CN1382993A - 电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法及系统属于电网市电电压监测领域。其特征在于,它采用“录波器”算法对电压数据进行处理,它包含:读取一组电压数据,取中间数据计算基波幅值A,并判断A是否偏离超过偏差范围,若没有,则将数据向前滚动,再取相同位置的数据进行判断;若超过,则扩展缓存区,中间取数位置依次向后滚动,再重复进行判断。该系统是由信号调制板、A/D卡、计算机PC1和远程计算机PC2依次连接而成,其中,信号调制板包含两个变压器、两个可调比例放大电路和一个加法电路,其中加法电路的反向输入端分别通过电阻Rab和Rbc依次与可调比例放大电路和变压器相连。采用该方法可以节约内存和便于观察电压从正常到跌落再恢复正常的全部过程。
Description
技术领域
一种电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法及系统涉及到电网市电电压监测技术领域。
背景技术
电网电压瞬时跌落的问题在国外已经引起人们的高度重视，关于电网电压瞬时跌落的研究工作也取得了一定的进展，而在国内尚没有开展这方面的研究。综合已有的文献和专利，国外对电网电压瞬时跌落的研究主要集中在以下两个方面：
1.电压跌落信号的采集：这在国外的文献中比较常见，这方面的工作基本还是以理论性为侧重点，主要侧重于跌落信号的采集：
文献“Shyh-Jier Huang；Cheng-Tao Hsieh；Ching-Lien Huang“Application ofMorlet wavelets to supervise power system disturbance”.，IEEE Transactions onPower Delivery，Jan.1999，Volume：14 Issue：1235-243”是用小波(wavelet)方法进行采集信号的变换；
文献“Alves，M.F.；Fonseca，V.R.C.“Voltage sag stochastic estimate”Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2001 IEEE，vol.3 30Sept.-4 Oct.2001 On page(s)：1665-1669”是以电流为检测量进行电压是否跌落的判断。
这些文献虽然有创新，但是要真正推广为实用产品，还需要很多改进。
2.电压信号跌落的检测：在对相关文献的检索中，没有检索到关于电压跌落的监测方法，特别是电压数据处理方法方面的文献。
国外现有技术所采用的监测系统均由变压器、A/D转换卡、和PC机组成，而通过变压器得到的输出电压存在电压不稳定的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种能够有效识别电压跌落的电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法及系统，它通过变压装置将电网电压降为适合A/D卡输入范围的电压值，再经过A/D卡转换成数字量，输入到本地计算机PC1中进行数据处理，然后将数据传输到远程计算机PC2。
本发明所采用的方法，其特征在于：在PC1中所进行的数据处理方法是一种“录波器”算法，它含有以下步骤：
(1)程序初始化：
开辟可存储m个电压数据的缓存区a[]；
设标准电压为A0，A为电压基波幅值，电压偏离的允许偏差为ε；
用于计算基波幅值A的数据是处于缓存区中部的第p～第q位电压数据；
设允许电压连续偏离超过偏差范围的最多次数为J；
电压连续偏离超过偏差范围的次数为i；
修改定时器，实现采集周期定时；
(2)依次读取m-1个采集到的电压数据，存入a[1]～a[m-1]；
(3)继续读取一个电压数据，存入a[m]；
(4)取缓存区中部的数据a[p]～a[q]计算基波幅值A；
(5)判断电压偏离是否超过偏差范围，即A0-A＞ε？若A0-A＜＝ε，则电压正常，数据向前滚动一位，空出第m位；返回第(3)步执行；若A0-A＞ε，则该点电压偏离超过偏差范围，将缓存区向后扩展一位，读取新的电压数据存入缓存区最后一位；缓存区中部取数据的位置依次向后滚动一位，计算基波幅值A；返第(5)步；
(6)当电压连续i次偏离超过偏差范围后，又恢复正常，则判断i是否超过J次，即i＞J？；若i＜＝J，则将数据向前滚动i+1位，空出第m位，返回第(3)步；若i＞J，则调用外部网络时钟，保存时钟和数据a[1]～a[m+i]；
(7)将数据向前滚动i+1位，空出第m位，返回第(3)步。
上述“录波器”算法中，基波幅值A是通过对缓存区中部所取的数据进行低通滤波和傅立叶变换而得。
上述数据处理步骤中，还包括将保存的当前时钟和数据a[1]～a[m+i]传输到远程计算机PC2。
根据电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法所设计的系统，含有依次连接的变压装置、A/D卡、PC1计算机、与PC1计算机远程连接的PC2计算机，其中，变压装置的输入端直接连入交流电网，其特征在于：所述的变压装置是信号调制板，它含有两个变压器、两个可调比例放大电路和一个加法电路，其中加法电路的反向输入端分别通过电阻Rab和Rbc依次与可调比例放大电路和变压器相连。
实验证明，使用本发明所提供的电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法及系统达到了预期的目的。
附图说明
图1：是系统框图
图2：是主程序流程图
图3：是中断处理程序流程图
图4：是电压数据处理流程图
图5：是信号调制板电路原理图
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
如图1所示，电压经过信号调制板和A/D卡转换后，转换为数字量在PC1中进行处理，然后将处理后的数据远程传输到PC2上。整个过程是通过在PC1中，使用带网络支持的DOS操作系统下的Borland C语言开发软件实现的。
主程序和中断处理程序的具体步骤已在图2和图3中示出，这里不再重复，只对以下几点进行说明：
1、如图2所示：
程序开始进行初始化：
开辟可存储100个电压数据(即：m＝100)的缓存区a[]；
设标准电压A0＝380V，A为电压基波幅值，电压偏离的允许偏差为ε＝26.6V；
用于计算基波幅值A的电压数据是处于缓存区中部的第21～第40位电压数据(即：p＝21，q＝40)；
设允许电压连续偏离超过偏差范围的最多次数J＝19次；
电压连续偏离超过偏差范围的次数为i；
修改定时器8253，实现1ms定时采集；
需要说明的是，由于我国电网频率为50Hz，即每个周期20ms，为准确反映电压跌落情况，每半个周期最起码应采集10个点，因此，该系统必须实现1ms准确定时采集数据；对于允许电压连续跌落的次数设为19次，也是考虑到当电压连续跌落达到20次以上时，已达到或超过了一个周期，所以不能作为电压正常波动来处理。1ms准确定时是通过修改PC1中的计时器8253而实现的，由于PC机的系统时间是由8253定时器产生的，8253的时钟频率是1.19138MHz，PC1机BIOS数据区内的一个变量决定几个时钟周期产生一个时间脉冲，即日历计数。日历计数由8253的通道0发出，它每秒输出的脉冲数等于1193180除该通道的十六位计数寄存器的数值。PC1机初始设置通道0计数寄存器的数值是65535，这样一个时间脉冲的时间是65535/1193180，约为1/18.2秒。
改变通道0计数寄存器的初始设置值，如使计数寄存器数值为1193，定时间隔就可精确到1毫秒。对通道0计数寄存器编程的方法是先向端口43H送数值36H以选择通道0，然后，先后向端口40H送计数值的低字节和高字节。记录时间脉冲数的四字节变量地址是0040：006c，具体程序段为：
outp(0x43，0x36)；
outp(0x40，0xa9)；
outp(0x40，0x04)；
其中16进制数04a9等于10进制数1193。
由于通道0计数寄存器数值的改变会破坏PC机的系统时间。而保存采集数据的同时，要保存下故障发生的具体日期和时间，这就需要从外部为采集的数据提供标准时间，本例中是通过调用Net Time实现的(在图4所示数据处理流程图中)。
电压偏离的允许偏差为ε＝26.6V，是根据国标Gb12325-90《电能质量供电电压允许偏差》中的规定得到的。
2、如图3所示中断处理程序流程图
其中电压数据的采集是通过A/D卡来进行的，本例中选用的A/D卡是北京新科航公司的KH9252型。其跳线设置如下：
●关闭中断方式，只使用查询方式；
●根据信号调制板的输出电压范围，参照A/D卡用户手册中的“A/D卡的模拟量输入范围表”，选择硬件增益和信号极性。例：当信号调制板输出电压在-2.5～2.5V之间时，故选择硬件增益为1，电压范围0～10V，双极性输入，输入信号范围为-5～5V；
KH-9252卡配有进行再开发的C语言函数库，当1ms定时中断响应时，调用C语言API(应用编程接口)，完成如下功能：
●调用KH9252_Initial函数。该函数根据卡号和相应的基地址初始化KH-9252卡；
●调用KH9252_Channel_Select函数。选择进行A/D转换的通道；
●调用KH9252_Azpoll函数。完成选定通道的A/D转换，通过查询标志位，读取12BitA/D转换结果。
3、如图4所示电压数据处理流程图
在主程序中已对各变量进行了初始化，这里引用具体数据并根据流程图对各步骤进行说明。
(1)依次读取99个电压数据，并存入a[1]～a[99]；
(2)继续读取一个电压数据，存入a[100]；
(3)取缓存区中部的数据a[21]～a[40]，计算出基波幅值A；
(4)判断电压偏离是否超过允许偏差范围，即A0-A＞ε？若A0-A＜＝ε，则电压正常，将数据向前滚动一位(滚动是通过a[1]＝a[2]，a[2]＝a[3]……a[99]＝a[100]实现)，这样即空出了缓存区的第100位，然后返回(2)；
若A0-A＞ε，则电压偏离超过允许偏差范围，累计电压连续跌落超过偏差范围的次数i(即i＝i+1)；将缓存区向后扩展至100+i位，读取新的数据，存入a[100+i]；将缓存区中部取数的位置依次向后滚动，取数的位置变为a[21+i]～a[40+i]，取得的数用于计算基波幅值A；返回步骤(4)；
(5)电压经过i次连续偏离超过偏差范围后，又恢复正常(即又恢复到A0-A＜＝ε)，则判断i是否超过J次？
若i＜＝J，则属于正常干扰，将数据向前滚动i+1位(滚动通过a[1]＝a[2+i]，a[2]＝a[3+i]……a[99]＝a[100+i]实现)，丢掉前面的i+1个数据，使缓存区恢复到99位，空出第100位，返回第(2)步；
若i＞J，则作为电压跌落，调用Net Time指令，确定网络时钟，保存时钟和数据a[1]～a[100+i]；
(6)将保存的数据通过网络传输到远程计算机PC2；
(7)将PC1中的数据向前滚动i+1位，丢掉前面的i+1个数据，使缓存区恢复到99位，空出第100位，返回第(2)步；
上述“录波器”算法中，基波幅值A是通过将缓存区中部的数据进行低通滤波和傅立叶变换而计算得到的。其中数字低通滤波(FIR)的目的是为了除去所采集的数据中的高频干扰信号，减小后继计算以及数据的判断误差。FIR滤波器的设计包括三个步骤：
●给出所需要的滤波器的技术指标：如，阶数N，截止频率ωp
●设计一个H(z)(滤波器的传递函数)使其逼近所需要的技术指标。本例中使用Matlab5.0中自带的FIR1函数，需要的参数为：阶数N和截止频率参数Wn(Wn＝通带截止频率/采样频率的一半)
●实现所设计的H(z)
对电压数据进行傅立叶变换(DFT)，取出电压基波，进而计算基波有效值。可以在计算机上来利用DFT实现信号的频谱分析。对于每一个采集的点，将它与其前面19个点(即a[21]～a[40])一起构成一个周期，进行DFT变换，进而计算出基波幅值。
上述“录波器”算法中，网络传输数据是在PC1中的纯DOS操作系统下用如下方法实现的：
●安装好网卡(正确配置网卡的DMA、IRQ、I/O及网络接口类型)。
●在DOS下安装MS LAN Manager。
①自动检测网络配置；
②自动拷贝软件；
③为每个DOS工作站和工作组命名；
④选择网卡类型；
⑤选择需要添加的网络协议。选择Microsoft TCP/IP和NETBeui协议；
⑥自动修改DOS根目录下的CONFIG.SYS和AUTOEXEC.BAT文件以自动配置网络启动文件；
●重新启动计算机，在MS LAN Manager软件目录下修改PROTOCOL.INI文件如下：
指定IP地址：IPaddress＝*** *** *** ***
指定掩码：subNETMask＝*** *** *** ***
设DHCP无效：DisableDHCP＝1(0有效，1无效)
修改好后存盘退出。
●再次重新启动计算机，使用软件自带的NET指令完成所需网络工作：
①NET LOGON：登录网络
②NET USE g：\\servername\sharename：可以将局域网内的PC2(servername)中的共享目录(sharename)映射成本地驱动器(g：)，这样在本地保存完数据后，使用copy命令便可方便的将数据传输到远程。
③Net Time：在定时中断部分，修改了8253定时器。使用Net Time指令，在每次保存数据以前先从计算机PC2(此时可作为时钟服务器)读取当前时间，并保存。
●当PC1和PC2处于不同局域网时，需要在PC1中修改lmhosts和hosts两个文件，将PC2的IP地址加在两个文件的最后。
●接收数据的PC2运行于Windows操作系统下，它主要完成：
①对于接收的每一组数据，运行预处理程序，将各路数据分离，将电压波形和有效值分离；
②使用Matlab，读取分离后的数据，可分别画出直观的电压波形图和有效值变化图。
从上述电压数据处理的“录波器“算法可以看出，这种的算法的优点是：
(1)由于是一种滚动录波，开辟的缓存区较小，可以有效的节约内存的占用。
(2)每次处理、判断的数据都处于缓存区的中部(a[40]、a[41]……)，这样，坏数据前面四十个点(2个周期)和后面六十个点(3个周期)的数据将自动保存下来，便于观察电压从正常到跌落再恢复正常的全部过程。
(3)缓存区可以扩展，这样当出现较长时间电压偏离超过偏差范围时时，可以一次保存下全部过程。
本发明所提出的电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法可同时对两路电压进行监测，只需另开辟一个缓存区，并用同样的方法进行电压跌落的判断即可。
根据电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法所设计的系统包括信号调制板、A/D卡、计算机PC1和PC2。如图5所示：信号调制板的两个变压器T1和T2的输入端分别接三相交流电网的任意两路电压，本例接Uab和Ubc，经过变压器降压后，两路电压又分别经过两个可调比例放大电路UA和UB，最后得到更加精确稳定的两路符合A/D卡输入范围的电压Eab和Ebc，Eab和Ebc同时又经过加法电路UC的相加，得到符合A/D卡输入范围的电压Eac，A/D卡可对Eab、Ebc和Eac中任意两路电压进行采集，从而使系统能够对两路电压同时进行监测。在本例所用的信号调制板中，运算放大器的型号均为LF347。
Claims (4)
1、一种电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法，是通过变压装置将电网电压降为适合A/D卡输入范围的电压值，再经过A/D卡转换成数字量，输入到本地计算机PC1中进行数据处理；
其特征在于，在PC1中所进行的数据处理方法是一种“录波器”算法，它含有以下步骤：
(1)程序初始化：
开辟可存储m个电压数据的缓存区a[]；
设标准电压为A0，A为电压基波幅值，电压偏离的允许偏差为ε；
用于计算基波幅值A的数据是处于缓存区中部的第p～第q位电压数据；
设允许电压连续偏离超过偏差范围的最多次数为J；
电压连续偏离超过偏差范围的次数为i；
修改定时器，实现采集周期定时；
(2)依次读取m-1个采集到的电压数据，存入a[1]～a[m-1]；
(3)继续读取一个电压数据，存入a[m]；
(4)取缓存区中部的数据a[p]～a[q]计算基波幅值A；
(5)判断电压偏离是否超过偏差范围，即A0-A＞ε？若A0-A＜＝ε，则电压正常，数据向前滚动一位，空出第m位；返回第(3)步执行；若A0-A＞ε，则该点电压偏离超过偏差范围，将缓存区向后扩展一位，读取新的电压数据存入缓存区最后一位；缓存区中部取数据的位置依次向后滚动一位，计算基波幅值A；返第(5)步；
(6)当电压连续i次偏离超过偏差范围后，又恢复正常，则判断i是否超过J次，即i＞J？；若i＜＝J，则将数据向前滚动i+1位，空出第m位，返回第(3)步；若i＞J，则调用外部网络时钟，保存时钟和数据a[1]～a[m+i]；
(7)将数据向前滚动i+1位，空出第m位，返回第(3)步。
2、如权利要求1所述的一种电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法，其特征在于：在所述“录波器”算法中，基波幅值A是通过对缓存区中部所取的数据进行低通滤波和傅立叶变换而得到。
3、如权利要求1所述的一种电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法，其特征在于：在所述数据处理步骤中，还包含将保存的当前时钟和数据a[1]～a[m+i]传输到远程计算机PC2。
4、根据权利要求1所述的一种电网市电电压瞬时跌落的远程监测方法所设计的系统，含有依次连接的变压装置、A/D卡、PC1计算机，其中，变压装置的输入端直接连入交流电网；其特征在于：所述的变压装置是信号调制板，它含有两个变压器、两个可调比例放大电路和一个加法电路，其中加法电路的反向输入端分别通过电阻Rab和Rbc依次与可调比例放大电路和变压器相连。
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