一种智能电网在线监测终端的研究与设计

2012-11-10张小冰浙江东方职业技术学院工程技术系浙江温州325011

长江大学学报(自科版) 2012年13期

关键词：农网三相温州

张小冰(浙江东方职业技术学院工程技术系，浙江温州 325011)

刘刚(温州科技职业学院信息技术系，浙江温州 325011)

熊帮国，吴誉(浙江东方职业技术学院工程技术系，浙江温州 325011)

肖臣章(乐清智华电气有限公司，浙江温州 325011)

一种智能电网在线监测终端的研究与设计

张小冰(浙江东方职业技术学院工程技术系，浙江温州 325011)

刘刚(温州科技职业学院信息技术系，浙江温州 325011)

熊帮国，吴誉(浙江东方职业技术学院工程技术系，浙江温州 325011)

肖臣章(乐清智华电气有限公司，浙江温州 325011)

比较了城市电网与农村电网智能化模式的不同，针对农网的特点和需求，重点研究解决农网智能化建设中配电网自动化等关键性技术问题。利用交流采样原理和双核控制系统结构，消除无功功率的“不对称误差”，设计了一种智能远动终端(RTU)，对电网的运行及电能管理实现在线监控。研究结果表明，该装置的相关技术指标达到了1级表的精度，其价格只有同类进口产品的60%,该产品的研制为推进农网的智能化改造具有重要的现实价值。

智能电网；智能远动终端(RTU)；在线监控

智能电网(Smart Grid) 具有坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等特征，是未来电网发展的一种趋势[1-5]。智能电网主要由4个部分组成：高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)及高级资产管理(AAM)，其中每一部分都有许多新技术需要研究与开发[6]。智能电网的建设和发展是一个多学科交叉的新兴学术领域，需要从多个角度统揽问题[7]。近年来，智能电网在我国也逐步得到了重视，但从研究现状和产业化进程来看，与欧美发达国家相比，我国完全成熟并产业化的成果相对较少。我国有着广大的农村，是我国未来经济增长的重点区域，也是用电负荷大幅增长的潜力区域，由于城乡区域经济发展水平和能源结构的差异，决定了我国电网的智能化道路与欧美日等发达国家不同，所以实现农网的智能化是我国电网智能化的突出特点。但是，农网结构薄弱、设备老化、发展不平衡及资金缺乏等问题突出，所以，要根据我国农村的现实需求及经济承受能力，加大相关技术领域的研究并实现产业化，降低农网智能化改造成本，成为一种迫切的需要。

笔者主要阐述了智能在线监测终端的系统结构设计、算法原理及测试结果，研究结果表明，相关的技术指标符合设计要求，与国外同类产品相比，该智能监测终端功能实用，性价比高，为农网的智能改造(配网自动化)提供了一个有价值的方案。

1 智能终端结构

图1 智能终端系统硬件结构图

智能终端采用DSP+MCU的双核系统结构，测量部分采用三相SOC测量芯片，控制器是SOC混合信号处理器，系统结构图如图1所示。该系统运用了SOC片上系统设计思想，使得系统结构紧凑、体积小，便于安装；在功能设计上充分考虑了软硬件资源的合理配置，有效地降低了软件设计的复杂度。

1)测量芯片测量芯片是美国IDT公司2011年12月新推出的IDT90E36,该芯片不仅具有强大的电参数测量和电能计量功能，还具有带总谐波失真 (THD) 检测的片上离散傅立叶变换 (DFT) 分析引擎，同时该芯片功能配置灵活，这些特点使得系统设计具有较强的灵活性。IDT90E36利用内置的高速DSP信号处理器，对采集的电压、电流信号进行运算处理后，通过SPI接口，把运算结果送到微处理器。

2)控制器微控制器是美国Cygnal公司推出的SOC混合信号处理器C8051F040，其内置资源丰富，性价比高，开发工具容易获取。C8051F040控制器的主要任务是对采集的数据进行管理和存储，通过CAN总线与智能LCD进行通讯，实现本地人机交互；通过GPRS通信模块与调度控制中心进行远程交互。

2 算法原理

按照设计要求，智能终端包括4大功能：多参数测量功能(如电压、电流、频率、功率因素等参数)、电能计量功能(如基波有功能量、谐波有功能量、视在能量等)、电能质量管理功能(如闪变、谐波含量、不平衡度等)、事件监测功能(如失压、缺相、过零监测等)。这里笔者重点阐述了消除“不对称误差”的无功功率、三相不平衡度及THD算法原理。

图2 三相三线制线路的等效负载

2.1消除“不对称误差”的无功功率算法原理

目前在电力系统中使用的感应式三相无功电能表等都是用有功来测量无功，在三相电压、电流对称的情况下能理论上准确表达无功功率。但在实际中，三相电压、电流不可能对称，其计算的结果将带来相当大的附加误差，随着系统不对称程度的增加，其误差也随之增大，实践证明，有时“不对称误差”为“允许测量误差”的7倍多[8-9]。

为了消除不对称误差，必须推导出一个不带“不对称误差”的无功功率准确表达式。如图2所示，设三相负载电压、电流均不对称，由复功功率有：

S=UAIA+UBIB+UCIC=UAIA+UB(-IA-IC)+UCIC

三相三线制总的无功功率Q为：

(1)

式(1)即理想的三相三线制输电系统中负载不对称情况下无功功率的准确表达式(不含高次谐波)。

IDT90E36计量芯片是对交流电压、电流信号直接采样，对采样的数据序列进行离散快速傅里叶变换(FFT)。该设计中采用的是基2FFT算法，一个周期采样点N=32。利用IDT90E36采样所得的瞬时值u0,u1,u2,…,u31及i0,i1,i2,…,i31，电压有效值U、电流有效值I、单相有功功率P、单相无功功率Q的计算公式如下：

(2)

由式(1)和式(2)，得出三相三线制总的无功功率表计算式为：

(3)

2.2三相不平衡度算法原理

(4)

(5)

按照式(5)的要求，要测量出每相电压的大小和相位，再按照对称分量法计算出正序分量和负序分量，才能计算三相不平衡度。由于该方法要计算复杂的相位，计算比较繁琐，文献[10-11]对其方法进行改进，只需要求出3个电压的幅值，就能计算出电压不平衡度，计算公式如下:

2.3总谐波失真(totalharmonicdistortion，THD)算法原理

在电网中，由于大量的非线性器件如整流二极管、整流器等的使用，产生了大量的谐波，其危害巨大，如引起变压器发热增加，缩短变压器的使用寿命，使继电保护及自动化装置产生误动作等，同时还影响了电能计量的准确性[12-13]。在《公用电网谐波》(GB/T14549-1993)和新修订的《公用电网间谐波》(GB/T24337-2009)中都明确规定了公用电网的谐波含量：0.38kV为5.0%，6～10kV为4.0%，35～66kV为3.0%，110kV为2.0%。IDT90E36自带了谐波含量分析引擎，在基波相移因素大于0.90以上时，其计算是准确的，当相移因素较小时，误差就比较大。因此，设计中对总谐波含量计算进行了修正，考虑到了相移因素的影响，计算公式如下：

(6)

式中，PF功率因素是交流输入总有功功率和总输入视在功率的比值；cosφ是基波电压和基波电流的相移因素，当cosφlt;0.75时，采样式(6)计算总谐波含量较准确。

3 试验结果

系统设计完成后，对其功能进行了测试(测试条件：IN=0.5A,Imax=12A,UN=380V，脉冲常数为6400imp)，并对测试的数据进行了误差分析，部分测试数据如表1和表2所示。因为在软件设计上采用了2FFT算法，需要进行多次乘法和加法运算，为了提高测量精度，在软件上重点考虑了4项误差：舍入误差、计算顺序误差、小除数误差及电路误差，对测量数据进行了误差修正，试验结果表明数据处理正确，误差在1级表允许范围内。