姜思卓，程 超，王 強(qiáng)

(國(guó)網(wǎng)青島供電公司，山東 青島 266000)

電網(wǎng)調(diào)度不僅能保證電力資源的合理利用，而且關(guān)系到電力用戶的切身利益[1]。用電監(jiān)控需要應(yīng)用電力計(jì)量裝置，電力計(jì)量裝置的作用類似于電子秤，可以精確地得出具體數(shù)值，保證電力系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常[2]。電力計(jì)量裝置在工作過程中有可能會(huì)發(fā)生異常，如出現(xiàn)電力資源應(yīng)用結(jié)果與預(yù)期誤差較大等問題，因此建立電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)可以對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，對(duì)減少人力、物力和資金的投入，滿足信息化時(shí)代的需求具有重要意義。

文獻(xiàn)[3]根據(jù)電網(wǎng)的復(fù)雜程度，有針對(duì)性地對(duì)電網(wǎng)異常狀態(tài)的形成原因進(jìn)行了分析，提出了異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能計(jì)量裝置的有效監(jiān)控。文獻(xiàn)[4]分析了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要遵守的原則，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析論述，并對(duì)電能計(jì)量裝置的異常狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文在總結(jié)以往研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)，對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)、工作程序及功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其在抗干擾能力方面的優(yōu)越性表明其可應(yīng)用到實(shí)際電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)中。

1 電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)硬件構(gòu)建

1.1 電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)硬件部分包括4個(gè)模塊，各模塊功能如下：

1)DSP(digital signal processing，數(shù)字信號(hào)處理)模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)控制、面板處理等工作，并協(xié)調(diào)其他模塊工作。

2)顯示操作模塊負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)終端展示數(shù)據(jù)和相關(guān)信息。

3)通信模塊通過互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)子平臺(tái)和主平臺(tái)之間信息互傳。

4)信息采集模塊內(nèi)部設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)，將子平臺(tái)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分類，最后納入數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行編號(hào)[5-6]。

基于電力計(jì)量裝置性能[7-8]，本文整合上述4個(gè)模塊，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，將多功能電力計(jì)量平臺(tái)分為5個(gè)部分，分別為測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理單元、顯示器、時(shí)鐘電路和通信接口。

1)測(cè)量單元。把電流轉(zhuǎn)換成信息流，即數(shù)字量，再經(jīng)過二次運(yùn)算得到測(cè)量功率。

2)數(shù)據(jù)處理單元。在大數(shù)據(jù)庫(kù)中通過后臺(tái)系統(tǒng)獲取信息，分析和查找復(fù)雜的信息。

3)顯示單元。在自動(dòng)監(jiān)控終端平臺(tái)上使用 LED進(jìn)行顯示。

4)鐘表電路單元。一般監(jiān)控平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)終端平臺(tái)自主切換電路進(jìn)行監(jiān)控，故設(shè)置鐘表電路，不僅解決了上述問題，還具有日程表和計(jì)時(shí)功能。

5)通信接口。在導(dǎo)出并整合數(shù)據(jù)之前，通訊接口起著非常重要的作用[9]。該通信接口不僅具有較常用的監(jiān)控終端接口，而且還配有 USB接口，便于與各種設(shè)備連接；不僅能對(duì)監(jiān)控終端平臺(tái)進(jìn)行編程和設(shè)置，而且可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)量和整合。

1.2 DSP模塊設(shè)計(jì)

DSP主程序采用周期中斷與循環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在 DSP啟動(dòng)后，程序進(jìn)行 DSP系統(tǒng)初始化，完成 DSP控制模塊的初始化工作，即執(zhí)行時(shí)鐘信號(hào)、鎖相環(huán) PLL、監(jiān)控模塊等寄存器的配置工作，使 DSP芯片的外部配置進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。程序初始化完成后，執(zhí)行捕獲中斷配置、 SCI串口初始化、 CPU定時(shí)器0中斷配置等任務(wù)。在程序主循環(huán)結(jié)構(gòu)中，需要實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)判斷是否需要接收新指令。CPU在獲取DSP模塊獲得的新指令后，將處理結(jié)果與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，若判斷結(jié)果為正確，根據(jù)指令進(jìn)行識(shí)別和響應(yīng)，若判斷結(jié)果為錯(cuò)誤，則程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理子程序。數(shù)據(jù)處理完畢后，判斷是否需要傳輸數(shù)據(jù)，如果需要?jiǎng)t執(zhí)行 SCI串行通信子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，如果不需要傳輸數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)已經(jīng)全部傳輸完畢，則程序返回子程序進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，在新的循環(huán)開始時(shí)，判定是否收到新的指令。具體的主程序流程如圖3所示。

圖1 DSP程序運(yùn)行流程

DSP內(nèi)置模塊及其功能如下：1) SCI串口，負(fù)責(zé)與自動(dòng)控制系統(tǒng)接口的通訊，完成數(shù)據(jù)的調(diào)配和管理，包括運(yùn)載設(shè)備電閘內(nèi)部時(shí)鐘和控制信號(hào)，同時(shí)負(fù)責(zé)連通SCI串口數(shù)據(jù)。2)鎖相環(huán) PLL，采用定時(shí)器內(nèi)核控制方式，可對(duì) DSP的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)注，清除時(shí)鐘緩存冗余的數(shù)據(jù)，根據(jù)DSP內(nèi)置模塊狀態(tài)對(duì)當(dāng)前電源終端進(jìn)行控制。3)收發(fā)模塊， DSP內(nèi)建立多個(gè)可存儲(chǔ)信息的緩存空間，與收發(fā)設(shè)備相結(jié)合，存儲(chǔ)或發(fā)送信息，當(dāng)信息未存滿時(shí)，還可以作為普通的存儲(chǔ)空間。4)過濾式讀寫器，通過對(duì)當(dāng)前接收的濾波器中的數(shù)據(jù)身份進(jìn)行分析和識(shí)別，決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

1.3 監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)計(jì)量方式設(shè)計(jì)

1.3.1直接接入計(jì)量方式

當(dāng)用電規(guī)模較小時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)大小，決定在三相四線電路中是用三相四線有功電能表還是用單線三相有功電能表進(jìn)行電力計(jì)量。

1)三相四線有功電能表。

這一結(jié)構(gòu)僅適用于電流較小、中線直接接地的三相四線且受外部條件限制較小的情況，即使是三相電壓、電流不對(duì)稱，也能精確測(cè)量。如圖2所示，三相四線直接接入方式能夠連接3只單相電能表，當(dāng)其中一只電能表出現(xiàn)故障時(shí)就會(huì)影響整個(gè)終端平臺(tái)的運(yùn)行。若使用一只三相四線電能表，當(dāng)電能表出現(xiàn)故障時(shí)，電能表的轉(zhuǎn)速會(huì)變慢，所計(jì)入的電量會(huì)減少，但不容易發(fā)現(xiàn)問題所在，不能判斷出是由于負(fù)荷的變化還是因故障而導(dǎo)致的計(jì)量事故[10-13]。

圖2 三相四線直接接入方式

2)單線三相有功電能表。

如果監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)的信號(hào)峰值幅度較小，那么監(jiān)測(cè)電路應(yīng)使用單線三相有功電能表直接接入方式，其接入圖如圖3所示，但單線三相有功電能表不適合在用電規(guī)模較大的情況下使用。

圖3 單相表接入方式

1.3.2間接接入計(jì)量方式

當(dāng)用電規(guī)模較大時(shí)，在間接接入計(jì)量方式中主要采用以下兩種方式。1)負(fù)荷較大(負(fù)荷電流大于80 A)時(shí)可采用經(jīng)CT(電流互感器)間接接入計(jì)量方式，電路圖如圖4所示；2)采用電壓經(jīng) PT(電壓互感器)接入和電流經(jīng) CT接入的組合方式，設(shè)計(jì)經(jīng)CT和PT間接接入計(jì)量方式，電路圖如圖5所示。

圖4 經(jīng)CT間接接入計(jì)量方式

圖5 經(jīng)CT、PT間接接入計(jì)量方式

自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)的計(jì)量裝置連接必須一一對(duì)應(yīng)，不能出現(xiàn)錯(cuò)位[14]，因此采用三相四線電路的接入計(jì)量方式，即通過接入負(fù)荷電流的規(guī)模確定計(jì)量方式，如圖6所示。

圖6 電力計(jì)量裝置電壓計(jì)量方式

如圖6所示，在確定了DSP內(nèi)置模塊后，用戶程序在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行，將該用戶程序設(shè)置為異常狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)模式，當(dāng)電力計(jì)量裝置電壓出現(xiàn)異常，且DSP內(nèi)置模塊正常運(yùn)行時(shí)，電力計(jì)量裝置接收自動(dòng)監(jiān)測(cè)模式的指令，自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式。

本文設(shè)計(jì)的電力計(jì)量裝置電壓計(jì)量方式，可使其所有電路保持在穩(wěn)定狀態(tài)，消除了傳統(tǒng)電路因計(jì)量時(shí)間過長(zhǎng)而造成的信號(hào)中斷、信息失真現(xiàn)象。

2 電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端

為了使電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的子平臺(tái)獨(dú)立讀取檢測(cè)信息。首先對(duì)信息進(jìn)行匯總，即在電能計(jì)量裝置中，應(yīng)用子帶量化預(yù)測(cè)方式收集計(jì)量裝置檢測(cè)到的電量、電流值等信息；其次計(jì)算出功率、電量等所需數(shù)值，自動(dòng)篩選并導(dǎo)出需要的各種信息，如正反向有功、無(wú)功、需求量、負(fù)荷曲線、電流、電壓、功率等。在這個(gè)過程中，最重要的步驟是對(duì)分塊轉(zhuǎn)換的DCT(離散余弦變換)系數(shù)實(shí)施量化處理[15]。設(shè)各個(gè)數(shù)據(jù)塊量化位數(shù)為M，子帶量化預(yù)測(cè)的詳細(xì)過程為求解子頻帶第j列數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)據(jù)總量Ej：

(1)

主平臺(tái)可以設(shè)置IP地址、參數(shù)等相關(guān)信息，查詢子平臺(tái)的設(shè)置情況和相關(guān)信息與CT、PT的變化以及脈沖指數(shù)，并將信息共享，且在后臺(tái)設(shè)置電壓和電流的最大量，超出則主平臺(tái)停止運(yùn)行。把子平臺(tái)各列數(shù)據(jù)的分配位數(shù)Nb描述為：

Nb=[n1,n2,…,nN]

(2)

(3)

實(shí)現(xiàn)電壓異常狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)后，當(dāng)人為對(duì)子平臺(tái)設(shè)置進(jìn)行改變時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將所更改的信息上傳主平臺(tái)，得到許可后方能修改成功。主平臺(tái)登錄賬號(hào)由相關(guān)人員保存，防止外泄，一旦出現(xiàn)3次以上登錄錯(cuò)誤的情況，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，并主動(dòng)向主平臺(tái)傳遞平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)信息。

采用C語(yǔ)言開發(fā)自動(dòng)化監(jiān)控終端平臺(tái)軟件。圖7所示為TMS320LF2408型DSP芯片開發(fā)模式下的平臺(tái)工作流程。

圖7 平臺(tái)工作流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由于測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行在不同的環(huán)境中，可能會(huì)受到磁場(chǎng)等的干擾，而某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)平臺(tái)的抗干擾能力和穩(wěn)定性要求比較高，因此本文對(duì)監(jiān)控終端平臺(tái)進(jìn)行抗干擾檢測(cè)，并與傳統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與環(huán)境設(shè)置

在相同的MATLAB測(cè)試環(huán)境下，測(cè)量不同時(shí)段電壓的變化，設(shè)置電波發(fā)生變化的前6 h為T1時(shí)段，第二個(gè)6 h為T2時(shí)段，以此類推分別為T3和T4時(shí)段，監(jiān)測(cè)24 h內(nèi)的電壓變化。以發(fā)電廠、煉鋼廠、食品加工廠等磁場(chǎng)較強(qiáng)的使用環(huán)境為例，以監(jiān)測(cè)電力計(jì)量裝置檢測(cè)到的電壓值為具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為更好觀察本文建立的自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)是否具備較強(qiáng)的抗干擾能力，將該平臺(tái)與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行平臺(tái)抗干擾性能測(cè)試，其次以抗干擾程度為指標(biāo)對(duì)EMC(電磁)相容性進(jìn)行預(yù)測(cè)，EMC相容性越大，抗干擾能力越強(qiáng)。

抗干擾性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 EMC相容性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知，本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在任何環(huán)境下正常工作，不會(huì)受到干擾，不影響主平臺(tái)的數(shù)據(jù)、信息傳輸。

選擇發(fā)電廠環(huán)境，將本文平臺(tái)與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并在確定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)測(cè)試發(fā)電廠電壓異常狀態(tài)的監(jiān)測(cè)精度。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 發(fā)電廠電壓異常狀態(tài)的監(jiān)測(cè)精度

由表2可知，運(yùn)用本文建立的自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)對(duì)電力計(jì)量裝置電壓數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得值更加貼近初始值，具有監(jiān)測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此本文方法更具優(yōu)越性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在電力計(jì)量裝置電壓異常狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)的構(gòu)建中，克服了傳統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)精度低、延時(shí)性高的問題，為電力計(jì)量提供了一個(gè)更方便、快捷的方式。該自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)更加符合時(shí)代要求，也更方便監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的提取與應(yīng)用。

但是，在實(shí)驗(yàn)中還存在一些不足。由于設(shè)備和場(chǎng)地的限制，測(cè)量的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，同時(shí)受到空間的限制，不同地區(qū)的測(cè)試結(jié)果也存在一定的差異，有待進(jìn)一步改進(jìn)。