配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端的設(shè)計(jì)

唐天偉

摘要：針對(duì)配電變壓器分布點(diǎn)多、位置雜亂,負(fù)荷復(fù)雜多變的特點(diǎn)，提出了一種遠(yuǎn)程配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端的設(shè)計(jì)方案，分析了配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端裝置功能需求，然后對(duì)配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后闡述了基于快速傅里葉變換的諧波分析模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：配電自動(dòng)化；配電變壓器；配電監(jiān)測(cè)終端；計(jì)量終端

中圖分類號(hào)：TP213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2012)36-8808-04

隨著國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)的開放,各家電力公司都在尋求提高公司效率, 改善服務(wù)、增加客戶的途徑,通過對(duì)配電變壓器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量管理, 實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析、自動(dòng)抄表、、變壓器異常監(jiān)測(cè)和計(jì)量設(shè)備異常監(jiān)測(cè)并遠(yuǎn)程報(bào)警等功能，這樣供電企業(yè)就可以更好地為客戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)；但由于配電變壓器分布點(diǎn)多、位置雜亂,負(fù)荷也是復(fù)雜多變,這給配變管理帶來極大的難度,而傳統(tǒng)的配電變壓器終端裝置多采用電纜進(jìn)行通信，線路復(fù)雜，功能簡(jiǎn)單，無法滿足配電自動(dòng)化系統(tǒng)的要求，因此設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)效性好,通信便利,可靠性高的配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端具有非常重要的意義。

1 功能需求分析

配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,其應(yīng)具有電能計(jì)量、諧波監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)功能、級(jí)聯(lián)功能、遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程抄表、系統(tǒng)安全、系統(tǒng)對(duì)時(shí)及異常報(bào)警等功能。

1）電能計(jì)量：具有交流采樣計(jì)量模功能，計(jì)量多時(shí)段的正向/反向、有功/無功總電能及四象限無功電能，在指定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，還應(yīng)具有測(cè)量最大需量、分時(shí)段最大需量及其出現(xiàn)時(shí)間；

2）諧波監(jiān)測(cè)：計(jì)算N次電壓/電流諧波含量及畸變率；

4）存儲(chǔ)功能：提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，曲線數(shù)據(jù)，日，月數(shù)據(jù)，告警事件的存儲(chǔ)，其中，日數(shù)據(jù)能保存最近60日的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，月數(shù)據(jù)能保存最近六個(gè)月的數(shù)據(jù)，曲線數(shù)據(jù)是每十五分鐘一個(gè)數(shù)據(jù)，能保存最近六十日數(shù)據(jù)，告警事件能保存最近四百次的事件記錄；

5）級(jí)聯(lián)功能：現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)配變或集中器，通過RS-485接口，可以被配置成抄表模式和級(jí)聯(lián)模式；

6）遠(yuǎn)程傳輸：提供GPRS/CDMA/RS232/RS485等多種通信通道，支持停電上報(bào)；

7）異常報(bào)警：能對(duì)異常進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)生異常情況的時(shí)候，能夠報(bào)警，異常情況包括：計(jì)量裝置門打開、電量差動(dòng)、功率差動(dòng)，電壓回路逆相序、三相電流反極性，電能表編程時(shí)間、時(shí)段和費(fèi)率的更改，時(shí)鐘異常，電池電壓低，電表飛走、停走、示度下降，RS485通訊異常、終端停、上電，負(fù)荷過載、電壓缺相、斷相，無功過補(bǔ)償、無功欠補(bǔ)償，電流不平衡、電壓過壓、零序電流偏大；

8）遠(yuǎn)程抄表功能：采集RS485、RS232 等不同接口類型和不同規(guī)約類型的多功能電子表數(shù)據(jù)，抄表內(nèi)容包括當(dāng)前正反有功電量抄度（總、尖、峰、平、谷），當(dāng)前無功電量抄度（總感性、總?cè)菪裕?、無功功率，三相電壓、電流，當(dāng)前、上月最大需量（總）及其發(fā)生時(shí)間及電表時(shí)鐘；

10）安全功能: 終端設(shè)置密碼：各種參數(shù)、修改功率、電量定值等，密碼輸入錯(cuò)誤5次，該項(xiàng)凍結(jié)24h，此外，還對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密壓縮。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端采用高速DSP處理器，通過高精度AD轉(zhuǎn)換器對(duì)二次側(cè)電壓、電流進(jìn)行準(zhǔn)確的采集、分析、運(yùn)算，并將記錄下的各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH中；通過GPRS無線通信技術(shù)，將實(shí)時(shí)測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方主站，同時(shí)能接受遠(yuǎn)方主站的遙控遙調(diào)命令，如功率控制、電量控制等遠(yuǎn)程操作。配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，該終端主要由四個(gè)部分組成，即計(jì)量單元，電源控制，核心板和擴(kuò)展板。

1）計(jì)量單元主要完成對(duì)三相電壓電流信號(hào)采樣，該單元主要由高速DSP（TMS320LF2407）、16位AD轉(zhuǎn)換器（AD73360）、電壓互感器（Pt204C）和電流互感器（Ct01）組成。

2）電源控制：電源部分是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，它為處理器和各個(gè)部件提供所需的工作電壓，本課題中，需要使用5V和3.3V的直流穩(wěn)壓電源，微處理器及部分外圍電路需3.3 V電源，5V到3.3V的DC-DC轉(zhuǎn)換器選用電源模塊29302。

3）核心板：實(shí)現(xiàn)對(duì)配電監(jiān)測(cè)終端的控制和管理，包括對(duì)采集到的交流電量進(jìn)行快速傅里葉FFT變換，從中分解出各次諧波電壓及電流的幅值及相位，進(jìn)而計(jì)算有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)及諧波總畸變率等電能參數(shù)，包括嵌入式微處理器（TMS320LF2407），GPRS模塊（MC55），以太網(wǎng)模塊(RTL8039AS)，紅外口，LED電路，RAM及Flash等電路，GPRS模塊負(fù)責(zé)和無線網(wǎng)路的連接和數(shù)據(jù)收發(fā)；液晶驅(qū)動(dòng)和液晶顯示電路完成顯示功能，并配合按鍵可以進(jìn)行基本參數(shù)的設(shè)置，終端的接收和發(fā)送命令通過移動(dòng)GPRS/以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)來傳輸?shù)?，命令接收?jīng)過校驗(yàn)后，進(jìn)行相應(yīng)的處理。從而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遠(yuǎn)方讀表、數(shù)據(jù)和異常信息主動(dòng)上報(bào)等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）倒序:輸入自然順序序列x(n)，根據(jù)倒序規(guī)律，進(jìn)行倒序處理，用M位二進(jìn)制數(shù)表示，則從左至?右的十進(jìn)制權(quán)值為： N/2、N/4、N/8,…、2, 1；

2）循環(huán)層1:確定運(yùn)算的級(jí)數(shù)，L=1~M (N=2M)，確定一蝶形兩輸入數(shù)據(jù)距離B=2L-1；

3）循環(huán)層2:確定L級(jí)的(B=)2L-1個(gè)旋轉(zhuǎn)因子，旋轉(zhuǎn)因子指數(shù)p=2M-LJ，J=0~B-1；

4）循環(huán)層3:對(duì)于同一旋轉(zhuǎn)因子，用于同一級(jí)2M-L個(gè)蝶形運(yùn)算中：k的取值從J到N-1，步長(zhǎng)為2L (使用同一旋轉(zhuǎn)因子的蝶形相距的距離)；

5）完成一個(gè)蝶形運(yùn)算。

在程序設(shè)計(jì)中，反序和蝶形算法是急需解決的兩個(gè)主要問題，其中，反序是按碼位倒置的原理來實(shí)現(xiàn)的,它是進(jìn)行蝶形運(yùn)算的先決條件, 可以利用TMS320LF2407的指令集的位反轉(zhuǎn)變址尋址方式來完成反序；而蝶形算法是FFT的關(guān)鍵，利用同一級(jí)蝶形運(yùn)算中的旋轉(zhuǎn)因子是常數(shù)的特點(diǎn)，將這些常數(shù)以表格的形式存儲(chǔ)起來，在進(jìn)行蝶形運(yùn)算的時(shí)候，通過查表提高運(yùn)算速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)電力需求側(cè)管理現(xiàn)代化的要求，結(jié)合在電力行業(yè)多年的設(shè)計(jì)開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了新一代多核配變監(jiān)測(cè)計(jì)量終端，設(shè)計(jì)中將無線通信、配變監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程抄表等功能綜合考慮，以高性能的數(shù)字信號(hào)處理器DSP為控制核心，進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可伸縮性等優(yōu)點(diǎn)，采用高精度采樣技術(shù)和快速傅里葉算法，進(jìn)行實(shí)時(shí)電能計(jì)算及諧波分析，即使是在負(fù)荷波動(dòng)大機(jī)諧波含量高的狀況下也能保證采樣和電能精度，采用先進(jìn)的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得遠(yuǎn)方主站能及時(shí)掌握配變的運(yùn)行狀態(tài)，為配變的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供很好的防護(hù)手段，為線損管理、提高運(yùn)行管理和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平等提供科學(xué)依據(jù)。

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