新型自適應(yīng)無線組網(wǎng)錄波裝置設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，各種關(guān)于電能質(zhì)量檢測分析的儀器設(shè)備有了廣闊的發(fā)展空間。闡述了一種新型自適應(yīng)無線組網(wǎng)錄波裝置的架構(gòu)、功能特點(diǎn)。該裝置可測量、記 錄和分析電力系統(tǒng)的多種交 流量及直流量，以及穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)無限組網(wǎng)。與已有裝置相比，具備較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】無線；錄波；電能質(zhì)量；數(shù)據(jù)采集

電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求正在逐步擴(kuò)大和深化，提高電能質(zhì)量已經(jīng)成為保證供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求。至今，我國頒布了涉及電能質(zhì)量六個(gè)方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，這對電能質(zhì)量檢測設(shè)備提出了更高的要求。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，各種關(guān)于電能質(zhì)量檢測分析的儀器設(shè)備也有了廣闊的發(fā)展空間。在眾多檢測分析儀器中，便攜式儀器是當(dāng)今主流產(chǎn)品。基于上述情況研發(fā)了新型的自適應(yīng)無線組網(wǎng)錄波裝置。

該裝置采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用具有高頻響應(yīng)、高精度的傳感器，基于GPS同步脈沖鎖相的同步采樣技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測電網(wǎng)的電壓偏差、頻率偏差、間諧波、電壓電流不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、基波及各次諧波（50次）有功、無功功率，功率因數(shù)、各次諧波含有率與總畸變率等；可任意設(shè)置故障錄波觸發(fā)規(guī)則，根據(jù)設(shè)置的上限與下限，越限后自動(dòng)觸發(fā)錄波。裝置為可便攜式設(shè)計(jì)，可以方便的帶入工作現(xiàn)場進(jìn)行使用。裝置與裝置之間采用Wi-Fi（WirelessFidelity）方式通訊，裝置與裝置自適應(yīng)互聯(lián)，無需人工干預(yù)方便多設(shè)備協(xié)作采集。采集裝置控制采用筆記本、Android、iPhone和iPad等移動(dòng)設(shè)備，方便用戶查閱故障錄波數(shù)據(jù)、查看當(dāng)前裝置的實(shí)時(shí)采集信息和給定裝置參數(shù)等操作。

1 裝置架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 多設(shè)備協(xié)作運(yùn)行

設(shè)備與設(shè)備之間采用Wi-Fi通訊，可自由靈活組合方便在不同的監(jiān)測點(diǎn)放置采集終端協(xié)作采集，人工無需進(jìn)行干涉便可自動(dòng)組網(wǎng)。通過筆記本、手機(jī)等帶有Wi-Fi通訊功能的移動(dòng)終端監(jiān)測采集點(diǎn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、開關(guān)量狀態(tài)，并通過終端設(shè)置故障錄波規(guī)則。

1.2 全嵌入式硬件結(jié)構(gòu)平臺(tái)

ETX（Embeded Technology Extened）嵌入式模塊化CPU，大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD，分層分布式多CPU并行技術(shù)，功能合理分散、結(jié)構(gòu)緊湊，易于擴(kuò)展，充分保證裝置強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐及處理能力，實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性、免風(fēng)扇、低功耗的整機(jī)一體化工業(yè)級設(shè)計(jì)，可長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。裝置的硬件架構(gòu)如下。

1.3 先進(jìn)可靠的軟件平臺(tái)

采集裝置采用Linux操作系統(tǒng)，采用組件化的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大大提高軟件系統(tǒng)的可靠型、保證整個(gè)裝置具有優(yōu)異的整體性能。

1.4 高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用16位高精度A/D轉(zhuǎn)化，模擬通道高速同步采樣控制技術(shù)，基于最小二乘最優(yōu)原理的模擬通道矢量矯正技術(shù)（包括幅值、相角誤差校正）、CPLD自動(dòng)頻率跟蹤技術(shù)等保證裝置在很寬的頻率范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集、處理的精度。

2 裝置功能設(shè)計(jì)

2.1 電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測

全面監(jiān)測電能質(zhì)量參數(shù)，包括電壓偏差、頻率偏差、諧波（50次）、間諧波、電壓電流不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、基波及各次諧波有功功率、無功功率、功率因數(shù)等；諧波電壓、電流的幅值及其相角；各次諧波電壓的含有率及其電壓總畸變率；各次諧波有功、無功功率、功率因數(shù)等。

2.2 組網(wǎng)采集功能

通過Wi-Fi自適應(yīng)組網(wǎng)的方式，將多臺(tái)采集裝置連接在一起并行采集。通過主控終端協(xié)調(diào)各個(gè)終端的采集和錄波任務(wù)。每臺(tái)采集裝置配有大容量的存儲(chǔ)器（≥250G）所有存儲(chǔ)記錄至少保存18個(gè)月以上，數(shù)據(jù)可通過USB或無線方式導(dǎo)入到電腦中。在設(shè)備磁盤滿后按照先進(jìn)先出的原則循環(huán)更新。

2.3 錄波功能

1）采用無線同步方式，同時(shí)采集變電站保護(hù)室中相距80米范圍內(nèi)的3個(gè)以上二次屏柜上的電壓和電流信號，并將測量到的數(shù)據(jù)保存于本地?cái)?shù)據(jù)庫；

2）可以對直流、交流、方波、鋸齒波、脈沖波及其他非規(guī)則電壓、電流信號進(jìn)行波形記錄；

3）具有追憶錄波的功能，啟動(dòng)錄波后，裝置不僅可以將錄波觸發(fā)時(shí)刻以后的信號波形記錄下來，而且還可以根據(jù)要求將錄波觸發(fā)時(shí)刻以前任意時(shí)間長度的信號波形也完整地記錄下來；

4）錄波時(shí)用戶可以設(shè)置采樣速率、錄波通道、錄波長度、追憶時(shí)間，還可以設(shè)置每個(gè)信號通道的信號名稱、信號量程和單位等豐富的設(shè)置信息。

2.4 錄波啟動(dòng)方式

1）手動(dòng)啟動(dòng)：利用鍵盤和鼠標(biāo)用戶可以隨時(shí)以手動(dòng)的方式啟動(dòng)錄波；

2）定時(shí)啟動(dòng)：用戶事先設(shè)定好錄波的啟動(dòng)時(shí)刻，到達(dá)指定的時(shí)刻后裝置便自動(dòng)啟動(dòng)錄波；

3）遙控啟動(dòng)：通過遙控接口，用戶可以利用外部的控制器觸點(diǎn)或按鈕來啟動(dòng)錄波；

4）模擬量越限啟動(dòng)：用戶可以設(shè)定好各模擬量通道信號的越限定值，一旦錄波信號超越整定值，裝置便自動(dòng)啟動(dòng)錄波；

5）開關(guān)量變位啟動(dòng)：用戶可以設(shè)定好各開關(guān)量通道信號的上跳或下跳觸發(fā)模式，一旦相應(yīng)通道的開關(guān)量信號發(fā)生對應(yīng)的變位，裝置便自動(dòng)啟動(dòng)錄波。

2.5 實(shí)時(shí)跟蹤

1）數(shù)字表：以數(shù)字表頭的方式同時(shí)顯示32路模擬量信號的實(shí)時(shí)數(shù)值和64路開關(guān)量信號的狀態(tài)值。

2）棒形圖：以棒形圖的形式動(dòng)態(tài)顯示各測試信號的幅值和狀態(tài)見圖2。

3）趨勢曲線：將各通道的信號以曲線的方式顯示出來，便于用戶對信號的變化趨勢進(jìn)行觀察和分析。

4）矢量圖：動(dòng)態(tài)顯示各交流電壓、交流電流信號的矢量關(guān)系圖。

5）關(guān)系曲線：可以將任意兩通道信號構(gòu)成一組，以X-Y特性曲線的方式動(dòng)態(tài)顯示通道間變化關(guān)系。

2.6 故障錄波

當(dāng)設(shè)置好模擬量越限定值和開關(guān)量變位判據(jù)后，將記錄儀運(yùn)行于故障錄波狀態(tài)，一旦啟動(dòng)條件滿足，記錄儀便按設(shè)定的采樣頻率和錄波時(shí)間自動(dòng)錄波并自動(dòng)保存錄波數(shù)據(jù)。然后，系統(tǒng)又自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)故障錄波。

2.7 兼容錄波文件格式

設(shè)備錄波存儲(chǔ)文件兼容COMTRADE格式，IEEE COMTRADE（Standard Common Format for Transient Data Exchange C37.111-1999）是IEEE標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式。該標(biāo)準(zhǔn)為電力系統(tǒng)采集到的暫態(tài)波形和事故數(shù)據(jù)的文件定義了一種格式。該格式意欲提供一種易于說明的數(shù)據(jù)交換通用格式，同時(shí)支持自有的壓縮錄波文件存儲(chǔ)格式。

2.8 GPS對時(shí)

接收外部GPS接點(diǎn)對時(shí)信號，保證了所有監(jiān)測裝置的同步采樣，所有記錄數(shù)據(jù)帶有絕對時(shí)刻時(shí)標(biāo)，使電能質(zhì)量數(shù)據(jù)與錄波數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)緊密關(guān)聯(lián)。

2.9 多種供電方式

采用外部或內(nèi)部供電方式，方便對特定采集點(diǎn)進(jìn)行采集。

3 結(jié)語

基于電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量要求逐步提高的現(xiàn)狀，研發(fā)了新型的自適應(yīng)無線組網(wǎng)錄波裝置。該裝置可測量、記錄和分析電力系統(tǒng)的多種交流量及直流量，如頻率、電壓、諧波、三相不平衡度，以及電壓波動(dòng)與閃變，電壓暫降與短時(shí)中斷、暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓、波形畸變、浪涌電流等穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量問題。可廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、實(shí)驗(yàn)室的調(diào)試、檢修試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)錄波及靜態(tài)數(shù)據(jù)的記錄，可在各種場合替代光線示波器。可作試驗(yàn)有：發(fā)電機(jī)的開路及短路試驗(yàn)、CT伏安特性試驗(yàn)、勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、假同期試驗(yàn)、開關(guān)動(dòng)作時(shí)間試驗(yàn)、高壓試驗(yàn)、繼電保護(hù)試驗(yàn)、繼電器校核試驗(yàn)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)等，是提高工程調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)準(zhǔn)確率及效率的必備裝置，在國內(nèi)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中將發(fā)揮積極的作用。

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[責(zé)任編輯：張濤]