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1、华中科技大学硕士学位论文无人值班变电站监控系统的研制姓名：林辉申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：沈轶20061106华中科技大学硕士学位论文摘要论文讨论了煤矿井下采区变电站综合自动化的概念，在井下采区变电站实行综合自动化的优势，同时探讨了综合自动化与无人值班的关系，然后分析了无人值班在电力系统的发展历程，指出无人值班在煤矿井下采区变电站还没有起步。基于这种状况，根据某煤矿集团供电系统的发展现状，结合某煤矿井下采区变电站的设备配置情况，研制开发了一套适合井下采区变电站高、低压配电设备的综合自动化装置。该系统的研制，可以基本解决人在现场的操作参与，对于提高井下供电系统的可靠性和运行经济指标
2、，促进采区供电系统的管理现代化，有着一定的意义。本系统采用分布式结构设计，主要由三部分组成：第一部分，面向现场设备的间隔层测控、保护一体化智能测控单元，该装置采用统一模块，放置于高压开关防爆腔内。测控单元之间采用R S-4 8 5 总线连接；第二部分，井下监控智能通讯接口及网络，通过网络信息通道收集各前置智能测控单元的上传信息，并下达控制、调整命令。它负责整个测控单元的工作状态，上传到监控主机。井下监控智能通讯接口放置于采区变电站内；第三部分，监控主机，任务是对整个井下采区变电站信息进行存储和处理，并通过先进友好的人机界面实现所有变电站的监控。本文从硬件和软件两方面对无人值班电站进行了研究。硬
3、件方面给出了详细的硬件设计。软件上，智能测控单元的编程使用单片机汇编语言，智能通讯接口的编程使用C 语言。关键词：变电站无人值班监控系统华中科技大学硕士学位论文A b s t r a c tn 圮t h e s i sg i v e st h eg e n e r a li d e ao fi n t e g r a t e da u t o m a t i o ni nm i n i n ga r e as u b s t a t i o na n dt h es u p e r i o r i t yo fi t A tt h es a m et i m e，i tp r o v i d
4、e st h er e l a t i o no fi n t e g r a t e da u t o m a t i o na n dn o n-a t t e n d a n t A l s ot h ep r o c e s so f n o n-a t t e n d a n ti ne l e c t r i cp o w e rs y s t e mW a Sa n a l y z e d s t u d i e sa b o u tn o n-a t t e n d a n ti nm i n i n ga r e aw e r el i m i t e d t h e r e
5、 f o r e,a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts u b s t a t i o no f ag r o u pa n dt h ep r e s e n te l e c t r i c a li n s t a l l a t i o n s，t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ni n s t a l l a t i o n sw h i c hs u i tt om i n i n ga r e aa r ed e v e l o p e d n 忙d e v e l o p m e n t
6、o ft h es y s t e ms e t t l e sm a n So p e r a t i n go nt h es p o ta n di th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n de c o n o m i ct a r g e to f m i n i n gp o w e rs y s t e m I ti sh e l p f u lt oi m p r o v et h em a n a g e m e n tm o d e
7、r n i z a t i o no f t h ep o w e rs u p p l ys y s t e mi nm i n i n ga r e at o o 1 h es y s t e mh a sad i s t r i b u t e ds t r u c t u r e I ti sm a d eu po ft h r e ep a r t s：mf i r s ti st h eI n t e l l i g e n ta n dS u p e r v i s o r yU n i tw h i c hi sf a c e dt ot h ei n s t a l l a
8、t i o n so nt h es p o t n 圮s u p e r v i s o r yu n i tw h i c hh a st h eu n i t em o d u l e si sp u ti n t ot h ee x p l o s i o n-p r o o f c a v i t yo f t h es w i t c h g e a r A l lt h eu n i t sa r el i n k e dw i t I lR S-4 8 5 1 1 舱s e c o n di st h eC o m m u n i c a t i o nP o r ta n d
9、N e t w o r k 1 1 l ec o m m u n i c a t i o np o r tc o l l e c t si n f o r m a t i o nf r o ma l lt h es u p e r v i s o r yu n i ta n dp a S s e so nc o n t r o la n da d j u s t a b l ei n f o r m a t i o n I tc h a r g e st h es t a t e so fa l lt h es u p e r v i s o r yu n i t sa n dp a S so
10、 nt h e i rs t a t e st ot h em o n i t o r i n gc o m p u t e r n ec o m m u n i c a t i o np o r ti sp u ti n t om i n i n ga r e as u b s t a t i o n n 圮t h i r di sM o n i t o r i n gC o m p u t e r I ts t o r e st h ei n f o r m a t i o nl 如ma l lt h es u p e r v i s o r yu n i t sa n dm o n i
11、t o r sa l lt h em i n i n ga r e as u b s t a t i o n t h er e s e a r c hf o c u so nt h es u p e r v i s o r ys y s t e mo ft h ef i r s tp a r ta n dt h es e c o n dp a r t I nt h i st h e s i sr e s e a r c hW a Sc o n d u c t e df r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea S p e c t s I nt
12、 h ea s p e c to f h a r d w a r e，d e t a i l e dd e s i g no f h a r d w a r eW a Sg i v e n I nt h ea S p e c to f s o f t w a r e，t h ep r o g r a m so ns u p e r v i s o r yu n i ta n dc o m m u n i c a t i o nt or e a l i z ea l lt h ef u n c t i o n sa r ec o m p l e t e d K e y w o r d s：T r
13、 a n s f o r m e rs u b s t a t i o n；N o n-a t t e n d a n t；M o n i t o r i n gs y s t e mI I独创性声明Y 11 0 1 7 0 7本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名：聿味方季日期：o 年ff 月6 曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校
14、有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密囱。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：李辛匆墨日期：Q(年1 月6 日指导教师签名：1 剑叛日期：Q 6 年f 月b 日，华中科技大学硕士学位论文1 1 概述1 绪论1 1 1 传统的井下采区变电站存在的问题众所周知，煤矿井下采区变电所服务对象为采煤、掘进、运输、排水等重要环节，供电负荷种类繁多
15、，区域分布广。传统的井下采区变电站存在着如下缺点：(1)安全性、可靠性不能满足要求。传统的井下采区变电站大多数采用常规的设备，尤其是二次设备中的继电保护和自动装置、远动装置等(有不少变电站没有自动装置和远动装置)采用电磁型或晶体管式I s ，结构复杂，可靠性不高，本身又没有故障自诊断的能力。(2)不适应煤矿电力系统快速计算和实时控制的要求。煤矿电力系统要做到优质、安全、经济运行，必须及时掌握系统的运行工况，才能采取一系列的自动控制和调节手段。但传统的并下变电站不能满足向调度中心及时提供运行参数的要求；一次系统的运行工况，由于运动功能不全，一些遥测、遥信无法实时送到调度中心；而且参数采集不齐，不
16、准确，井下变电站本身又缺乏自动控制和遥控手段【6】，因此没法进行实时控制，不利于煤矿电力系统的安全稳定运行。(3)维护工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理水平和自动化水平。常规的保护装置和自动装置多为电磁型或晶体管型，其工作点易受环境温度影响【刀。因此，其整定值必须定期停电校验，每年校验保护定值的工作量是相当大的，也无法实现远方修改保护或自动装置的定值。l华中科技大学硕士学位论文1 1 2 无人值班的发展过程所谓无人值班变电站 8-1 0 ，是指没有经常性运行值班人员的变电站，该站的运行状态(包括必需的各种量值、潮流方向、开关电器的位置、变压器调压分接头位置、补偿电容器投切组数等)经本站
17、的微机远动装置R T U 处理后，再经远动通道转送至上一级电业主管部门的计算机系统，并在监视器C R T 和系统模拟屏上显示出来【1 1】，亦可打印制表，供调度值班人员随时监视查询，然后作出相应的处理。在电力调度综合自动化系统中，可由计算机直接进行计算判断，并自动处理。反之，调度人员可通过远动监控系统对无人值班变电站内的可控设备进行遥控操作，在电力调度综合自动化系统中，则可由计算机直接发出控制指令2 1。早在四、五十年代，无人值班已经在我国一些大城市实行，例如上海、北京、天津等城市，只是对一些不重要的3 5 K V 变电站，实行无人值班。平时把变电站的门锁起来，一旦出现故障，保护跳闸停电，则用
18、户回用电话或其它方式要求供电局去检修，恢复供电。这种无人值班变电站的一、二次设备与有人值班变电站完全一样，没有任何信息送往调度室。其一、二次设备的运行工况如何，只能由检修人员到现场后，才能知道，因此这类无人值班变电站只适合重要性不高的变电站。到了6 0 年代，由于远动技术的发展，在变电站开始应用遥测、遥信技术，从而进入了远方监视的无人值班阶段【”】。这时，在调度中心，调度人员可以了解到下面无人值班站的运行工况，比起无四遥功能(遥信、遥测、遥控、遥调)的无人值班站来说，已前进了一大步0 4 1。但是，这个阶段的遥测、遥信功能还是很有限的，例如遥信只传送事故总信号和一些开关位置信号。值班员通过事故
19、总信号知道变电站发生故障，可及早派人到变电站或线路寻找故障进行检修，这对及早恢复供电无疑是很有好处的。相对无四遥功能的变电站来说，是一大进步。但是，如果要对开关进行操作，还必须到现场才行。8 0 年代中后期以后，随着微处理器和通讯技术的发展【”洲，利用微型机构成的华中科技大学硕士学位论文远动装置【简称R T U(R e m o t eT e r m i n a lU n i t)】的功能和性能有很大提高，具有遥测、遥信和遥控功能，有的还有遥调功能口”9 1，这使无人值班技术又上了一个新台阶。经过几十年的努力，电网装备技术和运行管理水平及人员素质有了很大提高，一次设备可靠性提高，遥控技术逐步走向
20、成熟 3 0-3 3 1。特别是-八五，期间，全国电网调度自动化振兴纲要的实施，电网调度自动化实用化的开展取得了很好的经验，为全国特别是中心城市开展无人值班工作奠定了扎实的基础。因此，1 9 9 5 年国家电力调度通信中心要求现有3 5 K V 和1 1 0 K V 变电站，在条件具备时逐步实现无人值班，新建变电站可根据调度和管理需要以及规划要求，按无人值班设计。从以上可以看出，无人值班变电站在电力系统发展很快，但是，对于煤矿，尤其是井下采区变电所，无人值班变电站尤其是具有综合自动化的无人值班变电站还没有起步。1 2 课题提出的目的与意义随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，自动控制系统
21、已在我国煤炭行业得到广泛应用 3 4-3 町。煤矿供电网络自动化控制系统，目前主要应用于煤矿井上变电所的微机保护、微机管理监测方面，特别是无人值班监测监控系统也得到了广泛应用。而煤矿井下由于供电网络结构复杂，且受环境、地质条件等因素的制约，影响供电系统运行的不确定因素也较多，因此，对井下供电系统实施监控也十分迫切。近年来，煤矿供电管理部门在改进井下配电装备、应用新技术成果的同时，不断强化人员素质的管理，煤矿井下供电系统的可靠性得到了提高。但由于人为因素造成的供电事故也时有发生，影响了煤矿的安全生产。煤矿井下采区变电所服务对象为采煤、掘进、运输、排水等重要环节，供电负荷种类繁多，区域分布广。负荷
22、工作场所地质条件复杂，而且存在着瓦斯、煤尘、水等有害介质，事故发生率高，故障排查、停送电周期长，影响了采区的安全生产。华中科技大学硕士学位论文供电部门每天用于值班和线路维护的工作人员较多，降低了劳动生产率。针对以上问题，本课题提出利用计算机监测和自动控制技术开发一套适用于煤矿井下采区变电所高、低压配电设备的井下采区变电所综合自动化装置，实现井下采区变电所的保护、测控一体化。该课题的研究，可实现井下采区变电所的无人值守，解除了人在现场的操作参与，对于提高井下供电系统的可靠性和运行经济指标，促进采区供电系统的管理现代化，有着重要的意义。(1)提高了运行的可靠性。由于运行人员素质和管理水平的差异，由
23、调度端直接进行分析判断并进行操作控制，可以统观全局，使遥控的误动率降至一定的允许程度，减少了由于人员误操作和事故处理不当所造成的经济损失。(2)减少了运行值班人员，提高了劳动生产率。无人值班变电站不仅减少了运行值班人员的各项开支，而且提高了调度人员的素质，为实现煤矿综合自动化奠定了良好的基础。(3)促进了煤炭工业的科技进步，提高了整体管理水平。常规远动和综合自动化系统是依托高新技术才形成的，无人值班变电站是顺应科技发展的需要而产生的，也是提高煤矿井下采区管理水平的有效步骤。所以，研究和开发了这套适合煤矿井下采区变电站的监测监控装置，实现井下采区变电站的无人值班，具有较大的实用价值和重要意义。1
24、 3 系统总体设计1 3 1 系统功能概述根据项目的需要和井下的工作环境，该系统应具有如下的功能：(1)监测监控的功能1)四遥功能采集并向远方发送状态量。(简称“遥信”)采集并向远方发送数字量、模拟量。(简称“遥测”)精确测量线路电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、零序电压、零序电华中科技大学硕士学位论文流、电网频率等模拟量。接收并执行远方调度控制命令。(简称“遥控”)接收远方控制命令，控制开关合闸、跳闸。整定电压变比、电流变比、额定电流、额定电压、短路参数、过载参数、过流延时参数、过电压参数、绝缘阻值上下限参数。(简称“遥调”)2)其它功能开关内温度测量功能。液晶显示和键盘整定的功能。
25、定值及工作信息的存储功能。(2)微机保护的功能该系统可实现高、低压线路的短路保护、过载保护、断相保护、欠压及过压保护等综合保护的功能。(3)通讯功能。采取一定通讯方式，实现井下现场、采区变电站和井上监控主机的数据共享。1 3 2 系统总体设计方案根据以上功能的要求，该系统采用分布式结构设计。系统主要由以下三部分组成：第一部分：面向现场设备的间隔层测控、保护“一体化”智能装置(又称智能测控单元)。该装置采用统一模块，放置于高、低压开关防爆腔内，形成就地微机保护和S C A D A(数据采集和监控)为一体的前置智能测控单元。测控单元之间采用R S-4 8 5总线连接。第二部分：井下监控智能通讯接口
26、(又称工控机)。智能通讯接口通过网络信息通道收集各前置智能测控单元上传信息，并下达控制、调整命令。它负责把所有的与它相连的测控单元工作状态上传到监控主机。井下监控智能通讯接口装置与智能测控单元之间采用R S-4 8 5 通讯方式。第三部分：监控主机。监控主机的任务是对整个井下变电所的信息进行存储和处理，并通过先进友好的人机界面实现所有变电所的监控及管理。监控主机与智能通讯接口之间采用高可靠性的C A N 现场总线通讯方式。华中科技大学硕士学位论文由于时间的限制，本人只负责第一部分和第二部分的软硬件设计。1 3 3 系统组成结构框图此系统结构框图如图1 1 所示：图卜1 系统结构框图1 4 论文
27、的主要内容及章节安排论文的第一部分阐明了本文研究的目的和意义及国内外研究概况，介绍了系统的总体设计及本文的主要内容与章节安排。论文的第二部分是系统的硬件电路设计。包括测控单元总体设计、监控部分硬件电路设计、微机保护部分硬件电路设计、通讯部分的电路设计、智能通讯接口的硬件设计等。论文的第三部分是系统的软件设计。主要讨论了智能测控单元的软件设计与智能通讯接口的软件设计。论文第四部分是总结与展望。介绍了本文的主要工作及有待进一步讨论的问题。6华中科技大学硕士学位论文2 系统硬件电路设计2 1 测控单元总体设计智能测控单元既要实现S C A D A(数据采集与监控)系统的功能，又要实现微机保护的功能。
28、那么，此无人值守变电站中S C A D A 系统与微机保护系统的结构是如何设计的，这是变电站自动化系统中一个很重要的问题。目前，变电站综合自动化系统的结构，从系统配置和原理上，可分为三种类型：(1)数据完全共享型数据完全共享型是指微机保护所需的输入信息和S C A D A 所需的信息完全共享，即取自同一个电流互感器和同一个电压互感器的信号，这种方法的优点是：可以共用同一个C P U 和共用相同的模拟量输入通道，即同一个功能单元既完成保护的功能，也完成测量的功能，因此体积小，造价低。但是，这种方法中S C A D A 系统测量的准确度得不到保证。这是因为目前我国的变电站大多数安装两种类型的电流互
29、感器，即保护T A 和测量T A，保护T A 主要是要求通过短路电流时不饱和，即要求它通过大电流时，线性度要好，则其在小电流时，准确度保证不了；而对于测量T A，要求在正常负荷时，线形度要好，以保证计量的准确度，至于短路电流流过时，它们可能早已饱和了，因此，如果将保护和测量的模拟量完全统一，只能将电流量的采样选择接在保护T A 上，这样必然影响测量的准确度。(2)数据独立处理型数据独立处型具有上述数据完全共享型共有的特点。主要的区别是保护与测量华中科技大学硕士学位论文的数据采集分别由不同的模拟量输入通道负担，各自取自保护T A 和测量T A 的信号，这样可以克服共用T A 的矛盾。目前，这种数
30、据独立处理型的综合保护单元也有两种类型：一种是保护和测量共用一个C P U，只是对电流量的采集取自不同的T A 和不同的模拟量输入通道。另一种是保护和测量不仅模拟量输入通道分开，C P U也分开，只是两者共同装在一个机箱内，这种方法的硬件配置较高，体积较大，成本较高。(3)保护和测量完全独立型这种类型的硬件配置是保护单元和测量单元完全分开，构成两个完全独立的装置。这种结构虽然可靠性较高，但体积和投资都非常大。由于本测控单元放在隔离开关防爆箱内，受防爆箱内空间的限制，本系统选用数据处理型结构的第一种结构，即保护和测量共用一个C P U，但电流量的采集取自不同的T A 和不同的模拟通道。这种方法既
31、减小硬件体积，节省了空间，又保证了测量的精度。但对于重要的漏电保护，仍采用相对独立的设计。2 1 2 测控单元总体设计框图由于本文所讨论的测控装置是针对煤矿井下真空馈电开关而设计的，必须放置于真空馈电开关内，因此它的硬件的总体设计，在满足该装置基本功能的前提下，必须考虑到井下实际条件的限制，因而在硬件整体结构的设计上与应用于地面变电所内的微机保护装置有不同之处。由于真空开关内的空间有限，因而该装置的各功能模块就不能全部做成单独的插件板，而必须是在充分考虑到各个模块之间的相互干扰、各模块功能的相互关系以及整体功能的可靠性和可扩充性的基础上，将几个功能模块集中在同一个插件板上，以尽可能减小体积。遵
32、循着这一原则，本综合保护装置将所有功能模块分别集中于两块板上：华中科技大学硕士学位论文模拟输入变换与控制出口继电器板该该插件板的功能主要有两个：一是负责将由被保护线路一次P T、C T 输入的幅值为1 0 0 V 和5 A 的交流电压、电流信号转换为微机保护所要求的数量级；二是通过该插件板上的分合闸继电器来执行C P U 发出的分合闸命令。c P u 主插件板该插件板以高性能的8 0 C 1 9 6 K B 为核心，集中了C P U 主系统、模拟量采集、开关量输入输出，通讯、人机接口、温度测量、频率和功率因数测量以及漏电保护等功能模块，负责本系统几乎所有的保护和监控功能。本系统以I N T E
33、 L 公司高性能的8 0 C 1 9 6 K B 单片机为核心，集保护、监控功能于一体，并配有灵活、友好的人机对话接口和R S-4 8 5 远方通讯接口，可以方便的实现保护定值的就地和远方整定、监测数据的就地和远方实时观测。该综合保护、监控装置具有以下主要功能：遥测：包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、开关内温度。遥信：主要是开关断路器的状态。遥控：主要是断路器的开合控制。遥调：主要是指保护定值等的整定。数字量采集：包括频率和开关内温度。保护功能：包括井下高、低压电网的短路保护、过载保护、选择性漏电保护以及断相、欠压和过压保护。该系统框图如图2-I 所示：9华中科技大学硕士学位
34、论文鞫一圉一卧到口fI 鬟I I 嚣L 纠n1 4l 霾I l 囊l 一堡qc Tll 议II 侠l一臣匾至圃一=壹墅困一 巫亘困一臣亚亘卫：图2-1 测控单元总体框图2 1 3 测控单元C P U 的选择主C P U 选用美国I n t e l 公司生产的M C S 9 6 系列单片机8 0 C 1 9 6 K B。此系列单片机特别适用于各类自控系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电极控制系统等。还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器等要求实时处理、实时控制的系统中。M C S 9 6 系列单片机属于C H M O S 工艺的第二代产品，数据，地址线均为1 6 位。
35、C H M O S 芯片耗电少，除正常工作外还可处于2 种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少芯片的功耗。8 0 C 1 9 6 系列微处理器具各的外围设备除了8 X 8 6 已包括的一些设备(如时钟发生器、A D 转换器、高速输入输出、P W M 等)外，还集成了先进的外设事务服务器P T S 和事件处理器阵列。P T S 是一种微代码硬件处理器，可以代替C P U 高速实现诸如启动A D 转换并读取结果、读取H S I 的F I F O、装载H S O、串行口的发送和接受等中断服务，从而大大减少系统响应中断的开销。0华中科技大学硕士学位论文鉴于8 0 C 1 9 6 系列单片机的上述优
36、点，系统选用它来处理数据采集、键盘和液晶显示、通讯等重要功能，以提高系统的实时性。由于8 0 C 1 9 6 K B 工作任务繁重，而漏电保护处理工作复杂，因此，漏电保护设有独立C P U。此C P U 选用A T 8 9 C 2 0 5 1 小型单片机，它负责处理零序电压、零序电流的测量，并判断漏电信息，若有漏电故障，一方面就地动作，另一方面通过串口往8 0 C 1 9 6 K B 发送信息，由8 0 C 1 9 6 单片机往地面中心机发送报警信息。所以，本系统采用双C P U 结构，大大提高了系统的实时性和可靠性。2 2 监控部分硬件电路设计2 2 1 模拟量遥测信息采集电路的设计(1)采
37、样方法的确定目前，国外S C A D A(监控和数据采集)系统和国内变电站微机监控系统普遍采用经过变送器的直流采样算法。直流采样即采集经过变送器整流后的直流量。此方法软件设计简单，计算简便，对采样值只须作一次比例交换，即可得到被测量的数据，因而采样周期短。由于以上特点，在微机应用的初期，此方法得到了广泛的应用，但是直流采样存在以下问题：1)直流采样输入回路，因要滤去整流后的波纹，往往采用R-C 滤波回路，其时间常数较大(一般几十毫秒几百毫秒)，因此采样结果实时性较差，无法反映被测模拟量的波形。更不能及时反映被测量的突变，2)测量谐波有误差。3)测量精确度受直流变送器的精确度和稳定性的影响。4)
38、设备复杂，增加系统的造价。由以上分析可知，主要问题是由使用变送器造成的，因此，采用从微机监测系华中科技大学硕士学位论文统中去掉变送器，直接采用交流采样器，即用交流采样取代经变送器后的直流采样。这样，即减少了硬件投资，又提高了系统可靠性。(2)遥测采集电路的数学模型1)电压、电流有效值计算的数学模型由交流采样值求得电压、电流等电量的算法t g 较多，可以采用快速算法【3 9】，也可以采用精度高的算法。快速算法精度差，常被继电保护系统所采用【4 0】。高精度的算法一般较复杂或占时间长，多用于离线测试装置。由于变电站监控系统的主要功能是巡回检测，按常规使用0 1 级交流采样器的精度要求，选用高精度的
39、算法。电压、电流的有效值计算方法可由有效值定义推出。由连续周期函数有效值的定义，可得交流电压和交流电流的有效值U 和I 的数学表达式：U _ 棵r 卿渺(2 1)I-据胁)西(2-2)将连续函数离散化，可得电压、电流的数学表达式：U 一后粪砰协，(2-4)上式中的U 和I 需经过系数变换，才能得到交流采样器一次侧的电压和电流。设A D 转换系数为K a b，电压互感器和电流互感器的变比分别为k。和l【l I i，则U；墨丝k u l k a b(2 5)华中科技大学硕士学位论文，：且蔚l 七曲(2 6)式中：每个周期均匀采样点数撕第i 点电压采样值i l 第i 点电流采样值2)有功功率和无功功
40、率计算的数学模型对于三相电路来说，如果完全对称，可测得单相有功功率，然后乘以3 就是三相有功功率。如果三相不对称，分别求得各相的有功功率，然后求和，也可以得出三相有功功率 4”，这就是常说的“三表法”，但这样就必须对三个电压瞬时值和三个电流瞬时值进行采样，分别计算各项功率，因而软硬件的开销都比较大。所以，根据三相三相制的特点，本系统采用“两表法”来测量三相有功功率。用“两表法”测三相有功和无功功率的计算方法有两种：按有效值和相位差计算P 和QP=以以c o s+以止C 矿(2-7)Q=配 跏n#+U a d c s i n#。(2-8)其中【如【k 厶五为如何，如，屯彬，站彬的有效值一为与J
41、n 的相位差矿为U c,与，。的相位差从上式可以看出，按有效值和相位差计算有功功率和无功功率，不仅要计算所有的有效值和相位差，而且还要调用正弦和余弦函数。所以，软件计算量很大。硬件上测取相位时，也要增加相应的硬件电路，因此，这种算法的应用具有一定的局限性。所以，我采取下列一种算法。按定义直接计算有功功率P 和无功功率Q华中科技大学硕士学位论文根据有功功率的定义，经离散化得P 的表达式：卢万1 善N(+(2 9)因无功功率Q 及与有功功率P 仅在电压，电流的相位差上相差要，故Q 的表达式为妒万1 荟N 阻棚c；+争+“出c；+和c 2 枷，其中N 为一个周期等间隔采样次数，为一个周期内电压、电流
42、的第i 次同时刻采样值从上面式子可以看出，只要将同一时刻采样的电压、电流相乘后再相加，就可计算出有功功率P；将相差四分之一周期的电压和电流采样值相乘后再相加，就可计算出无功功率Q。这种算法不需要求出电压和电流的相位差，也不需要调用三角函数，在软件和硬件上都容易实现。与电压和电流有效值的计算相同，为了得到实际的有功功率P 和无功功率Q，还必须考虑各环节的变换系数即见2 丽k n u。k n i，(2-1 1)(后曲)2Q c 2 揣Q(2 1 2)轧颤。()2式中各系数的定义同前面。(3)交流采样硬件电路的实现1)互感器的选择由于本系统采用交流采样，交流电压和电流从电网的T v 和T A 直接输
43、入，所以需选取合适的互感器将它们变成相应的峰峰值为5 V 的电压信号，以供采样用。W B华中科技大学硕士学位论文系列电量传感器是根据自动控制和数据采集的需要，研制开发的新一代高性能电量检测产品，本设计就采用此系列中无源交流电流电压隔离传感器。精度为O 1 级。它的主要特点是：采用新型电磁隔离，无须辅助电源；高精度、无漂移、高可靠、低价位；频率响应：2 5 巧 z，特别适合于工频交流采样；线形测量范围：0-1 2 0 标称输入值；过载能力：3 0 倍标称输入，持续5 秒；额定环境温度：1 0-+7 0；由于选用的电压与电流互感器的输出信号都为电流信号，需把电流信号转换成相应的电压信号，才能输入A
44、 D 转换器。2)A D 转换器的选择A D 转换器是模拟信号源与数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便C P U 进行处理【4 2 郴】。在数据采集系统中，A D转换器是不可缺少的重要组成部分。A D 转换器集成芯片很多，在选用A D 芯片时，应根据使用场合的要求，按照转换速度、精度、价格、功能等决定选用哪种类型。本系统中，我采用美国M a x i mI n t e r g a n t e dP r o d u c t s 公司生产的M A X l 9 7 芯片。它是一种高集成度的芯片，把多路开关、采样保持器和A D 转换器这三大环节集成在一个芯片中，芯片
45、的本身就是一个数据采集系统D A S(D a t a-A c q u i s i t i o ns y s t e m)。这样就省去了传统的多路开关和采样保持器环节，从而节省了硬件开销和电路板的空间。M A X l 9 7 是一个多量程的1 2 位D A S，只需要一个+5 v 的单一电源供电，片内包括8 路的模拟输入通道和一个5 M H Z 宽频带的采样跟踪保持器与1 2 位的A D 转换器。M A X l 9 7 的主要技术特性如下：华中科技大学硕士学位论文分辨率1 2 位，精度I 2 L S B单一+5 V 电源8 路模拟量输入通道可编程选择以下各种输入电压范围：双极性为士1 0 V、士
46、5 V；单极性为肛1 0 v及肛5 V转换时间为6 M S，采样速度为1 0 0 k b p s可选择内部或外部采样控制可选择内部或外部时钟可选择内部4 0 9 6 V 或外部参考电压全部逻辑输入和输出都与1 1 I C M O S 兼容3)监控部分交流采样电路框图如图2 2 所示。UiI A X l 9 78 0 C 1 9 6I 耵P 1 22 2 2 遥信输入电路的设计图2 2 监控部分交流采样框图在变电站监控系统中，检测断路器、隔离开关的工作状态，是其基本功能之一。本系统中，由于测控单元放置于开关防爆腔内，每个测控单元只须负责它所在开关、断路器的状态即可。断路器的位置信号通过其辅助触点
47、引出，辅助触点是在真空配电装置的操动机构中与断路器的传动轴连动的，所以，辅助触点位置与断路器位置一一对应。这华中科技大学硕士学位论文样，只须将辅助触点的信息采集进来就完成了遥信信息的采集。由于真空配电装置放置于煤矿井下，环境比较恶劣，电磁干扰比较严重。若没有采取适当措施，则开关动作时，可能会干扰程序的正常执行，产生所谓“飞车”的软故障，甚至损坏接口电路芯片或损坏C P U。因此，为了防止电磁干扰对C P U 的影响，采用图2 3 遥信信息采集电路。蓬信融点遥信输出图2-3 遥信信息采集电路图中，遥信触点串接在输入电路中，T 型R C 网络构成低通滤波器，用来滤掉遥信回路的高频干扰。电阻还有限流
48、的作用，使进入发光二极管的电流限制在毫安级。两个二极管起保护光耦的作用。光电耦合器可以实现现场开关量与C P U 总线之间的完全隔离，因为在光电耦合器里，信息传送介质为光，但输入和输出都是电信号，由于信息的传送和转换的过程都是在不透光的密封环境下进行的，它既不会受电磁干扰信号的干扰，也不会受外界光的影响，因此光电耦合器可实现C P U 与现场的光电隔离，去掉它们之间公共地的电气联系。加上光电耦合器输入和输出之间分布电容极少，一般为O 5 l P F，而绝缘电阻又非常大，通常在1 0 1 1 l O 之间，所以隔离效果比较好，现场侧的电磁干扰很难通过它传到C P U 总线上。此电路的工作原理如下
49、：设隔离开关处于合闸状态，其辅助触点闭合，+2 4 V经过R C 网络后输入到光耦，光耦中发光二极管发光，光敏三极管导通，遥信输出端得低电平o”；若隔离开关处于分闸状态，其辅助触点断开，发光二极管无电不发光，光敏三极管截止，遥信输出端输出高电平“l”，从而完成了遥信信息的采集。1 7华中科技大学硕士学位论文2 2 3 遥控输出电路的设计遥控就是井上监控主机发出命令去控制井下的高压真空配电装置，使真空断路器既能进行合闸也能进行分闸操作。由于遥控直接干预电网的运行，所以遥控电路必需有很高的可靠性。本系统遥控输出电路原理图如图2 _ 4。图中光电耦合的作用与遥信电路中是相同的，都是起到C P U 与
50、现场的电气隔离作用，防止电磁干扰的作用。工作原理如下：正常状态下，H S O 0 I-I S O 1 与H S O 2 输出都为O，与门输出为0，光电耦合不导通，继电器线圈不带电，当监控主机发合闸命令时，H S O 0 与H S O 2同时输出高电平，光电耦合导通，合闸继电器的线圈带电，继电器常开节点闭合，高压真空配电装置的电动机旋转，机构进行合闸运动。同理，当发出分闸命令时，H S O 1 与H S O 2 同时输出高电平，光电耦合导通，分闸继电器的线圈带电，常开节点闭合，机构进行分闸运动。H s o 0 H S O IH S 0 2+2 4 V电器厂世+5 V 的G 肋G I O图2 4