電弧爐電能質量數據在線監測系統

滕志軍，王中寶，趙 龍，李國強

(1.東北電力大學信息工程學院，吉林省 吉林市132012;2.錦州供電公司，遼寧 錦州121000)

1 引言

電弧爐冶煉電氣系統主要由高壓供電網絡、變電站變壓器、電爐一次側供電網絡、大功率的電爐變壓器、低電壓大電流的短網系統、水冷電纜、電極系統及其升降裝置和爐膛等部分組成［1］。電弧爐是一種特殊的沖擊性非線性負荷，接入電網會導致高次諧波、無功沖擊、三相不平衡度、電壓波動和閃變、涌流、順流和功率因數低等諸多電能質量問題。如果沒有補償設備，交流電弧爐將會對其他負荷帶來嚴重的影響，比如負序電流和電壓波動可能會引起電力系統繼電保護誤動作，無功沖擊大將會使整條供電母線的功率因數低于0.7，三相不平衡會帶來較大的附加損耗［2］。這些不利條件都會嚴重影響鋼廠的正常生產，因此檢測和實時監測電弧爐的電能質量是非常必要的。

ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術，具有低功耗、低速率和低成本的優點，本課題將利用ZigBee技術來實時監測電弧爐的電能質量數據。

2 基本原理概述

2.1 電弧爐電能質量測量

電弧爐電能質量指標包括電力系統諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡度和電壓偏差、頻率偏差等等。

(1)諧波測量。電弧爐的生產過程包括填料期、熔化期和精煉期。在熔化期和精煉期，電弧爐將產生大量諧波，并含有偶次諧波電流，產生影響很大。主要含有 2、3、4、5、7 次特征諧波電流，應根據《GB/T 14549—93電能質量公用電網諧波》標準來測量，取95%概率大值與國標值比較進行分析。

(2)電壓波動和閃變測量。在電弧爐負荷較大的電網中，電壓波動是由電弧爐消耗的有功功率和無功功率快速變化引起的。電壓波動是影響電爐生產的重要電能質量指標，并直接導致電壓閃變發生。目前認為最難治理的電能質量問題就是電壓閃變。電弧爐電流的隨機變化帶來較大的無功沖擊，進一步導致電壓波動。母線電壓均方根(RMS)存在0.5～30Hz的持續波動是閃變產生的起源［3］。目前，檢測電壓波動和閃變時需要采用專門儀器，檢測方法主要有:平方檢測方法、整流檢波方法、有效值檢波方法、小波變換法和神經網絡方法［4-5］。

電壓波動和閃變的測量一般是測量等值10Hz電壓閃變值、短時間閃變嚴重度和長時間閃變嚴重度。根據《GB 12326—2000電能質量電壓波動和閃變》標準進行測量，取95%概率大值與國標值比較判斷超標與否。

(3)三相不平衡度測量。電弧爐的三相短路互感不平衡導致三相阻抗不平衡，造成三相功率不平衡，在電弧爐實際運行中，由于存在電弧、燃燒不穩定斷弧、短路以及料塊移動等現象也會造成負荷嚴重不對稱，三相負荷的不平衡電流中含有較大的基波負序分量，它引起公共供電點的電壓不平衡。

國標《GB/T 15543—1995電能質量三相允許不平衡度》中規定，三相不平衡度只考慮負序所引起的不平衡，所以實現起來比較容易。可采用對稱分量法計算出三相不平衡度的值。根據諧波分析所得到的三相電流、電壓的數值和相位信息計算各負序分量，然后計算出三相不平衡度的值。在上述國標中規定每次測量按3s均方根取值［6］。分析三相不平衡度時同樣取95%大值與國標值進行比較進而判斷測量結果。

2.2 ZigBee技術簡介

ZigBee標準是基于IEEE 802.15.4協議棧而建立的。ZigBee是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。ZigBee的物理層(PHY)采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。三個頻段上傳輸速率分別為 250 Kb/s、40 Kb/s和 20 Kb/s。ZigBee根據輸出功率和信道環境的不同，其實際傳輸距離介于10～75m之間，一般在30m左右。Zig-Bee的介質接入控制子層(MAC)采用載波監聽多路訪問/沖突防止(CSMA/CA)的碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭與沖突。在ZigBee的網絡層(NWK)ZigBee聯盟制定了星形、樹形和網形三種網絡拓撲結構，如圖1所示。

圖1 ZigBee網絡拓撲結構圖Fig.1 Network topology of ZigBee

3 系統硬件設計

3.1 系統整體硬件設計

如圖2所示，整個系統主要由三部分構成:電能質量數據檢測設備、ZigBee接收/發送設備和終端設備。電能質量檢測設備選用Fluke公司生產的Topas2000型電能質量分析儀，數據采集后傳至Zig-Bee模塊，再由ZigBee模塊發送出去，經過無線網絡最后由終端設備接收。由此，本系統可實現三個功能，即電能質量數據實時檢測功能，實時傳輸功能和終端數據監測分析功能。

圖2 系統整體硬件連接圖Fig.2 Overall system hardware connection diagram

在圖2中ZigBee設備與電能質量檢測設備之間通過異步串口線RS232相連進行通信，把采集到的電能質量數據通過ZigBee模塊發送出去。虛框部分為電能質量檢測設備內部原理圖。說明如下:

(1)電能質量數據實時檢測功能:電能質量數據檢測設備負責采集電能質量相關數據，如系統功率因數、有功和無功功率以及電力系統諧波等情況。采用有線的方式把設備接入電弧爐開關柜，根據電力系統生產設備的特點設置采樣時間間隔，可以做到數據的實時采集。

電能質量檢測設備采集電弧爐開關柜側的三相電壓、三相電流，在數據處理單元(DSP或者MCU)經過模數轉換后進行處理。數據處理單元可完成系統的有功功率、無功功率、電力系統諧波、三相不平衡度、電壓波動和閃變以及電壓偏差等的計算。然后，數據可以暫時存儲到檢測設備中，或者直接經通信模塊發送出去。

(2)電能質量數據實時傳輸功能:數據采集完成之后，ZigBee模塊負責數據的接收及向終端設備發送。若測量點與終端設備之間距離較遠，可以增設ZigBee模塊，根據 ZigBee的自組網功能，完全可達到數據的實時傳輸。

(3)終端數據監測分析功能:數據到達終端后，終端安裝的分析軟件，可以把各項電能質量數據以圖形或數字的方式顯示出來，并與電能質量國家標準進行比較，評定電能質量的好壞。

3.2 CC2430數據傳輸芯片

以往CC2420芯片構架，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051)，具有128KB可編程內存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程 I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于25mA或27mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用［7］。

ZigBee作為一種低功耗的模塊，選擇供電電源時比較簡單。一般兩節5號電池可持續給ZigBee模塊供電長達6個月左右。本設計中，采用直流電源供電的方式，而采用兩節5號電池作為備用電源，以防止突然斷電故障。在圖2中，把采集到的三相電壓(交流100V)其中的一相(A相)先經過濾波器濾掉諧波成分，在經過整流穩壓模塊把交流電壓轉換成直流電壓，并降至ZigBee模塊可正常工作的電壓范圍(2.0～3.6V)。這樣選取供電電源具有持續供電和無需更換電池等優點。

4 軟件設計

4.1 系統總體設計

系統的總體框圖如圖3所示。首先將電能質量檢測設備與電弧爐開關柜相連，此時需要檢查接線的正確性。這往往需要判斷待檢測母線段是帶有容性負載，還是感性負載，進而判斷電壓信號與電流信號的相位關系。確認負載特性后，根據電弧爐生產特點設置儀器，電能質量檢測設備開始采集數據，再通過ZigBee模塊將數據傳送至終端。終端數據分析軟件主要由兩部分構成:電能質量圖形生成軟件和報表生成軟件。圖形生成軟件將ZigBee傳送過來的數據利用描點法生成圖形文件，在圖形文件中點擊光標，可查看各時刻的電能質量數據。報表生成軟件將各電能質量數據按照最大值、平均值、最小值和95%概率值等特征值列出，并將95%概率值與國標值進行比較，判斷各電能質量參數是否合格。

4.2 ZigBee發送數據設計

本系統的電能質量數據實時傳輸功能，是通過ZigBee軟件設計來實現的。接通電源后，檢測設備和ZigBee開始初始化。首先ZigBee模塊要檢查與電能質量檢測設備和路由器之間的通信是否正常。若正常則ZigBee模塊開始發送數據。然后，需要檢查ZigBee模塊發出的數據是否正確，若不正確則返回重新發送。數據發送正確后，數據則自動傳至終端設備，由終端設備完成監測或者分析功能。圖4為ZigBee發送數據流程圖。

圖3 系統總體框圖Fig.3 Overall flow chart of system

圖4 ZigBee發送數據流程Fig.4 Flow chat of ZigBee TXD

5 數據檢測試驗

5.1 目的及儀器選擇

為了驗證ZigBee技術應用于監測電弧爐電能質量數據的可行性，作者選取了某鋼廠110kV變電站35kVⅠ段母線(電弧爐所在母線段)進行了電能質量測試工作。并在實驗室環境下用 ZigBee模塊進行了電能質量數據的傳輸。所采用電能質量分析儀為Fluke公司的 Topas2000型電能質量分析儀。Topas2000電能質量分析儀是用于調查嚴重電能質量問題的首選工具，多種測量和觸發運算法，以及強大的10MHz采樣率，可以在具體應用中根據需要設置儀器。它可測量系統2～50次諧波、三相不平衡度以及電壓波動和閃變等情況。

5.2 電能質量數據檢測環境

該鋼鐵公司一總降由上級兩條220kV母線供電(一工一備)，經兩臺主變(主變容量分別為4#主變90MVA，3#主變 150MVA)，降至 35kV為該公司一條35kV母線供電，兩臺主變一工一備。該條35kV母線帶有兩臺電弧爐交替運行。本次測試點為3#主變所帶35kV母線下2#電弧爐(爐變容量為60MVA)。

5.3 實驗數據

表1、表2和表3為該臺電弧爐檢測后的電能質量一些數據。

表1 2～10次諧波電壓畸變率Tab.1 2nd～10thharmonic voltage distortion rate

表2 2～10次諧波電流Tab.2 2nd～10thharmonic voltage current

5.4 實驗結果分析

傳輸結果表明，本系統在監測電能質量時可以及時監測到關于電能質量的各種不良情況，方便作出及時處理。在傳輸試驗中，ZigBee展現了良好的數據穩定傳輸能力，對所測得的電能質量數據可以準確無誤地傳輸。

6 結論

本文對 ZigBee技術作了簡短介紹，并討論了ZigBee應用監測電弧爐電能質量數據的可行性，提出應用ZigBee傳輸電弧爐電能質量數據的設計方案，并針對該系統進行了特定的傳輸試驗。本系統可以滿足監測電弧爐電能質量實時變化的要求，實現了無線化，方便于鋼廠工作人員對電弧爐的電能質量情況及時掌握并做出響應調控，具有很高的應用價值。

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