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随着中国社会经济的迅猛发展,工业化程度的不断提高,对电能的需求也呈现不断上升的趋势。电力系统中大多数用电设备的功率因数不高,需要大量的无功功率,也给电网带来额外负担,并影响到电网电能质量随着社会用电量的不断提高,很多国家(包括美国、法国、意大利等)都发生了由电压崩溃引发的大面积停电事故,造成了巨大的经济损失和严重的社会影响,使得电力网络安全性及稳定性倍受关注。同时,随着信息化、自动化和通信技术的不断提高,开始出现了基于软总线的组件通信技术平台,并且整合了远程电力数据采集、负荷控制管理、电力客户监控等功能于一体的用电信息采集系统。能够完成远程计量、实时计算以及远程控制功能,为设计并实现一套具有远程自动抄表、自动无功补偿等功能的智能化用电信息采集系统提供了可靠的基础平台,对于提高电网可靠性、安全性、稳定性具有重要意义。
本文设计并实现了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,简称FPGA)平台的智能化用电信息采集系统,该系统综合运用计算机、通信、电子、软件系统工程等技术,达到以下设计目标:实现电压、电流和功率因数等参数的自动化监控功能和无人值守的无功补偿功能,保证电网运行的稳定性和可靠性;实现自动采集和定时冻结功能,保证数据采集的稳定性,定时按照主站下发的任务把冻结的数据主动上送到主站系统;实现异常事件保存和主动上送功能,便于现场的事故处理及事故定性;实现远程升级功能,方便用户的后期维护和更新工作。本文主要工作如下:
第一,深入了解和分析了在国内用电需求不断增长的环境下,电力企业在用电信息采集等方面的现状,潜在问题以及新的要求。同时结合国内外电力企业在自动信息采集技术、负荷控制技术及无功补偿技术等方面的发展情况,明确了研究的背景和意义。
第二,从理论的角度对基于FPGA的智能化用电信息采集系统需要实现业务需求进行深入分析。确定该系统中功能性需求(比如数据采集、数据管理、电流电压检测等需求)、非功能性需求(比如系统可靠性、系统可用性、系统完整性等方面要求),同时梳理在设计系统时需要使用的关键技术,如通信技术、无功补偿技术等。
第三,从应用的角度设计基于FPGA的智能化用电信息采集系统所需的系统的软件架构和硬件平台,实现数据自动采集,定时冻结,自动无功补偿,自动化监控等功能。软件架构包括设计数据采集模块、电压电流检测模块、存储模块、管理设置模块及交互模块的功能。同时设计系统中各功能模块之间的逻辑关系,以及重要的通信数据帧格式和通信报文的数据结构。硬件平台包括核心控制器、无功补偿无级调节电路、系统时钟和复位电路等关键硬件架构。
第四,从推广应用的角度,研究基于FPGA的智能化用电信息采集系统在国内电力企业中的应用前景,介绍本系统的技术优势、价值优势,证明本系统的实用性和先进性。