电弧炉电能质量数据在线监测系统

滕志军，王中宝，赵 龙，李国强

(1.东北电力大学信息工程学院，吉林省 吉林市132012;2.锦州供电公司，辽宁 锦州121000)

1 引言

电弧炉冶炼电气系统主要由高压供电网络、变电站变压器、电炉一次侧供电网络、大功率的电炉变压器、低电压大电流的短网系统、水冷电缆、电极系统及其升降装置和炉膛等部分组成［1］。电弧炉是一种特殊的冲击性非线性负荷，接入电网会导致高次谐波、无功冲击、三相不平衡度、电压波动和闪变、涌流、顺流和功率因数低等诸多电能质量问题。如果没有补偿设备，交流电弧炉将会对其他负荷带来严重的影响，比如负序电流和电压波动可能会引起电力系统继电保护误动作，无功冲击大将会使整条供电母线的功率因数低于0.7，三相不平衡会带来较大的附加损耗［2］。这些不利条件都会严重影响钢厂的正常生产，因此检测和实时监测电弧炉的电能质量是非常必要的。

ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率和低成本的优点，本课题将利用ZigBee技术来实时监测电弧炉的电能质量数据。

2 基本原理概述

2.1 电弧炉电能质量测量

电弧炉电能质量指标包括电力系统谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度和电压偏差、频率偏差等等。

(1)谐波测量。电弧炉的生产过程包括填料期、熔化期和精炼期。在熔化期和精炼期，电弧炉将产生大量谐波，并含有偶次谐波电流，产生影响很大。主要含有 2、3、4、5、7 次特征谐波电流，应根据《GB/T 14549—93电能质量公用电网谐波》标准来测量，取95%概率大值与国标值比较进行分析。

(2)电压波动和闪变测量。在电弧炉负荷较大的电网中，电压波动是由电弧炉消耗的有功功率和无功功率快速变化引起的。电压波动是影响电炉生产的重要电能质量指标，并直接导致电压闪变发生。目前认为最难治理的电能质量问题就是电压闪变。电弧炉电流的随机变化带来较大的无功冲击，进一步导致电压波动。母线电压均方根(RMS)存在0.5～30Hz的持续波动是闪变产生的起源［3］。目前，检测电压波动和闪变时需要采用专门仪器，检测方法主要有:平方检测方法、整流检波方法、有效值检波方法、小波变换法和神经网络方法［4-5］。

电压波动和闪变的测量一般是测量等值10Hz电压闪变值、短时间闪变严重度和长时间闪变严重度。根据《GB 12326—2000电能质量电压波动和闪变》标准进行测量，取95%概率大值与国标值比较判断超标与否。

(3)三相不平衡度测量。电弧炉的三相短路互感不平衡导致三相阻抗不平衡，造成三相功率不平衡，在电弧炉实际运行中，由于存在电弧、燃烧不稳定断弧、短路以及料块移动等现象也会造成负荷严重不对称，三相负荷的不平衡电流中含有较大的基波负序分量，它引起公共供电点的电压不平衡。

国标《GB/T 15543—1995电能质量三相允许不平衡度》中规定，三相不平衡度只考虑负序所引起的不平衡，所以实现起来比较容易。可采用对称分量法计算出三相不平衡度的值。根据谐波分析所得到的三相电流、电压的数值和相位信息计算各负序分量，然后计算出三相不平衡度的值。在上述国标中规定每次测量按3s均方根取值［6］。分析三相不平衡度时同样取95%大值与国标值进行比较进而判断测量结果。

2.2 ZigBee技术简介

ZigBee标准是基于IEEE 802.15.4协议栈而建立的。ZigBee是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee的物理层(PHY)采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。三个频段上传输速率分别为 250 Kb/s、40 Kb/s和 20 Kb/s。ZigBee根据输出功率和信道环境的不同，其实际传输距离介于10～75m之间，一般在30m左右。Zig-Bee的介质接入控制子层(MAC)采用载波监听多路访问/冲突防止(CSMA/CA)的碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争与冲突。在ZigBee的网络层(NWK)ZigBee联盟制定了星形、树形和网形三种网络拓扑结构，如图1所示。

图1 ZigBee网络拓扑结构图Fig.1 Network topology of ZigBee

3 系统硬件设计

3.1 系统整体硬件设计

如图2所示，整个系统主要由三部分构成:电能质量数据检测设备、ZigBee接收/发送设备和终端设备。电能质量检测设备选用Fluke公司生产的Topas2000型电能质量分析仪，数据采集后传至Zig-Bee模块，再由ZigBee模块发送出去，经过无线网络最后由终端设备接收。由此，本系统可实现三个功能，即电能质量数据实时检测功能，实时传输功能和终端数据监测分析功能。

图2 系统整体硬件连接图Fig.2 Overall system hardware connection diagram

在图2中ZigBee设备与电能质量检测设备之间通过异步串口线RS232相连进行通信，把采集到的电能质量数据通过ZigBee模块发送出去。虚框部分为电能质量检测设备内部原理图。说明如下:

(1)电能质量数据实时检测功能:电能质量数据检测设备负责采集电能质量相关数据，如系统功率因数、有功和无功功率以及电力系统谐波等情况。采用有线的方式把设备接入电弧炉开关柜，根据电力系统生产设备的特点设置采样时间间隔，可以做到数据的实时采集。

电能质量检测设备采集电弧炉开关柜侧的三相电压、三相电流，在数据处理单元(DSP或者MCU)经过模数转换后进行处理。数据处理单元可完成系统的有功功率、无功功率、电力系统谐波、三相不平衡度、电压波动和闪变以及电压偏差等的计算。然后，数据可以暂时存储到检测设备中，或者直接经通信模块发送出去。

(2)电能质量数据实时传输功能:数据采集完成之后，ZigBee模块负责数据的接收及向终端设备发送。若测量点与终端设备之间距离较远，可以增设ZigBee模块，根据 ZigBee的自组网功能，完全可达到数据的实时传输。

(3)终端数据监测分析功能:数据到达终端后，终端安装的分析软件，可以把各项电能质量数据以图形或数字的方式显示出来，并与电能质量国家标准进行比较，评定电能质量的好坏。

3.2 CC2430数据传输芯片

以往CC2420芯片构架，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有128KB可编程内存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上复位电路、掉电检测电路以及21个可编程 I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于25mA或27mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用［7］。

ZigBee作为一种低功耗的模块，选择供电电源时比较简单。一般两节5号电池可持续给ZigBee模块供电长达6个月左右。本设计中，采用直流电源供电的方式，而采用两节5号电池作为备用电源，以防止突然断电故障。在图2中，把采集到的三相电压(交流100V)其中的一相(A相)先经过滤波器滤掉谐波成分，在经过整流稳压模块把交流电压转换成直流电压，并降至ZigBee模块可正常工作的电压范围(2.0～3.6V)。这样选取供电电源具有持续供电和无需更换电池等优点。

4 软件设计

4.1 系统总体设计

系统的总体框图如图3所示。首先将电能质量检测设备与电弧炉开关柜相连，此时需要检查接线的正确性。这往往需要判断待检测母线段是带有容性负载，还是感性负载，进而判断电压信号与电流信号的相位关系。确认负载特性后，根据电弧炉生产特点设置仪器，电能质量检测设备开始采集数据，再通过ZigBee模块将数据传送至终端。终端数据分析软件主要由两部分构成:电能质量图形生成软件和报表生成软件。图形生成软件将ZigBee传送过来的数据利用描点法生成图形文件，在图形文件中点击光标，可查看各时刻的电能质量数据。报表生成软件将各电能质量数据按照最大值、平均值、最小值和95%概率值等特征值列出，并将95%概率值与国标值进行比较，判断各电能质量参数是否合格。

4.2 ZigBee发送数据设计

本系统的电能质量数据实时传输功能，是通过ZigBee软件设计来实现的。接通电源后，检测设备和ZigBee开始初始化。首先ZigBee模块要检查与电能质量检测设备和路由器之间的通信是否正常。若正常则ZigBee模块开始发送数据。然后，需要检查ZigBee模块发出的数据是否正确，若不正确则返回重新发送。数据发送正确后，数据则自动传至终端设备，由终端设备完成监测或者分析功能。图4为ZigBee发送数据流程图。

图3 系统总体框图Fig.3 Overall flow chart of system

图4 ZigBee发送数据流程Fig.4 Flow chat of ZigBee TXD

5 数据检测试验

5.1 目的及仪器选择

为了验证ZigBee技术应用于监测电弧炉电能质量数据的可行性，作者选取了某钢厂110kV变电站35kVⅠ段母线(电弧炉所在母线段)进行了电能质量测试工作。并在实验室环境下用 ZigBee模块进行了电能质量数据的传输。所采用电能质量分析仪为Fluke公司的 Topas2000型电能质量分析仪。Topas2000电能质量分析仪是用于调查严重电能质量问题的首选工具，多种测量和触发运算法，以及强大的10MHz采样率，可以在具体应用中根据需要设置仪器。它可测量系统2～50次谐波、三相不平衡度以及电压波动和闪变等情况。

5.2 电能质量数据检测环境

该钢铁公司一总降由上级两条220kV母线供电(一工一备)，经两台主变(主变容量分别为4#主变90MVA，3#主变 150MVA)，降至 35kV为该公司一条35kV母线供电，两台主变一工一备。该条35kV母线带有两台电弧炉交替运行。本次测试点为3#主变所带35kV母线下2#电弧炉(炉变容量为60MVA)。

5.3 实验数据

表1、表2和表3为该台电弧炉检测后的电能质量一些数据。

表1 2～10次谐波电压畸变率Tab.1 2nd～10thharmonic voltage distortion rate

表2 2～10次谐波电流Tab.2 2nd～10thharmonic voltage current

5.4 实验结果分析

传输结果表明，本系统在监测电能质量时可以及时监测到关于电能质量的各种不良情况，方便作出及时处理。在传输试验中，ZigBee展现了良好的数据稳定传输能力，对所测得的电能质量数据可以准确无误地传输。

6 结论

本文对 ZigBee技术作了简短介绍，并讨论了ZigBee应用监测电弧炉电能质量数据的可行性，提出应用ZigBee传输电弧炉电能质量数据的设计方案，并针对该系统进行了特定的传输试验。本系统可以满足监测电弧炉电能质量实时变化的要求，实现了无线化，方便于钢厂工作人员对电弧炉的电能质量情况及时掌握并做出响应调控，具有很高的应用价值。

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