宋進(jìn)良，周 潔，李為兵

(1．東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006;

2．中電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181)

交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端作為一種遠(yuǎn)動(dòng)終端設(shè)備(RTU)，主要用于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中遠(yuǎn)方調(diào)度中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)交流模擬量的監(jiān)測(cè)，它提供的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)在電網(wǎng)調(diào)度及規(guī)劃決策工作中具有重要的參考依據(jù)。由于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的大量應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)方測(cè)量數(shù)據(jù)的共享。交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端和計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備 (以下簡(jiǎn)稱為交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端)的出現(xiàn)導(dǎo)致了大量電測(cè)量指示儀表及變送器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的急劇減少。鑒于交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端的重要性日顯突出，相應(yīng)的維護(hù)校驗(yàn)工作也在基層電力單位中全面展開(kāi)。交流采樣測(cè)量裝置是廠站自動(dòng)化系統(tǒng)中的測(cè)量部分，因其直觀的數(shù)字顯示、準(zhǔn)確的測(cè)量量值、數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用已廣泛應(yīng)用于各發(fā)供電企業(yè);它替代了傳統(tǒng)的電測(cè)量指示儀表和變送器，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 原理

1.1 測(cè)控裝置

圖1 工作原理結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，交流采樣測(cè)量裝置將互感器二次電流與電壓分別經(jīng)交流采樣測(cè)量裝置內(nèi)隔離變換，再次轉(zhuǎn)換為弱電流及電壓信號(hào)［1］。通過(guò)采樣保持器的元件采集、保存電流、電壓信號(hào);經(jīng)模、數(shù)(A/D)變換;通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送給CPU，計(jì)算出電流、電壓、電網(wǎng)頻率及有功、無(wú)功功率等電量并存儲(chǔ)在記憶元件中。

交流采樣是將二次測(cè)得的電壓、電流經(jīng)高精度的TV、TA隔離變成計(jì)算機(jī)可測(cè)量的交流小信號(hào)，然后再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。直接計(jì)算U、I，然后計(jì)算P、Q、cosφ等，由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y(cè)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，因此實(shí)時(shí)性好，效率高，相位失真小，適用于多參數(shù)測(cè)量［2］。

1.2 交流采樣

圖2 交流采樣原理圖

如圖2所示，交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端中，被測(cè)交流量直接由測(cè)量單元轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，然后再由中央通信單元進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，形成符合遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約的數(shù)字量，經(jīng)通信線路 (光纖/數(shù)字載波/音頻電纜等)傳送到調(diào)度中心的主站系統(tǒng)中。

其測(cè)量單元直接完成對(duì)交流量的采樣和A/D轉(zhuǎn)換，因此遙測(cè)準(zhǔn)確度完全取決于其內(nèi)部采樣模塊及數(shù)據(jù)處理模塊的速率和精度;而電測(cè)量變送器+直流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端的測(cè)試方法中遙測(cè)準(zhǔn)確度則由電測(cè)量變送器測(cè)量準(zhǔn)確度和直流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端中的A/D轉(zhuǎn)換精度決定。

2 交流采樣算法及實(shí)現(xiàn)

2.1 電網(wǎng)參數(shù)真有效值積分算法

同步采樣計(jì)算法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而出現(xiàn)的測(cè)量方法。當(dāng)采樣N足夠大時(shí)，采用下列平均功率算法，同樣可得到較高精度，平均功率計(jì)算公式為

式中，u(t)、i(t)為電壓、電流的瞬時(shí)值;T為信號(hào)周期。

同時(shí)對(duì)電壓、電流波形進(jìn)行逐點(diǎn)數(shù)據(jù)采集u(n)、i(n) (n=1，2，…，N)，并將其轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字序列，計(jì)算出功率的平均值。

2.2 電網(wǎng)參數(shù)的采樣計(jì)算

根據(jù)以上的分析和推導(dǎo)結(jié)果，可求得Ukm、Ikm、αk、βk?？梢宰C明電壓和電流有效值的計(jì)算公式分別為

也可證明有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)的計(jì)算公式分別為

2.3 交流采樣測(cè)量裝置硬件實(shí)現(xiàn)

一般交流采樣測(cè)量裝置由若干個(gè)測(cè)控單元和1個(gè)通信轉(zhuǎn)換模塊組成，1個(gè)交流采樣測(cè)量裝置完成一組三相電量采集、計(jì)算和發(fā)送，其中A/D一般選用12位高速集成AD轉(zhuǎn)換器，CPU一般選用16位單片機(jī)或DSP數(shù)字信號(hào)處理器［3］。典型硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)控單元結(jié)構(gòu)圖

2.4 采樣頻率對(duì)測(cè)量誤差的影響

微機(jī)測(cè)量交流電量首先需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變成一串離散信號(hào)，為了使連續(xù)信號(hào)的抽樣過(guò)程不失掉信息，根據(jù)采樣定理可知抽樣頻率fs與信號(hào)的最高頻率Fm之間必須滿足下列關(guān)系式:

fs≥2Fm是一個(gè)臨界條件，實(shí)際采用的抽樣頻率必須大于2Fm。

從理論上分析，采樣頻率愈高，測(cè)量的準(zhǔn)確度愈高，但實(shí)際應(yīng)用中采樣頻率的提高受到諸多因素限制。由于三相發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓與正弦波有些差別，因此就包含一定的諧波分量，變壓器的勵(lì)磁電流也是非正弦的，也含有一定大小的3次諧波量，所以三相對(duì)稱電路中電壓、電流都可能含有高次諧波，不過(guò)電力系統(tǒng)只含有奇次諧波 (1次、3次、5次……)越是高次諧波其分量越小，9次以上諧波分量已非常小，因此對(duì)于計(jì)算來(lái)說(shuō)考慮到9次諧波后誤差已經(jīng)很小，根據(jù)采樣定理可知，此時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)N≥20，對(duì)于基2FFT算法，由于要求N=2m，故選N=32;對(duì)于基4FFT算法，由于要求N=22m，故N=64，必須注意一點(diǎn)，采樣點(diǎn)數(shù)增多，將會(huì)同時(shí)增加硬件軟件費(fèi)用，降低運(yùn)算速度［4］。

紫砂鍋里的排骨湯溢出湯汁，老何跟她都趕過(guò)去關(guān)火，兩人湊到一處，差點(diǎn)撞翻了鍋，老何握住了她的手，時(shí)間仿佛靜止了，鍋沿的湯汁噗嗤噗嗤地溢出來(lái)，他們只對(duì)視著，好像忘記了所有。

3 自動(dòng)檢測(cè)方法

自動(dòng)檢測(cè)方法是計(jì)算機(jī)軟件控制標(biāo)準(zhǔn)源輸入二次標(biāo)準(zhǔn)值，然后由計(jì)算機(jī)軟件從交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端的通信單元中采集數(shù)據(jù)，如圖4所示。該方案由于采用了直接讀取交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)的方式，主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了針對(duì)單個(gè)終端的自動(dòng)測(cè)量，校驗(yàn)過(guò)程中響應(yīng)時(shí)間短，提高了校驗(yàn)效率;測(cè)量結(jié)果與國(guó)家規(guī)程關(guān)于交流采樣遠(yuǎn)動(dòng)終端的誤差定義相一致等。

圖4 自動(dòng)檢測(cè)原理圖

3.1 遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約簡(jiǎn)介

遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約 (協(xié)議)是在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，為了正確地傳送信息，必須有一套關(guān)于信息傳送順序、信息格式和信息內(nèi)容等約定。這一套約定稱為規(guī)約(協(xié)議)，常用的分為兩種。

一種是循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式Cyclic Digital Transmit(CDT)。

另一種是詢問(wèn)方式也稱問(wèn)答方式Polling。

CDT方式，遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備將遠(yuǎn)動(dòng)信息按約定的先后順序排列并依次循環(huán)向調(diào)度中心發(fā)送。

Polling方式，其特點(diǎn)是由調(diào)度中心主站端主動(dòng)按順序依次“詢問(wèn)”各廠站的信息;廠站遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備僅在受到主站端“召喚”時(shí)，才能夠“回答”即送出自己的信息。

3.2 IEC870－5－103規(guī)約

本標(biāo)準(zhǔn)提供了繼電保護(hù)設(shè)備 (或測(cè)控設(shè)備)的信息接口規(guī)范。本標(biāo)準(zhǔn)適用于將繼電保護(hù)和測(cè)量控制功能組合在一個(gè)設(shè)備內(nèi)，只有一個(gè)通信口的設(shè)備的信息接口，以及繼電保護(hù)和測(cè)量控制功能分別由不同設(shè)備完成其功能的設(shè)備的信息接口。本規(guī)約屬于問(wèn)答式規(guī)約。在任何情況下，子站都不準(zhǔn)主動(dòng)向主站發(fā)送信息［5］。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

本系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)方式為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (DLL)，DLL文件名稱可以任意，保存于安裝軟件設(shè)置的子目錄下，具有多種功能［6］，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

a． 檢定功能

包括選擇方案、校驗(yàn)儀表兩個(gè)模塊，選擇方案模塊是為各種不同型號(hào)和規(guī)格的儀表分別設(shè)置一個(gè)缺省的校驗(yàn)方案，以便于在儀表校驗(yàn)時(shí)能按預(yù)先制定的方案自動(dòng)執(zhí)行校驗(yàn)。

b． 參數(shù)設(shè)定

參數(shù)設(shè)定包括對(duì)儀表的基本參數(shù)、校驗(yàn)方案、地址、串行口、模塊廠商、本機(jī)位置等幾個(gè)方面信息的設(shè)置、修改和維護(hù)。

c． 數(shù)據(jù)處理

包括數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢模塊，允許工作人員根據(jù)條形碼、表號(hào)、校驗(yàn)日期、表型序號(hào)、校驗(yàn)人員進(jìn)行相關(guān)查詢，以便工作人員隨時(shí)查看，得出校驗(yàn)報(bào)表，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)論報(bào)表

d． 打印功能

打印模塊的作用是完成對(duì)所需各種表的原始記錄和檢定證書(shū)的打印，打印內(nèi)容主要由以下幾部分組成:有功功率、無(wú)功功率、交直流電壓、交直流電流、功率因數(shù)、相位、頻率及波形失真度分析等。

4 結(jié)束語(yǔ)

交流采樣實(shí)時(shí)性好，效率高，相位失真小，逐步成為電力系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)采集方式，但在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中存在多次諧波干擾，影響數(shù)據(jù)采集的精度與穩(wěn)定，本文提出了一種基于遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約的自動(dòng)化檢測(cè)方法，經(jīng)數(shù)據(jù)分析和處理表明，該方法減小了工頻失真度，提高了數(shù)據(jù)的采集精度，為數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供了合理的測(cè)試方案。

［1］ 古天祥著．電子測(cè)量原理 ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［2］ EMH Company，Prs 200.3 AC Operation Manual，2000．2．

［3］ LUO Z K，XU ZJ，ZHENG Y C，etc．DFT and DSP2 based electric energy measurement algorithm of harmonic source load［J］．PowerSystem Technology，2002，4 (10):2487－2490．

［4］ DL/T 5137—2001．電測(cè)量及電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］．

［5］ 黃琦志，黃琦蘭，李 軻．基于GPIB接口的數(shù)字多用表自動(dòng)化檢定系統(tǒng)［J］．計(jì)量技術(shù)，2005，(7):42－44．

［6］ JJG780—92．交流數(shù)字功率表檢定規(guī)程［S］．