电能质量管理系统（精选12篇）
电能质量管理系统 篇1
0 引言
影响电能质量的原因主要有3个方面:一是诸如雷击、风暴等恶劣天气造成的短路、断路、漏电等电网事故;二是随着各种电力电子器件的广泛应用,自动保护装置作为电子器件上必不可少的一部分,在很大程度上会对电能质量造成不良影响[1],如一些大型电力设备的启停、自动开关的断开及闭合都会使公共电网的电压暂时降低、产生波动与闪变等;三是一些终端用户使用的非线性负载和冲击性负载造成电能质量下降,如炼钢电弧炉、电气化机车等设备的运行会产生大量的谐波电流,这些谐波电流注入电网后,会产生比较明显的电压扰动[2]。
解决电能质量相关问题主要包括电能质量在线监测、分析和针对具体电能污染而进行的自动识别和补偿等[1],为了能达到电网中电能质量的全面监测,就必须对各种反映电能质量的重要参数进行实时计算、跟踪和分析[3,4,5]。本文设计了一种基于DSP芯片TMS320F2812的电能质量监测系统,主要针对线路保护中的电压、电流、功率、功率因数、频率、谐波等电力参数进行检测及计算。
1 系统总体设计
电能质量监测系统由3个部分组成:(1)前端信号采集电路,主要由电压、电流互感器和一些运算放大器构成;(2)下位机,包括一些基本电路和通信电路,选用的主处理器是TI公司生产的DSP芯片TMS320F2812,并用其内嵌的AD转换器进行数据转换;(3)上位机分析软件。系统结构如图1所示。
1.1 前端信号采集电路
电压互感器输出的电压信号幅值远远超过AD转换器的输入范围,且电流互感器的输出为电流信号,而AD转换器只能转换0~3 V电压信号。因此,设计前端采集电路解决上述问题。前端信号采集电路如图2所示。
图2中,J1为电压信号接入端,J2为电路的供电电源端,J3为电压电流信号调理后输出端,可直接接入AD转换器。电压互感器SPT204A和电流互感器SCT277的输出均为电流信号,当SPT204A额定工作时,输入输出均为2mA电流,所以在其输入端放置一大电阻将电网电压转换为互感器可用输入电流信号。放大器前段反向并联的2个二极管起保护作用,防止输入信号过大烧毁器件。在运放反馈通道上并联可调电阻和电容,起到补偿相移的作用。被测的正弦波信号经调理后得到的是双极性信号,而TMS320F2812的AD转换器是单极性的,只能接收单极性信号,因此,在互感器电路后接电压抬升电路,进一步调整电压电流信号,将其转化为0~3V的电压信号后,再进行AD转换。IC1被设计为加法器,可实现2路电压的叠加进而实现对电压的抬升。TL431为TI公司生产的三端可调分流基准源,其作用是在输出端用2个电阻就可任意设置从Vref(2.5V)到36V的稳定输出电压。
1.2 下位机
(1)存储器扩展电路
TMS320F2812内自带的18K×16bits的数据存储器为单周期访问RAM,且访问速度不高。该电能质量监测系统的数据采集量大、采样速率要求高,后续开发中使用到的信号处理相关数据库会大大增加程序代码,因此,采用了IS61LV25616AL256K×16bits的高速静态RAM作为外扩存储器,其扩展电路如图3所示。
(2)键盘和液晶显示电路
下位机中加入了8个按键K1~K8,K1用于清除所有数据,K2用于启动定时器采集数据并计算出电压频率,K3采用FFT算法计算谐波,K4采用Mallat算法计算谐波,K5将传输结果传送到PC机,K6将数据通过CAN总线进行发送,K7和K8为预留按键,可进行功能扩展。
采用1602字符型LCD作为显示屏,系统启动时,显示屏根据用户的操作显示相应信息,并在计算出相关参数后进行简单显示。
(3)USB接口电路
系统采用高速USB接口实现数据通信功能,USB接口将采集到的数据和一些计算结果通过下位机传送到PC机完成相关波形和结果的显示。USB接口电路如图4所示。
(4)CAN总线电路
由于电能质量监测系统工作在高磁场的环境中,存在电磁干扰,为了实现可靠、稳定通信,采用CAN总线。TMS320F2812内部集成了增强型控制局域网络模块,在具有电磁干扰的环境中,也能使用标准的CAN协议与其他控制器串行通信。CAN总线电路如图5所示。
1.3 上位机分析软件
电能质量监测系统采用C#语言在Visual Studio开发环境下设计上位机分析软件。该软件基本功能大致分为两大块,分别为控制模块和显示模块,其结构如图6所示。
通过上位机对分析软件的操作,用户可以给下位机发送一些基本的控制命令,监控系统的运行,如A/D采样、选择谐波计算方法、USB传输数据等。在上位机显示界面中,可以设定并显示系统时间、选择读取数据的端口并检测端口状态、显示采样得到的电压电流波形、显示下位机计算得到的各个计算结果。
2 系统调试与运行
2.1 系统调试
将电能质量监测系统接入电网中,利用前端信号采集电路采集电压和电流信号,并送入TMS320F2812进行AD转换,在TMS320F2812调试环境中显示AD转换后的电压和电流波形分别如图7、图8所示。从图7、图8可看出,电压和电流波形均接近理想正弦波,表明前端信号采集电路与AD转换器工作正常。
为测试下位机与上位机之间是否通信正常,将上述电压、电流波形数据通过USB接口传到PC机中,上位机显示结果如图9所示。
2.2 运行结果
将电能质量监测系统接入电网中,对各种参数进行计算,并在液晶显示屏上进行相关显示。得到的电压偏差值为1.86%,频率偏差值为1.17%,功率因数为0.81,电压基波相位角为8.114 4°。系统在使用时,计算谐波可采用FFT和Mallat两种算法,通过下位机键盘操作可选取所用算法,利用FFT算法计算出的总谐波含有率为6.27%。上位机显示的谐波数据结果如图10所示。
3 结语
基于数字信号处理芯片TMS320F2812设计了一种多功能电能质量监测系统,介绍了该系统的硬件电路及软件结构。实验结果表明,该系统具有较好的监测效果,可实时检测及计算电压、电流、功率、功率因数、频率、谐波等电力参数。
参考文献
[1]程浩忠,艾芊,张志刚,等.电能质量[M].北京:清华大学出版社,2006.
[2]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社,1998.
[3]兰吉昌.TMS320F2812DSP应用实例精讲[M].北京:化学工业出版社,2010.
[4]朱延涛.配电网电能质量在线监测装置的研究与开发[D].天津:天津大学,2005.
[5]杨富康.基于FFT电网谐波检测方法的研究[D].西安:西安科技大学,2009.
电能质量管理系统 篇2
Acrel-3000电能管理系统在罗店镇市民服务中心的应用
王炜栋
1安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定 201801；
摘要：介绍罗店镇市民服务中心，采用智能电力仪表，采集配电现场的各种电参量和开关信号。系统采用现场就地组网的方式，组网后通过现场总线通讯并远传至后台，通过Acrel-3000型电力监控与电能管理系统实现配电回路用电的实时监控和管理。
关键词：罗店镇;罗店镇市民服务中心;智能电力仪表;Acrel-2000/3000型;电能管理系统
0 概述
罗店镇位于宝山区西北部，东与杨行、月浦两镇接壤，西隔杨泾与嘉定区相望，北与宝山工业区为邻，南与顾村镇相连，距市中心24公里，是一座既有江南水乡自然风光，又有悠久人文内涵的历史古镇。全镇现辖行政村15个，居委14个。镇域面积44.19平方公里，人口逾26万。
本项目是为罗店镇市民服务中心楼层配电部分的电能管理系统。
需求分析
现场为一座8层楼房。电能管理系统需要实现数据集中管理、分析处理。软件大概功能要求如下：
电压、电流、功率、功率因数及频率等监测信息实时刷新，并以一次图形式直观动态显示。各回路子画面上显示该回路各电参量、回路名称、电流越限值等信息。
对各回路的电流绘制趋势曲线，便于分析该回路配电运行工况。
对各回路的电能集抄功能，并可生成时间段内符合客户管理需求的用电报表。
本技术条件适用于罗店镇市民服务中心楼层配电箱电能管理系统。供方产品应具有高安全性与可靠性、易于扩展、便于维修与维护。供方提供的产品应至少满足本技术条件，但不仅限于此，其技术性能应满足对配电室数据监控的要求。系统方案
管理系统主要实现罗店镇市民服务中心楼层配电箱实时用电监测与电能管理。监控范围为8层楼内的10只多功能仪表。现场多功能仪表通过一条总线接入值班室采集器，再将通过采集器连接到监控主机，从而在监控主机上实现总线上仪表与监控主机的数据连通。如下图所示：站控管理层、网络通讯层和现场设备层。
电能管理系统网络拓扑图
1）站控管理层
站控管理层针对电能管理系统的管理人员，是人机交互的直接窗口。在主要指置于值班室的工控机、显示器、UPS等。2）网络通讯层
通讯层主要是由NPORT5610-8串口服务器、以太网设备及总线网络组成。NPORT5610-8串口服务器主要功能是监测现场智能仪表；以太网设备及总线网络的主要功能是实现数据交互，使配电系统管理集中化、信息化、智能化，极大提高了配电系统的安全性、可靠性和稳定性，真正达到了无人值守的目的。3）现场设备层
现场设备层是数据采集终端，主要由智能仪表组成，智能仪表通过屏蔽双绞线RS485接口，采用MODBUS
安科瑞电气股份有限公司
以及主要的电参量。主要数据包括：三相电流，三相电压，进线回路的功率、电能、功率因数、回路名称，和出线回路的电流、回路名称。
系统图的各个回路图标和母线图标在没有通电时会显示绿色，上电后会显示红色，以此区分。
通讯状态
通讯状态功能说明
通讯状态能够看到整个系统接入的仪表，本状态图具有系统网络诊断功能。能实时监控系统网络通讯状态，出现网络故障时，系统自动显示故障线路及具体单元。电参量报表
电参量报表功能说明
设置查询的时间，点击查询按钮即可查询历史某时刻的各个回路的电参量报表。主要数据包括：三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率补偿因数、电能。
该报表包含所有的回路。帮助用户了解每个时刻系统运行中是否出现电压不稳定，电流越限，功率、功率因数是否符合要求。以次为依据，对系统进行更好的管理和优化。
该报表可以以电子表格的方式导出和具备打印功能.电能报表
电能报表功能说明
对用电量的管理以报表形式呈现，该报表可以呈现系统运行期间的任意时间段内的各回路用电。并且也可以以电子表格的形式导出和打印。电流曲线 电流曲线功能说明
选择一个回路后，回路名称会在窗口上方显示。曲线图表的X轴表示时间跨度，Y轴表示量程。进行刷新曲线，可显示选定回路的一天和七天的历史曲线显示。
电流曲线可以帮助用户进行电能质量分析和故障分析。报警及事件 实时报警
实时报警窗口分为“遥测实时报警”、“遥信实时报警”，分别监测系统所采集的遥测量和遥信量。报警窗口会在系统运行时自动打开，并一直隐藏在后台。
电能质量管理系统 篇3
关键词:电能质量;同步采样;DDS;FPG
中图分类号:TM933.4 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)07-0094-01
随着人们对电能质量要求的日益提高,如何保证电能质量就成为一个热门话题。电能作为现代社会中最为重要的二次能源,应用越来越广泛,其应用程度已经成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着大量的电力电子装置及非线性负荷注入电网,使得各种各样的电能质量问题日益严重。电能质量问题不仅对电力系统本身的安全和稳定性造成严重威胁,也对系统中的用户造成危害,因此研制一种电能质量的实时监测装置具有十分重要的意义。
一、设计方案
系统结构见图1,FPGA主要实现AD芯片的模式配置、DDS模块、同步采样模块等结构性模块。NIOSⅡ对频率、采样率调节等计算模块进行控制。模拟信号转换电路主要提供AD采集需要的2.5V交流电压和信号。通过对基波频率的测量计算出频率控制字,来控制DDS模块输出的频率,从而调节A/D芯片的采样时钟完成同步采样。同步采样模块,主要完成对AD数据的读取,并通过光纤数据传输模块传输到上位机,上位机对数据分析计算,波形和参数由摸式液晶屏显示。
图1中,主控制芯片采用EP3C25672以Nios II为控制核心,同时添加DDS(直接数字频率合成)模块、A/D转换控制模块、模拟信号转换模块、串行通信高速UART模块等,实现了采样的高度集成。
数据采集、数据倒位序处理、FFT变换、数据取模运算、本人就如何处理前面4个过程进行说明,所使用的数据是使用软件仿真生成可用数据进行测试。
(一) AD采集
测试代码如下:#define PI (3.1415926);#define PI2 (2*PI)
Complex SinTab[64],VialCode1[64];//定义复数数组,complex定义在FFT.H中。
PIdot = PI2/8; // 确定一个周期内产生8个点的数据
for(i1=0;i1<64;i1++) //产生正弦信号数据
{SineValue[i1] = 2.3+0.283*cos(PIdot*(i1%8)); //使用cos函数模拟生成每周期8个采集点的数据源。
VialCode[i1] = SineValue[i1]/0.00122;//假设AD的分辨率为1.22mV,将上面产生的模拟信号,编码成AD采集到的数据。即通常从AD读出来的就是这个数据,产生的波形}
{VialCode[i1]=sqrt(VialCode1[i1].real*VialCode1[i1].real+VialCode1[i1].img*VialCode1[i1].img );//波形图中办取了第0和第9点的数据。}
如AD采集频率为400Hz,则频率的分辩率为:400/64=6.25HZ。如果要看50Hz的信号,则50/6.25=8,即交流分量的第八个点上。
(二)数据处理
在使用FFT处理数据时,有两个参数:采集频率、采集点数是很重要的。对于AD所采集到的数据,无论是单极性数据,还是双极性数据,均可以直接进行FFT运算,结果都会是一样的。我们应用FFT的典型应用就是利用STM32F103C8T6所设计的一个12通道50Hz交流电流信号采集的终端设备。
二、数据传输模块及上位机系统
数据采集并处理之后,就要进行传送。由于电能质量数据一般是现场采集同步传输,不仅数据量大而且传输距离相对较远,而采用光纤传输不仅速度快而且抗干扰能力强,所以本系统的数据传输部分主要采用光纤以UART通信模式传输到上位机,上位机系统采用工业型采集主板,采用Labview软件根据采样数据计算各项参数。上位机软件设计完成了应用LabwindowsCVI上位机分析处理平台编写的HMI显示操作界面,并开发了串口接收程序模块、数据分析程序模块和数据显示程序模块。 利用搭建的电能质量硬件电路,结合上位机进行了一系列测试,包括频率值和畸变率值的测量、信号调理单元、数据通讯和数据压缩功能的测试。结果表明,测试值都在国家标准的误差范围内,证明该电能质量监测装置具备一定的可用性。
DDS(Direct Digatal Synthesizer)直接数字合成器,是从相位的概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。通常一个DDS模块由相位累加器、加法器、波形存储ROM和DA构成;但是本设计中只需要产生方波即可,所以去掉了DA转换器,其原理如下图所示:
三、实验结果与总结
该平台对标准的三相电实验运行监测,三相电压曲线如图所示。该图为Labview根据光纤上传的数据产生的三相电压曲线,说明该平台符合设计要求。
本文给出的基于FPGA的同步采样平台,有效改善了电能质量中谐波计算所需的同步采样问题,极大的提高了电能质量分析平台的性能具有一定的推广价值。
参考文献:
[1]江川,杨洪耕.基于并行数据处理结构的电能质量在线监测[J].继电器,2005,33(5):47-55.
[2]金燕,葛远香,梁玲飞,方迎联.基于SOPC的电能质量在线监测仪的设计[J].浙江工业大学学报,2008,36(6):664-667.
[3]韦向敏,赵春宇.基于异步采样的在线电能质量监测仪[J].电力系统及其自动化,2011,33(3):23-25.
电力系统电能质量问题探析 篇4
1.1 电能质量的含义
造成用电设备故障或者误动作的任何电力问题都是电能质量问题。一般说来, 电能质量应该涵盖以下几个方面: (1) 电压质量。电压质量是实际电压与理想电压的偏差, 反映了电网是否能向用户供应合格的电能。 (2) 电流质量。电流质量反映了电流的变化, 合理控制电流质量有助于降低线损。 (3) 供电质量。供电质量包含供电可靠性及服务质量。 (4) 用电质量。用电质量主要反映供电企业和用户之间的相互作用。
1.2 提高电能质量的作用
相较于传统用电设备, 现在很多设备对电能质量的要求越来越高, 用户对电能质量的认识也在日益加强。而电能质量恶化会造成很多问题, 如线损严重、保护装置异常等。电力市场的不断开发和逐步完善, 使得提高电能质量成为必然要求, 电能质量的提高能够节约大量的能源, 降低生产成本, 最大限度地满足用户的用电需求, 同时也能为供电企业节省大量的电力建设投资。
2 造成电能质量问题的原因分析
导致电能质量产生问题的原因是多种多样的, 但归纳起来主要有以下几点: (1) 电力负荷的构成在不断发生着变化。目前, 我国电力系统中存在着大量非线性和快速变化的负荷, 如提升机、轧机和马达群组等, 它们的电力负荷是难以准确预测的。 (2) 在实际工作中, 由于大量非线性和快速变化的电力负荷设备在使用过程中会产生非正弦波形电流, 向电网中引入谐波电流, 这就会导致公共连接点的电压波形发生严重畸变, 甚至可能导致电力事故的发生。 (3) 大型电力设备的运行和保护装置的启停等, 会使得额定电压短暂降低, 产生电压波动, 从而影响到电能质量。理论上, 发电机会在磁极的作用下产生按正弦分布的磁场, 此时产生的感应电动势为理想的正弦波。但是在实际工作中, 产生的感应电动势中总会包含一些谐波, 从而对电能质量产生影响。
3 电能质量污染造成的影响
随着科学技术的发展, 越来越多的现代设备需要高质量电能的供应, 同时也将更多的电能质量污染引入了电网。通常情况下, 将电能质量污染分为暂态电能质量污染和稳态电能质量污染, 对这2种电能质量污染的影响进行详细分析, 有助于寻求具体的防治对策。
3.1 暂态电能质量污染造成的影响
暂态电能质量污染主要是暂态电压和由于外界干扰所导致的电网系统冲击问题, 表现为电压跌落、瞬间电压中断、浪涌和电压脉冲等。其中, 电压跌落最为常见, 且造成的影响最大。具体说来, 当电压低于90%且持续2个星期以上时, 精密机械工具会停止工作;当电压低于85%时, 芯片制造业的芯片会受损, 测试仪将停止工作;当电压低于81%时, PLC将会停止运行;当电压低于80%时, 制冷电机的控制器会对其进行切除, 从而造成巨大损失, 此时, 还会造成直流电机保护的跳闸;当电压低于70%且持续时间超过6个星期时, 调速电机会跳闸停止运行;当电压低于60%且持续时间超过12个星期时, 会对计算机的正常工作造成影响, 导致数据的丢失;当电压低于50%且持续时间超过1个星期时, 交流接触器会脱扣。
暂态电压跌落对各个行业都有可能造成巨大的危害, 如:由于系统干扰所导致的暂态电压跌落, 当电压低于90%时, 会导致自动纺织和拉丝制造等工序跳闸, 从而中断它们的正常运作;由于系统故障所导致的暂态电压跌落, 当电压低于90%时, 会导致奶粉制造工序中的吹干电动机跳闸, 由于吹干电动机的重新启动需要很长时间, 因此会造成未处理的鲜奶变质;
由于系统干扰所导致的暂态电压跌落, 当电压低于87%且持续时间超过0.12 s, 或当电压低于90%且持续时间超过0.01 s时, 芯片制造工序会停止, 从而导致芯片的毁坏;由于雷击所导致的暂态电压跌落, 当电压低于90%时, 会造成造纸工序的调速电机调整, 从而造成整个工序的中断。
3.2 稳态电能质量污染造成的影响
在稳态电能质量污染中, 谐波污染是最普遍且影响最大的, 其可能产生的危害主要有以下几个方面:汽轮发电机转子的负序温升和谐波比定子大, 会产生局部高温现象, 因此特别敏感, 当存在谐波污染时, 会导致局部因过热而受损, 同时会使发电机产生附加振动而引起机械疲劳和损伤;谐波污染会导致电力变压器绕组产生附加损耗, 同时还会导致某些零件的局部过热, 从而减短电力变压器的使用寿命;谐波污染具有很好的频率, 因此所产生的附加损耗会非常大, 导致电缆绝缘的老化和介质的升温, 从而使电缆的使用寿命大幅缩短, 并且电缆的额定电压越高, 谐波污染所造成的线损也就越严重;谐波污染会在基波量的基础上对继电保护和自动装置产生干扰, 影响其正常工作;对于通信、计算机、有线电视等弱电系统设备, 谐波污染会通过各种方式耦合到这些系统中, 对它们的正常运行产生干扰;电力测量仪表在测量时受谐波的影响很大, 因此谐波污染会导致电力测量结果的偏差。
4 电力系统提高电能质量的方法
从前文的分析可知, 电能质量的优劣会对很多设备的运行产生影响, 甚至可能造成巨大的经济损失或引发安全事故, 因此必须尽可能地提高电能质量。
4.1 对电压偏差的控制
对电力系统的电压进行调整, 旨在通过各种方法来确保不同运行方式下, 用户的电压偏差都符合国家的相关标准。主要方式有以下几种: (1) 对中枢点电压进行调整。由于电力系统的结构比较复杂, 要对其中每个电力设备的电压都进行调整既不现实也没有必要, 因此可以采用对中枢点电压进行调整的方式。所谓中枢点电压调整, 就是对能够反映电力系统电压水平的主要发电厂和变电站的电压进行调整。 (2) 对发电机端电压进行调整。发电机是无功电源, 因此可以采用对发电机端电压进行调整的方式。 (3) 利用调压器来对电压进行调整。一般情况下, 可以通过变压器分接头调压、有载调压变压器调压和加压调压变压器调压。 (4) 改变电网无功功率分布来对电压进行调整。
4.2 对频率偏差的控制
利用调速器来对频率偏差进行一次调整时, 只能对那些幅度较小且周期较短的负荷变动引起的频率偏差进行调整。对于幅度较大且周期较长的负荷变动, 需要依靠二次调整来对其产生的频率偏差进行调整。
4.3 对谐波的控制
对谐波污染主要可以从以下方面进行控制: (1) 降低谐波源的谐波含量。在实际工作中, 可以通过增加可控硅变换装置脉冲数、改变供电系统的工作方式以及降低发电机产生的谐波等手段来减低谐波源的谐波含量。 (2) 通过在电容器回路中串接电抗器来对谐波进行调整。 (3) 安装交流滤波器或有源滤波器来对谐波进行调整。 (4) 合理选择供电电压, 增加供电系统容量。
4.4 对电压跌落的控制
对电压跌落进行控制的根本途径是采用动态补偿技术。根据动态电能质量调节装置的连接方式和补偿信号种类的不同, 可将动态补偿技术分为以下2种: (1) 串联电压补偿。串联电压补偿是通过在供电电压跌落期间快速地向电力系统内注入频率、幅值和相角都可变的三相电压与供电电压相串联, 从而来抵消电压的跌落部分。 (2) 并联电流补偿。并联电流补偿是通过在供电电压跌落期间快速地向电力系统内注入与畸变电流分量极性相反且大小相等的补偿电流, 来抵消负荷电流畸变所产生的影响。
5 结语
随着经济与社会的发展, 作为主要能源之一的电能在人们的日常生产和生活中发挥着越来越重要的作用, 因此, 其质量的优劣也受到了整个社会的关注。本文中, 笔者就详细探讨了这个问题, 以期找出提高电能质量的方法, 更好地为人们生产、生活服务。
参考文献
[1]陈志业, 李鹏.电能质量及其治理新技术.电网技术, 2002, 26 (7)
[2]林海雪.现在电能质量的基本问题.电网技术, 2001, 25 (10)
[3]戚国彬.电压质量评定与谐波手册.中国电力出版社, 2000
电能计量采集系统的应用与实现 篇5
摘要：作为一种重要的自动化电力系统，电能计量采集系统十分复杂，它将集合主站系统，电能采集终端，电能表，辅助设备系统等多种功能和多个环节为一体，而在整个环节当中，用于主站和终端通信的采集软件是否能够做到稳定和实用，起着最为重要的作用，本文根据实际工作经验，介绍相应的电能计量采集系统的改造和硬件架构，并根据情况，介绍对此系统优化和改造的过程，使其真正符合电力生产的具体需要。
关键词： IEC102；电能计量采集；设计
一般来说，电能计量管理系统包含对计量点、在线计量设备、计量标准、计量法规法制、计量信息等问题的管理。随着科技的发展，电能采集系统的已经改变了原有的通过人工计算的传统方式，更好地对某地点电量进行相应的采集、计算和管理，提高电能核算的效率，但与此同时，我们在系统的设计和使用中，过分重视系统功能的多样性，便导致系统的稳定性有所降低，所以，这需要各类系统维护人员进行系统合理的设计和改造，使之满足电力计量采集的具体需要。
一、电能计量采集系统硬件架构和改造问题简析
原始的采集系统架构与重新设计和改造后的采集系统架构有着极大的不同，最早的系统其设备的运行，都必须在连接到交换机后再进行联系，在进行一段时间的日常运行后，由于它和其它的系统出现了一系列冲突，且数据库很容易全线瘫痪，容易引起采集通道问题，因此为了有效系统的稳定性和多功能性，我们对系统进行了第一次的设计改造，主要是将数据库系统设置在主站系统服务器的虚拟机当中，相当于两套具有同样功能的系统同时运行，提高了运行的稳定性，并有效优化了网络的拓扑设置，通过防火墙，实现内部网和外部网的通信联系。在第一次的系统设计和改造后，通道堵塞的问题被有效解决，系统的安全性被提升，并且因为两台服务器同时运行，假设有一台服务器的数据库发生故障，对电能的计算也不会产生影响。
二、利用键盘模拟手段实现不同软件之间数据接口
2.1 软件接口问题
在构建电能量自动采集系统之前，一般都是采用人工的手段，进行人工的电子表格和核算系统使用，在自动化的采集系统构建后，可以提取数据后，利用主控室的电脑现实数据，但是由于采集系统和核算系统的非一体性（不是同一厂家生产），若不实现共享，那么电能计量采集系统的的功能就会受到很大影响。
因此，为了解决问题，需要进行采集系统和核算系统厂商之间的协商和沟通，一般来说，采集系统采集电能数据指后，将其存储在自身数据库当中，相应的核算系统软件通过约定的数据结构，定时访问采集系统相应的数据库，并将其保存到相应的生产数据库当中，遇到交接班时间，从生产数据库中提取数据。由于其中环节复杂，容易导致计算错误，这对系统的精密性产生了巨大的挑战和问题，所以，为了保证系统的稳定和严密，需要进行几方系统的协调，避免系统的精确性的问题，解决系统的稳定性问题。
2.2 接口解决方案
为了减少中间的环节的影响，我们根据实际需要，进行了接口解决方案的使用和开发，这个方案相当于将人工完成的各项工作交给机器，其基础是不对原来各系统的功能和结构进行改变。这种接口方案，一般是在原有的系统基础上对各个系统的数据进行协调共享，在不进行改动的前提下进行修改，其优点是简易、不改变原有设计和程序。基于IEC102规约的采集程序的设计
3.1 通信规约
在电能计量采集系统中，其最重要的数据传输工具为“电表数据传送到采集器”、“采集器数据传送到主站”，这都需要依靠通信规约。通过了解，我们发现厂家一般选择IEC102规约来进行表计时维护，这种手段十分稳定，甚至能表计停电后依然进行表码数据的采集。所以，需要在自动化原则引导下，开发一个稳定、实用，并结合1EC102规约的软件采集系统，并将其和其他系统进行对接，这就是第二阶段的设计和改造。
3.2 基于IEC102规约的采集程序开发
在改造过程中，充分了解主站程序和采集终端通信的具体工作情况，并有效实现主站和采集终端数据的通信。一般来说，主站和采集终端的通讯是在socket协议基础上，利用IEC102规约实现的。
3.2.1 socket协议简介
socket的英文意思是 “插座”，一般来说，只要了解了终端采集器的IP地址和socket的号码，利用socket协议和各类的编程手段，达到主站和采集终端的连接的效应。
3.2.2 IEC102规约简介
从1996年开始，IEC标准化协会基于电能累计量传输，颁布了IEC 60870-5 102国际标准，这套标准利用非平衡传输规则，也就是在具体的传输过程的启动时，只限制于某一固定点，数据传输时采用的帧格式为ft1.2异步字节传输格式。在本规约中启动端为主站端，而终端设备位于计数站，始终为从动站，主站对各终端执行主从问答方式通讯。
3.2.3 采集软件的基本流程与实现
每一个表计在采集终端中都有一个相应的地址，一般每条总线都是可以固定数量的电能表数据，在采集终端内而表计都有一个固定的编号，采集终端不停循环地采集电表表码，并将其编入相应地址的缓存区中，而主站采集程序就是在预定的时间向终端下令采集每个地址缓存区中的二进制数据。在熟悉了基本原理的基础上，利用各种程序（如VC++&MFC）来编写相应的采集程序，有效利用多线程技术，在运行主站程序的同时，连接各个采集终端，并发出采集命令，在指令得到回复之后，进行编码转换和数据校验，然后再发送一次采集的指令，以检测两次的结果是否相同，如果两次结果相同，那么可以这次采集的结果是正确有效的。一般来说，每个线程能够采集若干电能表，整个采集过程一般在一秒内就可以完成采集，速度较快，并能够实现自动将数据数据库中，利用ASP服务器进行数据发布，并且通过自动录入软件实现和核算系统的对接。整个系统虽然结构比较简易，但功能性和稳定性较高，解决了相应的问题。
四、结束语
众所周知，电能计量采集系统的工作环节和工作原理十分复杂，对计量精度要求较高，所以，需要在改造和设计等方面进行逐步的系统改造和完善。本文根据实际改造和开发经验，对企业相应的电能计量采集系统进行创新地设计和改造，已经达到了良好地效果，实现了系统的稳定运行，有效地解决了系统的稳定性和实用性的问题。
参考文献：
电能质量管理系统 篇6
关键词：电能质量；波形；电压；电流
前言
随着电力设备的应用，电力系统问题已经引起了人们的广泛关注。船舶上的小容量电力系统是一个独立的系统，正常状态下以稳定的频率和幅值对设备供电。但由于电力系统中各种设备的非线性等问题，电力系统往往会出现很多问题，因此要积极研究电力系统，保证船舶电力系统能够的正常工作。
1.电力系统中电能质量的分类
电能质量分为稳态电能质量和暂态电能质量两类。稳态电能质量主要是由于波形畸变导致的电能问题，具体表现为出现谐波、电压闪变、陷波和三相不对称。其中谐波主要是指电压和电流的波形出现谐波，电压闪变的最突出变化是电压的幅值或者调制频率的波动，陷波主要表现在持续时间和幅值上。暂态电能质量主要是由于正弦波发生畸变，其特征是频谱和暂态持续时间。暂态电能质量的具体表现是暂态谐振、暂态脉冲和瞬时电压的上升和下降。其中暂态电能主要表现在波形、峰值和持续时间上，暂态脉冲主要体现在电压上升时间、峰值和持续时间上。
2.船舶上小容量电力系统电能界面要求
2.1电制
船舶上的主电力系统采用三相380V、50Hz的不接地制，主电力系统经过电压器变电后为照明系统供电，照明系统为220V、50Hz不接地制。
船舶上的二次电力系统采用50Hz、380V单相或三相制，也可以是50Hz、220V单相或三相制，或者是50Hz、115V单相或三相制。其中50Hz也可以用400Hz代替。
船舶上用电时，对于大于或者等于5KVA的电器，电压要求选用380V、三相交流电。对于小于5KVA的器械，也首先推荐选用380V、三相交流电，其次推荐选用380V、单向交流电；220V、三相或单相交流电，最后推荐选用115V的三相或单相交流电。对于400Hz的航空设备，要求选用220V或者115V的三相、四线、中性线接地制。
选用电压后，还要考虑频率问题，推荐使用的频率是50Hz和400Hz。
2.2电能界面要求
在用电设备的输入端，设置有电能的供电界面，用电设备内部需遵守供电界面的规定。
用电设备的电力界面应符合一定的规定，在规定情况下用电设备必须能正常使用，同时发电配电设备也有相应的规定。
3. 船舶上小容量电力系统的电能质量要求
3.1电力类型
船舶上的电力分为3种类型，Ⅰ型50Hz电力，Ⅱ型400Hz电力和Ⅲ型400Hz电力。
（1）Ⅰ型50Hz电力。
船舶中主配电系统为50Hz380V不接地系统。通过变压器变成220V50Hz为照明系统供电，转变成三相的220V50Hz向其他设备供电。
（2）Ⅱ型400Hz电力和Ⅲ型400Hz电力。
船舶中的变电设备应该能提供Ⅱ型400Hz电力和Ⅲ型400Hz电力，当前者无法使用时，才采用后者供电。
3.2电能质量要求
以下优选推荐为Ⅰ型电力，其次推荐为Ⅱ型电力，最后推荐为Ⅲ型电力。
（1）电压允差要求。
优选标准：电压有效值380V或者220V，三相电压的平均允差5%以内，任一线电压容差7%以内，电压周期变化允差2%以内。
其次推荐：电压有效值380V或者220V或者115V，三相电压的平均允差5%以内，任一线电压容差7%以内，电压周期变化允差2%以内。
最后推荐：电压有效值380V或者220V或者115V，三相电压的平均允差2%以内，任一线电压容差3%以内，电压周期变化允差1%以内。
（2）频率允差要求。
优选标准：标称频率50Hz，允差3%以内，周期变化允差0.5%，瞬态允差4%以内。
其次推荐：标称频率400Hz，允差3%以内，周期变化允差0.5%，瞬态允差4%以内。
最后推荐：标称频率400Hz，允差3%以内，周期变化允差0.5%，瞬态允差1%以内。
（3）谐波要求。
优选标准：最大单次谐波含量3%以内，正弦畸变率5%，偏离系数5%以内。
其次标准：最大单次谐波含量3%以内，正弦畸变率5%，偏离系数5%以内。
最后推荐：最大单次谐波含量2%以内，正弦畸变率3%，偏离系数5%以内。
应用中首选优选推荐的标准。
（4）电压、电流不平衡允差要求。
优选推荐：线电压不平衡在3%以内，电流不平衡允差在5%以内。
其次推荐：线电压不平衡在3%以内，电流不平衡允差在5%以内。
最后推荐：线电压不平衡在2%以内，电流不平衡允差在15%以内。
（5）暂态和瞬态电压要求。
优选推荐：瞬态电压允差6%以内，瞬态电压恢复时间2s，电压峰值380V系统中为2500V，220V系统中为1700V。
其次推荐：瞬态电压允差16%以内，瞬态电压恢复时间2s，电压峰值380V系统中为2500V，220V系统中为1700V，115V系统中为1000V。
最后推荐：瞬态电压允差5%以内，瞬态电压恢复时间0.25s，电压峰值380V系统中为2500V，220V系统中为1700V。
（6）供电连续性要求。
可靠的供电连续时间可以保证用电设备在突然断电时工作不受影响，当电源突然断电时，电源开关能够迅速转换用电设备至备用电源。要求转换时间在0.5～20s之间，最长转换时间不能超过2min。
（7）浪涌要求。
浪涌电流是指电流瞬间的突升和突降。对于浪涌电流应该做到几下几点。
1）尽量避免用电设备突然启动和工作状态突然变化导致的浪涌电流。
2）当用电设备每天启动小于10次时，浪涌电流的电压跌落应在额定电压的16%以内，或者5%以内。
3）当用电设备每天启动多于10次时，浪涌电流的电压跌落应在额定电压的10%以内，或者3.5%以内。
在船舶中使用电力系统时，应该严格遵守上述的电能质量要求。
4.结束语
船舶中的电力系统是一个小容量的独立系统。电力系统问题直接影响着船舶中各种设备的运行，甚至影响船舶的运行。因此船舶的电力对于航行有着重要的意义。改善电力质量，并提高电力品质，对于提高船舶电力系统的运行稳定性，保证船舶的正常运行有着重要作用。
5.参考文献：
电能质量管理系统 篇7
无论在工业生产还是日常生活中,电力用户对电力的可靠性及电能质量的要求都在不断提高[1]。与此同时,在电力消费领域,现代电力电子设备和非线性负载的大量应用与发展,供电系统中增加了大量的非线性负载,如静止变流器、工业交直流变换装置等。正弦电压作用在这些非线性负荷上并不能得到正弦电流,而这种非正弦的电流进一步产生非正弦压降,最终导致电网电压的波形畸变,引起电压波动、闪变及三相不平衡等电能质量问题[2,3]。
为保证供电质量,须对电能进行准确、高效的质量分析和监测,以便及时投入补偿装置提高电能质量。传统的电能质量分析系统以硬件为核心,功能单一[4]。因此,研制一种新型的电能质量监测装置,集测量、分析、控制和通信等功能于一体,有效地进行电能质量监测,对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性具有重要意义。
虚拟仪器技术是以计算机为统一的硬件平台,通过符合工业标准的硬件和软件来构成相应的仪器系统。LabVIEW不仅具有许多功能强大的模块节点和计算能力,以完成电能分析的各种复杂算法的计算,而且还具有强大的网络功能。因此,以虚拟仪器技术为平台可以方便、高效地实现电能质量的分析与监测。
1 电能质量监测系统结构
基于虚拟仪器的电能质量监测分析仪的结构组成如图1所示,主要包括信号调理器、数据采集部分(DAQcard)和带有虚拟仪器系统的计算机。信号调理部分主要是由能将系统的电压和电流转换为计算机可以接收和处理信号的电压、电流传感器和信号校正电路组成。数据采集部分主要由数据采集卡构成。最后一部分为装有虚拟仪器应用软件的计算机,如果要在工作条件恶劣的环境中使用,最好使用抗干扰能力较强的工控机。
系统的测控对象是电网的三相高电压和大电流,因此,数据的采集首先要对信号进行变换,即把高电压大电流通过电压互感器(PT)和电流互感器(CT)转换为低电压小电流。该部分中,针对互感器的选型如下:选用电压互感器型号为TVS1908系列小型有源交流电压互感器,选用电流互感器型号为TAS1907-01型小型有源交流电流互感器。这两种互感器内置放大器,测量精度高,而且具有全封闭、机械和耐环境性能好的特点,使用安全、可靠。其使用的环境温度为-55~+85℃,工作频率为10~20 kHz,适用范围广泛,而且具有耐高温、绝缘电阻大、抗电强度高、阻燃性能好等特点。
USB-6210数据采集卡是一款USB总线供电M系列多功能DAQ模块,在高采样率下也能保持高精度。该模块提供了16路模拟输入;250千次/s单通道采样率;4路数字输入线;4路数字输出线;每通道有4个可编程输入范围(±0.2~±10 V);数字触发;2个计数器/定时器。电能质量分析对数据采集卡性能要求较高,数据采集卡的同步和高速性能非常重要,选择的采集卡可以满足实际应用需求。
采集卡将采集的实时数据送入计算机,利用LabVIEW图形编辑软件搭建电能质量各项参数处理计算程序,对采集的数据进行计算、分析,并根据国家标准判断电网的电能质量。计算机可将处理得到的数据存入数据库,以供其他系统分析使用。
2 电能质量参数测量原理
电能质量参数主要包括:电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、电压波动和闪变、谐波及其引起的波形畸变等。
2.1 电压偏差
供电电压偏差是指电力系统在正常运行的条件下,供电电压对额定电压的偏差。当出现电压偏差时,用电设备的运行参数和寿命将受到影响。GB 12325-1990《供电电压允许偏差》中规定:允许偏差时在正常运行条件下应保持电网各点电压在额定的水平上。其中:35 k V级以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的-5%~+5%;10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的-7%~+7%;低压照明用户为额定电压的-10%~+5%。电压偏差定义为:Δu=[(us-ue)/ue]×100%,其中,Δu为电压偏差,ue为额定电压,us为实测电压。
2.2 电力系统频率允许偏差
电力系统负荷的大小每时每刻都在不断变动,电源出力及其频率调节系统跟随负荷变化又有一定的惯性,因此供电频率总是处于变动的状态之中。国标GB/T 15945-1995《电力系统频率允许偏差》规定电力系统正常的频率标准为(50±0.2)Hz。当系统容量较小时,可以放宽到(50±0.5)Hz。全国供电规划中规定了供电局供电频率的允许偏差:电网容量在3 000 MW及以上者为0.2Hz;电网容量在3 000 MW以下者为0.5 Hz。实际运行中,我国各跨省电力系统频率的允许偏差都保持在±0.1 Hz范围内。因此,电压频率目前在电能质量中最有保障。
2.3 三相不平衡度
理想情况下,电力系统的三相电压和三相电流的幅值相等,相位相差120°,如果电力系统的电压和电流的幅值不相等,相位差不是120°,就称为三相不平衡。三相电力系统中三相不对称的程度称为三相不平衡度,通常用电压和电流的负序分量和正序分量的百分数来表示。在忽略零序分量的三项系统中,只要知道3个不对称相量大小,即可以求出不平衡度εU。国标给出了三相不平衡度的准确算式如下:
其中L=(A4+B4+C4)/(A2+B2+C2)2,A、B、C为三相线电压或电流的幅值。
2.4 电网谐波
目前使用最为广泛的谐波测量方法是基于傅里叶变换的谐波测量。特别是随着FFT算法的成熟和微处理器的出现,用傅里叶分析的方法来检测谐波越来越普遍。
在电力系统中,对于周期为T=2π/ω的非正弦电量,在满足狄里赫利条件下,周期性的电压信号可以分解成傅里叶级数的形式:
为了分析谐波的大小及其对工频信号的影响程度,通常利用单次谐波含有率HRUh和电压总谐波畸变率THDU来反映谐波的大小,计算式为:
2.5 电压波动和闪变
电压波动是指一系列工频电压包络线的周期变化。电压波动一般是由波动性负荷(如电弧炉、轧钢机、电焊机等)引起。电压波动值为电压方均根值的两个极值之差,与标称(额定)电压的相对百分数为d=[(Umax-Umin)/UN]×100%。
闪变是电压波动的结果,即正弦工频电压波形受到非工频波动分量调制后,灯光照明不稳定对人的视感产生的反应。闪变不仅和电压波动大小有关,而且和波动的频率(即对工频电压的调幅频率)、照明灯具的性能以及人的视感等因素有关。
为了定量地获得比较准确的闪变值,一般必须采用电压波动与闪变的专门测量仪器,在公共供电点上直接进行测量[5]。目前国内外有五种电压波动的检测方法,即平方检测法、有效值检测法、整流检测法、小波分解和同步检波对电压闪变信号的检测以及补偿迭代检测法。本文综合分析评价这几种方法的优缺点,采用平方检测法的改进法,即采用移相解调的电压闪变检测方法。
闪变评价常用的一个指标是短时间(10 min测量时间)闪变严重度值Pst,国际电工委员会IEC定义。
公式中5个规定值P0.1,P1,P3,P10,P50分别为在10 min测试时间内,为累积概率CPF曲线上等于0.1%,1%,3%,10%和50%时间所对应的瞬时闪变视感度值[6]。取K0.1=0.031 4,K1=0.052 5,K3=0.065 7,K10=0.28,K50=0.08,计算即可获得长时间闪变值Plt:
公式中,n为长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值个数。
3 软件设计
3.1 LabVIEW软件简介
一个标准的LabVIEW程序包括前面板和块图两部分。前面板是VI的交互式用户接口,它主要由控制器和指示器组成。其中控制器模拟仪器输入量,指示器模拟仪器的输出设备,用来显示采集的数据或分析的结果。控制器对应块图中的源端,指示器对应框图中的终端(类似仪表后面的端子排)。
从仪表的角度来看,块图相当于电路板的作用,是LabVIEW的VI的图形化源代码。LabVIEW有大量的函数库和高级的分析子VI,用户只需调出代表仪器功能、操作、数据处理、输出显示的图标(Icon),输入相关的配置参数,连好类似数据流图的框图,就完成全部编程工作。LabVIEW也有传统的程序调试工具,如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子VI)的结果、单步执行等,便于程序的调试。
3.2 主程序模块的设计
程序前面板是程序的主要组成部分。前面的功能和传统仪器一样,主要是用来作为用户获得测量信息和输入测量指令的交互界面。在本设计中,前面板主要包括三相电压、电流以及频率的测量与显示模块,电压谐波、电流谐波计算显示模块,电压波动、闪变以及三相不平衡度的计算显示模块,设置模块以及信息显示模块。
三相电压、电流以及频率的测量与显示模块主要功能为采集三相电流、三相电压以及系统频率,并在图形上显示电压电流波形,并将电流和电压有效值显示在前面板上。电压谐波、电流谐波计算显示模块负责各次谐波的计算,并以图形以及数据形式显示。电压波动、闪变以及三相不平衡度的计算显示模块则计算系统电压波动、瞬时闪变值、短时间闪变值Pst、长时间闪变值Plt以及三相不平衡度。设置模块包括额定频率、额度电压、电压互感器PT变比、电流互感器CT变比以及数据保存路径的设置。
3.3 信号处理程序
以谐波测量与电压波动及闪变值计算为例来介绍LabVIEW程序设计。
3.3.1 谐波的测量
谐波分析采用快速傅里叶变换(FFT),具体测量中,选用采样频率12.8 kHz,每周期采样512个数据。测量窗宽度应大于基波周期,选取为65 536点(5.12 s),从采样数据中连续选出256点(一个周期)作为分析数据进行FFT变换,得到各复指数函数系数Cm,并将256点数据保存。根据Cm即可计算各次谐波含有率、总畸变率,并画出频谱图。采用LabVIEW频谱分析模块实现数据信号的FFT变换,计算出基频、有效值和各次谐波(包括基波和直流分量)的幅值、相位等。
3.3.2 电压波动与闪变
1986年国际电工委员会根据国际电热协会的推荐,给出了闪变仪测量原理和设计规范,闪变仪简化框图如图2所示[7]。
眼-脑模型主要是按照框3中的加权滤波和框4的平方器和一阶低通滤波。采用MATLAB软件信号处理工具箱的内置函数Bilinear可以得到数字滤波器参数。
由于本文采用改进的的调幅波检测法,故省去带通滤波的环节只验证视感加权滤波器参数和300 ms延时滤波器的参数。利用LabVIEW提供的MathScript节点直接调用MATLAB内置的Bilinear函数,实现加权滤波器的参数设置。
编写计算Pst的程序时,利用统计排序法,即利用LabVIEW中一维数组排序将瞬时闪变视感度依次从小到大排列,由于一段时间内各瞬时闪变值S是等时间间隔上离散的S序列,如果其中不小于某一个S(如Sx)的所有对应的时间占整个时间段的x%,即Sx是该时间段内(100-x)%的概率大值,则CPF曲线上等于0.1%,1%,3%,10%和50%时间所对应的瞬时闪变视感度值分别是该时间段内序列中99.9%,99%,97%,90%,50%的概率大值。只要将S(n)序列的值从小到大排序,找出其对应的概率大值代入即可得Pst值。利用统计排序法无需作CPF曲线,算法简便实用,结果更精确。
4 实验结果
该电能质量监测系统运行所得的各项基本参数指标以及电能质量各项参数进行统计分析,不难得出反映三相电压和三相电流的电能质量参数,如表1所示。
表1某时段的电能质量参数值
根据GB 12325—1990规定,10 kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。因此,对于额定电压为380 V的系统来说,其电压正常范围应为353.4~406.6 V。从该时段的数据可看出,三相电压有效值都未越限,且频率偏差都不超过±1%,符合国标规定。国标规定电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%,短时不得超过4%,因此,该系统的三相不平衡度满足要求。当电压为380 V,国标规定电压总谐波畸变率不超过5%,因此,该时段的谐波处于标准范围内。同样,电压波动、短时闪变以及长时闪变均符合国家标准。
5 结语
随着我国电力供应的日益充足和各种新型设备的投入使用,电能质量问题受到广泛的重视。本文深入分析电能质量各项参数以及测量原理,以虚拟仪器Lab VIEW软件为核心,结合相应的硬件设计了一套电能质量监测系统。该系统硬件具有结构简单、软件开发周期短、功能灵活且易于扩展等优点,可以有效地满足电力系统的测试需求。经过一段时间运行,系统各项功能正常,数据采集精度高,实时性强,对采集数据能够准确计算、分析,对各种故障状态和不正常状态进行排查和预防。
摘要：设计了一种能够测量电压偏差、频率偏差、谐波含有率、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等电能质量指标的综合在线监测系统。系统由TVS1908型电压互感器和TAS1907-01型电流互感器以及USB总线的数据采集卡NI-6210构成简单硬件电路,以LabVIEW图形化软件编程代替传统硬件,实现了电能质量各项参数的测量和在线实时显示、数据共享和远程通信。与传统的电能质量分析仪相比,系统具有操作简单、监测参数多、所需硬件少、处理能力强、扩展灵活等优点。
关键词：电能质量,在线监测,虚拟仪器,LabVIEW软件
参考文献
[1]戴成梅,戴成建,周启龙.基于LabVIEW电能质量在线监测系统设计[J].东北电力技术,2009(7):29-32.
[2]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.
[3]程浩忠.电能质量[M].北京:清华大学出版社,2006.
[4]杨帆,韩旭.基于LabVIEW的电能质量分析仪[J].仪器仪表与分析监测,2009(2):26-27.
[5]王彭,潘学华,陈渝.IEC闪变检测方法的数字化实现[J].中国电力教育,2007(S3):6-8.
[6]孙树勤.电压波动与闪变[M].北京:中国电力出版社,1998.
配电网电能质量在线监测系统研究 篇8
MAX155是由美国MAXIM公司推出的, 具有8个模拟输入通道, 并且每个通道拥有自己的保持/跟踪电路, 可以实现跟踪、采样同时进行, 有利于减小各通道之间通信时间的差异, 具有多通道模数转换的属性。各个通道的转换时间相同, 都为3.6μs, 在运行后结果自动保存在RAM中。在单独一个+5V电源供电时, 其可工作于单端或差分、单极或双极性等形式的转换电路中。如果需要更宽的范围, 芯片必须由±5V供电。具有2.5V的电源关断功能和内部参考电压是MAX155的另一个特性, 如此恰好构成一个完善的系统。
电流、电压变换电路主要实现的功能是弱电信号与强电信号之间的变换和隔离, 主要包括的电路有:电流、电压信号放大电路、滤波电路、互感器信号转换电路等。
而在采集过程中, 之所以要对信号进行缩小处理, 是因为电压、电流的属性和范围与MAX155不相符。所以, 要采用两种互感器, 分别为SCT254AK电流互感和SPT204A电压互感器。下面对其分别介绍:
SCT254AK电流互感器, 根据其精密程度规定, 额定输入电流为5A, 输出额定电流为2.5m A。如果需要将电流信号转换成电压信号时, 应用电路如图2所示。下面简单介绍一下各个器件的作用。电容C2是用来防振和滤波, 其大小一般为400 p F至1000p F。可调电阻r′及电容C1是用来补偿相移的。而输出电压是通过调整电阻R和r的值所得到。两个二极管是运算放大器的作用, C3的数值一般不大于400p F, 有抗干扰的作用。而运算放大器推荐使用较好系列的, 因为性能好的, 在工作时能提高测量的精确度以及良好的稳定性。电源的大小根据情况而定, 一般是+12V或+15V。
SPT204A电压互感器, 根据其精密程度规定, 输出、输入而定电流都是2m A。如需要把电压信号转换成电流信号时, 建议使用电路如图3所示。下面简单介绍一下各个器件的工作原理。电容C2是用来防振和滤波, 其大小一般为400至1000p F, 其各个器件的功能同电流互感器SCT254AK的作用十分相似, 唯一有区别的就是在输入口, 有个R′, 作用是限制电流的, 且不管输入的电压多大, 只要适当的选择R′, 就可以保持在规定的范围内。
键盘是单片机的重要组成部分, 输入、查询等方面都要用到它。同时键盘是人工干预系统的主要方式, 也是最为直接、方便的形式。我们所使用的键盘, 主要分为两类, 编码和非编码。编码式的使用硬件线路, 电路结构比较复杂而且键数比较多, 我们使用的电脑就是使用的这种方式。非编码式只有按键的开和关, 剩下的部分由软件来实现, 因其结构简单, 所以一般应用在单片机领域中。
本设计采用了行列式键盘, 根据应用的需要, 采用了程序扫描的工作方式。为了能够可靠地完成按键处理任务, 就应考虑到按键抖动问题。抖动时会产生电信号的干扰, 能够导致系统无法识别, 从而引起错误指令。有2种方法可以解决抖动问题, 一种是采用专门的键盘/显示器接口芯片, 另一种是采用软件延时法, 经过实验证明, 这种方法是可行的。
串行接口电路采用MAX232芯片
MAX232芯片为了能够在5V电源的环境下工作, 需在内部装设电压发生器, 而且是电容性的。MAX232接收器之所以能够接收±30V的输入, 是因为它拥有1.3V的典型门电路限制。
设计电路的抗干扰电路时, 要将其一分为二:数据采集部分及无线射频部分。因为射频电路部分容易受到受到其他电路部分的干扰, 为了避免这种情况, 在设计系统时数据采集电路和射频电路应该分别制作在各自的电路板上。
对模拟信号能够造成噪声干扰的主要是那些时刻变化的数字信号, 它们能量较大、占用的频谱宽, 对整个系统中的电子器件有很大的影响, 因此, 需要加装去耦电容。安装的位置一般是跨接在地和电源之间。电路的设计应该简单明了, 紧凑清晰, 这样也会减小干扰。
射频的工作波段是RF, 无线模块对于干扰十分敏感, 比如说附近的走线都会如电感般产生干扰, 所以在设计时, 为了得到更好的效果, 就应充分的考虑到干扰对电路的影响, 最好的方式就是将射频电路单独处理。将其他电路与它隔开一定的距离, 这样干扰程度会大大降低。
综上所述, 应用最适宜的硬件, 采用合理的软件设计, 尽最大可能实现设计的要求, 完成此项目。
摘要：本文针对0.4kV配电网, 分析了电流、电压有效值, 电网频率, 谐波检测, 电压波动检测, 电压三相不平衡度检测等电能质量指标监测原理和方法, 采用基于电流的PQ算法的谐波电流检测方法, 并对其进行仿真分析。开发了基于MSP430F1611单片机、无线收发模块nRF905和PC机组成的电能质量在线监测系统, 详细介绍了其硬件部分设计。
电能质量管理系统 篇9
随着自动化技术的高速发展, 用电量不断增大, 电网用户不断增加, 敏感设备和非线性电力电子设备大量投入使用, 使得电网中的电压偏差、电压不平衡、电流不平衡、电压波动与闪变、谐波等电能质量问题越来越受重视。因此, 越来越多的高端电能质量监测装置开始应用于电能质量监测领域, 同时也对这些电能质量监测装置的精度提出了更高的要求, 对电能质量监测装置进行精度检测也成为一项必不可少的工作。传统的电能质量监测装置的检测工作需要检测人员按照检测步骤进行操作, 人工记录检测结果, 工作量大, 效率低, 检测过程复杂, 检测点繁多, 人工读数记录容易出错。针对上述问题, 研究者开始寻求自动的检测方法实现对电能质量监测装置的全自动检测工作, 并且能够满足精度要求, 保证检测工作安全、高效、自动完成[1]。
本文采用基于MET/CAL的电能质量监测装置全自动检测系统, 在符合行业规定的基础上, 实现对电能质量监测装置的全自动检测工作, 并能自动生成检测报表, 极大缩短了检测时间。
2 电能质量监测装置的检测
2.1 检测内容
根据《静态继电保护及安全自动装置通用技术条件》 (DL/T478-2001) [2]和《电能质量监测设备通用要求》 (GB/T 19862-2005) [3]的相关规定, 电能质量监测装置被检测的内容包括:基波电压、基波电流、频率、电压偏差、频率偏差、电压不平衡度、电流不平衡度、闪变、电压波动、谐波、间谐波、电压/电流间相位角。在额定工作条件下, 被检测装置各项检测内容的允许误差如表1和表2所示。
UN为基波电压, Uh为谐波电压;IN为基波电流, Ih为谐波电流。
2.2 全自动检测
对电能质量监测装置进行检测常用的方法有两种, 一种方法是实验员按照检测步骤实际操作电能质量标准源, 手动记录数据并计算误差及不确定度, 完成检测工作。该方法操作繁琐, 耗时长, 对实验员专业知识要求高, 同时手动记录计算数据及制作报表不仅耗费较多时间而且容易出错。另外一种方法是利用虚拟仪器技术[4]或其它技术开发检测校准软件, 按照检测步骤在软件上操作控制标准源进行检测, 可以实现误差自动计算和报表的打印。该方法为实验员提供了友好的用户界面, 但是同样对实验员提出了较高的专业要求, 并且报表模板制作过程复杂。本文采用的基于MET/CAL的电能质量全自动检测技术只需要实验员进行简单的接线工作, 通过软件启动检测程序即可实现对电能质量监测装置所有待检测量的检测工作, 并且自动输出检测结果报表。整个检测过程不需要人工操作, 耗时短, 很好的解决了前面两种方法出现的问题。
3 全自动检测系统的设计
3.1 MET/CAL与FSC语言
MET/CAL自动校准管理软件是美国Fluke公司研发的一款专业计量校准软件[5]。支持接入具有GPIB接口和串口的标准源和设备, 软件运行人性化, 内置专门的报表制作工具Crystal Report水晶报表, 使得报表制作简单快捷。软件自带4000多个检测校准程序, 同时可以编辑修改满足自己的需求。MET/CAL自动校准管理软件由MET/CAL软件包、Sybase关系数据库、Crystal水晶报表组成。它既是一款检测校准软件, 又是一个数据库和资产管理系统。其MET/CAL软件包包括MET/CAL Editor (程序编辑器) 、MET/CAL Run Time (运行校准程序) 、MET/TRACK (设备管理登记) 。MET/CAL自动校准管理软件与VB, VC/C++, Lab View等软件平台相比, 能够更简单快捷的实现系统要求, 事半功倍的完成检测任务。
检测校准程序使用FSC (Fuction Selected Code) 语言开发。在MET/CAL Editor上编译调试, MET/CAL Run Time上运行实现。一段完整的FSC程序由程序头和程序体组成, 程序头包括程序名称、仪器配置信息、调整阈值、溯源标准等信息;程序体则描述了检测校准的具体步骤。FSC程序体主要是由FSC代码行组成, 每一行FSC代码由步骤号、FSC命令、量程字段、容限字段、标称字段、模式1到模式4和连接字段组成。其中FSC命令分为7大类:仪器类、评估类、显示控制类、接口控制类、寄存器控制类、程序控制类和其他类, 用于实现不同的功能。例如, 让标准源5700A输出直流1V, 2线方式的代码如表3所示。
3.2 全自动检测系统的工作原理
基于MET/CAL的全自动检测系统主要是由MET/CAL自动校准软件、标准源、被检测仪器、接口卡、数据总线、计算机及打印机等组成[6]。其系统结构框图如图1所示。采用1台计算机作为上位机, 仪器作为下位机。标准源使用Fluke公司生产的Fluke6100A, 内置GPIB驱动, 使用USB/GPIB接口卡可以直接接入MET/CAL自动校准管理软件。该标准源已经通过中国计量院的校准, 准确度等级为0.01。为了模拟电力系统三相回路, 这里需要使用一台Fluke6100A作为主机, 2台Fluke6100A作为辅机。被校准的电能质量监测装置必须具备串口或者GPIB口, 才能实现与上位机通信。
MET/CAL自动校准管理软件是系统的核心, 在MET/CAL Run Time中执行自编译的检测程序可实现对Fluke6100A功率源控制, 使其发出基波电压、基波电流、谐波、闪变等检测信号, 并且可以读取被检测仪器的测量值, 根据输出的标称值和实测值计算被检测点的误差, 测量不确定度等数据, 保存到MET/CAL软件相应的数据库里[7]。待所有检测点的检测工作完成后即可输出检测结果报表。检测的顺序按照检测程序设置的流程进行, 一组检测信号检测完毕后再检测下一组, 检测流程所覆盖的内容和误差限值完全符合表1、2所示, 具体检测流程如图2所示。其测量不确定度的计算完全符合ISO/IEC 指南98-3《测量不确定度表示指南》、ISO/IEC 17025《检测和校准实验室能力的通用要求》、ILAC-P14:12/2010《ILAC对校准领域测量不确定度的政策》等标准。
3.3 MET/CAL对标准源的控制
MET/CAL对标准源的控制是检测流程最重要的部分。根据《静态继电保护及安全自动装置通用技术条件》 (DL/T478-2001) 和《电能质量检测设备通用要求》 (GB/T 19862-2005) 的相关规定确定检测内容和检测方法[8]。由表1可知, 被检测的内容众多, 而闪变检测最为复杂, 这里以闪变现象为例, 阐述MET/CAL如何实现对标准源的控制。
根据《电能质量检测设备通用要求》相关规定, 对电能质量监测装置进行电压闪变检测时参考短时闪变值Pst, 闪变按表4采用方波调制, 电压宜选择230V (50Hz) , 最后短时闪变结果应为1, 误差允许范围为±5%。
按照闪变检测要求, 使用FSC语言编写代码, 通过接口类FSC实现软件对标准源控制, 通过仪器类FSC使得标准源发出检测信号。MET/CAL已内置封装好其接口程序, 大大减轻了程序员开发工作量。表5所示是一段闪变检测程序片段及说明, 该程序片段主要实现对标准源6100A控制, 按照表1中序号1要求发出闪变信号。
其他检测内容均按照相关规定, 通过FSC语言编程实现。
3.4 MET/CAL对被检仪器的控制
MET/CAL自动校准软件有较强的接入能力, 在不开发驱动的情况下同样可以实现很多仪器的接入。具有GPIB接口的被检仪器, 检测程序可以直接通过FSC指令中的IEEE命令读取检测值。对具有串口的被检测仪器, 根据FSC编程语法要求, 使用PORT命令按照被检测仪器通讯协议标准编写通讯程序, 实现与被检测仪器通讯, 并读取检测值。
3.5 结果计算和报表输出
通过比较输出检测值和实测值, 计算出误差, 根据相关规定判断是否合格, 最终将结果存入数据库中。
MET/CAL自动校准管理软件在执行检测程序时, 可以自动计算其扩展不确定度。由被检测设备多次测量引起的不确定度采用A类方法评定;由标准源自身技术指标以及被检测装置分辨力引起的不确定度采用B类方法评定;最后计算合成不确定度和扩展不确定度。MET/CAL内置标准源准确度文件, 准确度文件的内容包括仪器型号、指标间隔、置信度水平、以及幅度范围、频率范围、基本误差、分辨力等各个功能详细技术指标, 用于B类不确定度的评定。评估类FSC可以直接调用准确度文件, 并定义测量次数等参数用于不确定度的计算。
MET/CAL自动校准管理软件内置的Crystal Report可以根据检测内容和报表格式要求自定义报表模板。当检测程序执行完毕后, 即可自动输出符合模板要求的检测报表。
4 全自动检测系统的实现与应用
4.1 系统工作流程
当检测程序编写完毕后, 可以在MET/CAL Run Time环境下运行该程序。首先要确保接线正确, 添加报表模板, 通过资产号或者程序名调用检测程序, 运行检测程序, 程序自动控制整个系统进入检测状态, 对所有待检测量逐一检测, 计算误差及不确定度, 判断是否合格, 最后将所有的检测结果存入Sysbase数据库里。程序运行完毕后, 自动输出符合已添加模板要求的检测结果报表。
4.2 系统应用
为了说明系统设计的可用性, 使用上述检测系统对深圳市中电电力技术股份有限公司生产的电能质量监测装置PMC680进行检测。由于PMC680使用串口通信, 故参照2.4节方法来编程实现MET/CAL与PMC680的通信, 获取实测值。待检测程序开发完毕后, 按照3.1节步骤执行检测程序, 由于检测结果非常多, 这里只给出闪变检测结果, 如表6所示。
电压闪变检测:230V, 50Hz系统, 方波, Pst=1 (Fluke6100A) ;不确定结果为相对不确定度
使用该系统进行电能质量监测装置PMC680检测时, 步骤简单, 无需复杂繁琐的操作, 而且耗时短。熟练的实验员在实验室手动操作标准源, 完成表1所示所有检测内容的检测工作大约需要半天时间, 但是使用该系统进行检测时只需要大约2小时。缩短了检测时间, 而且避免人为操作和记录过程中发生的错误。
5 结束语
基于MET/CAL的电能质量监测装置全自动检测系统实现了对电能质量监测装置的全自动检测, 具有很好的实用性。并且操作过程简单, 对操作人员专业要求不高, 检测时间短, 大大提高了检测效率, 并减少人工记录引入的误差, 有很好的应用前景。
参考文献
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[7]章克来.数字万用表自动/半自动检定校准系统设计[D].上海:上海交通大学硕士学位论文, 2009.
电能质量管理系统 篇10
电能计量装置的准确计量和稳定运行, 是保证供电正常运行的基础工作和必要条件[1]。为保证电能计量装置的准确运行, 需要对其进行首次安装后的在线带电检测校验和周期性现场校验。电能计量装置不仅包括在用电用户的现场的计量设备, 还包括变电站、输配电线路等关口的各种计量设备, 因此电能计量装置的现场校验工作与营销、输变配电、运行维护等职能部门和业务多方交叉, 信息来源分散, 工作管理分散, 现场校验工作效率低下以及难于管理等现状, 都需要对其进行统一管理[2]。
随着近年来计算机网络、通信技术和移动应用的飞速进步, 营销管理系统、生产管理系统、电能计量管理系统的广泛应用以及电力业务过程管理的信息化发展, 需要并且能够做到现场信息的实时记录与工作票的电子化, 为电能计量装置现场校验全过程的管理提供了解决思路和技术手段[3]。
本文研究了电能计量装置现场校验全过程管理中的若干关键技术, 包括校验仪数据采集、数据传输、定位与导航、条码扫描、手写签名等, 并开发了云南电网计量中心计量装置校验管理系统, 实现对电能计量装置现场校验的全过程电子化管理, 对提升校验水平、提高工作效率、实现精细化管理有着重要意义。
1 关键技术研究
1.1 工作流程信息化
在以往的工作流程中, 校验人员携带校验仪到达现场完成校验工作, 手工抄录校验数据并填写纸质表单, 并以该表单为校验工作的依据和结果, 不利于现场工作的监督与统计分析。
本次研究中, 将实现电能计量装置校验的全过程信息化管理[4,5]。
1) 通过计量校验管理系统获取营销管理系统、生产管理系统、业扩管理系统等校验工单与计划信息并进行整合分配, 同时提取相应的电能计量装置基础信息与历史校验信息。
2) 根据任务计划生成工作票与风险管控单基础信息, 并由班组长签发。
3) 现场校验人员将属于自己的多个任务计划、计量装置信息、工作票和风险管控单等通过Wi-Fi下载到PDA、手机或平板电脑等手持机中。
4) 现场校验人员携带校验设备和手持机, 根据计量装置的位置信息, 通过导航定位到达校验现场进行校验工作。
5) 校验人员通过计量装置条码扫描或射频识别 (Radio Frequency Identification, RFID) 标签读取、辨识和确定需要校验的计量装置, 并根据手持机中的校验作业指导书和风险提示指导, 完成现场校验工作。
6) 通过手持机自动读取校验数据, 判定校验误差, 记录现场状况和异常信息, 并拍照取证, 让客户或计量装置管理人员在手持机中进行手写签名确认, 完成工作票填写和校验工作。
7) 校验人员完成当天的校验工作后, 上传校验数据、现场照片、工作情况和工作票等数据到系统中。
8) 审核人员审定校验数据和工作票信息, 审核并终结工作票, 并将任务工单同步到相应的业务系统, 完成工作闭环。
1.2 手持机数据同步与异构系统数据同步
计量装置校验的任务工单来自于用电营销管理系统、生产管理系统、故障报修系统、业扩管理系统或计量管理系统等异构系统, 这些系统采用不同的技术和架构进行开发, 数据结构类型等不一致, 要实现业务工单的闭环与数据整合, 必须实现计量装置现场校验管理系统与这些异构系统的数据接口。手持机终端也是一个异构系统, 其中的任务工单、计量装置信息、工作票、照片等数据也需要与中心系统进行同步, 实现数据接口[6]。
异构系统间的数据接口常采用Web Service技术架构。Web Service技术基于XML数据格式, 采用SOAP协议, 使用Web (HTTP) 方式接收和响应外部系统的某种请求, 从而实现远程调用, 用于沟通不同平台和编程语言中的不同类型系统, 实现异构应用系统间的数据交换或集成。
1.3 校验数据提取
从各种校验设备获取实时数据, 是计量校验管理系统首要解决的关键技术, 其难点体现在以下几方面。
1) 电能计量装置现场校验设备包括单相表校验仪、三相表校验仪、互感器测试仪、综合测试仪、二次压降测试仪、负荷测试仪等, 各种校验仪器由于厂家不同, 数据通信方式不一致。
2) 各种电能计量装置校验的要求、数据内容与数据格式不一致。
3) 需要将实时校验数据与各种计量装置资产信息对应匹配, 否则可能影响校验的正确性。
1.3.1 数据通信接口设计
为适应不同设备与手持机之间的数据传输, 计量装置校验管理系统实现了串口、蓝牙、USB、Wi-Fi等多种数据通信方式。目前供电企业常用的PDA、手机或平板电脑等移动手持设备, 大多采用Android、Windows Mobile、Windows CE或Windows Phone等操作系统, 支持蓝牙、USB和Wi-Fi等必备的功能, 其中蓝牙是最常用的数据传输方式。
在蓝牙通信模式中, 手持机一般以客户端的角色主动连接标准并行接口 (Standard Parallel Port, SPP) 协议设备 (接蓝牙模块的数字传感器) , 连接流程如下:
1) 初始化蓝牙设备, 判断设备蓝牙是否开启, 如果没开启则提示用户开启设备;
2) 注册广播服务, 扫描、搜索附近蓝牙设备和开启允许其他设备发现服务;
3) 使用本地蓝牙适配器Bluetooth Adapter, 通过本地的蓝牙设备获取已配对设备信息;
4) 在Broadcast Receiver的on Receive () 里取得搜索所得的蓝牙设备信息 (如设备名称、设备MAC地址、RSSI) ;
5) 通过蓝牙MAC地址, 使用SPP串口通信协议进行设备连接, 连接时如果是没配对设备, 提示进行设备配对;
6) 连接成功后获取蓝牙Socket对象, 通过Socket对象获取输入输出流对象, 进行数据的输入输出, 实现蓝牙信息通信。
Android手持设备的串口通信是一种通过USB OTG功能实现USB转串口的数据传输方式。USB OTG标准完全兼容USB 2.0标准, 允许设备既可作为主机, 也可作为外设操作 (两用OTG) , 支持主机通令协议和对话请求协议, 在没有Host的情况下, 实现从设备间的数据传送。
1.3.2 数据传输模式
数据传输模式分为数据文件传输与串口数据流传输2种方式。在数据文件传输方式中, 校验仪接收到“数据传输”指令后, 将实时数据打包成TXT、XML、DBF等文件, 并将该文件上传到手持机, 手持机通过读取相应文件并解析出数据。在串口数据流传输方式中, 校验仪接收到“数据传输”指令后, 将实时数据采用16进制格式传输给手持机, 手持机接收并解析数据流获得相应数据。
1.3.3 数据解析
由于电能计量装置生产厂家众多、型号各异, 数据格式不一致, 需要校验管理系统能够解析不同设备的不同数据格式, 并且能适应“将来”的新设备的需求, 避免每增加一种设备就需要重新编写解析程序。
电能计量装置现场校验管理系统通过编制数据格式对应的XML文件方式, 实现不同数据格式的动态适应, 即使新增加设备, 只需编制相应的数据格式对应的XML文件, 即可实现数据的自动解析。
1.4 定位与导航
通过计量装置资产信息中的GPS坐标, 对电能计量装置位置进行地图定位标注和路线导航, 可极大提高现场校验的工作效率, 计量校验管理系统通过百度地图API实现地图标注与路线导航。百度地图API是为开发者免费提供的一套基于百度地图服务的应用接口, 包括Java Script API、Web服务API、Android SDK等多种开发工具与服务, 提供基本地图展现、搜索、定位、路线规划等功能, 适用于PC端、移动端、服务器等多种设备。
2 电能计量装置现场校验管理系统设计
在研究了上述在线校核若干关键技术的基础上, 设计开发了电能计量装置现场校验管理系统, 实现对电能计量装置校验的全过程管理。
2.1 总体思路与结构
电能计量装置现场校验管理系统通过对营销管理系统、生产管理系统、业扩管理系统等工作计划与业务信息数据进行整合, 对周期校验、新装校验、故障处理、换表校验和变电站仪表校验等业务进行统一的任务工单智能化管理, 系统通过手持机PDA实现现场电能表校验数据自动采集, 通过条码扫描或RFID标签进行现场设备辨识, 校验任务自动监督, 提高现场校验工作的可靠性与准确率, 提高校验工作效率, 实现项目、计划、作业的全过程闭环管理, 提高管理规范化和精细化水平, 构建“集成、共享、协同”的一体化校验管理平台, 便于各层次使用人员进行业务交互和数据共享, 完善、可靠、及时的数据支持和指标展现, 可为管理者辅助决策提供必要的支撑。
2.2 系统网络拓扑
电能计量装置现场校验管理系统网络拓扑如图1所示。系统通过平板电脑与PDA提取校验仪中的数据, 并上传到中心系统, 实现在现场与野外工作。
2.3 系统架构设计
电能计量装置现场校验管理系统采用多层架构模式设计, 系统架构如图2所示。
2.4 数据库设计
电能计量校验管理系统数据库包括服务端和移动端2部分。
服务端数据库为系统中心数据库, 存储系统基础数据、校验数据与异构系统同步数据, 数据库系统采用Microsoft SQL Server 2008 R2;移动端数据库安装于PDA手持机中, 存储下载的任务工单、工作票信息和校验数据, 数据库系统采用SQLite。
2.5 功能设计
电能计量校验管理系统功能包括主站系统与移动子系统2个部分。系统功能如图3所示。
2.5.1 主站功能
主站 (服务端) 实现对整个电能计量装置校验管理的核心功能, 包括实现数据接口与业务闭环、基础信息管理、查询统计等功能。服务端部署于中心服务器, 各工作站通过浏览器即可访问操作[7]。
1) 数据提取:采用自动提取与手工刷新2种方式从各业务系统中提取需要的工单计划。
2) 计划工单管理:根据从业务系统中提取的工单计划, 校验人员进行编制安排工单与详细的计量装置信息, 校验业务完成后, 实现相应工单计划终结与计量装置信息数据同步更新。
3) 计量装置信息管理:管理相应的计量点与计量装置信息, 每次校验的历史信息保存于计量校验管理系统, 部分变更信息将同步到业务系统, 或从业务系统进行刷新同步。
4) 工作票管理:包括现场校验的工作票初始化生成、签发、下载、上传、审核、终结、打印与归档等全电子化工作票流程管理。
5) 校验管理:包括校验计划下载、上传, 校验数据审核归档等。
6) 风险管控管理:包括风险数据库维护和风险管控单生成、签发、下载、上传、审核、归档等全过程管理。
7) 基础信息管理:包括人员权限、日志、基础数据、接口配置、数据格式配置等信息管理。
2.5.2 移动端功能
移动端部署在PDA、手机或平板电脑手持机中, 实现对工单计划、计量装置信息的上传下载和现场校验过程管理。
1) 数据上传下载:通过Web Service接口实现对基础数据、计划工单、计量点信息、计量装置信息、作业指导书、工作票、风险管控单的下载, 校验工作完成后, 可上传校验数据、工作票、风险管控单信息, 同时变更计划工单状态。
2) 校验管理:选定需要校验的计量装置, 根据作业指导书和操作规程要求顺序操作完成校验任务, 提取校验数据, 并要求计量装置管理人员 (客户) 在手持机中手写签名, 可记录每一步骤中的异常情况, 并进行拍照取证。
3) 坐标采集定位与导航:对新装计量装置, 如果业务系统或计量校验管理系统未采集坐标, 可进行GPS定位采集坐标, 并将该坐标同步到系统中。若该计量装置已经有坐标, 可根据坐标进行地图定位与导航。
3 实际运行分析
电能计量装置现场校验管理系统在昆明供电局成功运行以来, 在信息整合、业务闭环、全过程综合信息管理等方面取得了显著效果, 实现了计量中心校验业务统一平台的全过程管理, 提高了工作效率和工作质量。
3.1 信息整合与业务闭环
以昆明供电局计量中心3个现场校验班组为例, 此前的校验任务分别来自多个应用系统或手工整理。周期校验信息从营销管理系统提取, 新装首检信息从业扩系统获取, 故障报修校验信息从客户服务中心获取, 变电站仪表校验信息从生产管理系统获取。每个班组定期从各系统中筛选数据, 编制班组月度工作计划, 校验工作完成后手工填写表单归档, 部分数据录入各自相应的业务系统。工作人员需要进入多个业务系统进行不同数据的提取录入等, 不仅工作繁琐, 效率低下, 而且经常有漏单情况发生。
通过电能计量装置现场校验管理系统的应用, 自动从各业务系统提取校验数据, 并生成工作计划, 工作人员可根据计量装置所在位置、预约情况、工作紧急情况等灵活安排每天工作, 校验数据上传后, 可自动将数据分发提交到不同的业务系统中, 无需手工录入, 自动闭环工作流程, 极大地减少了工作时间, 提高了工作效率, 将更多时间关注于误差分析、故障分析等专业工作, 提高了供电计量的准确性。
3.2 全过程综合信息管理
昆明供电局计量中心3个班组的现场校验工作, 此前全部通过手工填写表单完成, 包括工作票、风险管控单、校验结果表单等, 导致工作过程无法监督;为减少现场工作时间, 部分校验人员未严格按照校验规程和作业指导书进行操作, 风险管控未能真正落实。
通过电能计量装置现场校验管理系统的应用, 要求现场工作人员严格按照作业指导书进行操作, 系统自动记录每个操作步骤的时间和人员, 并要求现场拍照取证;现场计量装置资产编号通过条码扫描或RFID标签读取获得, 不能手工输入;校验数据自动提取到手持机中, 不能进行手工修改, 不仅提高了工作效率, 还实现了对现场的全过程监督管控。通过计量装置GPS定位导航, 可进行路径规划, 使校验人员快速到达计量装置所在位置, 减少找寻时间, 提高工作效率。
4 结语
本文研究了电能计量装置现场校验过程中的若干关键技术, 设计开发了电能计量装置现场校验管理系统, 并成功应用于云南电网公司计量中心, 取得了良好的效果。
相较于现有文献提及的校验管理技术, 本文创新之处在于:设计了手持机与校验仪器的接口与数据通信方案;设计了电能计量装置现场校验全过程信息化流程, 使其成为一个在线闭环的自动化系统;设计了手持机现场应用相关功能, 包括定位导航、手写签名、拍照取证等;实现了电能计量装置现场校验全过程的信息化操作与管理, 提高了工作效率与工作质量。
参考文献
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电能表自动抄表系统的研究 篇11
摘 要:随着我国人民生活水平的不断提高,家庭用电的需求量越来越大,同时也给电能的计量工作带来了很多问题,供电部门与用户的用电纠纷时常发生,自动抄表系统的应用解决了这一系列问题,同时也满足了建设部提出的用电管理应集中、安全、严格的要求。引入电能表自动抄表系统能有效地解决这些问题。本文研究自动抄表系统的构成及实际运用。
关键词:抄表 自动抄表系统 电能
中图分类号:TP216文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0029-01
在我国,由于现代电子技术、通信技术的飞速发展和电力市场营销管理的不断需求,电能表自动抄表系统的技术研究、产品开发、系统设计和试点运行工作日益引起电力营销管理部门、电能表制造企业及相关行业的关注和投人,因此,虽然我国对自动抄表的研究起步较晚,但发展较快。目前,车载无线电抄表、电力线载波抄表、近地集中抄表和远程控制抄表等各种形式的自动抄表系统已分别在我国各地有试点运行。
1自动抄表系统的构成
自动抄表系统一般由管理中心计算机、传输控制器、数据采集器及计量表四部分构成。
①电能表:可用带脉冲输出的电子式电能表。
②数据采集器:对用户电能表脉冲进行记数和处理,并存储结果,同时将数据传至传输控制器,并接受传输控制器发来的各种操作命令,对于多层住宅采集器应设在首层。高层住宅可将其分设在竖井内。采集器需提供220v电源。可根据电能表的数量来确定采集器的数量。采集器与电能表的连线可采用线径0.3—0.smm的四芯线,如RvvP-4X03,连线距离不宜超过50m。
③传输控制器:作用是定时或实时抄录采集器内电能表的数据,并将数据存储在存储器内,供计算机随时调用。同时将计算机的指令传输给传输控制器。控制器可设在小区管理中心,挂墙安装,需220v电源。可根据采集器的数量来确定控制器的个数。传输控制器与采集器的通信可采用专线方式:通过RS-485申行接口总线将控制器与采集器连接,线路最长达1km。
④管理中心计算机:调用传输控制器内电能表数据,将数据处理、显示、存储及打印,并向控制器发出操作指令。系统一般具有查询、管理、自动校对、定时实时抄表、超载报警及断线检测等功能。
2案例
10(6)kV配电网中的电力用户及其电能表数量约占全电力系统用户及其电能表总数量的99%以上,因此,它是电力市场营销管理的重点和难点。所以,我们首选它实现自抄系统将会收到显著的成效。
2.1自抄系统的设计依据和基本要求
依据我国10(6)kV配电网运行及其营销管理的技术经济指标,按每条配电线分别进行管理和考核这个特点,自抄系统的设计应满足如下基本要求:
第一,同时抄录每条配电线的总配电量,所有配变台区低压侧配电量,所有高压用户售电量,所有低压用户售电量。
第二,正确计算出每条配电线总电能损失率、高压电能损失率、配变台区低压总电能损失率、各配变台区低压电能损失率。
第三,便于供电公司对其用电情况进行分析和监控,电力用户对其用电量进行监督和查询。
2.2搞好自抄系统设计的关键问题
我们认为,搞好我国10(6)kV配电网自抄系统设计,必须解决好下列三个关键问题:传输通道及链路的选定;信号、数据的处理和检测;自抄系统管理网络的建立。
第一,传输通道及链路的选定:传输通道及链路的选择直接关系到信号、数据传输的可靠性和工程实施的可行性。通过对国内外有关文献资料比较分析和试用效果的验证,加之对我国10(6)kV配电网现状、特性的研究分析之后,我们认为,采用配电线作为变电所与其用户之间的数据传输通道、光缆作为供电公司计算机与变电所计算机联网的链路,这是一种既经济又实用的最佳选择。
第二,信号、数据的处理和检测:大家知道,任何一种传输通道及链路都不可避免的存在着不同程度的干扰。能否依据所选定的传输通道及链路的特征,对其信号、数据采取相应的包装方式和检测方法,将会直接影响到自抄系统的成败。根据我们对国内外有关电力线载波通讯技术进展的研究和试点运行效果的综合分析,可以说,我国在理论和实践上,已经研制成能够适应我国配电网特点的电力载波微弱信号的包装方式和检测方法,并取得比较令人满意的效果。
第三,自抄系统管理网络的建立:自抄系统管理网络的建立是实现自抄系统的前提,选定一种符合实际、简便可靠的管理网络是自抄系统正常工作运行的保障。依据我国电力市场营销管理特点和所采用的配电线传输信道及光缆链路,我们拟定出了10(6)kV配电网自抄系统管理网络框图。
实现自动抄表,能提高住宅档次和物业管理水平。物业管理公司或专业公司可节省大量的人力、物力、财力,提高工作效率、提高抄表的准确性,同时系统施工方便、操作简单,由于电表自动抄表系统具有良好的经济效益和社会效益,因此它具有广阔的发展前景。
参考文献:
[1] 唐慧明.变电站远程图像监控系统设计[J].电力系统自动化,2007,(17):1l-15.
电能质量管理系统 篇12
在传输同样的有功功率越多将会使总电流增大, 增加了线路以及设备的损耗以及线路以及变压器的电压损失。电网的无功功率不足, 会造成负荷端的供电电压降低, 但如果电网中的无功功率过盛, 则会使供电电压过高。
对于供配电系统来说, 如果用电额突然出现大幅度的增加, 电网频率将会明显降低, 导致供配电系统不能正常运行, 通过采取一些有效措施使供配电系统的频率得到有效地恢复。
2 电压偏差
而电压偏差是指供配电系统在正常运行的情况下, 系统各部位的实际电压对系统额定电压产生的偏差, 产生电压偏差的主要原因是线路损耗, 即正常的负荷电流或者是故障电流通过供配电系统中的各个元件所产生的电压损失。根据国家颁布的电能质量供电电压允许偏差中的有关规定, 供电部门与用户的产权分界处或者供用电协议规定的电能计量的最大允许电压偏差不应该超过以下标准:30k V或者以上的供电电压, 电压的正负偏差绝对值之和应该为10%;10k V或者以下的三相供电电压, 电压的正负偏差应该为±7%;220V单相供电电压为+7%和-10%。
由于电压偏差能够直接影响供配电系统电能质量, 所以必须要采取科学、有效的措施调节电压差, 对于电力用户的供配电系统主要可从以下两个方面进行调节:首先是减小线路的电压损耗。通过合理减小系统的阻抗以及变压级数;尽量确保系统三相电压的平衡度;使高压线路延伸到负荷中心;采用多回路并联的方式进行供电以及设置无功补偿装置等。合理选择变压器和电压分接接头, 通过对变压器的经济运行以及技术进行加强管理有效的降低损耗。选择分接接头主要是为了通过改变变压器的变比, 进一步调整最大负荷时的电压偏差, 使系统各元件的电压能够维持在正常合理的范围内, 但是改变变压器的变比并不会影响到电压正偏差与负偏差之间的范围;合理减小供配电系统的阻抗, 尽量减小线路的长度以及增加电缆和导线的横截面积等, 如果条件允许的情况下可以将架空线路改为电缆线路进行电量输送;增加高压补偿, 稳定功率因素, 减少供配电系统线路输送当中的无功功率。无功功率在输电线路以及输电设备法传输中不仅会造成极大的有功损耗, 而且还可以产生一定的电压降从而严重影响了供配电系统的正常运行, 需要通过无功补偿装置来提升供配电的系统的电能质量。无功补偿装置在补偿主变的空载无功损耗的同时还能够适当的补偿传输线路的无功功率损耗, 以改善输电网的功率因数稳固变电站的电压。而且无功补偿装置还具有操作简单、维护方便等优点, 但这种方式却不会降低配电网的降损, 目前这种补偿方式在电力系统当中的应用最为广泛。
在高压配电线路上增加并联电容器的安装数量, 主要补偿配电线路的无功功率, 以提高配电网功率因数, 达到降损升压的目的。适用于功率因数较低, 公共变压器较多, 负荷较重的长配电线路, 具有较高的补偿效果, 但由于安装的电容器的数量多增加了成本而且难以维护和管理, 并且容易受到环境以及空间等客观条件限制适应能力差, 不利于普及推广。在配电电压器和电动机之间并联电容器, 这种方式不需要对补偿容量进行频繁的调整, 主要补偿配电的空载和漏磁无功功率以及电动机的无功功率, 这种方式具有成本低、安装简单、容易维护以及事故率低等优点, 但是当配电接近空载时容易造成补偿过盛, 而且当配电非全相运行时, 容易产生铁磁谐振。对同步电动机的励磁电流在规定的范围内进行调整, 从而有效地调节电压偏差以及改变电网负荷的功率因素。
对于多台单项设备或者三相电压的不平衡的线路还需要安装分相无功功率补偿设备。尽量使三相负荷保持平衡, 如果三相负荷分布不均匀就会影响电压的平衡, 从而促使电压的偏移增加甚至还会影响到供配电系统的正常运行。改变供配电系统的运行方式, 将单回路供电改为双回路供电可以有效地调整电压偏差。
3 电压波动
电压波动的产生是由于用户端波动性负荷造成电网电压发生变动, 电压波动的程度是由用电波动频率以幅度来决定的。当用户端波动性负荷在系统阻抗上将引起电压波动时, 系统的阻抗就会增大从而增加电网电压的损耗使供配电系统的电压出现异常并最终影响电能质量。
电压波动的有效抑制措施包括:采用合理的接线方式, 对负荷变化剧烈的大型设备使用专用线路或者专用的变压器进行专向供电;在系统运行的过程中, 还可以在电压出现严重波动时, 减小甚至切断引起电压强烈波动的负荷;一些大型电弧炉或者中频、高频的加热设备利用专用的变压器进行单独供电;对于大型冲击性负荷可以配备能够吸收冲击无功功率的静止无功补偿装置, 这种静止无功补偿装置是由特殊的电抗器以及电容器组成, 用并联方式连接的无功功率发生器和吸收器。
4 电动机起动时的电压降
电动机在启动的过程中会引起电压降, 也会对定能质量产生一定的影响, 因此必须对其进行科学、有效的管理, 合理选择电动机的启动方式。
电动机启动方式包括全压启动和降压启动两种, 当设备能够承受电动机全压启动时所产生的冲击转矩时才可以选择这种方式。由于全压启动会造成配电线路上强烈的电压降, 而且启动电流也很大, 容易对设备造成损伤, 但是全压启动具有安全、经济、可靠以及启动简单等优点;降压启动是利用星三角启动器或者自耦变启动器进行启动。星三角启动器可以通过手动或者自动的方式来控制降压启动, 它的操作非常简单, 采用这种方式时电流的性能稳定, 但是转矩特性较差, 所以只适用于无载或者轻载起动的场合。自耦变启动器又称补偿器, 通常在额定电压为220/380的三相笼型感应电动机中应用, 利用自耦变启动器进行降压启动, 不仅能够满足各种负载的启动需求, 而且还能够获得比星三角启动时更稳定的转矩, 而且自耦变启动器还附有热继电器和失电压脱扣器, 能够完善过载和失电压保护等功能所以适用范围更广。
5 高次谐波
高次谐波的产生是由于设备能够向电网输送50Hz以上频率电流并且直接与电力系统相连接, 也成为谐波源。伴随着大量非线性负荷的增加以及硅整流设备的普及应用, 导致了越来越多的高次谐波流向电网, 而大量的谐波造成的危害包括:使电机以及变电器降低容量, 超负荷运行温度急速升高增加损耗;降低电力电缆的容量, 电力电容器超负荷运行甚至直接损坏;改变继电器的性能, 无法做出正确操作;使晶闸管整流装置不能正常工作;严重影响了电压的稳定从而致使电能质量的下降。这样一来会对供配电系统造成严重的损伤。必须要加强对谐波的管理措施, 以提高供配电系统电能的质量。
6 结语