（机械电子工程专业论文）配电变压器在线监控装置（ttu）的研究与实现.pdf

摘要 配电变压器是配电网络中的重要电力设备，其运行数据是配电网络的基础 和重要的数据。配电变压器监测终端t t u ( t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ) 是配电 自动化系统中的重要部分，在系统中完成采集模拟量( 如电压、电流等) 和状态 量( 如开关状态) ，以及执行遥控( 开、合操作) 操作等功能，实现对配电变压器 的遥测，遥信，遥控和遥调功能，保障配电系统的可靠运行。 本文在研究了t t u 的原理和国内外发展现状以及广泛市场调研的基础上结 合用户的功能需求，提出了一种基于u p s d 3 3 3 4 单片机和g p r s 通信技术的t t u 设计方案，并最终在软硬件上进行了实现。 本文首先介绍了研究就背景，t t u 的国内外发展状况以及本课题的研究的目 标和意义；接着介绍了t t u 的设计思想，提出了采集+ 控制+ g p r s 通信的设计方 案，并确定了本装置所具有的功能和性能；然后介绍了配电数据的采集原理，以 及用到的一些电参量的计算方法；接着详细介绍了t t u 的硬件实现以及重要元 器件的选型，并进行了硬件抗干扰的设计；文章还详细介绍了配电变压器在线 监测系统的软件构成以及实现，主要包括t t u 终端程序和监控中心后台管理系 统，以及软件抗干扰的设计；最后对研究工作进行了总结和展望，并指出了进 一步的研究方向和内容。 本系统功能丰富，便于操作，成本低，安装与维护方便，且便于以后的开 发与扩展。 关键词：配电变压器监测终端，g p r s ，数据采集与监控 d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ri s i m p o r t a n t e l e c t r i c p o w e re q u i p m e n t i i lt h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k w h o s eo p e r a t i o nd a t ai si m p o r t a n ti l le l e c t r i cp o w e rs y s t e m a u t o m a t i o n t h et r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t , n a m e l y 刑，s a m p l e sa ci n p u t ( s u c h a sv o l t a g e ，c u r r e n ta n ds oo n ) a n ds t a t e ( f o re x a m # e ： s w i t c hs t a t e ) a n de x e c | b t e s r e m o t ec o n t r o lc o m m a n d ( o p e n o p e r a t i o n o rc l o s eo p e r a t i o n ) 刑s u p e r v i s et h e a c t i o no ft r a n s f o r m e r ，s oi tg u a r a n t e et h es e c u r i t yo fd a s ( d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n s y s t e m t h i sp a p e ri sm a i n l yb a s e do nt h es t u d yo ft h ed e v e l o p m e n to ft r a n s f o r m e r t e 姗i n a lu n i tw h i c hc o n s i d e r a t i o nw i t ht h ed e m a n do fe l i e n t s as c h e m eo f 刑 d e v i c ei sp r o p o s e da n dr e a l i z e db yu s eo fg e n e r a lp a c k e ts e r v i c e ( g p r s ) a n d u p s d 3 3 3 4s c mc h i p ， t h eb a c k g r o u n do fs t u d y ，t h ed e v e l o p m e n to f 1 m ，t h ea i ma n ds i g n i f i c a n c e o ft h i sp a p e ri si n t r o d u c e di nt h ef i r s t ；t h ew h o l es c h e m ei n c l u d i n gt h ef u n c t i o na n d t h ec a p a b i l i t yo ft h i sd e v i c ei sp r o p o s e di nt h es e c o n d ；t h e i i ，t h et h e o r yo fs i g n a ld a t e a c q u i s i t i o n i si n t r o d u c e d t h ec a l c u l a t i o no f e l e c t r i c i t yp a r a m e t e r i s m a i n l y d e s c r i b e d ；t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h ed e v i c ei sg i v e n ，i n c l u d i n gt h ec p u b o a r d , t h em m ib o a r de r e , t h ea n t i - j a m m i n gm e a n si sa l s od i s c u s s e d ；t h e s y s t e m s t r u c t u r eo ft h es o f t w a r em o d u l ea n dt h ef u n c t i o no fe a c hp a r to fm o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e ma r ep r c s e u t e di nd e t a i l t h es o f t a r ec o n s i s t e so ft h em o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e a d m i n i s t e rc o n t r o ls y s t e m i l lt h ee n do ft h i st h e s i s t h es u m m a r i z a t i o na n dp r o s p e c to f t h i ss t u d yi sp r o p o s e d t h es y s t e mh a sa b u n d a n tc o n v e n i e n to p e r a t i o n , s u c ha sc o n v e n i e n to p e r a t i o n ， l o wc o s t ，c o n v e n i e n tt os e t u pa n dm a i n t e n a n c e ，e a s yt od e v e l o p m e n ta n de x t e n d k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ；g p r s ；d a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特另t l d l ：l 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， 也不包含为获得武汉理工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。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 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，因而配电自动化( d s a ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m a u t o m a t i o n ) 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己逐渐成为一个重要的研究方向。本课题的 提出就是基于配电变压器的监测而进行的一项研究【”1 。 1 1 课题研究的背景 目前，我国配电网的现状是：配电网比较薄弱，绝大多数为树状结构，且 多为架空线，可靠性不高；特别是在农村，由于送电距离长，损耗严重，导致 电压质量差；另外，配电设备陈旧，大多数不可遥控；加之配电网运行状态监 测设备少，信息传输通道缺乏，因而信息采集量少。这些都导致了事故处理自 动化程度低、处理时间长、事故后恢复供电慢。为了掌握配电系统的运行状态， 需要对有关电气量进行连续测量，供运行监视、记录；为了保障变压器、输电 线路的安全运行，需要实现过流、过压等故障的安全保护；为了向电网调度提 供系统运行状态，需要将表征电网运行的有关信息向上级调度传送；为了向用 户提供合格的电能，需要进行有关的控制调节。所有这些，如果仍然采用传统 的人工抄表、有线电话传输的方式来完成，显然已不能满足现代电力系统高质 量供电的要求，需要采用自动化技术，也就是需要实现配电自动化i l “。 根据中国国家电力公司在1 0 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i o 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。”由此可见，配电自动化包含 三个基本功能，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。在三 武汉理工大学硕t 学位论文 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系统的控制与保 护。而在电力供配电系统中，配电变压器是将电压直接分配给低压用户的电力 设备，配电变压器作为向用户供电的最终环节，在整个供电网络中起着重要的作 用，其运行数据是整个配电网基础数据的重要和基础的组成部分。其中包括： 三相电压、三相电流、三相有功( 无功) 功率、功率因数、频率、有功( 无功) 电 量、油温( 湿) 度等。这些数据正常与否是配电变压器运行是否良好的重要反映， 对于提高供电可靠性具有决定性作用因此，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，可以实现电网的稳定、优化运行，是配电 自动化中重要的一环。在配电自动化系统中，监测配电变压器的任务是由配电 变压器监测终端( t t u ，t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ) 来完成的，它是配电自动 化的基础与核心设备之一【3 j 【4 】1 5 j 。 根据市场调研，我们发现，配电变压器是一种数量多、应用很普遍的电力 设备，但目前供配电系统中绝大多数配电变压器还没有配备智能化、可通信的 监测装置。国内近年来也向配电变压器的无油化、组合化、免维护方向做了一 定的努力，也出现了一些配网自动化装置，但毕竟中国国力有限，不可能对配 电变压器做出统一的规定，而且大多数配网自动化装置价格昂贵，不适合对数 量庞大的配电变压器普遍使用。随着配电自动化的深入发展，配变监测终端( t t u ) 有着非常广阔的市场需求。鉴于此种背景，研制一种能适合配电变压器监测并 具有多种通信功能的智能化终端装置是符合市场需求的，也是提高电网供电质 量的有效途径。 针对上述情况，我们开发了这个配电变压器在线监测装置。这个装置结合 现代计算机技术和通讯技术，对配电变压器的运行负荷情况及变压器的运行温 度以及油箱压力进行实时监测，如果发生过负荷及温升或压力超标则通过无线 g s m 网短信报警，并记录这些超标信息。记录的历史信息可以通过无线g p r s 网 上传送，以方便运行人员进行状态评估和负荷分析，为变压器检修提供了科学 依据：并且它留有开关量输出接口，可作为执行机构，还留有串行接口，可以 方便接入已有的配网自动化装置，再加上其价格低廉，运行可靠，是未来配网 自动化理想的终端装置。 武汉理工大学硕：学位论文 1 2 配电变压器监控终端( 1 l r u ) 国内外发展概况 配变器监测终端( t t ut r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ) 是用于配电变压器的各 种运行参数的监视、测量与控制的远方终端。它是配网监控终端层，负责数据 的采集和操作命令的执行。配变监测终端( t t u ) 在配电自动化领域，处在一个非 常重要的地位。变压器监控终端是是配电自动化中最末一级监控单元，负责监 测配交低压侧电压、电流、频率，计算配变的有功功率、无功功率、有功电度、 无功电度，分析电能质量，统计电能数据等1 4 l 。 配变器监测终端( t t ut r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ) 的发展同配电自动化息 息相关，因为配电自动化没有什么发展，在8 0 年代末，t t u 的研究工作几乎为 零。但是随着科学技术的发展，一些新的算法和高性能芯片的推出，t t u 也在不 断地进行改进和发展。f f t 算法使得在计算谐波分量时的效率得到了提高，这样 增强和扩展了t t u 的功能，在过去无法处理的谐波部分得以进行分析和处理， 从而提高了对电网的调控能力。另外，近几年来，芯片技术突飞猛进地发展， 低功耗、高性能、外设模块化、高速度的芯片不断地用于各种控制场合，由于 微处理机具有速度快、功能强、应用灵活等特点，z 8 0 、i n t e l 8 0 8 6 、i n t e l 8 0 2 8 6 、， i n t e l 8 0 9 8 、m c s - 5 1 等高性能微处理机广泛地应用于t t u 中，1 6 位机，甚至3 2 机也己得到广泛的应用，国内外的一些公司针对出现的新情况不断地推出新的 产品，t t u 的功能也不断得到完善和扩充。我国内配电t l 动化的真正起步比较晚， 大约为2 0 世纪9 0 年代，较国外发达国家约滞后2 0 年，t t u 的发展也落后于发 达国家。由于近年来计算机技术、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，针对我国配电自动化比较薄弱的现状，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自动化产品，尤其是配变监测终 端。配电变压器监测终端已从早期的功能单一、通信方式简单的结构，朝着智 能化、小型化、多功能化的方向发展，并正在探索电力系统自动化的多种通信 方式，加快了国内配电系统自动化的发展步伐。从国内外的研究现状及发展趋 势来看，配电变压器监测终端数据传输的通信方式以及能够适应不同通信要求 的多功能配电变压器监测终端仍然是目前的研究方向和急待解决的问题p 4 j l ”l 上海电力自动化公司d e p - 9 0 0s e r i e st t u 、深期l 银骏科技p b t 2 一c 2 wg p r s 配变监测仪( t t u ) 、新联电子p b t 2 - c 2 w 配电监测终端等在国内的配电自动化系 统都得到应用。国外公司的产品技术相对成熟，性能优越，但由于价格较高， 武汉理工大学硕上学位论文 国内市场应用很少。现在，配电系统自动化开始要求实现标准化和分布化，新 的电力通讯标准不断地进行更新。因此，有必要结合这些新的状况，对当前的 市场和技术充分了解后，进行了新型t t u 的研制和开发。新型t t u 同旧的t t u 相比应该具有许多优点，有较大的创新和改进，能够有广阔的应用前景。 1 3 本课题的来源，研究意义和研究目标 本课题来源于国电高压研究院的研究项目配电网设备状态评估系统，此 系统的目的就是研制一套结合了电力地理信息系统( g i s ) 技术及数据库技术、 远程连接各个配网设备的在线检测及故障报警装置、对配网设备进行自动信息 管理并且能使用人工智能的方法对设备的状态特征进行状态诊断的设备信息管 理系统，对于供电部门减少维护成本、提高供电可靠性来说是迫切需要的。作 为其中的重要的一个环节，我的论文的研究内容就是开发出配电变压器的在线 检测及故障报警装置，使得调度员可以通过通讯规约，用上位机召唤各个t t u 的数据记录，详细地了解各个配电变压器的运行状况，以及各种故障记录。这 样可以合理调配电能，并且对整个电力系统的维护和检修都非常有益。t t u 的应 用可以使配电自动化系统的成本降低，提高电力系统调配的可靠性、快速性、 安全性。 在前期的调研中，我们查阅了大量的文献，从检出文献来看，国内已经有 科研一单位和厂家推出了变压器监控终端产品，并投入运行，取得了一定的效 果。总的来说，已经推出的产品具有一定的技术应用价值，得到了一些用户的 认可，但仍有如下一些缺陷。主要有如下几点i n - 1 4 1 1 7 - 1 8 1 1 2 1 】： 大多使用专用的计量芯片，专门的外部接口电路，具有电路复杂、功能单一、 价格昂贵等缺点。 从功能上看，精度低、不能进行谐波分析及电能计量、电压质量统计功能简 单等。 从硬件技术上看，现有产品大多使用较多外围扩展模块，系统的成本较高； 使用较低速率和分辨率的a d 转换器，交流采样精度和计算、处理能力不够； 未使用大容量f l a s h 存储器，配变数据存储量和时间不能满足非实时通讯情 况下的应用要求，而且容易丢失。 这些缺陷影响了产品的大量推广应用。市场上也迫切需要功能完善、价格 4 武汉理工大学硕士学位论文 合理、抗干扰能力强、设备运行可靠等特点的产品，便于实现测控和管理的自 动化。针对上述现状，要求新一代的变压器监控终端具有更大的容量和更丰富 的功能。本课题所研究的主要内容是，根据国内外配电变压器检测终端的研究、 应用现状以及发展趋势，针对我国配电网( 主要是南方) 的现状，探索并提出 一种能实时监测配电变压器的各种参数并能以多种通信方式传输数据的智能型 配电变压器监测终端，以满足配电网自动化的需求。 本课题预期达到的目标是研制出满足配电监测功能的“配电变压器智能监 测终端设备”样机。 1 4 本课题的主要工作和技术难点 1 4 1 技术难点 本系统要将电参量监测、通信、显示和配变数据存储等集于一体。而且研 制出的系统要作为产品进入市场，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、便于维护、模块化结构等条件 下，本课题具有以下难点： 低开发成本前提下，要实现系统的多功能、高性能要求，达到较好的性能价 格比。而且，要求系统能够在复杂环境下长期可靠运行。 系统将电参量监控、通信、显示和配变数据存储等集于一体，工作量大。 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。 由于要求系统存储大量配变数据，这些配变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，以便数据能够正确存储和实现 高效率的查询。 系统运行的环境比较复杂，为使系统稳定运行，如何有效的增强系统的稳定 性和抗干扰性。 1 4 2 本文的主要工作 对电参量的测量算法进行了研究。 武汉理工大学硕士学位论文 算法是整个系统的核心，它的可靠性影响着整个系统性能和测量精度。因 此本文详细研究比较了电参量的各种交流采样算法。 提出了一种配电变压器监控终端的详细硬件设计方案。 本文围绕l a p s d 3 3 3 4 芯片在电力系统中的应用以及如何实现系统的各项功能 进行了研究。本文介绍了变压器监控终端的硬件结构以及全部电路设计。 详细介绍了配电变压器监控系统软件的功能划分和程序的编写策略。 系统软件的实现是本文的工作重点之一，本文从系统的角度，以模块化设 计思想提供了变压器监控终端的软件设计过程实现了包括电参量监控，电能 量计量、通信、显示及配变数据存储等功能以及上位机程序各种模块。 1 5 本论文的内容和结构 本文共分五个部分，论文的结构安排如图1 - 1 。 第一章绪论 l 第二章总体设计方案 i 上上上 l 第三章电参量计算第四章硬件电路设计第五章软件设计l 上10 第六章结论与展望 图1 - 1 本文的结构与内容 第一部分首先分析了国内外配电变压器监测终端的研究与应用现状，阐述 了配电变压器监测在配电自动化系统中的重要地位以及本课题研究的背景，提 出了课题研究的具体内容与目标。第二部分探讨了配电变压器监测终端的功能 需求以及性能需求，分析了配变监测终端的组成结构与工作原理，提出了一种 采用以“数据处理、通信模块”为主，外加“采集控制模块”的配电变压器智 能监测终端设计方案；第三部分结合电力系统的特点，对配变监测中的数据采 集原理和采集方法进行了研究与分析，给出了各相关电力参数的计算方法；第 武汉理工丈学硕士学位论文 四部分着重论述了配变监测终端的硬件电路设计，并对硬件设计中主要电路的 工作原理与设计方法进行了阐述和分析；文中第五部分介绍了软件的结构、设 计思想以及软件抗干扰的具体方法；最后，给出了本课题研究的结论并对今后 的研究工作进行了展望，探讨了下一步研究工作的具体目标与方向。 7 武汉理工大学硕上学位论文 第二章配电变压器监测终端的总体设计方案 2 1 配电自动化系统的组成结构 配电自动化系统一般由三部分构成：即主站、子站、配电终端。其系统构 成如图2 一l 所耐5 】【9 1 。 配电主站从各个配电子站获取配电网的信息，对配电网进行全面监视和控 制，实现故障诊断、故障隔离和非故障区的恢复供电，分析配电网的运行状态， 对整个配电系统进行有效的管理。 主站层 子站层 终端层 图2 - 1配电自动化系统三层结构图 配电子站层负责本区域内配电网的信息采集处理，完成本区域内故障处理 与控制等功能，并根据主站的要求将信息转发至主站系统；同时，接收主站下 发的信息，在特殊情况下与主站配合完成配电网的调度管理任务。对于较大规 模城市，由于配电网信息分散复杂，直接将信息采集至主站系统会造成主站系 统通信端口数目太多及主站系统负荷压力大的局面，为了保证系统实时性，配 电网一般设置子站来解决上述问题。 配电终端设备层主要完成对配电网设备各种数据的直接采集、实时控制以 及数据的通信等功能，该层包括开关监控单元f t u 、配变监测单元t t u 、环网柜 r t u ，开闭所r t u ，馈线通信设备等。但是，随着超大规模集成电路技术的不断发 武汉理工大学硕士学位论文 展和新型通信技术( 特别是无线通信技术) 的不断出现，配电自动化系统的三层 结构在许多情况下也可以由二层结构替代，即仅保留主站层和终端层，省去了 子站层。达到了简化系统结构，降低投资成本，提高系统运行效率的目的。本 文主要研究的是位于配电自动化系统终端层的设备之一一配变监测终端t t u 。 2 配变监测终端的工作原理 配变监测终端一般由信号及数据采集电路、数据分析与处理电路、数据通 信接c i 电路、控制输出电路以及人机接1 3 电路等组成，其原理结构如图2 2 所 示。 i 鲁号及数据采喜 数据分析与 一警黝馓路1 3 l 处理电路 人机接口 i ( 核心控制 一誓毒li 电 路 1 1 7 部件) 图2 - 2 配电监测终端原理结构图 配变监测终端的基本工作原理是，利用信号及数据采集电路实时地采集供 配电系统的各项电力参数，如：三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、 功率因数以及三相不平衡率等。然后，将所采集的数据送核心控制部件微处理 器进行数据分析与计算处理；核心控制部件根据系统的要求，一方面将计算、 处理与统计的数据进行存储以备查询或下次调用，或者通过数据通信接口将数 据传输给配电子站( 或直接传给控制主站) 及其它终端设备：另一方面，根据数 据采集与处理的结果实时地对系统的功率因数进行补偿，或者输出控制信号。 同时，核心控制部件还可以通过数据通信接口接收来自系统控制主站的控制命 令，以完成系统的数据传输、控制功能并可实现系统的联网。人机接口电路主 要由键盘与显示电路组成，用于终端的参数设置、数据修改、数据显示及查询 等。数据通信接口电路用于终端与子站( 或主站) 及其它设备之间的数据传输， 该电路通常设计成多个接口电路，以适应电力系统不同通信方式的需要。控制 9 武汉联王大学硕七学位论文 输出电路主要用于系统无功投切和紧急或特殊情况下的歼关分合【2 2 】1 3 “。 3 配变燕测终端的设计 ；l ；求 根据配交般测终端在配电自动化系统运行中所担负的任务，以及现场环境、 使用操作的县体要求以及客户的需隳，我们设计的配变监测终端的主要成考虑 以下一些需求1 1 6 - 7 1 4 l i 冽1 3 1 1 1 3 5 1 。 2 。3 。1 功麓需求 ( 1 ) 实时数据采集功能 可整点或定时( 如每分钟等) 记泶配电变压器的三棚电压、三相电流、有功 功率、无功功率、功率因数、电嬲频率、三稠线圈温度等数据； ( 2 ) 实簿整测凌麓 能够实时般铡配电变压器的三榴电压、三相电流、脊功功率、无功功率、 功率因数、电闱频率、三相线圈温度等参数的变化情况，记录并统计各种参数 最大值、最小使出现的时间，计算平均值，超标时间累计等数据，可形成配变 2 4 小时负荷馥线记录； ( 3 ) 数据摄表及露德凌麓 可以按融、月统计各种数据，日统计数据和月统计数据均傈存在存储嚣 e e p r o m 中。一般日统计数据可连续保存3 0 天，月统计数据可连续保存4 个月； ( 4 ) 实时遥信功能 具有遥僚输入端日，可检测醚电交鹾器高低压侧开关、有载调压开关糕位 等获态量。姿蠢关状态发生交纯孵，记录蒡上报箕当蘩狻态窝发生豹露麓 ( 5 ) 遥控和遥灞渤熊 可根据所般测的电压、电流和功率因素随时间变化和越限情况，就地扁动 无功补偿和自动调压策略，补偿和自动调压策略计算觅功补偿量和调节抽跌量， 分级投切电容器和调节变压器抽头等； ( 6 鼗摇逶蕊雾传埝囊麓 提供与远方通信接口，定时上送各种测量和统计数耀，提供远方参数设鹫 功能和对时功能。通过主站可进行远方控制，实现遁测、遥信、遥控和遇调功 1 0 武汉理t 丈学硕士学位论文 能； ( 7 ) 报警与数据显示功能 在发生故障和异常工况时，形成上报的故障事项信息和异常报警信息，上 报主站或者工作人员。显示部件便于现场检查数据、设置参数和调试设备。除 了上述功能以外，作为智能化设备的t t u 还应具备自诊断功能、失电数据保护 功能和故障自恢复功能等。 2 3 2 性能需求 ( 1 ) 数据采集周期 每1 0 秒钟抄读一次“采集计量模块”的实时数据。 ( 2 ) 终端工作电源 电源标称电压：2 2 0 v a c ； 电压容差：士2 0 ； 电源波形：为正弦波，谐波含量小于1 0 ； 电源标称频率：5 0 h z ； 频率容差：士1 0 。 ( 3 ) 终端计量条件 标称电压：3x2 2 0 3 8 0 v ( 三相四线型) ，3xi o o v ( 三相三线型) ； 测量范围：0 5 v n - 1 4 v n ； 标称电流：1 5 a ； 标称频率：5 0 h z 。 ( 4 ) 测量精度 电压：0 5 级，电流：0 5 级； 有功电量：0 5 级，有功功率：0 5 级； 无功电量：2 0 级，无功功率：1 0 级； 脉冲常数：8 0 0 0 i m p k w h ，8 0 0 0 i m p k v a r h ； 频率；士0 0 1 h z ，油温：士1 ； 温度：3 ，时钟走时误差： o 5 s d 。 ( 5 ) 消耗功率 整机静态功耗小于5 v a ； 武汉理工大学硕上学位论文 ( 6 ) 工作条件 环境温度：- - 4 0 + 7 0 ； 环境湿度：5 l 0 0 9 6 ； 大气压力：7 0 k p a 1 0 6 k p a 。 ( 7 ) r s 4 8 5 传输 传输速率：3 0 0 9 6 0 0 b p s 可调； 系统阻抗：9 6 kq 。 ( 8 ) 标准r s 2 3 2 传输 d b 9 标准插座( 针) ，r s 2 3 2 电平，1 2 0 0 9 6 0 0 b p s 。 ( 9 ) g p r s 通信技术指标 射频参数 工作频段：8 8 0 m h z 9 1 5 9 2 59 6 0 删z 或1 7 1 01 7 8 5 1 8 0 51 8 8 0 删z ； 接收灵敏度：一1 0 4 d b m ；。 最大发射功率：2 w9 0 0 i h z ； 1 w1 8 0 0 删z 。 电气参数 供电电源：直流1 2 v 士15 ； 发送接收电流：低于4 0 0 m h ； 待机电流：5 0 i i l a ： 最大脉冲电流：1 a 。 环境参数 工作温度：一1 5 + 5 0 ； 储藏温度：一3 5 + 8 5 ； 湿度范围：0 9 5 非冷凝。 ( 1 0 ) 电话线( 或手机短信) 传输 拨号方式：双音多频( d t m f ) 或无线m o d e m ； 传输速率：1 2 0 0 9 6 0 0 b p s 。 ( 1 1 ) 输入回路参数 电压输入：l o o v 3 0 0 v ； 电流输入；5 0 小5 a ( 外接普通电流互感器) ，回路功耗小于o 1v a 油温( 或湿度) 测量范围- - 5 5 1 0 5 ： 工频：5 0 h z ( 士l o ) ； 1 2 武敬理工大学硕上学位论文 遥僖输入：接有源绥点，电压藏豳d c 5 2 4 ￥。 ( 1 2 ) 输出回路 电容器投切接点：1 5 组无源开关接点( 5 a ，2 2 0 v a c 或5 a ，3 0 v d c ) ； 缺穰僚护接点：天源零舞鬻翔接点各一缓( 5 矗2 2 0 ￥矗c 或矗3 0 ￥掰) ； 电话( 手机) 接口：d t m f1 2 0 0 9 6 0 0 b p s 、无线m o d e m ： 音频接口：2 f s k1 2 0 0 2 4 0 0 b p s ； r s 2 3 2 接口：d b 9 橛准捶座( 赞) 1 2 0 0 9 8 b p 8 ； 电源：1 2 v d e ，5 0 m a ( 只用于遥倍) 。 2 4 配电变压器监测终端的硬件总体设计方案 撤据以上的设计需求，我们有如下的设计思路：整个装置由单片机芯片、 a d 转换芯片、f l a s nr o m 存储芯片、时钟芯片、串口接口芯片、g p r s g s m 模块、 数鹦赞显示驱动、键盘输入模块、舞关量输入输出电路、传感器、模擞信号调 理电路等几个部分梅成。传戆器有：电压互感器、电流嚣感器、压力稔感器、 温度传感器四种，分别测量配电变压器的负荷电压、电流、顶层油滠、以及油 箱厦力。传感器交送的信号经过放大滤波电路输入到a d = 菸片，经过a d 转换后 交给攀片提芯舞运舞楚瑾，擎片穰芯片整诗簿豹数摇逶避数筠管驱动援块获数 码管姓示出来，并且根据计算的数据判断当前变压器状态，如果是过负荷、油 温过高、油箱压力过大则启动g p r s g s m 模块报警，记录这些信息到f l a s hr o m 绦存，瑷便今震读淑分褥，麴暴霹激控割分会演操终受g 执纷握应静分会阕操终。 单片机芯片还实时监溉用户键擞输入、串日输入、或g p r s 命令输入，搬据这些 输入命令进行相应的操作和设戮。如图2 - 3 所示，整个系统分为五个部分：单 片枫c p u 及基本外围芯片、模拟量输入通道、开关量输入输出通道、人枫接口 部分黻及串蜀稻g p r s g s m 逶滚部分。 帮片机c p u 殿基本外围芯片部分是系统的核心，起到控制中心的作用。外 嗣芯片主要是时钟芯片、看门狗芯片、e e p r o m 芯片以及f l a s h r o m 芯片。时钟芯 冀爻攀冀辊提供实辩辩阕，看门獬蕊冀为系统戆霹靠运纷掇供缳簿，e e p r o m 芯 片主甏用来存储需永久保存的系统参数，可以选用看门狗舅e e p r o m 集成的芯片， f l a s h r o m 芯片主磐用来存储历史数据记录及系统程序。单片机和外围芯片之间 采用 总线接口，i 总线具商接日瑞子少，传输速度藏豹优点，并曼毽兹大 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 部分单片芯片都实现了i 总线接e l ，使用起来极为方便。 u 曲 u b c u n l a i b l c p - 麓 1 图2 - 3 配电变压器在线检测装置整体结构框图 模拟量输入通道包括传感器、放大和滤波电路、以及a d 转换芯片，主要完 成配电变压器状态数据采集功能。 开关量输入输出通道主要由光隔、继电器驱动、继电器组成，它完成开关 状态量的输入、提供继电器接点输出功能，用来控制分合闸开关动作以及读取 开关状态。 人机接口部分电路由键盘、数码管、以及相应的驱动芯片构成，目前大多 数驱动芯片都是集成了键盘扫描、数码管驱动功能，并且提供1 2 c 总线接口，因 此本装置准备采用这种芯片。 串1 ：3 和g p r s g s m 通讯部分，本装置串口通讯提供两种接口：r s 2 3 2 和r s 4 8 5 ， 如果装置与系统上位机通讯采用g p r s g s m 方式则采用r s 2 3 2 接1 ：3 ，g p r s g s m 模 块通过r s 2 3 2 串口同单片机通讯。为了方便系统集成，本装置也可采用r s 4 8 5 接口。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第三章交流采样及电参量的计算方法 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( 2 l 】【1 【3 e l l 矧。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；而且动态响应速度慢，加之，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，平均值与有效值之间的关系将发生变化，这会给计算结 果带来误差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，通常是采用下述的 交流采样方式。 3 1 交流采样方法 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 能等电气量值。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3 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。 武汉理工大学硕上学位论文 胍弧h 甜 v 7 图3 _ 1 交流电量采样原理图 交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法和非整周期采 样法等几种，下面对此作简要介绍【2 l l l 2 3 1 1 4 3 1 。 3 1 1 同步采样 被测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条。一是用硬件实现，如锁相环法，硬件同步由 于电路复杂，一般很少使用：二是用软件实现，普通的软件同步采样方法是首 先测量交流信号周期t ，用该周期除以一周期内采样点数n ，得到采样间隔t s ， 从而确定定时器的计数值，用定时中断的方法实现同步采样。这种方法的特点 是硬件投资少、调试简单，选用适当的算法，在较少增加软件复杂性的情况下， 获得较高的精度和经济效益，在实际应用研究中采用的较多。 3 1 2 准同步采样 准同步交流采样是使用一个与被采样信号频率倍数尽可能接近的采样频率 来进行采样。设采样间隔为t s 弧度，一周期内采样点数为n 个点，则定义每个 周期产生的周期误差为： z h f i r ( 3 1 ) 不为0 时即存在周期误差，由于存在着采样周期误差，计算结果也必然存 在着误差。 3 1 3 非整周期采样法 非整周期采样理论是由哈尔滨工业大学的张建秋、陶然等提出的，非整周 期采样就是以采样时间间隔t 。 1 6 武汉理工大学硕上学位论文 t 。作( 1 一) r ) n o 2 ) t 。称为同步偏差，t 为信号周期，n 为采样周期数) ，对连续信号进行采样。 非整周期采样谐波分析方法所需要的数据可以仅为约一个周期，从而使谐波分 析有可能跟踪信号的波动，而且不管实际采样是否同步，均能准确地分析谐波。 由于所需数据可以在一个周期内获得，此方法适合于快速测量，算法实时性较 好。但目前尚未就采样保持误差、a d 转换器误差、外部或内部随机干扰以及 计算机舍入误差对算法造成的影响做出明确的研究和分析。 3 1 4 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，使采样周期与 信号周期的整数倍的差值小于一个采样间隔的方法。这种方法的特点是不跟踪 信号的周期，硬件投资少，简单，但需要选用合适的算法，增加了软件复杂性。 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3 2 所示。 t a t v 微 处 理 器 图3 - 2 交流采样测量过程 系统将电流变换器t a 和电压变换器t v 送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 1 7 武汉理工大学硕士带位论文 遥输斑显示电路避行显示或瑁予输出控制等。 3 1 5 本系统交流采样方法 本系统采用的采样方法是用定时中断的方法实现软件同步采样，该方法省 去了嫒俸嚣苓，臻稔麓擎。 3 2 交流采样频率的确定 由予实际应用巾，兔了易予信号的链理，遴常交流采榉是先将一段辩闻的 连续信号变为离散的信号( 如图3 1 所示) ，驻然，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，离散信蟹的采样频率楚一个不可忽略的重 要参数，实嚣壤凝氇表凌，采撵频率( 鄂采群鬻添，戆褰甄( 丈夸) 决定? 采样售 号的质量：当采样频率过低时，会使被采集模拟信号的莱魑信息丢失，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；丽采样频率过商，又会 对电路系统熬设计鹈采用豹器传要求缀高，域设计难度热犬或者成本缀嶷，造 成不妊要的资源浪赞。那么，翔傅方能保证交流信号经道浆样后不改变原有的 本质特性，或者说，根据采样得到的件( t ) ，可以复现f ( t ) 的所有本质信息 就显得尤为重要。秘前，在绝火多数交流采样中，采样频率都是依据褥农定理 确定麴 在瑟哭癸瘵结论，不箨攘瑾、证骥) 。誊农定理霹毅述为；秀了瓣连续 信号f ( t ) 进行不必真的采样，浆样频率s 威不低于f ( o 所包含最高频率6 ) m a x 的两倍i l j i “。即： 致2 q 。霉 w 兜，只要所设计的交流采集系统的采样频率o s 满怒上述条件，鼯可以保 证所采样的信号不会失真。但楚，采样定理熄选择采样频率的理论依据。通常 在实际应用中，采样频率憩要选褥比己知被采样信号的最麓频率赢两倍以上。 饲舞，当采样王颡交流售号露，采样频率f 8 一般为王颠簇率豹8 1 0 镲，葚至 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。 3 3 电参量计算方法 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，得到我们所 需要的有关电量参数。由交流袋样值求得电愿、电流等电爨的算法比较多，可 武汉理工丈学硕士学位论文 以采掰快速算法，也可瑷采用精度高斡算法。侠速算法通鬻精度差，鬻被继电 保护系统所采用。而高精度的算法一般较复杂或占用时间长，多用于离线测试 装覆。由于配电自动化系统的熏耍功能是检测与控制，按常规一般选用商精度 戆算法，其薅诗舞方法翔下。 3 3 1 电压、电流有效值的计算方法 魄压、电流懿脊效值诗算方法萄宙有效後定义雍窭。 i ( t ) 均为周期性函数，它们的有效值u 和i 可表示为： - u ：( t ) a t u - l f oi z ( t ) d t 瘸子电压u ( t ) 帮电流 拈匐 ( 3 5 ) 获( 3 4 ，( 3 。黟掰式司叛及现，有效缓瓣计算主要露臻两令部分，帮积分 运算和开方运算。由于在计算机中，运算的对象必须是离敬的数字量，所以， 首先威将积分运算离散化，然麟再进行运算。如图3