諧波背景下非線性供電系統(tǒng)電能計量數(shù)據(jù)遠傳技術研究

張兆杰，盧靜雅，劉浩宇，羅 東

(1. 國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300000;2.重慶交通大學 信息技術中心，重慶 400074)

0 引 言

人工計量與遠程自動計量是當前國內(nèi)的用電管理與電能計量技術領域的主要形式，通常人工計量使用較多，而自動計量技術大多是在大區(qū)電網(wǎng)的核心變電站與直調(diào)電廠得到廣泛應用。電能自動計量和抄表系統(tǒng)的使用功能包括采集數(shù)據(jù)、分時電價與負荷控制。由于電力系統(tǒng)體制改革的緣故，電力市場的用電管理商業(yè)化成為當下的發(fā)展趨勢，電能自動計量數(shù)據(jù)遠傳技術成為供電系統(tǒng)領域中的重要技術之一，所以，供電系統(tǒng)成為當下每個供電企業(yè)的相關人員關注的熱點問題。

文獻[1]通過系統(tǒng)集成取代人工巡視、自動預警，根據(jù)供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為變電站PT設備的維護、優(yōu)化管理、識別判斷PT設備健康運行提供依據(jù)。該種系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成取代人工巡視時，容易受到復雜繼電的干擾，導致系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析不準確。文獻[2]提出根據(jù)耦合電感的循環(huán)級聯(lián)方法實現(xiàn)多相逆變之間的電流平衡，該方法沒有考慮諧波背景下，電流能量不均衡問題，導致系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較低。文獻[3]認為增加中繼線圈的數(shù)量可以有效提高空間磁感應強度，對提高供電系統(tǒng)的傳輸效率以及擴展傳輸距離有重要作用，但受到電磁約束的干擾，導致該種策略進行非線性供電系統(tǒng)電能計量數(shù)據(jù)遠傳時存在遠傳質(zhì)量差的弊端。

本文系統(tǒng)從硬件設計、軟件設計兩方面對諧波背景下非線性供電系統(tǒng)電能計量數(shù)據(jù)遠傳技術進行研究，并與多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)和磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)進行電能計量數(shù)據(jù)遠傳技術的對比仿實驗，實驗數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)在進行電能計量數(shù)據(jù)遠傳時穩(wěn)定性好、效率高、誤差小，系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度最大值為39%，復雜度較低，系統(tǒng)成本遠低于其他系統(tǒng)。

1 諧波背景下非線性供電系統(tǒng)電能計量數(shù)據(jù)遠傳技術研究

1.1 諧波背景下非線性供電系統(tǒng)硬件設計

將80C196KC當成諧波背景下非線性供電系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)遠傳模塊、鍵盤模塊、程序存儲器(EPROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、LCD液晶顯示模塊、報警模塊、通信模塊等。系統(tǒng)提取6個通道的數(shù)據(jù)，各個周期提取64點，2 min內(nèi)一共提取42次，計算其平均值呈現(xiàn)出來[4]。

1.1.1 諧波背景下非線性供電系統(tǒng)資源分配

諧波背景下非線性供電系統(tǒng)資源分配圖用圖1描述：

圖1 諧波背景下非線性供電系統(tǒng)資源分配圖

系統(tǒng)資源是指CPU的對外接口，其中包含中斷，輸入輸出口等。圖1里P3、P4口沒有進行標記，它們不僅用于地址線與數(shù)據(jù)口，還應用在譯碼電路作為片選控制信號[5]。

1.1.2 數(shù)據(jù)遠傳模塊設計

數(shù)據(jù)遠傳模塊由信號調(diào)理電路、同步采樣脈沖產(chǎn)生電路、信號采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成[6]。

數(shù)據(jù)遠傳模塊框圖用圖2描述：

圖2 采樣系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)在電網(wǎng)中的PT與CT的副方提取非線性供電系統(tǒng)電壓以及電流取樣的信號，通過隔離電路，在全部周期共同遠傳脈沖的掌控中，傳送到S/H中，由A/D轉(zhuǎn)換之后，將信號遠傳到到單片機實行分析[7]。

系統(tǒng)特點：

(1)使用傳感器V411D對非線性供電系統(tǒng)中的電壓以及電流信號進行隔離[8]。波形失真小，溫度范圍大，工作范圍是額定值的0～120%，能夠連續(xù)過載2倍標稱輸入值；通頻帶寬是20 Hz～5 kHz；其響應速度為15 μs，速度較快；輸入電流是Ui/90k，阻抗較大。

(2)選取12位具有多路開關的A/D轉(zhuǎn)換器MAX197。其具備8個模擬輸入通道的12位高速A/D轉(zhuǎn)換器件，A/D轉(zhuǎn)換耗時為6 μs，可以完成信號的分時遠傳與模/數(shù)轉(zhuǎn)換[9]。

(3)采取鎖相環(huán)電路可以對供電系統(tǒng)中的信號進行全部周期共同遠傳處理，維持在各個周期遠傳64點時間隔相同，可有效防止供電系統(tǒng)信號頻譜泄露的狀況出現(xiàn)。系統(tǒng)使用鎖相環(huán)倍頻技術完成全部周期共同遠傳電路的運行，實現(xiàn)64倍頻共同遠傳，詳細過程為：第一步提取電網(wǎng)信號Ui(t)，第二步對它進行整形(采用過零比較器)，提取和基波信號頻率相應的方波信號，對其實行鎖相倍頻處理，獲取輸出頻率是f0=64f1(f1代表基波頻率)的全部周期共同遠傳脈沖信號，以此進行非線性下供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠傳以及保障電路的正常運行，另外的路徑通過中斷控制邏輯電路后傳到CPU的EXINT與HIS.0中斷引腳，進行數(shù)據(jù)處理。64倍頻遠傳脈沖電路的框圖架構(gòu)用圖3進行描述：

圖3 64倍頻遠傳脈沖電路原理框圖

1.1.3 存儲器以及鍵盤模塊設計

系統(tǒng)經(jīng)過單片機80C196KC的P3與P4口，增大了系統(tǒng)的EPROM，并使用分頁管理技術拓展1片運行RAM(62256，32k)與3片歷時數(shù)據(jù)存儲RAM(WM8512B，每片512k)讓系統(tǒng)存儲器的容量增加至1.5M。

系統(tǒng)鍵盤的設計綜合了中斷與查詢方法，8個鍵實現(xiàn)始終設定、自檢/清空、電壓/電流變換顯示等功能。當中時鐘設定、自檢/清空、電壓/電流轉(zhuǎn)換顯示、換相顯示鍵采取中斷方法，左移與右移采取查詢方法。

1.1.4 電源模塊和LCD液晶顯示模塊設計

系統(tǒng)采用的電源分為±5 V、±12 與-24 V三種，因為采用的傳感屬于有源器件，則對電源的控制要求較高，所以，系統(tǒng)設計雙向跟蹤穩(wěn)壓電源，實現(xiàn)正負輸出電壓的自主跟蹤，避免出現(xiàn)過流、過熱與輸出短路問題。

若出現(xiàn)掉電情況，系統(tǒng)設計的掉電保護電路，能夠確保在運行時出現(xiàn)掉電或臨時停機，RAM里保存的歷時數(shù)據(jù)都不會遭受損失[10]。同時設置掉電存儲時間為3個月。

系統(tǒng)采用內(nèi)藏T6963C控制器大屏幕(114 mm×64 mm)的LCD液晶顯示模塊，當成監(jiān)測主機的實時顯示界面。此LCD點陣數(shù)是240×128，它采取的是CMOS與AL門機構(gòu)，具備低功耗、高耐壓以及運行快等優(yōu)勢。這個液晶系統(tǒng)實時呈現(xiàn)三相電壓與電路板的諧波水平，同時實時時鐘顯示，具備換相功能，將換相按鈕與壓/流轉(zhuǎn)換顯示按鈕進行合成，能夠逐次通過棒形圖的方式直接顯示出供電系統(tǒng)中A、B、C三相的電壓與電流的2～15次諧波值。

1.2 系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計主要采取模塊化設計，在硬件模塊中進行軟件設計，主要在監(jiān)控循環(huán)模塊、采集模塊以及其他功能模塊進行。采集模塊固化在數(shù)據(jù)遠傳模塊內(nèi)，其功能是對計算器與串口進行初始化，在脈沖信號的采集和中斷方法控制下和主機板的數(shù)據(jù)進行通信[11]。監(jiān)控循環(huán)模塊與其他功能模塊固化在主機板內(nèi)，其功能是對系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)處理、每個回路電能值的顯示和打印，在中斷方法控制下和數(shù)據(jù)采集板以及經(jīng)過Modem和后臺微機進行通信。

主機使用后的外部中斷為EXINT1，EXINT與HIS.0，EXINT1，EXINT中斷主要提供主機的擴展串口的通信服務[12]。

(1)定時中斷服務程序

硬件時鐘DS12887主要用于掌控定時中斷服務程序的響應，由于程序的設定，DS12887間隔一分鐘便發(fā)出定時中斷信號。CPU接收此信號之后，傳入中斷服務程序，程序流程圖用圖4來描述：

圖4 定時中斷服務程序流程圖

(2)數(shù)據(jù)接收程序

主機的數(shù)據(jù)程序的核心任務就是接收電能數(shù)據(jù)采集板傳出的電能數(shù)據(jù)。因為通信的數(shù)據(jù)量較小(大約60個字節(jié))，所以設定通信協(xié)議的格式分別是：字節(jié)數(shù)N-數(shù)據(jù)1-數(shù)據(jù)2-數(shù)據(jù)N-累加校驗和。該系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信波特率是9600bit/s。其中，字節(jié)數(shù)N：電能數(shù)據(jù)采集板像主機傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量。數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)N：電能數(shù)據(jù)采集板向主機傳送的N個數(shù)據(jù)。累加校驗和：數(shù)據(jù)1，數(shù)據(jù)2，…，數(shù)據(jù)N該n+1個字節(jié)內(nèi)容的算數(shù)累加和。

進行數(shù)據(jù)通信時使用糾錯編碼的方式提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，而本文系統(tǒng)在應用時，由于數(shù)據(jù)量較少，所以采取算數(shù)校驗法。

本系統(tǒng)的監(jiān)控循環(huán)模塊使用菜單驅(qū)動的工作形式，能夠適應大面積的顯示設備顯示一套菜單，用戶依據(jù)菜單的提示可以掌握系統(tǒng)程序的運行[13]。使用菜單驅(qū)動之后，只要是目前不能執(zhí)行的操作不會顯示在菜單中，系統(tǒng)的容錯性較高。并且能夠簡化鍵盤的硬件電路設計[14]。監(jiān)控模塊程序流程示意圖用圖5來描述：

圖5 監(jiān)控循環(huán)模塊的程序示意圖

菜單驅(qū)動的監(jiān)控循環(huán)模塊是經(jīng)過鍵盤的操控與系統(tǒng)目前的狀態(tài)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)的。因此，需要處理的有三種信息，一是目前畫面號，二是目前的光標位置，三是目前有效按鍵的鍵值。該三種信息在監(jiān)控循環(huán)模塊不可或缺[15]。

2 實驗分析

為了驗證本文系統(tǒng)對諧波背景下非線性供電系統(tǒng)電能計量數(shù)據(jù)遠傳的有效性，采用本文系統(tǒng)在諧波背景下非線性供電系統(tǒng)中進行電能計量數(shù)據(jù)遠傳。實驗參數(shù)設置情況用表1描述：

2.1 實驗參數(shù)設定

表1 實驗參數(shù)設置

2.2 系統(tǒng)性能分析

為了驗證本文系統(tǒng)的優(yōu)勢，采用多相并聯(lián)的15kW無線電能傳輸系統(tǒng)、磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進行對比實驗。依據(jù)實驗環(huán)境和實驗設置，把三種技術的最終實驗結(jié)果通過折線圖和表格的形式進行描述。

2.2.1 系統(tǒng)魯棒性分析

所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定(結(jié)構(gòu)，大小)的參數(shù)攝動下，維持其它某些性能的特性。比如說，計算機軟件在輸入錯誤、磁盤故障、網(wǎng)絡過載或有意攻擊情況下，能否不死機、不崩潰，就是該系統(tǒng)的魯棒性。

圖6 系統(tǒng)魯棒性測試結(jié)果

由圖6可知，隨著實驗次數(shù)的增多，本文系統(tǒng)的折現(xiàn)走勢一直處于多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)和磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的上方，本文系統(tǒng)的魯棒性最大值是0.45，最小值是0.26；多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)的魯棒性最大值是0.38，最小值是0.23；磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的魯棒性最大值是0.33，最小值是0.05。可見本文系統(tǒng)的魯棒性優(yōu)于另外兩種系統(tǒng)，魯棒性用于體現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實驗數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)在進行電能計量數(shù)據(jù)遠傳時具有較高的穩(wěn)定性。

2.2.2 系統(tǒng)遠傳誤差率分析

遠傳誤差率是指，系統(tǒng)模塊完成信號采集、數(shù)據(jù)處理、存儲，并將數(shù)據(jù)進行遠距離傳輸過程時，發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)和總傳輸數(shù)據(jù)的比值。

圖7 系統(tǒng)遠傳誤差測試結(jié)果

由圖7可知，隨著遠傳數(shù)量的增多，本文系統(tǒng)的遠傳誤差率增長趨勢整體分為多個階段，平均遠傳誤差率控制在0.23左右，整體較為穩(wěn)定；多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)遠傳誤差率增長趨勢整體分為三個階段，在遠傳數(shù)量為100～220時，多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)的遠傳誤差率增長至0.47，遠傳數(shù)量為220～250時，出現(xiàn)微弱變化，遠傳誤差率控制在0.43左右，遠傳數(shù)量為250～400時，多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)的遠傳誤差率增長至0.55；磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)遠傳誤差率增長趨勢為直線上升趨勢，隨著遠傳數(shù)量的增多，遠傳誤差率自0.20增長至0.68。在諧波背景下，對三種系統(tǒng)進行電能計量數(shù)據(jù)遠傳誤差測試結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)的遠傳誤差率最小，具有遠傳精度高的優(yōu)勢。

2.2.3 系統(tǒng)遠傳效率分析

遠傳效率是指在系統(tǒng)運行過程中有用功率與驅(qū)動功率的比值。

圖8 系統(tǒng)遠傳速度增長率測試結(jié)果

由圖8可知，三種系統(tǒng)的遠傳速度增長率的對比中，本文系統(tǒng)的遠傳速度增長率走勢始終位于另外兩種系統(tǒng)的上方，隨著實驗次數(shù)的增多，本文系統(tǒng)遠傳速度增長率最大值為98%，多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)遠傳速度增長率最大值為93.5%，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)遠傳速度增長率最大值為93.4%。實驗數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)遠傳速度增長快，遠傳效率高。

2.2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度分析

由圖9可知，三種系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜度的對比中，本文系統(tǒng)的復雜度走勢始終低于另外兩種系統(tǒng)，隨著實驗次數(shù)的增多，本文系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度最大值為39%，多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)的復雜度最大值為98%,，磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的復雜度最大值為82%，實驗數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)復雜度較低。

圖9 系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度對比測試結(jié)果

2.2.5 系統(tǒng)成本分析

由圖10可知，對系統(tǒng)成本進行了7次測算，從整體測算結(jié)果中可以看出，本文系統(tǒng)的成本最低，多相并聯(lián)的15kW無線電能傳輸系統(tǒng)與磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的成本相對較高，為本文系統(tǒng)成本的3倍左右，實驗數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)成本較低。

圖10 系統(tǒng)成本對比測試結(jié)果

表2 多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)遠傳消耗時間測試結(jié)果

表3 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)遠傳消耗時間測試結(jié)果

表4 本文系統(tǒng)遠傳消耗時間測試結(jié)果

由表2、表3、表4可知，三種系統(tǒng)的遠傳消耗時間對比中，多相并聯(lián)的15 kW無線電能傳輸系統(tǒng)經(jīng)過4次遠傳消耗時間測試后，時間消耗平均值分別是21.57 s、22.52 s、23.58 s、24.31 s；磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)經(jīng)過4次遠傳消耗時間測試后，時間消耗平均值分別是19.11 s、19.71 s、20.41 s、21.16 s；本文系統(tǒng)經(jīng)過4次遠傳消耗時間測試后，時間消耗平均值分別是8.75 s、8.95 s、9.14 s、9.34 s。實驗數(shù)據(jù)表明，本文系統(tǒng)的耗時最短。

綜上所述，在諧波背景下本文系統(tǒng)在進行電能計量數(shù)據(jù)遠傳時遠傳精度較高、遠傳速度較快、遠傳時間消耗較短，效率高，且本文系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度與系統(tǒng)成本均低于其他系統(tǒng)。

3 結(jié) 語

文章設計諧波背景下非線性供電系統(tǒng)電能計量數(shù)據(jù)遠傳技術，從硬件設計、軟件設計兩部分描述其遠傳過程，實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的魯棒性最大值是0.45，最小值是0.26，相對于另外兩種系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性；遠傳誤差率增長趨勢整體分為多個階段，平均遠傳誤差率控制在0.23左右，整體較為穩(wěn)定，相對于其他兩種系統(tǒng)本文系統(tǒng)具有遠傳誤差小的優(yōu)勢；本文系統(tǒng)遠傳速度增長率最大值為98%，遠傳速度遠比另外兩種系統(tǒng)的遠傳速度增長快，遠傳效率高；且實現(xiàn)復雜度和系統(tǒng)成本均低于其他兩種系統(tǒng)；本文系統(tǒng)經(jīng)過4次遠傳消耗時間測試后，時間消耗平均值分別是8.75 s、8.95 s、9.14 s、9.34 s，相對于其他兩種系統(tǒng)，本文系統(tǒng)具體耗時低的優(yōu)勢。