（电气工程专业论文）智能型低压配电监控系统的研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 随着配电自动化和电力监控系统的快速发展，作为其重要组成部分的低压 智能监控系统也得到了更多的开发和重视。江苏大全集团镇江默勒电器有限公司 为了完善自己的低压智能配电系统，增强低压智能配电工程的配套能力，成立了 一个低压智能配电系统的研制小组，研制自己的适合国内市场并带有智能监控模 块的低压智能监控系统。 本文针对国内低压配电网的现状，分析了配电网监控系统的测量原理，提 出了智能型低压配电监控系统的软、硬件的功能配置，对所在的镇江默勒公司丌 发相关产品提供了依据，为该公司采用并在此基础上开发的产品k m s c a d a 智 能监控系统。 根据上海久事公司的低压智能配电网提供的基本供电要求、设备配置和负载 情况，完成了配电网智能化工程设计，设计了低压配电网一次电路结构，对丌关 设备容量进行计算和选型，给出了实现配电网运行方式所要求的现场智能监控模 块的控制逻辑。采用k m s c a d a 智能监控系统，现场安装调试及运行结果表明， k m s c a d a 智能监控系统具有较好的配置灵活性和运行可靠性，能满足国内低压 配电网智能化监控的要求。 关键词：智能型；低压配电；监控系统 智能型低压配电监控系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e ra u t o m a t i o na n dt h ep o w e rm o n i t o r i n g s y s t e m ，t h el o w - v o l t a g ei n t e l l i g e n tp o w e rs y s t e mh a sb e e np u tm o r ee m p h a s i sa n d r e s e a r c ho n z h e n j i a n gk l o c k n e r - m o e l l e re l e c t r i c a ls y s t e m sc o ，l t d s e to n er e s e a r c h g r o u po nt h el o w - v o l t a g ei n t e l l i g e n tp o w e rs y s t e mt oo p t i m i z ei t so w nl o w v o l t a g e p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t oi n c r e a s et h ea b i l i t yo ft h el o w - v o l t a g ei n t e l l i g e n tp o w e r s y s t e m ，a n dt om e e tt h en e e d so fc h i n e s ec u s t o m e r s b a s e do nd o m e s t i cc u r r e n ts i t u a t i o no nl o w - v o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， a n da n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o n so fd i f f e r e n tp o w e rn e t s ，t h ef u n c t i o n sf o rt h e i n t e l l i g e n tm o d u l ea n dt h es o f t w a r ew e r es u g g e s t e di nt h i sp a p e r t h ek m s c a d a s y s t e mw i t ht h ep m u 10 0 e i n t e l l i g e n tm o d u l e si n t e g r a t e dw a sd e v e l o p e d t h ek m s c a d a l o w - - v o l t a g ei n t e l l i g e n tp o w e rs y s t e mh a sb e e nu s e di nm a n y p r o j e c t s ，s u c ha ss h a n g h a ij i u s h ic o m p a n y i nt h i sp r o j e c ta c c o r d i n gt ot h ep o w e r r e q u i r e m e n t sa n dl o a d si n f o r m a t i o n ，m a n ye n g i n e e r i n gw o r kh a db e e nd o n e ，s u c ha s c h o i c eo fp o w e rn e t ，c a l c u l a t i o n so fl o a d s c a p a c i t i e s a n dc h o i c eo fr e l a t i v e c i r c u i t - b r e a k e r s a f t e rt h ek m - s c a d a s y s t e mw a sf i n i s h e di n s t a l l a t i o na n dw i r i n go n s i t e ，t h et e s t so nt h es y s t e mw e r ec o m p l e t e di nm a n yf i e l d ss u c ha sc u r r e n t ，v o l t a g e ， f r e q u e n c y , b r e a k e rs t a t u s ，f a u l tm e s s a g e t h et e s tr e p o r t w a sa c c o m p l i s h e d a c c o r d i n g l y w i t ht h es u c c e s s f u lu s eo ft h ek m s c a d a s y s t e mb yv a r i o u sc u s t o m e r s ，s u c h a sy a n g z ic h e m i c a lp l a n t s ，i ts h o w e dt h ea b i l i t yt o c o m p l e t et h ew h o l ep o w e r a u t o m a t i o np r o j e c tb yt h ec o m p a n y k e yw o r d s ：l o w - v o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ；i n t e lli g e n t ：s u p e r v is e d c o n t r o ls y s t e m i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密臣y 。 学位论文作者签名： 弓郸 导师签名： 签字日期：力俨号月沙日 签字日期：年月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 在现代生活中，电力供应的作用举足轻重。传统的低压配电系统，主要通过电工仪表 ( 电表、电压表、功率表、电能表等) 和控制电器( 断路器、接触器、继电器等) 实现配 电、控制、保护、监视等功能。 这种方式需要配备有多种模拟指针式仪表和控制电器，以人工现场操作为主，无法实 现电力供应的智能化集中管理【l 】。随着现代工业和新技术的发展，电力仪表和设备的数字 化技术开臻成熟，一些发达国家己经成功地将数字智能化技术应用到低压成套设备上。就 是将电力设备的电力计量、监测、保护、控制同微电子技术、计算机技术、网络通讯技术 相结合，实现现代电力工业自动化，这已经成为一种必然趋势。 1 1 低压智能配电系统基本概念 为了提高国内电力系统运行效率，改善供电质量，从二十世纪九十年代初丌始，国家 投入了大量资金进行国内的城乡电网改造。电网的改造不仅包括输配电设备本身的更新i 而且还包括配电自动化技术的推广和应用。近年来，国内变电站综合自动化、小区、工厂 及楼字供电自动化技术及其应用发展很快，智能化的各种电压等级开关设备也得到了越来 越广泛的应用，这为配电网自动化提供了良好的基础1 2 l 。作为电力系统直接面向用户的术 端网络，低压配电网自动化在配电网自动化系统中占有十分重要的地位，是配电网自动化 系统的重要的组成部分【3 , 4 】。江苏大全集团在成功引进德国默勒公司的先进的低压配电没 备的同时，抓住市场机遇，根据国内低压智能配电系统需求，利用国内配电网自动化技术 和低压供配电智能化元件，设计和开发了低压智能配电系统的硬件和软件等相关系列产 品，提高了公司的低压智能配电系统的工程配套能力。 1 1 1 低压配电网简介 低压配电网是电力系统直接面向用户的末端网络。通常低压配电网中包括有进线开 关、母联开关、发电机出线开关、馈电开关、电容柜等，进线刀= 关是低压配电网中最重要 的环节，它直接与变压器相连，为整个低压配电电网提供进线电源，并对整个低压配电网 络提供有效的保护功能：馈电丌关为用户的应用设备提供电力，并保证设备的证常运行， 智能型低压配电监控系统的研究 例如照明系统、空调设备、电梯和电动机传动装置等；电容柜的使用能够提高低压配电网 的功率因数，补偿电网电压失落，使得低压配电网处于最优化运行状态；如因高压系统失 电或变压器故障导致市电失电，则低压系统发电机自动运行，通过发电机出线丌关向低压 配电网提供应急电力，保证重要的馈电回路能够正常运行【2 1 。 由此可见，为了实现对低压配电网的监控功能，也就是实现对低压配电网中相应开关 和负荷设备的数据采集、控制和管理功能。低压配电网中的开关和用户设备需要具备一定 的基本条件以满足对其实现监控的功能，例如所有断路器具有状态接点以备监控系统采集 丌关的状态量信号；进线开关、母联开关和馈电开关均配置有电流互感器以备监控系统采 集实时电流量；同时为了满足对断路器的远方遥控功能，断路器本身需配置电动操作机构。 只有具有了一定的基本条件，低压配电网j 能配置其他的监控设备和网络部件实现智能化 监控功能。 1 1 2 智能型低压配电系统组成原理 智能型低压配电系统是对传统低压配电网的现场丌关设备或丌关元件配置相应的智 能监控元件，现场智能监控模块与监控主机通过数字通信网络进行数据交换，完成智能化 管理的一种电力监控系统【2 】。它具有配置简单、通信数据实时性好、易于操作和维护等特 点，使得用户能够对低压配电设备实现无人值守功能。智能型低压配电系统最大程度地利 用了数字时代的技术成果，它以现有的断路器、接触器、继电器等为控制基础，结合新型 的智能电力仪表、监控模块、现场监视器件和后台监视器件、网络i o ，实现对配电主回 路和各分路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电量等电参数的实时 监测，对控制电器的分合进行控制和监视。同时，配合通信网络和各种完善的远程监控软 件，从而实现对低压配电系统的“四遥功能【3 】： ( 1 ) 遥测：实时采集各种电参数，显示和分析，生成报表。 ( 2 ) 遥信：实时监视控制电器的运行状态，提示故障和报警信息，记录打印。 ( 3 ) 遥控：控制相应电器动作，记录操作的时间、类型和操作对象等。 ( 4 ) 遥调：对各智能模块的运行参数值和故障报警保护值进行整定。 目前，实现低压配电系统智能化可以用不同方式，大多数采用了高速数据处理和网络 通信技术【4 j 。 低压配电智能化系统主要由智能仪表、电动断路器、触摸屏、监控模块、站级监控微 机、局级监控微机组成二级监控网络【5 1 其组成原理示意如图1 1 所示 2 江苏大学工程硕士学位论文 图i i 低压配电智能化系统组成原理图 其中各功能模块实现功能如下： 智能仪表：完成对所连接配电单元的电参量的监测、显示，根据监控模块的请求指令 传送采集到的数据；同时，接受监控模块的控制指令，控制其继电器接点的通断。电动断 路器：由智能仪表的继电器接点从控制执行相应的分合闸动作。 监控模块：数据和通信处理中心，完成指令分解、传递，数据整理、传送，故障和报 警信息的识别与反馈。 触摸屏：监控模块将各智能仪表的电参量、运行状态传送到触摸屏，其内嵌操作界面 分页显示。此外，现场操作人员还可以通过触摸屏，发出控制指令，通过监控模块控制相 应的断路器动作。 站级监控微机：通过与监控模块的通信连接，获取各智能仪表的电参量和断路器工作 状态，还可以发出控制指令，通过监控模块控制相应的断路器动作。 局级监控微机：通过远程通信或以太网，获取各智能仪表的电参量和断路器工作状态， 还可以根据调度任务，通过通信通道控制相应断路器动作，实现电力供应的调配。 各智能模块之间通信应遵循相应的通信规范，其中： ( 1 ) 监控模块与智能仪表通信：采用r s 4 8 5 总线，符合m o d b u s 协议规约。 ( 2 ) 监控模块与触摸屏通信：采用r s 2 3 2 接口，a s c i i 模式通信协议。 3 智能型低压配电监控系统的研兜 ( 3 ) 监控模块与站级监控微机通信 协议。 ( 4 ) 监控模块与局级监控微机通信 协议。 采用r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口，遵循制造商提供的通信 除t c p i p 协议外，应用层遵循制造商提供的通信 1 2 国内外低压智能配电系统发展和现状 国外低压智能配电系统的发展可分为三个阶段【6 l ： 住7 0 年代末、8 0 年代初，随着电子技术的发展，低压成套装置的发展步入控制电子 化、保护综合化时代出现了电子式的各种运行电量控制器、电动机综合保护器、无功功 率补偿控制器等产品，其结构多为继电器型的小型装鼍。如电动机综合保护器，其功能有 过电流、断相、过载等保护，起动时间可调整，过载时间可整定。而无功功率补偿控制器 可根据无功电流、功率因数等不同参量自动进行电容补偿的均街控制川。 进入8 0 年代中期，此类装置发展己初步进入智能型时代。在低压配电领域，采用了 p l c 技术，利用0 方式通过可编程控制器实现配电装置的控制与操作，后期出现了微机 集中检测与控制，可对馈电主保护断路器进行远距离操作对各回路电压、电流有功电 量和无功电量、功率因数频率、变压器温度等进行检测，但它停留在遥测、遥控水平上 缺少遥讯和遥调功能，更缺少智能型应具有开关柜的思维、分析、判断与选择的功能。 从8 0 年代束至9 0 年代韧。随着计算机技术、微电子技术、电力电子技术、抗干扰技 术等新技术的飞速发展。特别是网络通讯技术的发展使得自动化技术得到了空前发展，在 这个时期，备类仝数字变、直流控制产品和p l c ( 可编程逻辑控制器) 发展迅速，每3 4 年就换代一次，功能越来越强大，可靠性也越来越高。微处理罂从8 位机发展到1 6 位 机，又发展到应用3 2 位机和多机运行。从主要控制线路和控制结构由硬件组成发展到由 * 口g ie 4 n * i m l，j b 女 删1 2 两门于公司的低压智能配电系统 江苏走学工程硕士学位论文 可自由组合的软件块来组成。比如西门子公司的直流全数字产品，由6 r a2 2 系列发展到 6 r a 2 3 ，6 r a2 4 系列，又发展到s i m a d y n d 系列，时间还不足十年。联网方而功能也 越来越强。山两机之日j 的通讯到一机与多机通讯发展到网络通讯。在通讯协议方面由各公 司的内部协议发展到丌放的标准的协议。如西门子公司的产品由原先的u s s 协议发展到 现在，r 放的p r o f i l b u s 怫议和工业以太网协议。随着全数字控制和自动化技术的发展并大 公司也把这些技术应用到配电系统，也就是所谓把强电控制与微电子技术、计算机技术、 网络通讯技术相结合，形成了第二代产品，出现了智能型断路器等智能元器件和智能型丌 关柜。如a b b 公司的f 系列断路器和m s g 系列智能开关柜；西门子公司的3 w n 系列断 路器和s i v a c o n 系列开关柜；g f c a l s t h o m 公司的g f m s t a r t3 系列智能马达中心： 西屋公司的a d v a n t a g e 系列等。这些智能元器件都是以微处理器为核心，具有测量、变换、 保护、控制等功能实际l 就足个现场控制计算机。同时都具有通信接口可连接通信网 络与上位计算机通信形成智能配电系统。 ：簿m 口n j 一 u ，h 嶂懈 斟i3 尔芝公司的低乐钾能配l n 系统 在发艘智能型元器件及开关柜的同时。功能越来越强大的监控系统也得到了快述发 鹾。如西屋公司的i m p a c c 系列：g f c a l s t h o m 公司的i c i s 系统：a b b 公司的i s 系统 以及西门子公司的s i m o c o d f 系统；k l o c k n e r m o e l l e r 公司的配电系统i d 2 0 0 0 等。通过这 些系统与低压配电装管等现场设蔷的配合，使成套供、配、用电系统能够在本机、上位机 环境、负载等对象中变换各种信息。通过网络实现状态检测、信急回馈、练合判断、发出 智能型低压配电监控系统的研究 指令及操作等，提高了整个配电系统的可靠性，图1 2 ，1 3 为西门子公司和东芝公司的 低压智能配电系统。 国内的低压智能配电系统发展基本与国外同步，并吸取了很多国际上先进的技术应 用。在低压智能配电设备的研制和推广上，自1 9 8 5 - - 一1 9 8 7 年自耦减压起动柜j j l 全国联 合设计时起，首先采用了半导体集成电路式时间一电流转换器替代原来的充气式时间继电 器和电流继电器，1 9 8 9 1 9 9 0 年国内先后开发了电子式电动机多功能综合保护器，1 9 9 1 1 9 9 2 年出现了半导体式热继电器。在成套装置方面，智能型配电系统也已经起步，厦门 电器控制设备厂等已开发了能进行数据采集的马达控制中心，天津夏利汽车工程的所有国 产的低压配电柜动力柜全部实现了上位计算机控制，做到了运行、故障集中监视，集中判 断、处理，大大提高了设备运行安全性和可靠性【8 】o 近年来智能型电器，特别是智能型断路器在国内外发展非常快，并已成功地投入到实 际的运营中，智能型电器中的智能单元的基本结构包含输入、中央控制、输出和通信四大 模块组成，通常智能单元与被监控的开关集成一个整体，当开关电器是断路器时，智能监 控模块就是附属于它的智能脱扣器，完成脱扣器所要求的各种保护和操作功能。目前在国 内应用较为广泛的智能型电器由施耐德公司的m t 空气丌关和江苏凯帆电器公司的智能型 断路器。 南京因泰莱公司研制的i n t - s c a d a 监控系统代表着国内智能配电系统的发展水平，系 统采用独立的智能监控模块y c k 、y x k 组成分布式网络对低压配电网现场设备实时监控， 通讯网络中数据传输实时性好，易于扩展。 1 3 智能型低压配电监控系统 用通信网络把众多的带有通信接口的低压配电和控制设备与主计算机连接起来，由计 算机进行智能化管理，来实现集中数据处理、集中监控、集中分析及集中调度的低压配电 监控系统。 此类产品日前国外较先进的有英国g e c - a l s t h o m 公司的i c i s 系统、美国西屋公司的 i m p a c c 系统以及a b b 公司的i n s u m 系统等。 1 系统的基本组成 智能型低压配电监控系统较常见的为三级结构。 如图1 4 所示。从结构上看，整个智能型低压配电监控系统主要由三部分组成： 6 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 主计算机。主计算机用来实现对配电和控制设备以及智能型元器件的监控、保 护和控制通信。它可以是p c 机、己存在的计算机系统、p l c 或离散控制系统。 ( 2 ) 通信网络。主要含主机接口、子网络监控器及网卡。主计算机通过主机接口对整 个通信网络实施控制，子网络监控器是二级网的控制器，在较大的配电系统中，采用子网 络监控器可以大大提高主计算机对整个配电系统的访问速度，提高实际监控的能力。 ( 3 ) 智能型低压配电和控制设备。也就是采用了带有通信接口的智能型控制器或智能 型电器元件的低压配电和控制设备。 在智能型低压配电监控系统中，关键部分是通信网络，它就像整个监控系统的神经网 - 一样，把各现场的配电和控制设备与主计算机连接起来。由于各公司的通信网一般是在工 业自动化系统中应用的，因此，各公司的智能低压配电系统网络基本上都采用了与工业自 动化网相同的网络，这也有利于把配电系统与工业自动化系统连接起来。 智能型低压配电和控制设备 图1 4 智能型低压配电监控系统 在通信网络的通信介质方面，目的应用较多的有光纤、同轴电缆及屏蔽双绞线。目前 在智能型低压配电系统中应用的基本上是屏蔽双绞线，硬件接口为r s 一4 8 5 口。 关于通信协议。早期的通信协议各公司不尽相同，各自发展自己的协议，但随着自动 化技术和通信技术的发展，带有通信接口的产品应用量越来越大【9 】。往往一家的产品不能 完全满足一个工程的需要，而工程本身又需要有统一的通信网络，因此为满足应用的要求， 7 智能型低压配电监控系统的研究 协议向标准化、开放性发展，如西门子公司的p r o f i l b u s 协议，由于各方而性能都比较好， 深受欧洲各厂家的欢迎，结果西门子的内部协议上升为德国标准，后又成为欧洲的标准协 议之一，被欧洲厂家广泛采用。 目前国际上应用较多的总线协议有p r o f i l b u s 总线、基金会总线和c a n b u s 总线等。 各大公司在统一协议的同时，在自己原有通信网络的基础上也开发能连接其他公司通信网 络的接口产品，如a b 公司，k l o c k n e r m o e l l e r 公司就有能连接p r o f i l b u s 网的接口， g f c a l s t h o m 公司的智能马达控制器能连接到g e 公司的网络上。这样各公司的产品通用 性加强，利于产品的推广。各种通信网络的性能一般为传输距离1 0 0 0 m 以上，所带设备可 达1 0 0 0 台套，通信速率可达几百k 波特率。 2 软件配置 上位计算机上运行的软件有两类：一类是系统软件，也就是我们所说的操作系统如 m i s d o s 6 2 2 和w i n d o w s9 5 等。另一类是低压配电系统的监控软件。监控软件又分为两 部分：一部分是监控的应用软件，对整个配电系统进行管理、监视控制、数据输出、通信 处理等。监控软件不仅能使主计算机通过通信网络对整个配电系统各回路的状态、运行参 数等进行采集还能对所采集的数据状态进行处理，引入专家系统进行分析、判断和协调 控制如故障的预报警、故障诊断及保护等。另一部分是应用软件的运行环境或者称为软 件平台。这种软件平台各公司可能有所不同，有些公司是直接用c 语言，有些公司是用专 门开发的组态图形软件，如西门子的w i n c c 软件，美国i n t e l l u t i o n 的f i x 软件。这些软 件有着良好的人机界而完善的图形编程功能。 3 监控系统功能 ( 1 ) 系统具有对各配电回路的电流、电压、功率、频率、功率因数等参量以及运行状 态进行遥测的功能，能把这些状态和数据在上位机进行处理、分析、判断和显示。 ( 2 ) 系统具有根据各配电回路的运行状态及指令对智能型控制器、断路器进行远距离 遥控操作的功能。 ( 3 ) 系统具备上位计算机与开关柜中的智能控制器和智能型低压电器元件等器件，通 过通信网络进行通信的功能，这是智能型低压配电系统的基本功能。 ( 4 ) 系统具有由上位计算机根据指令或计算机的分析、判断对智能马达控制器、智能 监控器、智能断路器等智能兀器件的设定值和接地、过载、过流等故障保护值进行遥调的 功能。 8 江苏大学工程硕士学位论文 1 4 论文研究的目的意义 目前发电厂和大型变电站中均采用了综合自动化系统，但对低压配电网的监控还是薄 弱环节，通过对低压智能监控系统的研究和推广使得其技术更成熟，应用更广泛，并和变 电站综合自动化等“孤岛 相集合成更高层次的配电监控系统。 通过对低压智能监控系统的研究和推广，能够充分发挥和利用低压智能配电系统的优 点【1 2 】，即 ( 1 ) 可以改善低压配电网管理，具有记录以前事件的功能，可以迅速地对负载输入 要求作出响应。在系统内可以优化能量消耗的分配，可以均衡负载以减少潜在的停车事件。 ( 2 ) 可以根据系统内设备运行情况安排维修计划，按计划维修，减少了维修成本。 ( 3 ) 可以对潜在的事故进行预报警，并及时处理以避免事故的出现，节省时间，减 少损失。 ( 4 ) 可以随时了解到有关故障信息，来指导维修，减少故障的处理时间。 ( 5 ) 可把各配电回路或设备的运行情况( 含运行数据) 以报表方式或以图形方式进 行显示，并可保存在磁盘上或打印出来，进行日报和月报，提高工作效率。 9 智能型低压配电监控系统的研究 第二章监控系统主要参量的测量原理 在电力系统正常运行时，电压电流信号是由基波和各种倍频谐波叠加而成的，如电流 信号为： 2 啦) = ls i n ( a ，t + 成) ( 2 1 ) 月暑i 而在电力系统发生故障时，电压电流信号往往是基波的基础上叠加有衰减的非周期分 量和各种倍频分量，如电流信号为： n 2 = ，o p l 厅+ ，。s i n ( a ，t + 岛) ( 2 2 ) n = l 就测量而言，就要反应整个电压电流信号。首先是对系统的电压电流进行谐波分析， 完成对信号的谐波分析功能，然后在谐波分析的基础上，运用叠加原理计算电压电流的有 效值和相角等。在本系统中，也是首先对电流、电压进行谐波分析，谐波分析算法采用的 是对谐波分量具有滤波功能的离散傅立叶变换算法。然后再计算出所需要的有功功率、无 功功率、功率因素、电度等。 2 1 畸变波形下电压、电流的分析与检测 由于理想的电压、电流波形是正弦波，畸变波形主要是针对正弦波形，电力系统的谐 ， 波抑制和无功补偿也常常是针对畸变波形，故本系统对各电量的测量也是针对畸变波形 的。畸变波形的电量虽然仍做周期性变化，但是波形可能与正弦波有很大的不同。这时， 电压的有效值和电流的有效值虽然仍然能反映电路中的一些情况，但是表征电路及其性质 的电量大部分不能通过他们来获得。在畸变波形下，一方面原有的一些电量定义要重新审 定；另一方面可能还要引入一些新的定义，这两方面的工作与所采用的电路分析方法( 如 时域法、频域法) 和所拟解决的问题( 如有源补偿和无功补偿等) 有关【l 6 1 7 j 。 在电力系统的诸电量中，系统的基波频率是已知的，因此对谐波和无功功率的检测， 首先要归结为对系统电压相量的有效值、电流相量的有效值以及电压和电流两相量之间的 相角等正弦波形主要特征量的测量。这些特征量能充分反映稳态情况下一个周波内波形的 变化。在实时、正确地得到这些电量之后，无论是采用模拟方式还是数字方式，都能获得 电路中谐波、无功功率等电量。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 在实际的测量中，电压和电流的瞬时值可以由相应互感器的二次侧得到。据电路电工 理论，在电网中交流电压、电流的有效值及有功功率这三个电参量不会因波形畸变而改变， 即【1 8 】： 电压有效值：u = j ls ：l “2 ( f ) 出 ( 2 3 ) 电流有效值：，= 争r f2 ( f ) 出( 2 4 ) 有功功率：p = 争r z ，( ，) i ( t ) d t ( 2 5 ) 在上述公式中，r 为测量周期，“( f ) 、i ( t ) 为测量到的瞬时值。 如果每周波进行次采样( 为保证同步采样可以采用锁相环倍频电路) ，采样到的电 压、电流离散值分别为“( ，z ) 、i ( n ) ，则根据式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可得电压、电流有效值 及有功功率的离散计算公式分别为【1 9 2 0 ，2 1 ，】： u = 瓯 i = 阿 p ：_ f 1 兰甜( 行) i ( n ) 鲁i 、7 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 根据视在功率的定义s = u i ，可得无功功率为： 9 ：柝可 ( 2 9 ) 功率因数角和功率因数为： 矽= a r c t g ( q p ) ( 2 1 0 ) 名= c o s ( ) ( 2 1 1 ) 根据上述公式的推导及系统电压、电流的有效值及有功、无功功率的计算公式，可以 很方便的根据周期采样结果进行简单的运算就可得到所需的结果。显而易见，上述方法的 计算精度与采样点数有着直接的联系，采样点数越多越精确。但这种方法不能有效地分离 出系统的谐波和基波无功，因此在实际的检测和补偿系统中，常常采用的还是f f t 法或瞬 时无功功率理论等方法。 智能型低压配电监控系统的研究 2 2 采用快速傅立叶变换进行谐波及无功功率的分析与检测 快速傅立叶变换的实现要求有高精度、快速的处理器，本系统采用的t m s 3 2 0f 2 8 1 2 是t i 公司的3 2 位高速浮点d s p 处理器，该处理器有灵活的寻址方式及针对基2 蝶形f f t 算法的奇偶排序设计的“加上索引量反向进位”的专用间接寻址方式，为f f t 算法的实现 提供了极大的便利。采用f 2 8 1 2 完成一次f f t 只需要纳秒级的时间消耗，可以说是基本无 延时的完成实时检测和分析。并且，无沦对单相还是三相电路，无论是三相电路对称还是 不对称，都可以利用傅立叶方法进行检测与分析。实际应用中，经常把连续时间信号的一 个周期丁等分为个点，在等分点进行采样而得到一系列离散的时间信号，然后采用离 散傅立叶变换( d f t ) 或快速傅立叶变换( f f t ) 的方法进行谐波的分析【2 2 】。 2 2 1 周期函数的傅立叶分析 供、用电系统中，交流电压和电流波形都是正弦波形。对于周期为t = 2 x 国的非f 弦电压u ( o t ) 或f ( 国，) ，一般满足狄里赫利条件，均可以分解为傅立叶级数形式，可表示 如下【1 7 , 2 3 2 4 l ： 其中： ( 缈f ) = a o + ( 口。c o s 刀缈，+ b 。s i n 刀缈，) ( 2 1 2 ) n = l 口。= 去f 2 ”m 伽( 刎 口。= r ”八州c 纠( 州 6 。= 1 2 ”厂( 州s i n 刀功耐( ”= 1 2 ，3 ， 厂( 国f ) = 口。+ c 。s i n ( n o t + 。) 疗= i 其中，f 。、丸和口。、吃关系女i - f ： c n = 厢 丸= a r c t g ( a 。b 。) a 。= c 。s i n e 。 b n = c n c o s ， 1 2 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 力 恸 ， d k 亿 亿 叭 犹 江苏大学工程硕士学位论文 在上述傅立叶展开式中，频率为i t 的分量为基波，频率为大于j 的整数倍基波频率 的分量为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。 为了从理论上进行傅立叶级数分析，过渡到电力系统实际波形使用而快速的谐波分 析，需要利用傅立叶级数指数形式，直接计算各次谐波的幅值和相位。 指数函数组 p 扣酬) ，( 办= o ，1 ，2 ，) 为一个完备的正交函数组，所以一个周期函数 f ( m t ) 可以由指数函数的线性组合来表示【2 3 2 引。 由欧拉公式： p 扣州= c o s ( n o m ) + s i n ( n o ) t ) ( 2 2 1 ) e 一 刎= c o s ( n c o t ) 一_ ，s i n ( n c o t ) ( 2 2 2 ) 可以解出： c o s ( n o ) t ) = ( p p 耐+ p 一 酬) 2 ( 2 2 3 ) s i n ( n m t ) = ( e p 驯一e 一扣州) 2 ( 2 2 4 ) 因此傅立叶级数三角形式公式( 2 1 2 ) 可以转化为： f ( t 阳。+ 喜( 华e j n a ”+ 华p 叫倒) ( 2 - 2 5 ) 若引入与刀 2 l ，基带频谱与其他周期延拓形成的频谱就不会重叠；如果f 主频：1 5 0 m h z ，指令和f 2 4 x 兼容； 令存储器：1 4 k 的r a m 和1 2 8 k x l 6 b i t 的f l a s h ； 1 6 通道1 2 b i t 的模数转换接口，双通道可同时采样，流水线采样最高速6 0 n s ； 双通道串行接口：完全符合r s 2 3 2 标准； c a n 总线接口，传输速率最高可达1 m ； 事件管理器模块： 1 2 通道p w m 输出； 3 个带有六种模式的通用定时器； 3 个可配置死区的比较器； 3 个单端比较单元； 4 个捕捉单元( 其中两个完全捕捉单元和积分脉冲编码器完全兼容的接口) 。 3 2 信号检测 t m s 3 2 0f 2 8 1 2 带有双1 2 一b i ta d c ，该a d c 模块包括两个带有内部采样保持电路的1 2 - - b i t 变换器。共有1 6 路模拟输入通道，每8 个通过一个模拟多路转换器提供给一个a d c 转换器。a d 转换频率可达到2 5 m h z ，输入电压应在o 3 v 范围内，转换输出结果为： 数字结果= 4 0 9 6x 塑坠蔓塑产 其结构如下： 江苏大学工程硕士学位论文 图3 2 数据采集通道 从图3 2 可以看到a d c 最后转换的结果放到了专门的寄存器地址，而不是像以前的 f 2 4 x 系列那样由用户编程。其原因在于f 2 8 x 系列中的f 2 8 1 0 不支持扩展，其芯片没有数鼍 据总线和地址总线，f 2 8 1 2 虽然支持外部的扩展，但它的i o 口和f 2 8 1 0 一样地址都己经 固定了。 。 模拟输入部分的框图如图3 3 所示： 图3 3 模拟输入部分的框图 3 2 1 抗混叠滤波 考虑到电力系统的实际情况，所测模拟信号较多，包括a 、b 、c 三相电流和电压，中 性线的电压电流信号，各参数都通过采样计算得到。根据前面的分析，要测取3 1 次谐波， 2 5 智能型低压配电监控系统的研究 采样频率必须要大于6 2 0 0 h z 。为了增加精度，我们采用6 4 0 0 h z 的采样频率，即每周波 2 5 6 点采样。 根据采样定理，我们采用了抗混叠滤波，滤掉3 2 次以上的谐波。在a d 通道的输入 端，采用图3 4 所示的输入接口电路。它是一个二阶有源s - k ( s a ll e n - k e y ，赛仑一凯) 低通滤波器。取r 1 = r 2 ，c 1 = c 2 ，系统的传递函数为 刚咖孺m o 图3 4 输入接i = 1 电路 其中，知通带增益，q ：品质因素，4 = 1 + 面r f lq = 击，= 去 3 2 。2 锁相同步 在对电力信号进行分析和处理时，必须要解决的两个问题是频谱混叠和频谱泄漏。对 于频谱混叠，可以设置适当的抗混叠滤波器，并且适当选择个周波的采样点数即可解决； 对于频谱泄漏，只要保证窗口函数的宽度为基波周期的整数倍，就可以避免泄漏效应的产 生。其解决办法有二，一是采用适当的窗函数来降低泄漏效应的影响，但是，这种方法同 时也增加了计算量，对于大数据量的数据处理而言是不合适的；其二，也是最实用、最有 效的解决办法，设计有效的频率跟踪电路，使采样频率实时跟踪信号的基波频率。也就是 根据采样时的基波频率来确定采样间隔，从而从根本上解决频谱泄漏效应。本节着重讨论 频率跟踪方案的实现问题。 为了保证采样的同步性，我们采用了倍频锁相技术，取一相电压信号经比较器输出跟 踪电网的频率的方波信号，作为锁相环( c d 4 0 4 6 ) 的输入信号，同时也是频率监测的信号 江苏大学工程硕士学位论文 源。方波信号经锁相环倍频后，作为采样保持器采样保持和a d 转换的触发信号；模拟信 号经运算放大单元后，接入数据处理芯片的a d 转换引脚，进行a d 转换和数据处理。 锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭坏系 统叫做锁相环，简称p l l ，它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技 术领域。锁相环主要由相位比较器( p c ) 、压控振荡器( v c o ) 、低通滤波器三部分组成。 其基本原理如下：锁相环是个相位误差控制系统，它比较输入信号和压控振荡器输出信号 之问的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。 在坏路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固 有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范 围内变化，在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化，若压控振荡器的频率 能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳 s f ( ，)( ，) 图3 5 锁相环原理图 定后，输入信号和爪控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化f 误差电压 为一固定值，这时环路就进入“锁定状态，这就是锁相环工作的大致过程，锁相环原理 图见图3 5 ： 系统采用两片7 4 l s 3 9 3 ( 双四位计数器) 配合c d 4 0 4 6 工作，可以实现2 - 2 5 6 ( 2 的 n 次幂) 之删的分频。如图3 6 所示的锁相与频率测量电路，其中信号经过过零比较后形 成方波，然后送给d s p 的捕获单元( 图中用的是c a p l _ q e p l ) ，即可测得过零点问的时| 1 自j 宽度。 2 7 智能型低压配电监控系统的研究 3 2 3 信号调理 图3 6 锁相与频率测量电路 目前绝大多数数字化电力参数测量装置采用交流采样技术，由微处理器进行处理，得 到欲求的各个参数。由于t id s p 芯片内带的a d c 只能接收正压信号，所以再把信号送到 a d c 之前，需要进行信号的调理。 图3 7 是般采取的叠加方法，其原理为：首先用电流互感器或电流传感器采样电流 值，然后将采样结果经运算放大器使电流值变换到一5 v 5 v ( 不同的互感器范围不同) 的 电压区间中，最后再加上+ 5 v 的电压偏移量形成o i o v 的电压，最后调整后送给d s p 采样。 jl + !- - m l a , 4 m , oj 上 r ! j ! - 5 i 图3 7 叠加方式 本系统采用的是一个减法电路( 图3 8 ) ，运放的输出电压u 1 为： 江苏大学工程硕士学位论文 u i 图3 8 减法屯路 u 1 ：( 1 + 丝) 宰旦宰k 一丝u i ( 此处：5 v ) r 2 1 、7 r 2 2 + r 2 3 。 r 2 1 、“ 选取r 2 2 = r 2 1 ，r 2 3 = r f 7 ，则有 m 篙( v c c u i ) 其主要思路为：传感器的输出u i 范围一5 v + 5 v ，此电压加到减法电路上，再线性放 大到d s p 的a d 采样所要求的电压范围( o 3 v ) ，z 2 1 为3 v 的稳压二极管，对运放的电 压起到限幅作用。 3 3 人机接口 1 键盘接口 键盘接口主要分矩阵式和独立式两种。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行 线和列线组成，按键位于行列的交点上，占用较多的地址空间或i 0 口线。独立式按键 就是每个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，线上的按键工作状态不影响其他输入 线上的工作状态，适用于按键较少或速度要求较高的场合。独立式按键相比矩阵式结构， 具有配置灵活的明显特点。 考虑到系统的实际情况，d s p 计算的任务比较繁重，而我们按键开关的任务简单， f 2 8 1 2 的t o 口比较丰富，所以为了节省资源，为了使操作简单，选用了尽量少的按键数， 并且采用了独立式按键结构。本装置的按键部分直接采用d s p 的i o 口。 智能型低压配电监控系统的研究 按键的扫描方式有两种：查询方式和中断方式。由于中断方式不但占用c p u 的外部 中断资源，而且还可能干扰其它重要中断程序的正常运行，因此在本装置中采用查询方式， 即在程序中对相应i o 口的状态进行查询，确认是否有键按下，然后调用相应的子程序。 2 液晶显示 液晶显示器( l c d ) 具有显示信息多、体积小、功耗低、超薄等许多其它显示器件无 可比拟的优点，越来越受到人们的欢迎，在许多单片机应用系统中，被广泛用作终端显示、 人机接口。l c d 可分为段位式l c d 、字符式l c d 和点阵式l c d 。其中段位式l c d 和字符式 l c d 只能用于字符以下的简单显示，不能满足图形曲线及汉字显示的要求。而点阵式l c d 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形及汉字，并且可以实现屏幕上下左右移动、 动画功能、分区开窗口、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。液晶显示器类型与其控制驱 动电路是密切相关的，液晶显示器的使用也主要是针对其控制器的操作。液晶显示控制器 作为显示器与外界