电力计量装置电压异常状态自动监测终端平台构建

2020-08-12姜思卓

机械设计与制造工程 2020年7期

姜思卓，程超，王强

(国网青岛供电公司，山东青岛 266000)

电网调度不仅能保证电力资源的合理利用，而且关系到电力用户的切身利益[1]。用电监控需要应用电力计量装置，电力计量装置的作用类似于电子秤，可以精确地得出具体数值，保证电力系统运转正常[2]。电力计量装置在工作过程中有可能会发生异常，如出现电力资源应用结果与预期误差较大等问题，因此建立电力计量装置电压异常状态自动监测终端平台可以对电力系统的运行状态进行精准的监测，对减少人力、物力和资金的投入，满足信息化时代的需求具有重要意义。

文献[3]根据电网的复杂程度，有针对性地对电网异常状态的形成原因进行了分析，提出了异常状态监测系统的总体设计方案，实现了对电能计量装置的有效监控。文献[4]分析了监测系统设计时需要遵守的原则，对监测系统的总体设计方案进行了分析论述，并对电能计量装置的异常状态进行监测。本文在总结以往研究经验的基础上，设计了一种新型的电力计量装置电压异常状态自动监测终端平台，对其硬件结构、工作程序及功能进行了设计，其在抗干扰能力方面的优越性表明其可应用到实际电网的监测中。

1 电力计量装置电压异常状态监测终端平台硬件构建

1.1 电力计量装置电压异常状态监测终端平台结构设计

该平台硬件部分包括4个模块，各模块功能如下：

1)DSP(digital signal processing，数字信号处理)模块负责完成数据处理、数据控制、面板处理等工作，并协调其他模块工作。

2)显示操作模块负责计算机终端展示数据和相关信息。

3)通信模块通过互联网大数据实现子平台和主平台之间信息互传。

4)信息采集模块内部设置数据库，将子平台传送来的数据进行整合、分类，最后纳入数据库，并进行编号[5-6]。

基于电力计量装置性能[7-8]，本文整合上述4个模块，对自动监测终端平台结构进行设置，将多功能电力计量平台分为5个部分，分别为测量单元、数据处理单元、显示器、时钟电路和通信接口。

1)测量单元。把电流转换成信息流，即数字量，再经过二次运算得到测量功率。

2)数据处理单元。在大数据库中通过后台系统获取信息，分析和查找复杂的信息。

3)显示单元。在自动监控终端平台上使用 LED进行显示。

4)钟表电路单元。一般监控平台无法实现对终端平台自主切换电路进行监控，故设置钟表电路，不仅解决了上述问题，还具有日程表和计时功能。

5)通信接口。在导出并整合数据之前，通讯接口起着非常重要的作用[9]。该通信接口不仅具有较常用的监控终端接口，而且还配有 USB接口，便于与各种设备连接；不仅能对监控终端平台进行编程和设置，而且可以导出数据，及时进行数据计量和整合。

1.2 DSP模块设计

DSP主程序采用周期中断与循环结构相结合，在 DSP启动后，程序进行 DSP系统初始化，完成 DSP控制模块的初始化工作，即执行时钟信号、锁相环 PLL、监控模块等寄存器的配置工作，使 DSP芯片的外部配置进入稳定工作状态。程序初始化完成后，执行捕获中断配置、 SCI串口初始化、 CPU定时器0中断配置等任务。在程序主循环结构中，需要实现的主要任务是实时判断是否需要接收新指令。CPU在获取DSP模块获得的新指令后，将处理结果与设定的阈值进行对比，若判断结果为正确，根据指令进行识别和响应，若判断结果为错误，则程序进入数据处理子程序。数据处理完毕后，判断是否需要传输数据，如果需要则执行 SCI串行通信子程序来实现数据传输，如果不需要传输数据或者数据已经全部传输完毕，则程序返回子程序进入下一个循环，在新的循环开始时，判定是否收到新的指令。具体的主程序流程如图3所示。

图1 DSP程序运行流程

DSP内置模块及其功能如下：1) SCI串口，负责与自动控制系统接口的通讯，完成数据的调配和管理，包括运载设备电闸内部时钟和控制信号，同时负责连通SCI串口数据。2)锁相环 PLL，采用定时器内核控制方式，可对 DSP的当前工作状态进行标注，清除时钟缓存冗余的数据，根据DSP内置模块状态对当前电源终端进行控制。3)收发模块， DSP内建立多个可存储信息的缓存空间，与收发设备相结合，存储或发送信息，当信息未存满时，还可以作为普通的存储空间。4)过滤式读写器，通过对当前接收的滤波器中的数据身份进行分析和识别，决定是否进行数据接收。

1.3 监测终端平台计量方式设计

1.3.1直接接入计量方式

当用电规模较小时，根据检测到的信号大小，决定在三相四线电路中是用三相四线有功电能表还是用单线三相有功电能表进行电力计量。

1)三相四线有功电能表。

这一结构仅适用于电流较小、中线直接接地的三相四线且受外部条件限制较小的情况，即使是三相电压、电流不对称，也能精确测量。如图2所示，三相四线直接接入方式能够连接3只单相电能表，当其中一只电能表出现故障时就会影响整个终端平台的运行。若使用一只三相四线电能表，当电能表出现故障时，电能表的转速会变慢，所计入的电量会减少，但不容易发现问题所在，不能判断出是由于负荷的变化还是因故障而导致的计量事故[10-13]。

图2 三相四线直接接入方式

2)单线三相有功电能表。

如果监测终端平台的信号峰值幅度较小，那么监测电路应使用单线三相有功电能表直接接入方式，其接入图如图3所示，但单线三相有功电能表不适合在用电规模较大的情况下使用。

图3 单相表接入方式

1.3.2间接接入计量方式

当用电规模较大时，在间接接入计量方式中主要采用以下两种方式。1)负荷较大(负荷电流大于80 A)时可采用经CT(电流互感器)间接接入计量方式，电路图如图4所示；2)采用电压经 PT(电压互感器)接入和电流经 CT接入的组合方式，设计经CT和PT间接接入计量方式，电路图如图5所示。

图4 经CT间接接入计量方式

图5 经CT、PT间接接入计量方式

自动监测终端平台的计量装置连接必须一一对应，不能出现错位[14]，因此采用三相四线电路的接入计量方式，即通过接入负荷电流的规模确定计量方式，如图6所示。

图6 电力计量装置电压计量方式

如图6所示，在确定了DSP内置模块后，用户程序在系统内运行，将该用户程序设置为异常状态自动监测模式，当电力计量装置电压出现异常，且DSP内置模块正常运行时，电力计量装置接收自动监测模式的指令，自动进入待机模式。

本文设计的电力计量装置电压计量方式，可使其所有电路保持在稳定状态，消除了传统电路因计量时间过长而造成的信号中断、信息失真现象。

2 电力计量装置电压异常状态监测终端

为了使电力计量装置电压异常状态监测系统的子平台独立读取检测信息。首先对信息进行汇总，即在电能计量装置中，应用子带量化预测方式收集计量装置检测到的电量、电流值等信息；其次计算出功率、电量等所需数值，自动筛选并导出需要的各种信息，如正反向有功、无功、需求量、负荷曲线、电流、电压、功率等。在这个过程中，最重要的步骤是对分块转换的DCT(离散余弦变换)系数实施量化处理[15]。设各个数据块量化位数为M，子带量化预测的详细过程为求解子频带第j列数据的传输数据总量Ej：

(1)