胥玉萍，肖繼學(xué)，李海軍，廖　旋，曾　強(qiáng)，王　澤，龔建全

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都航天通信設(shè)備有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；3.四川省工業(yè)設(shè)備安裝公司，四川　成都 610031）

電力電纜電力傳送實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胥玉萍1，肖繼學(xué)1，李海軍2，廖旋3，曾強(qiáng)1，王澤1，龔建全1

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都航天通信設(shè)備有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；3.四川省工業(yè)設(shè)備安裝公司，四川成都 610031）

為研究高效安全傳送綠色電力的方法，設(shè)計(jì)電力傳送實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以S3C2440A微處理器為核心構(gòu)建嵌入式測(cè)試電路，該電路通過(guò)MIK-DZU-400V電壓變送器、HD-T101-300A電流變送器、MIK-ST500溫度變送器等集成模塊實(shí)現(xiàn)電力電壓、電流及電纜溫度的感知與調(diào)理?；贚inux操作系統(tǒng)，在Qtopia2.2.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)嵌入式測(cè)試軟件，該測(cè)試軟件主要包括電力電壓、電流及電纜溫度信號(hào)的采集與保存模塊，電力電纜熱特征參數(shù)分析模塊、通信模塊、電力電纜壽命疲勞分析模塊接口、電纜動(dòng)態(tài)增容傳輸分析功能接口、電力傳送控制模塊接口。在上位機(jī)PC中利用Visual C++6.0 MFC模塊開(kāi)發(fā)上位機(jī)分析處理軟件。實(shí)驗(yàn)表明：測(cè)試系統(tǒng)能夠感知電纜溫度、電力電壓和電流，能夠基于電纜熱路模型分析電力電纜熱特征參數(shù)，能夠通過(guò)接口開(kāi)放地添加電力電纜壽命、疲勞分析、電力傳送動(dòng)態(tài)控制等新方法。

綠色電力；電力傳送；測(cè)試系統(tǒng)；開(kāi)放平臺(tái)；熱特征參數(shù)

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電能的需求不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)2009～2014年，全球電力消費(fèi)從20131.7TWh增加到23536.5TWh，增長(zhǎng)了17%［1］，但60%以上的電能是通過(guò)燃燒化石燃料得到的，這加劇了能源危機(jī)和環(huán)境污染。為此，人們開(kāi)始了綠色能源的開(kāi)發(fā)利用研究。目前，通常采用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)增容等電力傳送方法來(lái)提高綠色能源的利用率。這些方法一般遵循靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)［2-4］，即電纜持續(xù)不斷地安全傳送的電力，其電流不大于某極限電流［5］。而綠色能源的強(qiáng)隨機(jī)性和陣發(fā)性特點(diǎn)決定了利用靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)傳送綠色能源所產(chǎn)生的電能會(huì)有大量的浪費(fèi)，在綠色能源非常豐富的時(shí)節(jié)，該問(wèn)題尤為突出［6］。因此，人們采用動(dòng)態(tài)控制方式來(lái)傳送綠色電力。該動(dòng)態(tài)控制方式的基本原則為電纜線芯溫度不超過(guò)其極限溫度，以確保電纜安全地傳送電力［7］。

現(xiàn)有的電力傳送實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)一般基于PC機(jī)，提供電纜溫度、電力電流與電壓等信息。本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)不僅有這些功能，還能分析電纜熱模型及其特征參數(shù)，開(kāi)放式添加電纜壽命、疲勞分析以及電力傳送動(dòng)態(tài)控制等方法，為綠色電力的動(dòng)態(tài)控制方式研究提供良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力電纜電力傳送實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中，采集模塊用于實(shí)現(xiàn)電纜溫度、電力電流和電壓的感知與調(diào)理；嵌入式系統(tǒng)能夠根據(jù)采集信號(hào)分析電力電纜的熱特征參數(shù)，同時(shí)為電纜疲勞壽命分析、電力傳送動(dòng)態(tài)控制留下軟硬件接口；上位機(jī)PC用于數(shù)據(jù)的分析和處理，同時(shí)能夠通過(guò)其Matlab接口模塊調(diào)用Matlab的分析模塊與圖形顯示模塊加快新方法的研究進(jìn)度、改善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的人機(jī)界面。即該測(cè)試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集，熱特征參數(shù)分析，壽命分析、疲勞分析、電力傳送動(dòng)態(tài)控制軟硬件接口等功能。

2　電路設(shè)計(jì)

綜合考慮項(xiàng)目組近遠(yuǎn)期研究目標(biāo)、系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性，本文測(cè)試系統(tǒng)的電路采用核心板和擴(kuò)展板的積木式設(shè)計(jì)方法。核心板設(shè)計(jì)為S3C2440A處理器最小系統(tǒng)，包含電源電路、時(shí)鐘源、復(fù)位電路、存儲(chǔ)電路、用戶(hù)LED電路、JTAG電路等。擴(kuò)展板包含采集模塊、按鍵模塊、顯示模塊、串口模塊、USB接口模塊、電力傳送控制接口模塊等，可以為功能的擴(kuò)充提供硬件資源。

圖1　電力傳送實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集模塊選用3個(gè)MIK-DZU-400V電壓變送器、3個(gè)HD-T101-300A電流變送器、24個(gè)MIK-ST500溫度變送器采集數(shù)據(jù)，利用模擬開(kāi)關(guān)CD4051分時(shí)共用S3C2440A內(nèi)部的ADC，為便于軟件控制，將所有溫度通道選擇至AIN0，電壓和電流通道選擇至AIN2，利用運(yùn)算放大器LM324等實(shí)現(xiàn)了電纜溫度、電力電流及電壓信號(hào)的調(diào)理。

按鍵模塊設(shè)計(jì)6個(gè)測(cè)試用可編程按鍵，直接由CPU 的I/O口控制，按鍵按下時(shí)為低電平；顯示模塊采用3.5寸TFT式顯示屏TD35；串口模塊選用S3C2440A 的UART0，通過(guò)MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與系統(tǒng)之間的串口通訊；USB接口模塊設(shè)計(jì)USB Host和USB Slave兩種接口，USB Host接常見(jiàn)的USB外設(shè)，USB Slave用于下載相關(guān)的應(yīng)用程序；電力傳送控制接口模塊選用DAC0832芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，預(yù)留出控制接口。綜上，擴(kuò)展板所用S3C2440A處理器的主要引腳資源如表1所示。

表1　電路模塊的引腳分配

電路模塊　所用引腳采集模塊　EINT［7：0］、EINT9、EINT［18：16］、GPJ［5：0］、AIN0、AIN2顯示模塊　VD［23：0］、GPC［4：1］、TSXM、TSXP、TSYM、TSYP按鍵模塊　EINT8、EINT11、EINT［15：13］、EINT19串口模塊　TXD0、RXD0、nCTS0、nRTS0 USB接口模塊　DN0、DN1、DP0、DP1、GPC5控制接口　GPA［8：0］

3　軟件設(shè)計(jì)

為有效管理和控制系統(tǒng)的軟硬件資源，減少開(kāi)發(fā)功能模塊的開(kāi)銷(xiāo)，本文選用Linux操作系統(tǒng)作為嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)軟件［8］。該操作系統(tǒng)所需存儲(chǔ)空間小，且源代碼開(kāi)放，方便開(kāi)發(fā)者二次開(kāi)發(fā)。同時(shí)為便于嵌入式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，宿主機(jī)采用Windows 7系統(tǒng)、VMware虛擬機(jī)和ReadHat 9.0系統(tǒng)3者組合方式搭建Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Qt Designer 2.0圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)嵌入式應(yīng)用程序，采用armlinux-gcc-4.3.2工具進(jìn)行交叉編譯。與之對(duì)應(yīng)的目標(biāo)板選擇Linux2.6.32內(nèi)核和qtopia2.2.0，搭建其開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3.1嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、熱特征參數(shù)分析、串口通信、功能分析和控制接口等。

對(duì)電纜各層溫度、電力電流及電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，其程序流程如圖2所示。啟動(dòng)采集系統(tǒng)用于打開(kāi)定時(shí)器和設(shè)定采樣頻率；AD通道的選擇則通過(guò)控制多路開(kāi)關(guān)的使能端實(shí)現(xiàn)；通道選擇后，程序立即讀取AD寄存器數(shù)據(jù)并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以文檔形式保存。

圖2　數(shù)據(jù)采集程序流程

電纜熱特征參數(shù)分析有多種方法［9-10］，本文基于電纜熱模型利用最小二乘法和遞推回歸法計(jì)算熱特征參數(shù)，設(shè)計(jì)程序模塊實(shí)現(xiàn)以上兩種分析方法，其程序流程如圖3所示。

圖3　熱特征參數(shù)分析程序流程

嵌入式Linux將串口設(shè)備作為通用字符設(shè)備，給串口通訊提供了大量的函數(shù)接口，對(duì)串口的操作就是使用標(biāo)準(zhǔn)的文件操作函數(shù)。利用串行端口實(shí)現(xiàn)通信的程序流程如圖4所示?？紤]平臺(tái)今后的應(yīng)用需求，串口通訊信息格式如表2所示。

圖4　串口通訊程序流程

表2　數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式

其中，通信頭取值為0×68，結(jié)束碼取值為0×16，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為數(shù)據(jù)域中的字節(jié)數(shù)，校驗(yàn)碼計(jì)算方式為將校驗(yàn)碼之前的數(shù)據(jù)二進(jìn)制累加。功能號(hào)可分為數(shù)據(jù)請(qǐng)求控制字、數(shù)據(jù)上傳控制字和輔助功能控制字3類(lèi)。功能號(hào)分配如表3所示。

表3　 通信協(xié)議功能號(hào)分配

3.2上位機(jī)PC設(shè)計(jì)

利用Visual C++6.0 MFC模塊開(kāi)發(fā)上位機(jī)分析處理軟件，上位機(jī)PC設(shè)計(jì)主要包括熱特征參數(shù)分析、串口通信、功能分析和控制接口、Matlab接口等。其中熱特征參數(shù)分析、串口通信、功能分析和控制接口的程序設(shè)計(jì)流程與嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)流程類(lèi)似，不再重述。Matlab接口設(shè)計(jì)采用引擎加載方式調(diào)用Matlab工具［11］。

圖5　數(shù)據(jù)采集結(jié)果

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的功能進(jìn)行綜合驗(yàn)證，主要包括數(shù)據(jù)采集測(cè)試、熱特征參數(shù)提取功能驗(yàn)證、輸出通訊傳輸測(cè)試。

4.1數(shù)據(jù)采集測(cè)試

利用一個(gè)電壓傳感器、一個(gè)電流傳感器和兩路溫度傳感器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通道的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中將電壓傳感器和電流傳感器接到室內(nèi)家用電器電纜上，溫度傳感器一路擱置在室溫下，另一路放置于溫水中。運(yùn)行嵌入式應(yīng)用程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，打開(kāi)保存的數(shù)據(jù)文本，其結(jié)果如圖5所示。由于其他傳感器通道處于懸空狀態(tài)，因此采集結(jié)果為0。按以上步驟測(cè)試其他通道，檢查數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是否符合要求，結(jié)果表明所有數(shù)據(jù)采集通道均能正常傳輸。

4.2電纜熱特征參數(shù)分析實(shí)驗(yàn)

根據(jù)電纜的熱路模型和熱流場(chǎng)富氏定律建立電纜熱特征參數(shù)的方程，編寫(xiě)熱特征參數(shù)分析算法［10-11］。利用項(xiàng)目組之前通過(guò)Pico溫度采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，分別在嵌入式應(yīng)用程序和上位機(jī)PC上執(zhí)行熱特征參數(shù)分析實(shí)驗(yàn)。采用LMS法分析電纜熱特征參數(shù)［11］，嵌入式應(yīng)用程序的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

上位機(jī)PC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中電纜溫度曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位s；縱坐標(biāo)為電纜線芯溫度，單位℃。

圖6　嵌入式應(yīng)用程序熱特征參數(shù)分析結(jié)果

圖7　 上位機(jī)PC熱特征參數(shù)分析結(jié)果

圖8　數(shù)據(jù)通信串口設(shè)置

為進(jìn)一步分析所計(jì)算的熱特征參數(shù)的準(zhǔn)確度，在上位機(jī)PC上點(diǎn)擊“調(diào)用Matlab分析”按鈕，調(diào)用項(xiàng)目組編寫(xiě)的反演程序，通過(guò)Matlab圖表反映通過(guò)該熱特征參數(shù)計(jì)算的電纜各層溫度與實(shí)際溫度的誤差，同時(shí)利用Matlab計(jì)算出電纜線芯、內(nèi)襯層、外襯層溫度平均誤差分別為0.15，0.12，0.03℃，即通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能正確分析電力電纜熱特征參數(shù)。

4.3輸出通信傳輸測(cè)試

嵌入式應(yīng)用程序可將采集的數(shù)據(jù)保存在設(shè)定的文件目錄中或發(fā)送給上位機(jī)PC，同時(shí)上位機(jī)PC也可以主動(dòng)接收嵌入式系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)。嵌入式應(yīng)用程序?qū)Υ谠O(shè)置如圖8所示。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)電力系統(tǒng)對(duì)高效安全傳輸電力的需要，設(shè)計(jì)了電力傳送實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)獲知電纜溫度、電力電流與電壓，分析電纜熱特征參數(shù)，開(kāi)放式添加電纜壽命、疲勞分析以及電力傳送動(dòng)態(tài)控制等方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺(tái)的可行性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，從而為新能源電力的經(jīng)濟(jì)、高效、安全傳送研究提供良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

［1］英國(guó)石油公司 （British Petroleum，BP），Statistical Review of World Energy 2015［EB/OL］.http：//www.bp.com/en/ global/corporate/energy-economics/statistical-review-ofworld-energy.html.

［2］Calculation of the current rating of electric cables，part 1：current rating equations（100%load factor）and calculation of losses，section 1：general：IEC 60287-1-1：1994［S］.1994.

［3］ Calculation of the current rating of electric cables part 1：current rating equations（100%load factor）and calculation of losses，section 2：sheath eddy current loss factor for two circuits in flat formation：IEC 60287-1-2：1993［S］.1993.

［4］Calculation of the current rating of electric cables，part 2：thermal resistance，section 1：calculation of thermal resistance：IEC 60287-2-1：1994［S］.1994.

［5］梁永春.高壓電力電纜載流量數(shù)值計(jì)算［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

［6］張雪莉，劉其輝，馬會(huì)萌，等.光伏電站輸出功率影響因素分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（5）：75-81.

［7］馬國(guó)棟.電線電纜載流量［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003：41-175.

［8］何劍鋒，羅敏，何月順，等.一種基于ARM-Linux的Web遠(yuǎn)程放射源實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.中國(guó)測(cè)試，2014，40（5）：100-103.

［9］肖繼學(xué)，龔建全，董圣友，等.電纜熱路模型特征參數(shù)計(jì)算方法綜述［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（5）：39-42.

［10］董圣友.電力電纜熱模型特征參數(shù)基于LMS的實(shí)驗(yàn)分析方法研究［D］.成都：西華大學(xué)，2015.

［11］李海軍，肖繼學(xué)，程志，等.交流電力智能傳感器粗信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接口設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試，2014，40（5）：111-114.

（編輯：劉楊）

Design of testing system for electricity transmission experimental platform

XU Yuping1，XIAO Jixue1，LI Haijun2，LIAO Xuan3，ZENG Qiang1，WANG Ze1，GONG Jianquan1
（1.School of Mechanical Engineering，Xihua University，Chengdu 610039 China；2.Chengdu Aerospace Communication Device Company Limited，Chengdu 610051 China；3.Sichuan Provincial Industrial Equipment Installation Co.，Chengdu 610031，China）

In order to explore methods to transmit the green electricity efficiently and securely，a testing system on the experimental platform for electricity transmission through cable was designed. ThemicroprocessorS3C2440Awasusedtodesignthemeasurementcircuit，inwhichthe integrated module MIK-DZU-400V，HD-T101-300A and MIK-ST500 were adopted to sense the voltage and current of the electric power which is being transmitted，and the temperature of cable，through which the power is being carried，respectively，and the signals are conditioned. BasedontheoperationsystemLinux，theembeddedtestingsoftwarewasdesignedinthe integrated developmentenvironmentQtopia2.20.It runsinthemicroprocessor S3C2440Aand mainly includes signal acquisition and storage module which can sample and save the signals of the voltage，current and temperature，and communication module，cable thermal characteristic parameters analysis module，and the interfaces of cable fatigue and life span analysis module，Dynamic Capability Increasing analysis module and electric power transmission control module.In PC，host analysis software was designed in the integrated development environment Visual C++6.0. Experiment shows the testing system can sample and save the signals of electric power voltage，current and cable temperature，and analyze cable characteristic parameters of cable thermal model. With the interfaces，new methods can be embedded to analyze cable fatigue and life span and dynamically control electric power transmission.

greenelectricity；electricitytransmission；testingsystem；openplatform；thermal characteristic parameters

A

1674-5124（2016）08-0088-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.018

2016-03-10；

2016-04-09

教育部科技重點(diǎn)資助項(xiàng)目（Z2012015）

四川省教育廳科技重點(diǎn)資助項(xiàng)目（13ZA0025）

四川省人力資源和社會(huì)保障廳重點(diǎn)項(xiàng)目（川財(cái)教［2013］203號(hào)）

胥玉萍（1990-），女，四川南充市人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。