设计方法。设计大型电网能耗监测数据采集系统，负责大型电网能耗信息信号的采集、处理和与上位机系统的通信和数据传输；设计窄带匹配变压器和功率放大器，通过窄带匹配变压和功率放大混合调制实现对电网功耗的数据滤波和信号检测；基于DSP信号处理芯片，在CCS 2.20开发平台下进行大型电网能耗监测的平台集成编译、接口连接、调试及仿真。实验结果表明，该系统能有效实现对大型电网能耗的主动监测和参量估计，在微控制器单元上实施数字控制，通过比较能耗监测图对应的幅频值，该方法具有较好的能耗监测阶跃响应性能，频谱失真较少，能耗监测的收敛性和稳定性较好。
关键词： 大型电网； 能耗； 自动监测； 系统设计
中图分类号： TN98⁃34； TM762 文献标识码： A 文章编号： 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
电网是保障国家和人民生产生活的重要基础设施，需要保障大型电网的稳定可靠和安全运行。大型电网设备由变电、配电、用电各个单元组成，通过电力发电和电能传输，构成了大型电网输电配电系统的整体功能。大型电网的能耗监测是保障电能优化调度和使用的重要环节。通过对大型电网的能耗监测，把发电厂的发电量和电网中枢节点的负荷联系起来，实现对电能的优化利用与调度，因此，研究大型电网能耗自动监测模块的设计具有重要意义[1]。
随着半导体工艺和自动控制技术的不断发展，采用集成芯片和嵌入式设计方法设计大型电网能耗自动监测系统成为发展趋势。基于集成数字信息处理芯片的系统设计具有损耗小、效益高、灵活方便和控制便利的优点[2]，在大型电网的监测系统设计中具有广泛的应用。在传统的大型电网能耗自动监测模块和系统设计中，采用周期性信号检测方法，结合FPGA逻辑控制敏感器件，通过对大型电网能耗数据的集控制、通信和智能计算[3]，实现对大型电网能耗信息的快速感知和监测。其中文献[4]采用基于粒子滤波的大型电网能耗过程控制方法实现对能耗监测，设计大型电网的能耗过程控制硬件系统，提取影响控制精度的热噪声干扰信号模型，提高大型电网的能耗监测精度，但是该方法在能耗过程控制中需要对写信号进行功率损耗测量，导致能耗数据读取出现误差，性能不好。文献[5]采用本机振荡调幅发射电路设计方法，结合Mux101多路开关选择实现对大型电网能耗控制和预测，该系统必须给每个电网能耗稳压芯片加散热块来散热，导致供电电压互相干扰，出现热噪声，对大型电网能耗的自动监测性能不好[6⁃9]。
1 系统设计总体构架和技术指标
大型电网能耗监测的总体设计框图如图1所示。
图1 大型电网能耗监测的总体设计框图
大型电网能耗监测系统可以进行功能数据采集，能耗监测、信号分析和频谱分析等工作。它是一个宽带系统，包括大型电网能耗信息收发转换电路、能耗数据的模拟信号预处理机、数据采集系统、功率放大器等部分。
2 系统模块设计与实现
2.1 大型电网耗能自动监测的硬件模块设计
因采用并口进行数据传输，在对系统进行监测时，应对8位二进制数据进行操作。电网能耗监测电路主要是对写信号进行功率损耗测量处理，其构成主要有加法电路、计数电路、555多频振荡器和缓存电路等。基于上述设计思路得到电网能耗监测的数据采集系统电路结构框图如图2所示。电网能耗监测静态功耗和动态功耗存在差异性，具有进行D/A转换处理功能。当前方法是给每个电网能耗稳压芯片加散热块散热，导致供电电压互相干扰，能耗监测的窄带匹配变压和功率放大混合调制流程见图3。
图2 电网能耗监测的数据采集系统电路结构框图
图3 能耗监测的窄带匹配变压和功率放大混合调制流程
窄带匹配变压和功率放大混合调制电路主要是对读信号进行宽带阻抗匹配处理，以便微处理器能够识别读到的信号，其主要由减法电路、计数电路、555多频振荡器电路和缓存电路等组成。在设计硬件时，使用低功耗技术，主要体现在元器件和芯片的选型和选择上，采用STM32F101xx芯片设计功耗监测的功率放大电路。在设计时，将STM32F101xx给予相应的晶振和调谐电路，且对端口进行分配，由于功率放大器系统的动态功耗与[ITC]，[CT]和[fp]相关，将TRF7960的I/O_0～I/O_7作为并口输入/输出端，得到电网能耗监测的功率放大模块设计电路如图4所示。
图4 电网能耗监测的功率放大模块设计电路
图4中，电网能耗监测的阻抗能等效成并联回路，此时负载仅为G，电网输出能耗[PL=V20⋅G]。负载功率[PL]的线性变化能使有用功率输出达到最大，高频端呈感性。在上述设计的数据信号采集系统、窄带匹配变压器和功率放大器的基础上，实现大型电网能耗信息信号的采集、处理和与上位机系统的通信和数据传输。设计PCI接口，通过窄带匹配变压和功率放大混合调制实现对电网功耗的数据滤波和信号检测，假设EPM7128
AETI100的供电电压是3.3 V，在EPM7128AETI100上连入各芯片的读写信号，用DDS（直接数字合成）技术芯片AD9850作为CPU数字处理中心，实现整个电网能耗自动监测模块的硬件设计。
2.2 系统软件设计
基于DSP信号处理芯片，在CCS 2.20开发平台下进行大型电网能耗监测的平台集成编译、接口连接和软件设计。电网能耗自动监测的软件模块主要包括DSP中断、电网能耗数字滤波、电网能耗信号检测和自动增益控制、A/D、D/A转换等，系统的DSP信号处理程序使用ASM语言编写，在PC机上模拟DSP的指令集进行系统通信，基于上述硬件设计，得到大型电网能耗自动监测的编辑、编译和链接过程如图5所示。
图5 大型电网能耗自动监测的编辑、编译和链接过程
2.3 程序源码的实现
部分程序实现如下：
module MultihopMySoftC {
uses {
interface SplitControl as RadioControl；
//用来启动文本编辑器
interface StdControl as RoutingControl；
//是用来启动汇编器
interface Send；
interface Receive as Snoop； //是用来启动连接器
interface Receive； //是用来启动程序调试器
interface CollectionPacket；
interface RootControl； //是用来启动监控程序
…… } }
3 仿真实验
为了测试本文设计的大型电网能耗自动监测模块的性能，进行仿真实验和系统综合调试与测试。通过程序加载和硬件系统调试，把电网能耗采集数据在IDT70V28中分成高、低2个32 kW空间，当低32 kW时A15为“0”，当高32 kW时A15为“1” ，系统供电采用3～3.6 V 单电源工作，采用两个120 Ω终端匹配电阻作为主处理器的中断电阻，选用MAX3491，数据存储选用CF卡，电网能耗监测系统的输出压电电压[E=vl×B]。电网能耗优化后效率为96%，输出转矩为10 N·m，电网能耗监测控制模块的宿主机安装了Windows 7系统，模拟100个能耗监测的请求任务，过程控制信号分为56帧，Slice寄存器的总数量为204，能耗控制的帧长[L=512]点，在上述仿真环境设计的基础上，采用本文设计系统进行电网能耗监测，得到监测器控制面板上输出的电网能耗调度和监测输出如图6所示。
图6 电网能耗监测输出界面
由图6可知，采用本文设计系统能有效实现对大型电网能耗的主动监测和参量估计，在微控制器单元上实施数字控制，通过比较能耗监测图对应的幅频值，通过本文方法，基于窄带匹配变压和功率放大混合调制，补偿 [195：255]点和[1 745：1 805]点之间畸变的频谱，提高能耗监测的准确性。分析系统阶跃响应，得到结果见图7。采用本文方法具有较好的能耗监测阶跃响应性能，频谱失真较少，能耗监测的收敛性和稳定性较好。
图7 能耗监测阶跃响应性能分析
4 结 语
提出一种基于窄带匹配变压和功率放大混合调制的大型电网能耗自动监测模块设计方法。实现电网能耗信息信号的采集、处理和与上位机系统的通信和数据传输，在此基础上设计窄带匹配变压器和功率放大器，通过窄带匹配变压和功率放大混合调制实现对电网功耗的数据滤波和信号检测。基于DSP信号处理芯片，在CCS 2.20开发平台下进行大型电网能耗监测的平台集成编译、接口连接、调试及仿真。通过系统设计和仿真实验表明，采用该方法进行大型电网能耗自动监测，具有较好的性能，展示了较好的应用价值。
参考文献
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