滕志軍，王中寶，趙 龍，李國強

(1.東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林省 吉林市132012;2.錦州供電公司，遼寧 錦州121000)

1 引言

電弧爐冶煉電氣系統(tǒng)主要由高壓供電網(wǎng)絡(luò)、變電站變壓器、電爐一次側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)、大功率的電爐變壓器、低電壓大電流的短網(wǎng)系統(tǒng)、水冷電纜、電極系統(tǒng)及其升降裝置和爐膛等部分組成［1］。電弧爐是一種特殊的沖擊性非線性負荷，接入電網(wǎng)會導(dǎo)致高次諧波、無功沖擊、三相不平衡度、電壓波動和閃變、涌流、順流和功率因數(shù)低等諸多電能質(zhì)量問題。如果沒有補償設(shè)備，交流電弧爐將會對其他負荷帶來嚴重的影響，比如負序電流和電壓波動可能會引起電力系統(tǒng)繼電保護誤動作，無功沖擊大將會使整條供電母線的功率因數(shù)低于0.7，三相不平衡會帶來較大的附加損耗［2］。這些不利條件都會嚴重影響鋼廠的正常生產(chǎn)，因此檢測和實時監(jiān)測電弧爐的電能質(zhì)量是非常必要的。

ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低速率和低成本的優(yōu)點，本課題將利用ZigBee技術(shù)來實時監(jiān)測電弧爐的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2 基本原理概述

2.1 電弧爐電能質(zhì)量測量

電弧爐電能質(zhì)量指標包括電力系統(tǒng)諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡度和電壓偏差、頻率偏差等等。

(1)諧波測量。電弧爐的生產(chǎn)過程包括填料期、熔化期和精煉期。在熔化期和精煉期，電弧爐將產(chǎn)生大量諧波，并含有偶次諧波電流，產(chǎn)生影響很大。主要含有 2、3、4、5、7 次特征諧波電流，應(yīng)根據(jù)《GB/T 14549—93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標準來測量，取95%概率大值與國標值比較進行分析。

(2)電壓波動和閃變測量。在電弧爐負荷較大的電網(wǎng)中，電壓波動是由電弧爐消耗的有功功率和無功功率快速變化引起的。電壓波動是影響電爐生產(chǎn)的重要電能質(zhì)量指標，并直接導(dǎo)致電壓閃變發(fā)生。目前認為最難治理的電能質(zhì)量問題就是電壓閃變。電弧爐電流的隨機變化帶來較大的無功沖擊，進一步導(dǎo)致電壓波動。母線電壓均方根(RMS)存在0.5～30Hz的持續(xù)波動是閃變產(chǎn)生的起源［3］。目前，檢測電壓波動和閃變時需要采用專門儀器，檢測方法主要有:平方檢測方法、整流檢波方法、有效值檢波方法、小波變換法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［4-5］。

電壓波動和閃變的測量一般是測量等值10Hz電壓閃變值、短時間閃變嚴重度和長時間閃變嚴重度。根據(jù)《GB 12326—2000電能質(zhì)量電壓波動和閃變》標準進行測量，取95%概率大值與國標值比較判斷超標與否。

(3)三相不平衡度測量。電弧爐的三相短路互感不平衡導(dǎo)致三相阻抗不平衡，造成三相功率不平衡，在電弧爐實際運行中，由于存在電弧、燃燒不穩(wěn)定斷弧、短路以及料塊移動等現(xiàn)象也會造成負荷嚴重不對稱，三相負荷的不平衡電流中含有較大的基波負序分量，它引起公共供電點的電壓不平衡。

國標《GB/T 15543—1995電能質(zhì)量三相允許不平衡度》中規(guī)定，三相不平衡度只考慮負序所引起的不平衡，所以實現(xiàn)起來比較容易?？刹捎脤ΨQ分量法計算出三相不平衡度的值。根據(jù)諧波分析所得到的三相電流、電壓的數(shù)值和相位信息計算各負序分量，然后計算出三相不平衡度的值。在上述國標中規(guī)定每次測量按3s均方根取值［6］。分析三相不平衡度時同樣取95%大值與國標值進行比較進而判斷測量結(jié)果。

2.2 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee標準是基于IEEE 802.15.4協(xié)議棧而建立的。ZigBee是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。ZigBee的物理層(PHY)采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。三個頻段上傳輸速率分別為 250 Kb/s、40 Kb/s和 20 Kb/s。ZigBee根據(jù)輸出功率和信道環(huán)境的不同，其實際傳輸距離介于10～75m之間，一般在30m左右。Zig-Bee的介質(zhì)接入控制子層(MAC)采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止(CSMA/CA)的碰撞避免機制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭與沖突。在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)ZigBee聯(lián)盟制定了星形、樹形和網(wǎng)形三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network topology of ZigBee

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計

如圖2所示，整個系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:電能質(zhì)量數(shù)據(jù)檢測設(shè)備、ZigBee接收/發(fā)送設(shè)備和終端設(shè)備。電能質(zhì)量檢測設(shè)備選用Fluke公司生產(chǎn)的Topas2000型電能質(zhì)量分析儀，數(shù)據(jù)采集后傳至Zig-Bee模塊，再由ZigBee模塊發(fā)送出去，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)最后由終端設(shè)備接收。由此，本系統(tǒng)可實現(xiàn)三個功能，即電能質(zhì)量數(shù)據(jù)實時檢測功能，實時傳輸功能和終端數(shù)據(jù)監(jiān)測分析功能。

圖2 系統(tǒng)整體硬件連接圖Fig.2 Overall system hardware connection diagram

在圖2中ZigBee設(shè)備與電能質(zhì)量檢測設(shè)備之間通過異步串口線RS232相連進行通信，把采集到的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊發(fā)送出去。虛框部分為電能質(zhì)量檢測設(shè)備內(nèi)部原理圖。說明如下:

(1)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)實時檢測功能:電能質(zhì)量數(shù)據(jù)檢測設(shè)備負責(zé)采集電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)功率因數(shù)、有功和無功功率以及電力系統(tǒng)諧波等情況。采用有線的方式把設(shè)備接入電弧爐開關(guān)柜，根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的特點設(shè)置采樣時間間隔，可以做到數(shù)據(jù)的實時采集。

電能質(zhì)量檢測設(shè)備采集電弧爐開關(guān)柜側(cè)的三相電壓、三相電流，在數(shù)據(jù)處理單元(DSP或者MCU)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行處理。數(shù)據(jù)處理單元可完成系統(tǒng)的有功功率、無功功率、電力系統(tǒng)諧波、三相不平衡度、電壓波動和閃變以及電壓偏差等的計算。然后，數(shù)據(jù)可以暫時存儲到檢測設(shè)備中，或者直接經(jīng)通信模塊發(fā)送出去。

(2)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)實時傳輸功能:數(shù)據(jù)采集完成之后，ZigBee模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的接收及向終端設(shè)備發(fā)送。若測量點與終端設(shè)備之間距離較遠，可以增設(shè)ZigBee模塊，根據(jù) ZigBee的自組網(wǎng)功能，完全可達到數(shù)據(jù)的實時傳輸。

(3)終端數(shù)據(jù)監(jiān)測分析功能:數(shù)據(jù)到達終端后，終端安裝的分析軟件，可以把各項電能質(zhì)量數(shù)據(jù)以圖形或數(shù)字的方式顯示出來，并與電能質(zhì)量國家標準進行比較，評定電能質(zhì)量的好壞。

3.2 CC2430數(shù)據(jù)傳輸芯片

以往CC2420芯片構(gòu)架，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051)，具有128KB可編程內(nèi)存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個可編程 I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于25mA或27mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用［7］。

ZigBee作為一種低功耗的模塊，選擇供電電源時比較簡單。一般兩節(jié)5號電池可持續(xù)給ZigBee模塊供電長達6個月左右。本設(shè)計中，采用直流電源供電的方式，而采用兩節(jié)5號電池作為備用電源，以防止突然斷電故障。在圖2中，把采集到的三相電壓(交流100V)其中的一相(A相)先經(jīng)過濾波器濾掉諧波成分，在經(jīng)過整流穩(wěn)壓模塊把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，并降至ZigBee模塊可正常工作的電壓范圍(2.0～3.6V)。這樣選取供電電源具有持續(xù)供電和無需更換電池等優(yōu)點。

4 軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體框圖如圖3所示。首先將電能質(zhì)量檢測設(shè)備與電弧爐開關(guān)柜相連，此時需要檢查接線的正確性。這往往需要判斷待檢測母線段是帶有容性負載，還是感性負載，進而判斷電壓信號與電流信號的相位關(guān)系。確認負載特性后，根據(jù)電弧爐生產(chǎn)特點設(shè)置儀器，電能質(zhì)量檢測設(shè)備開始采集數(shù)據(jù)，再通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳送至終端。終端數(shù)據(jù)分析軟件主要由兩部分構(gòu)成:電能質(zhì)量圖形生成軟件和報表生成軟件。圖形生成軟件將ZigBee傳送過來的數(shù)據(jù)利用描點法生成圖形文件，在圖形文件中點擊光標，可查看各時刻的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。報表生成軟件將各電能質(zhì)量數(shù)據(jù)按照最大值、平均值、最小值和95%概率值等特征值列出，并將95%概率值與國標值進行比較，判斷各電能質(zhì)量參數(shù)是否合格。

4.2 ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)計

本系統(tǒng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)實時傳輸功能，是通過ZigBee軟件設(shè)計來實現(xiàn)的。接通電源后，檢測設(shè)備和ZigBee開始初始化。首先ZigBee模塊要檢查與電能質(zhì)量檢測設(shè)備和路由器之間的通信是否正常。若正常則ZigBee模塊開始發(fā)送數(shù)據(jù)。然后，需要檢查ZigBee模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)是否正確，若不正確則返回重新發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送正確后，數(shù)據(jù)則自動傳至終端設(shè)備，由終端設(shè)備完成監(jiān)測或者分析功能。圖4為ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖。

圖3 系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Overall flow chart of system

圖4 ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)流程Fig.4 Flow chat of ZigBee TXD

5 數(shù)據(jù)檢測試驗

5.1 目的及儀器選擇

為了驗證ZigBee技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測電弧爐電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的可行性，作者選取了某鋼廠110kV變電站35kVⅠ段母線(電弧爐所在母線段)進行了電能質(zhì)量測試工作。并在實驗室環(huán)境下用 ZigBee模塊進行了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸。所采用電能質(zhì)量分析儀為Fluke公司的 Topas2000型電能質(zhì)量分析儀。Topas2000電能質(zhì)量分析儀是用于調(diào)查嚴重電能質(zhì)量問題的首選工具，多種測量和觸發(fā)運算法，以及強大的10MHz采樣率，可以在具體應(yīng)用中根據(jù)需要設(shè)置儀器。它可測量系統(tǒng)2～50次諧波、三相不平衡度以及電壓波動和閃變等情況。

5.2 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)檢測環(huán)境

該鋼鐵公司一總降由上級兩條220kV母線供電(一工一備)，經(jīng)兩臺主變(主變?nèi)萘糠謩e為4#主變90MVA，3#主變 150MVA)，降至 35kV為該公司一條35kV母線供電，兩臺主變一工一備。該條35kV母線帶有兩臺電弧爐交替運行。本次測試點為3#主變所帶35kV母線下2#電弧爐(爐變?nèi)萘繛?0MVA)。

5.3 實驗數(shù)據(jù)

表1、表2和表3為該臺電弧爐檢測后的電能質(zhì)量一些數(shù)據(jù)。

表1 2～10次諧波電壓畸變率Tab.1 2nd～10thharmonic voltage distortion rate

表2 2～10次諧波電流Tab.2 2nd～10thharmonic voltage current

5.4 實驗結(jié)果分析

傳輸結(jié)果表明，本系統(tǒng)在監(jiān)測電能質(zhì)量時可以及時監(jiān)測到關(guān)于電能質(zhì)量的各種不良情況，方便作出及時處理。在傳輸試驗中，ZigBee展現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸能力，對所測得的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)可以準確無誤地傳輸。

6 結(jié)論

本文對 ZigBee技術(shù)作了簡短介紹，并討論了ZigBee應(yīng)用監(jiān)測電弧爐電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的可行性，提出應(yīng)用ZigBee傳輸電弧爐電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的設(shè)計方案，并針對該系統(tǒng)進行了特定的傳輸試驗。本系統(tǒng)可以滿足監(jiān)測電弧爐電能質(zhì)量實時變化的要求，實現(xiàn)了無線化，方便于鋼廠工作人員對電弧爐的電能質(zhì)量情況及時掌握并做出響應(yīng)調(diào)控，具有很高的應(yīng)用價值。

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