起来灵活方便，而且由于现场仪表功能统一，有 利于批量生产和系统维护。这 就要求现场仪表的设计必须 总体考虑，为m i s 提供完整的 实时统计数据，由m i s 根据需 要选择。 同时，通常供电部门采用 分级管理的模式，即省管市、 市管县，所以m i s 要根据这一 模式具有相应的功能。县级 m i s 由各监测点的数据形成报 表上报市级m i s ；市级m i s 由 其所辖各监测点的数据形成 报表，并汇总县级m i s 报表， 形成报表上报省级m i s 。 因此，电网电压谐波监 测系统的结构是一个分级结 构，如图2 3 所示。现场仪表 为d t 4 仪表，研制工作由他人 完成，其主要功能前面已经做 了简要介绍，本文讨论的是数 据传输和m i s 的设计与实现。 2 3 数据传输 图23 分级m i s 系统示意图 由于整个系统是分级结构，所有的数据传输都是自上而下的，即由m i s 根据管理的需 要，发起数据传输( 抄表) 过程。所以，在数据传输系统中，m i s 是主机，各现场仪表是从 机。抄表是m i s 与某一台仪表“一对一”的通信过程，数据的主要流向是从仪表到m i s ，当 然，其间m i s 要向仪表发送命令并控制数据传输的过程。 2 3 1 通信方式 在各地的电网电压谐波监测系统应用中，监测点的场地、环境、设备以及系统管理人 员的配置也不同：有的监测点是变电站，有的是厂矿企业，有的甚至在居民家里：有的是 市区，有的是偏远的乡村：对于数据采集，有的有专门部门或专业人员负责，有的则是委 托当地居民代管。所以，数据传输部分的设计要体现多样化，各监测点可以具有多种通信 方式，以适应不同的应用需求。另外，应尽量减少现场操作，并使之简便易行以减少误操 作的可能性。同时，由于d t 4 仪表只能存贮两个月的完整数据，原则上必须每个月一次地 将仪表数据传到m i s 数据库中，所以，设计中戍考虑尽可能地降低系统应用中数据传输所 需的费用。 目前共用电话网已相当普及，一般监测点处都安装了电话线，所以系统数据传输的主 要方式通常是电话远传，即m i s 通过电话拨号，呼叫远方的现场仪表；现场仪表接到呼叫 o 东南大学硕士学位论文 屯网电压，惜波盟铡系统的设计与实现 后激活其通信功能，并回应呼叫，两者建立通信，m i s 再通过向仪表发送有关命令，完成数 据传送。在很多应用场合需要多台现场仪表共用一条电话线传送数据，如变电站有多条 出线大型厂矿企业有多条进线，所以一个地点有多个监测点。在这种情况f ，监测现场 可设置一个中转器。中转器内部具有m o d e m 功能，联接电话线，并通过其r s 一4 8 5 接口与多 台现场仪表联接。m i s 通过拨号呼叫中转器，建立通信斤发送仪表地址，以与某一台仪表建 立通信链路，完成数据传输。实际上，可以由指定现场仪表中的一台完成中转器的功能。 在一些电网自动化程度较高的地区，变电站与管理部门之间一般己配置了专用的数据 信道，如光缆或无线电台，站内数据采集通常是r s 一4 8 5 方式。数据传输时，m i s 通过专用 数据信道向站| t f = j 计算机发命令，站内计算机通过r s 一4 8 5 总线接收现场仪表的数据，所用方 式与电话远传相同，再通过专用数据信道将数据传给m i s 。 以上两种方式不需要人员去现场操作，可由计算机根据事先计划自动完成，数据传输 的时间也可选择在夜间或供电调度较少的时间段内进行。 对于不适用电话远传或r s - 4 8 5 方式的监测点，则采用人工抄表，即由操作人员采用 i c 卡或掌抄机，到现场采集仪表中的数据，再到管理部门将所抄数据送入计算机。对丁人 工抄表，所用数据传输接口是i c 座和r s 一2 3 2 总线。另外，对于一些特殊工作需要，如 现场仪表故障诊断、仪表设置等，也可采用笔记本电脑通过r s 一2 3 2 接口完成有关操作。 随着无线通信技术的发展，无线抄表技术也应运而生，目前一项比较成熟的技术是通 过g s m 短信方式完成抄表。由于短信方式抄表时，现场仪表需配置g s m 模块，价格较高， 且一条短信的数据量有限，且资费较高，所以目前设计中没有采用。当然，一股g s m 模块 具有r s 一2 3 2 接口，所以今后扩展并不困难。 综上所述，数据传输有四种方式，即电话远传、r s2 3 2 、r s 一4 8 5 和i c 卡。 1 电话远传方式 采用公用电话网传送数 据的技术已相当成熟，最具 代表性的就是调制解调器 ( m o d e m ) 技术。通常，m o d e m 分为a s k 、f s k 、p s k 和q a m 便丧 四种形式，即通过载波信号 的调幅、调频和调相，实现 数据的远距离传输。一般认 为，p s k 和q a m 是较好调制 解调形式，目前通用的 m o d e m 大多采用p s k 形式， q a m 则用于高速同步通信。 图2 4 电话远程数据传输示意斟 然而，考虑到硬件成本和开发成本，d t 4 仪表选择了f s k 形式，数据速率为1 2 0 0 b p s 。 目前，市场上很难找到f s k 的m o d e m ，所以需要自行研制应用于m i s 端p c 机的m o d e m 。设 计中可采用简化设计，即能够实现系统所需的数据传输功能即可。 m o d e m 通过r s 一2 3 2 接口与运行m i s 的p c 机相联。远程抄表时，m i s 向m o d e m 发拨号命 令，m o d e m 拨号接通后向m i s 回应“o k ”，表示数据链路己建立，m i s 再按照通信协议与远 方的d t 4 仪表进行数据传输。考虑到可扩展性，该m o d e m 的命令集府参考标准的a t 命令集。 这种方式是半双： 的，并且数据速率较低，所以只适合于传输统计数据。由于电话联 接中采用信号互感器实现交流耦台，所以电隔离也白行完成。 东南大学倾士学位论文 电网电压，谐波臆测系统的世汁与实现 怔位 冒 掌挣 雷 珧硒毗槲巾。 图2 5 掌抄机数据传输示意图 2 r s 一2 3 2 方式 r s 一2 3 2 是一种常用的串行通信接口标准，适用于一对一的近距离数据传输。采用r s 一2 3 2 方式时，通信双方直接进入通信协议阶段传送数据，无需建立通信链路的过程。 考虑到掌抄机和p d a 均为电池供电，与现场仪表的距离很近，引入强烈干扰的可能性 较小，为了简化设计，d t 4 仪表和掌抄机的r s 一2 3 2 接口没有采取电隔离措施。同时，为了 加快现场抄表的速度，数据速率取为9 6 0 0 b p s 。 图2 6r s - - 4 8 5 现场总线数据传输示意图 3 r s 一4 8 5 r s 一4 8 5 是一种常用的半双工通信接口标准，适用于一对多的数据传输，通信距离可达 1 千米。在一对多的通信系统中，通常有一台主机其余为从机。数据传输前，主机通过“地 址”呼叫区分不同的从机，建立“一发一收”或“一发多收”通信链路。通信链路建立后， 即可开始进入通信协议阶段传送数据。 i ) t 4 仪表r s 一4 8 5 的设计采取了隔离措施，p c 机上可配备隔离型的2 3 2 4 8 5 转换器，且 其“半双：l ：方向”控制是根据数据流向自动完成的。数据速率取为9 6 0 0 b p s 。 国 雩铡鱼 雷 辨器埋 现场+ 敬珊岫c 图27 i c 卡数据传输示意图 4 i c 卡 目前，i c 卡的容量可达l o k 字节水平，读写操作方式有接触式( 用插座) 和非接触式 ( 无线) 两种，读写的速度也较快。考虑到容量、价格和抗干扰等方面的因素，系统选用 了接触式的a t 2 4 c 6 4 。它具有8 k 字节容量，足以胜任现场仪表数据抄录。为了实现i c 卡抄 表功能，d t 4 仪表设置i c 卡座，m i s 端p c 机采用厂家提供的标准读r 器，通过r s 一2 3 2 接 口联接。 1 2 宇 譬一 o 东南大学硕士学位论文 电网f 乜压谐波监测系统的设计与实现 2 3 2 通信协议 数据传输方式确定后，通信协议就显得至关重要。与其他方式相比，i c 卡方式有所不 同。该方式下，监测点现场的抄表过程是仪表c p u 对存贮器件( a t 2 4 c 6 4 ) 的写入过程，它 采用的是i2 c 总线：由于标准读卡器提供了读写函数，m i s 端p c 机只需调用这些读写函数 便可实现数据传输。所以通信协议的设计只需针对其他三种通信方式。 不难看出，三种方式中，只有电话远传需要在拨号呼叫建立远程数据链路之后，开始 数据通信过程：而其他方式由于是固定的数据链路，无需这一过程。在多台仪表共用一条 数据链路的应用( 通常采用r s 一4 8 5 接口) 中，真正开始传送数据之前，还需要通过“仪表 地址”设定是哪台仪表使用数据链路，这也是一个建立数据链路的过程。 在不同方式下，数据通信的过程是c p u 之间通过不同的数据链路、通信接口交换数据 的过程。有的是现场仪表c p u 与m i s 端c p u 之间的直接传输，如电话远传方式，有的现场 仪表或m i s 端的c p u 与中介设备( 如站内计算机、掌抄机或读卡器) 的c p u 之间的传输。 由于系统的“主一从”式结构，且传送的数据是单向的( 仪表数据由现场仪表传到m r s 端p c 机) ，所以通信协议采用“一问一答”的方式，即m i s 发数据传输命令，以确定所需 传送的数据类别，仪表回复相应的数据内容，命令和数据都具有规定