戴堂云1,喻子易1,丁成良2,周文俊3,黎文安3
（1．湖北省电力局农电部，湖北省武汉市430077；2．湖北省枝江电力局，湖北省枝江市443200；3．武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072）
介绍了变电站电参量户外监测系统的构成，以及主要部件交流电量测量前端、操作与控制电压测量前端和网卡等设备的设计原理和软件功能等。现场3年多的应用表明，该监测系统达到了实用要求。
关键词：变电站；电参量；户外；监测
1引言
少人值守、无人值班可以达到减人增效、减少误操作的目的，已成为电力系统自动化的发展趋势。目前变电站的控制系统，使用电缆将PT、CT等二次侧电参量送至中央控制室，需用大量电缆，同时线损存在一定的测量误差。采用户外电参量监测与数据远传系统，可避免这一问题，提高了测量精度，而且还可逐步取代中央控制室，节约占地面积与基建投资。
为满足变电站综合自动化与户外就地监测的需要，研制了一套电参量监测与数据远传系统。该系统由工控机、交流电量测量前端、网卡、调制解调器、操作与控制电压测量前端等设备和相关软件组成。前端可用485总线组网，也可作为SCADA系统的1个子站。
2交流电量测量前端的设计
交流电量测量前端安装于PT或CT端子箱内，每2个前端之间用2根线构成的485总线组成环网，此总线同时与工控机连接。将PT和CT二次侧信号接入前端，前端直接从交流电压互感器、交流电流互感器测取并计算各种交流电量，进行数据处理、存贮，并将数据上传至工控机。每台前端可输入3路交流电压、12路交流电流；测量电流额定值有效值5A，最大值6A；测量电压额定值有效值100V，最大值120V[1]。与传统的监测系统相比，其特点是：
1）电量测量前端可置于CT或PT端子箱内，对所采集的数据可就地处理、数字化传送；
2）网络由2根总线组网，故障率低，通信速率高，最大可达108kb/s；
3）测量精度高，电流电压达0.2级，功率达0.5级；
4）抗干扰能力强，能在户外条件下运行；
5）结构简单、体积小、维护方便；
6）运行环境温度：-18~60℃；
7）经过隔离的开关量输入有4路；
8）开关量输出为无源。
另外，该系统具有当地数据管理和远动通信的双重功能。
（1）测量原理
该监测系统的技术核心是交流电量的测量与数据的上传。图1为交流电量测量原理图。从交流电压有效值、交流电流有效值和平均功率的计算公式[1]，可得与1个信号周期内N次采样值相对应的电压、电流有效值和平均功率的近似计算公式：式中uk、ik分别为电压、电流在第k次采样时的瞬时值；N为在1个信号周期内的采样点数。
由uk和ik还能计算出功率因数cosj、有功电能W、无功功率Q、电流峰值IF和电压峰值UF等电量，计算公式如下：（2）测量方法
要高精度、高速度地测量交流电量，测量方法是关键。
可用于多个参数测量的采样计算法有直流采样法和交流采样法。根据实际应用及软硬件整体性能的要求，本系统采用硬件同步采样法以实现交流电量的采样。测得的数据传给上位机作为计量依据。
（3）硬件设计
该系统前端采用Intel公司的高性能16bit单片机80C196KC，Maxim公司的高速度、高精度14bitA/D转换器MAX194。对交流量的采样，则采用硬件同步采样法，即用数字锁相环技术实现同步采样[2]。
为保证准确测取2个交流量之间的相位差，采用了2个A/D转换器同步采样。为保证准确测量三相交流量之间的相位差，设计了6个采样／保持电路。为消除泄漏误差（leakageerrors），在交流电量测量前端中设计了一种基于倍频器的同步脉冲发生装置¾¾锁相环（PLL）。PLL能产生完全与被测信号基频同步的采样脉冲，当信号基频发生漂移时，它能自动跟踪信号基频并产生新的与信号基频同步的脉冲。
为使系统能长期稳定运行，硬件主要器件选用了军品；机箱用厚度为1mm的钢板制作，以屏蔽强电磁干扰；用TVS管等新型器件保护本装置遇冲击电压时的安全；软件设置了看门狗、自复位等功能；采用温度补偿电路使系统在-18~60℃范围内能达到较高的精度。
（4）网络通信适配器设计
网络通信适配器（简称网卡）由16bit微处理器、中央控制逻辑、影象数据区、用户读写数据区、并行接口逻辑和串行接口逻辑等部分组成[3]。其原理框图如图2所示。微处理器是网卡的核心，实现对整个网卡的运行控制和管理。中断逻辑完成网卡的中断功能。网卡的中断包括网卡对主机的中断和网卡接收来自网络的中断2部分。中断管理由中断请求表和中断允许表共同完成。影像数据区为在网卡上开辟的一个数据区，作为网络中前端指定数据的影像（或镜像）。通过影像数据区可以大大提高主机的软件运行效率。并行接口逻辑通过主机的AT扩展槽实现网卡与主机的16bit数据交换。串行接口逻辑完成网卡与网络的数据交换。（5）软件设计
系统网络是点对多点的双总线型拓扑结构。网络为半双工异步通信方式,波特率为1.25Mb/s。网络经中继后的最大传输长度为2000m。介质访问采用具有避免碰撞的CSMA/CA技术（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoid），其运行规则如下：
1)优先权的CSMA/CA访问，实现优先级高的站优先入网；
2)F-网络同步协议。EF-网络的同步由网络中编号最小的网卡负责，并定义为网络同步机（简称同步机）。同步机每隔16s对网络进行一次同步处理。
3)网控机切换协议。若n号网卡在时间Ts内未收到网络同步命令，则它自动切换为网控机；若网卡收到编号较其高的网卡发送的同步命令，则它自动转换为同步机；
4)信息出错重发协议。网卡发出命令后，若在一定时间内网络无响应或接收到的数据校验码出错，则网卡重发该命令，直到n次尝试不成功之后，网卡进行网络切换，并重复上述过程。若网络切换后网卡通信再次失败，则网卡将通信接口切回到原先的网络上，并向介质发送空闲命令；若通信成功，则通信结束后向介质发送空闲命令，并将结果返送主机。
5）第n次重发时，发送字节的时间间隔为Tj，等待前端响应的时间也自动加倍。
3操作与控制电压测量前端的设计
操作与控制电压采集前端完成对变电站内的各种操作电源、控制电源以及站用电的采集和测量。每台前端包括1路24V直流、2路48V直流、4路220V直流和2路380V三相交流。
（1）直流转换单元
直流转换单元将各种直流量经降压隔离后转换成PCL-813B能够接收的直流信号（±5V或0-10V）。
被采集的直流信号有24V、48V和220V等，而数据采集模块PCL-813B只能接收±5V或0-10V的信号，故降压单元应将被采集对象变换到计算机允许的接收范围。
（2）三相交流转换单元
三相交流转换单元利用3V412A1三相交流电流传感器将三相交流量的有效值转换成PCL-813B能够接收的直流信号（±5V或0-10V）。
4软件系统的设计
4.1功能及组成
（1）功能
工控机系统完成以下工作：
1）向测量前端发送各种指令，以实现不同对象的测量和控制；
2）处理各种数据、显示变电站主接线及其运行状态、显示各种图表、记录各种所需记录的数据、历史数据的查询、与调度端进行通信；
3）采样和显示操作电源与控制电源，当超过设定阈值时即告警。
（2）系统组成
1）工控机1台；
2）PCL-813B数据采集卡1块；
3）操作系统WindowsNT4.0；
4）应用软件1套。
4.2软件设计
变电站电参量户外监测与数据远传系统主要以VisualBasic5.0为开发工具。对于某些低层操作，用VisualC 5.0编写动态链接库DLL，然后在VisualBasic5.0中调用这些DLL中的函数。对于数据的记录和管理，本系统采用.mdb数据库。该数据库是Access标准数据库。
系统软件包括网卡、交流采集前端和数据采集卡PCL-813B的初始化，读遥测遥信数据、读操作电源与控制电源的数据、读数与采集间隔时间设置、数据管理程序设计等。
5通信系统的设计
5.1硬件设计
通信系统的硬件设备主要是电力系统的专用调制解调器（Modem）。在使用时要注意：变电站端与调度端的调制解调器一定要用同一厂家同一型号的调制解调器，以保证正常通信。
（1）调制解调器的安装
工控机与Modem之间用电缆线连接。因Mo-dem的不同其接线方式也稍有差别。如DC6012SY型Modem，其电缆接线端为25针插头，连接时应将工控机端RS232接口的接线端2、3、5分别接至Modem端的接[1][2]下一页
