電力電纜電力傳送實驗平臺測試系統設計

胥玉萍，肖繼學，李海軍，廖　旋，曾　強，王　澤，龔建全

（1.西華大學機械工程學院，四川 成都 610039；2.成都航天通信設備有限責任公司，四川 成都 610051；3.四川省工業設備安裝公司，四川　成都 610031）

電力電纜電力傳送實驗平臺測試系統設計

胥玉萍1，肖繼學1，李海軍2，廖旋3，曾強1，王澤1，龔建全1

（1.西華大學機械工程學院，四川 成都 610039；2.成都航天通信設備有限責任公司，四川 成都 610051；3.四川省工業設備安裝公司，四川成都 610031）

為研究高效安全傳送綠色電力的方法，設計電力傳送實驗平臺測試系統。該系統以S3C2440A微處理器為核心構建嵌入式測試電路，該電路通過MIK-DZU-400V電壓變送器、HD-T101-300A電流變送器、MIK-ST500溫度變送器等集成模塊實現電力電壓、電流及電纜溫度的感知與調理?；贚inux操作系統，在Qtopia2.2.0集成開發環境中設計嵌入式測試軟件，該測試軟件主要包括電力電壓、電流及電纜溫度信號的采集與保存模塊，電力電纜熱特征參數分析模塊、通信模塊、電力電纜壽命疲勞分析模塊接口、電纜動態增容傳輸分析功能接口、電力傳送控制模塊接口。在上位機PC中利用Visual C++6.0 MFC模塊開發上位機分析處理軟件。實驗表明：測試系統能夠感知電纜溫度、電力電壓和電流，能夠基于電纜熱路模型分析電力電纜熱特征參數，能夠通過接口開放地添加電力電纜壽命、疲勞分析、電力傳送動態控制等新方法。

綠色電力；電力傳送；測試系統；開放平臺；熱特征參數

0　引言

隨著經濟的發展，人們對電能的需求不斷增加。據統計2009～2014年，全球電力消費從20131.7TWh增加到23536.5TWh，增長了17%［1］，但60%以上的電能是通過燃燒化石燃料得到的，這加劇了能源危機和環境污染。為此，人們開始了綠色能源的開發利用研究。目前，通常采用靜態、動態增容等電力傳送方法來提高綠色能源的利用率。這些方法一般遵循靜態標準［2-4］，即電纜持續不斷地安全傳送的電力，其電流不大于某極限電流［5］。而綠色能源的強隨機性和陣發性特點決定了利用靜態標準傳送綠色能源所產生的電能會有大量的浪費，在綠色能源非常豐富的時節，該問題尤為突出［6］。因此，人們采用動態控制方式來傳送綠色電力。該動態控制方式的基本原則為電纜線芯溫度不超過其極限溫度，以確保電纜安全地傳送電力［7］。

現有的電力傳送實驗平臺測試系統一般基于PC機，提供電纜溫度、電力電流與電壓等信息。本文設計的測試系統不僅有這些功能，還能分析電纜熱模型及其特征參數，開放式添加電纜壽命、疲勞分析以及電力傳送動態控制等方法，為綠色電力的動態控制方式研究提供良好的實驗基礎。

1　系統結構

電力電纜電力傳送實驗平臺測試系統的結構簡圖如圖1所示。其中，采集模塊用于實現電纜溫度、電力電流和電壓的感知與調理；嵌入式系統能夠根據采集信號分析電力電纜的熱特征參數，同時為電纜疲勞壽命分析、電力傳送動態控制留下軟硬件接口；上位機PC用于數據的分析和處理，同時能夠通過其Matlab接口模塊調用Matlab的分析模塊與圖形顯示模塊加快新方法的研究進度、改善實驗平臺的人機界面。即該測試系統具有數據采集，熱特征參數分析，壽命分析、疲勞分析、電力傳送動態控制軟硬件接口等功能。

2　電路設計

綜合考慮項目組近遠期研究目標、系統功能的可擴展性，本文測試系統的電路采用核心板和擴展板的積木式設計方法。核心板設計為S3C2440A處理器最小系統，包含電源電路、時鐘源、復位電路、存儲電路、用戶LED電路、JTAG電路等。擴展板包含采集模塊、按鍵模塊、顯示模塊、串口模塊、USB接口模塊、電力傳送控制接口模塊等，可以為功能的擴充提供硬件資源。

圖1　電力傳送實驗平臺測試系統結構

采集模塊選用3個MIK-DZU-400V電壓變送器、3個HD-T101-300A電流變送器、24個MIK-ST500溫度變送器采集數據，利用模擬開關CD4051分時共用S3C2440A內部的ADC，為便于軟件控制，將所有溫度通道選擇至AIN0，電壓和電流通道選擇至AIN2，利用運算放大器LM324等實現了電纜溫度、電力電流及電壓信號的調理。

按鍵模塊設計6個測試用可編程按鍵，直接由CPU 的I/O口控制，按鍵按下時為低電平；顯示模塊采用3.5寸TFT式顯示屏TD35；串口模塊選用S3C2440A 的UART0，通過MAX232芯片進行電平轉換，實現PC機與系統之間的串口通訊；USB接口模塊設計USB Host和USB Slave兩種接口，USB Host接常見的USB外設，USB Slave用于下載相關的應用程序；電力傳送控制接口模塊選用DAC0832芯片進行數模轉換，預留出控制接口。綜上，擴展板所用S3C2440A處理器的主要引腳資源如表1所示。

表1　電路模塊的引腳分配

電路模塊　所用引腳采集模塊　EINT［7：0］、EINT9、EINT［18：16］、GPJ［5：0］、AIN0、AIN2顯示模塊　VD［23：0］、GPC［4：1］、TSXM、TSXP、TSYM、TSYP按鍵模塊　EINT8、EINT11、EINT［15：13］、EINT19串口模塊　TXD0、RXD0、nCTS0、nRTS0 USB接口模塊　DN0、DN1、DP0、DP1、GPC5控制接口　GPA［8：0］

3　軟件設計

為有效管理和控制系統的軟硬件資源，減少開發功能模塊的開銷，本文選用Linux操作系統作為嵌入式平臺系統軟件［8］。該操作系統所需存儲空間小，且源代碼開放，方便開發者二次開發。同時為便于嵌入式應用程序的開發，宿主機采用Windows 7系統、VMware虛擬機和ReadHat 9.0系統3者組合方式搭建Linux系統開發環境，采用Qt Designer 2.0圖形用戶界面開發工具設計嵌入式應用程序，采用armlinux-gcc-4.3.2工具進行交叉編譯。與之對應的目標板選擇Linux2.6.32內核和qtopia2.2.0，搭建其開發環境。

3.1嵌入式應用程序設計

嵌入式應用程序設計主要包括數據采集、熱特征參數分析、串口通信、功能分析和控制接口等。

對電纜各層溫度、電力電流及電壓進行實時采集，其程序流程如圖2所示。啟動采集系統用于打開定時器和設定采樣頻率；AD通道的選擇則通過控制多路開關的使能端實現；通道選擇后，程序立即讀取AD寄存器數據并將轉換后的數據以文檔形式保存。

圖2　數據采集程序流程

電纜熱特征參數分析有多種方法［9-10］，本文基于電纜熱模型利用最小二乘法和遞推回歸法計算熱特征參數，設計程序模塊實現以上兩種分析方法，其程序流程如圖3所示。

圖3　熱特征參數分析程序流程

嵌入式Linux將串口設備作為通用字符設備，給串口通訊提供了大量的函數接口，對串口的操作就是使用標準的文件操作函數。利用串行端口實現通信的程序流程如圖4所示。考慮平臺今后的應用需求，串口通訊信息格式如表2所示。

圖4　串口通訊程序流程

表2　數據通信協議格式

其中，通信頭取值為0×68，結束碼取值為0×16，數據長度為數據域中的字節數，校驗碼計算方式為將校驗碼之前的數據二進制累加。功能號可分為數據請求控制字、數據上傳控制字和輔助功能控制字3類。功能號分配如表3所示。

表3　 通信協議功能號分配

3.2上位機PC設計

利用Visual C++6.0 MFC模塊開發上位機分析處理軟件，上位機PC設計主要包括熱特征參數分析、串口通信、功能分析和控制接口、Matlab接口等。其中熱特征參數分析、串口通信、功能分析和控制接口的程序設計流程與嵌入式應用程序的設計流程類似，不再重述。Matlab接口設計采用引擎加載方式調用Matlab工具［11］。

圖5　數據采集結果

4　實驗驗證

對測試系統的功能進行綜合驗證，主要包括數據采集測試、熱特征參數提取功能驗證、輸出通訊傳輸測試。

4.1數據采集測試

利用一個電壓傳感器、一個電流傳感器和兩路溫度傳感器對測試系統數據采集通道的可行性進行驗證。實驗中將電壓傳感器和電流傳感器接到室內家用電器電纜上，溫度傳感器一路擱置在室溫下，另一路放置于溫水中。運行嵌入式應用程序，進行數據采集，打開保存的數據文本，其結果如圖5所示。由于其他傳感器通道處于懸空狀態，因此采集結果為0。按以上步驟測試其他通道，檢查數據存儲是否符合要求，結果表明所有數據采集通道均能正常傳輸。

4.2電纜熱特征參數分析實驗

根據電纜的熱路模型和熱流場富氏定律建立電纜熱特征參數的方程，編寫熱特征參數分析算法［10-11］。利用項目組之前通過Pico溫度采集系統得到的數據，分別在嵌入式應用程序和上位機PC上執行熱特征參數分析實驗。采用LMS法分析電纜熱特征參數［11］，嵌入式應用程序的實驗結果如圖6所示。

上位機PC的實驗結果如圖7所示，其中電纜溫度曲線的橫坐標為時間，單位s；縱坐標為電纜線芯溫度，單位℃。

圖6　嵌入式應用程序熱特征參數分析結果

圖7　 上位機PC熱特征參數分析結果

圖8　數據通信串口設置

為進一步分析所計算的熱特征參數的準確度，在上位機PC上點擊“調用Matlab分析”按鈕，調用項目組編寫的反演程序，通過Matlab圖表反映通過該熱特征參數計算的電纜各層溫度與實際溫度的誤差，同時利用Matlab計算出電纜線芯、內襯層、外襯層溫度平均誤差分別為0.15，0.12，0.03℃，即通過該實驗平臺能正確分析電力電纜熱特征參數。

4.3輸出通信傳輸測試

嵌入式應用程序可將采集的數據保存在設定的文件目錄中或發送給上位機PC，同時上位機PC也可以主動接收嵌入式系統保存的數據。嵌入式應用程序對串口設置如圖8所示。

5　結束語

本文根據電力系統對高效安全傳輸電力的需要，設計了電力傳送實驗平臺測試系統，利用該系統獲知電纜溫度、電力電流與電壓，分析電纜熱特征參數，開放式添加電纜壽命、疲勞分析以及電力傳送動態控制等方法。通過實驗驗證了該平臺的可行性、穩定性和擴展性，從而為新能源電力的經濟、高效、安全傳送研究提供良好的實驗基礎。

［1］英國石油公司 （British Petroleum，BP），Statistical Review of World Energy 2015［EB/OL］.http：//www.bp.com/en/ global/corporate/energy-economics/statistical-review-ofworld-energy.html.

［2］Calculation of the current rating of electric cables，part 1：current rating equations（100%load factor）and calculation of losses，section 1：general：IEC 60287-1-1：1994［S］.1994.

［3］ Calculation of the current rating of electric cables part 1：current rating equations（100%load factor）and calculation of losses，section 2：sheath eddy current loss factor for two circuits in flat formation：IEC 60287-1-2：1993［S］.1993.

［4］Calculation of the current rating of electric cables，part 2：thermal resistance，section 1：calculation of thermal resistance：IEC 60287-2-1：1994［S］.1994.

［5］梁永春.高壓電力電纜載流量數值計算［M］.北京：國防工業出版社，2012.

［6］張雪莉，劉其輝，馬會萌，等.光伏電站輸出功率影響因素分析［J］.電網與清潔能源，2012，28（5）：75-81.

［7］馬國棟.電線電纜載流量［M］.北京：中國水利水電出版社，2003：41-175.

［8］何劍鋒，羅敏，何月順，等.一種基于ARM-Linux的Web遠程放射源實時視頻監控系統［J］.中國測試，2014，40（5）：100-103.

［9］肖繼學，龔建全，董圣友，等.電纜熱路模型特征參數計算方法綜述［J］.西華大學學報（自然科學版），2015（5）：39-42.

［10］董圣友.電力電纜熱模型特征參數基于LMS的實驗分析方法研究［D］.成都：西華大學，2015.

［11］李海軍，肖繼學，程志，等.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺接口設計［J］.中國測試，2014，40（5）：111-114.

（編輯：劉楊）

Design of testing system for electricity transmission experimental platform

XU Yuping1，XIAO Jixue1，LI Haijun2，LIAO Xuan3，ZENG Qiang1，WANG Ze1，GONG Jianquan1
（1.School of Mechanical Engineering，Xihua University，Chengdu 610039 China；2.Chengdu Aerospace Communication Device Company Limited，Chengdu 610051 China；3.Sichuan Provincial Industrial Equipment Installation Co.，Chengdu 610031，China）

In order to explore methods to transmit the green electricity efficiently and securely，a testing system on the experimental platform for electricity transmission through cable was designed. ThemicroprocessorS3C2440Awasusedtodesignthemeasurementcircuit，inwhichthe integrated module MIK-DZU-400V，HD-T101-300A and MIK-ST500 were adopted to sense the voltage and current of the electric power which is being transmitted，and the temperature of cable，through which the power is being carried，respectively，and the signals are conditioned. BasedontheoperationsystemLinux，theembeddedtestingsoftwarewasdesignedinthe integrated developmentenvironmentQtopia2.20.It runsinthemicroprocessor S3C2440Aand mainly includes signal acquisition and storage module which can sample and save the signals of the voltage，current and temperature，and communication module，cable thermal characteristic parameters analysis module，and the interfaces of cable fatigue and life span analysis module，Dynamic Capability Increasing analysis module and electric power transmission control module.In PC，host analysis software was designed in the integrated development environment Visual C++6.0. Experiment shows the testing system can sample and save the signals of electric power voltage，current and cable temperature，and analyze cable characteristic parameters of cable thermal model. With the interfaces，new methods can be embedded to analyze cable fatigue and life span and dynamically control electric power transmission.

greenelectricity；electricitytransmission；testingsystem；openplatform；thermal characteristic parameters

A

1674-5124（2016）08-0088-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.018

2016-03-10；

2016-04-09

教育部科技重點資助項目（Z2012015）

四川省教育廳科技重點資助項目（13ZA0025）

四川省人力資源和社會保障廳重點項目（川財教［2013］203號）

胥玉萍（1990-），女，四川南充市人，碩士研究生，專業方向為單片機與嵌入式系統應用。