張建偉 韓路 楊昊 趙永輝

摘 要： 電網(wǎng)能耗監(jiān)控對(duì)節(jié)能減排意義重大，當(dāng)前的電網(wǎng)缺少相應(yīng)的模塊。提出一種基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調(diào)制的大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)大型電網(wǎng)能耗信息信號(hào)的采集、處理和與上位機(jī)系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)計(jì)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(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)功耗的數(shù)據(jù)濾波和信號(hào)檢測(cè)；基于DSP信號(hào)處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的平臺(tái)集成編譯、接口連接、調(diào)試及仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電網(wǎng)能耗的主動(dòng)監(jiān)測(cè)和參量估計(jì)，在微控制器單元上實(shí)施數(shù)字控制，通過比較能耗監(jiān)測(cè)圖對(duì)應(yīng)的幅頻值，該方法具有較好的能耗監(jiān)測(cè)階躍響應(yīng)性能，頻譜失真較少，能耗監(jiān)測(cè)的收斂性和穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞： 大型電網(wǎng)； 能耗； 自動(dòng)監(jiān)測(cè)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN98?34； TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(wǎng)是保障國家和人民生產(chǎn)生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施，需要保障大型電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠和安全運(yùn)行。大型電網(wǎng)設(shè)備由變電、配電、用電各個(gè)單元組成，通過電力發(fā)電和電能傳輸，構(gòu)成了大型電網(wǎng)輸電配電系統(tǒng)的整體功能。大型電網(wǎng)的能耗監(jiān)測(cè)是保障電能優(yōu)化調(diào)度和使用的重要環(huán)節(jié)。通過對(duì)大型電網(wǎng)的能耗監(jiān)測(cè)，把發(fā)電廠的發(fā)電量和電網(wǎng)中樞節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的優(yōu)化利用與調(diào)度，因此，研究大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)具有重要意義[1]。

隨著半導(dǎo)體工藝和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，采用集成芯片和嵌入式設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢(shì)。基于集成數(shù)字信息處理芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有損耗小、效益高、靈活方便和控制便利的優(yōu)點(diǎn)[2]，在大型電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用周期性信號(hào)檢測(cè)方法，結(jié)合FPGA邏輯控制敏感器件，通過對(duì)大型電網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)的集控制、通信和智能計(jì)算[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電網(wǎng)能耗信息的快速感知和監(jiān)測(cè)。其中文獻(xiàn)[4]采用基于粒子濾波的大型電網(wǎng)能耗過程控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)大型電網(wǎng)的能耗過程控制硬件系統(tǒng)，提取影響控制精度的熱噪聲干擾信號(hào)模型，提高大型電網(wǎng)的能耗監(jiān)測(cè)精度，但是該方法在能耗過程控制中需要對(duì)寫信號(hào)進(jìn)行功率損耗測(cè)量，導(dǎo)致能耗數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)誤差，性能不好。文獻(xiàn)[5]采用本機(jī)振蕩調(diào)幅發(fā)射電路設(shè)計(jì)方法，結(jié)合Mux101多路開關(guān)選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電網(wǎng)能耗控制和預(yù)測(cè)，該系統(tǒng)必須給每個(gè)電網(wǎng)能耗穩(wěn)壓芯片加散熱塊來散熱，導(dǎo)致供電電壓互相干擾，出現(xiàn)熱噪聲，對(duì)大型電網(wǎng)能耗的自動(dòng)監(jiān)測(cè)性能不好[6?9]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體構(gòu)架和技術(shù)指標(biāo)

大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的總體設(shè)計(jì)框圖

大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行功能數(shù)據(jù)采集，能耗監(jiān)測(cè)、信號(hào)分析和頻譜分析等工作。它是一個(gè)寬帶系統(tǒng)，包括大型電網(wǎng)能耗信息收發(fā)轉(zhuǎn)換電路、能耗數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率放大器等部分。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 大型電網(wǎng)耗能自動(dòng)監(jiān)測(cè)的硬件模塊設(shè)計(jì)

因采用并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)電路主要是對(duì)寫信號(hào)進(jìn)行功率損耗測(cè)量處理，其構(gòu)成主要有加法電路、計(jì)數(shù)電路、555多頻振蕩器和緩存電路等?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)思路得到電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗存在差異性，具有進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換處理功能。當(dāng)前方法是給每個(gè)電網(wǎng)能耗穩(wěn)壓芯片加散熱塊散熱，導(dǎo)致供電電壓互相干擾，能耗監(jiān)測(cè)的窄帶匹配變壓和功率放大混合調(diào)制流程見圖3。

圖2 電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

圖3 能耗監(jiān)測(cè)的窄帶匹配變壓和功率放大混合調(diào)制流程

窄帶匹配變壓和功率放大混合調(diào)制電路主要是對(duì)讀信號(hào)進(jìn)行寬帶阻抗匹配處理，以便微處理器能夠識(shí)別讀到的信號(hào)，其主要由減法電路、計(jì)數(shù)電路、555多頻振蕩器電路和緩存電路等組成。在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，使用低功耗技術(shù)，主要體現(xiàn)在元器件和芯片的選型和選擇上，采用STM32F101xx芯片設(shè)計(jì)功耗監(jiān)測(cè)的功率放大電路。在設(shè)計(jì)時(shí)，將STM32F101xx給予相應(yīng)的晶振和調(diào)諧電路，且對(duì)端口進(jìn)行分配，由于功率放大器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗與[ITC]，[CT]和[fp]相關(guān)，將TRF7960的I/O_0～I(xiàn)/O_7作為并口輸入/輸出端，得到電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的功率放大模塊設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的功率放大模塊設(shè)計(jì)電路

圖4中，電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的阻抗能等效成并聯(lián)回路，此時(shí)負(fù)載僅為G，電網(wǎng)輸出能耗[PL=V20?G]。負(fù)載功率[PL]的線性變化能使有用功率輸出達(dá)到最大，高頻端呈感性。在上述設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)、窄帶匹配變壓器和功率放大器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大型電網(wǎng)能耗信息信號(hào)的采集、處理和與上位機(jī)系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)PCI接口，通過窄帶匹配變壓和功率放大混合調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)功耗的數(shù)據(jù)濾波和信號(hào)檢測(cè)，假設(shè)EPM7128

AETI100的供電電壓是3.3 V，在EPM7128AETI100上連入各芯片的讀寫信號(hào)，用DDS（直接數(shù)字合成）技術(shù)芯片AD9850作為CPU數(shù)字處理中心，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于DSP信號(hào)處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的平臺(tái)集成編譯、接口連接和軟件設(shè)計(jì)。電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)的軟件模塊主要包括DSP中斷、電網(wǎng)能耗數(shù)字濾波、電網(wǎng)能耗信號(hào)檢測(cè)和自動(dòng)增益控制、A/D、D/A轉(zhuǎn)換等，系統(tǒng)的DSP信號(hào)處理程序使用ASM語言編寫，在PC機(jī)上模擬DSP的指令集進(jìn)行系統(tǒng)通信，基于上述硬件設(shè)計(jì)，得到大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)的編輯、編譯和鏈接過程如圖5所示。

圖5 大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)的編輯、編譯和鏈接過程

2.3 程序源碼的實(shí)現(xiàn)

部分程序?qū)崿F(xiàn)如下：

module MultihopMySoftC {

uses {

interface SplitControl as RadioControl；

//用來啟動(dòng)文本編輯器

interface StdControl as RoutingControl；

//是用來啟動(dòng)匯編器

interface Send；

interface Receive as Snoop； //是用來啟動(dòng)連接器

interface Receive； //是用來啟動(dòng)程序調(diào)試器

interface CollectionPacket；

interface RootControl； //是用來啟動(dòng)監(jiān)控程序

…… } }

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)綜合調(diào)試與測(cè)試。通過程序加載和硬件系統(tǒng)調(diào)試，把電網(wǎng)能耗采集數(shù)據(jù)在IDT70V28中分成高、低2個(gè)32 kW空間，當(dāng)?shù)?2 kW時(shí)A15為“0”，當(dāng)高32 kW時(shí)A15為“1” ，系統(tǒng)供電采用3～3.6 V 單電源工作，采用兩個(gè)120 Ω終端匹配電阻作為主處理器的中斷電阻，選用MAX3491，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用CF卡，電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出壓電電壓[E=vl×B]。電網(wǎng)能耗優(yōu)化后效率為96%，輸出轉(zhuǎn)矩為10 N·m，電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)控制模塊的宿主機(jī)安裝了Windows 7系統(tǒng)，模擬100個(gè)能耗監(jiān)測(cè)的請(qǐng)求任務(wù)，過程控制信號(hào)分為56幀，Slice寄存器的總數(shù)量為204，能耗控制的幀長(zhǎng)[L=512]點(diǎn)，在上述仿真環(huán)境設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)，得到監(jiān)測(cè)器控制面板上輸出的電網(wǎng)能耗調(diào)度和監(jiān)測(cè)輸出如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)輸出界面

由圖6可知，采用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電網(wǎng)能耗的主動(dòng)監(jiān)測(cè)和參量估計(jì)，在微控制器單元上實(shí)施數(shù)字控制，通過比較能耗監(jiān)測(cè)圖對(duì)應(yīng)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(diào)制，補(bǔ)償 [195：255]點(diǎn)和[1 745：1 805]點(diǎn)之間畸變的頻譜，提高能耗監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。分析系統(tǒng)階躍響應(yīng)，得到結(jié)果見圖7。采用本文方法具有較好的能耗監(jiān)測(cè)階躍響應(yīng)性能，頻譜失真較少，能耗監(jiān)測(cè)的收斂性和穩(wěn)定性較好。

圖7 能耗監(jiān)測(cè)階躍響應(yīng)性能分析

4 結(jié) 語

提出一種基于窄帶匹配變壓和功率放大混合調(diào)制的大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能耗信息信號(hào)的采集、處理和與上位機(jī)系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)功耗的數(shù)據(jù)濾波和信號(hào)檢測(cè)。基于DSP信號(hào)處理芯片，在CCS 2.20開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行大型電網(wǎng)能耗監(jiān)測(cè)的平臺(tái)集成編譯、接口連接、調(diào)試及仿真。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法進(jìn)行大型電網(wǎng)能耗自動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有較好的性能，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

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