大型電網能耗自動監測模塊的設計與實現

張建偉 韓路 楊昊 趙永輝

摘 要： 電網能耗監控對節能減排意義重大，當前的電網缺少相應的模塊。提出一種基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調制的大型電網能耗自動監測模塊設計方法。設計大型電網能耗監測數據采集系統，負責大型電網能耗信息信號的采集、處理和與上位機系統的通信和數據傳輸；設計窄帶匹配變壓器和功率放大器，通過窄帶匹配變壓和功率放大混合調制實現對電網功耗的數據濾波和信號檢測；基于DSP信號處理芯片，在CCS 2.20開發平臺下進行大型電網能耗監測的平臺集成編譯、接口連接、調試及仿真。實驗結果表明，該系統能有效實現對大型電網能耗的主動監測和參量估計，在微控制器單元上實施數字控制，通過比較能耗監測圖對應的幅頻值，該方法具有較好的能耗監測階躍響應性能，頻譜失真較少，能耗監測的收斂性和穩定性較好。

關鍵詞： 大型電網； 能耗； 自動監測； 系統設計

中圖分類號： TN98?34； TM762 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0150?03

Design and implementation of energy consumption automatic monitoring module

for large?scale power grid

ZHANG Jianwei1， HAN Lu2， YANG Hao1， ZHAO Yonghui1

（1. Electric Power Research Institute， Yunnan Power Grid， Kunming 650217， China；

2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： The energy consumption monitoring of power grid has great significance for energy conservation and emission reduction， but the current power grid lacks of the corresponding modules to deal with it. A design method of the large?scale power grid energy consumption automatic monitoring module based on hybrid modulation of narrow?band matching voltage transformation and power amplification is proposed. The energy consumption monitoring and data acquisition system for the large?scale power grid was designed， which is responsible for the acquisition and processing of the energy consumption information signal of large?scale power grid， and for communication and data transmission with upper computer system. The narrow?band matching voltage transformer and power amplifier were designed. The hybrid modulation of narrow?band matching voltage transformation and power amplification is used to realize data filtering and signal detection of the power grid consumption. The integration compiling， interface connection， debugging and simulation for the energy consumption monitoring platform of the large?scale power grid are conducted with DSP chip in CCS 2.20 development platform. The experimental results show that the system can effectively realize the active monitoring and parameter estimation of the energy consumption for large?scale power grid， and execute the digital control on the microcontroller unit. The comparison of the corresponding amplitude?frequency values in the energy consumption monitoring graph shows this method has good step response performance of the energy consumption monitoring， less frequency spectrum distortion， and excellent convergence and stability of energy consumption monitoring.

Keywords： large?scale power grid； energy consumption； automatic monitoring； system design

電網是保障國家和人民生產生活的重要基礎設施，需要保障大型電網的穩定可靠和安全運行。大型電網設備由變電、配電、用電各個單元組成，通過電力發電和電能傳輸，構成了大型電網輸電配電系統的整體功能。大型電網的能耗監測是保障電能優化調度和使用的重要環節。通過對大型電網的能耗監測，把發電廠的發電量和電網中樞節點的負荷聯系起來，實現對電能的優化利用與調度，因此，研究大型電網能耗自動監測模塊的設計具有重要意義[1]。

隨著半導體工藝和自動控制技術的不斷發展，采用集成芯片和嵌入式設計方法設計大型電網能耗自動監測系統成為發展趨勢?；诩蓴底中畔⑻幚硇酒南到y設計具有損耗小、效益高、靈活方便和控制便利的優點[2]，在大型電網的監測系統設計中具有廣泛的應用。在傳統的大型電網能耗自動監測模塊和系統設計中，采用周期性信號檢測方法，結合FPGA邏輯控制敏感器件，通過對大型電網能耗數據的集控制、通信和智能計算[3]，實現對大型電網能耗信息的快速感知和監測。其中文獻[4]采用基于粒子濾波的大型電網能耗過程控制方法實現對能耗監測，設計大型電網的能耗過程控制硬件系統，提取影響控制精度的熱噪聲干擾信號模型，提高大型電網的能耗監測精度，但是該方法在能耗過程控制中需要對寫信號進行功率損耗測量，導致能耗數據讀取出現誤差，性能不好。文獻[5]采用本機振蕩調幅發射電路設計方法，結合Mux101多路開關選擇實現對大型電網能耗控制和預測，該系統必須給每個電網能耗穩壓芯片加散熱塊來散熱，導致供電電壓互相干擾，出現熱噪聲，對大型電網能耗的自動監測性能不好[6?9]。

1 系統設計總體構架和技術指標

大型電網能耗監測的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 大型電網能耗監測的總體設計框圖

大型電網能耗監測系統可以進行功能數據采集，能耗監測、信號分析和頻譜分析等工作。它是一個寬帶系統，包括大型電網能耗信息收發轉換電路、能耗數據的模擬信號預處理機、數據采集系統、功率放大器等部分。

2 系統模塊設計與實現

2.1 大型電網耗能自動監測的硬件模塊設計

因采用并口進行數據傳輸，在對系統進行監測時，應對8位二進制數據進行操作。電網能耗監測電路主要是對寫信號進行功率損耗測量處理，其構成主要有加法電路、計數電路、555多頻振蕩器和緩存電路等。基于上述設計思路得到電網能耗監測的數據采集系統電路結構框圖如圖2所示。電網能耗監測靜態功耗和動態功耗存在差異性，具有進行D/A轉換處理功能。當前方法是給每個電網能耗穩壓芯片加散熱塊散熱，導致供電電壓互相干擾，能耗監測的窄帶匹配變壓和功率放大混合調制流程見圖3。

圖2 電網能耗監測的數據采集系統電路結構框圖

圖3 能耗監測的窄帶匹配變壓和功率放大混合調制流程

窄帶匹配變壓和功率放大混合調制電路主要是對讀信號進行寬帶阻抗匹配處理，以便微處理器能夠識別讀到的信號，其主要由減法電路、計數電路、555多頻振蕩器電路和緩存電路等組成。在設計硬件時，使用低功耗技術，主要體現在元器件和芯片的選型和選擇上，采用STM32F101xx芯片設計功耗監測的功率放大電路。在設計時，將STM32F101xx給予相應的晶振和調諧電路，且對端口進行分配，由于功率放大器系統的動態功耗與[ITC]，[CT]和[fp]相關，將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為并口輸入/輸出端，得到電網能耗監測的功率放大模塊設計電路如圖4所示。

圖4 電網能耗監測的功率放大模塊設計電路

圖4中，電網能耗監測的阻抗能等效成并聯回路，此時負載僅為G，電網輸出能耗[PL=V20?G]。負載功率[PL]的線性變化能使有用功率輸出達到最大，高頻端呈感性。在上述設計的數據信號采集系統、窄帶匹配變壓器和功率放大器的基礎上，實現大型電網能耗信息信號的采集、處理和與上位機系統的通信和數據傳輸。設計PCI接口，通過窄帶匹配變壓和功率放大混合調制實現對電網功耗的數據濾波和信號檢測，假設EPM7128

AETI100的供電電壓是3.3 V，在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀寫信號，用DDS（直接數字合成）技術芯片AD9850作為CPU數字處理中心，實現整個電網能耗自動監測模塊的硬件設計。

2.2 系統軟件設計

基于DSP信號處理芯片，在CCS 2.20開發平臺下進行大型電網能耗監測的平臺集成編譯、接口連接和軟件設計。電網能耗自動監測的軟件模塊主要包括DSP中斷、電網能耗數字濾波、電網能耗信號檢測和自動增益控制、A/D、D/A轉換等，系統的DSP信號處理程序使用ASM語言編寫，在PC機上模擬DSP的指令集進行系統通信，基于上述硬件設計，得到大型電網能耗自動監測的編輯、編譯和鏈接過程如圖5所示。

圖5 大型電網能耗自動監測的編輯、編譯和鏈接過程

2.3 程序源碼的實現

部分程序實現如下：

module MultihopMySoftC {

uses {

interface SplitControl as RadioControl；

//用來啟動文本編輯器

interface StdControl as RoutingControl；

//是用來啟動匯編器

interface Send；

interface Receive as Snoop； //是用來啟動連接器

interface Receive； //是用來啟動程序調試器

interface CollectionPacket；

interface RootControl； //是用來啟動監控程序

…… } }

3 仿真實驗

為了測試本文設計的大型電網能耗自動監測模塊的性能，進行仿真實驗和系統綜合調試與測試。通過程序加載和硬件系統調試，把電網能耗采集數據在IDT70V28中分成高、低2個32 kW空間，當低32 kW時A15為“0”，當高32 kW時A15為“1” ，系統供電采用3～3.6 V 單電源工作，采用兩個120 Ω終端匹配電阻作為主處理器的中斷電阻，選用MAX3491，數據存儲選用CF卡，電網能耗監測系統的輸出壓電電壓[E=vl×B]。電網能耗優化后效率為96%，輸出轉矩為10 N·m，電網能耗監測控制模塊的宿主機安裝了Windows 7系統，模擬100個能耗監測的請求任務，過程控制信號分為56幀，Slice寄存器的總數量為204，能耗控制的幀長[L=512]點，在上述仿真環境設計的基礎上，采用本文設計系統進行電網能耗監測，得到監測器控制面板上輸出的電網能耗調度和監測輸出如圖6所示。

圖6 電網能耗監測輸出界面

由圖6可知，采用本文設計系統能有效實現對大型電網能耗的主動監測和參量估計，在微控制器單元上實施數字控制，通過比較能耗監測圖對應的幅頻值，通過本文方法，基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調制，補償 [195：255]點和[1 745：1 805]點之間畸變的頻譜，提高能耗監測的準確性。分析系統階躍響應，得到結果見圖7。采用本文方法具有較好的能耗監測階躍響應性能，頻譜失真較少，能耗監測的收斂性和穩定性較好。

圖7 能耗監測階躍響應性能分析

4 結 語

提出一種基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調制的大型電網能耗自動監測模塊設計方法。實現電網能耗信息信號的采集、處理和與上位機系統的通信和數據傳輸，在此基礎上設計窄帶匹配變壓器和功率放大器，通過窄帶匹配變壓和功率放大混合調制實現對電網功耗的數據濾波和信號檢測。基于DSP信號處理芯片，在CCS 2.20開發平臺下進行大型電網能耗監測的平臺集成編譯、接口連接、調試及仿真。通過系統設計和仿真實驗表明，采用該方法進行大型電網能耗自動監測，具有較好的性能，展示了較好的應用價值。

參考文獻

[1] 鄧異，梁燕，周勇.水聲換能器基陣信號采集系統優化設計[J].物聯網技術，2015，5（4）：36?37.

[2] 葛立志.基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真[J].艦船電子工程，2015，35（3）：137?141.

[3] 石鑫，周勇，甘新年，等.機載多源飛行數據資料的非線性檢驗[J].計算機與數字工程，2013，41（5）：729?732.

[4] 高志春，陳冠瑋，胡光波，等.傾斜因子K均值優化數據聚類及故障診斷研究[J].計算機與數字工程，2014，42（1）：14?18.

[5] 韓慧鵬，梁紅，胡旭娟.自適應IIR陷波器在信號檢測中的應用[J].彈箭與制導學報，2008，28（2）：315?317.

[6] 李春龍，劉瑩.一種高斯色噪聲混響背景的寬帶信號檢測算法[J].科學技術與工程，2011，11（3）：480?483.

[7] 張成軍.多通道控制加權智能調整航行器控制系統設計[J].科技通報，2014，30（4）：104?106.

[8] 齊昕，周曉敏，馬祥華，等.感應電機預測控制改進算法[J].電機與控制學報，2013，17（3）：62?69.

[9] 曹玉麗，史儀凱，袁小慶，等.自平衡機器人變論域模糊PID控制研究[J].計算機仿真，2013，30（2）：347?350.

[10] 溫陽東，宋陽，王穎鑫，等.基于模糊神經網絡的電力變壓器故障診斷[J].計算機測量與控制，2013，21（1）：39?41.