張小冰(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)系，浙江 溫州 325011)

劉 剛(溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系，浙江 溫州 325011)

熊幫國(guó)，吳 譽(yù)(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)系，浙江 溫州 325011)

肖臣章(樂(lè)清智華電氣有限公司，浙江 溫州 325011)

一種智能電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)終端的研究與設(shè)計(jì)

張小冰(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)系，浙江 溫州 325011)

劉 剛(溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系，浙江 溫州 325011)

熊幫國(guó)，吳 譽(yù)(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)系，浙江 溫州 325011)

肖臣章(樂(lè)清智華電氣有限公司，浙江 溫州 325011)

比較了城市電網(wǎng)與農(nóng)村電網(wǎng)智能化模式的不同，針對(duì)農(nóng)網(wǎng)的特點(diǎn)和需求，重點(diǎn)研究解決農(nóng)網(wǎng)智能化建設(shè)中配電網(wǎng)自動(dòng)化等關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。利用交流采樣原理和雙核控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，消除無(wú)功功率的“不對(duì)稱誤差”，設(shè)計(jì)了一種智能遠(yuǎn)動(dòng)終端(RTU)，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行及電能管理實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。研究結(jié)果表明，該裝置的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了1級(jí)表的精度，其價(jià)格只有同類進(jìn)口產(chǎn)品的60%,該產(chǎn)品的研制為推進(jìn)農(nóng)網(wǎng)的智能化改造具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

智能電網(wǎng)；智能遠(yuǎn)動(dòng)終端(RTU)；在線監(jiān)控

智能電網(wǎng)(Smart Grid) 具有堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成、優(yōu)化等特征，是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的一種趨勢(shì)[1-5]。智能電網(wǎng)主要由4個(gè)部分組成：高級(jí)量測(cè)體系(AMI)、高級(jí)配電運(yùn)行(ADO)、高級(jí)輸電運(yùn)行(ATO)及高級(jí)資產(chǎn)管理(AAM)，其中每一部分都有許多新技術(shù)需要研究與開(kāi)發(fā)[6]。智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興學(xué)術(shù)領(lǐng)域，需要從多個(gè)角度統(tǒng)攬問(wèn)題[7]。近年來(lái)，智能電網(wǎng)在我國(guó)也逐步得到了重視，但從研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程來(lái)看，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)完全成熟并產(chǎn)業(yè)化的成果相對(duì)較少。我國(guó)有著廣大的農(nóng)村，是我國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重點(diǎn)區(qū)域，也是用電負(fù)荷大幅增長(zhǎng)的潛力區(qū)域，由于城鄉(xiāng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和能源結(jié)構(gòu)的差異，決定了我國(guó)電網(wǎng)的智能化道路與歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家不同，所以實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)的智能化是我國(guó)電網(wǎng)智能化的突出特點(diǎn)。但是，農(nóng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、設(shè)備老化、發(fā)展不平衡及資金缺乏等問(wèn)題突出，所以，要根據(jù)我國(guó)農(nóng)村的現(xiàn)實(shí)需求及經(jīng)濟(jì)承受能力，加大相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研究并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，降低農(nóng)網(wǎng)智能化改造成本，成為一種迫切的需要。

筆者主要闡述了智能在線監(jiān)測(cè)終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、算法原理及測(cè)試結(jié)果，研究結(jié)果表明，相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，該智能監(jiān)測(cè)終端功能實(shí)用，性價(jià)比高，為農(nóng)網(wǎng)的智能改造(配網(wǎng)自動(dòng)化)提供了一個(gè)有價(jià)值的方案。

1 智能終端結(jié)構(gòu)

圖1 智能終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

智能終端采用DSP+MCU的雙核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，測(cè)量部分采用三相SOC測(cè)量芯片，控制器是SOC混合信號(hào)處理器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)運(yùn)用了SOC片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，便于安裝；在功能設(shè)計(jì)上充分考慮了軟硬件資源的合理配置，有效地降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

1)測(cè)量芯片 測(cè)量芯片是美國(guó)IDT公司2011年12月新推出的IDT90E36,該芯片不僅具有強(qiáng)大的電參數(shù)測(cè)量和電能計(jì)量功能，還具有帶總諧波失真 (THD) 檢測(cè)的片上離散傅立葉變換 (DFT) 分析引擎，同時(shí)該芯片功能配置靈活，這些特點(diǎn)使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的靈活性。IDT90E36利用內(nèi)置的高速DSP信號(hào)處理器，對(duì)采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后，通過(guò)SPI接口，把運(yùn)算結(jié)果送到微處理器。

2)控制器 微控制器是美國(guó)Cygnal公司推出的SOC混合信號(hào)處理器C8051F040，其內(nèi)置資源豐富，性價(jià)比高，開(kāi)發(fā)工具容易獲取。C8051F040控制器的主要任務(wù)是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，通過(guò)CAN總線與智能LCD進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)本地人機(jī)交互；通過(guò)GPRS通信模塊與調(diào)度控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程交互。

2 算法原理

按照設(shè)計(jì)要求，智能終端包括4大功能：多參數(shù)測(cè)量功能(如電壓、電流、頻率、功率因素等參數(shù))、電能計(jì)量功能(如基波有功能量、諧波有功能量、視在能量等)、電能質(zhì)量管理功能(如閃變、諧波含量、不平衡度等)、事件監(jiān)測(cè)功能(如失壓、缺相、過(guò)零監(jiān)測(cè)等)。這里筆者重點(diǎn)闡述了消除“不對(duì)稱誤差”的無(wú)功功率、三相不平衡度及THD算法原理。

圖2 三相三線制線路的等效負(fù)載

2.1消除“不對(duì)稱誤差”的無(wú)功功率算法原理

目前在電力系統(tǒng)中使用的感應(yīng)式三相無(wú)功電能表等都是用有功來(lái)測(cè)量無(wú)功，在三相電壓、電流對(duì)稱的情況下能理論上準(zhǔn)確表達(dá)無(wú)功功率。但在實(shí)際中，三相電壓、電流不可能對(duì)稱，其計(jì)算的結(jié)果將帶來(lái)相當(dāng)大的附加誤差，隨著系統(tǒng)不對(duì)稱程度的增加，其誤差也隨之增大，實(shí)踐證明，有時(shí)“不對(duì)稱誤差”為“允許測(cè)量誤差”的7倍多[8-9]。

為了消除不對(duì)稱誤差，必須推導(dǎo)出一個(gè)不帶“不對(duì)稱誤差”的無(wú)功功率準(zhǔn)確表達(dá)式。如圖2所示，設(shè)三相負(fù)載電壓、電流均不對(duì)稱，由復(fù)功功率有：

S=UAIA+UBIB+UCIC=UAIA+UB(-IA-IC)+UCIC

三相三線制總的無(wú)功功率Q為：

(1)

式(1)即理想的三相三線制輸電系統(tǒng)中負(fù)載不對(duì)稱情況下無(wú)功功率的準(zhǔn)確表達(dá)式(不含高次諧波)。

IDT90E36計(jì)量芯片是對(duì)交流電壓、電流信號(hào)直接采樣，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行離散快速傅里葉變換(FFT)。該設(shè)計(jì)中采用的是基2FFT算法，一個(gè)周期采樣點(diǎn)N=32。利用IDT90E36采樣所得的瞬時(shí)值u0,u1,u2,…,u31及i0,i1,i2,…,i31，電壓有效值U、電流有效值I、單相有功功率P、單相無(wú)功功率Q的計(jì)算公式如下：

(2)

由式(1)和式(2)，得出三相三線制總的無(wú)功功率表計(jì)算式為：

(3)

2.2三相不平衡度算法原理

(4)

(5)

按照式(5)的要求，要測(cè)量出每相電壓的大小和相位，再按照對(duì)稱分量法計(jì)算出正序分量和負(fù)序分量，才能計(jì)算三相不平衡度。由于該方法要計(jì)算復(fù)雜的相位，計(jì)算比較繁瑣，文獻(xiàn)[10-11]對(duì)其方法進(jìn)行改進(jìn)，只需要求出3個(gè)電壓的幅值，就能計(jì)算出電壓不平衡度，計(jì)算公式如下:

2.3總諧波失真(totalharmonicdistortion，THD)算法原理

在電網(wǎng)中，由于大量的非線性器件如整流二極管、整流器等的使用，產(chǎn)生了大量的諧波，其危害巨大，如引起變壓器發(fā)熱增加，縮短變壓器的使用壽命，使繼電保護(hù)及自動(dòng)化裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作等，同時(shí)還影響了電能計(jì)量的準(zhǔn)確性[12-13]。在《公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-1993)和新修訂的《公用電網(wǎng)間諧波》(GB/T24337-2009)中都明確規(guī)定了公用電網(wǎng)的諧波含量：0.38kV為5.0%，6～10kV為4.0%，35～66kV為3.0%，110kV為2.0%。IDT90E36自帶了諧波含量分析引擎，在基波相移因素大于0.90以上時(shí)，其計(jì)算是準(zhǔn)確的，當(dāng)相移因素較小時(shí)，誤差就比較大。因此，設(shè)計(jì)中對(duì)總諧波含量計(jì)算進(jìn)行了修正，考慮到了相移因素的影響，計(jì)算公式如下：

(6)

式中，PF功率因素是交流輸入總有功功率和總輸入視在功率的比值；cosφ是基波電壓和基波電流的相移因素，當(dāng)cosφl(shuí)t;0.75時(shí)，采樣式(6)計(jì)算總諧波含量較準(zhǔn)確。

3 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其功能進(jìn)行了測(cè)試(測(cè)試條件：IN=0.5A,Imax=12A,UN=380V，脈沖常數(shù)為6400imp)，并對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2所示。因?yàn)樵谲浖O(shè)計(jì)上采用了2FFT算法，需要進(jìn)行多次乘法和加法運(yùn)算，為了提高測(cè)量精度，在軟件上重點(diǎn)考慮了4項(xiàng)誤差：舍入誤差、計(jì)算順序誤差、小除數(shù)誤差及電路誤差，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差修正，試驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)處理正確，誤差在1級(jí)表允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

農(nóng)村配電網(wǎng)是農(nóng)網(wǎng)體系中一個(gè)核心環(huán)節(jié)，也是農(nóng)網(wǎng)智能化改造的重點(diǎn)，智能配電技術(shù)的研究目標(biāo)是采用經(jīng)濟(jì)、可靠、先進(jìn)的通信、控制終端等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)網(wǎng)的高效、可靠運(yùn)行。筆者介紹的智能在線檢測(cè)終端，已經(jīng)應(yīng)用于某公司的產(chǎn)品中，其性價(jià)比高，安裝方便，在將來(lái)的農(nóng)網(wǎng)智能化改造中將具有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 三相輸入電流測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 單相輸入電流測(cè)試數(shù)據(jù)(A相為例)

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[編輯] 洪云飛

TP399

A

1673-1409(2012)05-N157-04

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.052

2012-02-24

溫州市科技項(xiàng)目(G20100141)。

張小冰(1977-)，男，2001年大學(xué)畢業(yè)，講師，工程師，高級(jí)技師，現(xiàn)主要從事嵌入式系統(tǒng)、自動(dòng)化控制技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。