一种光纤物联网智能终端的制作方法

本申请涉及电力技术领域，尤其涉及一种光纤物联网智能终端。

背景技术：

伴随着智能电网“信息化、自动化、互动化”的发展趋势，国内外从政府到电力企业都在积极推进智能电网的研究和建设，以加快其电力能源供应与信息融合，实现电网和用户的双向互动。

2009年，电力光纤到户关键技术取得重大突破，世界上第一条用于商业运营的光纤复合低压电缆研制成功，它集光缆、电力输电缆于一体，支持多种传输技术。作为一个刚刚研制成功的新生事物，光纤复合低压电缆的稳定性、耐受性还有待检验。为此，业内有公司搭建了一种“智能电网电力光纤到户系统测试”平台，建成电力光纤到户技术实验室，开展光纤复合电缆的组网方式、基于以太网方式的无源光网络光传输设备性能和“三网融合”业务应用等实验室模拟测试。经过测试，采用光纤复合低压电缆和基于以太网方式的无源光网络技术的电力光纤到户系统，已实现基于光纤的远程用电信息采集功能及承载“三网融合”功能，呈现出良好的稳定性。

但是，目前还没有专门的设备能够实现快速、实时、高精度地对电网的运行状态进行在线监控。

技术实现要素：

本申请提供一种光纤物联网智能终端，以解决现有技术无法实现快速、实时、高精度地对电网的运行状态进行在线监控的问题。

本申请实施例提供一种光纤物联网智能终端，包括：

中央控制单元、信号采集单元、通信传输单元以及动作控制单元；

所述中央控制单元包括计量微控制单元以及控制微控制单元，所述中央控制单元与所述控制微控制单元之间通过通用同步异步收发器进行通信，所述计量微控制单元与所述信号采集单元连接，所述控制微控制单元分别与所述通信传输单元以及所述动作控制单元连接。

可选的，所述信号采集单元包括电压电流传感器、调理放大电路以及ad采样芯片，所述电压电流传感器与所述调理放大电路连接，所述调理放大电路与所述ad采样芯片连接，所述ad采样芯片与所述计量微控制单元连接。

可选的，所述电压电流传感器的精度为1％。

可选的，所述ad采样芯片为16位ad采样芯片。

可选的，所述通信传输单元包括phy芯片和光线接口，所述phy芯片与所述控制微控制单元连接，所述光线接口与所述phy芯片连接，工业以太网交换机与所述光线接口连接。

可选的，所述控制微控制单元通过移植轻量tcp/ip协议lwip实现以太网数据高效快速收发。

可选的，所述动作控制单元由继电器及i/o接口构成。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供的一种光纤物联网智能终端，包括：中央控制单元、信号采集单元、通信传输单元以及动作控制单元；中央控制单元包括计量微控制单元以及控制微控制单元，中央控制单元与控制微控制单元之间通过通用同步异步收发器进行通信，计量微控制单元与信号采集单元连接，控制微控制单元分别与通信传输单元以及动作控制单元连接；本申请实施例的光纤物联网智能终端，能够实现快速、实时、高精度地对电网的运行状态进行在线监控，实现了对电网电气信号的精确采集，从采样数据中精确快速的获取监测点运行状态信息，通过光纤通信技术实现监测数据可靠实时地传输至中央决策单元，能够满足未来电网实时快速控制的要求，具备广阔的应用前景，同时也具备应用到其他类型包含分布式发电的主动配电网系统监测与数据采集的潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光纤物联网智能终端的结构图。

图2为本申请实施例提供的一种光纤物联网智能终端的信号采集单元的结构图。

图3为本申请实施例提供的一种光纤物联网智能终端的通信传输单元的结构图。

图4为本申请实施例提供的dq旋转坐标系下三相电压矢量相位图。

图5为本申请实施例提供的三相锁相环实现原框图。

图6为本申请实施例提供的三相锁相环系统控制框图。

图7为本申请实施例提供的锁相环系统波特图。

图8为本申请实施例提供的优化后的锁相环在相位和频率突变时的相位跟踪性能。

图9为本申请实施例提供的优化后的锁相环在三相不平衡时的频率相位测量性能。

图10为本申请实施例提供的主动孤网时监测得到的联络线有功变化曲线。

图11为本申请实施例提供的主动孤网时监测得到的联络线无功变化曲线。

图12为本申请实施例提供的主动并网时监测得到的电网频率变化曲线。

图13为本申请实施例提供的主动并网时监测得到的电网电压变化曲线。

具体实施方式

请参阅图1，本申请实施例提供一种光纤物联网智能终端，包括：中央控制单元1、信号采集单元2、通信传输单元3以及动作控制单元4。

其中，中央控制单元1作为系统控制和运算核心，完成模块管理和数据处理任务。所述中央控制单元1包括计量微控制单元11以及控制微控制单元12，所述中央控制单元1与所述控制微控制单元12之间通过通用同步异步收发器(usart)进行通信，所述计量微控制单元11与所述信号采集单元2连接，所述控制微控制单元12分别与所述通信传输单元3以及所述动作控制单元4连接。

通信传输单元3以及动作控制单元4对响应速度有较高要求，但一般不涉及复杂数据运算，对处理器资源消耗低；而信号采集单元2采集的采样数据需通过复杂运算得到运行状态参数，消耗大量处理器资源。基于以上考虑，中央控制单元1采用双微控制单元(英文：microcontrollerunit，缩写：mcu)结构设计，其中计量微控制单元11专门负责采样数据处理及电量计算，控制微控制单元12负责对计量mcu和其他功能单元进行综合管理，两个mcu间通过高速usart口进行通信，该方案能够同时满足数据传输和动作控制的实时性，可快速、精确地获得电能计量结果。

如图2所示，所述信号采集单元2包括电压电流传感器21、调理放大电路22以及ad采样芯片23，所述电压电流传感器21与所述调理放大电路22连接，所述调理放大电路22与所述ad采样芯片23连接，所述ad采样芯片23与所述计量微控制单元11连接。

信号采集单元2完成对监测点电气信号的采样，设计时同时考虑采样精度和响应速度的提高，采用低时延、高精度的电压电流传感器21实现强电到弱电信号的变换，在本实施例中，所述电压电流传感器21的精度为1％。电压电流传感器21采集的数据经过调理放大电路22作用后，由16位高精度ad采样芯片23实现同步快速采样，所述计量微控制单元11通过并口读取采样结果。

如图3所示，所述通信传输单元3包括phy芯片31和光线接口32，所述phy芯片31与所述控制微控制单元12连接，所述光线接口32与所述phy芯片31连接，工业以太网交换机33与所述光线接口32连接。

通信传输单元3实现将监测点状态信息快速上传至决策单元，由于电网决策单元一般远离发电现场，为满足其获得的监测数据的实时性，采用光纤以太网实现数据的高速可靠传输。光纤以太网具备高效性、高安全性和传输距离长等特点，能很好的解决远距离监测结果实时传输的问题。同时其“即插即用”的特性能够满足电网在任意时刻对任意节点实施监测的要求。所述控制微控制单元12通过移植轻量tcp/ip协议lwip实现以太网数据高效快速收发。

所述动作控制单元4由快速响应的继电器及i/o接口构成，能够辅助决策单元远程控制电力设备，实现故障单元切除、设备运行模式选择、静态开关控制等功能。

通过信号采集单元2获得采样数据后，需要在计量微控制单元11中实现电能计量，快速获得监测点的运行参数，一般包括电压电流模值、有功及无功功率、电压频率和相位信息等。其中电压信号频率和相位的获得对电网内功率器件的通断控制、孤岛到并网模式切换等过程的实现有着至关重要的作用，同时还可以为其他电能参数的计算提供基准。

传统过零检测获取频率相位的方法实现简单，但由于一个工频周期内仅存在两个过零点，动态性能差，同时算法精度也易受谐波、直流偏移的干扰。本申请采用三相锁相环方法，实现了干扰情况下的频率相位精确测量，并通过正负序分离方法对算法在三相不对称情况下的性能进行了优化。以此为基准，计算得到其他所需电能参数。本申请还针对算法在微处理器上的软件实现进行了执行速度上的优化处理。

三相锁相环综合利用三相电压相位信息，将电压合成矢量us在dq旋转坐标系下进行矢量分解，如图4所示，在us幅值不变情况下，q轴电压分量大小反映了旋转坐标系和合成矢量us间的相位关系。当usq<0时d轴超前于us，当usq>0时d轴滞后us，在usq＝0时d轴与us实现相位同步。因此三相锁相环通过控制电压矢量q轴分量usq为0，可以实现对输入电压信号的相位和频率跟踪。

三相锁相环的具体实现过程如图5所示，通过带pi控制器的闭环实现稳态下usq无差跟踪给定值0。pi控制器的输出为频率误差δω，与理论频率相加后经过积分环节得到实际三相电压相位信息。

为了对三相锁相环的性能进行分析，将图5转化为图6所示的系统控制框图。对三相电压进行标幺化处理，采样延时环节用一阶惯性环节近似。

可以得到系统的闭环传递函数为：

实际采样频率为6400hz，根据控制理论优化pi参数选择得到kp＝200,ki＝60，系统波特图如图7所示。从图7可以看出三相锁相环系统稳定，且具有低通特性，对高频谐波干扰具有很好的抑制作用。但在三相电压不对称情况下，基波负序分量在dq坐标系下以-ω频率反向旋转，使锁相环含有2次谐波。上述系统对该频率干扰没有很好的抑制效果，如果增加低通滤波器，则会影响系统的动态性能和稳定性。为此本文采用基于延时信号消除的正负序分离方法对三相锁相环进行优化。

根据图4的相位图，当存在负序分量时，静止坐标系下电压合成矢量可表示为：

式中，分别为正负序分量幅值，为负序分量起始相角。根据如下述式(3)的三角函数半波特性，结合uαβ(t)与uαβ(t-t/4)表达式以得到式(4),从而实现将正序分量从输入电压信号中剥离。

0.5(e^jωt+je^j(ωt-t/4))＝e^jωt(3)

使用该方法优化后的锁相环实现简单，且具有良好的谐波抑制特性和抗三相不平衡能力，同时具备快速响应速度。

在t＝1s时刻输入电压相位发生π/2的突变，t＝1.15s时输入电压频率从50hz突变到55hz，从图8可以看出采用的优化锁相环算法在频率和相位突变时具有快速跟踪速度和高测量精度。

在t＝1s时刻，c相电压发生跌落，产生三相不平衡情况，从图9可以看出经正负序分离法优化后的锁相环仍然能够准确获取输入电压信号的相位和频率。

在三相锁相环实现相位跟踪后，可根据式(5)计算得到基波电压、电流模值和监测点流过的有功及无功功率：

p＝ud*id+uq*iq

q＝uq*id-ud*iq(5)

将上述电能参数计算原理在计量mcu中通过软件实现。实现过程需要充分考虑算法的实时性，对算法执行时间进行优化。主要从以下几方面进行：

由于锁相环需要大量的三角函数运算，执行周期长，为此采用查表法配合中值插入法以快速得到三角函数运算结果。程序构建0-90度正弦函数表，计算三角函数时先变换到0-90度表区间，查表找到角度对应的表中位置，采用中值插入法完成最后计算。

对于开方运算采用牛顿-拉夫逊算法实现，并在迭代初值选择上进行优化，使初值逼近精确解，从而大大加快算法的迭代过程，快速得到精确计算结果。

在完成智能终端软硬件实现后，采用华立电表的专业校正实验台得到其电能参数计量误差：频率测量误差为0.1‰，电压、电流模值测量误差在0.2％以内，功率测量误差在0.5％以内。监测数据通过光纤传输的延时保持在0.2ms以内。

将智能终端用于“多可再生能源发电和并网技术研发平台”，取代传统ems进行电网孤岛并网模式切换实验。智能终端监测pcc点两侧状态，并控制pcc点静态开关完成并网及离网切换操作。

主动孤网实验决策单元根据智能终端实时监测数据，将联络线功率控制为零，之后控制智能终端继电器动作单元断开pcc点开关。图10和图11分别是主动孤网过程中联络线有功无功变化曲线。可以看出，整个过程可在数秒内完成，产生冲击小、控制精度高。主动并网实验中电网先将电压指令从220v变为跟踪主网电压，频率调至50.1hz，随后启动同期指令。根据智能终端监测数据，在电网和主网电压实现同步时，控制智能终端继电器动作单元闭合pcc点开关，实现并网操作。图12和图13分别是并网过程中电网频率和电压变化曲线，可以看到通过智能终端的监测和控制作用，能够实现电网的快速并网操作。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。