外文翻译译文-电能质量的远程实时监控系统

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 0 页 共 7 页电能质量的远程实时监控系统黄治清 贺建闽摘要:本文介绍了基于因特网变电站的电能质量的远程实时监控系统的组成，设计方法和工程应用。随着虚拟仪器和网络技术的使用，该系统具有良好的实时性，较高的可靠性，丰富的功能等等。该系统也可以用来监控负荷的变电站，如电力机车。关键字：电能质量，远程监控，实时监测系统，虚拟仪器概述随着各种电力设备和电子设备广泛应用于电气化铁路，对于非线性负载的供给网络不断增加。它导致电压质量下降，电力谐波污染和通信严重干扰，给电力系统的安全带来了直接或者潜在危险。目前，电能质量监测变电站在中国处于起步阶段,但仍有许多不足之处。例如，电力质量监测变电站设备都是独立的和相互分离的。一些变电站甚至还没有质量监测设备。在这种情况下，变电站里，远程电能质量的实时监测成为了电力监管中心的迫切需要。直到现在,电能质量监测等方面存在的问题被广泛的讨论,但在监控和电能质量的管理方法上仍然有很多的缺点需要解决，如实时性差、作用小、效率低、缺乏统计分析功能，等等。1 系统组成考虑到建立监测系统总成本，以及实时性和可靠性的问题，局域网(LAN)和互联网的优势是采取了降低系统成本和保证系统可靠性的措施。随着网络容量的拓展，网络速度已不再是实时监测系统的瓶颈。该系统采用客户机/服务器模式，以监测操作中心(MOC)作为一个服务器，通过代理程序的控制与客户端的监控对象站(MOS)进行通信。通过控制数据采集，可以及时获取测量数据。该系统还可以控制监控功能和检测远程监控对象站的数据。该服务器是一个便携式笔记本电脑。在任何时间和地点，客户端可以通过拨号方式连接服务器并与之通信，然后远程实时电能质量监测就可以实现了。相对于传统的测量和试验方法，劳动力和金融资源对于监测工作来说被有效的利用，工作周期也缩短了。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 7 页该远程实时电能质量监测系统的基本配置主要由工业控制计算机，数据采集板，信号隔离，转换和调理电路组成。对于数据采集和电力信号分析，很有必要去分立和改变一个强烈的信号提高其精度和可靠性。分立可以减少对地球的环电流，抑制共模电压，避免由开关，雷电，高电压设备对电源监控系统所造成的影响。滤波是一个信号调理电路的重要环节。为了使信号有一个带限制频谱，包含高频率噪音的信号必须由一个低通模拟滤波器(四阶巴特低通滤波器)过滤。由于被测信号频率，采样速度和谐波的信号分析是有限的，一个低通模拟滤波器或低通数据滤波器的截止频率也是确定的。当然，采样速度必须满足的抽样定理-奈奎斯特定理(采样率必须选择为所测信号最高频率的两倍)的条件，以确保这种过滤的实现。2 软件设计编程语言实验室 Windows/CVI 被应用于该系统。它能通过 TCP/IP 网络编程工具与远程应用程序通信，直接与其他窗口的应用程序通话，并很容易进行动态数据交换。在网络模块设计中，数据发送和接收是基于 TCP/IP 协议，这种协议的优点在于它的安全性、可靠性和稳定性。使用这种方法，网络通信可以在变电站和电力监管中心之间得以实现。远程控制系统的软件配置分为两部分：一个服务器程序 MOC；另一个是客户端程序 MOS。2.1 客户端监控软件该系统的客户端监控软件是由网络通信模块、多通道信号同步采样，系统自检、系统归零、16路示波器、波形记录、过程记录、波形分析、过程分析等组成。图1为客户端监控软件示意图。系统自检设置相关参数，信号极性调整，以及 16 通道 信号同步。网络连接仪器调零波形记录 16 路示波器 过程记录波形分析波形合成波形显示波形统计频率计算谐波分析功率分析矢量分析和动态分析频率分析基本合成合成谐波功率合成合成的不平衡因素中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 7 页图1 客户端监控软件示意图(1) 网络连接在系统软件启动后，它第一次在自检模块上运行。如果没有异常发现，客户端程序和指定的主机名称的 TIP 服务器将建立连接，如果连接成功，作为服务器的 MOC 开始监控作为客户端的电能质量和运行情况；否则，系统会自由的控制变电站的电能质量，只要系统处于正常运行状态，变电站可以在任何时间连接到服务器，从而 MOC 可以实现远程实时变电站的电能质量监测。(2) 采样信号该系统可以执行16路电源信号(8通道电压，8通道电流)的同步采样，以及 A/D 转换精度为12位，抽样时间间隔为1秒，每个通道以1秒8个周期，每个周期采样128个点循环采样。根据国家标准，为了得到振幅和相位以及谐波成分，一个1024点的 FFT(快速傅里叶变换)是每1秒计算一次，这些组件的平均值连续出现3次，将会作为一个点被记录。(3) 仪器调零一个归零电路被用于抑制零点漂移，但由于环境温度，电源和各种噪声的影响却不能完全得以消除。因此，用软件方法来消除零点飘移，在交流电流信号中的零频率分量可以通过两种方法消除。方法1：将原采样信号通过一个数字低通滤波器(4阶巴特沃斯滤波器)，将高频信号滤除，即可分离出零频率分量(零点飘移)。方法2：通过快速傅里叶变换(FFT)来判断原采样信号的交流和直流成分，从而找出其零频率分量。在选择使用了方法1或2后，采样原始数据的零频率分量被减去，即零点漂移被消除了。(4) 谐波分析 对于分析一个周期相对稳定的交流信号的频谱，快速傅立叶变换可以从时间域里获取幅度和相位谱(电压或电流)。当功率信号波动频率以一个固定采样频率1288采样时，会产生频率误差和测量误差。采样信号也可以通过软件技术去解决频率误差的问题，根据实际监测的30站，我们注意到，即使在一些变电站电能质量较差，但电力信号的频率是相对稳定的，该频率偏差不超过 0.05Hz，此结果符合国家标准中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 7 页(0.2Hz)，但是，当频率偏差超过0.1Hz(即国家标准允许的测量误差)时有必要修改采样频率。(5) 其他电力质量指标的计算其他电力质量指标如负序电压和电流，电压和电流的不平衡，总谐波失真(THD)的电压，频率，有功功率，无功功率，功率因数等，计算和监测因子的电能质量指标，严格按照基本法的原则和国家标准，每个电能质量指标得到了通过过程统计采样间隔为3秒的这些点的趋势图的形式计算，概率分布图，并在任何时间段的每个电源质量指标表。图表及任何时间段表可以放大或缩小，并询问在任何时候打印。2.2 服务器端监控软件在基于 TCP/IP 协议的网络通信的基础上，MOC 为自己的方案注册某一特定的端口号作为 TCP 服务器，客户端试图连接到服务器程序必须使用相同的端口号。此后，如果连接成功，由客户端的所有请求将被路由通过指定服务器的回调函数，此回调函数包含一个句柄参数，它唯一代表服务器和客户端之间的连接。这样，在任何时候，MOC 都能通过 TCP 从服务器上得到相关的数据和信息，也可以通过特定的监测模式从客户端发送数据和信息。该系统的服务器监控软件在客户端监控软件的三个监测模式的基础上对对客户端进行监控。图2显示了该系统的服务器监控图形用户界面。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 7 页图2 服务器监控图形用户界面该监测系统的三种监测模式如下：(1) 循环监测变电站的对话处理是逐一由同一个循环模式的服务器来监控的,而且用户可以选择周期间隔。当一个端口号进行监控时，服务器指定客户端工作于连续传输模式，客户端以数据帧的形式不断发出消息。当客户端发送一个数据帧时，服务器收到帧并显示一次，然后返回一个应答给客户端，收到此消息后，客户端再次发送下一个数据帧。(2) 单一的监测该服务器指定客户端工作在单一传输监测指定的变电站(端口号由用户指定的模式)，并在客户端只发送一个数据帧。(3) 连续监测该服务器指定客户端工作在连续传输模式(一帧一帧监测指定的变电站)，其他属性和循环监测模式相同，对于 MOC 和变电所之间的相互作用，发送的信息是在用户界面上以消息框的类型来发送的。这样，信息就以消息帧的形式发送。无论是数据帧或消息帧，MOC 和变电所之间的相互联系的帧的格式如图3所示，其中的“Label”是一个命令标识符， “Check character”是所有前两字节的总和。当收到信息帧时，首先进行检查，如果发现错误，则该帧是无效的会被丢弃，然后重新发送或接收。图3 MOC 和变电所之间的相互联系的协议格式有两个数据帧传输模式：模式1：如果采集的原始信号直接传输，一个数据帧有8个周期，每个周期128点，数据类型是短整型(2字节)，则有81282=2048个字节需要传输。模式2：如果以信号频谱德振幅和相位进行传输，则数据类型是长整型(8字节)，则一个数据帧有8642=1024个字节。显然，后一种模式可以节省一半的传输时间。但是，如果原始信号波形需要显示，则必须计算 FFT 的逆变换。图4显示了实时波形，振幅谱的垂直条形图和一个0.16秒(8个周期)期间的 A 相电压中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 7 页的相位谱。Y 轴代表的振幅(图4(b)和相位谱（图4(c)。X 轴代表振幅和相位谱谐波进行排序。可以看到，第5次和第7次谐波的振幅比其他的高。图4 实时波形，振幅谱和相位谱A 相电压的 THD(总谐波电压失真)趋势图和概率在 24小时内的分布图如图5 和图6所示。总谐波失真最大值是7.94%，大部分的总谐波失真是2%至6% ，明显超过国家标准(2%) 。图7和图8显示在24小时内三相电压不平衡因素的分布。最大值为4.7