基于交流采樣測控裝置自動化檢測方法應用研究

宋進良，周 潔，李為兵

(1．東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006;

2．中電投東北新能源發展有限公司，遼寧 沈陽 110181)

交流采樣遠動終端作為一種遠動終端設備(RTU)，主要用于實現電力系統中遠方調度中心對現場交流模擬量的監測，它提供的實時測量數據在電網調度及規劃決策工作中具有重要的參考依據。由于計算機監控系統的大量應用，實現了現場與遠方測量數據的共享。交流采樣遠動終端和計算機監控設備 (以下簡稱為交流采樣遠動終端)的出現導致了大量電測量指示儀表及變送器在現場應用的急劇減少。鑒于交流采樣遠動終端的重要性日顯突出，相應的維護校驗工作也在基層電力單位中全面展開。交流采樣測量裝置是廠站自動化系統中的測量部分，因其直觀的數字顯示、準確的測量量值、數字技術的應用已廣泛應用于各發供電企業;它替代了傳統的電測量指示儀表和變送器，在電力系統中的應用越來越廣泛。

1 原理

1.1 測控裝置

圖1 工作原理結構圖

如圖1所示，交流采樣測量裝置將互感器二次電流與電壓分別經交流采樣測量裝置內隔離變換，再次轉換為弱電流及電壓信號［1］。通過采樣保持器的元件采集、保存電流、電壓信號;經模、數(A/D)變換;通過數據線傳送給CPU，計算出電流、電壓、電網頻率及有功、無功功率等電量并存儲在記憶元件中。

交流采樣是將二次測得的電壓、電流經高精度的TV、TA隔離變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進行處理。直接計算U、I，然后計算P、Q、cosφ等，由于這種方法能夠對被測量的瞬時值進行采樣，因此實時性好，效率高，相位失真小，適用于多參數測量［2］。

1.2 交流采樣

圖2 交流采樣原理圖

如圖2所示，交流采樣遠動終端中，被測交流量直接由測量單元轉化成數字量，然后再由中央通信單元進行規約轉換，形成符合遠動通信規約的數字量，經通信線路 (光纖/數字載波/音頻電纜等)傳送到調度中心的主站系統中。

其測量單元直接完成對交流量的采樣和A/D轉換，因此遙測準確度完全取決于其內部采樣模塊及數據處理模塊的速率和精度;而電測量變送器+直流采樣遠動終端的測試方法中遙測準確度則由電測量變送器測量準確度和直流采樣遠動終端中的A/D轉換精度決定。

2 交流采樣算法及實現

2.1 電網參數真有效值積分算法

同步采樣計算法是隨著計算機的發展而出現的測量方法。當采樣N足夠大時，采用下列平均功率算法，同樣可得到較高精度，平均功率計算公式為

式中，u(t)、i(t)為電壓、電流的瞬時值;T為信號周期。

同時對電壓、電流波形進行逐點數據采集u(n)、i(n) (n=1，2，…，N)，并將其轉換成離散數字序列，計算出功率的平均值。

2.2 電網參數的采樣計算

根據以上的分析和推導結果，可求得Ukm、Ikm、αk、βk。可以證明電壓和電流有效值的計算公式分別為

也可證明有功功率、無功功率、功率因數的計算公式分別為

2.3 交流采樣測量裝置硬件實現

一般交流采樣測量裝置由若干個測控單元和1個通信轉換模塊組成，1個交流采樣測量裝置完成一組三相電量采集、計算和發送，其中A/D一般選用12位高速集成AD轉換器，CPU一般選用16位單片機或DSP數字信號處理器［3］。典型硬件實現框圖如圖3所示。

圖3 測控單元結構圖

2.4 采樣頻率對測量誤差的影響

微機測量交流電量首先需對輸入信號進行采樣和模數轉換變成一串離散信號，為了使連續信號的抽樣過程不失掉信息，根據采樣定理可知抽樣頻率fs與信號的最高頻率Fm之間必須滿足下列關系式:

fs≥2Fm是一個臨界條件，實際采用的抽樣頻率必須大于2Fm。

從理論上分析，采樣頻率愈高，測量的準確度愈高，但實際應用中采樣頻率的提高受到諸多因素限制。由于三相發電機產生的電壓與正弦波有些差別，因此就包含一定的諧波分量，變壓器的勵磁電流也是非正弦的，也含有一定大小的3次諧波量，所以三相對稱電路中電壓、電流都可能含有高次諧波，不過電力系統只含有奇次諧波 (1次、3次、5次……)越是高次諧波其分量越小，9次以上諧波分量已非常小，因此對于計算來說考慮到9次諧波后誤差已經很小，根據采樣定理可知，此時采樣點數N≥20，對于基2FFT算法，由于要求N=2m，故選N=32;對于基4FFT算法，由于要求N=22m，故N=64，必須注意一點，采樣點數增多，將會同時增加硬件軟件費用，降低運算速度［4］。

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3 自動檢測方法

自動檢測方法是計算機軟件控制標準源輸入二次標準值，然后由計算機軟件從交流采樣遠動終端的通信單元中采集數據，如圖4所示。該方案由于采用了直接讀取交流采樣遠動終端裝置內部數據的方式，主要優點是實現了針對單個終端的自動測量，校驗過程中響應時間短，提高了校驗效率;測量結果與國家規程關于交流采樣遠動終端的誤差定義相一致等。

圖4 自動檢測原理圖

3.1 遠動規約簡介

遠動規約 (協議)是在遠動系統中，為了正確地傳送信息，必須有一套關于信息傳送順序、信息格式和信息內容等約定。這一套約定稱為規約(協議)，常用的分為兩種。

一種是循環數據傳輸方式Cyclic Digital Transmit(CDT)。

另一種是詢問方式也稱問答方式Polling。

CDT方式，遠動設備將遠動信息按約定的先后順序排列并依次循環向調度中心發送。

Polling方式，其特點是由調度中心主站端主動按順序依次“詢問”各廠站的信息;廠站遠動設備僅在受到主站端“召喚”時，才能夠“回答”即送出自己的信息。

3.2 IEC870－5－103規約

本標準提供了繼電保護設備 (或測控設備)的信息接口規范。本標準適用于將繼電保護和測量控制功能組合在一個設備內，只有一個通信口的設備的信息接口，以及繼電保護和測量控制功能分別由不同設備完成其功能的設備的信息接口。本規約屬于問答式規約。在任何情況下，子站都不準主動向主站發送信息［5］。

3.3 數據庫管理

本系統接口實現方式為動態鏈接庫 (DLL)，DLL文件名稱可以任意，保存于安裝軟件設置的子目錄下，具有多種功能［6］，如圖5所示。

圖5 系統功能結構圖

a． 檢定功能

包括選擇方案、校驗儀表兩個模塊，選擇方案模塊是為各種不同型號和規格的儀表分別設置一個缺省的校驗方案，以便于在儀表校驗時能按預先制定的方案自動執行校驗。

b． 參數設定

參數設定包括對儀表的基本參數、校驗方案、地址、串行口、模塊廠商、本機位置等幾個方面信息的設置、修改和維護。

c． 數據處理

包括數據查詢及數據統計查詢模塊，允許工作人員根據條形碼、表號、校驗日期、表型序號、校驗人員進行相關查詢，以便工作人員隨時查看，得出校驗報表，如圖6所示。

圖6 數據庫結論報表

d． 打印功能

打印模塊的作用是完成對所需各種表的原始記錄和檢定證書的打印，打印內容主要由以下幾部分組成:有功功率、無功功率、交直流電壓、交直流電流、功率因數、相位、頻率及波形失真度分析等。

4 結束語

交流采樣實時性好，效率高，相位失真小，逐步成為電力系統主要的數據采集方式，但在數據采集過程中存在多次諧波干擾，影響數據采集的精度與穩定，本文提出了一種基于遠動規約的自動化檢測方法，經數據分析和處理表明，該方法減小了工頻失真度，提高了數據的采集精度，為數據采集設備提供了合理的測試方案。

［1］ 古天祥著．電子測量原理 ［M］．北京:機械工業出版社，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．電測量及電能計量裝置設計技術規程［S］．

［5］ 黃琦志，黃琦蘭，李 軻．基于GPIB接口的數字多用表自動化檢定系統［J］．計量技術，2005，(7):42－44．

［6］ JJG780—92．交流數字功率表檢定規程［S］．