基于交流采樣測控裝置自動化檢測方法應用研究

宋進良，周 潔，李為兵

(1．東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006;

2．中電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110181)

交流采樣遠動終端作為一種遠動終端設備(RTU)，主要用于實現(xiàn)電力系統(tǒng)中遠方調(diào)度中心對現(xiàn)場交流模擬量的監(jiān)測，它提供的實時測量數(shù)據(jù)在電網(wǎng)調(diào)度及規(guī)劃決策工作中具有重要的參考依據(jù)。由于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的大量應用，實現(xiàn)了現(xiàn)場與遠方測量數(shù)據(jù)的共享。交流采樣遠動終端和計算機監(jiān)控設備 (以下簡稱為交流采樣遠動終端)的出現(xiàn)導致了大量電測量指示儀表及變送器在現(xiàn)場應用的急劇減少。鑒于交流采樣遠動終端的重要性日顯突出，相應的維護校驗工作也在基層電力單位中全面展開。交流采樣測量裝置是廠站自動化系統(tǒng)中的測量部分，因其直觀的數(shù)字顯示、準確的測量量值、數(shù)字技術(shù)的應用已廣泛應用于各發(fā)供電企業(yè);它替代了傳統(tǒng)的電測量指示儀表和變送器，在電力系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。

1 原理

1.1 測控裝置

圖1 工作原理結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，交流采樣測量裝置將互感器二次電流與電壓分別經(jīng)交流采樣測量裝置內(nèi)隔離變換，再次轉(zhuǎn)換為弱電流及電壓信號［1］。通過采樣保持器的元件采集、保存電流、電壓信號;經(jīng)模、數(shù)(A/D)變換;通過數(shù)據(jù)線傳送給CPU，計算出電流、電壓、電網(wǎng)頻率及有功、無功功率等電量并存儲在記憶元件中。

交流采樣是將二次測得的電壓、電流經(jīng)高精度的TV、TA隔離變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進行處理。直接計算U、I，然后計算P、Q、cosφ等，由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的瞬時值進行采樣，因此實時性好，效率高，相位失真小，適用于多參數(shù)測量［2］。

1.2 交流采樣

圖2 交流采樣原理圖

如圖2所示，交流采樣遠動終端中，被測交流量直接由測量單元轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，然后再由中央通信單元進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，形成符合遠動通信規(guī)約的數(shù)字量，經(jīng)通信線路 (光纖/數(shù)字載波/音頻電纜等)傳送到調(diào)度中心的主站系統(tǒng)中。

其測量單元直接完成對交流量的采樣和A/D轉(zhuǎn)換，因此遙測準確度完全取決于其內(nèi)部采樣模塊及數(shù)據(jù)處理模塊的速率和精度;而電測量變送器+直流采樣遠動終端的測試方法中遙測準確度則由電測量變送器測量準確度和直流采樣遠動終端中的A/D轉(zhuǎn)換精度決定。

2 交流采樣算法及實現(xiàn)

2.1 電網(wǎng)參數(shù)真有效值積分算法

同步采樣計算法是隨著計算機的發(fā)展而出現(xiàn)的測量方法。當采樣N足夠大時，采用下列平均功率算法，同樣可得到較高精度，平均功率計算公式為

式中，u(t)、i(t)為電壓、電流的瞬時值;T為信號周期。

同時對電壓、電流波形進行逐點數(shù)據(jù)采集u(n)、i(n) (n=1，2，…，N)，并將其轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字序列，計算出功率的平均值。

2.2 電網(wǎng)參數(shù)的采樣計算

根據(jù)以上的分析和推導結(jié)果，可求得Ukm、Ikm、αk、βk?？梢宰C明電壓和電流有效值的計算公式分別為

也可證明有功功率、無功功率、功率因數(shù)的計算公式分別為

2.3 交流采樣測量裝置硬件實現(xiàn)

一般交流采樣測量裝置由若干個測控單元和1個通信轉(zhuǎn)換模塊組成，1個交流采樣測量裝置完成一組三相電量采集、計算和發(fā)送，其中A/D一般選用12位高速集成AD轉(zhuǎn)換器，CPU一般選用16位單片機或DSP數(shù)字信號處理器［3］。典型硬件實現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 測控單元結(jié)構(gòu)圖

2.4 采樣頻率對測量誤差的影響

微機測量交流電量首先需對輸入信號進行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變成一串離散信號，為了使連續(xù)信號的抽樣過程不失掉信息，根據(jù)采樣定理可知抽樣頻率fs與信號的最高頻率Fm之間必須滿足下列關(guān)系式:

fs≥2Fm是一個臨界條件，實際采用的抽樣頻率必須大于2Fm。

從理論上分析，采樣頻率愈高，測量的準確度愈高，但實際應用中采樣頻率的提高受到諸多因素限制。由于三相發(fā)電機產(chǎn)生的電壓與正弦波有些差別，因此就包含一定的諧波分量，變壓器的勵磁電流也是非正弦的，也含有一定大小的3次諧波量，所以三相對稱電路中電壓、電流都可能含有高次諧波，不過電力系統(tǒng)只含有奇次諧波 (1次、3次、5次……)越是高次諧波其分量越小，9次以上諧波分量已非常小，因此對于計算來說考慮到9次諧波后誤差已經(jīng)很小，根據(jù)采樣定理可知，此時采樣點數(shù)N≥20，對于基2FFT算法，由于要求N=2m，故選N=32;對于基4FFT算法，由于要求N=22m，故N=64，必須注意一點，采樣點數(shù)增多，將會同時增加硬件軟件費用，降低運算速度［4］。

紫砂鍋里的排骨湯溢出湯汁，老何跟她都趕過去關(guān)火，兩人湊到一處，差點撞翻了鍋，老何握住了她的手，時間仿佛靜止了，鍋沿的湯汁噗嗤噗嗤地溢出來，他們只對視著，好像忘記了所有。

3 自動檢測方法

自動檢測方法是計算機軟件控制標準源輸入二次標準值，然后由計算機軟件從交流采樣遠動終端的通信單元中采集數(shù)據(jù)，如圖4所示。該方案由于采用了直接讀取交流采樣遠動終端裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)的方式，主要優(yōu)點是實現(xiàn)了針對單個終端的自動測量，校驗過程中響應時間短，提高了校驗效率;測量結(jié)果與國家規(guī)程關(guān)于交流采樣遠動終端的誤差定義相一致等。

圖4 自動檢測原理圖

3.1 遠動規(guī)約簡介

遠動規(guī)約 (協(xié)議)是在遠動系統(tǒng)中，為了正確地傳送信息，必須有一套關(guān)于信息傳送順序、信息格式和信息內(nèi)容等約定。這一套約定稱為規(guī)約(協(xié)議)，常用的分為兩種。

一種是循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方式Cyclic Digital Transmit(CDT)。

另一種是詢問方式也稱問答方式Polling。

CDT方式，遠動設備將遠動信息按約定的先后順序排列并依次循環(huán)向調(diào)度中心發(fā)送。

Polling方式，其特點是由調(diào)度中心主站端主動按順序依次“詢問”各廠站的信息;廠站遠動設備僅在受到主站端“召喚”時，才能夠“回答”即送出自己的信息。

3.2 IEC870－5－103規(guī)約

本標準提供了繼電保護設備 (或測控設備)的信息接口規(guī)范。本標準適用于將繼電保護和測量控制功能組合在一個設備內(nèi)，只有一個通信口的設備的信息接口，以及繼電保護和測量控制功能分別由不同設備完成其功能的設備的信息接口。本規(guī)約屬于問答式規(guī)約。在任何情況下，子站都不準主動向主站發(fā)送信息［5］。

3.3 數(shù)據(jù)庫管理

本系統(tǒng)接口實現(xiàn)方式為動態(tài)鏈接庫 (DLL)，DLL文件名稱可以任意，保存于安裝軟件設置的子目錄下，具有多種功能［6］，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

a． 檢定功能

包括選擇方案、校驗儀表兩個模塊，選擇方案模塊是為各種不同型號和規(guī)格的儀表分別設置一個缺省的校驗方案，以便于在儀表校驗時能按預先制定的方案自動執(zhí)行校驗。

b． 參數(shù)設定

參數(shù)設定包括對儀表的基本參數(shù)、校驗方案、地址、串行口、模塊廠商、本機位置等幾個方面信息的設置、修改和維護。

c． 數(shù)據(jù)處理

包括數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)統(tǒng)計查詢模塊，允許工作人員根據(jù)條形碼、表號、校驗日期、表型序號、校驗人員進行相關(guān)查詢，以便工作人員隨時查看，得出校驗報表，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫結(jié)論報表

d． 打印功能

打印模塊的作用是完成對所需各種表的原始記錄和檢定證書的打印，打印內(nèi)容主要由以下幾部分組成:有功功率、無功功率、交直流電壓、交直流電流、功率因數(shù)、相位、頻率及波形失真度分析等。

4 結(jié)束語

交流采樣實時性好，效率高，相位失真小，逐步成為電力系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)采集方式，但在數(shù)據(jù)采集過程中存在多次諧波干擾，影響數(shù)據(jù)采集的精度與穩(wěn)定，本文提出了一種基于遠動規(guī)約的自動化檢測方法，經(jīng)數(shù)據(jù)分析和處理表明，該方法減小了工頻失真度，提高了數(shù)據(jù)的采集精度，為數(shù)據(jù)采集設備提供了合理的測試方案。

［1］ 古天祥著．電子測量原理 ［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2004．

［2］ EMH Company，Prs 200.3 AC Operation Manual，2000．2．

［3］ LUO Z K，XU ZJ，ZHENG Y C，etc．DFT and DSP2 based electric energy measurement algorithm of harmonic source load［J］．PowerSystem Technology，2002，4 (10):2487－2490．

［4］ DL/T 5137—2001．電測量及電能計量裝置設計技術(shù)規(guī)程［S］．

［5］ 黃琦志，黃琦蘭，李 軻．基于GPIB接口的數(shù)字多用表自動化檢定系統(tǒng)［J］．計量技術(shù)，2005，(7):42－44．

［6］ JJG780—92．交流數(shù)字功率表檢定規(guī)程［S］．