（电力系统及其自动化专业论文）电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发.pdf

硕上学位论文 a bs t r a c t i no r d e rt od e e p l ys t u d yt h ea d v e r s ei m p a c t so fe l e c t r i f i e dr a i l w a yt r a c t i o nl o a d o np u b l i cp o w e rg r i d ，i m p r o v ep o w e rq u a l i t yi ng r i d sa n de n h a n c es y s t e ms ta _ b i l i t y ，t h e r e l a t e ds t u d vo nt r a c t i o nl o a ds h o u l db ed o n et oe v a l u a t et h ef o m a t i o nm e c h a n i s m ， f 0 加a t i o nc o n d i t i o n so ft h e s ei m p a c t s i nv i e wo ft h es p e c i a ln a t u r eo ft h ep o w e r s y s t e m ，u s u a l l yt h ew a yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o nw i l lb ea d o p t e d t os i m u l a t eav 撕e t y o fc o n d i t i o n so ft r a c t i o nl o a d a n da c c u r a t es i m u l a t i o nm o d e li sn e e d e d ， s ot h e t r a c t i o nl o a dm o d e l i n gh a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mi np o w e rs y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e st h a tt h ed e v e l o p m e n to fo n l i n ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f e l e c t r i c a lt r a c t i o nl o a dc h a r a c t e r i s t i ct op r o v i d ee f f e c t i v ed a t af o rt h em e a s u r e m e n t b a s e dm e t h o do fp o w e rs y s t e ml o a dm o d e l i n g 0 nt h eb a s i so fc o m p a r i n gm a n y s t m c t u r e so fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a n df o l l o w i n gt h er e q u i r e m e n t so f ，哥1 t a a c q u i s i t i o ns y s t e mo fe l e c t r i c a lt r a c t i o nl o a dc h a r a c t e r i s t i c ，m ed e s i g no ft h es y s t e m b a s e do nc p l da n du s bt e c l m 0 1 0 9 i e sw i l lb es e l e c t e d t h es y s t 锄c o u l db eu s e dt o r e a l i z e3 2c h a n n e l sa n d12 b i td a t aa c q u i s i t i o nb a s e do nc p l dl o g i cc o n t r o lc h i p w h i c hi sa th e a r to ft h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t ，f o u - r8 一c h a n n e la dc o n v e r s i o nc h i p s ， h i g h s p e e df i f oc h i pa n du s bc o n t r o l l e rc h i pw i t hu s b 2 oi n t e r f a c e ，f r o mw h i c h t h en u m b e ro fc h i p sa n dt h ef a i l u r er i s ko fs y s t e mw e r er e d u c e de f f e c t i v e l y t h e s t a b i l i t ya n dd e s i g nn e x i b i l i t yo ft h es y s t e mw e r ei m p r 0 v e d w i t hu s bt r a n s m i s s i o n ， t h es t a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sb e e n 向r t h e ri m p r o v e d ；t h eb o t t l e n e c k b e t w e e nt r a n s m i s s i o ns p e e da n dt h en u m b e ro fc h a n n e l si nt r a d i t i o n a ls y s t e mh a sa l s o b e e ns e t t l e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nm e t h o do ft h es y s t e mw a sd e t a i l e d l y i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ec o n n e c t i o na n ds o r w a r ec o n t r o lb e t w e e ne a c h c m i pw e r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ： t h ed e s i g nm e t h o do fc o r e s 1 1 _ b o r d i n a t e s t a t e m a c h i n ew a so b t a i n e db yu s i n gt h ec h a r a c t e r so fs t a t em a c h i n ei nt h ec p l ds o r w a r e d e s i g n ，i nw h i c hp r e c i s ea i l dc l e a rc o n t r 0 1w a sa c h i e v e d t h ep f o b l e m so ft i m i n g c o n t r 0 1w e r ew e l ls o l v e d t h ed e s i g no ft h es y s t e mw a so p t i m i z e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h eq u a r t u s i i s o f t w a r e ，t h eo p t i m i z a t i o na d v i s o rt o o l sa n da l ls o r t so ft e s to fl a b o r a t o r ye q u i p m e n t ， w h i c hi n c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i z a t i o nl e v e lo ft h es y s t e m t h er e s u l t sf r o m t h es i m u l a t i o na n dt e s t sp r o v et h a tt h es y s t e mi sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to fl o a d 电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发 m o d e l i n gi np o w e rs y s t e m k e yw o r d s ： p o w e rs y s t e m ；e l e c t r i n e dr a i l w a yt r a c t i o nl o a d ；m e a s u r 锄e n tb a s e d m e t h o d ；d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ；c p l d ；u s b 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 高高 日期：叩年r 月日 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 南南日期：砂7 年r 月工7 日 日期：炒7 年j 月1 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 中国是当今世界上电气化铁路建设名列前茅的国家。自从1 9 6 1 年第一条电气 化铁路宝成线宝鸡至风州段建成通车以来，中国共建成开通电气化铁路总里程近 2 6 0 0 0 公里，仅次于俄罗斯，居世界第二位。中国铁路电气化率已经达到3 2 7 ， 承担了全部客货运量的5 0 ，经济效益和社会效益十分显著。根据综合交通网 中长期发展规划，到2 0 2 0 年，中国铁路营业里程将达到1 2 万公里以上，其中电 气化铁路比重将达到6 0 。 电气化铁路是世界公认的绿色交通方式，具有运输能力大、消耗能源少、环 境污染小、行驶速度快及运营成本低等特点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、 长隧道的山区干线铁路实现电气化，在技术上、经济上均具有明显的优越性。时 速达3 5 0 公里的京津城际高速铁路，全程旅客人均耗电仅8 度，能效优势明显； 年运量已突破3 亿吨的大秦单元重载电气化铁路，可开行2 万吨级重载列车，大 大优于其它牵引方式；运输最繁忙的京广、京沪等铁路干线，电气化改造后成为 运能利用率最高的铁路。但是电气化铁路的建成使用也同样带来诸多问题：电气 化铁路牵引负荷是一种波动性很大的大功率整流负荷，它具有三相不对称性、高 度非线性、负荷功率的波动性与冲击性等特点，其容量大、分布广。因此，电气 化铁路牵引负荷对电力系统的安全稳定( 尤其是电压稳定) 与经济运行、对系统 无功功率补偿与电压控制、对电网供电质量都有重大的影响。而且随着电气化铁 路的进一步普及发展，牵引负荷的比重也随之迅速增长，而电气化铁路牵引负荷 愈大，其对系统安全稳定经济运行及电能质量的影响也愈大。因此这也成为我国 大规模建设电气化铁路不得不面对的一系列问题和难点。 电气化铁路与其他牵引方式不同，机车自身并不携带能源，供给的电力由公 网2 2 0 k v 或1 1 0 k v 输电线通过牵引变电站将三相交流电变为两路独立的单相 2 7 5 k v 交流电，每路各承担一组牵引供电臂，每一供电臂上可同时有多辆电力机 车运行。由于电力机车是非线性整流负荷，从而产生谐波电流经牵引网传输至供 电臂首端叠加后注入牵引变压器馈入电力电网，即每一个牵引变压器都是一个动 态的谐波源。由于电力机车牵引负荷和运行时间的不确定性，因此每个牵引臂的 负荷是随时变动的，无功功率也是变化的，导致末端电压变化较大影响电力机车 出力，不采用补偿措施时，功率因数大约在o 5 一o 7 。若不加以处理，将严重污染 电网质量，并制约其自身的正常运行【l 】【2 1 。 电力牵引负荷特忭数据采集系统硬件开发 据不完全统计，国内自电铁投运以来，其谐波和负序己引发2 0 0 m w 发电机跳 闸，山西、河南和贵州等省电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振，网 损明显加大，发电机转子损坏，继电保护和自动装置非正常频繁启动，用户电机 和电容器大量烧坏或不能正常运行，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使国 民经济蒙受了巨大的损失。大同电网共有电气化铁路牵引站1 0 座，其中4 座由统一 电站供电，牵引负荷大，谐波含量高，严重影响了该站的正常运行，在该站1 台主 变压器检修的情况下，该供电网的电压严重偏低，导致周围一些重要用户无法正 常生产，损失严重，对电网安全造成极大威胁【3 】【4 1 。因此为了找到有效地解决电气 化铁路牵引变负荷对现有电网的影响问题，改善电网电能质量，增强系统稳定性， 必须对牵引负荷进行相关的实验研究，了解这些影响的形成机理，生成条件以及 定量地分析这些影响所带来的直接后果。鉴于电力系统的特殊性，无论从供电的 可靠性及设备的安全性考虑，牵引负荷作为电力系统一级负荷，不可能也没有必 要在实际环境下对电力系统进行各种实验研究。现代电力系统仿真技术的发展已 经可以借助计算机技术和电力系统的各种理论为电力系统的物理过程建立数学模 型，c 用数学方法求解，对电力系统的各种运行状况进行模拟仿真，通过计算机上 的数据就能够从一定程度上反映出所仿真的实际电网的运行状况、电能质量和故 障发生后所带来的影响等数据参数。应该指出的是，正确选择电力系统数学模型 和参数是电力系统仿真的基础。大量的电力系统工程研究和事故仿真表明，模型 与参数对电力系统仿真精度与可信度有重大影响【5 8 】。通过几十年的发展，电力系 统仿真技术所利用的各种数学模型有了不同程度的改进与完善，对于发电机、调 速系统、励磁系统、变压器、输电线路等元件在行为机理和现场实测方面进行了 深入研究，提出了适应不同仿真精度要求的数学模型。而对于作为电力系统中重 要模型之一的负荷模型投入的研究不够【9 】。造成这一结果的原因主要是电力系统 负荷具有随机性、分散性、多样性和非连续性【l o 】等一系列的困难，使电力系统负 荷模型很难精确反映实际负荷的真实情况。显然，电力系统模型计算精度的提高 与发电机、输电网络及电力负荷三大部分的建模都有密切关系。负荷模型的精度 较低阻碍了整个系统模拟精度的进一步提高，并降低了改善发电机及输电网络模 型的价值。而且大量的计算与试验结果表明：负荷模型对电力系统动态行为的定 量模型结果影响很大，对潮流计算、短路计算、安全分析、电压稳定性等也有一 定影响。因此，改进负荷模型十分的重要【l l 15 1 。 1 2 电力系统负荷建模的基本方法 长久以来，负荷建模的方法可以归结为两大类：一类是统计综合法即基 于元件特性综合的间接方法；另一类是总体测辨法一一即基于现场辨识的直接方 法【16 1 。虽然也提出了一些新的负荷建模的方法，如：故障仿真法、混合法等【1 1 1 ， 硕上学位论文 但大都是在这两大类方法的基础上的延伸与发展，核心仍然归根于这两种方法。 1 2 1 统计综合法 统计综合法的基本思想是将负荷看成个别用户的集合，先将这些用户的电器 分类，并确定各种电器的平均特性，然后统计出各类负荷( 例如居民生活、商业、 工业等负荷) 中电器的种类和比例，以及母线负荷中各类负荷的比例，最后通过 综合算法得出母线负荷模型。通过统计综合法的基本思想可以知道，该方法需要 收集几方面的数据才能进行负荷建模： ( 1 ) 各种电器或用电设备的平均特性。包括用电设备的静态特性和动态特性。 ( 2 ) 各类负荷中电器或用电设备的种类和比例。比如说既要统计居民负荷主 要是由哪些用电设备( 如电视、冰箱、空调等) 组成，又要统计这些用电设备在 居民负荷中所占有的比例。 ( 3 ) 母线负荷中各类负荷的比例。一般负荷分为工业负荷、商业负荷和居民 负荷三大类，根据不同的电网有不同的划分方式，并统计出这些负荷在母线负荷 中所占的比例。 统计综合法的优点在于建模时不需要进行现场实验和实测，方法使用于不同 系统和不同的条件，所建模型在一定程度上具有可解释性。该方法的缺点是首先 需要统计出以上三种数据才能得到有效的综合负荷模型，但是随着电网规模的扩 大，统计数据量将成倍地增长，不仅费时费力，而且随着新的负荷的出现旧负荷 的退出、地域的不同、季节和时间的不同，统计数据需要不断更新或修正。另外 统计综合法得出的负荷模型难以较好地描述负荷无功电压特性、频率特性和动态 特性【9 1 。 1 2 2 总体测辨法 总体测辨法通过现场实验和在线捕捉电力系统的自然扰动获得负荷所在母线 的电压、频率、电流、有功和无功数据，然后根据系统辨识理论确定综合负荷模 型。 总体测辨法的优点在于其只注重负荷母线端口处的电气等效性，而对负荷的 内部构成情况不必了解，是解决成千上万用电设备构成的负荷的建模困难的一个 可行办法【1 7 以0 1 。该方法也存在如下的问题亟待解决： ( 1 ) 依靠数据采集系统现场实测的各种负荷母线电气量建立起来的负荷模型 具有针对性，不能推广到其他负荷点。 ( 2 ) 建立完善的负荷模型，需要详细了解负荷对扰动的响应情况，因此需要 对系统加入扰动来采集系统的输出特性，根据文献 2 1 看出，随着扰动强度的增加， 负荷模型的参数更加容易辨识，但这都与电力系统安全运行的要求相矛盾。 ( 3 ) 根据文献 2 0 和【2 2 表明实际的综合负荷从系统中所吸收的功率不仅与 电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发 电压和频率有关，也与季节、天气、时间、温度和人们的生活习惯等相关，因此 随着实验组别的不同，建立的负荷模型参数分散性较大，很难建立一个有效准确 的负荷模型来描述。 通过对统计综合法和总体测辨法的比较，可以看出只有总体测辨法才可能把 负荷特性随时间变化的性质反映出来，这样的结果才更具有说服力。现代化数据 采集手段及数字滤波、辨识理论的发展，为其提供了硬件支持和理论支撑。因此， 负荷建模将朝着以总体测辨法为主、统计综合法为辅的方向发展【1 6 】。 1 3 数据采集系统的研究方向和发展现状 1 3 1 多通道数据采集系统的一般设计方案 总体测辨法的电力系统负荷建模离不开现场实测数据的采集，而现场实测数 据的采集也同样离不开数据采集系统。数据采集、信号处理、数据采集与信号处 理之间的接口以及数据采集的在线监测不仅是电力系统负荷特性采集装置的特殊 问题，而且是多通道系统中具有普遍意义的问题。解决上述问题的主要方法，一 是选择合适的体系结构，二是精简系统的周边器件，以提高系统的集成度【l6 1 。 根据文献 2 3 】、 2 4 】、【2 5 可以将一般的多通道数据采集系统分为以下几种结 构，根据结构的不同选用不同功能和性能的器件以支持其目的的实现： ( 1 ) 结构l ：多路开关加单路a d 转换器。文献 2 5 】、 2 6 均采用这种结构， 如图1 1 所示。这是最简单的数据采集系统结构，而且成本最低，系统体积最小， 因此这种结构的数据采集系统主要应用于具有p c i 总线并可以直接插入到工控机 主板上，使用较为方便。但是这种采集系统由于没有采样保持器，各个通道的数 据通过同一个a d 转换器进行模数转换，各通道间有固定的间隔时间，对于交变信 号表现为相角差。在某些要求同时采样的应用中，还需要对采集到的数据进行预 处理才能保存和分析。并且工控机中电磁环境比较复杂，采样系统很容易受到各 种干扰，对系统抗干扰能力要求较高。 ( 2 ) 结构2 ：多路开关加采样保持器和单路a d 转换器。文献 2 4 】、【2 7 】采取这 种结构。如图1 2 所示为该结构的数据采集系统，每个通道对应一个单独的采样保 持器，可以同时保持各个通道的模拟数据，然后由多路开关一路一路地输送到a d 转换器中进行数据转换。这种方法的优点是可以实现同时采样功能，而且由于只 采用一片a d 芯片，成本相对较低。但是缺点是，大量外置采样保持器和多路开关 的使用不仅使整个系统的体积和功耗增大，而且采样保持器和多路开关也多是非 同步器件，在同步采集控制时很容易由于干扰或其它原因造成误操作。另外采样 速度受多路开关速度和单片a d 转换速度的限制，随着通道数的增多，单通道的数 据采样率下降得越为明显。 硕十学位论文 图1 1 多路开关加单路a d 转换器采集系统框架图 图1 2 多路开关加采样保持器和单路a d 转换器采集系统框架图 图1 3 多路采样保持器加多个单路刖d 转换器采集系统框架图 ( 3 ) 结构3 ：多路采样保持器加多个单路a d 转换器。文献【2 8 】、【2 9 】采用这 种结构，如图1 3 所示。每个通道对应一个d 转换器使得逻辑时序控制简单，既 省去了采样保持电路，而且降低了各通道之间的互相干扰的问题，最大的优点则 是所有通道的数据可以同时进行转换操作，而这个速度仅仅取决于刖d 自身的数据 吞吐率，因此这种系统多用于高速度高精度的数据采集系统中。该方案的缺点也 电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发 同样突出：多片a d 的使用，必然使整个系统的成本增加，同时可能造成系统功耗 的增加，尤其是在通道数增多的情况下，所以多个单路a d 转换器结构的采集系统 一般不超过8 路。 ( 4 ) 结构4 ：含有采样保持电路和多路开关的多通道a d 转换器。该方案的关 键是选择合适的a d 转换芯片，既能进行高速高精度数据采集，又能降低成本减少 系统体积和功耗。随着电子技术的发展，多通道高精度高速a d 芯片成为这一结构 的最佳选择，如图1 4 所示。多通道a d 芯片一般提供2 8 个独立的输入通道，类似 结构3 中多个单路a d 的设置，其内部结构又类似结构2 ，由采样保持器和多路开关 组成，因此多通道a d 综合了结构2 和结构3 的特点。集成的采样保持器和多路开关 不仅大大缩小了系统体积，而且也增大其抗干扰能力和控制的准确性，另外由于 把采样保持、多路开关选择和模数转换三个功能整合在一起，也大大提高了d 芯片整体的吞吐能力。增加一片a d 能增加多条输入通道以及系统成本，但单位通 道的成本较单通道a d 有明显改善。 图1 4 多通道a d 采集系统框架图 表1 1 四种数据采集系统结构性能比较 综合以上的介绍和分析，表1 1 比较了四种数据采集系统结构的精度、数据吞 吐率、体积、成本、功耗等方面的因素，很容易看出，结构4 总体性能比较突出， 性价比较好，能够较好地实现多通道高速数据采集的要求。因此，在电力牵引负 荷特性数据采集系统的设计中将采用结构4 来实现数据采集部分电路的设计与开 发工作。 硕 学位论文 1 3 2 负荷特性数据采集装置的研究与发展 虽然利用总体测辨法的电力系统负荷建模需要有现场实测数据的支持，但是 国内对负荷特性数据采集装置的开发研究并不多，大部分实测数据的来源均是靠 通用型的采集卡或者采集板得到，而这种采集板或采集卡并不针对电力系统负荷 特性数据采集的应用要求设计，如通道数量、采样频率、各通道间的相位差等都 难以满足需求，因此不仅增加了整个系统的成本，而且可能需要后台要有相当强 的处理能力来弥补系统硬件的不足带来的影响。 现在比较有代表性的电力系统负荷特性数据采集系统的研究与应用有：1 9 9 3 年河海大学研制的电力负荷特性在线测辨装置用i n t e l8 0 2 8 6c p u 作为装置的微机 主板，主频1 0 m h z ，每通道每周波采集2 0 个点，该装置具有故障录波、交流电量 变送器、负荷特性参数辨识三大功能【3 0 】；1 9 9 7 年由华北电力大学贺仁睦教授主研 的电力负荷特性测辨装置，该装置由三部分组成：安装在变电站的数据采集部分， 传输数据的信道以及安装在运行方式处计算机中的数据处理和建模软件。该装置 把现场数据采集、远方传输和负荷建模集于一体，为总体测辨法建模打下基础， 并通过了河北省电力局的科技成果鉴定；2 0 0 2 年由长沙电力学院主持开发并投入 使用的负荷特性记录装置利用新型嵌入式数据采集卡作为前台采样，前置电路进 行信号调理，以p c 机进行后台数据处理并上传数据记录，可以对城区典型双变压 器并列运行及更简单的变电站实现全时间点状态监测和负荷特性记录【3 1 1 。 1 4 本文的主要研究内容和主要贡献 本文基于电力系统负荷建模总体测辨法建立牵引负荷模型的需要，详细介绍 了电力系统牵引负荷数据采集系统的硬件、软件设计和后期调试测试。主要研究 内容和主要贡献为： ( 1 ) 从电气化铁路的发展现状和发展趋势介绍了电气化铁路牵引负荷对现有 电网的影响，提出了建立牵引负荷模型的重要意义。并通过比较统计综合法和总 体测辨法两种基本负荷建模方法的优劣，选择总体测辨法作为牵引负荷模型的建 模方法。因此，需要设计一套数据采集系统为总体测辨法提供数据支持。在文中 讨论了多种数据采集装置的研究现状和发展趋势，按照本系统的要求选择了合适 的数据采集系统结构作为最终方案。 ( 2 ) 详细介绍了电气化铁路牵引供电系统的组成结构和牵引负荷特性数据采 集系统的特点和要求，在此基础上提出了系统详细的设计方案和系统整体框架图。 ( 3 ) 按照设计特点和要求，详细介绍了数据采集系统的硬件设计方案，包括 主要器件和芯片的选择、前置调理电路的设计以及数据采集板上各个模块之间的 连接。通过硬件部分介绍可以详细了解整个数据采集系统的整体结构，和各个部 电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发 分之间的衔接关系。 ( 4 ) 针对硬件部分的逻辑控制器件编写了相关的控制程序，尤其详细阐述了 c p l d 程序和u s b 相关程序的设计开发过程以及开发中的难点问题的解决。通过主 从状态机的设计使得c p l d 程序能够保证时序上的稳定和逻辑上的准确。而u s b 程 序的模块化式的开发设计也最大程度地缩短了开发周期和开发环节。 ( 5 ) 在系统设计完成后对系统进行了全面的测试和调试，包括计算机软件仿 真和优化以及实际仿真测试两部分。通过调试既发现了设计中的部分缺陷并提出 解决方案，又验证了整个数据采集系统的有效性、稳定性、可靠性和应用性。 硕卜学位论文 第2 章牵引负荷特性数据采集系统 总体测辨法负荷建模离不开现场实测数据。按照系统辨识理论的思想，总体 测辨法建模就是根据实际采集到的各种负荷特性数据来确定模型的结构和模型参 数，使得模型响应能够最好地拟合观测到的负荷响应数据，使模型能既突出本质 又简化地描述负荷的行为【9 1 。因此，为了利用总体测辨法建立准确有效的负荷模 型，必须通过数据采集系统提供真实详尽的负荷响应数据。 2 1 牵引电力系统参数辨识原理 总体测辨法不需要过多的负荷信息，测试结果具有一定的真实性。它的主要 过程就是利用数据采集系统，从现场采集负荷所在母线的各种电气量信号数据， 然后根据系统辨识理论确定综合负荷模型。图2 1 为牵引负荷系统辨识原理图， 图中描述了从数据采集到系统辨识的全过程。 图2 1 系统辨识原理图 负荷模型的一般形式为 i 尸= ( u ，巳) 【q = ( u ，吃) 设系统负荷模型响应方程驯。 通过现场实测已获得的以组样本为 i 乙= ( u ，日) ，( ，昱) ，( 砜，) ) i 乙= ( u ，q 1 ) ，( ，q ) ，( u ，q ) ) 设实测系统的响应方程匕( f ) 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发 系统辨识以优化为基础，主要过程就是要寻找一组最优化的参数向量口，使 得预定的误差目标函数值e 达到最小，即当秒= 秒时 e + = m f ，店( 口) ( 2 3 ) 其中e 是将同一个激励同时输入到实测系统和系统负荷模型中，两者输出的响应 方程之间误差的函数。系统辨识过程中，按照辨识准则去修正模型参数口的值然 后检验e 值大小，反复进行，直至误差p 满足的等价准则e ( 秒) 最小为止。 由上述分析可见，输入输出数据对、等价准则和模型结构，构成系统辨识的 三要素。而模型的精度由e ( p ) 决定，也即由e 决定【3 2 】。 本文的研究内容正是开发一套实时数据采集系统为牵引负荷模型的建立提供 准确、可靠、完整的输入输出数据对。不同于普通的数据采集系统，电力牵引负 荷特性数据采集系统是针对牵引供电系统开发设计的，只有充分了解其特点和要 求，才能得到建模所需要的有效输入输出数据对。 2 2 电气化铁路牵引供电系统 a b c 图2 2 电气化铁路牵引供电系统原理示意图 电气化铁路是以电能作为牵引动力的一种现代化交通运输工具。其供电系统 由牵引供电系统和一次供电系统组成，由国家( 地区) 电力系统统一供电。因此 一次供电系统和普通的供电系统没有区别，即牵引供电系统自身并不产生电能， 电能仍来源于国家电力系统的供应。牵引供电系统由牵引变电站、电力机车、馈 电线、接触网与含轨道和大地以及附加回流导线的回流设施、分区所、开闭所和 远动调度监控系统等构成，通常将馈电线、接触网、钢轨与大地、回流线统称为 牵引网【3 3 1 。图2 2 为电气化铁路牵引供电系统构成的原理示意图。如图所示，1 是电气化铁路一次供电系统中的三相交流高压输电线路；2 是牵引变电站，把从 一次供电系统送来的三相交流电变为适合牵引负荷的单相交流电；3 是馈电线， 硕士学位论文 把牵引变电站二次侧的单向交流电送往接触网；4 是接触网；5 是接触弓，机车通 过接触弓从接触网上取电；6 是回流线，将从地和轨道回归的牵引电流送回牵引 变电站主变压器；7 是分区所，通过s p 可以使两个相邻牵引变电站的供电区段实 现并联或单独工作；8 是把地和铁路轨道作为牵引电流的回归回路【3 4 1 。 2 2 1 牵引负荷的用电特征 ( 1 ) 电铁牵引负荷是移动、幅值变化大而又频繁的特殊负荷，其负荷日波动 的特征非常明显，引起这种日波动的原因与线路条件、机车类型与操纵、机车速 度、牵引重量等因素有关，而这些因素又具有随机性，因此电铁牵引负荷是一个 典型的日波动负荷，具有短时冲击负荷的特征。 ( 2 ) 电铁牵引负荷又是不平衡负荷，牵引负荷是大容量单相变动负荷，不可 能由其自身的负荷提供平衡电流，它将引起三相电力系统不对称，产生负序电流， 形成负序电压。 ( 3 ) 电铁牵引负荷通过电力机车自身的整流电路将由牵引变电站输出的单相 交流电整流为需要的直流电来驱动机车，使母线电流电压波形发生畸变，产生大 量的高次谐波通过牵引变压器注入一次供电系统【3 5 】【3 6 1 。 ( 4 ) 由于电铁牵引负荷具有波动性、不对称和非线性的特点，因此它的投运 对系统电压有较大的影响，单相电压波动幅度明显，电压偏差较其它两相要大。 在大多数情况下三相电压要高于额定电压，这将导致电压超限时间长、电压合格 率低，这是牵引变电所的并联电容过补偿引起的 3 7 】。 ( 5 ) 功率因数较低是交直流型电力机车的固有特性之一，因而也是电气化 铁道供电系统的特性之一【3 8 】。 2 2 2 牵引变电站 牵引供电系统中的核心就是牵引变电站。我国电气化铁路采用的是工频单相 2 5 k v 交流制，而电力系统是一个三相交流系统，电压标准也不同，不能直接使用， 需要经过变换电压等级和由三相变换成单相后才能使用。因此，牵引变电站主要 功能是将电力系统三相11 0 k v 或2 2 0 k v 高压交流电变换为两个单相2 7 5 k v 的交流 电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网( 额定电压为2 5 k v ) 供电。另外，电气 化铁路产生的负序和高次谐波对电力系统会造成多种不良影响，也需要通过牵引 变电站采用换相接线方式或不同接线型式的变压器【3 9 1 。 我国牵引变电站的主接线型式主要有5 种【3 5 】【3 9 】：单相接线、单相v v 接线、y d 接线、s c o t t 接线、阻抗匹配平衡变压器。 ( 1 ) 单相接线。单相接线变压器结构简单，变压器高压侧接至电力系统的线 电压上，在采用直接供电方式或吸流变压器供电方式时，低压侧一端设断路器和 隔离开关，接至母线，另一端接至接地网和钢轨。当采用自耦变压器供电方式时， 电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发 两端设断路器和隔离开关，接至t 和f 母线上，中点直接接至n 线，不需再设自耦 变压器。其容量利用率高，可达1 0 0 。但单相变压器的负序容量较高，为正序 容量的1 0 0 ，对电网污染较大。一般多用于短路容量大的2 2 0 k v 电压等级。 ( 2 ) 单相v v 接线。v v 接线相当于两台单相变压器构成，高压侧2 个绕组接 在电力系统的2 个线电压上，当采用直接供电方式时，低压侧2 个绕组接成v 形，若 采用自耦变压器供电方式时，低压侧两个绕组接成x 形。其容量利用率高达1 0 0 ， 负序容量为正序容量的5 0 。而且主接线较简单，设备较少，投资较省。 ( 3 ) y d 接线。三相y n ，d 1 1 接线变压器高压侧接成y 形，接至电力系统的三个 相上，低压侧接成三角形，a ，b 两相设断路器和隔离开关接至母线，c 相直接接至 钢轨，成为牵引网中的回流线。其容量利用率较低，只有7 5 ，负序容量为正序 容量的5 0 。 ( 4 ) s c o t t 接线变压器是一种平衡变压器，它将两台单相变压器接成t 型接线， 容量利用率可达l o o 。负序容量较小，它把三相制电网电源变为两相输出，当两 相侧负荷相等时三相侧电流平衡，负序电流为零。但s c o t t 变压器多为进口产品， 价格较高。 ( 5 ) 阻抗匹配平衡变压器为我国自主开发的一种变压器，负序容量也较小， 但价格比s c o t t 变压器便宜得多。它把三相制电网电源变为两相输出，并克服严重 的不对称运行给电网造成的危害。无论两相侧负荷状况如何，三相侧无零序电流。 且两相侧负荷相等时三相侧负序电流消失。它的容量利用率为1 0 0 。 2 2 3 牵引变电站的数据采集 1 1 0 k v 图2 3 牵引变电站数据采集系统安装示意图 硕十学位论文 牵引变电站连接着一次供电系统和牵引供电系统，负荷的变化、冲击或者线 路的其它工况将在牵引变电站集中综合体现。为了研究电力牵引负荷对现有电网 的影响，建立电气化铁路牵引负荷的负荷模型，根据总体测辨法的方法和原理， 需要记录下牵引负荷母线，即牵引变电站主变压器高压侧和低压侧的电压、电流、 频率、有功和无功等电气量在各种工况下的数据变化情况。因此，需要在牵引变 电站主变压器处安装负荷特性数据采集系统，实时监控记录下负荷建模有效数据。 图2 3 为以牵引变电站主变压器y d 接线方式为例的数据采集系统的安装示意图。如 图所示，一般一座牵引变电站拥有两台主变压器一台运行一台备用，依靠断路器 来切换两台变压器的工作。通过接在两台变压器三相高压侧和单相低压馈线处的 电压互感器( p t ) 和电流互感器( c t ) ，将负荷母线上电压和电流数据输入采集系 统进行显示、判断与采集处理等工作。 2 3 牵引负荷特性数据采集系统的特点和要求 牵引负荷特性数据采集系统与普通的数据采集系统一样，主要的功能就是采 集目标对象的相关数据信息，对其进行保存，供日后的研究分析使用。但由于负 荷特性数据采集装置应用的特殊性，因此有着与其它普通数据采集装置或系统不 同的特点和要求： ( 1 ) 实时性。实时性不仅要求采集系统在计算机界面上能够实时显示所采集 信号的变化情况，而且要求数据的处理速度足够快，能够及时捕捉和记录电网上 的瞬时变化并做适当的分析处理，如f f t 变换、谐波分析以及不对称分析等。 ( 2 ) 采样通道数量多。由于电网的复杂性，要能够根据采集到的电压和电流 数据利用系统测辨理论准确建立电力系统负荷模型，必须同时采集负荷母线上多 个电压和电流数据，才能对所研究的负荷进行综合分析和模拟。如图2 3 ，要对 一个普通的牵引变电站的电压和电流数据进行记录分析，采集系统至少需要有1 6 个以上的数据通道。 ( 3 ) 大数据量。投入运行的电网基本上都是常年运行，而运行过程中的扰动 和电压变化会导致大量的动态和静态数据产生，采集系统需要对每一个上传数据 进行精确判断，然后分类保存，供后期数据处理与建模。而长期大量的数据才能 包含负荷模型在各个季节、时间、气候、工况下的特性，根据这样的数据建立的 模型才能更加真实准确地反映所研究负荷的特性。 ( 4 ) 低功耗和稳定性。由于电网运行的长期性，使得电力系统负荷特性数据 采集系统必须保证能够长时间稳定运行，一方面要求采集装置尽量降低功耗来满 足长期运行的需求，另一方面采集系统硬件、软件以及两者的配合都需要保证采 集装置能够可靠有效地工作，并具备一定的抗干扰能力，把外界的干扰对采集系 统造成的影响降至最低。 电力牵引负荷特性数据采集系统硬件开发 ( 5 ) 同时性。由于电力系统负荷特性数据采集系统是多通道的数据采集，而 在进行研究分析或者负荷建模过程中又要求各个通道的数据必须是同一时刻，才 有研究价值和可比性。虽然伪同步采样能够在后期对数据的幅值和相位进行调整 和补偿，但仍会造成很大的误差，尤其是在故障发生时，难以完全真实还原原始 数据，因此要求系统能够满足同时采样要求。 ( 6 ) 数据上传功能。对某一电力系统负荷特性数据进行研究，可能需要一台 或几台负荷特性数据采集系统在不同的变电站同时工作，而建立综合负荷模型又 需要将所有这些采集数据汇总后再进行辨识建模，因此，采集系统需要能够在人 工操作或者定时自动的情况下将采集到的数据通过网络上传到指定计算机内进行 分析处理。 2 4 系统整体设计方案和特点 按照上一节提到的牵引负荷特性数据采集系统的特点和要求，在系统整体设 计中应该充分考虑到这些特点和要求的保障和实现。从整个系统的特点和要求出 发来考虑系统中芯片的选型、线路的布置以及逻辑关系的安排，使得系统能够合 理、高效、稳定地实现牵引负荷特性数据采集的需要。 图2 4 牵引负荷特性数据采集系统整体结构框架图 如图2 4 所示，负荷特性数据采集装置由前置调理电路、a d 模数转换、c p l d 时序逻辑控制、f i f o 先进先出存储器以及u s b 通信接口几部分组成。多路采样 信号在经过c t 、p t 后将负荷母线上电压和电流信号均变成在5 v + 5 v 范围内的 电量信号，再将多路电量信号输入到前置调理电路进行滤波等处理后送达到a d 模拟转换芯片，a d 内的采样保持电路将在同一时刻保持模拟输入信号，随后4 片d 同时启动转换命令，利用d 内部的多路开关依次将输入信号进行模数转 换，当转换结束由a d 向c p l d 发出转换完成信号，然后顺序把转化后的数据依 次读入c p l d 内为每个数据进行标记，以防止数据丢失导致的通道错位，并缓存 硕士学位论文 于f i f o 中，最后上位机通过u s b 总线不断读入从f i f o 写入c y 7 c 6 8 0 1 3f i f o 中的数据。 与传统的数据采样系统不同的是本系统不仅能够实现多通道高速同时采样， 而且系统功耗很低，除前置模拟电路外，系统仅需通过u s b 电源供电即可，不需 要再设置外部独立电源，从而减小了系统的体积，增大系统应用上的灵活性。另 外，从图2 4 系统整体结构框架图也可以看出本系统中c p l d 不只是对整个系统 的时序和逻辑进行全局控制，而且也参与到数据的处理过程中来，成为整个数据 流的一个环节。由于c p l d 的可编程性，因此可以在数据通过u s b 上传到上位机 之前做一些预处理操作，以减轻上位机的负担。 2 5 小- 结 本章从电气化铁路牵引供电系统的组成分析了牵引负荷的运行机理、用电特 征、牵引变电站的结构特征等，从而提出了电力系统牵引负荷特性数据采集系统 的特点和要求，以区别普通的数据采集系统。在此基础上结合含有采样保持电路 和多路开荚的多通道a d 转换器的多通道数据采集装置的结构特点提出了系统整 体设计方案和系统框架图，对整个系统进行了宏观上的描述和特点上的分析。 电力牵引负荷特件数据采集系统硬件开发 3 1 前言 第3 章系统硬件设计方案 在上一章已经介绍了系统整体设计方案，针对这一方案，本章主要介绍该方 案中硬件器件的选择和硬件电路的设计思路和设计方法。从硬件器件的选择到系 统各个模块之间的硬件连接都充分考虑到电力系统牵引负荷特性数据采集系统的 要求和特点来进行选择和设计。重点和难点是各个器件和模块的控制方式和信号 线的布置设计，如何将各个模块有效地结合起来达到系统硬件最优化的实现。 3 2 系统硬件部分主要器件的选择 一个数据采集系统的性能是否能达到要求，设计目的能否准确实现，一方面 要求系统硬件结构合理，另一方面就是要选择合适的器件来精准实现。因此，系 统硬件部分主要器件的选择在整个系统硬件设计中起到了至关重要的作用。不仅 要考虑到单个器件的功能、能耗、控制能否满足要求，还需考虑到所有这些器件 按照所选择的结构结合起来时能否准确地协调控制，能否最大地发挥各自的作用， 能否实现最高的性价比f 4 0 4 2 1 。 3 2 1c p l d 可编程逻辑控制芯片 以单片机为时序逻辑控制模块的数据采集系统，在现在高速多通道的要求下， 已经显得力不从心。虽然，理论上说单片机几乎可以实现任何逻辑功能，但单片 机是通过内部的c p u 逐条执行软件指令来完成各种运算和逻辑功能，无论使用多 高频率的时钟或者多么优化的语句结构，在排队式串行指令执行方式面前，其工 作速度和效率