电力线监测（精选12篇）
电力线监测 篇1
0 引 言
2008年1月中旬到2月初,我国南方遭遇了连续大范围低温、冰雪天气,输变电设施的覆冰厚度普遍超过30 mm,局部达到80 mm～100 mm,严重情况下导致了电力线的断裂,但是电力公司不知道哪里的电缆将要断裂,并且断裂后也不知道断裂发生的具体位置,无法及时抢修,致使直接经济损失达537.9亿元[1]。
在上世纪90年代,国外就已经开始对电力系统监控自动化进行研究,并提出了用移动机器人对电力线相关参数进行监测[2]。随着无线传感器网络(WSN)的出现,美国等欧美国家开始对无线传感器网络在电力系统的应用展开了研究和应用[3,4,5]。
国内也有专家和学者提出了跟国外类似的方法,即采用机器人自动巡检高压架空输电线(电力线)的方法来解决电力线监测的难题[6,7],可是机器人耗电量大且信号传输也是个难题。文献[8,9]中应用GSM/GPRS通讯技术与力学传感器相结合,设计了电力线的受力监测系统,但是GSM/GPRS是移动通讯商推出的收费业务,额外增加了监测系统的成本。近年来,国内也有不少学者研究将无线传感器网络应用到电力系统中,郝晓弘、王瑛辉等人应用无线传感器网络对电力系统开关柜内温湿度进行监控[10],王永灿、冯远静等人使用无线视频传感网对高压塔架监控进行了研究[11],这些研究足以说明利用无线传感器网络实现电力系统智能化是一种比较有效的手段。
无线传感器网络是多跳网络,具有无主站、自组织、自治、自适应、体积小、价格便宜等优点[12,13],而且网络通信工作在完全免费的频段上,这对降低系统的运行成本与普及有很大的意义。
本研究设计了基于无线传感器网络的电力线受力监测系统,在对电力线进行受力分析的基础上,重点说明了张力传感器的安装与电路设计,以及后台监控系统的设计。该系统可以很好地解决电力线的监测问题,免去人工检查的繁琐过程和维护次数,既减少成本,同时又提高了监测的可靠性。
1 电力线受力分析
由于架空输电线两悬挂点间的距离很大,电线材料的刚性对电线悬挂在空中的几何形状影响非常小,所以可以将电线假定为一条处处铰接的柔软链条,也就是说,电线架空悬挂后呈“悬链线”状,如图1所示,A和B为电线两悬挂点,O为电线最低点,该点处的轴向应力即为电线水平应力。
架空电线上作用的张力大小与电线材质、截面积和承受的荷载等因素有关。为了表征和比较电线的受力情况,通常以单位截面上的量值来进行电线的力学计算。例如,把单位截面上作用的张力称为应力(σ),单位为N/mm2或MPa;电线单位长度、单位截面上承受的荷载称为比载(r),单位用N/mm2·m或MPa/m表示。
在覆冰情况下,电线垂向比载(rv)包括电线自重比载(rv1)和覆冰比载(rv2),即:
式中:q—电线单位长度质量,kg/m;gn—重力加速度,N/kg;A—电线截面积,mm2;b—覆冰厚度,mm;D—电线外径,mm。
电线水平比载(rh)为:
式中:Wo—基准风压标准值,α—风压不均匀系数,μsc—电线体型系数,μz—风压高度变化系数,μθ—风压随风向的变化系数;Wo,α,μsc,μz,μθ的取值见文献[14]。
有冰有风时,电线的综合比载r为:
文献[14]中给出了电线任一点C的轴向应力σx与该点对最低点高差之间的关系式为:
σx =σo +r(y-yo)(N/mm2) (4)
式中:σo—电线最低处的水平应力;r—比载;y,yo—电线C点和O点处的纵坐标值,m。
由上式可知,在同一档内电线相对高度越高的点上,其轴向应力越大。因此,在安装张力传感器的时候一定要将其装在电力线相对位置较高的地方。
2 基于无线传感器网络的电力线受力监测系统组成
基于WSN的电力线受力监测实验系统主要由无线传感器节点网络和后台监控系统两部分组成。整个系统的示意图如图2所示。其中,受力监测终端与监控终端通过无线传感器网络(WSN)进行数据传输。受力监测终端由安装在电力线的张力传感器通过屏蔽线与无线传感器节点连接而成。在项目中,无线传感器节点选用工作在2.4 GHz免费频段的JN5139型无线传感器节点,该节点通信距离长,功耗低,自身带有温度传感器和湿度传感器,在对电力线受力进行监测的同时,也可对电力线周围温湿度环境进行监测。JN5139的CPU为32位处理器,数据采集的过程中由CPU控制节点射频模块发送数据[15]。整个受力监测终端由太阳能供电系统供电。节点定期从传感器获取电力线受力数据,然后将数据以一定格式的数据包的形式经过无线传感器网络发送到sink节点,也就是汇聚节点,然后汇聚节点将数据传输到后台监控系统,后台监控系统发现异常情况时通过短信猫将异常信息发送到指定的手机上。
受力监测终端结构如图3所示,JN5139节点通过CPU控制A/D转换器周期性的采集张力、温度和湿度数据,通过自身带有的12位高精度的A/D转换器将各个传感器传来的信号转换为数字信号,CPU将各种传感器采集到的数据按一定的格式通过无线收发器发送给靠近汇聚节点的JN5139节点,节点在收到数据包之后即将数据包发送给离其最近且靠近汇聚节点的节点。JN5139节点采用定期休眠和唤醒机制,这样可以节省能量,使整个无线传感器网络在没有光照的情况下持续运行更长的时间。
3 张力传感器的安装与电源控制
考虑到电力线的特性,本系统采用的旁压张力传感器安装方便、操作简单、维修容易,经过专门定制后,项目所使用的张力传感器具有耐高压、抗电磁干扰等特性。
张力传感器如图4所示,电力线通过U形螺栓固定在传感器上,当钢丝绳受拉力时,力通过导向轮作用于传感器上,传感器内部应变片产生形变之后经过特定的电路产生对应的受力信号,张力传感器内部自带放大电路,输出信号为0～5 V的模拟电压信号,综合精度误差为±0.3%F·S,工作温度为-20～+60 ℃,工作电压为12 V,量程为10 T,大于一般用于110 kV高压输电线的最大拉断力(一般用于传输110 kV高压输电线为:钢线7根直径2.4 mm,铝线24根直径3.6 mm;拉断力75 620 N约7 716 kg)。
本系统的电源控制电路如图5所示。其中电源端接12 V太阳能供电系统[16],它由太阳能电池和高容量可充电电池组成,太阳能电池通过电源端给系统提供电能,同时给高容量可充电电池充电,在无太阳光时系统电能由高容量可充电电池提供。节点端接无线传感器节点,3.3 V接线端为节点提供所需电源;节点DIO0引脚接I/O端,在采集数据之前,节点使DIO0为高电平控制继电器使传感器供电电源接通,当采集完数据后,DIO0置低电平控制继电器将传感器供电电源断开,以此节省传感器电量的消耗;A/D端接节点的A/D转换器的引脚ADC1。传感器端接张力传感器为其提供电能,传感器的信号线接signal端之后电路将传感器信号电压线性转换成0～2.5 V。
4 后台监控中心系统组成
后台监控系统组成如图6所示,汇聚节点接收到受力监测终端发来的数据包后,通过串口线传输到后台监控系统,后台监控系统将数据包中的电力线受力、温度和湿度等数据分离。然后将数据通过ADO的方式存入数据库,同时对受力数据进行分析,如果受力异常,如接近电力线的拉断力说明电力线将要断裂,此时通过短信猫将发生异常情况的信息发送到指定的手机号码上;如受力比正常情况下受力小得多则说明电力线已经断裂,此时通过短信猫将异常信息发送到指定的手机号码上。接收到的信息亦可通过直观的方式显示出来,如图7所示。
用户可以根据日期和受力范围查询整个电力线的受力数据历史,这样可以帮助电力部门分析环境对电力线受力的影响。系统中的指令产生模块可以根据用户需要向受力监测系统发送一些指令,如无线传感器网络同步指令,采样时间间隔设置指令等。
5 结束语
本研究针对电力线覆冰时遇到的一些问题而提出了一种解决办法,介绍了基于无线传感器网络的电力线受力监测系统。如广泛应用到具体的电力线网络中,将对我国高压电力线冰灾的预防和灾害分析具有重要的意义。
笔者在整个系统的设计和实验过程中发现,传感器节点成本较高、无线系统稳定性问题以及能耗问题是制约本系统大范围推广使用的3个关键问题,这也是下一步要研究和解决的主要问题。随着成本的降低和技术的进一步成熟,该系统将具有很好的应用前景和经济效益。
致谢:
感谢以王一进为项目负责人的国家大学生创新性实验计划《基于WSN的电力线受力监测的实验系统研究》项目的支持,感谢以贾继宣为项目负责人的浙江省大学生科技成果推广项目《基于无线传感器网络的高压输电线路受力监测与预警系统的研制》项目的支持。
电力线监测 篇2
【摘要】电力设备在正常工作时都会产生发热现象，线路、设备等的连接处此种现象会更加明显，长期如此会加速电力设备线路等的老化，引起电力设备的绝缘性 能下降，加之外界环境对电力设备的负面影响，更会使老化现象加剧，严重的可能引起重大的电力事故，造成难以弥补的人员伤害或重大的经济损失。以往的电力设 备的温度检测是靠工作人员定期完成的，费时费力，工作效率极低，而且不能及时发现潜藏的隐患，有些电力设备的焊点与接头位于不便触及的里端，这又给检测人 员带来了极大的不便。为解决上述问题，电力设备的智能无线温度监测系统应运而生。
【关键词】电力设备;智能化;无线技术;温度;数据收集
1、智能无线温度监测系统的工作原理
智能无线温度监测系统被设定成三个子系统，分别是采集系统、汇总系统、监测系统。三个子系统通力协调工作，实现了电力设备温度的实时、准确、便捷的智能无线监测。
智能无线温度监测系统的三个子系统间的连接方式是不同的，无线通信方式是应用于采集系统和汇总系统之间，而通信线缆则是使用在汇总系统与监测 系统之间，即一个无形，另一个有形。对应部位的热感应元件将其所监测到的温度信息通过无线通信设备传输到汇总系统的总站，总站将会对收集到的所有温度信息 进行分类整理、分析并处理，再将处理完毕的数据信息传输到监测系统的监测计算机上。同时，调节端监测计算机也将收到同样的数据信息。监测计算机对接收到的 数据信息进行二次处理分析，当处理所得数据结果超高设定的极限值时，监测计算机就会发出警示信号。每个总站可以管理数百个子站，信息量的采集将是非常巨大 的。
2、智能无线温度监测系统的组成
2.1采集系统
通过将热敏电阻、传感器等热感应元件安装在容易因工作而产生不正常散热的`部位，实时的对温度数据进行测量与采集工作，并将采集到的信息发送出去。交流电作为长期供能电源及太阳能电池板作为的后备电源(确保突然断电后的数据持续收集的)是采集系统的正常工作的依靠。
2.2汇总系统
信息汇总系统主要由无线接收装置构成，在收集到采集系统所传递而来的数据信息后，再传递给总站，总站接收到分站的温度数据之后，继而再将其传递给当地监视系统，与此同时还将温度数据传递给调节终端。实时温度变化同样被调节终端监视，如此便避免了无人监测的情况。
2.3监测系统
监测系统又可以细分为站级监测系统和调节端监测系统。用于监测系统的计算机直接接受总站所传递的温度信息等数据，并与总站是直接通信的关系。 监测计算机对总站所传递来的数据信息进行汇总、整理、分析后，存储于特定的数据存储库(可以对数据库进行灵活改动，比如扩容)。监测计算机可以对数据信息 进行报表统计，准确记录处于何时、何地、何种状况下的温度情况。同时，监测计算机在温度越过某一设定极限值时会有警示信号出现。监测计算机的另一个便捷之 处在于，可以根据需要进行任何时间段的任何部件的温度查询。调节端监测系统的数据信息传输用到的是汇集系统的通讯管理器，通过数据传输线缆直接传输到 PCM设备之中，在经过线缆转送给调节端，经PCM的数据信息还可以作为存储资料被下载到调节端监测计算机。
3、智能无线温度监测系统的特点
3.1免于布置排线
因为采用了无线传输设备，所以不用布置排线，热感应元件的安装更方便。
3.2免于经常的维护
智能无线温度监测系统都是整体化设计，所以免于维护。
3.3节能
智能无线温度监测系统的各个部分均采用节能、低功率消耗设置，同时应用太阳能电池板更是绿色节能。
3.4警示系统更完善
当温度过高时，总站智能终端电源，后台监控系统能够及时发出警报。
3.5稳定性更高
智能无线温度监测系统中的设备均有坚实的外壳保护，同时又有静电保护。数据在传递过程中安全、稳定，能够抵抗外界的干扰。
3.6具有较好的兼容性
能够应用更多的应用软件和控制系统。
4、智能无线温度监测系统与传统监测间的对比
4.1智能无线温度监测系统由于装有位于各个需要测量的部位的热感应元件的帮助，这使得数据的采集与监测具有了实时性、连续性和准确性的优 点，通过对每年、月、日甚至每小时的温度数据的变化情况，总结出电力设备不同部位的相应温度的变化规律，确定出其温度规律的峰值，有效的对电力设备的工作 稳定性就行预见性分析，消除潜在的威胁。而传统的电力设备温度的监测是依靠监测人员定期的监测与测量才能得出的，传统的电力设备温度的监测耗费大量的人力 物力，由于人类生理的局限性，所测得的数据存在不确定误差，甚至会出现错误，而且潜在的故障威胁不能及时发现并作出应有的处理，致使出现不必要的人员或财 力的损失。
4.2智能无线温度监测系统对数据的处理速度以及对故障的预见性分析是人类所不能比拟的，其所存储的数据信息能够被极其方便的调阅，对数据信 息的存储量也是相当的巨大。而传统的监测数据信息要进行存储就需要建立专门的存档管理机构，而且常年所存储的信息量是无妨想象的，要对某段数据进行查阅也 是极为不便的，费时费力，极不现实，而智能无线温度监测系统则解决了上述所存在的所有问题。
4.3智能无线温度监测系统的应用软件简单，操作方便，减少人员培训上岗时间。而传统的监测测量则需要专门的工作人员进行培训。
5、智能无线温度监测系统的后台监控功能
5.1热感应元器件所监测的部位的温度能够实时的传递给监控计算机并于显示屏上呈现出来，出现警示温度时的时间及故障位置都会以数据的形式保存起来，保存期限可长达数年。
5.2可设置警示音的类型，如可以以真人语音的形式播报出来或者以文字警示的方式显示到屏幕上。
5.3监测计算机所监测到数据信息可以以年、月、日等为单位用线性图或者表格的形式一目了然的展现出来，也可以直接抽查或打印出来。
5.4当智能无线温度监测系统中的任何部件出现问题时(如电源故障、信号传输中断等)，都会有警示出现，及时警示给工作人员。
5.5都可以实现对监测位置的编码、命名处理，方便系统化管理。
6、智能无线温度监测系统国内外现状
在国外许多国家，智能无线温度监测技术的发展极为迅速，它被广泛应用到了人们生活中的吃穿住行。当传统的监测方式产生多年后，智能无线温度监 测系统在万众期待中登上了历史舞台，监测技术从此掀开了新的一页。现今已经不仅仅局限于电力设备的维护方面了，精密生产线、医疗系统、农业方面都已成熟融 合。智能无线温度监测系统在电力方面的应用，也是国外首创的。
在中国国内，智能无线温度监测技术的起步就相对较晚了，但凭借着多年的不懈努力终于成功由实验走到了实验。智能无线温度监测技术的应用范围之 广已不用过多阐述，将其应用在监测温度的设备上已是非常常见的了。智能无线温度监测技术最突出的优点就在于不需要布线，用智能无线温度监测技术监测温度还 突出了其准确简洁的优势。目前，智能无线温度监测技术仍在朝着攻克减小功耗、增加传输距离的技术难题努力。
【参考文献】
[1]高人伯.数据仓库和数据开采相结合的决策支持新技术.计算机世界.
[2]任玉珑,王建,牟刚.基于CA模型的电力设备全寿命周期成本研究.工业工程与管理，,(5)：56-70.
[3]赵新民.智能仪器原理及设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.
[4]吴正毅.测试技术与测试信号处理.北京：清华大学出版社，1988.
[5]陈焕生.温度测试技术及仪表.北京：水利电力出版社，1987.
[6]王建民,曲云霞.机电工程测试与信号分析.北京：中国计量出版社,.
电力线监测 篇3
【关键词】电力计量；计量装置；装置异常；检测方法
改革开放以来，我国非公有制经济不断发展，各种合资、私营、民营电力企业越来越多，提升了供电领域竞争压力，企业只有通过改善电力计量装置，提高电力系统安全，输送优质、合格的电力产品，满足人们日益增长的电力需求，同时企业要树立长远营销战略目标，培养高素质电力计量人才，找准企业发展方向，才能在竞争企业中脱颖而出。
一.电力计量装置作用和发展
电力计量装置是指记录电能使用情况的仪器或设备[1]，包括各种型号的电能表，它在电力系统中占据重要地位，如果没有电力计量装置，就无法进行电力产品的销售和买卖，它作为连接供电企业和用电客户的桥梁，记录了电力公司的生产量和销售量，同时也收集了用电客户的电能使用量，在缴纳电费时，为核算金额提供了依据，比如电力公司的抄表员需要每月按时到用电客户家抄录电力计算装置数据，即用电量。
电力计量装置主要经过了三个发展阶段，第一阶段，开始于1881年，科学家根据“电解原理”制成最大最早的电度表，它标志着电力计量装置的产生；第二阶段，在1888年，科学家研发出感应式电能表，其结构简单且操作安全[2]，深受供电企业喜爱；第三阶段，现代社会的全电子式电能表，它是自动化和智能化的结合体，能帮助供电企业监测电力系统。我国的电力计量装置行业起步较晚，到20世纪50年代才开始，但是其发展速度快，到现在已经基本能满足国内供电企业需求。
二.电力计量装置异常原因
电力计量装置在运转过程中容易受到外界因素影响，引起设备异常，从而影响到电力系统，只有找准了电力计量装置异常原因，才能解决此类问题。
（一）电力计量装置内部零件损坏 电力计量装置主要由电度表、保险丝、互感器等部分构成，其中电度表是最重要的部分，分为三相和单相电度表，在电力系统运行过程中，由于装置本身质量问题，比如内部零件损坏，导致设备无法正常运转。内部零件损坏是电力计量装置异常最直接的原因，供电企业在给用电客户安装设备时，一定要确保设备质量，安装前要对设备零件进行专业检测，同时在设备安装以后，企业工作人员要定时检查，发现问题及时解决，确保电力计量装置平稳运行，准确计量。
（二）供电系统不稳定造成电力计量装置异常 在电力输送过程中，由于线路的问题，引发电力计量装置异常，它主要体现在两方面，首先，用电客户在使用电能产品时操作不当，导致电力系统短路，从而烧断电力计量装置的保险丝，引发设备异常；其次，电力系统中的设备产生干扰因素，设备自身释放电荷，影响计量装置工作，比如变压器产生的电力谐波。供电企业要提升电力输送的平稳程度，减少对计量装置的干扰，同时企业需要加大研发力度，创新电力计量装置，提升其抗干扰性能。
（三）偷电等不良用电行为 零件损坏、供电系统不稳定性都属于计量装置内部因素，从外部因素来说，引起计量装置异常的原因是存在偷电、窃电等不良用电行为，在我国农村地区，很多人不懂偷电的危害，私自牵拉电路，改变电力计量装置，使得设备不能正常工作，无法记录正确的用电量。供电企业要大力打击偷电漏电这些不良用电行为，在农村地区加大用电安全宣传力度，培养人们用电意识，比如，企业可以组织巡查小组，深入社区、农村检查计量装置，举行电力知识讲座，让人们意识到偷电的危险性，自发抵制这种不良行为，同时拓宽监督渠道，鼓励人们举报。
三.電力计量装置监测方法
供电企业要实时检测电力计量装置运转情况，一旦发现异常，需要马上处理，其检测方法主要有以下几种：
（一）检测电力系统电流、电压情况 从电力系统的角度来说，监测电力计量装置是否正常运转，可以通过系统电流、电压判断，当电流、电压数量超过允许范围时，工作人员要及时检查电力计量装置，查看其是否存在异常。供电企业要培养一批高素质电路计量装置人才，详细记录相关电流、电压数据，准确分析装置运转情况，当发生突发状况时，工作人员要利用其专业知识和良好心理素质镇定解决。
（二）线路电量使用情况 线路电量使用情况主要是针对“偷电”等不良用电行为，当计量装置记录的用电量过低，则要引起工作人员注意，需要去查看相关用电客户，看是否存在不良用电行为，这要求供电企业详细记录用户信息，根据线路电量使用情况，准确判断电力计量装置是否存在异常。
（三）电力计量装置运行情况 从设备内部运行情况判断计量装置是否异常主要体现在两方面，首先判断电力设备开关是否正常，如果设备开关损坏，则会直接导致计量装置数据记录不准确，需要工作人员维修；其次判断电力设备中断路器是否正常，当断路器不能直接恢复运行时，则说明计量装置受到外界因素干扰，需要检测相关零件，这种内部检测方法是计量装置中最常用到的，其方便简单，容易操作。
结束语
综上所述，供电企业需要加强对电力计量装置的重视程度，电力计量装置运转情况直接关乎企业经济效益，当电力计量装置被人为破坏时，电力系统也会受到相应损坏，从而影响整个企业运转。企业管理层要加大投资力度，增强电力计量装置的防盗能力，规避人为电力风险和电费风险，确保电力输送过程正常稳定，同时企业要培养高素质科技人才，研发新型电力计量装置，科学检测电力系统内部电流、电压，及时修复线路问题，为人们提供安全、优质的电力产品，提升企业应对市场风险能力，树立企业良好形象。
参考文献
[1]刘敏，曾玲燕.电力计量装置异常的原因与监测方法分析[J].企业技术开发，2014，18：106-107.
[2]曾银玲.电力计量装置异常原因及监测方法分析[J].民营科技，2015，11：33.
作者简介
电力线监测 篇4
关键词：电机振动,电力载波通信,电涡流传感器,PL3201
1 引言
电机本身和支撑它的底座及其负载构成一个复杂的机械系统,在运行中会发生振动,在电气或机械上发生异常情况时,振动会发生变化,例如:轴承不同心或磨损,容易引起电机转子偏心,运转中会引起定子振动。振动可使大轴产生疲劳而损坏。故振动的监测对电机而言也是一项重要的诊断内容[1]。通过对电机自身振动特征进行在线监测,能够对电机出现的机械问题进行合理判断,及时纠正,进而避免电机长时间故障运行,减少电机机械损耗,降低电机使用成本。
设计的系统可实时采集电机的振动数据,用V C程序对所采集数据加以分析、显示,从而辅助判断电机的运行状况。系统采用电力载波技术进行通信,电力载波通信是一种利用电力线传输数据和话音信号的通信方式[2]。随着电力系统的发展,供电网络越来越完善,覆盖面积越来越大,使得电力载波通信方式易于实现、组网灵活,较传统的通信方式而言,可以降低通信线路的布线成本。
2 系统总体设计
根据现场各电机监测点与监测中心间的拓扑结构,为满足监测中心同时监测多台电机振动的需求,采用了基于电力载波通信的主从式上下位机结构。整体结构如图1所示。
系统由四部分组成:下位机模块,电力传输线路,数据集中器和上位机。下位机模块包括传感器采集模块和载波通信模块,通过电力线载波技术将下位机采集到的实时振动数据经电力线传输到数据集中器,数据集中器对这些数据进行集中预处理,而后经由串口将数据送入上位P C机,由上位机进行数据处理,完成数据显示、报警和存储等功能,实时监测电机的运行状态。
3 系统硬件设计
系统硬件设计分为下位机模块和数据集中器设计。
3.1 下位机模块
下位机模块以电力载波芯片PL3201为核心,结合振动传感模块,并辅以载波通信外围电路、电源电路和晶振电路,结构如图2所示。
通信控制芯片PL3201是一款多功能数字载波专用芯片,内嵌增强型8051兼容微处理器,片内具有8/16位双模式ALU,能够8倍速于标准8051处理器,同时还具有两个全双工UART(通用同步/异步接收/发送器),外围扩展了扩频通信调制/解调电路,支持CDMA(码分多址)多地址数据同时传送[3],简化了下位机的硬件结构。
PL3201芯片内集成的载波通信模块可采用直接序列扩频通信方式,即将信息频带展宽使其在很宽的频带内传输。系统以牺牲带宽为代价来提高系统的抗干扰性能,使信息传输更为可靠。
由Shannon公式可知:在白噪声干扰条件下,通信系统的信道容量为
式中:B为信道带宽,H z;S为信号平均功率,W;N为噪声平均功率,W。对于干扰环境中的典型情况,S/N《1,应用幂级数展开,则可得
这说明从理论上来讲,对于任意给定的信噪比,只要增加用于传输信息的带宽,就可以增加在信道中无误差传输的信息速率。PL3201采用直接序列扩频方式,当终端传感器采集模块与数据集中器进行通信时,终端信号由PL3201进行扩频调制,经功率放大后送入电力线传输。有用的扩频信号在传输过程中与电力线上的背景噪声混合一同被数据集中器接收,经过滤波限幅后,数据集中器的PL3201芯片将接收到的混合信号进行解调解扩。这样,有用的信号完全被恢复,而背景噪声的频谱则被扩展,相对于有用信号功率已经变得非常小,噪声干扰被有效抑制。
下位机模块安装于电机运行现场,功能是接收上位机的指令,采集振动传感模块的电机振动数据,通过载波耦合电路将采集的数据进行载波调制,耦合到电力线上。
3.1.1 传感器选型及数据采集量处理
从转子动力学、轴承学的理论上分析,大型旋转机械的运动状态,主要取决于其核心—转轴,电机亦是如此。而电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与传感器探头端面之间静态和动态的相对位移变化,即可间接测量转轴的状态,对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定提供依据。电涡流传感器采用变换电压型(D C V/DCV)前置器,前置器是一个电子信号处理器,它能把普通型电涡流传感器的输出转换成可直接输入计算机的电平,经过前置器的处理,产生随探头端面与被测金属导体间隙线性变化的输出电压。电涡流传感器的输出电压与位移的关系为S曲线,由曲线可知,前置器输出电压为:
式中:U0为间距δ0时的位移电压;UM为振动峰值电压;fx为被测体振动频率。
依据传感器位移与电压的线性关系可得到对应的位移变化为:
间距δ=δ0+δMsin 2πf xt
其中δM为间距最大变化量。经过A/D转换后,通过PL3201的P1.3管脚可以采集到振动的位移量。经过信号调理,可以利用PL3201计数器对振动产生的波形进行计数即可得电机振动的频率,即fx。
电机的整体振动情况由振动传感器来进行测量,可采用微型电容式三轴加速度传感器3MMA7260QT,它可以分别把X、Y、Z轴3个自由度的振动加速度信号转换为3路模拟电压信号[4]。传感器安装于电机顶盖,和电机以相同频率与振幅共同振动,数据采集处理方式同电涡流传感器类似。
传感器的安装方式如图3所示。电涡流传感器用于监测轴承的轴摆度,测点探头应安装在轴承垂直中心线一侧;振动传感器用来监测电机机架和顶盖的振动情况,可密贴于电机顶盖。
3.1.2 载波通信外围电路
载波通信外围电路包括功率放大电路、耦合电路和接收电路。其电路图如图4所示。功率放大电路如图4(a)所示,主要由晶体管组成,电路将经过PL3201芯片处理后的载波脉冲信号放大,然后耦合到电力线上。载波信号由PL3201芯片的P3.7输出,经电容和电阻耦合,阻断交流成分,而后信号由1T、2T、3T、4T组成的互补对称功率放大电路进行功率放大,经电容传送到载波耦合单元,通过耦合线圈耦合到电力线上[5]。
载波耦合单元由电容器和变压器组成,如图4(b)所示,其作用是将电力线上的载波信号耦合过来,通过SIGin引脚送入PL3201。接收电路是用来接收电网中的载波调制信号,由LC并联谐振回路对信号进行带通滤波,滤除来自电网中的噪声,由于载波中心频率为120kHz,通过计算,选取电容为1.8nF,电感为1mH。
3.2 数据集中器
数据集中器中的载波通信模块是作为接收端使用的,故其外围电路对应于下位机模块的发送端,由功率放大电路、接收电路等组成。而同时数据集中器还需通过串口向上位机发送数据,故采用单片机ATMEGE8为主控芯片,数据集中器结构如图5所示。
通过对ATMEGA8编程实现振动传感模块的通路选择,而后建立连接,快速读取采样数据后与PC机实现串口通信。其中:RST为复位端;SCL为串行总线时钟输入端;SDA为串行总线数据输入/输出端;R/T为收发控制端,当该管脚为高电平时,芯片处于接收状态,当该管脚为低电平时,芯片处于发送状态;RXD/TXD为数据收发输入/输出端。
4 系统软件设计
软件设计主要包括三部分:电力载波通信模块的程序设计;数据集中器功能实现程序;上位PC机的数据处理程序。
4.1 载波通信模块程序
载波通信为总线方式通信,载波模块的常态须设置为接收态[6]。在下位机与集中器的通信中,集中器应该设定为主机,定时通过载波通道向下位机发送协议,比较后只有地址相同的下位机才允许按规约进行应答。接收和发送一般均设计为外部中断方式处理。每次进入中断,完成对1字节数据的接收或发送,载波中断处理流程如图6所示。
进入载波通信中断时,首先判断载波收发控制器的状态,是接收或发送,保护相关寄存器的值后,做出相应的处理,载波通信单元在每次置为发送状态后,硬件会首先发送40个伪码周期的全“1”序列,用于使接收端与发送端伪随机码产生同步。载波通信单元置为接收态时,硬件在伪随机码同步后,从数据流中检出帧头序列,而后真正开始接收数据,并以字节方式送到SSC_BUF寄存器中。当载波模块收到或者发送完一个字节时,都会触发一次载波中断。
4.2 数据集中器程序
数据集中器采用计数器中断方式采集各终端模块发送的数据。可通过单片机对PL3201芯片进行初始化设置,下位机模块与集中器之间的电力线载波通信由R/T、RXD/TXD和SYNC在单片机的控制下完成,程序流程图如图7所示。
4.3 上位PC机程序
上位机以Windows为操作环境,以Visual C++6.0为软件开发工具,可以方便地实现与串口通信[7],编写各种数字信号处理算法,进而快速的分析出电机振动的各种特性,绘制信号的图形。上位机软件主要完成系统参数设置、数据多种方式显示、数据存储及报表、数据分析与计算、超限双重报警等功能。
上位机程序采用定时的方法对串口进行操作,在程序中设置一个定时器,并编写一个定时器处理函数,当定时程序启动时会自动调用定时器处理函数,判断接收缓冲区是否有数据写入,有则进行相应的处理后将结果显示在计算机屏幕上,没有则继续定时读取。
工作人员登陆监测系统后,首先打开串口设备并对其进行初始化,再读取存储在文件中的安全范围值,之后才选择通道接收数据,接收的数据可以选择其显示模式,如数值显示、图形显示,并同时对数据进行存储,若数据超出了读取的安全范围值,可进行声音和图像双重报警。系统还可以通过各种算法及历史记录对数据进行分析并生成相应报表,系统流程图如图8所示。
5 实验结果分析
利用该系统对某一老化的抽风机组电机进行监测,测试周期为两周,测点布置在顶盖轴向(Va,测点1和测点2)和轴伸端水平径向(Vh,测点3和测点4),测试参数分别选择为加速度有效值和振幅有效值。将电机更换前与更换后的振动数据进行了对比,如表1所示。
从表1可以看出,该系统可明显监测出电机故障时振动数据的异常。使用该系统可测量多个电机的振动数据,当电机设备运行不正常时,就可以及时发现,及时维护、维修,从而系统延长电机设备运行的平均无故障时间(MTBF),缩短平均故障修复时间(MTTR)。
6 结束语
本文介绍的设计方案采用了PL3201载波专用单片机,其丰富的片上外围功能模块使得硬件电路得以简化,利用低压电力载波通信作为通信媒介,具有成本低、通信准确可靠、布线容易、测点位置可随时变换等诸多优点。上位机采用VC++6.0编写程序,方便的实现与串口通信。通过监测系统可实时发现电机工作状态的故障隐患,以便能够及时报警、维护,提高了设备安全性和运行质量。
参考文献
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[6]俞天白.基于电力线载波通信技术的照明控制系统的应用[D].杭州:浙江大学,2006.
电力线监测 篇5
(一)全电量智能电力监测仪项目建设地地理位置
本项目位于江苏经济开发区，下图为该园区规划：
(二)全电量智能电力监测仪项目建设地自然情况
(三)全电量智能电力监测仪项目建设地资源情况
(四)全电量智能电力监测仪项目建设地经济情况
近年来，项目所在地多元产业经济迅速发展，第一产业基本稳定，工业经济发展势头强劲;新兴产业成为当地经济发展新的带动力量;餐饮娱乐、交通运输等第三产业蓬勃发展;一大批改制企业充满活力，民营经济发展发展步伐加快。重点调产工程扎实推进，经济多元化支柱产业结构正在形成，综合实力明显增强……
(五)全电量智能电力监测仪项目建设地人口情况
(六)全电量智能电力监测仪项目建设地交通运输
项目运作立当地，面向国内、国际两个市场，项目建设地交通运输条件优越，目前已形成铁路、公路、航空等立体方式的交通运输网。公路四通八达，境内有3条国道、2条省道，高速公路建设步伐进一步加快，将进一步改善当地的公路运输条件，逐渐优化的交通条件有利于项目产品销售物流环节效率的提升，使得产品能够及时投放到销售目标市场。
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电力变压器故障在线监测方法研究 篇6
关键词：变压器；故障；在线监测；方法
中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）06-0043-02
随着科学技术的进步和电网行业的大力发展，电网在能够输送电能的基础上，更要求节约化、智能化。变压器作为电力系统的核心设备，其工作可靠性和智能化的高低，对整个系统的运行具有重要的影响。
1 电力变压器故障类型
电力变压器故障种类繁多，其划分方式也较多。常见的变压器故障类型如表1所示。
以辽宁省电力有限公司为例，在1999—2009年间共发生变压器事故24次，这些事故主要为220 kV及以上的电压等级。套管和调压开关是变压器最容易发生故障的部位，因为这两个部位裸露在外，容易受外界应力的作用而发生机械故障；变压器油问题也是变压器异常的主要原因，并且污染严重；铁芯接地和绕组线圈的绝缘损伤也有发生。变压器的故障复杂多样，做好全面预防和诊断需要完善的检测系统和体系。
2 智能变压器在线监测方法
2.1 变压器油中溶解气体的监测方法
油浸电力变压器中主要绝缘材料是变压器油和绝缘油纸，这两种材料在放电和热作用下，会分解产生多种气体，而变压器内部故障都伴随着局部过热和局部放电现象，使油、纸或油和纸分解产生甲烷、乙烷、乙炔等气体。当故障不太严重且产气量较少时，所产生的气体大部分溶解于绝缘油中。由于发热和放电的严重程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、各种气体的比例关系也不相同，因此，对油中溶解的气体进行气相色谱分析便可发现变压器内部的发热和放电性故障。由于油中溶解气体分析法可以在带电情况下进行，通常采用特征气体法、IEC三比值法和大卫三角法进行故障诊断。
2.2 局部放电的监测方法
局部放电是变压器常见的影响绝缘故障之一。有效的局部放电监测方法主要有以下几种：
1） 超声检测法。变压器在强电场下发生局部放电的同时，必然有一系列的现象，如声、色、质等。对超声波的监测一般采用超声传感器，通过灵敏的传感器技术能够有效地锁定局部放电的部位，并能判断放电的强弱。该方法的优点在于受其他因素影响较小，定位准确性很高，研究也很深入。但是，变压器本身元件构成复杂，绝缘材质多样化，声波在不同介质中的传播速度也不一样，这些因素会严重影响超声传感器的准确度。
2） 光测法。局部放电是不均匀电场的发电形式，常常伴有光现象。对光波进行监测和分析，从而定位局部放电的位置和强弱，是有效手段之一。理论上，局部放电产生的光波波长是不同的，并且在一定范围之内（研究证实，波长一般为500～700 mm）。把光信号转换成电信号，再对电信号加以识别，便可以挖掘局部放电的发生特性。不过该方法主要停留在实验室阶段，原因在于光测量法需要的装置结构复杂、成本高且灵敏度不够好，在实际现场的应用很少。
3） 化学检测法。局部放电伴随着绝缘纸质结构的损坏，与此同时会有新的物质产生。对这些新物质的结构和状态进行测量，便可反映出局部放电的故障所在。生成的新物质多为气体，对这些气体进行分析和监测，可实现对故障的识别。但是，由于变压器和生成物具有复杂特性，该方法目前尚未有统一的执行标准，且只能有效识别早期的可能性故障，对瞬时性故障的监测显得乏力。
4） 脉冲电流法。脉冲电流法的本质是测量与变压器相连接的各个接地线的视在放电量，若有局部放电现象发生，产生的脉冲电流必然增大。该方法的试验研究已有一段时期，也制定了一定的行业方法标准，但是应用效果并不理想。
5） 射频检测法。射频检测的机理是：过程中信号的取得源于电力变压器的中性点。检测信号的频谱处于30 MHz，有效地增加了局部放电的测量效果。该方法测量系统的布置相对可行，而且可以不用更改整个系统的运行模式。但是，该方法不能对A，B，C三相局部放电进行信号区分，也容易在强电磁场中受到干扰。在数字化滤波技术进步的基础上，该方法被日渐接受。
6） 超高频局部放电检测法。超高频能有效监测局部放电的频率带宽，一般在300～3 000 MHz之间，并且抗干扰能力强。
2.3 变压器绕组温度的在线监测方法
根据现有的现场装置使用情况显示，绕组温度值的监测方法有直接、热模拟和间接测量法。
1） 直接测量法是通过感知温度测量仪器来确定温度。常用的传感器有光纤型、荧光光纤型等。该方法的仪器和设备需要在变压器的生产过程中安装，安装布点越广阔，监测的结果越精准。但是该方法日常技术维护相对困难，成本也很高。
2） 热模拟方法建立在变压器热模型的基础上，通过对现场经验进行总结，计算出热点的温度变化计算方程式。目前，该方法是热点计算的代表方法，具有一定的可靠性，并且国际电工委员会也制定了一系列标准。该方法操作便捷，成本低，实用性强。
2.4 变压器铁芯接地电流的在线监测方法
变压器铁芯接地电流监测是一种比较成熟的方法，国内外应用广泛。在变压器故障预防、诊断和维护中，接地电流值是一个准确、快捷的参数值。变压器在正常运行的过程中，铁芯的对地电流值比较微弱，一般呈现毫安级的数值；可一旦发生绝缘损伤，铁芯存在非单一点接地时，对地电流值升级到安培级，这必然致使元件发热，故障恶化时会导致继电保护装置动作。综合全国变电站中该方法的使用情况，其电流获取形式一般为钳形电流表夹。由于变压器周围复杂强场的存在，监测结果存在一定的误差。目前，国内一些厂家的监测设备能够有效发现多点接地现象，但故障后的持续监测功能有待完善。
nlc202309021005
2.5 变压器振动的在线监测方法
变压器振动在线监测是理论上可行的一种方法，即通过箱体的振动来推断变压器内部是否存在故障。目前，欧美国家一直在对信号的采集和信号的频谱分析进行研究和探讨。俄罗斯在试验中布置了几十台变压器使用振动在线监测，但结果均不理想。
2.6 变压器套管的在线监测方法
根据现场事故资料统计，三分之一的故障问题来自高低压套管。套管在变压器结构中起着支持导线并隔离高压的作用。在变压器常年运行过程中，一旦套管发生故障，绝缘损伤，则整个套管的电容电流变化很大，并脱离正常运行时的初始值。通过分析现场值与标准值的变化差别，能够发现问题所在。安装监测和报警系统，可及时预报信号并进行检修和维护。
参考文献
[1] 周求宽，万军彪，王丰华，等.电力变压器振动在线监测系统的开发与应用[J].电力自动化设备，2014（3）：162-166.
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Study on the Methods of Power Transformer On-line Monitoring
YANG Bin， DAI Shu
（Shenyang Electric Power Supply Company， Shenyang 110001， China）
Abstract： Power transformer is one of important components in power grid. With the development of smart grid in China， the request to power transformer reliability is getting higher. In the article， it analyzed fault types of transformer， summarized the methods for on-line monitoring power transformer， in order to provide a reference for realizing transformer smart monitoring and guaranteeing its safe and reliable operation.
Key words： transformer； fault； on-line monitoring； methods
远程电力防窃电监测系统 篇7
随着电力体制改革的逐步深入, 电力已经走入市场经济。原来的电力局将逐步转变为电网经营企业, 从事电网经营这个主营业务。电力成为我们赖以生存的重要支柱, 同时也是制约经济发展的重要因素之一, 所以在加快发电力建设的同时, 进一步改进和提高电力远程防窃电监测水平是十分重要和必要的。
为了适应电力远程监测的新要求和新特点, 采用无线电流变送器, 该变送器可以在基于虚电位的原理上, 实现电力变压器的一次侧电流的实时采集和无线传输。解决了高压侧电流不能直接测量的难题, 并且基于该变送器组建的集电能测量、抄表、监测、报警和配变等功能的电力远程防窃电监测系统。
2 基本组成和工作原理
远程电力防窃电监测系统由无线电流变送器、无线数据集中器、多功能电能表和监控中心的主站组成。 (1) 无线电流变送器安装在用户变压器的一次高压侧, 采集一次侧电流并用无线方式发送至无线数据集中器; (2) 无线数据集中器安装在用户端, 通过无线采集接收高压侧的电流信息, 并且通过485通讯读取多功能电能表上的电流及功率信息, 进行比较、运算、登记、存储等处理, 并通过GPRS上传监控中心主站。 (3) 多功能电能表安装在用户侧前端, 完成对电压、电流、电能等的计量, 带有485接口便于无线数据集中器的数据读取。 (4) 监控中心的主站全面汇总各无线数据集中器的数据, 按照具体的要求, 进行数据的比较、显示、存储等综合处理。根据用户设定对异常情况进行自动报警。
无线电流变送器于和高压线路同电位, 工作电源也仅由一次电流感应供给, 无需外加电源。无线数据集中器可以直接进行对采集到的数据实时比对, 定时将监控中心的主站需求的信息上传, 出现异常时, 上传报警信息。
远程电力防窃电监测系统的组成示意图如图1。
3 系统的功能和特点
3.1 系统的功能
(1) 具有数据采集功能, 可以实时采集电流、功率、电压和电能值; (2) 具有数据传输功能, 分为三种模式: (1) 无线模式:通过无线模式读取电流变送器的电流数据; (2) 485模式:通过485模式读取多功能电能表的各项数据; (3) GPRS模式:通过GPRS模式实现监控中心的主站与数据集中器的数据传输; (3) 具有报警功能, 对用电的突发事件进行异常报警; (4) 具有设置功能, 主站可以通过GPRS设置数据采集器的相关参数; (5) 具有管理功能, 主站能全面汇总各无线数据集中器的数据, 按照具体的要求, 进行数据的比较、显示、存储等综合处理;
3.2 系统的特点
(1) 真实、可靠的防窃电 (用电异常) 监测, 用变压器高压侧的实测功率与用户表计的功率进行实时对比, 可及时发现用电异常; (2) 电流变送器就地取电, 无需另外供电, 在变压器额定电流的5～150%范围内正常工作; (3) 电流采集精度高, 测量误差小于0.5%; (4) 发现异常, 数据集中器会实时向监控中心的主站报警; (5) 可方便地与多功能电能表、配变和负控等设备连接; (6) 电流变送器与集中器间的微功耗无线通讯可靠; (7) 可以通过监控中心的主站对电流变送器和集中器的各项参数, 进行远程设置; (8) 系统自动绘制一次侧功率与用户表计的功率实时比对曲线。
4 监测系统主站
(1) 通过主站可以设置数据集中器的工作参数, 以确定数据集中器的工作模式。
1) 设置数据集中器抄读电流变送器数据的时间间隔, 比如设为5分钟, 每隔5分钟数据集中器向电流变送器要一次电流数据;2) 设置高压变压器和表计的测量互感器的变比, 便于数据集中器对表计的电流和电流变送器所测的电流进行等量综合对比。3) 设置发生异常时, 数据集中器向电流变送器要数据的时间间隔, 发生异常后, 一般是缩短时间间隔, 以便进一步验证异常状态。4) 设置与电流变送器进行电流比对的多功能电能表的表号以及变送器与表计测量电流“不平衡”报警的“阀值”。
(2) 发生异常后, 由数据集中器主动上报告警信息, 主站接到报警后在界面上以闪烁图形、比对曲线和声音进行报警, 在点击报警图形后用对话框显示报警详细内容。同时报警详细内容作为一个事件被记录在数据库中, 并记录报警发生时间。
1) 失电和上电报警:显示并记录出现该项报警的时间、采集器的编号、具体的安装地址。2) 数据对比异常报警:对电流变送器采的电流和表计采的电流进行对比, 超出设定阀值时的报警, 显示并记录报警的数据采集器的编号、安装地址、报警发生时间, 该项报警需要人工清除。3) 相关联的表计报警:由数据集中器上报表计的报警信息, 显示并记录报警的数据采集器、表计的编号、安装地址、报警发生时间。
(3) 可以对数据集中器和表计进行实时召唤, 以方便对个别用户进行人工监控并可实时远程抄收电能表的数据。
1) 用户可自行选择抄表项。2) 可通过对电表编号列表的选择, 抄收一只 (指定) 电表或一批电表的数据。3) 抄收数据采用表格显示, 数据被保存在相应的DBF数据库中, 数据中包含抄表成功的时间字段, 并提示抄表成功和失败的等信息。4) 可对抄收的数据上网保存并打印。
(4) 可设置定时抄表任务, 根据定时抄表任务的执行起始时间和执行周期信息, 定时任务会周期的自动执行采集操作, 所要采集的电能表对象和数据项均在定时抄表任务中指定, 所采集的数据存储在相应的DBF数据库中。
(5) 可通过主站对数据采集器进行GPS对时, 保证集中器时间的准确性
(6) 可对电流数据进行曲线图对比, 使得对比结果一目了然。
摘要：电力远程防窃电监测系统, 可实时动态监测电力高低压运行参数, 测量、抄表、监测、报警, 适应了电力防窃电监测的新要求和新特点。
关键词：无线,防窃电,监测
参考文献
[1]GB1208-2006电流互感器.
[2]GB/T13850.2-92交流电量转变为直流电量用电工测量变送器.
电力线监测 篇8
在工业生产过程中有许多领域涉及到有毒气体, 如矿井开采、各种井下作业等, 国家、行业、企事业从各个方面配置了各种类型的检测设备和仪器, 目的是保护该区域作业工作人员的人身安全, 但是现有的检测设备大多数以随身携带为主。在工人作业时, 设备带在工人的身上, 这样一来给工人下井造成了极大的不便, 并且随着城市现代化程度的不断发展, 各种井的数量也在不断地增加, 如果还使用这种方法检测气体的各项指标, 工作效率低, 再加上不熟悉仪器的使用方法, 井下作业工人很难保证自己的人身安全。为此, 笔者设计了一种基于电力线载波传输技术的井下有毒气体监测系统, 该系统采用电力线载波芯片LME2200C、单片机AT89C51、传感器、计算机和一些辅助设施来完成井下有毒气体的智能化监测, 具有组网方便、安全、精确并能远程实时监测井下气体浓度的功能。
1 系统组成
基于电力线载波传输技术的井下有毒气体监测系统组成框图如图1所示。
(1) 后台管理软件系统
后台管理软件系统简称后台, 是安装在各个供电部门计算机上的应用软件, 包括数据库管理模块、连接网络模块、远程设置模块、远程集抄模块、实时监控模块、无人值守模块等。后台管理员可以通过后台操作的交互命令, 远程抄读通信转换模块的数据;也可以启动无人值守抄读方式, 定时自动抄读通信转换模块的数据。后台能够自动提取用户用电特征并进行综合分析, 报出可疑现象。
(2) 通信转换模块
通信转换模块包括2个部分: (1) LME2200C芯片, 该芯片是集成电力线载波通信的调制解调芯片, 它提供在低压电力线发送和接收数据的全方位解决方案。该芯片采用正交相移键控 (QPSK) 调制多载波调制解调技术, 可以改善电力线载波通信信道条件差的缺点, 从而提高通信质量。该芯片内置模数转换器ADC和模数转换电路, 这样很容易与模拟前端模拟电路 (AFE) 连接, 并使芯片内实现数字信号处理的功能。 (2) 单片机AT89C51, 它的主要工作是配合LME2200C将数据存储并上传到后台。AT89C51主要是通过通信接口RS232上传数据的。
(3) 气体传感器
各种气体传感器主要包括有毒气体如H2S、SO2、O2等气敏传感器和一些温度、湿度传感器。气敏传感器选用NT-H2S型电化学式气体传感器, 该传感器机械性能稳定, 输出线性高, 灵敏度高且对H2S有突出的选择性。湿度传感器采用HIH-3610相对湿度传感器, 它是热固聚酯电容式具有信号处理功能的传感器, 精度高 (2%) 、反应快速 (15 s内) , 线性放大输出、工厂标定, 独特的多层结构能抵抗环境的侵蚀。温度传感器采用Maxim DS18B20U芯片, 该芯片为One-Wire数字温度传感器, 可直接将温度信号转换成12位数字信号, 接至Neuron芯片的IO3 (定义为Touch I/O对象) 。
2 系统主要电路设计
(1) LME2200C与电源线的连接电路
LME2200C与电源线的连接电路如图2所示。
基本连接原理:LME2200C模拟发送端 (TX_OUT) 通过低通滤波器 (LPF) 和一个功放 (PA) 连接。低通滤波器的主要作用是滤掉高频成分, 使信号波形平滑, 它的带宽根据使用的载波频率而定。功放的输出通过一个耦合变压器 (Transformer) 连接到电力线上。在接收通路中, 经耦合变压器获得的信号经片内放大器放大, 通过片外的带通滤波器 (BPF) 后进入LME2200C的RXIN端, 片内数据接收机完成数据包的接收。过零检测电路 (Zero_crossing Detector) 输出一个方波信号, 它的上升沿在工作频率信号的过零处, 该信号被用作LME2200C的SYNC同步信号输入, 并作为收发同步基准。同时LME2200C的工作频率可由内部电路XTAL1和 XTAL2时钟振荡电路产生, 当然也可以由外部时钟电路产生该频率。
(2) LME2200C与AT89C51的连接电路
LME2200C与AT89C51的连接电路如图3所示。
3 系统程序设计
在系统程序设计中, 传感器与外节点的连接是基础。传感器部署到监测区后, 进行相应初始值的设置, 等待AT89C51发送监测命令。如果接收到命令就开始计时, 在规定的时间内测定所在位置的气体浓度值, 当测试完毕就对相应的数据打包上传;如果没有接收到AT89C51的数据确认信息, 即发送没有成功, 重新发送数据包。系统程序流程如图4所示。
4 结语
本文介绍的基于电力线载波传输技术的井下有毒气体监测系统由电力线载波芯片LME2200C、单片机AT89C51、传感器和计算机等设备组成, 实现了井下有毒气体的实时远程监测, 从而保证了井下工作人员的人身安全, 同时也减轻了井下工作人员的自身负担, 提高了工作效率。该系统在某些地区可能由于某些设备问题暂时无法实现, 但是随着电力线载波传输技术的广泛应用, 这种智能化的系统将会越来越受到人们的欢迎。
摘要：针对现有便携式检测设备在监测井下有毒气体过程中存在使用不便、效率低等问题, 提出了一种基于电力线载波传输技术的井下有毒气体监测系统的设计方案, 介绍了系统的组成、主要电路的设计等。该系统通过使用电力线载波芯片LME2200C、电力线载波传输技术, 实现了井下有毒气体的远距离实时监测, 有效保证了工作人员的人身安全, 提高了工作效率。
关键词：矿井,有毒气体,监测系统,传感器,电力线载波通信,LME2200C芯片,AT89C51
参考文献
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电力线监测 篇9
电力系统的主要目的是产生电能并将其通过一个合适的电压传输给终端用户。随着现代社会的发展,电力需求增加,对电能质量PQ(Power Quality)扰动进行监测势在必行,也得到了越来越多的关注[1,2]。
基于微处理器ARM(Advanced RISC Machines)和数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的双核结构设计的电能质量监测系统成本低廉,控制性能和数据处理性能也都能满足监测系统的需要。同时采用电力线载波技术进行数据传输,不需另外布线,在满足系统要求的前提下减少了设计成本[5,6,7]。以色列Yitran公司的IT800D载波芯片采用差分混沌键移DCSK(Differential Code Shift Keying)扩频调制解调技术,在实时性、抗干扰性、可靠性、稳定性及价格等多方面具有较大优势。
因此,采用IT800D实现电能质量监测系统的通信模块具有较好的应用前景。
1 电能质量监测系统的总体设计
电能质量监测系统要处理的任务种类繁多,主要包括:数据采样、数据处理、数据通信和人机交互[8]。为能实时监测,不仅要求设备具有很强的处理能力,还需有实时任务调度能力。ARM微处理器的优势在于速度快、功耗低、性能好,且外围接口丰富,从而能极大缩短系统的开发周期。运用有强大数据处理能力的DSP能快速处理系统所采集到的数据,同时采用HPI(Host Port Interface)高速接口与ARM进行数据通信,保证了实时性的要求[9,10,11]。为实现系统的远程监测和管理功能,同时考虑系统成本,设计了基于IT800D的电力线载波通信模块。系统的远程监测和管理是对电能质量重要参数指标的管理,每个指标约占1~6个字节,需要的常用指标约有20多个,因此每次发送约100个字节。考虑到少量的报警信息和每次1 s之内发送完成,最大通信速度需求略大于1 Kbit/s,理论通信速度为7.5 Kbit/s的IT800D芯片完全能满足该电能质量监测的需求。如果对通信量还有更高的要求,可以选取更高速的载波芯片。
电能监测系统整体方案如图1所示。主要包括数据采集模块、TMS320C6713数据处理模块、S3c2410X控制模块、IT800D通信模块和上位机智能管理模块。
数据采集模块主要是对谐波、三相不对称、陷波、电压闪变、电压暂升暂降及噪声等数据测量与采集[12]。对采集到的数据由DSP模块处理,主要的电能质量指标计算包括三相电压和电流的有效值、系统频率、功率因数、电压偏差、总谐波畸变率及各次谐波含量、电压波动及闪变和三相不平衡率。为满足系统性能需要,选用带有HPI接口的TMS320C6713。HPI接口是DSP与主机相连接的一个并行通信口,是构建主/从式系统,实现主机与从机通信的重要接口,主机通过HPI可以访问DSP内全部的存储空间及地址空间映射的外设,进而控制DSP,实现数据交换[13,14]。
在系统中,将由DSP处理过的数据通过HPI接口传输给ARM。ARM控制模块主要是数据的可视化观测、数据的简单处理和存储,同时利用自身丰富的外设和较强的多线程功能实现多种功能的控制。系统选用三星的S3c2410X开发板,因它有丰富的外设,如触摸屏、SD卡、声卡、网卡、RS-232、USB等,从而容易实现外设扩展、声音报警和数据存储等功能。IT800D通信模块主要实现数据的远程传输,它是实现S3c2410X和上位机通信的桥梁。
2 IT800D通信模块的工作原理
2.1 IT800D主要优点
IT800D是一款低压电力线载波通信专用芯片。它整合了高性能的数据链路层DLL(Data Link Layer)和强大的物理层PHY(PHYsical layer),使电力载波通信更稳定、高速,使用更简便。它还有硬件级的自动重发机制,确保数据准确送达;它设计的网络自适应技术基于IEEE802.11标准,最大限度优化电力线;采用的DCSK调制方式提供最大的传输可靠性,有效抵抗信号衰减、干扰噪声、阻抗调制、波形失真等情况。仅需搭配价格低廉的外围滤波放大电路和耦合器就可实现系统的电力线通信模块。
2.2 通信模块结构图
图2给出了IT800D通信模块的结构示意图,它主要包括外围接口电路、ROM、RAM、数据链路层、物理层、模拟前端、滤波器和耦合器。在该系统结构中,外围接口电路主要由RS-232、电平转换芯片MAX232和高压保护芯片ESDA25B1组成,串口通信所使用的TxD、RxD和n Reset 3根数据线能够与S3c2410X实现数据通信。
RAM存放着IT800D的可变参数,如硬件配置包、网络节点地址、芯片工作模式等;ROM存储着IT800D的默认参数,这些参数在IT800D上电时自动加载到RAM中;EEPROM能暂时存储通信数据。
模拟前端包括A/D、D/A转换和预放大模块。线路耦合器的耦合电路由中频变压器、浪涌保护二极管和起限幅作用的二极管等组成,是信号传输的通道,载波信号经它耦合到220 V交流电路上。线路耦合器主要有3个功能:内部的高频耦合线圈实现强电侧和弱电侧的物理分离;内部的高通滤波器保证导通高频信号而阻断电网工频;实现阻抗匹配。
2.3 通信模块的工作过程
在电能质量监测系统中,IT800D提供通信中的数据链路层和物理层协议服务,主处理器S3c2410X负责与IT800D的通信。
当S3c2410X将数据通过RS-232传输给IT800D后,通过MAX232电平转换后,发送给IT800D物理层,经载波芯片的调制后,将数字信号通过10位DAC电路转换成模拟信号,再传给输出滤波器、线路驱动器,最后由线路耦合器将模拟信号耦合到电力线上。
当模拟信号耦合到低压电力线上,并远距离的数据传输后,其他相应的IT800D通信模块可以通过解耦得到此信号。同样,模拟信号被线路耦合器解耦后送到输入滤波器,滤除电力线上的干扰信号,再经预放大电路对线路传输的衰减补偿,放大后的信号输出至中心频率分别为120、200、400 kHz的片外3通道带通滤波器,滤波信号分3路进入IT800D片内的3个A/D转换器转换为数字信号,以便对信号数字化处理。通信数据最后通过RS-232传输给上位机,以满足上位机的智能监测和数据管理需求。
3 IT800D通信模块的软件实现
为测试该系统通信模块的性能,笔者设计了一个基于ARM和PC机的通信测试平台。测试平台的通信软件用C#编写,图3给出了主程序流程框图。
主程序主要完成串口和IT800D的初始化、数据计算和通信处理功能。当系统进行数据通信时,首先,S3c2410X和PC机判断串口是否打开,当串口打开后再对串口参数进行配置,一般设置为:波特率38 400 bit/s,数据位是8位,无校验位,1位停止位。之后,是IT800D初始化,主要包括选择通信模式和分配网络节点地址,其他可选默认参数,图4给出了IT800D初始化流程。最后,进行通信数据处理,包括等待接收数据和发送数据,程序流程如图5所示。
在发送数据时,程序自动添加包头(见表1)。其中,长度的参数N在小包模式下是1~129,大包模式是1~1 912;通信方式包括应答式和重发式2种。在测试实验中,为保证通信的可靠性优先选用小包发送模式,并且每次发送N=100字节。当传输的数据个数大于100字节时,需分次传输,直到剩余数据小于100字节,再将其一次全部发送。在接收端接收数据时,应将接收到的数据剔除19个字节的包头,包头含有电力线通信的调制模式、信道质量、网络地址和收发的节点地址、数据个数等参数信息。
信道质量参数由IT800D的DLL根据公式(1)确定:
其中,PITQ表示信息传输质量,Mi、Qi、Li分别表示第i个信息包的M值、信道质量Q值和包长度L。IT800D的调制方式分为3种:DCSK6(标准模式,Mode=6,简称M),速度可以达到7.5 Kbit/s;DCSK4(鲁棒模式,M=4),速度可以达到5.0 Kbit/s;ERM(超鲁棒模式,M=2),速度可以达到1.5 Kbit/s。针对每一种调制模式将信道质量Q分为8个等级(0~7)。
IT800D信道质量动态监测自适应算法是:根据PITQ值大小,动态调节均衡和调制方式,使PITQ值最大,从而使接收达到最优状态。这种动态调整方式,可以克服低压电力线上的突变干扰,实现稳定和可靠传输目的。
4 试验分析
为测试电力线通信模块的性能及电力线环境对通信效果的影响,设计了一个测试平台,如图6所示。测试地点选择在学校实验大楼,大楼里有电脑、打印机、电灯、电话、空调等用电设备。当远程监测点有数据上传给上位机时,S3c2410X先将数据加上包头后通过串口发送给IT800D通信模块,该模块再将其耦合到电力线,上位机控制系统的通信模块将信号解耦后发送给PC机。
考虑在不同时间段监测点附近接入电力网的电器会有所不同,各个监测点在实际应用中的通信距离也是互不相同的,从而导致电力线通信效果会有较大差异。因此,本文分别在不同时间段和不等传输距离利用图6所示的测试平台进行了实际测量,结果如表2所示。表中信道质量参数是一个时间段内的平均Q值,Error是接收数据错误字节数与所发送数据个数1 M字节的比值。
结果表明以下2点。
a.该通信模块的通信效果受时间段和距离的影响。在3:00~6:00和24:00~3:00的时间段,Error值相对较小,这主要是因为这个时间段接入电网的电器相对较少,电力线通信环境较好。另外,通信距离的远近意味着电力线信道对数据传输的衰减和干扰程度不同。在实际应用中,为满足系统的通信速度需求,两点间的通信距离尽量保证400~500 m范围内,当距离增加时,可以考虑采用载波芯片之间的中继转发来实现可靠通信。
在100 m监测点处,测得信道质量值的平均值为5.686,明显优于200 m的4.935和400 m的4.118,测得Error平均为0.0016‰,也低于200 m的0.003‰和400 m的0.0036‰。可以看出,一般情况2个通信节点之间的距离越远,受信道的衰减和干扰影响越大,通信效果越差。但在400 m的范围内,最差情况的Error也只达到0.007‰,这足以满足电能质量监测系统的上位机通信要求。
b.通信速率与信道质量近似成正比。随机地取12:00~15:00时间段测试为例,随着监测点通信距离的增加,Q值由4.996减小到3.018,而Rate值也由2.194 Kbit/s减小到1.395 Kbit/s。从200 m处测量结果也可以看出Q值越小,Rate值越小。这是因为当通信信道较差时,通信错误率会增加,但得益于IT800D硬件级的自动重发机制,以牺牲传输速率来提高通信的可靠性,这足以证明IT800D通信模块的强抗干扰能力。
实际运行表明,该通信模块速率在1~3 Kbit/s的范围内,能满足监测系统重要指标和数据的上位机保存与管理。
5 结语
电力线监测 篇10
2008年1月在湖南、江西、贵州等地出现冰冻天气，使架空电力线路因覆冰而遭严重破坏，致使部分地区电网瘫痪、企业停产、铁路交通中断，造成极其重大的经济损失和社会影响。因此，防止和控制覆冰对架空电力线路的危害，具有现实意义和实用价值。
同时，注意到一些架空电力线路通过高海拔山顶，山高路陡，林木茂密，抢修难度极大。而且由于长时间的冻雨和低温天气，线路灾情不断加大，甚至连刚刚抢修好的铁塔和线路又重复出现倒塔、倒杆、断线现象，抢修屡屡受阻。针对这一状况，往往需要派出大量人力沿线查塔，由于有些线路跨越高山峻岭，恶劣的天气导致道路受阻，工作人员甚至无法到达现场，很难对故障距离作出判别。
电力线覆冰监测系统可以将所监控的电力线路现场状信息，通过无线通信网络实时发送到调度中心。通过调度中心的控制终端，便可对现场情况一目了然，可很快得到线路受灾的基本状况，迅速检测到线路发生的故障点，节省了宝贵的时间和人力。
1 系统构成
该系统主要由监控数据采集终端与调度中心服务器两部分组成。监控数据采集终端根据编号安装在不同监测点的铁塔上，实时采集电力输电线及铁塔的覆冰情况图片，以及当前的风速、雨量及现场温湿度数据。然后通过GPRS移动通信网络将各监测点的数据汇总到调度中心服务器上，利用服务器上的软件系统便可方便地调取各监测点当前图像及现场数据。通过这些资料数据可及时把握最新覆冰受灾情况、查找事故点、还可以根据现场气象数据对灾害的发展发展做出评估，为进一步布署抗冰救灾工作提供有力的技术支持。
2 监控数据采集终端
监控数据采集终端安装在电力输电线的铁塔上，主要用于采集架空电网现场数据，包括：当前输电线及铁塔上覆冰情况图片、温湿度、风向、风速、降雨量等数据。并将这些数据通过GPRS传送到调度中心，同时，根调度中心的命令还可以对摄像头方位、焦距等进行调整。
组成及工作原理如下：
主要包括以下模块：嵌入式平台包括CPU、存储器及丰富的接口资源及相应软件支持、摄像模块、风速雨量传感器模块、温湿度传感器模块、GPRS模块及电源供给模块。各模块原理如下：
嵌入式平台模块：选用以高稳定性低功耗的的ARM9系列32位嵌入式处理器为核心，温度范围在-40℃～+85℃，抗震动、抗电磁干扰性能较强的工业级嵌入式板。软件上采用稳定的、精简的嵌入linux操作系统，使得系统具备性能稳定、安全可靠的高效特性，满足长时间、不间断工作而免维护的需求。
摄像头模块：采用串口工业CMOS摄像头，具有视频采集和图像压缩功能的摄像头，将采集的图像直接压缩为为JPEG格式通过串口传送到嵌入式平台。详细特点如下：
1)具有自动的边缘增强、白光平衡、自动曝光、背景对比补偿功能。
2)具有红外照明功能，可以根据环境照度不同而自动开关实现照明补偿，其照度、角度可以根据要求选择，可以远程照明和完全隐蔽照明。
3)具有夜视功能，通过红外夜视装置可实现夜间图像拍摄。
4)远端可拍，近端可控，可通过中心服务器向监控数据采集终端发送摄像头变焦、云台角度偏转等指令，对摄像机进行控制。
5)超强防寒、镜头自动除霜功能，监控数据采集终端通过对环境温度的监测可自动调节设备工作温度，有效的防止摄像机镜头及外罩的结霜。
6)工作温度-30℃～70℃。
风速雨量传感器模块：本模块分为风速风向传感器和雨量传感器，分别通过SPI接口连接到嵌入式平台。风速测量范围选用0～50M/S，测量精度±0.5%，风向测量精度<5度。环境温度选用-55～150℃。
温湿度传感器模块：采用温湿度一体化的数字传感器，该传感器包括一个电容式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个内置高性能8位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。
与该模块通信仅仅需要一个I/O口，传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据通过GPIO接口送入嵌入式平台，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。
性能指标和特性如下：
1)工作电压范围：3.3V-5.5V
2)工作电流：平均1.5m A
3)湿度测量范围：0-100%RH
4)温度测量范围：-20-60℃
5)湿度分辨率：0.1%RH
6)温度分辨率：0.1℃
7)采样周期：2S
8)单总线结构与TTL兼容(5V)
GPRS模块：采用广州致远电子的ZWG-22A工业级嵌入式GPRS Mode m模块，通过移动运营商现有的GPRS网络实现嵌入式平台与中心计算机的通信。GPRS模块以RS232连接到嵌入式平台，驱协采用通用AT指令集。
其性能指标如下：
1)支持GPRS拨号无线上网。
2)支持短信收发;
3)支持完善的AT命令;
4) 3.8V～4.5V供电;
5)通信最大电流300m A、空闲≤20m A;
6)工作温度：-25～70℃。
电源供给模块：采用太阳能电池板和大容量后备蓄电池供电，可以保证系统在无太阳充电的情况下稳定运行30天。监控数据采集终端具有电源管理功能，根据电源使用及设备工作情况，可以进入低功耗、待机等模式，根据需要切断外部摄像头、云台、红外夜视装置等设备的供电以延长蓄电池的工作时间。
嵌入式平台软件部分：监控数据采集终端的软件构成，主要是指嵌入式平台模块软件部分。主要包括：
1)嵌入linux操作系统。
2)挂接到平台上的各模块驱动，如：摄像模块驱动程序、风速雨量传感器模块驱动程序、温湿度传感器模块驱动程序、GPRS模块及电源供给模块的驱动程序。
3)应用程序，如：电源管理程序，正常监测时的在线轮询，突发事件主动上传、远程控制等工作模式的应用程序。
3 调度中心服务器
调度中心服务器是放置在调度中心的主控计算机系统，主要由计算机软件及挂接到计算机的GPRS通信模块构成。软件部分由计算机的通用编程软件如VC++等高组语言编写，主要包括以下内容：
监控数据采集终端管理：系统可支持多达上千台的远程监控数据采集终端容量，可同时监控访问多台监控数据采集终端。
图片及数据信息综合管理：系统完成对即时上传的各终端的大量的图片、数据信息进行分类有效的综合管理。
远程遥控功能：系统可以对任意一台终端实际完全控制，包括摄像头变焦、云台角度偏转、摄像机拍摄等进行控制。同时，可以监测当前各接口工作状态、现场工作温度、环境温度及查看电源使用情况，是否进入低功耗或待机模式等。
4 结语
由于GPRS通信的延时，摄像头采集的图片传输较慢，不过仍然能够满足需要。基于ARM嵌入式系统的电力线覆冰监测系统，不但可以完成电力覆冰监测的任务，更重要是作为智能监控在电力系统中的应用的一个尝试。可以预见，将会有越来越多的监控形式及内容应用于电力系统中。
摘要：近年来针对架空电网由覆冰引起的冰害事故, 加强输电线路覆冰实时监测成为预防灾害以及救灾应急处理的重要技术手段。该系统采用先进的ARM嵌入式系统为设计平台, 能够将架空电网设备现场状况的图片、现场气象数据及预警信息等通过GPRS通信网络实时发送到调度中心。
关键词：覆冰导线,图像监控,嵌入式系统
参考文献
[1]蒋兴良, 易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社, 2001.
电力线监测 篇11
关键词：电力计量装置；原因；监测方法
中图分类号： TB971 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）29-185-2
0 引言
目前，随着我国科学技术的不断发展，我国的电力计量装置技术也在不断地进步，但是与国外发达国家相比，我国的电力计量单位发展依然很缓慢，电力计量装置经常出现一些异常情况，同时引发电力计量异常的原因有很多，比如，装置故障、外界干扰、非法行为等，这些原因直接影响了电力计量的装置监测的准确性，因此，相关的电力计量单位就应该充分认识到电力计量装置的重要性，不断总结以往的工作经验，重视电力计量电流监测法和电力计量状态量监测法，不断提高电力计量装置的准确性，从而保证用电的稳定性，保证电力计量单位的可持续发展。
1 电力计量装置概述
现如今，随着社会经济的不断发展，人们的日常生活和工作都离不开电能的供给。电能作为我国的重要能源之一，它在很大程度上促进了我国经济的不断发展。其中，电力计量装置主要指的就是记录电能使用情况的设备或者仪器，它的作用主要是帮助相关单位分析各地的用电情况。一旦没有电力计量装置，那么就无法进行电力产品的销售，电力计量装置是连接用户与电力计量单位的重要桥梁。但是，从目前我国电力计量的发展现状来看，电力计量装置经常在使用的过程中出现或多或少的问题，如果相关负责人不能够对这些问题进行分析，那么就会影响电能的正常输送，从而影响人们的正常生活。据相关调查显示，我国很多地方都在使用的电量统计方法是人工抄表模式，人工抄表模式主要指的就是抄表工作人员要定期检查电力计量装置的数据，并认真记录电力计量装置的相关数据，一旦发现任何问题，就要及时找到问题的原因，从而保证电能的正常运行；同时，如果发现电力计量装置有被改装的迹象，那么就应该及时追究相关负责人的责任。与国外发达国家相比，我国的电力计量装置起步比较晚，目前还不成熟，依然存在很多问题，因此，相关单位就应该加大对电力计量装置的研究力度，不断研究电力计量装置，从而促进电力计量装置的可持续发展。
2 电力计量装置异常的原因
电力计量装置是一种常见的计量装置，对于电力计量装置来说，它出现异常的现象比较明显，只有提高了电力计量装置的稳定性和准确性，才能保证电能的稳定运行。但是，从目前我国电力计量装置的发展现状来看，在电力计量装置使用的过程中，经常会因为自然因素或者是人为因素的影响，使得电力计量装置经常出现或多或少的问题，下面我们就来具体分析下电力计量装置异常的原因都包含哪些方面内容：
2.1 非法行为
对于电力计量装置来说，非法行为是造成电力计量装置出现异常的常见原因。目前，随着电力系统成为垄断产业，电费也在不断上升，这给用户的经济带来了很大的压力，从而使得一些不法分子经常去窃电。在窃电的过程中，不法分子主要是采用绕过电力计量装置的手段，对电路进行私自改装，这在很大程度上给电力计量装置造成了严重的破坏，当电力计量装置出现问题之后，不法分子再伪装数据，从而达到窃电的目的。目前，我国不法分子主要采用的窃电方法比较多，其中包括移相法、无表法、欠压法、扩差法等。这些窃电方法都直接给计量装置造成了严重的损害，而且也会使得电力计量装置无法再次使用。有上述问题可见，我国相关部门就应该加大对非法分子的执法力度，减少窃电行为的发生。
2.2 装置故障
众所周知，电力系统本身就具有一定的危险性，如果人们在日常的工作中碰到了电力的一些不安全因素，那么就会直接导致人员伤亡。因此，相关负责人就应该充分认识到电力计量装置的重要性。目前，虽然很多电力计量单位已经在不断重视电力计量装置，在生产电力计量装置时也经过了一系列的检查，但是由于我国技术水平不完善，从而使得电力计量装置在运行时出现了一定的故障。目前我国电力计量装置本身出现的故障比较多，其中包括电能计量柜故障、电能表故障、二次回路故障等，因此，为了减少这些故障的发生概率，相关部门就应该加大对电力计量装置的研究，找到问题所在的原因。与此同时，目前出现电力计量装置自身故障的主要原因是装置的长时间运行，很多装置的零部件出现了磨损，从而使得得出的相关数据存在很大误差。除此之外，相关负责人还应该重视电力计量装置的综合误差，引发电力计量装置的综合误差有使用年限、生产工艺、运行环境等。虽然电力计量装置引发的误差是必不可免的，但是这个误差一定要控制在允许的范围内，如果超出了误差范围，那么相关负责人就应该对电力计量装置进行维修，如果受损严重的话，就应该对其进行更换。
2.3 外界干扰
我们都知道，只要是仪器，那么就非常容易受到各种环境的影响，针对电力计量仪器来说也不例外。电力计量装置的工作环境都很复杂，一般都会受到电磁环境的严重影响，一旦受到了电磁的干扰，那么就会使得电力计量装置出现异常情况。目前，我国电力计量装置受到的电磁干扰主要指的就是谐波干扰。谐波干扰是一种电力系统中比较常见的干扰源，如果电力计量装置受到了谐波干扰，那么就会给电力计量装置带来很大的破坏。通常情况下，电力计量装置主要采用圆盘式电能表，它的工作频带范围比较狭窄，一旦受到了谐波的干扰，产生的危害性就非常大。除此之外，电力计量装置如果受到了谐波的干扰，那么就会给设备带来巨大的电能损耗，从而影响设备的使用年限。
3 电力计量装置监测方法
针对以上电力计量装置异常的原因，相关负责人就应该不断总结以往的工作经验，通过加强电力计量装置监测，找到合适的监测方法，从而减少装置的损耗。目前我国电力计量装置的监测方法主要包括电力计量电流监测法、电力计量开关量监测法、电力计量状态量监测法等。
3.1 电力计量电流监测法
电流能够准确地反映出一个电力计量装置的运行情况。电力计量电流监测方法主要包括以下三种方法：第一种是三相不平衡电流；第二种是监测相电流；第三种是监测断路器安装位置。这些监测方法都能够及时发现电力计量装置所隐含的问题。但是，如果电力计量装置在运行的过程中，电流系数超出了有关规定的范围，这就说明电力计量装置出现了异常情况，因此，相关的负责人就应该采用合适的监测方法进行监测，根据电力计量装置的运行情况找到问题所在的原因，然后采用合理的方法进行维修，从而保证电能的正常运行。
3.2 电力计量开关量监测法
一旦电力计量装置出现了异常情况，那么就会产生相应的监测信号。电力开关作为一种监控系统，它能够发送警告信息，使得电能表接收到相应的信息，从而保证相关负责人能够第一时间知道电力计量装置出现了异常。开关量包括的方面也很多，比如，电能表、计量柜继电器、电流回路等。电力计量开关量监测主要指的就是针对开关动作引发的异常行为的监测。一旦相关负责人发现了电力计量装置出现了问题，那么就应该根据这些问题采用合适的措施加以解决，从而保证电力计量装置的正常稳定运行。
3.3 电力计量状态量监测法
状态量监测法主要是根据电力计量装置所处的运行环境，分析电力计量装置负荷特点及其变化，从而判断出电力计量装置是否出现了异常。在电力计量装置运行的过程中，相关负责人采用电力计量状态量监测法，不仅能够准确地掌握用户的用电量，又能够很快了解电线破损的具体情况。一般情况下，相关负责人在对状态量进行监测时，一旦发现计量装置负荷发生了很大的波动，那么就应该对用户以往的用电情况进行对比，如果数据出现了严重的偏差，那么就能够确定电力计量装置出现了问题，然后相关负责人就应该找到问题所在的原因，从而解决出现的问题。
4 结束语
综上所述，电力计量单位要想提高自身的电力计量装置质量，就必须充分认识到电力计量装置的重要性，重视电力计量装置监测方法，不断总结引发电力计量装置异常的原因，并培养更多的专业电力计量人才，不断研发具有高稳定性的电力计量装置，从而促进电力计量单位的健康稳定发展。
参 考 文 献
[1] 戴苏纶.电力计量装置异常的监测方法及处理方法[J].山东工业技术，2015（20）：121.
[2] 陈自纬.电力计量装置异常的监测方法及监测措施[J].中国新技术新产品，2015（06）：85.
新型电力谐波监测装置的研制 篇12
在现代电力系统中, 大型的发电厂往往远离负荷中心, 发电厂发出的电能、一般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心, 然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起分配电能作用的网络就称为配电网络。
配电网相对于输电网来说, 其电压等级低, 供电范围小, 但与用户直接相连.是供电部门对用户服务的窗口, 因而决定了配电网运行有如下特点和基本要求。
1) 随着铁路电气化和用户电子设备的大量使用, 配电网运行中有大量的谐波源、相电压不平衡、电压闪变污染等, 因而要求准确测量与计算配电网中的谐波分布, 采取效措施抑制配电网运行中的谐波危害;
2) 随着用户对供电可靠性和电压质量指标要求的提高, 仍靠人工操作已无法适应.要求现代配电网运行不断提高自动化、智能化水平;
3) 由于“电能”作为商品将进入市场竞争, 要求各电力公司能降低配电网运行的线损和年运行费用, 提高运行的经济性, 从而降低配电成本, 同时.积极协助用户优化用电计划、节约用电。推行战略节电和战略负荷开拓等积极措施, 进一步提高对用户的服务质量。
2 本文的研究目的和意义
电力系统波形畸变并不是一个新的问题, 国内外己经研制成功的各种谐波测量分析使用的仪器性能和测试目的大致分为三类:一是用于谐波日常监测工作的监测仪或报警仪, 该类仪器测试功能简单, 但是精度不高;二是专门测试谐波用的高性能谐波分析仪和频谱分析仪;三是用于谐波和其他电能质量综合测量的分析仪。上述谐波监测仪器分析原理大多基于快速傅立叶变换, 工作过程大致为:被测信号经采样/保持、AD转换、计算机傅立叶计算输出结果。但同时, 现有的谐波监测产品也存在以下问题:
1) 处理功能相对较弱, 可扩展存储空间比较小, 运算速度较慢, 难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理, 不能完全满足电力系统谐波监测实时性的要求;
2) 功能较单一, 或是仅仅有采集、分析数据, 不具备远程通讯功能;或是具备采集、传输数据, 但自身无法实现数据的处理分析能力。而当今对谐波监测要求趋势是多样化, 多功能方向发展, 因此, 对具有集采集、分析、处理、远程传输功能于一体的这样的监测系统的需求就显得尤为必要;
3) 对于器件的选型, 不能完全做到性能和价格上的最优, 虽然有的产品直接引进了国外的技术模块, 功能强, 可是价格较高, 可维护性不强, 且不完全适合我国市场。此类产品如果保证了监测数据的准确和及时性, 则价格将会十分昂贵;但同样的, 低廉的产品也是以牺牲了产品性能为代价的;
4) 有的产品无通讯和控制输出功能, 不满足电力系统网络化、自动化的发展方向。
3 本文所做的工作
基于工程实践, 故主要侧重点在系统的各部分功能实现上, 将从监测系统的硬件设计、软件设计、算法等角度进行研究, 并且以数据采集、监测为重点。主要完成下面的工作:
1) 对近几年国内外相关研究工作和科研文献进行了大量的查阅, 总结已有的谐波监测系统的优点, 并指出存在的不足;
2) 设计了监测系统的硬件和软件部分, 硬件部分包括信号采集、信号计量、信号分析、通讯等功能单元。软件实现功能包括电压、电流、相序、频率、功率等的计量, 数据通讯, 重点实现谐波的各次分析和谐波功率, 电能的计算。并针对现场环境中的干扰, 提出了软硬件抗干扰措施, 使系统更好的满足实时信号准确处理的要求。
3.1 谐波监测系统的设计
数据采集部分安装在配电变压器现场, 主要用于采集低压配电线路的各种信息;数据分析电路包括计量芯片和单片机, 电能计量芯片ATT7022B可直接测量:电压、电流的有效值、功率因数等参数, C8051F020则实现谐波分析和谐波电能计量功能;数据通讯部分将实现数据的远程传输。
监测系统的硬件设计原则围绕其功能进行, 同时要求遵循以下准则:
1) 合理增强软件功能
系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定, 提高硬件功能的比例可以提高速度、减少所需的存储量, 有利于监测和控制的实时性。相反, 提高软件功能的比例可以降低硬件的造价, 提高灵活性和适应性, 但相应速度要下降, 软件设计费用和所需的存储器容量要增加。划分的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提下, 系统功能尽可能用软件来实现。
2) 简化设计
硬件设计时尽可能选用集成电路, 这样有利于提高系统的集成度, 减少元器件之间的连线、接点和封装数目, 从而大大提高系统工作的可靠性。
3) 模块化设计
硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块, 尽可能选用模块化结构的典型电路。
4) 防干扰设计
测控单元工作现场环境比较恶劣, 在硬件设计时必须具体分析可能的干扰来源, 并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰, 以增强自身工作的稳定性。
3.2 谐波监测系统的性能指标
本系统对三相交流电压、电流能实现对现场电压电流数据的同步采样, 并能通过FFT数字信号处理分析得到基波和谐波的各参数值, 还要实现数据的远程通讯。本系统主要性能指标为:
1) 同步采集电网三相电压、电流信号;
2) 6路被测电网信号基本电力参数的实时计量, 包括:电流有效值、电压有效值、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电压相位、电流相位;
3) 6路被测电网信号参数的实时分析, 基波和各次谐波分量的分解, 采用FFT变换完成包括:各次谐波幅值和相位的判定、第n (n=3, 5, 7, 11, ……21) 次谐波电压 (或电流) 含有量和含有率测量、谐波功率方向的判定;
4) 6路被测电网信号能量计算, 包括:基波电能计算、谐波总电能计算、各次谐波电能计算;
5) 具备远程通讯功能, 通过单片机C8051F020与RS232串口的连接与控制, 实现远程实时数据GPRS通讯。
3.3 谐波监测系统的构成及工作原理
从TV/TA (电压互感器/电流互感器) 上采集的六路电网信号经电压传感器和磁平衡电流传感器转换为低电压、小电流信号, 该传感器具有精度高、线性度好、响应快及过载能力强等特点, 可以最小失真转换原始信号。数据采集及前置单元:对传感器变送来的信号进行预处理, 主要是针对不同电压等级的芯片进行放大。信号分别送入C8051020和计量芯片ATT7022B进行数据处理。计量芯片的功能主要测量的是信号的电压、电流和谐波功率等数值, C8051020则是用于谐波分析, 包括谐波的次数, 谐波电压含量, 谐波电压的总谐波畸变率。且单片机也负责对GPRS数据传输的程序控制。当计量芯片和单片机之间的通过SPI接口进行数据交换后, 再通过RS-232串口连接到GPRS无线模块, 将数据打包, 通过GPRS空中接口接入到GPRS网络或Internet网络后, 送达数据监控中心。
4 结论
随着社会的不断的发展, 各种不同的用电负荷越来越多的接入电网中运行, 其中不乏大量的非线性负荷设备, 因为它们的存在, 谐波的危害也日益成为人们关注的问题。本文首先阐述了谐波的测量和分析对于电网质量分析的意义, 在介绍了国内外电力谐波监测发展现状后, 指出了现今谐波监测所采用的部分技术及其各自的优劣点, 综合考虑后选用了一种集AD转换器、多路开关、SPI通讯接口等为一体的新型单片机C8051F020和多计量功能计量芯片ATT7022B设计了一种集谐波测量、分析和远程通讯为一体的多功能谐波监测系统。通过研究工作, 主要取得了如下的成果:
1) 参与总体方案的设计、制定。工作包括从整个系统的器件选型到硬件、软件的设计、开发;
2) 系统用高精度、高集成、扩展性强的器件设计了信号采集、分析和通讯等硬件电路, 并加入了抗干扰措施。硬件电路结构简单, 稳定性强, 精度高, 扩展性强;
3) 设计了信号采集、分析和通讯等单元的软件功能实现。能实现对谐波达21次的实时在线监测分析。同时, 整个编程过程采用了模块化结构的设计理念, 使得软件的使用和调试方便快捷, 便于今后功能的扩展;
4) 本系统设计采用了低电压 (3.3V) 的设计方案, 绝大部分功能模块采用了低电压、低功耗的芯片, 降低了系统的功耗, 以满足低功耗的设计要求;
5) 使用C和汇编语言对AD采样、FFT计算、SPI通讯、GPRS通讯等模块进行了程序编写, 为今后的开发工作提供了良好的基础。
摘要：随着社会技术和经济的发展, 电网谐波的问题日益严重, 对电网和电力设备造成严重危害。由于电能质量要求的提高, 相应的谐波监测的重要性也显得尤为突出。所以, 研制一种集测量分析和通讯于一体的新型电力谐波监测系统, 具有极高的社会和经济效益。本文研究了国内外电力谐波监测系统的发展现状, 在总结其发展成果的基础上, 根据工程实际的要求, 提出了监测系统的设计方案。开发一种具有可编程、自动化测量、智能分析、数字通讯等功能为一体的谐波监测装置。它使测量过程及数据分析处理实现自动化, 减少人为失误。该系统能够实时监测配电网系统中的三相电压、电流、频率、功率、功率因数、谐波、谐波畸变率 (THD) 等基本电量参数, 并能通过单片机实时分析出各次谐波功率、电能和判定谐波源, 监测配电网系统的运行状态。
关键词：电网谐波,监测,单片机
参考文献
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