电能监控与考核系统

电能监控与考核系统（精选6篇）

电能监控与考核系统 篇1

在能源供应日趋紧张的21世纪, 电能数据的准确计量、抄读和对电能使用情况的监测直接关系到能源利用的经济效益和社会效益。过去对电能的机械表计量和人工抄读, 因为精度低、效率低、容易引起误差等原因而面临淘汰。随着无线通迅技术与互联网技术的发展, 取代机械表计量和人工抄表的是具有高精度数字计量方法的出现以及自动远程无线抄表技术的发展。因为电能数据的抄读具有速度相对较低、电能表范围分布广、抄读具有间断性等特点, 对电能表数据的抄读、特别是对有无线网络覆盖的地区, 非常适合采用无线通讯的方法进行自动抄表。本文结合新型DSP电能计量提出了一种基于GPRS标准的监测系统, 该系统由DSP电能表、通讯终端、无线网络和监控中心组成。其中电能表是采用DSP技术的电能数据采集器, 完成电能计量的功能;通讯终端和无线网络是电能表与监控中心通讯的桥梁;监控中心通过无线通讯完成对电能数据的管理、计费和监测。

1 无线通讯终端GPRS

GPRS是基于GSM系统的无线分组交换技术, 提供端到端的广域无线IP连接。GPRS在分组交换模式下发送和接收数据, 可以使不同的数据分享传输带宽, 从而提供了一种高效、低成本的无线数据传输业务。

GPRS用于电力系统远程测控具有多方面的优势:

(1) 接入范围广, 可充分利用全国范围的电信网络, 不受地域和位置限制。

(2) 传输速率高, 网络数据传输速率最高达171kbit/s, 且通过不同的编码方式, 支持不同速率的传输, 能满足远程测控的应用需求。

(3) 提供实时在线服务, 能够提供快速即时的连接, 保证通讯的实时性。

(4) 按流量计费, 特别适用于远程抄表这种间断的、频繁的、少量 (偶尔大量) 的数据传输。

(5) 支持TCP/IP协议, 可与因特网互通, 突破了GSM通讯中数据流量的限制。

(6) GPRS网络系统提供可靠的数据安全性。

2 基于DSP技术的电能表

2.1 基于DSP技术的电能表硬件系统设计

系统如图1所示, 能实现高准确度电能计量。选用采样速率高达1Msps的16位高速AD芯片来进行电压、电流信号采样, 用ADI公司的ADSP-BF532芯片来进行数值运算, 使用一片微处理器完成对电能数据的管理、人机界面、自动校表及与外界通讯等功能。

系统可以分为电源电路、前端信号调理电路、模数转换电路、数字信号处理电路、电能管理处理器电路、人机交互界面时钟电路、通讯电路等, 各模块功能如下:

(1) 电源电路为系统提供稳定电源。上电时, 系统保证在可靠复位后再进入电能计量, 外置看门狗电路可在程序出现意外跑飞后, 产生复位信号使系统重新复位运行。掉电时, 掉电检测电路检测到掉电信号后, 产生掉电中断, 请求MCU进行掉电保护操作, 以保护采集到的电能量等重要数据。

(2) 前端信号调理电路包括电压电流信号采样电路, 可控的多路选通及增益匹配电路。在电流通道具有可选的两级增益:当输入电流采样信号在5mV至500mV之间时, 选择第一级5倍放大, 放大后对应25mV至2.5V;当输入信号在0.05mV至5mV时, 选择放大倍数为500, 对应25mV至2.5V。因此正常工作条件下, 输入电流采样信号幅度可以是0.05mV至500mV之间的任意值。电流通道设计成可选的两级放大, 使得系统在10000:1的负载动态范围内保持计量精度不超差。用户空载时, 软件上的防潜动阀值处理不会让系统产生潜动走字。电压通道只选用5倍放大。

(3) 模数转换电路由2.5V基准源与AD转换器组成, 完成对电压电流信号的模数转换。将信号调理电路采集的电压信号转换成16位数字量, 供DSP处理器进行运算处理。

(4) 数字信号处理电路主要由ADI公司的高性价比DSP芯片ADSP-BF532组成, 芯片时钟可高达400MHz, 具有丰富的接口功能, 包括16位的数据总线接口, 多个串口 (含SPI、UART等) , 以及定时器、存储器等丰富的内部资源。DSP单元在离散域完成对电压电流的均方根值 (有效值) 、相位差计算等, 并由此计算有功功率、功率因数, 同时完成对电能数据的增益补偿与相位补偿。有功功率对时间进行积分, 从而获得有功电能, 此有功电能即为系统计量电能的依据。

(5) 电能数据管理处理器采用MCS51系列微处理器。它主要负责对DSP运算得出的电能等重要数据进行处理, 完成自动校表与抄表, 采集DSP运算结果, 对电能数据进行存储与保护, 实时处理用户命令, 以及实现包括预付费在内的报警与负荷控制等功能。

2.2 基于DSP技术的电能表软件系统设计

计量程序设计是否合理, 直接关系到计量的精度与准确度。具体处理流程如图2所述。在处理流程中, 对信号周期及电压电流相位差的测量是至关重要的。由于相位差直接关系到有功功率计算是否准确, 从而也直接关系到有功电能的计算。如果要计算无功, 同样也受相位差的影响。

3 远程电力测控系统

3.1 系统硬件架构

远程电力测控系统硬件架构如图3所示。

该系统由以下部分组成:电能表、GPRS模块、通讯网络、测控中心。

电能表:完成满足行业标准的电能数据采集和运算, 具备通迅功能, 与GPRS模块连接后, 能与GPRS进行串行通讯。另外, 电能表还为GPRS模块提供电源, 电能表在接到远程指令后, 可以执行相应指令, 进行数据上传、负荷控制等操作。

GPRS模块:接收和发送无线信号, 在网络与电能表之间完成无线通讯和数据传递功能。

通讯网络:包括无线通讯网络和因特网, 完成数据的快速传送。

测控中心:测控中负责对电能数据的管理, 完成包括电能计费、电力调度、数据分析、负荷控制等等功能。

3.2 主站软件主要功能

(1) 定时抄表。抄表中心可根据预先设定的时间, 通过中心计算机对各表进行抄表、储存。

(2) 实时分析。测控中心在集中了各地电能数据后, 完成指定的数据分析功能, 如需量分析、复费率计费等。

(3) 节点考核。一般把1个表定义为1个节点 (可以任意定义电能表) , 通过计算可迅速得到输入、输出的电量、线损率等。可以对有疑义电能表进行重点跟踪监视, 显示用电量的二维曲线图、饼图、柱图等, 及时监测该表的计量异常情况, 发现问题并处理。

(4) 广播校时。抄表中心能随时对各表的定时抄表时钟进行远程校时, 同时也对各电能表进行校时。

(5) 电表管理。系统对电能表的新增、拆除、更换、修改、密级等业务, 提供方便的电能表业务管理功能。

4 结束语

采用基于DSP技术的厂站装置, 可降低厂站装置的成本, 增加对电压凹陷、短时中断、电压凸起等事件的监测, 扩大系统的应用范围, 使系统功能更加完善。同时采用本文提出的电能监测系统和技术, 能实现对电能的永久性监视, 并能及时记录供电系统的各种干扰, 方便地对整个电网的电能水平做出综合评价, 有利于分析扰动原因和找出减轻干扰影响的方法, 从而提高电网电能监控管理水平。

电能监控与考核系统 篇2

1 相关技术在电能采监系统建设中的重要作用

1.1 电能采监相关技术可提高用户信息采集的及时性

与传统的采集技术相比, 新型的电能采集技术更为先进, 其在15分钟内便可对电网系统所用用户的信息进行采集并准确计算费用。对于用电量大, 用电管理复杂的大型用电场所来说, 定期实时对其用电信息进行采集, 对信息进行自动处理并自动生成图表, 能够确保供电企业管理人员及时发现这些场所用电过程中存在的问题, 从而提前预警, 确保能够对系统进行及时检修, 避免用电事故的发生, 提高电网运行的稳定性。

1.2 可集中监控我国电力负荷

对电力负荷的进行监控能够避免因电网中设备功率突然增大而导致的电压升高, 电线断裂的问题, 进而避免用电安全事故的发生。同时, 采用先关技术能够使供电管理部门针对建筑工地、商场等用电大户的实际情况灵活调整用电策略, 既能保证这些用电大户的正常用电, 又能避免功率突然增大而导致的断电事故发生, 最终提高了电力系统的安全性及稳定性。

1.3 提高供电管理部门的服务水平

采用相关技术能够确保供电管理部门及时收集用户的各种信息, 从而及时了解用户对供电的具体需求, 并给予提前处理与解决, 这样便能避免供电企业与用户之间出现矛盾。而且相关技术的应用能保证管理部门在面对用户咨询或质疑时能够给出令用户满意的答复, 进而也提高了部门的用电信息服务水平。

1.4 提高社会效益

电能采监相关技术的应用使传统的由抄表员上门抄表收集信息的状况一去不返, 使得供电管理部门不必再支出大量的工作人员雇佣费用, 供电管理部门的运行成本明显下降, 并且信息收集的效率还得到显著提高, 一去一来便使得部门的经济效益大幅度提高, 进而也促使我国社会效益得到提高。

2 当前电能采监系统的相关技术概述

对于电能采监系统建设中的相关技术, 我们需要了解其常用关键术语、通信技术、数据模型以及网络模型。具体如下:

2.1 关键术语

采集系统主站是采集系统的指挥中心及数据收集处理中心。采集信息通道, 主要保证主站、终端、电能表等之间的通信连接。采集系统终端, 在主站监控下进行数据采集、管理、传输等任务, 同时还执行主站下达的其他指令。采集器多分为单表采集器与夺标采集器, 在完成电表电量统计采集的基础上, 还可将数据传输到终端内。

2.2 信息通道技术

第一, GPRS技术。该技术是一种新型的移动数据通信业务, 能够实现高速互联网接入服务, 并且已经在电能采监系统中得到较为广泛的应用。通常来说, GPRS技术具有点对点数据通信、用户快速登录、实时测量接入在线远端数据、按流量计费及高速数据传输等特点。

第二, 光纤通信技术。光纤通信技术是电力通信技术中较为重要的构成, 随着技术的不断发展, 光纤通信技术已经在绝大多数电网系统中取代了微波通信。光纤通信具有信道不拥挤、信号不易受干扰、安全性高、质量轻体积小、传输距离长、传输损耗低等多个特点, 因而在电能采监系统建设中得到广泛应用。

第三, 电力线通信技术。该技术又被称为电力线载波技术, 是指利用电力线传输信息, 从而实现通信。一般来说, 电力线载波技术可通过窄道通信、多载波调制、超窄道通信以及扩频通信等方式实现信息传输。该技术具有工程量小、通信成本低、可靠性强、实时性好等特点。

第四, 电话网通信技术。该技术以模拟技术为基础实现通信, 具有传输费用低的特点。

2.3 数据模型

电能采监系统中的电能表、采集点与采集单元是其数据模型中的重要组成部分。电能表示数据采集中最小的单元, 而采集点类似于用户, 是供电管理中的最小电源, 其与电能表的关系是:一个采集点上可以安装多块电能表或有关传感器。相比于以上两者, 采集单元又处在一个比较高的层次上, 其可以由一个或多个采集点组成而成, 通过采集点收集的数据对电能量数据进行计算, 从而为系统的下一步分析提供源数据。

2.4 网络模型

电能采监系统的常用的网络模型包括集中式、总线式、分布式以及中心局域网等结构。

3 基于相关技术的电能采集与监控系统的设计分析

笔者结合湖南省电力公司的实际案例, 对其电能采集与监控系统设计建设进行简要分析, 以具体了解以上相关技术在实际系统建设中的应用。

3.1 电能采监系统的整体结构设计

该公司采用的整体结构主要设计为5个层次, 分别为:现场设备层、终端设备层、实时系统层、数据库层以及管理系统层, 并且各个层次之间均通过相关信息通道进行连接。

现场设备层:该层次的主要功能是收集用电现场的各种数据, 并根据质量对现场各设备进行管理控制。这里所说的设备主要包括三项电度表、防窃电设备, 此两项设备通过485总线与上层设备进行连接。另外, 还包括配变监测终端。

终端设备层:该层次的主要功能是完成系统内各个层次或结构之间的通信功能与信道管理功能。常见的终端设备包括:专变监测终端、公变抄表终端、关口表电能量采集终端、大用户负荷管理终端。

实时系统层:该层次主要功能是实时将计算机网络中的数据输入到数据库中, 从而为后续各种系统分析提供参考。其包含的设备有:前置机、网络设备、子系统管理工作站。

数据库层:该层次的目的是存储各终端采集的数据, 并对数据进行整理, 按照实时、历史、用户档案以及设备静态数据等将全部数据分为四个主要部分。

管理系统层:该层次的主要功能是对整个系统进行管理, 并对用户各种数据进行分析, 同时还能根据分析结果下达相应的指令。

该公司所设计的系统接入方案为:建设统一的包含数据库的用电信息采集主站系统, 负责对所有终端数据的统一汇集以及加工和存储。营销系统统一维护采集点、终端、表计信息, 并将其复制到用电信息采集主站数据库中, 由主站系统直接使用, 避免了对同类信息的单独维护。另外, 用电信息采集主站中的从现场采集的数据经营销中间库至营销系统进行统一编码管理。

3.2 电能采监系统的平台设计

3.2.1 网络平台设计

第一, 终端通信方式。该系统网络平台采用的终端通信方式主要有GPRS、CDMA以及PSTN等三种。前两中通信方式需在得到相关单位批准后假设专线, 并且需使用路由器及防火墙设备。后一种通信方式需要配置相应电话线路、串口通信服务器、电话Modem池以及机架式工业拨号Modem池。

第二, 网络构架模型。本网络平台采用的网络构建主要有物理层、链路层、网络层。

第三, 实力主站连接参数。该公司采用的重点连接参数为:

移动IP:10.223.31.188, 端口:4000, APN:csddl.hn, 心跳:3~5分钟

联通IP:10.223.31.188, 端口:4000, APN:dlcb.hn, 心跳:3~5分钟

其内部局域网的连接参数为:IP:10.223.29.25, 端口:9006

3.2.2 主机平台设计

设计的主机包括数据库服务器、前置机服务器、WEB查询服务器和工作站四个部分。

3.2.3 软件平台设计

第一, 操作系统。本系统所选用的网络操作系统为windows系统, 主要是因为该系统与同类系统相比价格低, 且具有安全性好、兼容性高、可移植性与可靠性好、能够支持因特网、全面而方便等多种特点。

第二, 数据库设计。本公司需用到的数据库有盟市营销数据库、集团公司运行数据库、电费核算数据库、数据中心数据库、数据仓库等五个。为确保以上数据库的正常使用, 公司采用了Oracle10g数据库系统。

第三, 中间件设计。该公司数据库查询系统为标准的三层体系结构。对此为满足用户使用及数据库查询的正常运行, 该公司选用了TOMCAT5.5为中间件技术。

3.3 设计系统所实现的功能

本公司设计的系统主要实现了一下几种功能:

3.3.1 防病毒功能

为了预防网络病毒通过磁盘、网络、电邮等对系统网络造成破坏, 该系统在设计时充分考虑到了防病毒功能。主要策略有:建立严格的防病毒规章制度, 规范系统使用机制, 加强安全备份管理, 从而从管理上预防病毒。同时, 在系统中还安装了必要的防毒软件, 以实时监测预防病毒入侵。

3.3.2 数据备份与保存

为保证数据安全存储, 系统使用了两台共享磁盘阵列系统的数据库服务器, 以确保一台服务器出现故障时, 另一台能够代替工作, 避免数据遭到破坏与丢失。另外, 在数据备份与保存方面还采用了磁带机备份、光刻机备份以及日备份等措施。

3.3.3 操作权限功能

为了提高系统的安全性, 防止滥用系统、恶意登录等情况的出现, 在设计时对系统权限进行的规定。每一个模块、每一项业务的使用与操作都需要一定的权限, 非权限内的操作人员不被允许使用与操作。同时, 操作员在进行操作前要使用账号与密码, 账号密码有误则禁止登录或操作。

3.3.4 系统出错处理

为确保系统发出错误指令, 还进行了系统出错处理功能的设计。系统运行过程中一旦出现错误操作, 系统会自动向用户进行提醒, 并且自动取消错误的操作。若系统内部出错, 该功能又能够最带限度的保证系统数据的完整性与安全性, 并对出错的时间与原因进行记录以供复查。

另外, 本次设计的系统还具有数据维护、用户身份识别与授权以及提供线损分析数据等多种功能, 从而全方位的确保系统的正常运行。

4 结语

本文就对电能信息采集与监控系统的相关技术问题进行研究讨论, 介绍了电能采监系统对于电力行业的重要意义和作用, 分析了常用的相关技术, 并结合实例对电能采监系统的实际设计中各技术的应用进行了探讨。相信通过相关技术的应用不仅能提高电能采监系统的运行水平, 而且能给供电企业带来巨大经济效益。可见, 该系统中的相关技术值得我们进行更为深入的研究与探讨。

参考文献

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[2]In-Ho Choi, Joung-Han Lee, Seung-Ho Hong.Implementation and evaluation of the apparatus for intelligent energy management to apply to the smart grid at home[C].2011 Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2011:1-5.

[3]孙爱民.浅谈用电信息采集系统在电能计量领域的智能化应用[J].大科技, 2014, (31) :139-139, 140.

电能监控与考核系统 篇3

该书可供建筑、冶金、石化、煤炭、铁道、环保、轻工等行业以及工业企业供配电系统从事电气专业设计、科研、制造、施工、安装、监理、运行和检修人员阅读，也可供全国电力供用电专业设计、科研、安装、运行和检修的人员以及相关专业高校师生阅读。

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电能监控与考核系统 篇4

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电能监控与考核系统 篇5

由于以往开通的轨道交通线路往往缺少分项能耗数据及用电分析资料的支撑, 没有建立全面系统化的电能管理体系, 导致运营部门对地铁设备的电能消耗和节能效果缺乏有效的管理, 深入节能挖潜工作也存在着瓶颈。因此实现能够定量监测各类能耗状况并进行能耗数据统计分析的电能管理功能已经势在必行。广州地铁6号线建设工程开始将实现电能综合管控功能纳入建设实施实践中, 并将此功能集成到综合监控系统中来实现。通过工程的成功实施, 运营部门可以实时监控各种用电设备的能耗状况, 对现场测量能耗基础数据进行分析, 得出本线路各机电系统能耗评价结果, 发现各用能环节中真正存在的问题, 并可对通过综合监控系统实现有效的节能调节。

2 轨道交通能耗分布状况

轨道交通能耗主要分布在供电系统 (列车牵引、动力及照明等) 、机电设备 (通风空调、车站设备、给排水及消防等) 、弱电系统 (通信、信号、综合监控、环境与设备监控、自动售检票、安防等) 和其它用电设施, 其能耗大致分布如图1所示。

从图1可分析轨道交通运营过程中主要能源消耗是电能消耗, 尤其以列车牵引、通风空调、电扶梯、电力照明等为主要的耗电大户专业, 因此在轨道交通节能管控设计工作中应重点围绕上述耗电大户系统专业进行考虑。

3 系统设计方案的研究

3.1 基本需求分析

由于以往城市轨道交通建设时对能耗管理认识程度不够, 目前一些已经开通城市轨道交通线路在能耗管理方面遇到一些困难, 主要体现为已经建成线路的能耗统计监测体系不完善, 现有的能耗监测统计数据较粗且不系统完整、准确性差, 并且缺乏统一标准的能耗指标体系和节能效果评价指标。

根据广州地铁6号线工程实施情况, 结合其它城市相关工程经验, 国内城市轨道交通电能管控功能需求主要包括以下方面:

(1) 基本的能耗数据和电能质量数据采集和监测功能。即通过现场能耗采集模块实时采集布置在车站现场各类用电设备的能耗电能质量数据信息, 实现对各相关系统的相关数据采集、统计、存储和监测, 为电能管理提供基础数据依据。

(2) 核心的综合电能考核评价功能。即根据地铁运营基础能耗数据的分析, 通过横向和纵向的用电分析比较, 建立定量评价与定性评价相结合的电能效果评价指标体系, 制定相应的考核标准。

(3) 重要的节能管控的联动功能。即结合对车站各类用电设备的能耗统计和分析结果, 综合考虑行车密度、进出站客流、环境参、服务质量因素, 在满足运营行车安全和运营服务水平的前提下, 通过电能管控系统与各相关专业的接口, 实现相关节能联动控制功能, 对各类节能参数进行优化调节。

3.2 系统设计方案

城市轨道交通电能管控系统设计内容主要包括现场电能计量采集设置和电能管理上位监控系统的实现方案等两大部分。

3.2.1 现场电能计量采集单元的设置方案

轨道交通需要加强电能管理的用电设备种类和数量较多, 且分布在各设备机房, 如表1所示。采用现场分散计量不利于数据采集和管理, 因此计量装置宜集中设置在地铁变电所、环控电控室的馈电回路或计量柜内, 以便于计量数据的自动采集、抄表和校对以及计量表计的测试和维护。系统通过采集全线各处的变电所和主变电站内各种馈线、智能监测仪表的数据实现对各类用电系统设备的电能质量参数的监测分析和电能消耗计量管理等功能。现场计量采集单元通过现场总线将数据汇集到通信控制器, 然后统一上传上位计算机监控管理系统。

3.2.2 电能管控上位监控系统的实现方案

根据目前国内城市轨道交通实现有关电能管理功能工程经验, 电能管控上位监控系统的实现一般有以下两种技术方案:

(1) 独立设置能源管理系统的技术方案。即将底层数据采集单元和上位管理计算机作为一个整体系统独立设置, 利用通信传输网络通道, 实现中央与车站的数据交互功能。系统架构设计较为简单, 可实现信息采集和分析统计及评价功能, 但是此能源系统一般与其它地铁既有系统基本关联不大, 存在信息沟通不畅和资源共享不足, 实现更高要求的节能管控联动功能比较困难。

(2) 将能源管控功能集成到地铁综合监控系统的方案。即在现场设置各类电能信息采集单元, 通过现场总线进行连接, 并通过通信控制器与综合监控在站级进行接口, 实现监测信息的上传。城市轨道交通综合监控监控系统采用通用的软件平台和标准的硬件架构, 集成和互联地铁范围内各类主要机电系统 (包括电力监控、环境与设备监控、火灾自动报警、安全门、自动售检票、信号、通信、乘客信息、安防等) 。综合监控系统可以很好地实现对耗数据和电能质量数据的实时监控, 对各用电系统能耗指标的考核评价功能, 并充分发挥信息互通和联动协调的优势, 比较容易实现相应的节能管控调节功能。因此广州地铁6号线工程选择采用将电能管控功能集成到综合监控系统的技术方案。该技术方案的系统架构如图2所示。

3.3 系统实现功能

3.3.1 能耗数据采集功能

系统通过现场能耗采集单元装置可采集轨道交通各类主要耗电系统和设备的能耗信息和电能质量数据。能耗数据指回路单位时间内消耗的电能量, 一般现场能耗采集终端单元负责采集回路的正负向有功电度数据, 并以累加值方式上送到综合监控监管系统, 通过综合监控系统计算单位时间内的电度差值, 从而得出该时间段的能耗数据。现场电能质量数据指电表采集的电流、电压、频率、基波电流、基波电压, 谐波电流、谐波畸变率、功率、功率因数等瞬时数据。

3.3.2 各类基础数据分析应用功能

综合监控系统可根据能耗和电能质量数据进行进一步细化处理, 并在用户应用层实现各类具体应用功能, 主要包括图形界面显示、各类超标报警、实时和历史趋势显示、数据查询、能耗和电能质量综合统计和各类统计报表等功能。

3.3.3 能耗综合评价和考核功能

为实现城市轨道交通运营部门对各类机电系统能耗的科学管理, 系统应具备能耗考核评价功能。系统能按照预先制定的统一能耗考核指标系数对相关系统设备进行考核, 真实反映用户的能源利用状况。另外, 系统还需设定目标值、同环比值、行业先进值等参考指标值, 通过横向和纵向的比较使用户清楚了解自身用电情况。

实现该项功能的核心就是根据各地实际情况建立合适的能效指标体系, 即建立能够反映用户用能水平的关键性指标。由于各条线路的线路长度、车站数量、行车对数、车站情况、系统制式不同, 单一指标不可能全面反映线路节能情况, 因此宜采取多指标综合评价的方法, 才能较好反映实际节能效果。建议综合评价考核指标包括以下内容:

(1) 线路年度/月度用电总量。该指标能较好地反映实际每条线路的电能使用情况。

(2) 车站电耗指标。车站电耗适合反映同类车站线路的非牵引能耗部分的节能情况, 主要包括环控用电、照明用电及管理用电。其计算公式:车站电耗 (万千瓦时/站) =车站非牵引用电量/全线相关车站数量。高架车站和地下车站差异较大, 应分类区别处理。

(3) 人公里单位电耗指标。人公里能耗能较好地反映轨道交通系统牵引有关部分的节能效率。人公里能耗计算表达式为:人公里单位电耗 (千瓦时/万人·公里) =牵引用电量/ (客流×平均运距) 。

(4) 车公里能耗。车公里能耗侧重于反映牵引部分能耗的节能效率。车公里能耗计算表达式为:车公里单位电耗 (千瓦时/车·公里) =牵引用电量/车公里。

(5) 单位产值能耗。单位产值能耗侧重反映工程项目收入与产值的效益关系。单位产值能耗计算公式为:单位产值能耗=年度综合总能耗量/工程项目年度总收入产值。

3.3.4 节能管控的联动协调功能

根据以往线路运营情况的统计, 在城市轨道交通各类用电系统设备中车辆牵引、通风空调、照明、电扶梯、通信、售检票等系统设备能耗占整个轨道交通用电总能耗的8 5%以上, 因此要在运营时期实现节能管控的调节功能, 需重点根据以上设备系统的能耗特性进行考虑。联动协调功能包括:

(1) 与列车牵引能耗有关的节能管控联动协调功能。列车牵引能耗是目前轨道交通中第一能耗大户。对列车牵引能耗造成影响的主要因素包括列车属性、线路条件、行车组织三部分, 前两部分属于基础设施, 节能措施只能从工程前期设计方案上考虑, 后期运营无法进行有效调节;第三部分属于运输组织, 后期主观可调控性相对较强, 用节能运行图实现精细控制运行速度、加速度及停站时间和调整运营交路是主观可控部分最为有效的节能手段。综合监控系统可通过接口联动信号系统在非高峰运营时段在不降低服务质量的前提下, 选择A T O节能运行曲线对列车运行进行控制, 适度控制列车区间运行速度, 并适当减少停站时间来达到节能目的。另外, 根据常见的客流断面会出现线路两端低、中间高的线路特点, 在特殊时间段联动信号系统采用大小交路套跑的行车组织模式控制列车运营, 也可在满足线路客流对运输能力的需求前提下, 节省列车配置, 提高满载率, 降低车公里, 达到节能的目的。

(2) 与环控系统设备能耗节能管控有关的联动协调功能。环控系统设备是轨道交通的能耗大户, 主要由隧道通风系统和车站通风空调系统 (包括大系统、小系统和水系统等) 组成。根据各环控子系统的特性, 地下车站通风空调系统节能控制的重点应放在车站隧道通风排热系统、大系统和水系统上。由于综合监控集成互连B A S、A F C、信号等系统, 可考虑综合行车对数、客流情况和现场环境参数等因素, 根据环控工艺原理对车站隧道排热风机、车站组合式空调器、回/排风机、冷水机组等设备进行群组和变频调节控制, 实现节能的目标效果。

(3) 与照明设备节能管控有关的联动协调功能。照明系统从功能可分为正常照明、节电照明、应急照明、导向照明、广告照明等。综合监控系统可通过联动集成的B A S系统实现对各类照明设备相关节能控制功能, 如时间表控制、分组控制、模式控制、亮度调节等。

(4) 与其他系统设备节能管控有关的联动协调功能。综合监控系统是一个轨道交通综合集成平台, 可通过与B A S、A F C和通信等系统的接口实现对电扶梯设备、售检票设备和通信设备的节能模式联动控制功能。

4 结语

广州地铁6号线工程综合监控系统在集成电能管控功能方面进行了有益的尝试, 充分发挥综合监控系统在资源共享、信息互通、协调联动方面的先天优势, 实现了城市轨道交通统一电能管控的基本功能, 为国内城市轨道交通工程提供有价值的参考。

摘要：分析城市轨道交通电能管理现状和功能需求, 结合广州地铁6号线工程经验, 对实现电能管理功能的城市轨道交通综合监控系统的构建方案进行研究。

关键词：城市轨道交通,综合监控系统,电能管控功能

参考文献

[1]广州地铁设计研究院有限公司.广州市轨道交通新线线节能评估报告[R].2015

[2]广州市地下铁道总公司.综合监控系统在信息化综合电能管理方面的研究科研报告[R].2013

[3]魏哓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京:电子工业出版社, 2004

电能监控与考核系统 篇6

关键词：电能质量,双CPU FFT,算法,Qtopia Core,远程监控

0 引言

随着电能质量对国民经济的影响日益增大和对电能质量研究的逐步深入,人们对电能质量的关注已不再限于电压、电流、谐波和频率等指标,还包括更为准确的关于电能质量的实时信息,同时要求电能质量监控系统能够提供更为直观的分析结果,以便对电能质量中的问题做出及时而正确的决策。这不仅对监控系统的功能提出了更高要求,也需要多种技术和各领域的专家相互配合[1]。

本文介绍基于高速双CPU的新型电能质量远程监控系统[2],该系统以网络通信功能强的ARM作为主处理器,实现电能质量监控装置和远程主机间的通信;以数据处理能力强的DSP作为协处理器,实现数据的采集和集中管理,从而满足电能质量监控系统实时性要求。同时,系统采用了Qtopia Core人机界面,并对其进行了汉化处理,以便直观地对采集的数据进行分析和处理。

1 系统硬件结构

系统硬件结构如图1所示。系统主要包括数据采集模块(电压/电流互感器、调理电路、锁相倍频)、A/D转换电路、DSP模块、双口RAM通信、ARM模块、存储扩展、JTAG调试接口、键盘接口、网络通信和LCD显示。

1.1 ARM模块

系统的主处理器是ARM9系列S3C2410型。S3C2410为16/32位RISC处理器,采用ARM920T内核;具有耗电少、成本低、功能强等优点;支持从NAND Flash存储器启动,片内指令和数据高速缓冲器容量为1MB,支持外部协处理器(CP14和CP15),指令和数据总线有简单的握手信令支持(支持实时调试),因而可满足系统的实时性要求。

该模块的主要功能是通过双口RAM与DSP通信,接收DSP处理后的数字信号,并在LCD上实时显示;同时,为了实时监控电网电能质量参数,通过RS-485实现本地通信;利用嵌入式Web服务器,通过Internet在Windows环境下实现电网电能质量的远程监控[3]。

1.2 数据采集模块

电力信号不仅成分复杂、幅度可变,而且基波频率也不恒定。虽然我国电网的频率规定为50Hz,但实际电网频率受供用电负荷不平衡的影响有波动。若按固定基波频率来确定采样率,则必然产生栅栏效应和频谱泄漏,使信号频谱分析结果出现误差。为了尽量减小这种误差,一般采取同步措施。根据具体情况的不同,交流同步采样通常可以分为软件同步和硬件同步。考虑到硬件同步采样要比软件同步采样响应迅速,故本系统主要采用硬件同步方式,以便更能实时追踪频率变化。

系统测频跟踪电路如图2所示。调理电路输出的A相电压经比较器形成方波信号,再经光耦隔离后与DSP捕捉单元的引脚(CAP1)相连,最后通过计算就可得到系统频率。

1.3 A/D转换模块

电力系统中,高次谐波及暂态电能质量指标的测量对模数转换芯片的要求非常高。根据实测数据,若采用12位分辨率的模数转换芯片,则对15次谐波仅A/D转换精度不够就至少会引起1.67%的误差,况且在实际谐波测量中一般测到30次以上谐波,误差会更大,从而使高次谐波测量数据失去可信性。因此,电能质量监测系统中模数转换器的分辨率至少在14位以上。

系统选用TMS320F2812,但其芯片内置的12位A/D转换模块无法满足电能质量分析的需要,要测量30次谐波并得到精确的分析结果必须外接A/D转换芯片。考虑到工业应用、性价比及对数据的同时采集需要并行接口,系统最终选择MAXIM公司的MAX125作为A/D主芯片[4]。

系统需要测量三相电压、三相电流、零序电压以及零序电流共8个电量,故需要2片MAX125芯片。MAX125的控制线/CS1、/CS2、/RD、/WR、/CON-VST分别与DSP的GPIOA0、GPIOA1、/XRD、XR/W、GPIOA2相连,14根数据线通过电平转换后与DSP的14位数据线相连,2片MAX125的/INT信号经过一与门电路,然后将其输出信号通过电平转换后与DSP的GPIOA3相连。

MAX125的转换定时和时序控制由一个16MHz的外部时钟、/CONVST信号和编程模式共同控制。系统上电后,MAX125的默认工作模式是将CH1端的模拟输入信号进行单通道转换。在片选信号/CS和写信号/RD同时为低电平时,可通过写操作把A3A2A1A0的值写入MAX125,进行转换模式的选择。MAX125一旦被编程,A/D转换器就会在同一模式下工作,直至A3A2A1A0被重新编程或系统突然断电。

系统中的2片MAX125都用A路的四通道并行转换模式进行数据转换,故每片MAX125的A3A2A1A0写为0011,然后,等待DSP发送开始转换信号/CON-VST(须保持其低电平时间不小于30ns)。当/CONVST变为低电平时,MAX125才开始对模拟信号进行转换,转换期间采样/保持放大器一直处于保持状态(即使又出现/CONVST信号为低电平的情况),直至采样的最后一次转换结束。因2片MAX125同时采样,故12μs后转换结束,此时将转换结果存储在MAX125内部的14位×4的RAM中,且输出转换结束信号/INT,同时采样/保持放大器又开始重新采样。DSP通过中断方式收到/INT的低电平信号后,会依次发送4个片选信号/CS(/CS的低电平宽度要不小于/RD、/WR的低电平宽度)、4个读信号/RD(/RD电平有效,但/RD的低电平宽度应不小于40ns),然后按照通道的顺序从CH1到CH4依次读出8个转换结果。

由于MAX125的工作电压是±5V,而DSP的I/O的电压是3.3V,两者间的数据传输需要进行电平转换,因此系统选用SN74LVC4245DW电平转换芯片。

2 FFT算法的实现

考虑到电力参数的计算是基于谐波分析及通过TMS320F2812实现傅里叶变换的方便性,最终选用FFT算法对采集到的数据进行分析和处理。由于FFT在采样处理过程中存在频谱混叠、栅栏效应以及泄漏现象,最终计算出的信号频率、幅值和相位不准确,因此结合窗函数的设计思想,对其进行了一定的修正[5,6]。

系统采用基-2 FFT算法[7,8],其流程如图3所示。

系统在进行FFT算法仿真时,输入函数x(t)=100sin(ωt)。其中频率为电网的实时跟踪频率,这里取49.98Hz。再根据窗函数设计方法,加入汉宁窗函数对FFT算法结果进行修正。

图4是经过FFT算法处理的幅频特性图,图5是经过加窗后的FFT算法处理的幅频特性。

由图4、图5可知,经过汉宁窗函数处理后,频谱特性变平滑了,滤除了高频信号,减少了信号的泄漏现象。

3 监控界面的显示

系统以Qtopia Core作为嵌入式人机交互的开发界面。本系统主要是针对国内用户设计的,故需用中文来显示本监控系统的界面,但Qtopia Core并不支持中文库,所以须实现Qtopia Core的汉化。下面介绍一种汉化Qtopia Core的方法。

(1)需要翻译的地方用tr()函数标识,制作出.qm信息文件。该GUI中第一级菜单需要的标签是“电能质量监控系统”,因而在程序中加入label—>setText(tr (“DIAN NENG ZHI LIANG JIAN KONG XI TONG”))。

这里主要由Qt提供的工具lupdate、linguist和lrelease(这些工具可在Qt的安装目录bin文件夹下找到)来协助翻译并生成最后需要的.qm文件。主要步骤如下:

①利用lupdate工具从源代码中扫描并提取需要翻译的字符串,并生成.ts文件。这与编译时用到的qmake类似,运行lupdate时也需要指定一个.pro文件。

②先通过qmake自动生成SGCC.pro文件,然后再进行一定的修改,在该文件最后加入“TRANSLATIONS=SGCC_zh.ts”。此时再输入lupdate SGCC.pro将得到xml格式的SGCC_zh.ts文件。

(2)利用linguist工具来协助完成翻译工作,主要是打开前面由lupdate生成的.ts文件,然后再对其中需要翻译的字符串进行翻译并保存。

利用lrelease工具对翻译好的.ts文件进行处理,主要是将xml格式的.ts文件变成更为紧凑的.qm文件。输入“lrelease SGCC.pro”即可完成。

所有的准备工作完成后,编译运行所有的程序,生成可执行文件。

利用项目组的硬件环境,启动硬件装置,将所有的软件通过JTAG下载到NAND Flash后,上电启动LCD屏,初始化界面如图6所示。

点击SGCC图标就进入监控系统主界面,如图7所示。

4 结束语

电能质量远程监控系统的突出特点是实现了ARM的强大控制能力和DSP的强大运算能力的结合;利用2片扩展的MAX125和DSP装置实现8路模拟信号的采集,满足了现阶段对电能质量监控的要求;通过Internet对电网的电能质量指标进行远程监控;通过汉宁窗函数对FFT算法中的频谱泄漏和栅栏效应进行了修正;实现了人机界面的汉化,从而能更方便地对采集到的数据进行分析和处理。

参考文献

[1]林海雪.现代电能质量的基本问题[J].电网技术,2001,25 (10):5-12

[2]冯红岩,赵双喜,张建成,等.基于双CPU的电能质量监测系统的设计与实现[J].继电器,2006,34(7):61-64

[3]李兵建.基于嵌入式Internet的远程电网参数实时检测系统的设计[M].江苏:江南大学,2007

[4]MAXIM.Max125 user's manual[S].2003

[5]G.T.Heydt.A new method for the calculation of subtransmission and distribution system transients based on the FFT [J].IEEE Trans on Power Delivery,1989,4(3):1869-1874

[6]Jain V K,Collins W L,Davis D C.High accuracy analog measurements via interpolated FFT[J].IEEE Trans.IM, 1979,28(2):113-122

[7]郭桂香.改进的FFT在电能质量监测系统中的应用[J].自动化与仪器仪表,2011,2:94,95