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        低壓配電網(wǎng)三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的設計與調(diào)試運行

        2023-10-18 12:43:32孟慶宇
        科學技術創(chuàng)新 2023年24期
        關鍵詞:數(shù)據(jù)處理信號設計

        孟慶宇

        (吉林省金冠電氣股份有限公司,吉林 長春)

        三相電壓不平衡與電網(wǎng)諧波、電壓閃變等是造成電能質(zhì)量下降的常見因素。為了提高供電質(zhì)量,電力公司必須要密切監(jiān)測配電網(wǎng)中的三相不平衡度。在智慧電網(wǎng)廣泛普及的背景下,設計和應用一種適用于低壓配電網(wǎng),并且能夠滿足動態(tài)監(jiān)測、結(jié)果準確等要求的三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng),對提高電能質(zhì)量、降低負載過載等方面有良好效果。

        1 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

        1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

        本文設計的三相不平衡檢測系統(tǒng)硬件部分主要包括信號調(diào)理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及無線通信模塊4 部分。三相電壓信號(U)經(jīng)過限流電阻后轉(zhuǎn)化成電流信號,然后經(jīng)過電壓互感器(PT)及其輔助電路的處理,使電流信號重新變?yōu)榉递^小的電壓信號。對該電壓信號進行抗混疊濾波處理以及交直流轉(zhuǎn)換處理后,得到能夠被數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADS8364)識別電壓信號。三相電流信號(I)經(jīng)過第一級電流互感器(CT)后轉(zhuǎn)化為幅值較小的電流,再通過第二級CT 及其輔助電路,以及抗混疊濾波電路等處理后,成為能夠被ADS8364 識別的電壓信號。ADS8364 將采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后,把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊(TMS320F2812),完成數(shù)據(jù)計算、分析后得出三相不平衡度。利用無線通信模塊(EM310)將三相不平衡度發(fā)送給數(shù)據(jù)中心,從而實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)三相不平衡度情況的實時監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成如圖1 所示。

        圖1 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

        1.2 信號調(diào)理模塊的設計

        考慮到低壓配電網(wǎng)中的電壓、電流信號無法直接輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中,因此在本系統(tǒng)中設計了信號條例模塊,該模塊的核心元件是電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)。這里以SPT204A 型電壓互感器為例,概述信號調(diào)理模塊的設計思路。SPT204A 的電氣參數(shù)見表1。

        表1 SPT204A 的電氣參數(shù)

        電壓信號從JP4 接口分兩路傳入,其中一路直接連接SPT204A 的1 號串口,另一路在串聯(lián)1 個限流電阻后連接SPT204A 的3 號串口,其目的是保證電壓互感器的輸入信號為額定電流。在SPT204A 的副邊側(cè)設計一個運算放大電路,將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。通過改變限流電阻的組織,可以調(diào)節(jié)輸出電壓信號的峰值,確保經(jīng)過調(diào)理后的電壓信號能夠被數(shù)模轉(zhuǎn)換器正常識別[1]。本文選用的SPT204A 電壓互感器具有精度高、密封性好等特點,可以滿足多種場合的信號調(diào)理要求。

        抗混疊濾波電路和交直流轉(zhuǎn)換電路也是信號調(diào)理模塊的重要組成部分,前者可用于抑制、消除電網(wǎng)中的高次諧波,設計二階低通抗混疊濾波電路實現(xiàn)該功能;后者則是將幅值較小的交流電壓信號轉(zhuǎn)換成單極性直流信號,以便于ADS8364 能夠準確識別。

        1.3 數(shù)據(jù)處理模塊的設計

        數(shù)據(jù)處理模塊的核心設備是DSP 處理器,可以對ADS8364 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行計算與分析。鑒于前端采集到的數(shù)據(jù)量較大,要求DSP 處理器具有極快的運算速度,本文選用TI 公司研發(fā)的TMS320F2812 定點型DSP,每秒運算次數(shù)可達8000 萬次。該處理器CPU 主頻為180 MHz,時鐘周期8.2 ns,內(nèi)置16 位256KB 的Flash 以及16 位32KB 的RAM,擁有12 個通信接口,可滿足串行通信、局域網(wǎng)通信、外部存儲等數(shù)據(jù)傳輸需要。DSP 處理器的工作電壓為3.3 V,而三相不平衡監(jiān)測裝置中其他電子元件(如ADS8364 等)的工作電壓為5 V,為了防止DSP 處理器發(fā)生過壓損壞情況,本文在數(shù)據(jù)處理模塊中設計了穩(wěn)壓電路,該電路的核心零件是LM1085 穩(wěn)壓芯片,可以將輸入的5.0 V 電壓降低為3.3 V 電壓,穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        圖2 3.3 V 穩(wěn)壓電路

        DSP 處理器的常用復位方式有2 種,即軟件復位、硬件復位。本文選擇了可靠性更高的硬件復位。裝置上電后,判斷電容兩端是否為“高電平”,如果判斷為“是”,則裝置上電并完成自動復位;如果裝置出現(xiàn)死機情況無法完成自動復位,可采用手動按鍵復位[2]。

        1.4 無線通信模塊的設計

        三相不平衡監(jiān)測裝置在運行時,前端數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)模轉(zhuǎn)換設備、數(shù)據(jù)處理設備之間頻繁進行通信,通信狀況的好壞是決定該裝置性能的一個關鍵因素。鑒于低壓配電網(wǎng)中監(jiān)測點的分布零散,有線通信會導致成本的增加,因此本文在設計通信模塊時選擇了通信速度不低于20 KB/s 的GPRS 無線通信。在硬件方面,選用了華為公司研發(fā)的EM310 作為通信裝置,其優(yōu)點是內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧,無需另外編寫TCP/IP 協(xié)議;可以利用485 接口直接與MCU 等進行通信,降低了開發(fā)難度。GPRS 的通訊原理如圖3 所示。

        圖3 GPRS 通訊原理

        基于EM310 的GPRS 組網(wǎng)方案有多種,例如以固定IP 方式入網(wǎng)、以動態(tài)IP+DNS 方式入網(wǎng),以及以APN 專線方式入網(wǎng)等。本文基于通信可靠性、經(jīng)濟性價比等方面考慮,選擇了以固定公網(wǎng)IP 的方式將本地服務器接入Internet,實現(xiàn)監(jiān)測裝置與服務器之間的無線通信。

        2 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計

        2.1 無線通信模塊的驅(qū)動程序設計

        該程序可實現(xiàn)兩項功能:其一是初始化EM310,并在本地服務器與EM310 之間建立通信;其二是檢測到服務器斷開鏈接,或者是數(shù)據(jù)未成功發(fā)送時,使設備復位,并嘗試在設備與服務器之間再次建立通信。直到通信建立,自動結(jié)束本次程序[3]。這里以DSP處理器與EM310 之間的通信為例,驅(qū)動該程序設計如下:

        開放DSP 內(nèi)置SCI 串行通信接口,利用該接口讓DSP 處理器與EM310 建立連接。配置SCI,將波特率設置為9600,中斷級別設置為5,使能FIFO 接收中斷。SCI 配置完畢后,復位EM310 并取消回顯,將數(shù)據(jù)模式設置為“不進行壓縮轉(zhuǎn)換”。成功激活PDP 后,使TCP/IP 協(xié)議棧初始化,完成與目標IP 的鏈接,等待接收數(shù)據(jù)。當接收到數(shù)據(jù)后,首先識別數(shù)據(jù)類型,如果為整型則將其轉(zhuǎn)換成字符型。例如接收數(shù)據(jù)為“1234”,則轉(zhuǎn)換為“0x31,0x32,0x33,0x34”。然后發(fā)送至本地服務器,在服務器上動態(tài)執(zhí)行一個判斷語句“是否發(fā)送成功”,默認刷新時間為10 ms。如果判斷結(jié)果為“是”,則結(jié)束本次通信,并繼續(xù)等待接收新的數(shù)據(jù);如果判斷結(jié)果為“否”,則重新復位EM310。

        2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的驅(qū)動程序設計

        本文設計的數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序如圖4 所示。

        圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換流程

        利用DSP 處理器內(nèi)置的GPIO 口向ADS8364 發(fā)送一個復位信號;在接收該信號后,事件管理器(EVA)為ADS8364 提供時鐘脈沖,利用CPU 定時器終端為ADS8364 提供采樣脈沖。將前端采集的模擬信號成功轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后,將EOC 引腳的狀態(tài)從“高電平”轉(zhuǎn)換為“低電平”,同時觸發(fā)DSP 處理器的外部中斷(由0 變?yōu)?),并運行中斷處理子程序,正常讀取數(shù)字信號。每當采樣數(shù)據(jù)達到一周波后,DSP 處理器會暫時中止對外輸出采樣脈沖[4]。同時ADS8364 的數(shù)模轉(zhuǎn)換也會暫停,此時進入到數(shù)據(jù)處理程序,由DSP處理器對數(shù)據(jù)進行計算分析。

        2.3 數(shù)據(jù)處理程序設計

        數(shù)據(jù)處理程序的主要任務是在讀取一周波轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)還原成實際大小,然后使用快速傅里葉變換(FFT)對該周波數(shù)據(jù)進行計算,得到三相幅值相角。使用對稱分量法處理三相幅值相角,得到三相不平衡度,并在監(jiān)測裝置的顯示器上呈現(xiàn)出來。

        3 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試運行

        3.1 監(jiān)測方法

        在實驗室環(huán)境中對上文設計的三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)進行調(diào)試運行,測試裝置的安裝效果如圖5 所示。配電變壓器采用三相四線制的方式經(jīng)過低壓配電柜向直流屏供電,當直流屏處于充電狀態(tài)時開始測試,在低壓配地柜的輸出線上設置監(jiān)測點,采集三相電壓、三相電流等信號進行計算,并利用GPRS 無線通信模塊將計算結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)中心[5]。

        圖5 監(jiān)測裝置連接

        3.2 測試結(jié)果

        三相不平衡監(jiān)測裝置的計算結(jié)果顯示,10 kV 低壓配電網(wǎng)中三相電壓中,B 相電壓最高,C 相次之,A相最低。綜合對比來看,B 相電壓值波動明顯,而A 相和C 相電壓較為穩(wěn)定。在實驗進行10 s 后,B 相電壓幅值有明顯下降,此時三相電壓的差值較之前有所降低,說明此時三相電壓的不平衡度有減小趨勢。當B相電壓值升高后,三相電壓的差值也進一步增加,三相電壓不平衡度上升。當D 相電流幅值為0.6 A 時,C相電流幅值約為1.5 A,不平衡度約為30%。由此可見,本文設計的三相不平衡裝置能夠準確反映電力系統(tǒng)中三相不平衡情況,為低壓配電網(wǎng)的運行維護提供了依據(jù)。

        結(jié)束語

        智慧電網(wǎng)的成熟發(fā)展,為電能質(zhì)量監(jiān)測提供了技術支持。對于低壓配電網(wǎng)中常見的三相不平衡問題,本文設計了一種由信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理塊等組成的監(jiān)測系統(tǒng),從調(diào)試運行效果來看能夠及時、準確地識別低壓配電網(wǎng)中存在的三相不平衡問題,對提高電能質(zhì)量起到了積極作用。

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