（水利水电工程专业论文）配变监控终端的研究与开发.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重中明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的成果尽我所知 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的 作的任何贡献均已在论文中作r 明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有1 ；实之处，由本人承担切相关责任 论文作者签名：至堡丝) ，年 月 1 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产枞的规定，即：研究牛在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理t 大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文孝兀关的成果时署名单位仍然为西安王l l ! 工人 学，无论何时何地未经学校许可，决不转移或扩散与之桐关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校町以公布本论文的全部或部分内容+ 可以采用影印、缩印或 其他于段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后。以卜申明同样适用) 论文作者签名：i 二童；堡导师签名：立竺：至。t 年彳月叼日 1 摘要 配变监控终端的研究与开发 学科名称： 研究方向： 作者姓名： 导师姓名： 导师职称： 答辩日期： 水利水电工程 配电网自动化 王建波 姚李孝 副教授 2 0 0 4 年3 月 摘要 签名： 签名： 王建旌 、舶 厂二f c ， ， 本文研制了一种在配电自动化中j ；f | 丁监视、控制配变的终端改备完成了设计、 开发、调试等：i 作。 论文首先从配电系统安全运行的角度出发，指山了研制配变监控终端的重要意 义分析了配变监控终端的技术现状、发展趋势、现场要求及其在配电自动化中的 基础地位，提出了满足实际运行要求的配变监控终端的功能、技术参数。然后对现 有的算法进行了详细的分析、比较，筛选出既能满足硬件要求义可降低投资、保证 精度、简化软件的方案确定了准同步采样的方案，并通过对准同步采样误差的分 析，提出了一种从4 5 。开始采样，从而提高精度的采样数据处理办法，同时，对 丁电流互感器相位漂移提出了一种补偿办法。接着对装置中电能质量分析与统计以 及无功补偿中电容器的补偿量、投切原则也作了相应分析，其中对于无功补偿采用 丫混合接线，并利用交流接触器和周态开关共同投切电容，不但提高了经济运 行水平、改善了电能质量，而且有效的避免了频繁更换开关，减少了经济损失；最 后设计了装置的硬件电路并绘制了相应的软件流程图。 对研制装置的测试证明，新开发的配变监控终端测量精度较高，控制方法合理， 西安j 翌y - 大学硕士学位论文 性能可靠，达到预期目标。 关键词：配变监控终端，配电自动化，电压合格率，无功补偿 i i ：塑塑坠里 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to f d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t s u b j e c t ：h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：a u t o m a t i o no fd i s t r i b u t i o n a u t h o r ：w a n g j i a n b o s i g n a t u r e ： t u t o r ：y a ol i x i a o s i g n a t u r e ： d a t a ：m a r c h ，2 0 0 4 a b s t r a c t 嘲舯 轴如 i _ h i sp a p e rd e v e l o p sat e r m i n a lu n i tf ors u p e r v i s i o na n dc o n t r o le fd i s t r b u f i e n t r a n s f o r m e ri nd i s t r i b u t i o na u t o m a d o n ，a n df u l f i l l st h ed e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n d d e b u g g i n g f i r s t ，f r o mt h ev i e w p o i n to fs a f eo p e r a t i o ni ne l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m t h e i m p o r t a n c eo fd e v e l o p i n gt t a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i ti sp o i n t e do u t ，a n dt h es t a t u si n q u oo ft e c h n o l o g y ，t h ed ir e c t i o no fp r o g r e s s t h ep r a c t i c a ld e m a n da n df u n d a m e n t a l i t y o f t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i ti nd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o na r ea n a l y z e d t h ef u n c t i o no f e q u i p m e n ta n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nt h a tm e e tt h ed e m a n do fp r a c t i c a ld u t ya r e i n d i c a t e ds e c o n d ，t h ec u r r e n ta l g o r i t h mi sa n a l y z e da n dc o m p a r e di nd e t a i la n dt i l e s c h e m e sw h i c hn o to n l ym e e t st h ed e m a n do ft h eh a r d w a r eb u ta l s od e c r e a s e s i n v e s t m e n t ，e n s u r e sp r e c i s i o na n ds i m p l i f i e sp r o g r a mi s p i c k e do u t c o n s e q u e n t l y q u a s i s y n c h r o n o u s s a m p l i n g i sa s c e r t a i n e d t h r o u g h e r r o r a n a l y s i s c f q u a s i s y n c h r o n o u ss a m p l i n g ，am e t h o do fi m p r o v i n gp r e c i s i o nt h a tb e g i n st os a m p l e f r o m 4 5 。a f t e rz e r op o i n ti sp u tf o p a a r d a tt h es a m et i m e t h em e t h o do fd i s p o s a p h a s es h i f to f c tb yc o m p e n s a t i o ni si n t r o d u c e dt h e nt h ea n a l y s i sa n ds t a t i s t i co f i i 西安j e _ x 大学硕士学位论文 e l e c t r i c a lp o w e rq u a l i t y ，t h ec o n t r o ls c h e m ea n dc o m p e n s a t i n ga m o u n to fc a p a c i t o r f o rr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o na r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y a n di n t h ep a p e r ，t h e c o n t r o lw i t h 丫a n dt h es w i t c hw i t ha cc o n t a c t o ra n ds o l i ds t a t es w i t c hi sv a l i d m e a s u r en o to n l yf o ri m p r o v i n go p e r a t el e v e le c o n o m i c a l l ya n da m e n d i n ge l e c t r i c a p o w e rq u a l i t y b u ta l s of o ra v o i d i n go fr e p l a c i n gs w i t c hf r e q u e n t l ya n dd e c r e a s e e c o n o m i cl o s s f i n a l l y t h ee l e c t r o - c i r c u i to fh a r d w a r ea n df l o wc h a r to fs o f t w a r ei s d e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t h et e s t p r o v e st h a tt h en e wd e v e l o p e dt r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i th a sh i g h e r m e t r i c a lv e r a c i t y ，r e a s o n a b l ec o n t r o ls c h e m ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，a n dt h eor i g i n a o b j e c ti sa t t a i n e d k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rt e r m i n a l u n i t ，d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n v o l t a g ep e r c e n to fp a s s ，c o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e r ! 堡兰一 1 综述 1 1 配电自动化的意义和发展 1 1 1 配电自动化的意义 随着国民经济的发展和人民物质生活水平的不断提高，人们对电力的 需求愈来愈大，使电力事业迅速发展，电网规模不断扩大，用户对供电质 量和供电可靠性的要求越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍 受。电力法以及承诺制的公布和贯彻执行，对电力供应部门提供安全、经 济、可靠和高质量的电力提出了更高要求。传统的技术和管理手段已经无 法适应新的形势，配电自动化( d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m 简称d a s ) 就是为这一目的而提出来的。 配电自动化就是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调和控制的 一个集成系统，它包括配电网数据采集与监控、配电地理信息系统和需方 管理几个部分。它是近几年发展起来的新兴技术，是现代计算机技术和通 讯技术在配电系统上的应用，也是电力系统自动化的必然趋势。其主要作 用在于：在正常运行情况下，通过监视配电网的运行状况，优化配电网的 运行方式；当配电网发生故障或异常运行时，迅速查处故障区段和异常情 况，快速隔离故障区段，及时恢复非故障区域用户的供电，缩短对用户的 停电时间，减少停电面积；自动读取在线电量数据，提高企业的工作效率， 降低劳动强度，在减少人力介入的情况下完成大量重复性的工作：根据配 电网电压，合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，达到经济运行 的目的，合理控制用电负荷，从而提高设备利用率，并为用户提供自动化 的用电信息服务等。配电自动化系统有助于配电网的潜力得以晟大限度的 西安理工大学硕士学位论文 利用，并保证提供给用户的电能质量满足要求2 1 。 目f i ，欧美和日本等发达国家f 推广浚技术，国内也正在进行大规模 的农网、城网改造。实践表明，配电自动化可以大大提高配电网运行的可 靠性和效率，提高电能的供应质量，降低劳动强度，充分利用现有设备的 能力，从而对用户和电力公司均能带来可观的收益。 1 1 2 配电自动化的发展现状 9 0 年代以前，我国的配电网很薄弱，1 0 k v 配电网大部分采用辐射 形的供电方式，可靠性差，并且配电设备比较陈旧，大多是不可遥控的； 同时配电网运行状态监测设备少，信息传输通道缺乏，因而信息搜集量 少，这些都导致了事故处理自动化程度低、处理时间氏、事故后恢复供 电隧的不良后果；一些地区发生电网事故，导致重要用户停电，除了某 些设备缺陷以及人为因素以外，其中电网结构薄弱，自动化程度低，田 靠性差，是其主要的原因：这是因为长期以来配电网的露设木得到应有 的重视，建设资金短缺，设备技术性能落后，发电和配电的投资比例，。 重失衡，我国仅为l ：o 1 2 ，大大落后于先进国家的1 ：0 6 0 , 7 的投资 比例【1 4 】。 9 0 年代以来，我国电力工业的发展速度，已由过去主要决定于投资 规模逐步转变为主要取决于市场需求，电力市场也逐步由卖方市场向买 方市场转变。借鉴国外的经验，各电力公司竟相加大了配电网管理的投 资力度，其主要目标是优化电网架构，实现配电自动化，以确保提供给 用户的电能质量满足要求。目前，随着计算机和通信技术在我国的广泛 应用，电力系统的控制保护技术也发生了重大变化，传统模拟式信号的 测量、传输发展成为数字式遥测、光纤传输，通过计算机可方便的进行 _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ ，- _ _ - - - _ _ _ - _ - _ _ - _ - - - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ 一 测量、通讯和数据存储，实现了电力设备运行和保护的智能化。微电子、 微处理技术与电力设备相结合，充分发挥了微电子、微处理技术对大量 信息的存贮、实时判断、快速反映的优点，使电力设备能实时根据电网 运行参数的变化动作，使一次设备的保护更加完善、可靠并减少维护工 作量，且有利于实现遥信、遥测、遥控、遥调等功能f 5 l 。这些都为我国配 电自动化的迅速发展提供了良好条件。 1 1 3 配电自动化的发展趋势 目前，我国城市建设的规模和经济的发展同样对配电网提出了比较 高的要求，因此配电网自动化发展在我国呈现以下几种趋势5 9 】： i ) 配电一次设备的选择应当符合当前配电网形势要求，具有高度的 可靠性和优越的技术性能。开关设备的操作机构以及内部结构应适 应户外运行条件，做到维护简单，设备运行可靠，这样才能大大减 少运行人员的劳动强度和维护费用。 2 ) 二次测量和控制设备具有高可靠性和很强的抗干扰能力以及适应 户外高温和低温等较为严酷的运行环境。 3 ) 计算机软件功能是配电网自动化的核心。计算机应用软件的开发， 首先选择具有开放、兼容的操作平台，对各种标准的数据库应具有 连接功能，对故障处理不仅要速度快，还要有特别离的可靠性。 4 ) 配电自动化的开展要与城市电网发展规划相适应，相关的通信规 约、远动设备、数据监测和采集系统s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) 都应考虑到以后配电自动化的开展、 统筹与安排，配电网要逐步改造为环网结构。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 配变监控终端的意义和发展 1 2 1 配变监控终端的定义 配变监控终端( t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ，简称t t u ) 是面向配电 网中3 5 k v 0 4 k v 、1 0 k v o 4 k v 的变压器，可满足监视、控制、通讯 等要求的自动化设备，是配电自动化中最末一级的监控单元。配变监控 终端可采集三相交流电压、电流，实现电压、电流、有功功率、无功功 率、频率的测量，统计电压合格率、失电时间，监测变压器的温度、压 力，实现有载凋压，自动投切无功补偿设备和谐波治理设备，并与上位 监控微机配合，构成配电自动化系统。 1 2 2 配变监控终端的意义 配变监控终端单元t t u 是适应配电自动化的要求和趋势而出现的重 要的配电自动化终端产品。在最终实现高可靠性和高质量供电方面，t t u 具有不可缺少的基础地位。 t t u 可对配电网变压器进行远方监视，采集它的电流、电压、有功 功率、无功功率、功率因素、分时电量和电压合格率等数据，并以这些 运行参数作为考核与经济运行分析的依据也可作为安全运行的监视手 段。根据配电变压器的负荷曲线，可更准确的计算线损。在配变处采集 电量数据对于用户电量核算和及时察觉非法用电也大有帮助。 t t u 的另一功能是对配变低压侧加装无功补偿装置，用以对无功就 地补偿和平衡，它是供电企业提高电压合格率、减少电压波动、改善供 电质量、减少线损、提高经济效益的一项重要措旃。近年来，随着电力 1 综述 企业服务标准的提高以及经济效益矛盾的突出，低压就地补偿的作用也 日益显得重要起来，结合农网改造，装设无功补偿已经成为一个重要的 工作内容。 t t u 也可在配变处加装谐波滤除装置，用以改善电能质量，从而减 少电动机、变压器、电网的功率损耗，减少电能计量的误差，减少对继 电保护、自动装置和计算机的干扰，避免用于无功补偿的电容器组对谐 振、谐波电流的放大。 此外，t t u 在配电自动化中既是高压设备监测的末端，又是低压用 户管理的前端。随着智能电器和低压载波抄表技术的发展，t t u 可作为 一台配变供电区的自动化管理子站，采集供电区域内的单个用户的电量、 用电参数等信息，存储并借助上级配电自动化的通讯介质将这些信息 传到变电站内的配电管理站和配电网管理中心。随着这种网络模式的发 展，t t u 的承上启下的作用将会得到进一步的体现。配电变压器侧的t t u 抄表示意图如图1 一l 所示。低压载波采用相地耦合方式。采集终端( 也 称采集器) 分别安装在电表柜中，每个采集终端采集该电表柜所有电表 的电度量。脉冲电表的电度脉冲信号通过信号线接入采集终端的脉冲信 号输入端口。采集终端通过载波收发器将所有电度数字量祸台到b 相低 压电力线上。t t u 通过低压载波收集采集终端上传的电度量，同时通过 p t 和c t 测量配电变压器低压侧的各个遥测量，并将所有收集的电度量和 遥测量通过1 0 k v 耦合设备耦合到1 0 k v 的中压线上”。 西安理工大学硕士学位论文 l22 唾l22 哇 l q 。相= 5 韧f如采集餐j ； - j l 凝 lb 相相 l 地耦台 l l 一趟。i 一 1o k v 4 0 0 v 小区三相四臻低压刳 图i - it t u 抄表示意图 因此，将功能完善、性能可靠的t t u 投入到配电网运行和管理中不 仅可以完善配电自动化，还可使配电网的运行、管理迈向更高一层台阶。 1 , 2 。3 配变监控终端的发展现状 配变监控终端在国内的研究和应用是近几年才开始的，国内已有多 家科研单位和厂家推出了产品，并投入现场运行，取得了一定的效果， 总的来说，己推出的产品具有一定的技术应用价值，也得到了一些用户 的认可，但由于近两年来国家在配电网改造方面投入了大量的资金、各 电力公司对配电网的进一步重视以及新的用电需求的出现，已有的装置 存在的缺陷逐步显露出来。 从功能上来看，已有的装置存在的缺陷主要有： 装置测量精度低。 装置不能进行谐波分析计算。 装置电压质量统计简单。 装置没计时末考虑无功就地平衡的原则，不具备控制就地无功补偿 1 综述 设备的能力。 装置无谐波滤除功能。 从硬件技术上看，已有的装置存在的缺陷主要有： 现有产品大多数采用单片机，对较复杂的交流采样计算处理速度不 够。 现有产品大多采用较低速率和分辨率的a i d 转换器，使交流采样精 度不够。 现有产品未使用大容量的f l a s h r a m ，使数据存储数量和时间不 能满足通讯应用要求，且易丢失。 未考虑与其他配电自动化设备进行多种通讯，预留通讯接口不够。 以上这些缺陷影响了配变监控终端的大量推广和应用。 1 2 4 配变监控终端的发展趋势 随着两网改造的进一步深入，用用户对配变监控终端的功能提出了 更高的要求，要求包括供电质量考核、电网管理等方面。 对供电质量考核的要求如下： 单位时间内电压合格率统计。 电压、电流谐波分量的分析。按照颁布的( ( s d l 2 6 8 4 电力系统谐 波暂行舰定标准，需计算、记录谐波至1 9 次。 单台配变供电区域内功率因素应大于o 9 7 。 对电网管理方面的要求如下： 记录单台配变供电区域内最大、最小电压、电流、有功、无功负荷 数值以及发生时间。 对单台配变供电区域内单位时间段电量进行统计。 西安理工大学硕士学位论文 记录停电时问和停电次数。 记录配变异常运行状态，包括过压、过流、超温、断相等。 每1 5 分种存储电压、电流、有功、无功数值，以便于用电管理部 门绘制负荷曲线、完成统计和分析等需要。 计算配变功率因素，具备控制无功补偿设备的功能。 电力新技术发展后对配变监控终端还要求： 可作为单台配变供电区域内其他自动化设备的子站或作为通讯控 制器、通讯转发器，如低压载波抄表的集中器，具备将低压侧数据 向配电自动化子站上传的能力。 具有一定精度的电量计算功能，可与计算电度表共同运行，作为计 量数据的参考。 上述功能的需要导致配变监控终端在功能上趋于多样化，在硬件技 术上趋于使用高性能处理器和外围电路，在软件技术上趋于多功能化、 模块化。 1 3 本论文的主要工作 1 ) 与用电管理部门协商，提出配变监控终端的功能要求和技术参数要 求。 2 ) 查阅配变监控终端以及配电自动化的相关资料，分析硬件以及软件 功能，对现有的算法进行详细的分析、比较。筛选出既能使硬件满 足要求又可降低投资、保证精度、简化程序的方案。 3 ) 设计硬件电路，绘制硬件原理圈和电路模板图，制作硬件。 4 ) 确定软件方案，绘制软件流程图，将其细化，进行具体的软件编程。 5 ) 完成软硬联合调试，对装置进行温度、抗干扰、绝缘、通讯等测试。 一 ! 璺墨些堇竺苎塑垫查兰查 _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2 配变监控终端的技术要求 2 1 配变监控终端的功能要求1 1 卜 2 1 1 信息采集和处理功能 采集配电网变压器低压侧u a 、u b 、u c 、i a 、i b 、i c ，实现电压、电 流、有功功率、无功功率和频率的实时监测。 采集多功能电能表信息，实现有功电能量、无功电能量的测量。 采集高压侧负荷开关位嚣、隔离开关位置、接地刀闸位置、高压熔断 器状态和高压侧负荷开关远方就地操作切换开关位置信号。 采集低压侧出线空气开关位置信号。 采集无功补偿电容器组投切位置信号。 统计电压合格率。 记录谐波至1 9 次。 统计失电时间，记录失电的起始和中断时间。 接受上级主站遥控命令，实现对高压侧负荷开关，低压侧总开关的分、 合操作。 2 1 2 通信功能 与上级站进行通信，将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制 命令。( 电力线、双绞线、光纤可选) 与多功能表进行通信，接受多功能表的信息。( r s 4 8 5 ) 具有当地通信接口。( r s 2 3 2 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 2 1 3 无功补偿功能 补偿容量由多组电容器构成，依据无功补偿量，分组投切。 考虑补偿效率，采用a y 混合接线方式，分别进行三相和单相补偿。 投切开关选择固态开关和交流接触器。 考虑谐波放大效应，将谐波分量作为控制变量。 2 1 。4 电源失电保护功能 具有失电数据保持功能，主要记录数据可长期保存，不丢失。 2 1 5 事件上报及记录功能 当电流超过整定值时，记录并及时上报越限值和发生时间a 2 1 - 6 设置功能 时钟校时。接受上一级的校时命令，远方对时，也可通过键盘校时a i l l 参数设置。当地、远方设置整定值( 电压超标值、电流越限值等) 和 时间等参数。 2 , 1 7 自诊断、自恢复功能 j t _ 确r 自诊断功能，发现终端的内存、时钟、i o 等异常马上记录并上 报。 具有上电与软件i g 恢复功能。 2 配变监控终端的技术要求 2 1 8 当地调试功能 通过面板上的标准维护接口进行当地调试以及维护。 2 1 9 现场操作、显示功能 键盘功能 1 )设置配变c t 、p t 变比。 2 ) 装设时钟对时操作。 3 ) 控制参数的设置。 4 ) 直接查询测量参数和装置运行状态。 l c d 显示功能 1 ) 运行状态下，显示电压、电流、功率、功率因素、频率。 2 ) 装置设置状态下，显示州钟、p t 变比、c t 变比以及控制参数。 3 ) 查询状念下，显示状态电压合格率、谐波含量等。 l e d 指示功能 i ) 运行、设置、查询状态指示灯。 2 ) 相别指示灯。 3 ) 电源指示灯。 2 2 配变监控终端的技术参数要求 2 2 1 额定数据 交流电源： 交流电压： 2 2 0 v 2 0 2 2 0 v 毋安理工大学硕士学位论文 交流电流5 a 频率：5 0 h z 2 2 2i o 配置 遥测量：交流电流3 路；交流电压3 路 遥信量：开入量2 4 路 2 2 4 交流回路过负载能力 交流电压：在i 2 u n 可连续工作 交流电流：在1 2 i n 可连续工作 2 2 5 装置的精度 电流、电压：o 5 级 有功功率、无功功率：1 级 功率因素：2 级 2 2 6 检测条件 电压范围：0 - 2 2 0 v 相 电流范围：0 - 5 a 相 功率因数：1 o 5 l 、1 o 5 c 频率变化：4 5 h z 5 5 h z 电源电压变化：18 0 u 2 6 0 v 三相不平衡：不同相施以不同的负荷电流 2 配变监控终端的扶术要求 计及谐波影响：叠加3 一1 9 次谐波，大小为基波的2 0 考虑高频干扰的影响：串模1 2 5 0 v ，共模2 5 0 0 v 快速瞬变脉冲：i e c 6 1 0 0 0 4 4 ( 1 9 9 5 ，4 级) 静电放电干扰：直接放电8 0 0 0 v 越限的影响：1 2 0 的电压、电流额定值条件下运行 工频磁场的影响：水平及垂直方向1 0 v m 高低温的影响：- 4 0 0 c + 8 5 0 c 测量线路间的影响：不同相间的电压或电流之间 电源加高频干扰的影响：串模1 2 5 0 v ，共模2 5 0 0 v 电源加快速瞬变的影响：共模4 0 0 0 v 2 2 7 事件顺序记录 s o e 分辨率：5 m s 两次事件处理能力：。 2 5 m s 2 2 。8 绝缘性能 绝缘电阻： 各带电的导电电路分别对地用开路电压为2 0 0 0 v 的测试器钡4 定，其 绝缘电阻不小于1 0 0 m q 。 耐压： 耐压试验部分的要求如下表2 1 所示： 西安理工大学硕士学位论文 表2 - l耐压试验部分的要求 耐压水平 试验部分备注 ( 工频，1 分钟) 交流遥测回路 2 k v 无击穿 遥信回路 1 0 0 0 v 无击穿 电源回路 2 0 k v 无击穿 继电器线圈与诲点之间 2 0 0 0 v 无击穿 光电隔离一二次之间 】0 0 0 v 无击穿 2 2 9 冲击电压 各输入、输出带电端子分别对地、交流回路与直流回路之间、交流 电流回路与交流电压回路之叫，能承受5 k v 、1 2 5 0 u s 的雷f 乜波的冲击。 2 2 1 0 抗电磁干扰性能 脉冲抗干扰性能： 能承受频率为1 m h z 以及1 0 0 k h z 衰减振荡波( 第一半波电压幅值 共模2 5 k v ，差模1 k v ) 的脉冲干扰试验。 快速瞬变抗干扰试验： 能承受i e c 6 1 0 0 0 4 4 ( 1 9 9 5 标准规定的4 级快速瞬变脉冲群抗扰度 试验) 瞬变干扰试验。 2 2 1 1 环境条件 保存温度：4 0 0 c + 8 5 0 c 2 配变监控终端的技术要求 工作温度：一4 0 0 c + 8 5 0 c 大气压力：7 0 k p a 一1 0 6 k p a 2 2 1 2 机械性能 工作条件：能承受严酷等级为1 级的振动响应、冲击响应检验。 运输条件：能承受严酷等级为1 级的振动刷久、冲击耐久以及碰撞等 检验。 2 2 1 3 通信规约1 5 规约采用i e c 8 7 0 5 1 0 1 标准协议( 国标d l t 6 3 4 - - 1 9 9 7 ) 。 3 算法分析 3 算法分析 配变监控终端是面向电力系统的测量、控制设备，要求较高的测量 精度，选择优秀的算法是保证实现设计要求的前提，在整个系统设计中 占有重要的地位。本文依次研究了采样、低通滤波、c t 相位补偿、求 取基本电参量、无功补偿、谐波测量、统计电压合格率等算法。通过对 采样误差的分析，提出从4 5 0 起始的准同步采样方案；通过对电流互感 器相位漂移造成功率计算误差的分析，提出数字检测漂移量并通过f i r 进行相位补偿的方法；通过对谐波测量误差的分析，采用首先消除非周 期分量，再进行f f t 运算的方法。 3 1 交流采样方案分析 3 1 1 交流采样概述 在交流电参量测量中，主要有同步采样、准同步采样、非同步采样 三种方法。 a 同步采样 被测量信号的周期是采样周期的整数倍即为同步采样，同步采样无 离散误差。实现同步采样的途径一般有两种方法，一是硬件实现，如锁 相环法，硬件同步由于电路复杂、一般很少使用。二是软件实现，普通 的软件同步采样方法是，首先测量交流信号周期t ，用该周期除以一周 内的采样点数n ，从而得到采样周期t s ，并确定定时器的计数值，用定 时中断的方法实现同步采样。由于采样间隔由c p u 定时器控制，受其时 钟的限制，定时器给出的采样间隔与理论值相比存在着截断误差，误差 1 6 西安理工大学硕士学位论文 累计n 点后，必然引起周期误差和方法误差，因此，严格的说，这种方 法只有在截断误差为零时，才是同步采样，在其他情况下，仍然是准同 步采样“1 。 b 准同步采样”7 , j 8 1 准同步交流采样是使用一个与被采样周期信号的频率倍数尽可能接 近的频率来进行采样。设采样间隔为t s 弧度，一周内采样点数为n 点， 定义每个周期产生的周期误差为a t = 2 z - - n t s ，a t 0 时候即存在周期 误差，由于存在着采样周期误差，计算结果也必然存在着误差。下面分 析a t o 时电压、电流有效值的计算误差。 设被测电压信号u ( t ) = u 。s i n c o t ，则睾为电压有效值，则根据有效 吖z 值的定义可知，电压均方根值的平方u ：擘，f a - 周采样n 点，第一 点的位置在口处，则每个采样点的位置为 a c t ，= 口+ 以( f - 0 ，1 ，2 n - - 1 ) 3 - 1 各点的瞬时采样值为“( f ) = u 。s i n ( a + 以) ，则由n 个采样点得到的离散 电压均方根u 的平方为 1 一l，2n 一1 2 2 专善“2 ( 2 静善8 i n 2 “t ) 3 2 ：譬艺 生型幽 岔。 2 1 = 譬卜专缸e j ( 2 c e + 2 r , ) ， 3 算法分析 其中r e ( ) 为取实部，e “2 “2 矧为等比级数 并取得实部后得 n篮【1十sin(at)cos(2a-)at-tj)。2n s i n ( t o= 监2 ( 1 + 。 1 。、 其中c 一些雩笋 a t = 2 一n t 将此等比级数求和 3 3 c 就是电压有效值平方的误差，同理可以推出电流有效值的误差。 由上述误差分析得出，准同步采样造成的误差不仅与采样点数n 有 关，也与第一个采样点的初相位有关，因此，其误差有随机性。解决准 同步采样误差可通过增加采样频率和迭代次数来修f 。也f 是由于增加 了采样频率使用了迭代算法，而导致了采样数据增加、c p u 运算盟变 大，时钟截断误差累计过大，若使用一般的单片机计算时问将远大于同 步采样周期。 c 非同步采样法 非同步采样是使用一个固定的采样间隔，通过调整采样值，使信号 周期与采样周期的整数倍的差值小于一个采样间隔的方法。这种方法 的优点是不跟踪信号的周期，硬件投资少；缺点是精度相对同步采样、 准同步采样误差大、软件设计复杂。 3 。1 2 采样方案的选择 由上述分析可知，同步采样、准同步采样、非同步采样中，同步采 样精度最高，但若用硬件，则电路复杂，用软件则对实时性要求太高； 18 西安理工大学硕士学位论文 准同步采样硬件投资少，对实时性要求不高，精度较好：非同步采样， 也有较好的精度，但软件较复杂。 考虑到经济性和开发的简单性，本文配变监控终端采用准同步采 样，具体方案如下： u a ，i a ，u b ，i b ，u c ，i c 为所采集的6 路模拟量，共使用两块a d ， 每块a d 有3 路，6 路信号同时采样。为了满足o 5 级精度要求，本装 置选用1 4 位a d 7 8 6 5 ，去掉符号位，有效位数为1 3 位：由于本装置有 一个重要的功能就是进行谐波分析，为了对至少1 9 次的谐波进行分析， 采样点数必须大于6 4 点，另外考虑到精度，每周波采样点数设计为1 2 8 点，连续采样5 个周波。为提高处理速度，处理器选择t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 。同时为了跟踪频率，每5 个周波计算一次平均周期，进 而修正时钟的采样周期。 3 1 3 提高精度的方法0 2 2 3 按照电力部的标准，电力周波控制范围是5 0 o 2 h z ，相对每周波 15 6 2 5 脚的采样间隔，每周采样点数的范围是1 2 7 4 9 1 2 8 5 1 ，由于频 率变化造成的每周波采样点数误差可能大于1 。本文使用寻找过零点的 方法使误差范围小于1 个采样间隔，从而起到了提高采样精度的效果。 另外从式子3 3 ，可以看出准同步采样造成的误差不仅与采样点数n 有关，也与第一个采样点的初相位有关，而且当初相角为士4 5 度时，误 差非常小。因此，可在连续5 个周波的采样中，找出完整的起始点过零 点的4 个周波，再向后推移1 6 个点，即从0 度向后推至4 5 度，从而获 得精确的有效值。 为了进一步提高采样精度，t t u 通过连续采样的5 个周波，计算出 9 3 算法分析 信号周期，从而进一步修正采样周期。信号周期获取方法如下。 3 1 4 周期检测 周期或频率是衡量供电质量好坏的标准之一。同时，由于本文使用 了准同步采样法，因此周期或频率的测量是进行采样的前提工作。周期 的测量大都是采用过零计数，即先将正弦波由硬件电路转化为方波，然 后通过软件累加计数测脉宽来得到周期量【2 4 】。但这样就增加了硬件电路 的复杂性，特别是在多路信号同时输入的情况下尤为不利。本文直接从 采样的数据上运用线性插值测零点的方法来测量周期。根据采样的数据， 至少可判断出4 个完整采样周波罩的零点时间值，初始零点与最末零点 的差值除以4 就是所求的周期。如下图3 1 所示： 八( u , u t ) ，卜： 。一 v 图3 - 1线性插值法求过零点 在相邻两个采样点f 。，：的采样值由负变正或由正变负时，在of ： 之间“( f ) 必存在过零点r ：，设“，是时刻的采样值，是t 2 时刻的采样 值，则根据线性插值公式可求的初始过零点t 。的时间坐标值 。川+ 川 3 4 同样的方法，可求的完整的4 个周波的最后一个过零点：9 ，于是就 里室墨兰查兰翌主堂堡堕查 - _ - _ _ _ _ _ _ - _ 一 可得出信号的周期和频率。 7 1 ：! i ! 二鱼 3 - 5 ，：三：土3 - 6 。 r f = 9 一，：i t t u 可根据需要选择其中一路信号作为基准，从而实时修正a i d 的 采样周期。 3 2 低通滤波器的设计 在对电力信号进行采集和处理时，必须要解决频谱混叠的问题。根 据奈奎斯特定理可知，要避免频率混叠就要保证采样的频率至少是信号 最大频率的2 倍。而电力系统中含有丰富的高次谐波信号，因此首先要 对采样的信号设置适当的低通滤波器，从而在一个周波里选择适当的采 样点数就可解决混叠问题。本节首先介绍常用滤波电路，然后进行比较， 选择出适合本装覆方案。 3 2 1 无源低通滤波 用电容和电感可组成l c 滤波电路，如下图3 2 所示 图3 - 2l c 低通滤波 当信号的频率升高时，电感的感抗增加，电容的容抗减少，它们使 3 算法分析 得负荷两端得到的电压幅值下降，因此高频信号衰减较多。而当频率很 低，感抗接近于零，容抗近似于无穷大，信号基本不受损失。所以这种 l c 滤波电路有较好的滤波特性。但当希望通带截止频率 较低时，j , j 了保证滤波性能，势必要求电感量很大，这时电感的重量和体积过大， 既不易制作，而且成本高，有时还需要加磁屏蔽，给制造和安装带来不 便。因此除了在大功率电路中有时还必须选用外，在低频信号传输电路 中一般应尽量避免使用电感。 为了克服滤波电路因采用电感而存在的缺点，可以用电阻和电容组 成滤波电路，成为r c 滤波电路。如图3 - 3 所示，这个电路克服了l c 滤 波电路的缺点，但r c 滤波电路中电阻不仅消耗我们希望抑制的那些信 号的能量，而且消耗了我们希望顺利通过的信号的能量。 r = = 图3 - 3r c 低通滤波 3 2 2 有源低通滤波 与无源滤波电路相比，由集成运放和r c 网络组成的有源滤波电路 有很多优点，主要是： 由于不使用电感元件，因此体积小，重量轻，也不需要加磁屏蔽。 有源滤波电路中的集成运放可使输入阻抗高，输出阻抗低，输入与 输出之间具有良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波电路串连起来， 就可以得到高阶滤波电路，一般不需要像l c 滤波电路那样考虑级间 西安理工大学硕士学位论文 的相互影响。 除了起滤波作用，还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。 常用的一阶有源滤波电路如下图3 - 4 所示： re =一 圈3 - 4 一阶有源低通滤波 相对无源滤波电路，有源滤波有很多优越的地方，但有源滤波电路 也有许多不足，主要有以下几点： 采用有源器件，必须设置提供能量的直流电源，有源滤波电路j 能 芷常工作。它不象无源滤波电路那样容易做成浮筒式( 即两端都不 接地) 。 可靠性差，易于损坏。 不适合在高压或大电流条件下使用。 3 2 3 滤波方案的选择 由于对t t u 的要求是电路设计简单、经济、可靠，同时考虑到处理 芯片d s p 本身具有乘积累加的功能，即具有强大的f i r 滤波功能，因此 本文最终选择r c 无源滤波，以防止混频。 3 3c t 相位补偿 c t 由于其内在的物理特性，无法消除其固有的相位漂移，而相位 3 算法分析 漂移又会影响功率的测量精度，尤其当功率因素较低时，影响更为显著。 例如，当相位漂移为l 。，功率因素为0 ，5 时，则功率的误差就达到了3 ， 这超出了设备的误差允许范围。因此，在功率计算之前首先要检测出固 有的相位漂移量，再通过相位补偿以消除其影响。 3 3 1c t 相位漂移的检测 传统的相位漂移检测首先让设备运行在纯阻性负荷下，然后再让设 备运行在已知功率因素的负荷下，如功率因素为o 5 的负荷，通过训+ 算 出在两种不同负荷下的功率，从而进一步算出c t 固有的相位漂移。提 供一个纯阻性负荷比较容易，但是提供一个功率因素固定且准确的负荷 就比较困难。本文测量c t 相位漂移并不需要个己知功率因豢的负荷， 而是通过在纯阻性负荷下对采样的数据经行数字化的延迟处理汁算出 c t 固有的相位漂移。 发电压的有效值为u 。，i 乜流有效值为，。，c t 固有的相位漂移y , j ，令对电流的采样数据进行延迟的角度为4 5 。则在纯阻。t i - 负荷下得到 的功率只为： , 0 0 = u m 。xl 。x c o s 9 3 - 7 电流延迟4 5 。时，所得到的功率圪为： 圪= u 。，c o s ( q + 4 5 。) 3 - 8 p 令k ”= 2 p 则 0 0 西安理工大学硕士学位论文 kpcos(p+45。)c。s45。-sin45。增妒 c o s p 铒= 警眦，却 龇c 0 s 舻寿k1 +