張建偉 韓路 楊昊 趙永輝

摘 要： 電網(wǎng)能耗監(jiān)控對節(jié)能減排意義重大，當前的電網(wǎng)缺少相應的模塊。提出一種基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調制的大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測模塊設計方法。設計大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負責大型電網(wǎng)能耗信息信號的采集、處理和與上位機系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)傳輸；設計窄帶匹配變壓器和功率放大器，通過窄帶匹配變壓和功率放大混合調制實現(xiàn)對電網(wǎng)功耗的數(shù)據(jù)濾波和信號檢測；基于DSP信號處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺下進行大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測的平臺集成編譯、接口連接、調試及仿真。實驗結果表明，該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對大型電網(wǎng)能耗的主動監(jiān)測和參量估計，在微控制器單元上實施數(shù)字控制，通過比較能耗監(jiān)測圖對應的幅頻值，該方法具有較好的能耗監(jiān)測階躍響應性能，頻譜失真較少，能耗監(jiān)測的收斂性和穩(wěn)定性較好。

關鍵詞： 大型電網(wǎng)； 能耗； 自動監(jiān)測； 系統(tǒng)設計

中圖分類號： TN98?34； TM762 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0150?03

Design and implementation of energy consumption automatic monitoring module

for large?scale power grid

ZHANG Jianwei1， HAN Lu2， YANG Hao1， ZHAO Yonghui1

（1. Electric Power Research Institute， Yunnan Power Grid， Kunming 650217， China；

2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： The energy consumption monitoring of power grid has great significance for energy conservation and emission reduction， but the current power grid lacks of the corresponding modules to deal with it. A design method of the large?scale power grid energy consumption automatic monitoring module based on hybrid modulation of narrow?band matching voltage transformation and power amplification is proposed. The energy consumption monitoring and data acquisition system for the large?scale power grid was designed， which is responsible for the acquisition and processing of the energy consumption information signal of large?scale power grid， and for communication and data transmission with upper computer system. The narrow?band matching voltage transformer and power amplifier were designed. The hybrid modulation of narrow?band matching voltage transformation and power amplification is used to realize data filtering and signal detection of the power grid consumption. The integration compiling， interface connection， debugging and simulation for the energy consumption monitoring platform of the large?scale power grid are conducted with DSP chip in CCS 2.20 development platform. The experimental results show that the system can effectively realize the active monitoring and parameter estimation of the energy consumption for large?scale power grid， and execute the digital control on the microcontroller unit. The comparison of the corresponding amplitude?frequency values in the energy consumption monitoring graph shows this method has good step response performance of the energy consumption monitoring， less frequency spectrum distortion， and excellent convergence and stability of energy consumption monitoring.

Keywords： large?scale power grid； energy consumption； automatic monitoring； system design

電網(wǎng)是保障國家和人民生產(chǎn)生活的重要基礎設施，需要保障大型電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠和安全運行。大型電網(wǎng)設備由變電、配電、用電各個單元組成，通過電力發(fā)電和電能傳輸，構成了大型電網(wǎng)輸電配電系統(tǒng)的整體功能。大型電網(wǎng)的能耗監(jiān)測是保障電能優(yōu)化調度和使用的重要環(huán)節(jié)。通過對大型電網(wǎng)的能耗監(jiān)測，把發(fā)電廠的發(fā)電量和電網(wǎng)中樞節(jié)點的負荷聯(lián)系起來，實現(xiàn)對電能的優(yōu)化利用與調度，因此，研究大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測模塊的設計具有重要意義[1]。

隨著半導體工藝和自動控制技術的不斷發(fā)展，采用集成芯片和嵌入式設計方法設計大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢?；诩蓴?shù)字信息處理芯片的系統(tǒng)設計具有損耗小、效益高、靈活方便和控制便利的優(yōu)點[2]，在大型電網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)設計中具有廣泛的應用。在傳統(tǒng)的大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測模塊和系統(tǒng)設計中，采用周期性信號檢測方法，結合FPGA邏輯控制敏感器件，通過對大型電網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)的集控制、通信和智能計算[3]，實現(xiàn)對大型電網(wǎng)能耗信息的快速感知和監(jiān)測。其中文獻[4]采用基于粒子濾波的大型電網(wǎng)能耗過程控制方法實現(xiàn)對能耗監(jiān)測，設計大型電網(wǎng)的能耗過程控制硬件系統(tǒng)，提取影響控制精度的熱噪聲干擾信號模型，提高大型電網(wǎng)的能耗監(jiān)測精度，但是該方法在能耗過程控制中需要對寫信號進行功率損耗測量，導致能耗數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)誤差，性能不好。文獻[5]采用本機振蕩調幅發(fā)射電路設計方法，結合Mux101多路開關選擇實現(xiàn)對大型電網(wǎng)能耗控制和預測，該系統(tǒng)必須給每個電網(wǎng)能耗穩(wěn)壓芯片加散熱塊來散熱，導致供電電壓互相干擾，出現(xiàn)熱噪聲，對大型電網(wǎng)能耗的自動監(jiān)測性能不好[6?9]。

1 系統(tǒng)設計總體構架和技術指標

大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測的總體設計框圖

大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以進行功能數(shù)據(jù)采集，能耗監(jiān)測、信號分析和頻譜分析等工作。它是一個寬帶系統(tǒng)，包括大型電網(wǎng)能耗信息收發(fā)轉換電路、能耗數(shù)據(jù)的模擬信號預處理機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率放大器等部分。

2 系統(tǒng)模塊設計與實現(xiàn)

2.1 大型電網(wǎng)耗能自動監(jiān)測的硬件模塊設計

因采用并口進行數(shù)據(jù)傳輸，在對系統(tǒng)進行監(jiān)測時，應對8位二進制數(shù)據(jù)進行操作。電網(wǎng)能耗監(jiān)測電路主要是對寫信號進行功率損耗測量處理，其構成主要有加法電路、計數(shù)電路、555多頻振蕩器和緩存電路等?；谏鲜鲈O計思路得到電網(wǎng)能耗監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路結構框圖如圖2所示。電網(wǎng)能耗監(jiān)測靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗存在差異性，具有進行D/A轉換處理功能。當前方法是給每個電網(wǎng)能耗穩(wěn)壓芯片加散熱塊散熱，導致供電電壓互相干擾，能耗監(jiān)測的窄帶匹配變壓和功率放大混合調制流程見圖3。

圖2 電網(wǎng)能耗監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路結構框圖

圖3 能耗監(jiān)測的窄帶匹配變壓和功率放大混合調制流程

窄帶匹配變壓和功率放大混合調制電路主要是對讀信號進行寬帶阻抗匹配處理，以便微處理器能夠識別讀到的信號，其主要由減法電路、計數(shù)電路、555多頻振蕩器電路和緩存電路等組成。在設計硬件時，使用低功耗技術，主要體現(xiàn)在元器件和芯片的選型和選擇上，采用STM32F101xx芯片設計功耗監(jiān)測的功率放大電路。在設計時，將STM32F101xx給予相應的晶振和調諧電路，且對端口進行分配，由于功率放大器系統(tǒng)的動態(tài)功耗與[ITC]，[CT]和[fp]相關，將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為并口輸入/輸出端，得到電網(wǎng)能耗監(jiān)測的功率放大模塊設計電路如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)能耗監(jiān)測的功率放大模塊設計電路

圖4中，電網(wǎng)能耗監(jiān)測的阻抗能等效成并聯(lián)回路，此時負載僅為G，電網(wǎng)輸出能耗[PL=V20?G]。負載功率[PL]的線性變化能使有用功率輸出達到最大，高頻端呈感性。在上述設計的數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)、窄帶匹配變壓器和功率放大器的基礎上，實現(xiàn)大型電網(wǎng)能耗信息信號的采集、處理和與上位機系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)傳輸。設計PCI接口，通過窄帶匹配變壓和功率放大混合調制實現(xiàn)對電網(wǎng)功耗的數(shù)據(jù)濾波和信號檢測，假設EPM7128

AETI100的供電電壓是3.3 V，在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀寫信號，用DDS（直接數(shù)字合成）技術芯片AD9850作為CPU數(shù)字處理中心，實現(xiàn)整個電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測模塊的硬件設計。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

基于DSP信號處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺下進行大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測的平臺集成編譯、接口連接和軟件設計。電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測的軟件模塊主要包括DSP中斷、電網(wǎng)能耗數(shù)字濾波、電網(wǎng)能耗信號檢測和自動增益控制、A/D、D/A轉換等，系統(tǒng)的DSP信號處理程序使用ASM語言編寫，在PC機上模擬DSP的指令集進行系統(tǒng)通信，基于上述硬件設計，得到大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測的編輯、編譯和鏈接過程如圖5所示。

圖5 大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測的編輯、編譯和鏈接過程

2.3 程序源碼的實現(xiàn)

部分程序實現(xiàn)如下：

module MultihopMySoftC {

uses {

interface SplitControl as RadioControl；

//用來啟動文本編輯器

interface StdControl as RoutingControl；

//是用來啟動匯編器

interface Send；

interface Receive as Snoop； //是用來啟動連接器

interface Receive； //是用來啟動程序調試器

interface CollectionPacket；

interface RootControl； //是用來啟動監(jiān)控程序

…… } }

3 仿真實驗

為了測試本文設計的大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測模塊的性能，進行仿真實驗和系統(tǒng)綜合調試與測試。通過程序加載和硬件系統(tǒng)調試，把電網(wǎng)能耗采集數(shù)據(jù)在IDT70V28中分成高、低2個32 kW空間，當?shù)?2 kW時A15為“0”，當高32 kW時A15為“1” ，系統(tǒng)供電采用3～3.6 V 單電源工作，采用兩個120 Ω終端匹配電阻作為主處理器的中斷電阻，選用MAX3491，數(shù)據(jù)存儲選用CF卡，電網(wǎng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的輸出壓電電壓[E=vl×B]。電網(wǎng)能耗優(yōu)化后效率為96%，輸出轉矩為10 N·m，電網(wǎng)能耗監(jiān)測控制模塊的宿主機安裝了Windows 7系統(tǒng)，模擬100個能耗監(jiān)測的請求任務，過程控制信號分為56幀，Slice寄存器的總數(shù)量為204，能耗控制的幀長[L=512]點，在上述仿真環(huán)境設計的基礎上，采用本文設計系統(tǒng)進行電網(wǎng)能耗監(jiān)測，得到監(jiān)測器控制面板上輸出的電網(wǎng)能耗調度和監(jiān)測輸出如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)能耗監(jiān)測輸出界面

由圖6可知，采用本文設計系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對大型電網(wǎng)能耗的主動監(jiān)測和參量估計，在微控制器單元上實施數(shù)字控制，通過比較能耗監(jiān)測圖對應的幅頻值，通過本文方法，基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調制，補償 [195：255]點和[1 745：1 805]點之間畸變的頻譜，提高能耗監(jiān)測的準確性。分析系統(tǒng)階躍響應，得到結果見圖7。采用本文方法具有較好的能耗監(jiān)測階躍響應性能，頻譜失真較少，能耗監(jiān)測的收斂性和穩(wěn)定性較好。

圖7 能耗監(jiān)測階躍響應性能分析

4 結 語

提出一種基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調制的大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測模塊設計方法。實現(xiàn)電網(wǎng)能耗信息信號的采集、處理和與上位機系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎上設計窄帶匹配變壓器和功率放大器，通過窄帶匹配變壓和功率放大混合調制實現(xiàn)對電網(wǎng)功耗的數(shù)據(jù)濾波和信號檢測?；贒SP信號處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺下進行大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測的平臺集成編譯、接口連接、調試及仿真。通過系統(tǒng)設計和仿真實驗表明，采用該方法進行大型電網(wǎng)能耗自動監(jiān)測，具有較好的性能，展示了較好的應用價值。

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