新型電能通信傳輸檢測設(shè)備

李玉鑫，王德全，吳紹武，王正齊

（1.南京工程學院，江蘇南京 211167；2.淮安市國家電網(wǎng)供電公司變電檢修室，江蘇淮安 223200）

目前，對于繼電保護裝置跳閘檢測，還是主要依靠在測試裝置錢開關(guān)上接入檢測裝置并且無法準確檢測出電網(wǎng)諧波分量，其中電網(wǎng)諧波能夠讓電力線路在傳輸?shù)臅r候電能利用率大大下降，讓用電設(shè)備和電氣保護設(shè)備產(chǎn)生振動噪音還有大量的熱能浪費，并使其壽命急劇縮短，直至發(fā)生設(shè)備的用電故障或損毀[1-3]。

根據(jù)以上情況，提出了一種通過模擬電路的方法測量出口的動作情況，采用新型采樣電路和隔離電路對電網(wǎng)側(cè)電路進行時間測量，最終結(jié)果以O(shè)LED面板顯示出來。測量手段更加快捷方便，但是模擬電路設(shè)計十分復(fù)雜，并且數(shù)據(jù)顯示較為單一[4]，該文在此基礎(chǔ)上進行改進，并將其數(shù)據(jù)可視化。

1 電能質(zhì)量檢測設(shè)計論證

根據(jù)要求設(shè)計系統(tǒng)方案，整體框架如圖1 所示。

圖1 整體框架

此方案由環(huán)境溫濕度傳感器、降壓電路、電網(wǎng)側(cè)運行檢測模塊、SIM900A 通信模塊、OLED128 顯示模塊、交互按鈕模塊等組成。將高壓電網(wǎng)側(cè)運行檢測的電能質(zhì)量傳輸?shù)接脩魝?cè)APP 端。方便及時采集電路數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崟r檢測電能質(zhì)量，當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時能夠主動發(fā)送信號傳輸給繼電保護裝置。

2 電網(wǎng)側(cè)信號采集處理裝置

2.1 電網(wǎng)側(cè)硬件電路設(shè)計

在設(shè)計電網(wǎng)側(cè)信號處理單元時設(shè)計了一套新型方案通過抗干擾鐵硅鋁磁電感環(huán)在不拆卸電路的情況下進行安裝不需要停電安裝，擁有極大的安裝便攜性，減少了安全隱患。其中抗干擾鐵硅鋁磁電感環(huán)采集到的信號傳輸?shù)綀D2 所示的信號采樣電路中，則可直接將高壓交流接入到采樣電路中。

圖2 采集電路

2.2 MCU選擇

該方案選擇了MSP430F5529 這款MCU，它有著低功耗、運算數(shù)據(jù)快等優(yōu)點。還可以直接連接SIM900A 模塊實現(xiàn)信號的實時傳輸[5]。SIM900A 含有TLL 電平串口和RS-232 電平串口，可以提供包括語音、短信和GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┕δ躘6]。可以在較低的功耗和發(fā)熱之下地實現(xiàn)信號的上行和下行。其中SIM900A 內(nèi)嵌了TCP/IP 協(xié)議,并可以使用UART 異步串口與MSP430 主機MCU 通信,這使得GPRS 子模塊和MSP30 主MPU 之間的連接十分簡單可靠便捷[7]。

2.3 數(shù)據(jù)存儲和通信模塊

利用MSP430 的SPI 接口，在通信過程中的傳輸速率可達到18 kb/s，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最大可超過2 MByte[8]。為了對電能檢測參數(shù)有效地存儲，在系統(tǒng)中沒用采用傳統(tǒng)的TF 存儲卡進行存儲，而是采用了上位機云端存儲數(shù)據(jù)，可以將采集并處理好的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆贫讼到y(tǒng)，這樣方便用戶查找定時定點的時刻的樣本數(shù)據(jù)，同時也避免了傳統(tǒng)SD 卡傳輸速度慢，工作過程中容易發(fā)熱導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失，大大提升了用戶側(cè)的可靠性。在運行時，利用0.96 寸OLED 實時傳液晶屏，屏幕的體積小，但是具有較高的屏幕分辨率，能夠?qū)⑿枰@示的數(shù)據(jù)清晰有效實時地展現(xiàn)出來[9]。

2.4 算法分析驗證

FFT 目前在電力系統(tǒng)繼電保護諧波分量計算分析等領(lǐng)域有著較大的優(yōu)勢。但是使用FFT 會隨機出現(xiàn)柵欄效應(yīng)、頻譜混疊和頻率泄露等現(xiàn)象，影響檢測結(jié)果的準確性[10]。針對以上的問題，經(jīng)過一系列算法改進優(yōu)化算法對此提出一種優(yōu)化方案。

首先通過信號發(fā)生器輸出頻率為50 Hz、賦值為12 V 的正弦波，輸出波形如圖3 所示。

圖3 采樣波形

由采樣定理可知，采樣頻率要至少大于輸入信號頻率的兩倍，所以需要將單片機中時鐘模塊進行相對的超頻，然后加快對信號的采樣速度。失真的測量最常見的技術(shù)指標有諧波失真（HD）、總諧波失真（THD）、總諧波失真加噪聲（THD＋N）和互調(diào)失真（IMD）。信號的失真度定義為所有諧波能量之和比上基波能量的結(jié)果平方的根。當信號中的干擾可以做到忽略不計的時候，失真度可由下列公式計算得出：

基波功率P1可由頻譜幅值U1進行簡單計算得到。因此可寫成如下公式：

根據(jù)上述以及設(shè)計方案，輸入信號的采樣頻率為48 kHz，F(xiàn)FT 的采樣點為8 192，所以FFT 的頻率分辨率：信號采樣頻率/FFT 采樣點=48 kHz/8 192=5.859 375，約等于6，也就是FFT 的頻率誤差可能在6個頻率點左右，足夠滿足當前對設(shè)備的要求，從而滿足對電網(wǎng)側(cè)的保護。

將信號發(fā)生電路數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，對其波形通過軟件Matlab 進行驗證分析，可得到在不同頻率下諧波干擾的大小如圖4 所示。

圖4 THD能量圖

其中，為了方便示圖將該方案中設(shè)計采樣功率通過折算顯示為分貝形式，在該方案中選擇的次諧波數(shù)量為50，在實際電網(wǎng)應(yīng)用中只需進行5～10 次的諧波分量進行對比就可以了，再經(jīng)過采樣FFT 算法驗證可得如圖5 所示的頻譜圖。

圖5 頻譜圖分析

對于頻譜圖中的0 點，即FFT 分析中的第1 個點，對應(yīng)的就是時域中直流分量，也就是0 次諧波，即0 乘5.859 375 為0，所以時域中頻率為0 對于頻譜圖中的9 點，即FFT 的第10 個點，對應(yīng)的就是信號中的主頻（基頻），一次諧波，9 乘5.859 375 得到52.734 375，所以對應(yīng)時域中頻率為52.73 Hz 的正弦分量。

頻域中幅值和時域中幅值連接起來的變量是FFT 的采樣點：對于直流分量頻域幅值的大小可根據(jù)時域幅值以及FFT 采樣點取值的積可得到。而正弦分量頻域幅值對于直流分量頻域幅值的一半。根據(jù)以上可計算的出頻譜對應(yīng)點與直流分量幅值以及對應(yīng)頻率的關(guān)系如表1 所示。

表1 頻譜對應(yīng)點與直流分量對應(yīng)關(guān)系

由此可設(shè)計出采樣范圍0～750 Hz 的諧波分量，足夠滿足電網(wǎng)側(cè)用戶需求。

將上述所對應(yīng)關(guān)系嵌套在C 語言函數(shù)中，調(diào)用FFT 函數(shù)，寫入指針FFT_data,并傳輸?shù)斤@示模塊中去，當采樣測得頻率過高或者系統(tǒng)出錯時，可通過通訊模塊發(fā)出警報，并增加整流器以及電容投入從而保護電路不受影響。

2.5 設(shè)備檢測程序設(shè)計

此設(shè)備MCU 一共有兩個時鐘，不同的時鐘頻率對應(yīng)不同的電壓：1.8 V(0～8 MHz)、2.0 V(0～12 MHz)、2.2 V(0～20 MHz)、2.4 V(0～25 MHz)，即要提高系統(tǒng)的采樣精度，相對應(yīng)地就要對時鐘進行超頻[11]。還有一種是直接配置寄存器來實現(xiàn)，此方法一般情況下直接升到最高核心電壓。該設(shè)備一共有16 個通道可供選擇。單片機內(nèi)部一共有三個電壓可供選擇，分別是1.5、2.5 以及3.3 V，單片機的采樣電壓不允許超過參考電壓，采集到的電壓的放大倍數(shù)如式（3）：

根據(jù)上述參考公式，ADC 采集電壓必須小于參考電壓，如果超過參考電壓，輸出只能到最大參考電壓，可能燒壞單片機。

在卷積定理指導(dǎo)下，利用數(shù)字計算機快速地算出復(fù)變換的算法稱為快速傅里葉變換算法(FFT)[12]。FFT 的基本原理是把一段DFT 數(shù)據(jù)分開采集成為簡易的DFT 數(shù)據(jù)。按照抽取方式的不同可分為DITFFT（按時間抽取）和DIF-FFT（按頻率抽取）算法。該設(shè)備采用了按時間抽取的算法，將采樣頻率定為50 ms，再多次測量采樣到的信號產(chǎn)生的諧波[13]。當場系統(tǒng)諧波分量異常時，可通過通信模塊向用戶側(cè)APP 發(fā)射諧波異常信號，及時做出應(yīng)對，從而降低對電網(wǎng)的影響。通過便攜的電力監(jiān)測設(shè)備可將多個用戶側(cè)的電力設(shè)備整合起來，將信息公開化透明化，不僅方便了用戶，同時也減少了繼電保護設(shè)備的投入[14]。

3 方案論證

根據(jù)上述方案搭建如圖1 所示系統(tǒng)。在圖2 采集電路后加上如圖6 所示隔離驅(qū)動電路。從上述圖中進行仿真可得到如圖7 所示信號，最高電圧等級不超過5 V 的輸出信號，此信號可直接傳輸?shù)組CU中去，代入2.5 節(jié)中的四個級別可采集到電壓大小，并根據(jù)縮放比例計算出電網(wǎng)側(cè)電壓的大小，再由顯示模塊輸出，最終代入到調(diào)用函數(shù)，可得到當前采集到的諧波分量。其中可增加判斷函數(shù)，當連續(xù)時刻超過當前系統(tǒng)承受值時，可通過傳輸模塊向系統(tǒng)發(fā)送警報。

圖6 隔離電路

圖7 采集電路輸出波形

將信號輸入到MCU 中去可從OLED 顯示模塊得到如圖8 所示基礎(chǔ)的采集信息。

圖8 顯示模塊采集信息以及通信模塊

將上述所采樣到的電信號經(jīng)過MCU 進行處理，接著通過按鍵切換OLED 顯示屏可得到此信號處理分析后的一次、三次以及五次諧波分量含有率如圖9 所示。

圖9 一次、三次、五次諧波分量含有率

4 結(jié)束語

該文提出了一種新型的電能質(zhì)量分析與采集設(shè)備，融合當前5G 大環(huán)境背景下信息傳輸與共享[15]，將電能質(zhì)量快速進行采集與分析，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)進行分析后加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以生成用戶側(cè)的用電報告，再通過傳輸模塊傳輸?shù)街髯冸娬局小Ｓ纱丝梢苑奖愕嘏袛喑龊螘r為高峰期，何時為低峰期，再通過電網(wǎng)側(cè)儲能優(yōu)化，保障電力運行的穩(wěn)定。配電網(wǎng)作為支撐社會發(fā)展的重要系統(tǒng)，其運行的安全性、穩(wěn)定性將影響人們的生活、工作質(zhì)量[16-20]。