基于交流采样测控装置自动化检测方法应用研究

宋进良，周 洁，李为兵

(1．东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110006;

2．中电投东北新能源发展有限公司，辽宁 沈阳 110181)

交流采样远动终端作为一种远动终端设备(RTU)，主要用于实现电力系统中远方调度中心对现场交流模拟量的监测，它提供的实时测量数据在电网调度及规划决策工作中具有重要的参考依据。由于计算机监控系统的大量应用，实现了现场与远方测量数据的共享。交流采样远动终端和计算机监控设备 (以下简称为交流采样远动终端)的出现导致了大量电测量指示仪表及变送器在现场应用的急剧减少。鉴于交流采样远动终端的重要性日显突出，相应的维护校验工作也在基层电力单位中全面展开。交流采样测量装置是厂站自动化系统中的测量部分，因其直观的数字显示、准确的测量量值、数字技术的应用已广泛应用于各发供电企业;它替代了传统的电测量指示仪表和变送器，在电力系统中的应用越来越广泛。

1 原理

1.1 测控装置

图1 工作原理结构图

如图1所示，交流采样测量装置将互感器二次电流与电压分别经交流采样测量装置内隔离变换，再次转换为弱电流及电压信号［1］。通过采样保持器的元件采集、保存电流、电压信号;经模、数(A/D)变换;通过数据线传送给CPU，计算出电流、电压、电网频率及有功、无功功率等电量并存储在记忆元件中。

交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的TV、TA隔离变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。直接计算U、I，然后计算P、Q、cosφ等，由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因此实时性好，效率高，相位失真小，适用于多参数测量［2］。

1.2 交流采样

图2 交流采样原理图

如图2所示，交流采样远动终端中，被测交流量直接由测量单元转化成数字量，然后再由中央通信单元进行规约转换，形成符合远动通信规约的数字量，经通信线路 (光纤/数字载波/音频电缆等)传送到调度中心的主站系统中。

其测量单元直接完成对交流量的采样和A/D转换，因此遥测准确度完全取决于其内部采样模块及数据处理模块的速率和精度;而电测量变送器+直流采样远动终端的测试方法中遥测准确度则由电测量变送器测量准确度和直流采样远动终端中的A/D转换精度决定。

2 交流采样算法及实现

2.1 电网参数真有效值积分算法

同步采样计算法是随着计算机的发展而出现的测量方法。当采样N足够大时，采用下列平均功率算法，同样可得到较高精度，平均功率计算公式为

式中，u(t)、i(t)为电压、电流的瞬时值;T为信号周期。

同时对电压、电流波形进行逐点数据采集u(n)、i(n) (n=1，2，…，N)，并将其转换成离散数字序列，计算出功率的平均值。

2.2 电网参数的采样计算

根据以上的分析和推导结果，可求得Ukm、Ikm、αk、βk。可以证明电压和电流有效值的计算公式分别为

也可证明有功功率、无功功率、功率因数的计算公式分别为

2.3 交流采样测量装置硬件实现

一般交流采样测量装置由若干个测控单元和1个通信转换模块组成，1个交流采样测量装置完成一组三相电量采集、计算和发送，其中A/D一般选用12位高速集成AD转换器，CPU一般选用16位单片机或DSP数字信号处理器［3］。典型硬件实现框图如图3所示。

图3 测控单元结构图

2.4 采样频率对测量误差的影响

微机测量交流电量首先需对输入信号进行采样和模数转换变成一串离散信号，为了使连续信号的抽样过程不失掉信息，根据采样定理可知抽样频率fs与信号的最高频率Fm之间必须满足下列关系式:

fs≥2Fm是一个临界条件，实际采用的抽样频率必须大于2Fm。

从理论上分析，采样频率愈高，测量的准确度愈高，但实际应用中采样频率的提高受到诸多因素限制。由于三相发电机产生的电压与正弦波有些差别，因此就包含一定的谐波分量，变压器的励磁电流也是非正弦的，也含有一定大小的3次谐波量，所以三相对称电路中电压、电流都可能含有高次谐波，不过电力系统只含有奇次谐波 (1次、3次、5次……)越是高次谐波其分量越小，9次以上谐波分量已非常小，因此对于计算来说考虑到9次谐波后误差已经很小，根据采样定理可知，此时采样点数N≥20，对于基2FFT算法，由于要求N=2m，故选N=32;对于基4FFT算法，由于要求N=22m，故N=64，必须注意一点，采样点数增多，将会同时增加硬件软件费用，降低运算速度［4］。

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3 自动检测方法

自动检测方法是计算机软件控制标准源输入二次标准值，然后由计算机软件从交流采样远动终端的通信单元中采集数据，如图4所示。该方案由于采用了直接读取交流采样远动终端装置内部数据的方式，主要优点是实现了针对单个终端的自动测量，校验过程中响应时间短，提高了校验效率;测量结果与国家规程关于交流采样远动终端的误差定义相一致等。

图4 自动检测原理图

3.1 远动规约简介

远动规约 (协议)是在远动系统中，为了正确地传送信息，必须有一套关于信息传送顺序、信息格式和信息内容等约定。这一套约定称为规约(协议)，常用的分为两种。

一种是循环数据传输方式Cyclic Digital Transmit(CDT)。

另一种是询问方式也称问答方式Polling。

CDT方式，远动设备将远动信息按约定的先后顺序排列并依次循环向调度中心发送。

Polling方式，其特点是由调度中心主站端主动按顺序依次“询问”各厂站的信息;厂站远动设备仅在受到主站端“召唤”时，才能够“回答”即送出自己的信息。

3.2 IEC870－5－103规约

本标准提供了继电保护设备 (或测控设备)的信息接口规范。本标准适用于将继电保护和测量控制功能组合在一个设备内，只有一个通信口的设备的信息接口，以及继电保护和测量控制功能分别由不同设备完成其功能的设备的信息接口。本规约属于问答式规约。在任何情况下，子站都不准主动向主站发送信息［5］。

3.3 数据库管理

本系统接口实现方式为动态链接库 (DLL)，DLL文件名称可以任意，保存于安装软件设置的子目录下，具有多种功能［6］，如图5所示。

图5 系统功能结构图

a． 检定功能

包括选择方案、校验仪表两个模块，选择方案模块是为各种不同型号和规格的仪表分别设置一个缺省的校验方案，以便于在仪表校验时能按预先制定的方案自动执行校验。

b． 参数设定

参数设定包括对仪表的基本参数、校验方案、地址、串行口、模块厂商、本机位置等几个方面信息的设置、修改和维护。

c． 数据处理

包括数据查询及数据统计查询模块，允许工作人员根据条形码、表号、校验日期、表型序号、校验人员进行相关查询，以便工作人员随时查看，得出校验报表，如图6所示。

图6 数据库结论报表

d． 打印功能

打印模块的作用是完成对所需各种表的原始记录和检定证书的打印，打印内容主要由以下几部分组成:有功功率、无功功率、交直流电压、交直流电流、功率因数、相位、频率及波形失真度分析等。

4 结束语

交流采样实时性好，效率高，相位失真小，逐步成为电力系统主要的数据采集方式，但在数据采集过程中存在多次谐波干扰，影响数据采集的精度与稳定，本文提出了一种基于远动规约的自动化检测方法，经数据分析和处理表明，该方法减小了工频失真度，提高了数据的采集精度，为数据采集设备提供了合理的测试方案。

［1］ 古天祥著．电子测量原理 ［M］．北京:机械工业出版社，2004．

［2］ EMH Company，Prs 200.3 AC Operation Manual，2000．2．

［3］ LUO Z K，XU ZJ，ZHENG Y C，etc．DFT and DSP2 based electric energy measurement algorithm of harmonic source load［J］．PowerSystem Technology，2002，4 (10):2487－2490．

［4］ DL/T 5137—2001．电测量及电能计量装置设计技术规程［S］．

［5］ 黄琦志，黄琦兰，李 轲．基于GPIB接口的数字多用表自动化检定系统［J］．计量技术，2005，(7):42－44．

［6］ JJG780—92．交流数字功率表检定规程［S］．