分布式長時在線電能質(zhì)量錄波器的設(shè)計
引言
電能質(zhì)量是保證電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)[1]-[4],傳統(tǒng)電能質(zhì)量錄波器工作方式大多為獨立工作的閾值觸發(fā)式錄波器,在著一系列的問題[5] ,且大多基于工控機平臺集中布置[6]存在體積大成本高記錄不準確等問題,也不利于分散監(jiān)控電網(wǎng)各節(jié)點狀態(tài)。而在當前我國建設(shè)堅強智能電網(wǎng)[7]-[8]要求隨時掌握電網(wǎng)分布各節(jié)點的運行狀態(tài),并在電能質(zhì)量發(fā)生時準確定位和記錄,并且錄波器平臺具有高可靠性,可通過互聯(lián)網(wǎng)絡與服務器通信,交換數(shù)據(jù)。
本文討論了在線型電能質(zhì)量錄波器的設(shè)計,以TI 公司高性能TMS320C6416 DSP 與XILINX 公司XC4VSX25 FPGA 器件為核心設(shè)計主控板,配合通信、存儲、采集、人機接口等板卡,組成了小型化低成本可長期在線監(jiān)測,升級維護經(jīng)濟方便的電能質(zhì)量錄波器系統(tǒng)。本系統(tǒng)可分布配置與電網(wǎng)輸配電節(jié)點,通過以太網(wǎng)與中心服務器監(jiān)交換數(shù)據(jù),監(jiān)控電網(wǎng)運行參數(shù)[13][15]。
1 長時在線式數(shù)字錄波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)總體功能
目前電網(wǎng)電能質(zhì)量錄波檢測技術(shù)向可靠性高,抗干擾能力強,長時在線記錄,具備大容量存儲空間,高壓縮比數(shù)據(jù)壓縮功能,多功能網(wǎng)絡化智能化等方向發(fā)展。本文設(shè)計的電能質(zhì)量數(shù)字錄波器系統(tǒng),具備電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、壓縮、存儲、導出、多功能網(wǎng)絡化通信、長時在線分布式監(jiān)測等功能。
為本系統(tǒng)的功能示意圖,整個系統(tǒng)分為下位機、上位機、網(wǎng)絡應用數(shù)據(jù)庫三部分,本文闡述下位機相關(guān)方案與技術(shù)。下位機負責數(shù)據(jù)采集、處理存儲與導出,電網(wǎng)電能質(zhì)量信號[11] [12](三路電壓,三路電流)通過TV63-400V/5V 型電壓互感器與TA25E41-40A/3.5V 電流互感器變換為0~5V 以內(nèi)的交流電壓信號,經(jīng)調(diào)理電路隔離驅(qū)動之后進行數(shù)據(jù)采集和處理。處理后的數(shù)據(jù)存儲在非易失存儲器內(nèi),可以選配點陣液晶模塊同步顯示。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)亦可由以太網(wǎng)、USB 等通訊接口傳輸至上位計算機,或由SD 卡和U 盤現(xiàn)場導出,供用戶分析。由于采用數(shù)據(jù)壓縮算法,大幅壓縮數(shù)據(jù),實現(xiàn)長時在線錄波功能,并且通過以太網(wǎng)連接構(gòu)成分布式錄波器監(jiān)測網(wǎng)絡,滿足智能電網(wǎng)對于配電網(wǎng)整體運行狀態(tài)監(jiān)控的要求。
1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)本系統(tǒng)應用環(huán)境和整體性能要求設(shè)備整體電壓電流精度0.2%,采樣率為每周波1024 點。根據(jù)精度和數(shù)據(jù)壓縮算法的計算量,本項目選定高性能DSP TMS320C6416TGLZ和FPGA XC4VSX25 器件作為系統(tǒng)的核心器件進行數(shù)據(jù)采集和處理,其整體硬件結(jié)構(gòu)如所示。為了便于樣機調(diào)試與產(chǎn)品升級,本系統(tǒng)按照功能[13]主要分為六部分:信號調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機接口模塊、通信接口模塊、電源模塊,每一個功能模塊亦為獨立的硬件板卡。采用這種功能模塊化設(shè)計思想,將系統(tǒng)硬件設(shè)計為可方便拆卸升級的功能模塊提高了產(chǎn)品開發(fā)和日后升級的便利性和經(jīng)濟性。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ADI 公司生產(chǎn)的AD7656。該器件內(nèi)置六路16 位逐次逼近(SAR)型同步ADC 單元,最高采樣速度每秒250K,擁有串并兩用數(shù)據(jù)口,并可通過讀寫內(nèi)部寄存器,對其采樣方式進行編程。AD7656 精度、速度、通道數(shù)均滿足要求,設(shè)置其數(shù)據(jù)傳輸方式為16 位并行數(shù)據(jù)接口,由FPGA 控制AD7656 采樣數(shù)據(jù),六路數(shù)據(jù)依次讀出并存儲于FPGA內(nèi)部乒乓RAM 中,供DSP 調(diào)用處理,處理結(jié)果存儲于板載FLASH 芯片組內(nèi),芯片組選用四片單片4G Bytes 容量的HY27UK08BGFM 型FLASH 完成數(shù)據(jù)存儲功能。
2 基于電能質(zhì)量信號特征的數(shù)據(jù)壓縮算法
2.1 數(shù)據(jù)壓縮算法設(shè)計
電能質(zhì)量信號在大部分時間為正常非故障波形,其理想電壓波形為規(guī)律的50HZ 正弦波。即便發(fā)生電能質(zhì)量事件,暫態(tài)電能質(zhì)量事件持續(xù)時間比較短,數(shù)據(jù)量不大,而穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量事件在信號形式上也都是相對穩(wěn)定的周期信號。電能質(zhì)量信號的周期性特征,使得可以用處于穩(wěn)態(tài)的周期信號的一個波形數(shù)據(jù)來替代描述其他的周波,這樣就為數(shù)據(jù)壓縮提供了可能。
設(shè) A、B 為兩個相鄰的電壓波形,分別對A、B 兩個波在20ms 時長內(nèi)采樣,采得兩幀數(shù)據(jù),之后對兩組數(shù)據(jù)進行處理,設(shè):
將 C 值與預設(shè)ΔU 值相比較,如果兩個波形均是正常波形,則其結(jié)果會很小甚至趨近于0,這種情況下只記錄第一幀數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)幀只計錄個數(shù)即可。
如果某時刻電能質(zhì)量故障出現(xiàn),那么在其前后相鄰時刻的信號波形發(fā)生變化,C 大于ΔU ,這樣啟動無損記錄程序,將電能質(zhì)量故障波形完整采樣記錄至存儲器內(nèi)。
如此往復工作,大部分正常的或者是穩(wěn)態(tài)異常的無意義數(shù)據(jù)就不會占用大量寶貴的存儲器空間,雖然是有損壓縮但是可以解決壓縮比和計算量之間的矛盾。
2.2 數(shù)據(jù)存儲協(xié)議設(shè)計
故障錄波數(shù)據(jù)按照故障時間逐條存儲,每條故障記錄占用25KB 存儲空間,如所示,每條故障錄波記錄共包括5 部分,其中起始時刻為系統(tǒng)檢測到波形變化的時間,由經(jīng)GPS校正的DS1307 芯片提供時間基準,故障起始時刻亦為檢索故障數(shù)據(jù)的標志。
由于我國三相四線制輸配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測需要三路相電壓與三路線電流,故系統(tǒng)配置六路模擬量采樣通道。單路波形個數(shù)A,B 均占用4Bytes 存儲空間,用于記錄電能質(zhì)量信號波形變化前后穩(wěn)定狀態(tài)的周波數(shù)。其4Bytes 容量共可記錄4294967296 個20ms 周波,如果電網(wǎng)信號為穩(wěn)態(tài)不變,則其容量可連續(xù)記錄數(shù)百天周波數(shù)。單路波形數(shù)據(jù)A,B 為存儲電能質(zhì)量事件發(fā)生時刻前后變化波形的數(shù)據(jù)空間,由于數(shù)據(jù)采樣精度為16bits,采樣率為1024點/周波,所以每個周波占用2K Bytes,共4K Bytes。上述皆為單路采樣通道存儲數(shù)據(jù)量,整個系統(tǒng)含6 路模擬采樣通道,故故障錄波記錄存儲空間需求為單路乘以系統(tǒng)采樣通道數(shù)6。
本系統(tǒng)共配置四片單片4G Byte 的FLASH 存儲器芯片,其內(nèi)部采用FAT 文件系統(tǒng)管理存儲空間,格式化屏蔽掉存儲器芯片壞塊之后可用存儲空間約為15.6G Bytes,按照每條數(shù)據(jù)25K Bytes 的數(shù)據(jù)量計算,整個系統(tǒng)存儲空間可記錄60 余萬條故障數(shù)據(jù)。假設(shè)每天發(fā)生電能質(zhì)量事件1000 件,錄波器可以準確捕捉全部波形變化數(shù)據(jù),則理論上錄波器可連續(xù)在線記錄時長為300 天,接近一年。
3 系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)
TMS320C6416 上電之后初始化芯片及外設(shè),之后啟動采集模塊進行數(shù)據(jù)采集,采集數(shù)據(jù)存入緩存,緩存采用乒乓RAM 形式工作,采集滿兩個周波40ms 的數(shù)據(jù)之后由DSP 讀取RAM中數(shù)據(jù),將前后周波進行逐點比對,如果C值小于預設(shè)ΔU 則判斷前后一致則只存儲第一幀有效數(shù)據(jù),其余周波數(shù)據(jù)不直接存儲,只記錄波形個數(shù);如果波形對比判定前后幀波形不一致則判定為電能質(zhì)量故障波形,對數(shù)據(jù)直接存儲。為DSP 工作整體流程圖。
采樣獲得的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)除作為錄波壓縮判決依據(jù),還由其計算得到電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)。數(shù)據(jù)由兵乓RAM 中讀取之后進行FFT 變換[19],得出信號頻譜與波形數(shù)據(jù)計算諧波與頻偏,之后結(jié)果由液晶顯示。而電網(wǎng)三相線電壓、三相線電流、三相不平衡度、電壓閃變等等參數(shù)由文獻[21]- [31]推薦典型方法計算出結(jié)果,并亦由液晶模塊顯示。具體的電網(wǎng)參數(shù)計算及顯示流程見。
4 系統(tǒng)實驗
錄波實驗環(huán)境使用臺灣茂盛公司生產(chǎn)的CHR61705 型三相交流可編程電源定量產(chǎn)生典型電能質(zhì)量故障信號。該電源可編程實現(xiàn)的電壓波動、電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、頻偏、三相不平衡、電壓沖擊等等電能質(zhì)量綜合變化的數(shù)據(jù)。
為編程實現(xiàn)的電壓切痕的實測波形,為系統(tǒng)記錄的電壓切痕波形,對比兩圖波形表明系統(tǒng)可以準確捕獲記錄電能質(zhì)量信號波形的變化。
對采樣數(shù)據(jù)采用2.1節(jié)闡述的壓縮算法處理,根據(jù)不同的ΔU 值的選取,可得約數(shù)十至一百比一的壓縮比。
5 結(jié)論
本文探索了基于電能質(zhì)量信號特征的數(shù)據(jù)壓縮算法并將其應用于電能質(zhì)量錄波器系統(tǒng),證明其算法思路可行,但是其壓縮比并不固定,既非常依賴電網(wǎng)品質(zhì),又依賴ΔU 值的選取,在ΔU 值很小且電網(wǎng)品質(zhì)較差的情況下,其壓縮比較低。
責任編輯:售電衡衡
-
源網(wǎng)荷協(xié)同—破解智能電網(wǎng)能量管理和運行控制難題
-
源網(wǎng)荷協(xié)同—破解智能電網(wǎng)能量管理和運行控制難題
-
電力控制系統(tǒng)中的時鐘同步技術(shù)分析
-
格力電器|牽頭成立廣東分布式能源互聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新聯(lián)盟
-
能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)六大新機會領(lǐng)域
-
觀點 |提升總體能源效率是能源互聯(lián)網(wǎng)的目標
-
中國鉛酸蓄電池行業(yè)發(fā)展趨勢 行業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級
-
后鋰離子電池技術(shù)展望:鋰空氣電池和鋰硫電池
-
電池大PK 未來鉛酸蓄電池在二次電池市場地位穩(wěn)固難撼
-
面向智能電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析與控制技術(shù)綜述
-
儲能技術(shù)在堅強智能電網(wǎng)建設(shè)中有什么作用
-
當智能電網(wǎng)碰上“互聯(lián)網(wǎng)+” 抄表計費會怎樣?
-
分布式長時在線電能質(zhì)量錄波器的設(shè)計
-
源網(wǎng)荷協(xié)同—破解智能電網(wǎng)能量管理和運行控制難題
-
源網(wǎng)荷協(xié)同—破解智能電網(wǎng)能量管理和運行控制難題