基于ARM的低压配电智能终端

　　 基于ARM的低压配电智能终端该文介绍了一种基于ARM的、集谐波分析、动态无功补偿及配变实时监测功能的一体化的低压配电智能终端。可以大大降低运行成本和设备投资...... 关键字： ARM谐波分析动态无功补偿配变实时监测配电网　　随着国民经济的快速增长，电力用户对供电可靠性和供电质量也提出了更高、更新的要求。因此，电力部门必须进一步提高配电网管理自动化水平，以满足电力用户和居民生活用电的需要。另外，由于我国工业的迅速发展，大量的非线性和冲击性负荷得到了广泛的应用，如电解铝电源装置、电解食盐直流电源、电弧炉电源以及中频电源等增长速度快，还不包括其他的电力电子设备，如不停电电源、变频器、电焊设备、新能源逆变装置以及电气化铁路的牵引电源等。这些非线性和冲击性负荷使用会对电网的安全、可靠、稳定运行带来负面影响，就要求改造配电网络，采用智能化程度高的设备和装置对这些不利影响进行监测，以便掌握实际情况“对症下药”解决问题。当然，供电部门为了了解配电运行状态、提高劳动生产率、提高线损等指标计算的准确性、减少配电设备维护成本，也要求采用先进的配电网管理自动化系统。
　　
　　 目前，国内已有相当多的配变实时监测、谐波分析和无功补偿等方面配网自动化产品，但是功能大都比较单一，在某些场合需要同时安装上述三种装置，为配网设备的管理带来了不便，增加了设备的投资。在此前提下，北流市供电公司和武汉市华骏科技有限公司遵照相关标准、规程和要求，在广泛收集用户需求和建议的基础上，结合我国城乡电网实际情况，借鉴国内外同类产品的优点，成功研制出了一种集配变实时监测、谐波分析和动态无功补偿功能为一体的低压配电智能终端。
　　
　　 1低压配电智能终端硬件设计
　　
　　 低压配电终端的控制器采用ARM为核心CPU结构，加上大容量非易失存储器、TV/TA测量电路、信号调理电路、锁相倍频电路、输出驱动电路、通信接口和人机界面，构成了一个完整的硬件结构框图，如图1所示。主控单元采用高性能嵌入式计算机系统，统一调配资源，实现各项功能。各项功能模块既相对独立，可以自由组装，又在主控单元的统一调配下协调工作。
　　
　　 图1控制器硬件结构框图
　　
　　 终端的主要技术特点为：采用高性能工业级嵌入式计算机系统作为智能终端的核心处理单元，硬件成熟可靠、抗干扰能力强，适用于户外恶劣的环境。动态监控负荷的变化，以无功功率作为控制量，达到最佳的补偿效果。用户可以根据三相负荷的实际情况，设计三相共补、三相分补和混合补偿。根据电容器配备情况，控制方式采用等容量电容器循环投切和不等容量编码投切以及混合方式投切。监测配电网的电流、电压、频率和谐波等多种运行数据，发现异常情况，及时报警。多种保护措施，确保终端稳定可靠运行。当出现以下异常情况，自动闭锁电容器投切：电压过高、电压过低、负载电流过高、缺相、谐波分量过高、电压波动太大、终端温度过高、终端自检失败。终端中采用了多重自检和自恢复设计，能够及时发现自身的错误和损坏，尽可能恢复系统正常运行。终端采用大屏幕液晶显示，及时显示终端的工作状态、故障类型以及实时显示三相电压、电流、功率、功率因数、电量、谐波电压、谐波电流、频率状态等运行数据。采用大容量存储器，可以记录长达2个月的配电变压器运行数据和各种电气参数。具备电能计量功能，分别计量有功、无功电量。具有高速红外通信端口，实现通信的电气隔离。多种输入输出通道，通过软件配置，实现多种远动测量和控制。采用GPRS无线网络实现远程联网，并能通过GPRS网络实现远程程序更新和参数设置，为配网自动化提供了良好的手段。
　　
　　 ARM采用Philips公司的LP2214，该系列芯片提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力，特别适用于控制领域。显示器采用128×64的点阵型液晶显示器，可以根据需要设计显示的内容及格式，这也使得人机界面更加友好。为了进行谐波分析，需要对输入的电压、电流信号进行同步采样。若输入信号的频率为f，一个周期的采样点为N，则应产生频率为N×f的信号，本终端采用硬件倍频的方法，通过锁相环电路产生频率为N×f的脉冲信号。这个信号一方面作为采样的触发信号，另一方面还可以用来测量输入信号的频率，这样就保证了同步采样和频率测量的准确性。TV/TA转换电路和信号调理电路用于将配电网中的电压和电流转变为符合ARM中的AD转换器采样范围弱电信号。输出驱动电路用于控制可控硅来投切电容器组。通信电路用于和后台进行数据传输，采用RS485接口。本终端加上无线模块也可以实现数据的无线远程传输，简化设备安装的工作量。
2智能终端面板显示效果
　　
　　 低压配电智能终端面板上面的液晶显示布局，如图2所示。
　　
　　 图2液晶显示布局示意图
　　
　　 如上图所示为液晶显示第一幅界面，分别显示了A、B、C三相功率因数、电压、电流值。第二至第十幅界面的显示分别为，三相有功、无功功率，三相电压电流总畸变率，3～11奇数次谐波电压，3～11奇数次谐波电流，有功、无功电量、时间、频率和终端温度，A相电流谐波柱状图，B相电流谐波柱状图，C相电流谐波柱状图，电容投切状态。十幅界面循环显示。
　　
　　 3低压配电终端柜的无功补偿技术
　　
　　 低压配电智能终端、无功补偿电力电容器、复合固态继电器（双向可控硅、机械电磁继电器，控制电路和保护电路）等组成了低压配电智能终端柜。在充分了解目前电力补偿电容器投切装置的优点和弊病的基础上，本复合固态继电器通过内部控制电路控制电压过零时触发双向可控硅，延时20ms后再控制机械电磁继电器投入。切时：首先控制机械电磁继电器切，当电流过零时再控制双向可控硅切。
　　
　　 其主要技术特点为：
　　
　　 采用大功率双向可控硅和大容量机械电磁继电器。大功率双向可控硅的额定电流是电容器额定电流的3倍以上，继电器触点额定电流是电容器额定电流的两倍以上。因而保证了系统工作的可靠性和稳定性。
　　
　　 利用控制电路控制双向可控硅实现零电压投、零电流切的无触点开关电路，其优点是过零触发，无拉弧，动作时间短，可大幅度地消除电容器合闸涌流。投切过程一旦结束，双向可控硅退出工作状态，因此双向可控硅只在投切过程中短时工作，无需散热，解决了双向可控硅长期工作（尤其是环境温度高、散热条件差情况下）容易损坏的问题。
　　
　　 采用机械电磁继电器承担回路电流导通的工作。由于继电器触点不参与投切过程，避免了常规接触器投切触点易烧坏的弊病。导通时触点压降很小，远远低于双向可控硅的压降，发热量极小。
　　
　　 整体设计发热元件少，发热量小，有助于降低装置的自身能耗，提高装置的可靠性。
　　
　　 优点：无涌流、发热小、节能、无漏电流、安全性高、寿命长，价格远低于可控硅和复合开关投切装置。缺点：投切速度较慢，约0.5s左右。　4低压配电智能终端功能
　　
　　 低压配变智能终端是一种集配电变压器电气参数监测、电能计量、谐波分析、无功补偿、数据记录、无线通信和RTU（三遥）等多功能于一体的综合智能终端，可以广泛适用于公用配电变压器、厂用配电变压器、配电站（室）、箱式变压器等电力设备。该终端能够实现多种通信功能，包括GPRS/GSM、RS232、RS485，红外通信等，可以通过联网实现区域优化控制。
　　
　　 本智能终端集配变监测、谐波分析和无功补偿等三种功能为一体。实现的配变监测功能包括：可显示三相电压、电流、功率因数、有功、无功、频率、时间、温度、有功电量、无功电量等；故障显示包括缺相、过压、欠压、谐波越限等；可以统计分析电压、电流、有功等的最大值、最小值及出现时间，电压越上限、下限时间，线路停电时间等；能存储两个月的实时数据以及统计数据；可对上述各种实时参数进行查询；参数设置功能，如互感器变比等；可以通过通信接口将终端存储的数据传输到后台。实现的谐波分析功能包括：可以显示、存储三相电压、电流的2～31次谐波分量、谐波含有率以及总畸变率；可以计算基波及各次谐波视在功率、基波有功功率、基波功率因数等。实现动态无功补偿功能包括：采用双向可控硅作为开关元件，能够快速完成投切操作（最快一个周波之内），因此对于快速变化的负荷也能很好的跟踪补偿；采用了过零投切，在电压过零时投入电容，在电流过零时切除电容，从而避免了对电网的冲击和对电容的损害；手动和自动控制可选；先投先切的循环工作方式和投切顺序；实时显示投入电容器组数及各电容器投入的累计时间。
　　
　　 本终端的另一个主要特点是增加了谐波越限保护功能。因为，电网谐波对并联电容器的运行有很大的影响，谐波电流流过电容器会引起过热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏，此类事件在实际运行中经常出现，这往往是电容器损坏的一个主要原因。因此，本终端增加了谐波作为电容器投切的辅助判据，但谐波含量超过设置值时，电容器退出运行，这样可以大大增加电容器的安全运行的时间，避免由于谐波过大毁坏电容器。
　　
　　 5效果分析
　　
　　 本智能终端在北流市供电公司的10kV配电网挂网运行，在两年多的运行中，本智能终端运行安全可靠，实现了对配变参数及10kV线路关口参数的实时监测和数据采集，已安装的无功补偿装置动态自动投切电容，投切效果及终端自检可实时监视。安装在现场的低压配变智能终端通过移动GPRS网络，将数据上传到“信息化低压配电智能管理系统”。终端在数据采集准确性、谐波监测、动态无功补偿等方面取得了良好的效果。
　　
　　 以往采集配变的运行数据都必须安排人员到现场用仪器测量，存在工作量大、误差大、测量点少、受天气影响和不安全等问题。安装低压配电智能终端后，终端能够全面地、准确地、实时地采集配变各种运行数据，如三相电压电流、N线电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等，同时可以采集任一时间段的有功电量及无功电量，具有较高的精确度。运行期间，我们对3个典型现场进行了测试，现场数据与终端监测数据进行对比，结果表明，该终端测量结果与实测结果的误差值在合格范围内。解决了人工现场采集数据工作量大、实时性差、数据存在人为误差等问题，有效地提高了工作效率。
　　
　　 以往仅注重35kV及以上的电网的谐波监测，忽略了对低压配电网的谐波监测。安装低压配电智能终端后，对10kV线路及配变低压侧的谐波状况进行实时监测，发现低压网电压总谐波畸变率远大于公用电网谐波（GB/T14549-1993）中的谐波电压限值。对一些原来已配置的无功补偿投切装置配变进行监测时，发现该装置在投切电容时将谐波放大，向电网注入的谐波电流增大，污染电网。这些数据为我们对配电网的管理、电网规划设计、电力设备选型提供了科学的依据。同时我们在低压配电智能终端控制投切电容器的定值中，增加了谐波闭锁功能：一方面提高了系统的稳定性和可靠性：另一方面避免了谐波经无功补偿电容放大，对电网造成危害。
　　
　　 以往对安装在现场的无功补偿装置缺乏了解其投切情况，既不知其投切了没有，也不知补偿的程度够不够，甚至电容器坏了也不知道，这些都无法监测。安装低压配电智能终端后，终端能够对安装在配变低压侧的无功补偿装置进行实时监测，并能进行自动或控制中心远方遥控手动投切电容，在系统管理平台可以任意查询每一台配变的无功补偿情况、每个电容器的运行时间及投切情况，并对任意时段的运行情况进行统计分析。解决了以往无法监测无功补偿装置是否在正常的条件下投切、投切效果是否理想、投切装置是否完好等难题。对于200kVA及以上的公用变压器，在最初安装时，我们是按变压器容量的30%来配置无功补偿电容器的容量。经过一段时间的运行后，通过对运行情况的分析，发现有的变压器无功需量较大，补偿容量不足，但有些变压器补偿容量过多，部分电容器极少投入运行。于是，我们对11套补偿装置进行容量调整，大幅度节约了成本。
　　
　　 6结束语
　　
　　 本文研制的基于ARM的，集谐波分析、动态无功补偿及配变实时监控功能的一体化低压配电智能终端，所采用的硬件结构和设计的软件运行稳定、可靠；实现的无功补偿功能具有动态响应快、人机界面友好、操作简单、方便的优点，可以在负荷快速变化的情况下补偿动态变化的无功。低压配电智能终端的挂网运行提高了公司对低压配电网的管理水平，提高了电能质量，创造了较大的经济效益和社会效益，也为公司基础管理达标工作做出了贡献。运行情况表明，智能终端功能可满足配电网的管理要求，技术先进，性能稳定，可靠性高。下一步我公司将在城区的所有配变及乡镇负荷较大的配变安装低压配电智能终端，并将该终端的先进技术运用到高压电网中去，进一步提高我公司的电网管理水平。
　　
　　 参考文献
　　
　　 [1]吕润馀.电力系统高次谐波．北京：中国电力出版社，1998，5.
　　
　　 [2]王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿．北京：机械工业出版社，1998，9.
　　
　　 [3]刘和平，等．TMS320LF240xDSPC语言开发应用．北京：北京航空航天大学出版社，2003，1.
　　
　　 [4]朱炯．配变实时监控系统的功能与特点．浙江电力，2001，5.