符藝超，吳海杰，王聯(lián)智，謝敏，周吉星

（南方電網(wǎng)海南數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，海南?？?570100）

大量應用的電子工業(yè)設備和電器，會惡化電網(wǎng)的電能質(zhì)量，一些高端的電子產(chǎn)品由于電能質(zhì)量不達標可能會無法使用，甚至會出現(xiàn)錯誤命令而產(chǎn)生嚴重的后果，其中電能量數(shù)據(jù)是電能質(zhì)量的最關(guān)鍵數(shù)據(jù)[1-2]，是評價電能質(zhì)量的標準數(shù)據(jù)，可作為電力應用的基礎，在采集電能量數(shù)據(jù)時，必須保證其準確性和完整性。目前各大電網(wǎng)公司設計了電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)，例如文獻[3]提出的基于GMDH 算法的電力供需量智能分析系統(tǒng)設計，電能量數(shù)據(jù)受到采集通道、外界電磁干擾、存儲設備等的影響，導致電能量數(shù)據(jù)部分丟失，電能計量和結(jié)算出現(xiàn)故障，降低了電能量數(shù)據(jù)的準確性，不能確保電能量數(shù)據(jù)的完整性和穩(wěn)定性，降低了電能量數(shù)據(jù)的評估性能，數(shù)據(jù)的一致性和連續(xù)性較差。

基于以上電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量評價系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，該文設計了基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)，采用改進RRT 算法簡化電能量數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和評估流程，優(yōu)化電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量評估效果，平衡母線電能量并提高電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量評估系統(tǒng)的評估能力，提升評估系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)硬件設計

電能量質(zhì)量整體評價系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電能量質(zhì)量整體評價系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 采集器設計

選用SD 公司生產(chǎn)的ST8735 芯片，該采集器芯片具有較高的采樣能力，可同時采集8 通道數(shù)據(jù)，采集器的最高采樣速率為460 kbps，總采樣速度最高達1 492 kbps，采樣轉(zhuǎn)換精度為8 bit，對電能量數(shù)據(jù)可進行大容量采集[4]。在采集器的信號調(diào)理和濾波電路設計中，通過電壓傳感器將采樣信號調(diào)節(jié)到標準范圍內(nèi)，為了確保采樣信號不出現(xiàn)串擾，需要對處理過的采樣信號進行濾波調(diào)理，在基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評估系統(tǒng)中，每種周波采樣為128 點，采樣頻率控制在10.6～14.8 ksps，為了提高采集的電能量數(shù)據(jù)的準確度，需要測出評估系統(tǒng)中有用的25 次諧波，采集器電路圖如圖2 所示。

圖2 采集器電路圖

采集器可得到1～8 V 的電壓信號，圖1 中的二極管主要用來保護電源電壓，可防止串擾[5-7]。

1.2 微處理器設計

該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評估系統(tǒng)的采樣率最高可達4 Gsps，所以微處理器需要具備較高的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)多通道控制、電能量數(shù)據(jù)控制，基于以上條件，該文選擇三星公司推出的最新一代處理器，該微處理器的芯片是一款高性能處理芯片，具有雙核結(jié)構(gòu)，其內(nèi)核頻率最高可達450 MHz，可利用芯片的內(nèi)核計算大量的電能量數(shù)據(jù)[8-9]。微處理器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 微處理器結(jié)構(gòu)

該微處理器的內(nèi)部具有豐富的存儲器資源，設有數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)，可以完成數(shù)據(jù)的輸入、處理和控制，為電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量評估系統(tǒng)提供快速的電能量數(shù)據(jù)共享。該微處理器還設有256 kB 的片上RAM和很多的外設，具有6 個UART 接口、4 個SPI 接口和6 個USB 接口，除此之外，外部還設置了2 個32 位通用定時器，較多的接口可方便數(shù)據(jù)的傳輸，微處理器的電壓為1.8 V，各種外部接口的接口電壓為1.2 V，在睡眠模式下功耗為2 mW，在正常工作時功耗為500 mW，能夠?qū)崟r處理由采集器采集的電能量數(shù)據(jù)，具有較強的電能量數(shù)據(jù)處理能力和控制能力[10-12]。

1.3 存儲器設計

存儲器芯片選用TI 公司生產(chǎn)的TIY73465 芯片，可集成大容量的數(shù)據(jù)，能夠存儲電能量數(shù)據(jù)，且提供了雙總線配置，能夠高效完成雙機通信功能，在存儲器內(nèi)部設有仲裁邏輯，通過該仲裁邏輯存儲器可以隨時讀寫任意雙端口地址，存儲器電路圖如圖4所示。

圖4 存儲器電路圖

在存儲器內(nèi)部設有地址譯碼電路和數(shù)據(jù)控制電路，與存儲器的CPU 連接。將存儲器中存儲的兩組電能量數(shù)據(jù)、電能量數(shù)據(jù)地址與片選總線與存儲器的PC 相連，PC 總線與CPU 總線連接后，不需要其他電源電路。存儲信號采用OC 門傳輸，不與采集器的采樣信號相連，可通過內(nèi)存單元接入低電平，存儲信號可作為存儲器CPU 的中斷信號。使用該存儲器，外圍電路較簡單，功耗低，能夠存儲大量的數(shù)據(jù)[13-14]。

1.4 評價器設計

該文設計的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評估系統(tǒng)的評價器核心是微處理器，其中，晶振的最高頻率為18.325 MHz，可以在CPU 中進行分頻處理，晶振的最低頻率為12.346 kHz，該評價器可以在200 MHz的頻率下工作，功耗低且使用簡單，具有45 個中斷源和120 個I/O 端口。存儲器的電源電路可以為評價器的各個硬件提供工作電壓，電源電路的電壓控制在1.3～3.3 V，電路的最大功放功率為1.2 W。由于評價器設置了微處理器和存儲器，所以電源電路采用兩種供電方式，一種是通過1 個8 V 直流電源向微處理器供電，一種是通過1 個4 V 交流電源向存儲器供電。也可以采用網(wǎng)絡供電方式，這種供電方式是通過互聯(lián)網(wǎng)將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，評價器的外設存儲器可輔助評估系統(tǒng)的存儲器對電能量部分數(shù)據(jù)進行存儲，主要負責一部分遺漏電能量數(shù)據(jù)的存儲。

2 系統(tǒng)軟件設計

改進RRT 算法是一種基于隨機采樣的步進式算法，可以高效解決高維空間和復雜約束下的路徑規(guī)劃問題，規(guī)劃效率高，具有較大的隨機性，能夠優(yōu)化高維空間下的規(guī)劃路徑。

該文設計的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)，采用了改進RRT 算法，可利用RRT 算法的隨機性特點針對不同時段的電能量數(shù)據(jù)分析用電量情況，采用RRT 算法優(yōu)化電能量數(shù)據(jù)的變化路徑，并按照評估系統(tǒng)采集電能量數(shù)據(jù)的周期計算電能量數(shù)據(jù)丟失的個數(shù)，根據(jù)電能量數(shù)據(jù)丟失個數(shù)確定評價范圍[15-16]。

該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)軟件工作流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程

首先，對電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量中的背景諧波進行評價，背景諧波是由電能量數(shù)據(jù)采樣點分離電壓電流數(shù)據(jù)而形成，由背景諧波計算電能量數(shù)據(jù)的相角和權(quán)值，設相角為Xnr，電能量數(shù)據(jù)特征量為Xr，r=1,2,3，采用改進的RRT 算法計算背景諧波幅值p，背景諧波權(quán)值如下所示：

擴展分析背景諧波的查詢和展示功能，繪制各次諧波電流含量、用戶諧波電壓含量的評價柱狀圖。

然后，分析電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量中的暫降現(xiàn)象。判斷單次暫降電能量數(shù)據(jù)的特征量，結(jié)合式（1）計算暫降發(fā)生的頻率值Xnw，如式（2）所示：

式中，p1、p2分別為單次電流暫降的兩次幅值，X1為暫降持續(xù)的時間，統(tǒng)計統(tǒng)一區(qū)域發(fā)生暫降事件的次數(shù)，把120 s 內(nèi)發(fā)生暫降事件的時間和地點記錄下來，評估其發(fā)生暫降事件的原因，將暫降特征量與電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量有機結(jié)合，并進行綜合評價。

最后，對電能量數(shù)據(jù)的電壓偏差值、相位偏差值、三相電流平衡度作出綜合評價。設諧波電壓總畸變率為θ，電能質(zhì)量頻率偏差為i，采用改進RRT算法對穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)指標進行路徑規(guī)劃并計算權(quán)值，結(jié)合式（1）和式（2）得到電能質(zhì)量權(quán)值A的變換矩陣：

根據(jù)路徑規(guī)劃概率值確定標準化處理范圍，對經(jīng)過處理后的電能量指標數(shù)據(jù)進行綜合評價，評價等級分為3 級，如果電能量指標數(shù)據(jù)中的任意一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，根據(jù)偏差程度歸為差質(zhì)或劣質(zhì)，如果在評價過程中發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)都未出現(xiàn)偏差，則根據(jù)電能量數(shù)據(jù)與標準值的相差程度將電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量劃分為優(yōu)良或中質(zhì)。

基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)除了對不同區(qū)域做出綜合評價，還提供了不同區(qū)域內(nèi)不同電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低評價。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，選用該文評價系統(tǒng)與傳統(tǒng)評價系統(tǒng)（文獻[3]方法）進行實驗驗證，統(tǒng)計系統(tǒng)中的異常電能量數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)中記錄的用電量與電能量數(shù)據(jù)偏差值做統(tǒng)計分析，根據(jù)背景諧波幅值p和頻率值L，得出電能量數(shù)據(jù)k為0.583，對評價過程中發(fā)現(xiàn)的問題電能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，確定問題電能數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)的偏差程度，查找影響電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因，評價準確度實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖6 評價結(jié)果準確率實驗結(jié)果

由圖6 可知，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下的準確率在40%以下，該文控制系統(tǒng)下的準確率在80%以上，保證了整體評價結(jié)果的準確性。評價耗時實驗結(jié)果如表1所示。

表1 評價耗時實驗結(jié)果

表1 中，傳統(tǒng)電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量評價系統(tǒng)沒有對不同監(jiān)測站點的電能數(shù)據(jù)進行采集與匯總，且極易受到外界電磁與多通道的干擾，導致電能量數(shù)據(jù)的準確性降低，不能確保電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)一致性與連續(xù)性較差。而該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)，由于增設了不同的硬件設施，保證了電能量數(shù)據(jù)的及時采集、處理和存儲，提高了電能量數(shù)據(jù)的完整性和準確性，使電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了保證。

4 結(jié)束語

該文基于傳統(tǒng)電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量評價系統(tǒng)出現(xiàn)的穩(wěn)定性和有效性問題，采用改進RRT 算法，設計了電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)，從不同方面對區(qū)域電網(wǎng)的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評價，設計了采集器、微處理器、存儲器和評價器，為電能量質(zhì)量評價系統(tǒng)提供了有力的硬件支持，確保了電能量數(shù)據(jù)的準確采集和存儲，并全面闡述了改進RRT 算法的工作原理以及在評價系統(tǒng)中的應用。通過實驗對比，證明了該文設計的基于改進RRT 算法的電能量數(shù)據(jù)質(zhì)量整體評價系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。