综合监测单元

2024-06-08

综合监测单元（精选四篇）

综合监测单元篇1

数据中心供电电源质量的好坏直接影响到IT设备的安全运行,因此对数据中心列头柜电源进出线实行监测非常重要。另外,随着全球可用能源的减少以及能源成本的提高,如何更加经济和有效地使用能源已成为相关企业责无旁贷的责任。

针对数据中心列头柜对于监测装置的要求,我们设计了PMAC201精密配电监测单元来实现对两路进线、多路出线的电参数及进出线开关状态等实现全面的监测。

1 监测系统图

如图1所示,主机模块测量两路进线、多路出线的电参量及开关状态,通过安装于前面板上的显示终端可查看进出线的测量数据和开关状态,并可设定设备的参数及整定值等。所有的数据可通过RS485口上传至通讯管理机,通讯管理机通过以太网将数据打包上传至Smart PM2000配电管理系统,从而实现了对列头柜和其他设备的集中监测。再配合能效管理软件,可对配电进行优化调节,达到节能降耗的目的。

2 功能特点

2.1 全方位多回路监测

PMAC201精密配电监测单元可监测两路进线、多路出线的电气参数。进线的电气参数包括相电压、相电流、相最大电流、电流不平衡率、分相有功、总有功、总功率因数、频率、总有功电度。

出线的电气参数包括电流、最大电流、有功、功率因数、有功电度。

2.2 测量精度高

采用0.2级的电流互感器,对于出线回路,可测量电流低至0.2A。

2.3 需量统计

对于进出线进行需量统计,包括电流需量、最大电流需量;有功需量、最大有功需量。

2.4 谐波测量功能

可测量进线的电压和电流谐波。

2.5 分级报警功能

对进线电流、电压、零序电流及每个出线回路的电流都做了两级报警处理,可对故障起到预防作用,便于预先采取相应措施。所有的报警值都可以通过HMI进行快速的设定。

大容量的报警信息存储功能,可通过显示终端查看报警记录。

2.6 模块化设计安装灵活

集中式CT设计,便于快速安装。可根据需要来决定是否选择开关量测量模块。

2.7 人性化设计操作简洁

采用7"人机界面,可视性和可操作性好。如图2所示:

2.8 标准通讯接口

标准的RS485接口,Modbus-RTU协议,可与机房动力环境监控系统等连接,实现数据上传功能。

3 产品应用

某集团公司数据中心设计为两层,每层建筑面积约3万m2。分为A、B两路电源,每路18个共36个交流列头柜,单个列头柜出线回路从23〜51不等。要求如下:对进线回路的电压、电流、频率、功率、电能、需量等参数及开关状态和出线的电流、功率、电能、需量等参数及开关状态等显示并上传。

在此项目初期采用了目前常用的一个方案,对列头柜的进线安装三相电力仪表,采集电参数及开关状态;出线安装多个三相/单相电力仪表,测量电参数,并安装多个开关量设备采集出线开关状态,采用HMI来显示和上传数据。在对此方案进行评审的过程中发现了两个问题,第一是由于采用的设备太多将导致列头柜的宽度由600mm变为1000mm;第二是列头柜内的监测设备的成本将占整个列头柜成本的1/3。珠海派诺的PMAC201作为另外一个方案与前一个方案作了比较,首先解决了列头柜宽度的问题,PMAC201可安装于宽度为600mm的柜子内,其次是监测设备的成本只占整个列头柜成本的1/4。最终在此项目采用了PMAC201作为交流列头柜的监测设备,并采用Smart2000作为配电管理系统的解决方案。

4 结束语

列头柜的进出线监测在目前的数据中心动力环境监测系统中,所采用的是用普通的配电仪表搭建起来的方案,此方案由于会用到多台甚至几十台仪表,因此将占用较大空间,在功能和性能上也满足不了目前的需求。而PMAC201是专门针对数据中心交流列头柜而开发设计的,对此类产品的应用做了深入的研究,从功能、性能、可用性、经济性等方面都优于其他方案。

摘要：本文着重阐述了精密配电监测单元的功能和特点,可测量两路进线及多路出线的电气参数及开关状态。通过显示终端可查看各种数据及参数整定,可通过标准的通讯接口连接至数据中心动力环境监控系统,从而实现对列头柜的进出线全方位的监测。

关键词：数据中心,多回路监测,分级报警,数据上传

参考文献

综合监测单元篇2

超导磁体相对于常规磁体而言，具有励磁线圈电流密度大、电流稳定性高、功耗小、体积小和运转费用低等优点，可满足用户对磁场高强度、高均匀度和高稳定度等性能的要求，在科学研究、医疗诊断、交通运输和电力系统等领域有着广阔的应用前景，其中采用了超导磁体的核磁共振(NMR)谱仪和磁共振成像(MRI)仪更是发展形成了一个产值巨大的市场.随着国民经济和科教医卫事业的迅速发展，我国对超导 NMR 和 MRI仪器设备的需求也在飞速增长，但是这些仪器设备的核心技术与制造基本上控制在少数发达国家手中，为了打破国外的技术垄断并满足国内市场的巨大需求，我国科研机构目前正在积极开展超导仪器设备的自主创新研制.液氦和液氮的液位测量原理

1.1 液氦液位的测量原理

液氦的测量使用电阻式传感器，其测量原理如图 1 所示.使用一根铌钛超导丝制成的液位传感器插入液氦中，其中 I+端和 I-端连接电流源的正负极，V+端和 V-端输出超导丝的电压.测量时，浸没在液氦中的那部分超导丝呈超导态，电阻为 0;而液面之上的超导丝由于加热电阻的作用呈正常态.通过测量传感器的电阻变化量，即可检测液氦液面的变化.1.2 液氮液位的测量原理

液氮的测量使用电容式液位传感器，其测量原理如图 2 所示，电容传感器由两个同轴不锈钢管构成，中间使用聚四氟乙烯绝缘材料固定两个管子的位置，外管的管壁上开有若干流通孔，使液氮能在电容传感器中自由流入或流出.由于空气和液氮的介电常数不同，当液位变化时，传感器的电容量也相应变化，可以检测出液位的变化.液位监测单元的硬件设计

2.1 硬件整体设计

液位监测单元的硬件整体架构如图 3 所示，液位监测单元硬件电路主要由模拟信号处理电路和以 STM32ARM 微控制器为核心的控制系统组成.2.2 压控电流源的设计

为了适应不同规格的电阻传感器对电流源的需求，由微控制器所产生的 PWM 输出经过光耦合器的隔离耦合以及比较器的缓冲后，再经过低通滤波后输出一个直流电压以控制电流源.2.3 电压-频率转换电路

电压-频率转换电路的原理图如图 5 所示，电阻式传感器提供的电压经由接口 V+和V-进入电压-频率转换器 TC9400 的 3 脚和 7 脚，然后在 8 脚输出相应的频率 FREQ_OUT，输出频率经过光耦的隔离耦合后进入微控制器进行处理，从而计算出液氦的液位.2.4 电容-频率转换电路

电容-频率转换电路的原理图如图 6 所示，采用 INTERSIL 公司型号为 ICM7555 的555 定时器构建一个经济实用的电容-频率转换电路.电容传感器的两个极板分别连接P1 和 P2 接口，接口 PL1，PL2 和 PL3 分别接供电电源、频率输出和地，由电阻 R2和电容构成积分电路，并周期性对电容进行充放电，使得电容上的电压在门限电压上下反复震荡，通过 555 定时器内部的比较器和触发器的工作，可以在输出管脚得到相应的脉冲波形.2.5 微控制器系统设计

以 STM32F103 微控制器作为控制核心，对模拟接口电路输出的频率信号进行处理，并通过脉冲宽度调制(PWM)为压控电流源提供输入脉冲，通过 CAN 总线与上位机进行通信，液氦和液氮的液位信息在微控制器内进行计算，其结果在 LED 数码管上显示，并且在液位低于安全位置时，通过蜂鸣器进行报警.图 7 所示为微控制器系统电路的框图.液位监测单元的软件设计

3.1 软件总体设计

液位监测软件的主要功能是通过 CAN 通信设置两个测量通道的各项参数，并控制电流源为电阻式液氦传感器提供工作电流，然后将测量通道反馈回来的频率信号进行处理，得出液位信息后显示在 LED 数码管上，并通过 CAN 通信接口上传给上位机.3.2 频率信号处理程序设计

STM32F103 包含了多个通用定时器，为了能够同时测量液氦和液氮的液位，本文使用通用定时器 TIM2 和 TIM3 分别为液位监测的两个通道进行频率信号处理.在STM32F103 初始化的时候对 TIM2 和 TIM3 进行配置，其时钟由内部时钟源提供为 72MHz，预分频值为 1，计数器设置为向上计数模式，自动重载寄存器的值设置为 65 535.液位监测单元的功能测试

液位监测单元经过 PCB 的器件焊接和各个功能模块的调试后进行了功能测试.在默认设置中，液位监测单元启用了两个测量通道，通道 1 用于液氦测量，通道 2 用于液氮测量.结论

环境监测综合技术工作初探篇3

关键词：环境监测；综合；技术

中图分类号：X830

文献标识码：A

文章编号：1000-8136(2009)29-0149-01

随着环境保护工作的日益深化，环境监测作为政府对环境质量和污染源进行技术监督的重要手段得到很快发展。环境监测技术基本上可分为布点、采样、分析、数据处理和综合分析评价等5个环节，综合技术是环境监测技术的重要组成部分，是科学的解释监测数据和资料，并合理地运用这些数据为环境管理服务的技术。监测站均设有综合室负责综合技术工作，主要职责是：编写辖区内环境质量报告书，编写环境监测简报、季报、年鉴等，并为上级主管部门提供监测数据和环境质量分析报告，还负责辖区内的各类监测信息的收集和交流工作。

环境质量结论的真实性。即所反映的环境质量现状规律及变化趋势是否符合环境实际情况。

环境监测的成果是监测数据，但监测的目的不仅是获得一批数据，而是如何运用翔实的数据去表征和判断环境质量情况，评价和预测环境质量的变化趋势，提出和评议改善环境质量的决策措施。对于综合技术人员来说，这就要求既要有数据的概念，也要有管理的概念，利用一切可以利用的环境质量信息，并运用科学的方法进行加工。环境质量结论的真实和准确，取决于监测人员准确的监测、综合技术人员科学的解释数据和合理地利用数据的能力。

2提供的监测信息能否在时效上满足环境管理部门的要求

任何环境信息都是在一定时间和空间上存在的，环境管理部门在制定管理措施时都要充分考虑当前的环境信息。每一个环境管理措施的效果如何，一方面看措施的针对性、可靠性和可行性，另一方面就是环境监测所得到的环境现状信息的及时性。对于综合技术工作要求：一是建立完善的监测报告制度。有一个流畅的信息通道；二是要有能满足管理要求的数据处理能力，应在组织实现网络化的同时实现数据处理和数据传输的电子办公自动化，运用先进的方法对信息进行收集和加工；三是要有一个规范化的监测成果表达方式，如监测报告、报告书等要有统一的技术规范。

3提出的对策、建议的针对性能否满足环境管理的需要

综合技术工作的一个重要方面，是根据监测数据提出具有针对性的结论、对策和建议。环境监测按污染顺序大体可分为污染源监测、环境要素监测和环境影响监测。环境影响监测属于目的性监测，而污染源监测和环境要素监测属于监督性监测，这类监测是环境监测工作的主体。从环境管理实际出发，制定环境保护的方针、政策、法规，其主要依据之一是环境质量现状，所依赖的是对环境要素的监测结果，而在环境污染防治工作的实践中。更多的是要依赖对污染源状况的了解。由此可见，为环境管理服务的针对性主要体现在监督性监测工作上，在综合技术工作上要求明确回答：①主要污染源和污染物是什么?②主要污染物排放规律及其污染负荷变化特征是什么?③环境质量的时空变化规律是什么?④环境管理对策的环境效益是什么?要准确回答这些问题，要求从事综合技术工作人员具备两个基本能力，一是说清环境质量现状的能力，二是说清污染的来龙去脉、评价污染的能力。

4环境监测全过程是否达到最优化状态

综合监测单元篇4

智能变电站实现了信息采集数字化和信息传输网络化,可以实现高度的信息共享[1]。IEC 61850标准通过对变电站内网络通信进行抽象,把变电站分为站控层、间隔层和过程层3层[2]。本文研究正是基于在智能电网环境下电能计量表计的接入和应用以及电力系统谐波监测、谐波评价关键参数的计算来开展的[3]。

伴随着电力电子装置、变频设备等非线性电力装置的应用,其对电力系统产生了各种影响,如谐波污染严重、功率因数偏低以及电网电压异常波动等[4]。谐波检测方法主要有FFT、瞬时无功功率法、小波变换等方法,本文对比分析了各种方法的优劣,最终在电能监测单元上使用64点傅立叶FFT分解实现了最高32次谐波的检测,并在此基础上对谐波评价关键参数总谐波畸变率和谐波含有率进行计算。经试验验证,本文所实现的FFT变换速度和精度均满足设计要求,可以形成对接入点谐波的有效监测。

1 智能变电站网络结构

采用IEC 61850标准的系统及相应智能电子设备(IED)主要有以下特点[5]:

(1)使用面向对象建模技术以及分布、分层体系。

(2)实现了变电站各类信息采集、传输、使用的全数字化。

(3)具有互操作性。

(4)具有面向未来的、开放的体系结构,适应快速发展的计算机技术、通信技术。

根据IEC 61850标准,变电站自动化系统按功能在逻辑上分为站控层、间隔层和过程层3个层次。站控层通常由配有数据库的计算机、远方通讯接口等组成;间隔层包括保护设备、测控设备和计量表计等IED;过程层包括变压器、开关、电压互感器、电流互感器等一次设备[6]。

如图1所示,过程层主要完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的下发等与一次设备直接相关的任务;间隔层实现保护、测控、计量等功能;站控层实现全站设备的监视、控制以及“四遥”信息的远传。智能变电站的一次设备均实现了数字化接口,采用IEC 61850-9-2中的SV(采样数据)报文传输采样值信息,采用IEC 61850-8中的GOOSE报文传输“跳闸”、“联锁”等事件类信息;与站控层的通信采用IEC 61850-8中的MMS服务实现信息传输。

2 谐波检测方法分析

2.1 基于快速傅里叶变换的频域分析法

基于FFT的频域分析法使用一个周期的电能采集结果,通过计算获得周波中所叠加的各次谐波的幅值和相位系数。出于对减少计算量、提高计算效率的需求形成了各种快速计算方法。FFT具有测量精度高、实现方法简单的优点,但是监测需要在完整采集1个周波数据后才能进行,且运算量大,时效性差[7]。

2.2 基于瞬时无功理论的时域检测方法

瞬时无功理论是日本学者提出的时域检测方法,广泛应用于电力系统功率测量。其基本思路为通过坐标变换,获得电流和电压的瞬时有功分量和无功分量,进而获得有功功率和无功功率,再经过高次谐波分离和反变换,得到谐波分量。该检测方法计算量小、时效性好,但是对于畸变的波形计算结果误差较大。

2.3 基于小波变换的检测方法

小波变换是以特定函数为基准,将数据变换为级数序列,以发现它的类似频谱的特征,从而实现数据处理。具体到谐波检测领域,小波变换理论可以在时域和频域中同时具有良好的局部化特性,对于突变信号具有更明显的优势。分析过程中把信号分解成不同的频率块,低频段即为基波分量,高频段为各次谐波。小波变换理论分析难度较大,实际应用过程中仍存在诸多问题。

2.4 基于神经网络的检测方法

基于神经网络的谐波检测主要完成模型构建、样本采集和算法选择几个方面的工作。通过神经网络实现谐波监测,对波形有良好的快速跟踪能力,抗干扰能力较好。但是在神经网络的构建和样本训练上尚未形成通用的方法[8]。

综合上述各检测方法,本文采取计算精度高、稳定性好的FFT算法来完成谐波检测。

3 电能监测单元系统结构设计

本文所实现的电能监测单元作为电网参数测量、谐波检测和计量的主要设备,按照IEC 61850规约对智能变电站网络结构的描述,应将其接入到间隔层的SV网上,并通过MMS网向站控层上报报文。SV网为采样数据网,其源头为电子式互感器,将一次回路中的电压、电流数据转换为数字信号,由合并单元(MU)对数据进行汇总后上传至SV网。相应的保护、测控、计量装置则作为一个数据终端从SV网上读取所需数据,完成相应功能。

根据设计要求,本文提出如图2所示的监控单元结构。核心CPU为MSP430单片机,该芯片内部具有12路12位A/D转换器及2通道D/A转换器,可以直接外接模拟信号,不用另外增加A/D转换芯片。根据设计需要,在MSP430芯片外设置了2个光以太网接口、电源模块、铁电存储芯片、LCD显示模块、LED指示灯、按键等硬件设备。软件系统包括:IEC 61850-9-2协议栈、IEC 61850-8协议栈、FFT分解模块、电能量计算模块、LED指示灯驱动、按键驱动、掉电非易失存储驱动、显示数据控制等功能模块。

电能监测单元通过光以太网接口实现与SV网、MMS网的通信。网络控制芯片为LAN9215,光以太网物理层芯片选用LXT971。与传统电以太网相比,光以太网具有更好的电磁兼容性。

铁电存储芯片完成系统时钟、各类整定值的掉电保存功能,采用FM3116芯片。

FFT运算实现对电压基波及各次谐波的分解。

电能量计算模块实现对接入点的总谐波畸变率(THD)、谐波含有率(HD)以及常规的电压、电流、功率、频率等电能参数的计算。

4 电能监测单元的实现

4.1 SV网通信协议实现

SV网通信规约应符合IEC 61850-9-2的描述。IEC 61850-9-2是一种符合网络化数据传送发展方向的采样值传输规约,它可以灵活定义数据集、读写控制块等。对于网络化的业务功能和非常规采样值传送也可很方便地实现。

SV协议规定的数据包格式主要满足前导字节、帧起始分隔符字段、以太网MAC地址报头、优先级标记、以太网类型选择、以太网类型PDU、应用协议数据单元APDU、帧校验序列的格式要求。

4.2 MMS网通信协议实现

MMS可以在OSI、TCP/IP以及RS 485等多种通信栈上运行[9]。IEC 61850标准中,有40余种ASCI服务采用客户/服务器模式,IEC 61850-8中详细规定了这些服务映射到的MMS服务原语。电能监测单元需要向站控层上报的信息包括:监测数据(电压、电流值、开关状态、事件记录等)、控制数据(开关操作命令)、定值修改(通信参数、通道系数等)。IEC 61850通过面向对象的信息建模将这些信息划分到不同的逻辑节点中,并且规定了各个数据的语义[10]。表1列举了部分ASCI服务及映射到的MMS服务原语。

4.3 谐波评价及关键参数计算

在谐波国家标准中,分别用HR和THD来描述谐波对电能的影响[11]。

电压THD以各次谐波电压的方均根值占基波有效值的百分比来表示,以量化反映电压波形中谐波所占的比例。

式中:k为谐波的阶次。

HR为某一阶次谐波占基波的百分比,以反映这一阶次谐波在电压波形中所占的比例。

通过式(1)、式(2)对总共32次谐波进行计算,获得测量点的THD与HR数据。本文从实际需求和CPU运算负荷角度出发,设定每3 s进行1次THD和HR的运算。

4.4 快速傅立叶变换的实现

本文采用时间抽取FFT算法,将采样值逐次分解成较短的离散点,再进行傅立叶变换[9]。在分解过程中,利用复指数的对称性和周期性提高运算效率。

实际采样中一般选取采样点数为2的整数幂,下面给出基二时间抽取FFT的方法。设N为采样点数且N为偶数,x(n)为输入序列,X(k)为输出序列。将输入信号序列x(n)分成2个N/2点的序列来计算X(k),一个序列由x(n)的偶数点序列组成,另一个序列由x(n)的奇数点序列组成。X(k)的表达式如下:

然后进行积分变量变换,n为偶数时,设n=2m;n为奇数时,设n=2m+1,同时,可得下式:

式中:G(k)、H(k)分别为原序列的N/2点的偶数点和奇数点的离散傅立叶变换。其中虽然k要取遍N个值,但是由于G(k)和H(k)都是周期为N/2的周期序列,所以只要对0到N/2-1之间的k做计算。在分别计算完G(k)和H(k)之后,再将他们合并成N点的傅立叶变换X(k)。

因为N/2还是偶数,所以可以继续对G(k)和H(K)进行分解,将每一个式子分解成N/4点的离散傅里叶变换,然后将2个变换再合并成N/2点离散傅里叶变换。这样,G(k)和H(k)可以表达如下:

因为N分解后还是偶数,所以可以对二分解后的序列继续分解下去。N点的快速傅立叶变换可以一直分解成为2点离散傅立叶变换,总共有log2/N级蝶形。在计算量方面,分解之后复数乘法和加法的计算次数为Nlog2N,而没有分解之前的计算量为N2。可见,FFT要比普通傅立叶变换少(N2-Nlog2N)次复数加法和乘法运算。

5 试验验证

5.1 测量精度测试

使用HSXJBY-805型数字继保测试仪分别产生10%UN、50%UN、100%UN、120%UN以及10%IN、50%IN、100%IN、120%IN的标准信号,用电能监测单元的测量结果与标准值比对,由此来测试监测单元对SV数据包解析的准确性。经过测试,电压测量在120%UN时相对误差最大,达到0.16%。电流测量在120%IN时相对误差为最大,达到0.18%。可见,电压、电流测量的最大误差为0.18%,测量精度满足小于0.2%的要求,证明电能监测单元可以正确解析IEC 61850-9-2协议数据包。

5.2 谐波检测精度测试

继保测试仪可以产生叠加了谐波的电压波形。依次在电压波形中叠加幅值为基波10%、30%、50%的谐波,用以验证FFT算法的谐波检测精度。由表2可知,随着谐波百分率的升高,测量误差随之增大,最大相对误差为0.98%。

5.3 SV报文实时性试验

本测试旨在测试本文所实现的电能监测单元的网络相应实时性。使用继保测试仪可以测量SV报文回报的延时时间。表3为SV报文发送延时统计表,经5次重复测试,平均延时为2.4 ms,均在3 ms以内,满足SV报文作为“高时效”报文的时间要求。

5.4 电磁兼容性测试

电磁兼容性实验主要是用于测试监测单元的抗干扰能力和抗瞬时过电压能力。本文按照三级电磁兼容性测试标准,对装置进行了电快速瞬变脉冲群和浪涌抗扰2项电磁兼容性测试。

国标GB/T 14598.10-2007规定三级瞬变脉冲群实验的电压峰值为2 kV,重复频率为5 kHz。试验过程中,电能监测单元工作稳定,未出现测量数据异常、通讯故障、装置死机等异常状况。

国标GB/T 17626.5-2008规定三级浪涌实验由浪涌测试仪向装置各端子和机壳施加共模2 kV、差模1 kV实验电压。试验过程中,电能监测单元未出现死机、击穿等故障。

6 结语

本文从电能监测单元在智能变电站的应用背景切入,结合对谐波计算和评价方法的分析,设计了符合智能变电站通信协议的电能监测单元。该电能监测单元可实现高精度SV网采样,并通过FFT完成电网32次谐波监测,对谐波评价的关键参数进行计算。最后,各项试验测试验证了该电能监测单元的正确性和可行性。

参考文献

[1]高厚磊,刘益青,苏建军,等.智能变电站新型站域后备保护研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(2):32-38.