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犟1r 哥压智能采集终端的防窃电应用研究 摘要 在电能输送和分配过程中，电力网的有功功率损失和电能损失统称为线路损 失，简称线损。线损除技术线损是由电力网系统中各个电力设备及电力网本身引 起的损耗外，很大一部分是管理线损即由于窃电和计量故障丢失的电量。除造成 经济损失外，窃电行为还诱发了社会不安定因素，破坏社会经济秩序，危及电网 的安全运行。本文突破了以往仅仅着眼 r 防窃电计量装置研究的局限，研究依据 从源头上采取防窃电措施、从电源侧管理防窃电、从系统侧分析查处窃电的思想 探讨了新型防窃电系统的研究。 首先，对高压智能采集终端的电源供给模块和计算控制模块进行了设计。解 决了电源供给过程中d c d c 变换器的输入不稳定性的问题；改进了电网参数计 算方法。 其次，提出了一种基于高压智能采集终端的、高低压参数互补的防窃电系统。 包括防窃电系统的整体构架以及系统的主要组成部分：高压采集终端、低压采集 终端、负荷控制终端、监控中心和移动用电监管终端的设计。并在对变电站、单 电源用户、多电源用户和环网用户的电网拓扑结构进行分析的基础上，提出了针 对各种具体情况的防窃电终端的安装方案。 再次，对监控系统常用的通信方式及其优缺点进行了分析、比较。在此基础 上确定了本系统的通讯方案一g p r s 。并提出了解决数据的安全性和网络的稳定性 问题所采用的t e a 加密算法。 然后，进行了监控中心软件的总体结构、通信协议、基本域设计。包括监控 分析程序、接收转发程序、管理程序三个子程序的结构、功能、接口设计、数据 库发计以及子程序之间的数据交换解决方案。并通过系统集成和实际应用实例验 证了防窃电系统的可靠性。 关键词：高压智能采集终端；高低压参数互补；防窃电：电网拓扑结构；加密 算法 a b s t r a c t i nt h et r a n s p o r t i n ga n da s s i g n i n gp r o c e s so ft h ee l e c t r i cp o w e r ，t h ea c t i v ep o w e r l o s sa n de l e c t r i cp o w e rl o s eo ft h ee l e c t r i cp o w e rn e ta r ek n o w na st h el i n el o s s t h e l i n el o s si sr e s u l t e db yt w ol e a d i n gr e a s o n s o n ei st h et e c h n i c a ll i n el o s s ，i ti sc a u s e d b yt h ee l e c t r i ce q u i p m e n t sa n dt h ee l e c t r i cp o w e rn e t st h e m s e l v e s t h eo t h e ri sr a i s e d f r o mm a n a g e m e n t ，a n dm o s t l yb e c a u s eo ft h ee l e c t r i c i t ys t e a l i n gb e h a v i o r sa n dt h e e r r o r so ft h em e a s u r i n ge q u i p m e n t s a n dt h el a t e ro d ei sm o r eh a r m f u l ，i td o e sn o t o n l yr e s u l ti ne c o n o m i cl o s s ，b u ta l s op l a c eap r e m i u mo nt h es o c i a lu n s t a b l ef a c t o r ， b r e a kt h es o c i a le c o n o m i co r d e r ，e n d a n g e rt h es a f em o v e m e n t so ft h ee l e c t r i cn e t t h i st h e s i sb r e a k st h r o u g ht h et r a d i t i o n a ll i m i t so ft h es t u d i e so ft h ep r e v e n t i n g e l e c t r i c i t ys t e a l i n gm e a s u r e sw h i c ho n l yw i t hav i e wt ot h em e a s u r i n ge q u i p m e n t s a n dh a m m e r sa tt h er e s e a r c ho ft h en e wt y p ep r e v e n t i n ge l e c t r i c i t ys t e a l i n gs y s t e m w h i c hc a nw o r kf r o mt h eh e a d s t r e a m ，i na n o t h e rw o r di st op r e v e n tt h ea c t i o n so f s t e a l i n ge l e c t r i c i t yf r o mt h eh i g hv o l t a g e f i r s t l y ，t h et h e s i sd o e ss o m er e s e a r c hw o r kt od e s i g nt h ep o w e rs u p p l y i n g m o d u l ea n dt h ec a l c u l a t i n ga n dc o n t r o l l i n gm o d u l eo ft h eh i g hv o l t a g ei n t e l l i g e n t c o l l e c t i n gt e r m i n a l t h ep r o b l e mo ft h eu n s t e a d yi m p o r t i n go fd c - d cc o n v e r t e r d u r i n gt h ep r o c e s so fp o w e rs u p p l yi sr e s o l v e d a n dt h ep a r a m e t e rc a l c u l a t i n gm e t h o d o ft h ee l e c t r i cp o w e rs u p p l y i n gn e t si si m p r o v e d s e c o n d l y ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r dan e wt y p eo fp r e v e n t i n ge l e c t r i c i t ys t e a l i n g s y s t e m ；t h en e ws y s t e m sp r i n c i p l ei sb a s e do nt h eh i g hv o l t a g ei n t e l l i g e n tc o l l e c t i n g t e r m i n a la n dd o e si t sw o r kb yc o n t r a s t i n gt h ee l e c t r i c i t yp a r a m e t e ri nh i g hv o l t a g e l o wv o l t a g e t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d i n gc o n s t r u c t i n gt h ew h o l ef r a m ea n dd e s i g n t h e s em a i nc o m p o s i n g ：h i g hv o l t a g e c o l l e c t i n gt e r m i n a l ，l o wv o l t a g ec o l l e c t i n g t e r m i n a l ，c h a r g ec o n t r o l l i n gt e r m i n a l ， s u p e r v i s i n g c e n t e ra n dm o b i l e e l e c t r o s u p e r v i s i n gt e r m i n a l a n db r i n gf o r w a r dt h er e s p e c t i v es e t t i n gs c h e m e sb a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r i c p o w e rs u p p l y i n gn e t s t o p o l o g yo ft r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n s ，s i n g l ep o w e rs u p p l yu s e r s ，m u l t i - p o w e rs u p p l yu s e r sa n dl o o pn e tu s e r s t h i r d l y ，t h e t h e s i sc a r r i e so u ts o m ea n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gw o r ko nt h e s t r o n g p o i n t so rs h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s a n da tl a s t c h o o s e sg p r sa st h ec o m m u n i c a t i n gm e t h o d i no r d e rt o h e i g h t e nt h es a f e t ya n d s t a b i l i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i n gn e t st h et e ae n c r y p t i n ga l g o r i t h mi su s e d 一i i i 罐十高压智能采集终端的防窃屯商_ f f 研究 f i n a l l y ，t h es o f t w a r ed e s i g no f t h es u p e r v i s i n gc e n t e ri si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e t o t a ls t r u c t u r e ，c o r r e s p o n d e n c ea g r e e m e n t ，t h eb a s i ca r e aa n di t st h r e es u bp r o c e d u r e s t h e s es u bp r o c e d u r e sa r es u p e r v i s i n ga n a l y s i sp r o c e d u r e ，r e c e i v i n ga n dd e l i v e r i n g p r o c e d u r e ，m a n a g e m e n tp r o c e d u r e a n d t h e i rf r a m e w o r k s ，f u n c t i o n s ，i n t e r f a c e d e s i g n s ，d a t a b a s ed e s i g n sa n dt h ed a t ac o m m u t i n gm o d eb e t w e e nt h e s es u bp r o c e d u r e s a r ee x p l a i n e d t h ea v a i l a b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t yo ft h ep r e v e n t i n ge l e c t r i c i t ys t e a l i n g s y s t e mi sp r o v e db yt h ep r a c t i c a lt r i a l k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g ei n t e h i g e n tc o l l e c t i n gt e r m i n a l ；c o n t r a s t i n ga n a l y s i so ft h e e l e c t r i c i t yp a r a m e t e ri nh i g hv o l t a g ea n dl o wv o l t a g e ；p r e v e n t i n ge l e c t r i c i t ys t e a l i n g ； t h et o p o l o g yo ft h ee l e c t r i cp o w e rs u p p l y i n gn e t s ；e n e r y p t i n ga l g o r i t h m 1 v 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，均己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：七鼠并歉 日期：协6 年，月尸日 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。 本学位沦文属于 1 、保密口，在一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“4 ”) 作者签名 导师签名 日期：砂年f 月f 。日 日期：捌年f 月。口日 1 1 研究背景及意义 第l 章绪论 我国配电网发展长期处于粗放无序状态，缺乏规划，随意性大，设备残旧落 后，负荷分配不合理，线路和配电变压器过载严重，线路互相转供能力差，线损 偏商，电压质量较低。电力企业要适应市场经济，就必然要进行改革。模拟市场 运行、进而向电力市场商业化过渡是每个电力企业将要面临的任务。当前，随着 广大城乡电网改造的不断深入发展，提高负荷管理自动化水平、提高电网运行的 可靠性和安全性是各供电企业急需解决的问题。 在电能输送和分配过程中，电力网的有功功率损失和电能损失统称为线路损 失，简称线损j 。线损除技术线损是由电力网系统中各个电力设备及电力网本身 引起的损耗外，很大一部分是管理线损即由于窃电和计量故障丢失的电量。除造 成经济损失外，窃电行为还诱发了社会不安定因素，破坏社会经济秩序，危及电 网的安全运行。 在严峻的窃电现实面前，当前电网防窃电方式主要存在以下一些问题： ( 1 )目前电网防窃电主要针对o 4 k v 用户侧计量装置进行保护，如采用专 屏专柜、负荷控制装置或远抄系统，由于窃电方法多达上千种，不通过计量装置 的窃电行为就无法有效防范。因此，任何针对单一计量装置的技术防范措施都是 无法有效防止窃电行为发生的； ( 2 ) 传统防窃电稽查主要依靠人工营业普查，时效性差、普查不到位，难 以实时掌握配电网的运行状况，无法准确提供窃电行为发生的时问、地点以及相 关数据，查证难； ( 3 ) 现有的配电网线损分析系统，只能给出整条馈线的线损，而不能给出 馈线中任意支路和节点的线损，基于电力自动化系统的线损分析系统，由于技术 所针对的应用面不同，也无法独自完成整个系统的综合线损分析。 因此，进行如何提高供电质量、改善服务、减员增效、降低线损、防止窃电 和安全生产的研究工作，不仅能提高供电企业自身的经济效益，还具有重大的社 会意义。 1 2 目前常见窃电方法 1 欠压法窃电 窃电者采用各种手法故意改变电能计量电压刚路的正常接线，或故意造成计 基于高压智能采集终端的防窃电匝川研冤 量电压回路故障，致使电能表的电压线圈失压或所受电压减少，从而导致电量少 计，这种窃电方法就叫欠压法窃电。其常见手法为： ( 1 ) 使电压回路开路。例如：松开t v 的熔断器；弄断保险管内的熔丝； 松开电压回路的接线端子；弄断电压回路导线的线芯；松开电能表的电压联片等。 ( 2 ) 造成电压回路接触不良故障。例如：拧松t v 的低压保险或人为制造 接触面的氧化层；拧松电压回路的接线端子或人为制造接触面的氧化层；拧松电 能表的电压联片或人为制造接触面的氧化层等。 ( 3 )串入电阻降压。例如：在t v 的二次回路串入电阻降压：弄断单相表 进线侧的零线而在出线至地( 或另一个用户的零线) 之间串入电阻降压等。 ( 4 ) 改变电路接法。例如：将三个单相t v 组成y y 接线的b 相二次反接； 将三相四线三元件电能表或用三只单相表计量三相四线负载时的中线取消，同时 在某相再并入一只单相电能表；将三相四线三元件电表的表尾零线接到某相火线 上等。 2 欠流法窃电 窃电者采用各种手法故意改变计量电流回路的正常接线或故意造成计量电流 回路故障，致使电能表的电流线圈无电流通过或只通过部分电流，从而导致电量 少计，这种窃电方法就叫做欠流法窃电。其常见手法为： ( 1 ) 使电流回路开路。例如：松开t a 二次出线端子、电能表电流端子或 中间端子牌的接线端子；弄断电流回路导线的线芯；人为制造t a 二次回路中接 线端子的接触不良故障，使之形成虚接而近乎开路。 ( 2 ) 短接电流回路。例如：短接电能表的电流端子；短接t a 一次或二次 侧；短接电流回路中的端子牌等。 ( 3 ) 改变t a 的变比。例如：更换不同变比的t a ；改变抽头式t a 的二次 抽头；改变穿心式t a 原边匝数；将原边有串、并联组合的接线方式改变等。 ( 4 )改变电路接法。例如：单相表火线和零线互换，同时利用地线作零线 或接邻户线；加接旁路线使部分负荷电流绕越电表；在低压三相三线两元件电表 计量的b 相接入单相负荷等。 3 移相法窃电 窃电者采用各种手法故意改变电能表的正常接线，或接入与电能表线圈无电 联系的电压、电流，还有的利用电感或电容特定接法，从而改变电能表线圈中电 压、电流间的f 常相位关系，致使电能表慢转甚至倒转，这种窃电手法就叫做移 相法窃电。其常见手法为： ( 1 ) 改变电流回路的接法。例如：调换t a 一次侧的进出线；调换t a 二 次侧的同名端；调换电能表电流端子的进出线；调换t a 至电能表联线的相别 等。 硕士学位论文 ( 2 )改变电压回路的接线。例如： 调换单相t v 原边或副边的极性； 调 换t v 至电能表联线的相别等。 ( 3 ) 用变流器或变压器附加电流。例如用一台原副边没有电联系的变流器 或副边匝数较少的电焊变压器的二次侧倒接入电能表的电流线圈等。 ( 4 ) 用外部电源使电表倒转。例如：用一台具有电压输出和电流输出的手 摇发电机接入电表；用一台类似带蓄电池的电鱼机改装成具有电压输出和电流输 出的逆变电源接入电表。 ( 5 ) 用一台原副边没有电联系的升压变压器将某相电压升高后反相加入表 尾零线。 ( 6 ) 用电感或电容移相。例如：在三相三线两元件电表负荷侧a 相接入电 感或c 相接入电容。 4 扩差法窃电 窃电者私拆电表，通过采用各种手法改变电表内部的结构性能，致使电表本 身的误差扩大；以及利用电流或机械力损坏电表，改变电表的安装条件，使电能 表少计，这种窃电手法就叫做扩差法窃电。其常见手法为： ( 1 ) 私拆电表，改变电表内部的结构性能。例如：减少电流线圈匝数或短 接电流线圈；增大电压线圈的串联电阻或断开电压线圈；更换传动齿轮或减少 齿数：增大机械阻力；调节电气特性；改变表内其他零件的参数、接法或制造 其他各种故障等。 ( 2 ) 用大电流或机械力损坏电表。例如：用过载电流烧坏电流线圈；用 短路电流的电动力冲击电表；用机械外力损坏电表等。 ( 3 ) 改变电表的安装条件。例如：改变电表的安装角度；用机械震动干 扰电表：用永久磁铁产生的强磁场干扰电表等。 5 无表法窃电 未经报装入户就私自在供电部门的线路上接线用电，或有表用户私自甩表用 电，叫做无表法窃电。这类窃电手法与前述四类在性质上是有所不同的，前四类 窃电手法基本上属于偷偷摸摸的窃电行为，而无表法窃电则是明目张胆的带抢劫 性质的窃电行为，并且其危害性也更大，不但造成供电部门的电量损失，同时还 可能由于私拉乱接和随意用电而造成线路和公用变过载损坏，扰乱、破坏供电秩 序，极易造成人身伤亡及引起火灾等重大事故发生。 1 3 电网防窃电技术发展现状 国内过去从事防窃电工作主要集中在各类防窃电计量装置上，由于其功能和 方法较单一，无法对多达数千种窃电手段进行有效防护口1 ，因此基本上没有起到 防窃电作用。而供电部门的线损管理仍处于手工管理状态，资料数据的收集、整 基于高挂智能采集终端的防窃电庶用研冤 理、分析和计算工作十分繁重，而效果不尽如人意。现有的配电网线损分析程序 多基于d o s 操作系统，数据输入、检错、修改不方便，输出结果不够丰富、简洁。 近年来，虽有不少单位开发了基于w i n d o w s 的配电网线损计算分析系统，但这些系 统只能给出整条馈线的线损，而不能给出馈线中任意支路和节点的线损，不利于 使用单位发现馈线中的薄弱环节。目前有些电力企业开发了基于电力自动化系统 的线损分析系统1 4 】，主要是利用如调度自动化系统、配电自动化系统、生产和营 销m i s 、远程抄表系统、负荷控制系统等的数据采集和数据传输功能，进行线损 的统计分析1 5 j ，但是由于以上任何一个系统都不是针对线损监测的，均无法独自 完成整个系统的综合线损分析，特别是无法有效防止偷漏电现象的发生，因此效 果不佳。 线损管理的目标是降低损耗，防止窃电、漏电和计量故障，但是由于现有的 技术手段无法有效、实时地对实际线损( 技术线损) 进行监测，不管是用人工管 理，还是利用计算机分析系统，目前的线损管理仍然离不开理论计算加统计的方 法1 “，无法对网络中各支路、节点的线损进行实时监管，时效性差，误差大。为 此，需要开发一个综合线损监测、分析系统。 1 。4 本文主要工作 本文的研究课题是以湖南某电力科技有限公司的“电网防窃电及负荷管理系 统”为研究背景，主要对新型高压智能采集终端、有效的防窃电方式以及电力系 统的通讯方式进行了研究。如何有效地进行防窃电、为配电网络优化提供最真实 运行数据，为电网的优化决策提供准确的依据是本文的主要研究内容。本文的主 要内容安排如下： 第二章主要介绍了高压智能采集终端电源供给模块和计算控制模块的设计。 详细说明了解决电源供给过程中d c d c 变换器的输入不稳定性问题的方法；在 对电网参数的传统计算方法及其误差进行分析的基础上提出了改进算法，并对改 进算法的适用性进行了分析。 第三章提出了一种基于高压智能采集终端的防窃电系统。首先对防窃电系统 的整体构架进行了介绍，然后对系统的主要组成部分：高压采集终端、低压采集 终端、负荷控制终端、监控中心和移动用电监管终端的设计进行了详细的说明。 第四章首先对供电电网中涉及的一些设备进行了介绍，然后在对变电站、单 电源用户、多电源用户和环网用户的电网拓扑结构进行分析的摹础上，提出了针 对各种具体情况的防窃电终端的安装方案。 第五章主要介绍了防窃电系统所采用的通讯方式。首先对监控系统常用的通 信方式及其优缺点进行了分析、比较。在此基础上确定了本系统的通讯方案一 g p r s 。然后探讨了g p r s 网络的特点及应用，提出了解决数据的安全性和网络的 稳定性问题所采用的t e a 加密算法。 第六章主要介绍了监控中心软件的总体结构、通信协议、基本域设计。并详 细的说明了监控分析程序、接收转发程序、管理程序三个子程序的结构、功能、 接口设计、数据库设计以及子程序之间的数据交换解决方案。最后给出了防窃电 系统的应用实例。 最后是本课题研究总结，包括在研究过程中所做的具体工作，以及所存在的 问题，并对后期研究工作进行概述。 第2 章高压智能采集终端的设计研究 2 1 高压智能采集终端的整体结构 高压( 1 0 k v 以上) 配电网中的电力用户在整个电力系统用户中占有很大的比 重，其计量装置的准确度及可靠性与电力系统的经济运行密切相关。当前使用的 高压电能表普遍存在防窃电效果差的缺点；同时，当电网中存在畸变波形时，电 能计量的准确度也难以保证。因此本文对高压智能采集终端进行了研究探索。 终端的整体结构如图2 1 所示。 高压母线| 电能采集模块h 光电隔离模块 兰葚篙h 输入电路互感器组l “9 訾协效菇面赢 | 非襄蕻储卜器模块r 7 电源监视 l 上电复位k o 看门狗 i 计i 也 f 蓑i 蠖 塑 l 块l 懂 图2 1 高压智能采集终端系统整体结构框图 由图2 1 可见，高压智能采集终端采用了模块化设计。各模块的功能如下：计 算及控制模块负责对电能采集模块进行数据采集控制，高压端的电压和电流经组 合互感器变换并经输入电路调整和匹配后由电能参数采集模块进行采集，得到电 能相关参数，如有功功率、无功功率及各相电压、电流、相位等，并通过现场总 线送至计算及控制模块进行保存和处理i ”。此外，采集模块上的单片机还可完成 数据的初步分析，获得装置的工作状态，如电压互感器失压或缺相、电流互感器 短路、相不平衡等。计算及控制模块对计量数据进行计算和分析后，可分为四路： 送至存储模块e 2 p r o m 中保存；送至多功能液晶显示模块进行显示；通过脉冲输 出接口输出；还可通过通讯接口模块扩展远程控制、数据上传功能。非挥发存储 器模块中保存各种定值及设定的参数。电源监测、上电复位、“看门狗”模块， 用于对整个系统的供电系统进行连续监测，当供电发生异常时，将通知计控模块 保存数据及状态并复位。光电隔离模块可以完成数据和控制信号的双向传输，并 保证采集模块与后续处理模块的高压隔离。电源供给模块提供各级电压，含模块 电路用电源、控制器数字电路用电源及全隔离的数字电路电源等【8 1 。 设计工作重点集中在高效宽限电源供给模块以及计算与控制模块的设计上， 下面对这两部分进行介绍。 硕士学位论文 2 2 高效宽限电源供给模块 高压采集终端与外界仅有数据传输而无任何电磁联系，因此，如何向高压采 集终端各模块供电就成为技术的关键。本文采用的方案是：高压侧线路的电源能 量完全由高压母线电流感应产生。需要指出的是高压母线上的电流情况非常复杂： 最低只有几安，而发生短路故障时母线暂态电流可能达到1 0 k a 以上【9 ，本文采用 电磁感应原理，通过一个铁磁式变压器从母线上的电流感应得到一交流电压，然 后通过全波整流转换为稳定的直流电压，再根据需要利用d c d c 变换器和电源逆 变器提供各级电压【10 1 。如图2 。2 所示。 门兰竺竺型竺! 广 铣 + 寸 d c d c 磁 变换器 羹 压 器 图2 2 电源结构图 2 2 1 电源工作原理分析 悬浮式电源的戴维南等效电路如图2 3 所示 厂一厂t r 。l 农由z 。 l 二一 图23 电源等效电路 图中，u 为输出电压，乙为负载等效阻抗，z 0 为可控阻抗，为母线电流。 电路输出电压为： u ：，兰血(l z o + z ， 如果设计一个可控阻抗z o ，满足： z o = 击 ( u z 1 就可以输出恒定的电压。这就是悬浮式电源的工作原理。 2 1 ) 2 2 ) 基于高压智能采集终端的防窃电应h 1 研究 设= 1 z 0 ，= 1 z l ，仅考虑幅值的情况，电源工作可分为下面3 种情况： ( 1 ) 1 u ，( 母线大电流) ，z o 起分流作用。 注意到当i f i u l 时，玮 0 ，系统是不可能物理实现的。为了尽量减少电源 工作的死区，本文选用新型的坡莫合金作为铁心材料。这种材料的励磁电流比较 小，可以在小的母线电流情况下感应出所需的电压，在母线较小电流的情况下切 换到备用电源，继续对系统供电。 2 2 2d c d c 变换器的输入不稳定性分析 文采用的是直流分布式供电结构，通过直流总线给d c d c 变换器进行供电， 而变换器的输出则直接供给各个负载。利用d c d c 变换器来构建分布式供电系 统有一些关键问题需要解决，如输入系统不稳定性问题1 1 1 _ 2 1 。如果措施不当，将 损坏变换器甚至负载，造成巨大损失。 1 问题分析 当输入电压在一定范围内变化时，d c d c 变换器应该保持输出电压不变。 在分布式供电系统中，直流输入电压不可能是稳定不变的。因为直流总线上连接 了d c d c 变换器，而且总线一般都很长，分布电感较大，所以总线电压总是在 不断变化。假定d c d c 变换器带一个恒定功率负载，如果输入电压升高，则输 入电流会相应减少以维持恒定功率；输入电压降低则输入电流增加。换句话说， 输入电压升高( 或降低) 会导致输入电流减少( 或增加) ，这使变换器在其输入端看上 去表现为一个负阻抗。负阻抗r 。的大小由下式表示： r n 等 。， 其中，k 。为d c d c 变换器的输入电压；厶为d c d c 变换器的输入电流。d c d c 变换器满载输出和输入电压最低时，负阻抗r 。，最小。以4 8 v 输入、3 3 v 3 a 输 出、效率为9 0 的d c d c 变换器为例，当输入电压为最小值3 6 v 时，满载输 入电流为3 a ，r n = 一1 2 f l ：当输入电压为4 8 v 时，满载输入电流为2 3 a ， r 。= 一2 l q 。当d c d c 变换器输入阻抗z l 表现为一个负阻抗时，将影响直流母线 的阻抗，从而产生输入系统不稳定性，使变换器工作不正常、寿命缩短或损坏。 值得注意的是：仅在低频时，d c d c 变换器输入阻抗z l 才表现为一个负阻抗。 当高频时，其输入阻抗由变换器内部的滤波元件和反馈回路的带宽决定。 2 解决输入系统不稳定性的方法 如何消除d c d c 变换器的负阻抗从而使分布式供电系统稳定呢? 许多文献 指出：为了保证系统的稳定性，输入电源的源阻抗( 磊) 必须远远小于变换器的输 入阻抗( z i ) 。如图2 4 所示。 图2 4 源阻抗z s 和变换器输入阻抗z 尽管j 磊i 胁l 这个条件众所周知，但是并不是轻易就能实现。本文采用正阻 抗来进行补偿，以消除负阻抗。以下提出两种补偿负阻抗的解决方法，使分布式 系统达到稳定。 ( 1 ) 方法一： l 。r聿s c ，则这三个不等式将成为稳定性的充分条件。一般要求c 。至少比c 大五倍。假定i r 。i 、l 和c 已知，则可选定合适容量和等效串联阻抗的c s 电容使 基于高压智能采集终端的防窃电麻用研究 系统达到稳定。以4 8 v 输入、3 3 v 3 a 输出、效率为9 0 的变换器为例，i 如l 的 最小值为1 2 q ，假定三= l o p h ，c = 6 6 p f ，则可取c s = 3 3 z f ，可计算出使系统 稳定的r 。的范围为o 0 2 5 f f 2 c ，图2 5 所示的电路可从两个频率范围来研究。高频范围时c 。可 看成短路，低频范围时c 可看成开路。在高频范围时r 。与月。并联，为了获得正 阻抗，必须使r 。 面寿而这就是不等式( 2 6 b ( 2 ) 方法二： 图2 6 所示的是另外一种解决输入系统不稳定性的方法。 二) r sl 帑 g 蒂 输入滤波器d c - d c 变换器 圈2 6 解决输入系统不稳定地方法二 在d c d c 变换器输入端采用一个电感l 和一个电阻r 。串联来进行滤波，电 阻磁用来抵消交换器的负输入阻抗r u ，使系统实现稳定 t 3 1 。这个滤波器，变换器 等效电路可由一个二阶方程式来表示： 妣“s ( r s c - 南州裔= o ， 如果所有系数具有相同的符号，则这个方程式的极点将位于左半区，因此可推导 出对风的两个如下限制条件： b 南 ” 另外还可推导出另一个不等式： h 1 2 等 ( 2 1 0 ) 如果需要减少总线七的纹波电流以及减小滤波元件的尺寸和成本，还可对l 和c 提出另外的要求。假定l 、c 、r s 、l 峨i 都已知，则可把这些参数代入到方 程式2 ，7 中，对系统稳定性进行分析，找出极点的位置，并可计算出系统的阻尼 硕十学位论文 比。仍以4 8 v 输入、3 3 v 3 a 输出、效率为9 0 的变换器为例，l r l 的最小值为1 2 q 。 假定三：1 0 日 ， c = 6 6 p f ，则可计算出使系统稳定的月，的范围为 0 1 3 f 2 r 。 1 2 f 2 。这种方法的缺点为：电阻胄。会消耗太多的功率。即使选择b 尽 可能小，它仍将消耗一定功率。因此这种方法并不是最佳的解决系统不稳定性的 方法。但是，通过这种分析可以更好地认识系统地不稳定性，从而更好地去解决 和克服系统不稳定性。 所以本文采用了在d c d c 变换器的输入端加一个大容量的电解电容的方法 来补偿造成不稳定的变换器输入端负阻抗，所以，智能采集终端的电源整体方案 结构如图2 7 所示。 铁 磁 一二 r s ；譬 州 式 + 帚 变 压 c s = 器 l 输入滤波器 d c d c 变换器 2 3 计算及控制模块 图2 7 电源整体方案 该模块主要完成电网参数的计算和处理。在实际应用中以微处理器为基础的 电工测量仪表可以通过直接对信号波形进行等问隔采样，并通过计算其若干个整 周期内的电压、电流采样数据的均方根及瞬时功率的平均值来求得电压有效值、 电流有效值、有功功率及功率因数1 4 1 6 1 。 2 3 1 电网参数的传统算法及误差分析 设周期为t 的正弦电压、电流信号为： j 村( ) 2 砜8 i n ( 2 石)( 2 1 1 ) 【f ( f ) = ls i n ( 2 z 一妒) 式中驴为电流滞后于电压的相位。 在传统算法中，电压、电流的值，有功功率及功率因数分别被定义为： u 。= 踊甄 is ：蹄甄 只= 争n , + t o 2 伽， 飞s = p ；u 。ls ( 2 1 2 ) 式中磊为采样时宽。当矗严格等于信号周期t 时，对于正弦波有下列关系 玑= v 4 2 = u i 。= i m | 矗= 1 只= u 。j 。c o & o , 2 = p 甲= c o s q n = 甲 ( 2 1 3 ) 式中u 、，、p 、壬，分别为电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数。 但在实际采样计算中，通常采样时宽t o 难于做刚好等于信号周期t ，也就是 说，通常都会存在同步偏差。为了讨论方便起见，记 x = ( 瓦一t ) t = ( f f 0 ) f o ( 2 1 4 ) 式中x 为相对频偏；f o = l t o ；x t 称为同步偏差 ”、同步误差或周期误差【4 1 。由于 交流电的频率具有短时平稳性，因此短时内可以认为x 是常数。 对于式( 2 1 1 ) 的正弦电压、电流信号，其有功功率测量值只随采样初始时刻及 相对频偏的变化为： 驸。驴面1 雠岬渺k t 。a h - k v 2 ( 骱妙 = 盟2 上k t rf = ! 二等1 【c o s 伊一y sc o s ( 2 0 一妒) 】 ( 2 1 5 ) 式中以= s i n ( 2 万h ) 【2 石_ ( 1 + x ) 】，k 为采样周期数，0 = 2 7 r f i o 是t o 时刻电压采样信号 的相位，简称为采样初相( 实际上它与第一采样点相位鼠相差为a 0 = 0 一日：刀缸) 。 当x “1 时，儿4 x ( x + 1 ) x ，因此， p a x ，t o ，伊) z p e i x c o s ( 2 0 一妒) c o s 伊 ( 2 1 6 ) 同理可求得电压、电流的有效值及功率因数的测量值为 u s = u 1 一m c 。s ( 2 口) 啦z u 1 一( x 2 ) c o s ( 2 t g ) = i e l - y ，c 。s ( 2 臼一2 妒) 啦z 巾一( x 2 ) c o s ( 2 0 一2 伊) ( 2 1 7 ) 甲s ( x ，妒) = 只厶“c o s f o 1 一x s i n 2 妒，c 。s 伊) c 。s ( 2 e p ) 在频率偏移量z 一定的情况下，由于采样初始时刻是随机的，表现为只及q - , 。随采 样初相目的不同而在一定范围内变化；因臼在【o ，刀】上等概率出现，有功功率、功 率因数的均值分别为： 硕士学位论文 f 虿= ( 1 2 石) r ”最( _ 矽，i o ) d o 一2 u , i 。c o s 妒= p 陬= ( 1 2 万) r 。甲。( 妒，q ，) d o = c o s 妒= 甲 它们的相对误差( 相应的标准差与均值之比) 分别为 ( 2 1 8 ) a 只p ( 协婀b 一币椤洲压c o s 妒 ( 2 。_ ，肛：( 1 z 万) f 2 4 v 。一 2d 曰1 1 1 j 2 产 zi 工陋z 伊压c 。s p 2 3 2 传统算法的改进及误差分析 在传统算法中，造成有功功率及功率因数测量误差的根本原因是：由于信号 的频率不是十分稳定，在采样点数及间隔固定的情况下，一般很难严格地在1 个 信号周期内实现等间隔采样，采样窗的宽度不能取得刚好等于信号周期的整倍数， 这种不同步就会导致测量误差。从而导致测量值依赖于采样相位。而采样相位的 随机性导致测量值的随机起伏，测量值偏离真值的程度与采样窗偏离信号整周期 的程度成正比，也与偏离整周期部分的信号瞬时值偏离真值的程度成正比。 为了减少这种误差，就需要先动态地测定信号的周期或频率，然后对采样间 隔或采样点数进行调整，这就是所谓的同步采样方法【 q8 1 。这些方法可以在一定 程度上减少同步偏差。由于对信号进行采样时的采样间隔总是时钟周期的整数倍， 采样点数也只能是整数。因此，采样点数与采样间隔的乘积仍无法和信号周期完 全相等。为了减少偏离整周期部分的信号对测量值的影响而又不产生系统误差， 可进行多次测量并对多次测量结果再取平均，当测量次数足够多时，其平均值便 会趋于其真值，但这种做法不适合于非平稳信号。能够兼顾实时性的个巧妙的 做法是：对信号进行双周期( 2 t o ) 等间隔采样，2 瓦为采样窗的宽度，每周期( 五) 取 n 个采样点，双周期可得2 n 个点从第i 个采样点开始的n + 1 个连续采样点组 成一组，用梯形法求其均值，即传统算法的测量值，这样便可得到n 个传统算 法的测量值。再用算术平均求其均值，由于相邻两测量值的采样初相相差约2n n ，n 个测量值的采样初相大约刚好取遍一个周期，因此其实际效果就相当于求 式( 2 ，1 6 ) 的均值，误差当然要小得多。计算过程可以表示为： 只= 专善只( ，) = 专善专i 璺塑掣+ 窆i = lp ( ，+ ，) f = 而1 2 1 一i ( k n 1 1 2 ) i n i p ( k ) = 嘉乏旷( 咖( t ) ( 2 2 0 ) 式中w ( k 1 相当于高为2 的三角窗的离散采样值。 下面进行误差分析。采用如下三角窗函数对双周期采样信号进行加权运算： 基于高压智能采集终端的防窃电应用研究 孵) = 2 ( 1 拶般 2 ， 式中兀为事先估计的信号周期，一般取为信号的平均周期。对正弦信号式( 2 ，1 1 ) ， 采用x x ( 2 2 1 ) 的窗函数，三角窗加权算法的有功功率测量值巴随采样初始时刻，。 ) = 击聪删呻衍= 筹e s i n 阿o 川2 嗍一妒础 = 丁u = ”瓦1e r o c o s 炉。s 4 石巾+ f 0 ) 一妒 ) w ( r ) 魂 ：p - y w ：型 。p 卜z 捌 ( 2 | 2 2 ) lc o s 妒c o s 田 式中。= 丽s i n ( 2 z x ) “x ，o = 2 r r 成= 2 石o ( 1 + 砒。 同理可求得三角窗加权算法电压、电流的有效值u w 、l 为： j 瓯2 ( u m 也) 1 一y w 2 c 。s ( 2 口) “2 l ：i