谐波背景下非线性供电系统电能计量数据远传技术研究

张兆杰，卢静雅，刘浩宇，罗 东

(1. 国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300000;2.重庆交通大学 信息技术中心，重庆 400074)

0 引 言

人工计量与远程自动计量是当前国内的用电管理与电能计量技术领域的主要形式，通常人工计量使用较多，而自动计量技术大多是在大区电网的核心变电站与直调电厂得到广泛应用。电能自动计量和抄表系统的使用功能包括采集数据、分时电价与负荷控制。由于电力系统体制改革的缘故，电力市场的用电管理商业化成为当下的发展趋势，电能自动计量数据远传技术成为供电系统领域中的重要技术之一，所以，供电系统成为当下每个供电企业的相关人员关注的热点问题。

文献[1]通过系统集成取代人工巡视、自动预警，根据供电系统数据分析结果，为变电站PT设备的维护、优化管理、识别判断PT设备健康运行提供依据。该种系统进行系统集成取代人工巡视时，容易受到复杂继电的干扰，导致系统数据分析不准确。文献[2]提出根据耦合电感的循环级联方法实现多相逆变之间的电流平衡，该方法没有考虑谐波背景下，电流能量不均衡问题，导致系统运行稳定性较低。文献[3]认为增加中继线圈的数量可以有效提高空间磁感应强度，对提高供电系统的传输效率以及扩展传输距离有重要作用，但受到电磁约束的干扰，导致该种策略进行非线性供电系统电能计量数据远传时存在远传质量差的弊端。

本文系统从硬件设计、软件设计两方面对谐波背景下非线性供电系统电能计量数据远传技术进行研究，并与多相并联的15 kW无线电能传输系统和磁耦合谐振式无线电能传输系统进行电能计量数据远传技术的对比仿实验，实验数据表明，本文系统在进行电能计量数据远传时稳定性好、效率高、误差小，系统实现复杂度最大值为39%，复杂度较低，系统成本远低于其他系统。

1 谐波背景下非线性供电系统电能计量数据远传技术研究

1.1 谐波背景下非线性供电系统硬件设计

将80C196KC当成谐波背景下非线性供电系统的核心，系统包含数据远传模块、键盘模块、程序存储器(EPROM)、数据存储器(RAM)、LCD液晶显示模块、报警模块、通信模块等。系统提取6个通道的数据，各个周期提取64点，2 min内一共提取42次，计算其平均值呈现出来[4]。

1.1.1 谐波背景下非线性供电系统资源分配

谐波背景下非线性供电系统资源分配图用图1描述：

图1 谐波背景下非线性供电系统资源分配图

系统资源是指CPU的对外接口，其中包含中断，输入输出口等。图1里P3、P4口没有进行标记，它们不仅用于地址线与数据口，还应用在译码电路作为片选控制信号[5]。

1.1.2 数据远传模块设计

数据远传模块由信号调理电路、同步采样脉冲产生电路、信号采样/保持电路、A/D转换电路等组成[6]。

数据远传模块框图用图2描述：

图2 采样系统硬件框图

系统在电网中的PT与CT的副方提取非线性供电系统电压以及电流取样的信号，通过隔离电路，在全部周期共同远传脉冲的掌控中，传送到S/H中，由A/D转换之后，将信号远传到到单片机实行分析[7]。

系统特点：

(1)使用传感器V411D对非线性供电系统中的电压以及电流信号进行隔离[8]。波形失真小，温度范围大，工作范围是额定值的0～120%，能够连续过载2倍标称输入值；通频带宽是20 Hz～5 kHz；其响应速度为15 μs，速度较快；输入电流是Ui/90k，阻抗较大。

(2)选取12位具有多路开关的A/D转换器MAX197。其具备8个模拟输入通道的12位高速A/D转换器件，A/D转换耗时为6 μs，可以完成信号的分时远传与模/数转换[9]。

(3)采取锁相环电路可以对供电系统中的信号进行全部周期共同远传处理，维持在各个周期远传64点时间隔相同，可有效防止供电系统信号频谱泄露的状况出现。系统使用锁相环倍频技术完成全部周期共同远传电路的运行，实现64倍频共同远传，详细过程为：第一步提取电网信号Ui(t)，第二步对它进行整形(采用过零比较器)，提取和基波信号频率相应的方波信号，对其实行锁相倍频处理，获取输出频率是f0=64f1(f1代表基波频率)的全部周期共同远传脉冲信号，以此进行非线性下供电系统数据远传以及保障电路的正常运行，另外的路径通过中断控制逻辑电路后传到CPU的EXINT与HIS.0中断引脚，进行数据处理。64倍频远传脉冲电路的框图架构用图3进行描述：

图3 64倍频远传脉冲电路原理框图

1.1.3 存储器以及键盘模块设计

系统经过单片机80C196KC的P3与P4口，增大了系统的EPROM，并使用分页管理技术拓展1片运行RAM(62256，32k)与3片历时数据存储RAM(WM8512B，每片512k)让系统存储器的容量增加至1.5M。

系统键盘的设计综合了中断与查询方法，8个键实现始终设定、自检/清空、电压/电流变换显示等功能。当中时钟设定、自检/清空、电压/电流转换显示、换相显示键采取中断方法，左移与右移采取查询方法。

1.1.4 电源模块和LCD液晶显示模块设计

系统采用的电源分为±5 V、±12 与-24 V三种，因为采用的传感属于有源器件，则对电源的控制要求较高，所以，系统设计双向跟踪稳压电源，实现正负输出电压的自主跟踪，避免出现过流、过热与输出短路问题。

若出现掉电情况，系统设计的掉电保护电路，能够确保在运行时出现掉电或临时停机，RAM里保存的历时数据都不会遭受损失[10]。同时设置掉电存储时间为3个月。

系统采用内藏T6963C控制器大屏幕(114 mm×64 mm)的LCD液晶显示模块，当成监测主机的实时显示界面。此LCD点阵数是240×128，它采取的是CMOS与AL门机构，具备低功耗、高耐压以及运行快等优势。这个液晶系统实时呈现三相电压与电路板的谐波水平，同时实时时钟显示，具备换相功能，将换相按钮与压/流转换显示按钮进行合成，能够逐次通过棒形图的方式直接显示出供电系统中A、B、C三相的电压与电流的2～15次谐波值。

1.2 系统的软件设计

本系统的软件设计主要采取模块化设计，在硬件模块中进行软件设计，主要在监控循环模块、采集模块以及其他功能模块进行。采集模块固化在数据远传模块内，其功能是对计算器与串口进行初始化，在脉冲信号的采集和中断方法控制下和主机板的数据进行通信[11]。监控循环模块与其他功能模块固化在主机板内，其功能是对系统的初始化、数据处理、每个回路电能值的显示和打印，在中断方法控制下和数据采集板以及经过Modem和后台微机进行通信。

主机使用后的外部中断为EXINT1，EXINT与HIS.0，EXINT1，EXINT中断主要提供主机的扩展串口的通信服务[12]。

(1)定时中断服务程序

硬件时钟DS12887主要用于掌控定时中断服务程序的响应，由于程序的设定，DS12887间隔一分钟便发出定时中断信号。CPU接收此信号之后，传入中断服务程序，程序流程图用图4来描述：

图4 定时中断服务程序流程图

(2)数据接收程序

主机的数据程序的核心任务就是接收电能数据采集板传出的电能数据。因为通信的数据量较小(大约60个字节)，所以设定通信协议的格式分别是：字节数N-数据1-数据2-数据N-累加校验和。该系统内数据通信波特率是9600bit/s。其中，字节数N：电能数据采集板像主机传送数据的数量。数据1～数据N：电能数据采集板向主机传送的N个数据。累加校验和：数据1，数据2，…，数据N该n+1个字节内容的算数累加和。

进行数据通信时使用纠错编码的方式提升数据传输的可靠性，而本文系统在应用时，由于数据量较少，所以采取算数校验法。

本系统的监控循环模块使用菜单驱动的工作形式，能够适应大面积的显示设备显示一套菜单，用户依据菜单的提示可以掌握系统程序的运行[13]。使用菜单驱动之后，只要是目前不能执行的操作不会显示在菜单中，系统的容错性较高。并且能够简化键盘的硬件电路设计[14]。监控模块程序流程示意图用图5来描述：

图5 监控循环模块的程序示意图

菜单驱动的监控循环模块是经过键盘的操控与系统目前的状态执行程序实现的。因此，需要处理的有三种信息，一是目前画面号，二是目前的光标位置，三是目前有效按键的键值。该三种信息在监控循环模块不可或缺[15]。

2 实验分析

为了验证本文系统对谐波背景下非线性供电系统电能计量数据远传的有效性，采用本文系统在谐波背景下非线性供电系统中进行电能计量数据远传。实验参数设置情况用表1描述：

2.1 实验参数设定

表1 实验参数设置

2.2 系统性能分析

为了验证本文系统的优势，采用多相并联的15kW无线电能传输系统、磁耦合谐振式无线电能传输系统与本文系统进行对比实验。依据实验环境和实验设置，把三种技术的最终实验结果通过折线图和表格的形式进行描述。

2.2.1 系统鲁棒性分析

所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定(结构，大小)的参数摄动下，维持其它某些性能的特性。比如说，计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下，能否不死机、不崩溃，就是该系统的鲁棒性。

图6 系统鲁棒性测试结果

由图6可知，随着实验次数的增多，本文系统的折现走势一直处于多相并联的15 kW无线电能传输系统和磁耦合谐振式无线电能传输系统的上方，本文系统的鲁棒性最大值是0.45，最小值是0.26；多相并联的15 kW无线电能传输系统的鲁棒性最大值是0.38，最小值是0.23；磁耦合谐振式无线电能传输系统的鲁棒性最大值是0.33，最小值是0.05。可见本文系统的鲁棒性优于另外两种系统，鲁棒性用于体现系统的稳定性，实验数据表明，本文系统在进行电能计量数据远传时具有较高的稳定性。

2.2.2 系统远传误差率分析

远传误差率是指，系统模块完成信号采集、数据处理、存储，并将数据进行远距离传输过程时，发生错误的数据和总传输数据的比值。

图7 系统远传误差测试结果

由图7可知，随着远传数量的增多，本文系统的远传误差率增长趋势整体分为多个阶段，平均远传误差率控制在0.23左右，整体较为稳定；多相并联的15 kW无线电能传输系统远传误差率增长趋势整体分为三个阶段，在远传数量为100～220时，多相并联的15 kW无线电能传输系统的远传误差率增长至0.47，远传数量为220～250时，出现微弱变化，远传误差率控制在0.43左右，远传数量为250～400时，多相并联的15 kW无线电能传输系统的远传误差率增长至0.55；磁耦合谐振式无线电能传输系统远传误差率增长趋势为直线上升趋势，随着远传数量的增多，远传误差率自0.20增长至0.68。在谐波背景下，对三种系统进行电能计量数据远传误差测试结果显示，本文系统的远传误差率最小，具有远传精度高的优势。

2.2.3 系统远传效率分析

远传效率是指在系统运行过程中有用功率与驱动功率的比值。

图8 系统远传速度增长率测试结果

由图8可知，三种系统的远传速度增长率的对比中，本文系统的远传速度增长率走势始终位于另外两种系统的上方，随着实验次数的增多，本文系统远传速度增长率最大值为98%，多相并联的15 kW无线电能传输系统远传速度增长率最大值为93.5%，磁耦合谐振式无线电能传输系统远传速度增长率最大值为93.4%。实验数据表明，本文系统远传速度增长快，远传效率高。

2.2.4 系统实现复杂度分析

由图9可知，三种系统的实现复杂度的对比中，本文系统的复杂度走势始终低于另外两种系统，随着实验次数的增多，本文系统实现复杂度最大值为39%，多相并联的15 kW无线电能传输系统的复杂度最大值为98%,，磁耦合谐振式无线电能传输系统的复杂度最大值为82%，实验数据表明，本文系统复杂度较低。

图9 系统实现复杂度对比测试结果

2.2.5 系统成本分析

由图10可知，对系统成本进行了7次测算，从整体测算结果中可以看出，本文系统的成本最低，多相并联的15kW无线电能传输系统与磁耦合谐振式无线电能传输系统的成本相对较高，为本文系统成本的3倍左右，实验数据表明，本文系统成本较低。

图10 系统成本对比测试结果

表2 多相并联的15 kW无线电能传输系统远传消耗时间测试结果

表3 磁耦合谐振式无线电能传输系统远传消耗时间测试结果

表4 本文系统远传消耗时间测试结果

由表2、表3、表4可知，三种系统的远传消耗时间对比中，多相并联的15 kW无线电能传输系统经过4次远传消耗时间测试后，时间消耗平均值分别是21.57 s、22.52 s、23.58 s、24.31 s；磁耦合谐振式无线电能传输系统经过4次远传消耗时间测试后，时间消耗平均值分别是19.11 s、19.71 s、20.41 s、21.16 s；本文系统经过4次远传消耗时间测试后，时间消耗平均值分别是8.75 s、8.95 s、9.14 s、9.34 s。实验数据表明，本文系统的耗时最短。

综上所述，在谐波背景下本文系统在进行电能计量数据远传时远传精度较高、远传速度较快、远传时间消耗较短，效率高，且本文系统实现复杂度与系统成本均低于其他系统。

3 结 语

文章设计谐波背景下非线性供电系统电能计量数据远传技术，从硬件设计、软件设计两部分描述其远传过程，实验结果表明，本文系统的鲁棒性最大值是0.45，最小值是0.26，相对于另外两种系统具有较高的稳定性；远传误差率增长趋势整体分为多个阶段，平均远传误差率控制在0.23左右，整体较为稳定，相对于其他两种系统本文系统具有远传误差小的优势；本文系统远传速度增长率最大值为98%，远传速度远比另外两种系统的远传速度增长快，远传效率高；且实现复杂度和系统成本均低于其他两种系统；本文系统经过4次远传消耗时间测试后，时间消耗平均值分别是8.75 s、8.95 s、9.14 s、9.34 s，相对于其他两种系统，本文系统具体耗时低的优势。