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摘 要：为研究高效安全传送绿色电力的方法，设计电力传送实验平台测试系统。该系统以S3C2440A微处理器为核心构建嵌入式测试电路，该电路通过MIK-DZU-400 V电压变送器、HD-T101-300A电流变送器、MIK-ST500温度变送器等集成模块实现电力电压、电流及电缆温度的感知与调理。基于Linux操作系统，在Qtopia2.2.0集成开发环境中设计嵌入式测试软件，该测试软件主要包括电力电压、电流及电缆温度信号的采集与保存模块，电力电缆热特征参数分析模块、通信模块、电力电缆寿命疲劳分析模块接口、电缆动态增容传输分析功能接口、电力传送控制模块接口。在上位机PC中利用Visual C++6.0 MFC模块开发上位机分析处理软件。实验表明：测试系统能够感知电缆温度、电力电压和电流，能够基于电缆热路模型分析电力电缆热特征参数，能够通过接口开放地添加电力电缆寿命、疲劳分析、电力传送动态控制等新方法。
关键词：绿色电力；电力传送；测试系统；开放平台；热特征参数
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0088-05
0 引 言
随着经济的发展，人们对电能的需求不断增加。据统计2009～2014年，全球电力消费从20131.7TWh增加到23536.5TWh，增长了17%[1]，但60%以上的电能是通过燃烧化石燃料得到的，这加剧了能源危机和环境污染。为此，人们开始了绿色能源的开发利用研究。目前，通常采用静态、动态增容等电力传送方法来提高绿色能源的利用率。这些方法一般遵循静态标准[2-4]，即电缆持续不断地安全传送的电力，其电流不大于某极限电流[5]。而绿色能源的强随机性和阵发性特点决定了利用静态标准传送绿色能源所产生的电能会有大量的浪费，在绿色能源非常丰富的时节，该问题尤为突出[6]。因此，人们采用动态控制方式来传送绿色电力。该动态控制方式的基本原则为电缆线芯温度不超过其极限温度，以确保电缆安全地传送电力[7]。
现有的电力传送实验平台测试系统一般基于PC机，提供电缆温度、电力电流与电压等信息。本文设计的测试系统不仅有这些功能，还能分析电缆热模型及其特征参数，开放式添加电缆寿命、疲劳分析以及电力传送动态控制等方法，为绿色电力的动态控制方式研究提供良好的实验基础。
1 系统结构
电力电缆电力传送实验平台测试系统的结构简图如图1所示。其中，采集模块用于实现电缆温度、电力电流和电压的感知与调理；嵌入式系统能够根据采集信号分析电力电缆的热特征参数，同时为电缆疲劳寿命分析、电力传送动态控制留下软硬件接口；上位机PC用于数据的分析和处理，同时能够通过其Matlab接口模块调用Matlab的分析模块与图形显示模块加快新方法的研究进度、改善实验平台的人机界面。即该测试系统具有数据采集，热特征参数分析，寿命分析、疲劳分析、电力传送动态控制软硬件接口等功能。
2 电路设计
综合考虑项目组近远期研究目标、系统功能的可扩展性，本文测试系统的电路采用核心板和扩展板的积木式设计方法。核心板设计为S3C2440A处理器最小系统，包含电源电路、时钟源、复位电路、存储电路、用户LED电路、JTAG电路等。扩展板包含采集模块、按键模块、显示模块、串口模块、USB接口模块、电力传送控制接口模块等，可以为功能的扩充提供硬件资源。
采集模块选用3个MIK-DZU-400 V电压变送器、3个HD-T101-300A电流变送器、24个MIK-ST500温度变送器采集数据，利用模拟开关CD4051分时共用S3C2440A内部的ADC，为便于软件控制，将所有温度通道选择至AIN0，电压和电流通道选择至AIN2，利用运算放大器LM324等实现了电缆温度、电力电流及电压信号的调理。
按键模块设计6个测试用可编程按键，直接由CPU的I/O口控制，按键按下时为低电平；显示模块采用3.5寸TFT式显示屏TD35；串口模块选用S3C2440A的UART0，通过MAX232芯片进行电平转换，实现PC机与系统之间的串口通讯；USB接口模块设计USB Host和USB Slave两种接口，USB Host接常见的USB外设，USB Slave用于下载相关的应用程序；电力传送控制接口模块选用DAC0832芯片进行数模转换，预留出控制接口。综上，扩展板所用S3C2440A处理器的主要引脚资源如表1所示。
3 软件设计
为有效管理和控制系统的软硬件资源，减少开发功能模块的开销，本文选用Linux操作系统作为嵌入式平台系统软件[8]。该操作系统所需存储空间小，且源代码开放，方便开发者二次开发。同时为便于嵌入式应用程序的开发，宿主机采用Windows 7系统、VMware虚拟机和ReadHat 9.0系统3者组合方式搭建Linux系统开发环境，采用Qt Designer 2.0图形用户界面开发工具设计嵌入式应用程序，采用arm-linux-gcc-4.3.2工具进行交叉编译。与之对应的目标板选择Linux2.6.32内核和qtopia2.2.0，搭建其开发环境。
3.1 嵌入式应用程序设计
嵌入式应用程序设计主要包括数据采集、热特征参数分析、串口通信、功能分析和控制接口等。
对电缆各层温度、电力电流及电压进行实时采集，其程序流程如图2所示。启动采集系统用于打开定时器和设定采样频率；AD通道的选择则通过控制多路开关的使能端实现；通道选择后，程序立即读取AD寄存器数据并将转换后的数据以文档形式保存。
电缆热特征参数分析有多种方法[9-10]，本文基于电缆热模型利用最小二乘法和递推回归法计算热特征参数，设计程序模块实现以上两种分析方法，其程序流程如图3所示。
嵌入式Linux将串口设备作为通用字符设备，给串口通讯提供了大量的函数接口，对串口的操作就是使用标准的文件操作函数。利用串行端口实现通信的程序流程如图4所示。考虑平台今后的应用需求，串口通讯信息格式如表2所示。 其中，通信头取值为0×68，结束码取值为0×16，数据长度为数据域中的字节数，校验码计算方式为将校验码之前的数据二进制累加。功能号可分为数据请求控制字、数据上传控制字和辅助功能控制字3类。功能号分配如表3所示。
3.2 上位机PC设计
利用Visual C++6.0 MFC模块开发上位机分析处理软件，上位机PC设计主要包括热特征参数分析、串口通信、功能分析和控制接口、Matlab接口等。其中热特征参数分析、串口通信、功能分析和控制接口的程序设计流程与嵌入式应用程序的设计流程类似，不再重述。Matlab接口设计采用引擎加载方式调用Matlab工具[11]。
4 实验验证
对测试系统的功能进行综合验证，主要包括数据采集测试、热特征参数提取功能验证、输出通讯传输测试。
4.1 数据采集测试
利用一个电压传感器、一个电流传感器和两路温度传感器对测试系统数据采集通道的可行性进行验证。实验中将电压传感器和电流传感器接到室内家用电器电缆上，温度传感器一路搁置在室温下，另一路放置于温水中。运行嵌入式应用程序，进行数据采集，打开保存的数据文本，其结果如图5所示。由于其他传感器通道处于悬空状态，因此采集结果为0。按以上步骤测试其他通道，检查数据存储是否符合要求，结果表明所有数据采集通道均能正常传输。
4.2 电缆热特征参数分析实验
根据电缆的热路模型和热流场富氏定律建立电缆热特征参数的方程，编写热特征参数分析算法[10-11]。利用项目组之前通过Pico温度采集系统得到的数据，分别在嵌入式应用程序和上位机PC上执行热特征参数分析实验。采用LMS法分析电缆热特征参数[11]，嵌入式应用程序的实验结果如图6所示。
上位机PC的实验结果如图7所示，其中电缆温度曲线的横坐标为时间，单位s；纵坐标为电缆线芯温度，单位℃。
为进一步分析所计算的热特征参数的准确度，在上位机PC上点击“调用Matlab分析”按钮，调用项目组编写的反演程序，通过Matlab图表反映通过该热特征参数计算的电缆各层温度与实际温度的误差，同时利用Matlab计算出电缆线芯、内衬层、外衬层温度平均误差分别为0.15，0.12，0.03 ℃，即通过该实验平台能正确分析电力电缆热特征参数。
4.3 输出通信传输测试
嵌入式应用程序可将采集的数据保存在设定的文件目录中或发送给上位机PC，同时上位机PC也可以主动接收嵌入式系统保存的数据。嵌入式应用程序对串口设置如图8所示。
5 结束语
本文根据电力系统对高效安全传输电力的需要，设计了电力传送实验平台测试系统，利用该系统获知电缆温度、电力电流与电压，分析电缆热特征参数，开放式添加电缆寿命、疲劳分析以及电力传送动态控制等方法。通过实验验证了该平台的可行性、稳定性和扩展性，从而为新能源电力的经济、高效、安全传送研究提供良好的实验基础。
参考文献
[1] 英国石油公司（British Petroleum，BP），Statistical Review of World Energy 2015[EB/OL]. http：//www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html.
[2] Calculation of the current rating of electric cables，part 1：current rating equations（100% load factor） and calculation of losses， section 1：general：IEC 60287-1-1：1994[S]. 1994.
[3] Calculation of the current rating of electric cables part 1：current rating equations （100% load factor） and calculation of losses，section 2： sheath eddy current loss factor for two circuits in flat formation：IEC 60287-1-2：1993[S]. 1993.
[4] Calculation of the current rating of electric cables， part 2：thermal resistance， section 1：calculation of thermal resistance：IEC 60287-2-1：1994[S]. 1994.
[5] 梁永春. 高压电力电缆载流量数值计算[M]. 北京：国防工业出版社，2012.
[6] 张雪莉，刘其辉，马会萌，等. 光伏电站输出功率影响因素分析[J]. 电网与清洁能源，2012，28（5）：75-81.
[7] 马国栋. 电线电缆载流量[M]. 北京：中国水利水电出版社，2003：41-175.
[8] 何剑锋，罗敏，何月顺，等. 一种基于ARM-Linux的Web远程放射源实时视频监控系统[J]. 中国测试，2014，40（5）：100-103.
[9] 肖继学，龚建全，董圣友，等. 电缆热路模型特征参数计算方法综述[J]. 西华大学学报（自然科学版），2015（5）：39-42.
[10] 董圣友. 电力电缆热模型特征参数基于LMS的实验分析方法研究[D]. 成都：西华大学，2015.
[11] 李海军，肖继学，程志，等. 交流电力智能传感器粗信号处理实验平台接口设计[J]. 中国测试，2014，40（5）：111-114.
（编辑：刘杨）
关键词：绿色电力；电力传送；测试系统；开放平台；热特征参数
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0088-05
0 引 言
随着经济的发展，人们对电能的需求不断增加。据统计2009～2014年，全球电力消费从20131.7TWh增加到23536.5TWh，增长了17%[1]，但60%以上的电能是通过燃烧化石燃料得到的，这加剧了能源危机和环境污染。为此，人们开始了绿色能源的开发利用研究。目前，通常采用静态、动态增容等电力传送方法来提高绿色能源的利用率。这些方法一般遵循静态标准[2-4]，即电缆持续不断地安全传送的电力，其电流不大于某极限电流[5]。而绿色能源的强随机性和阵发性特点决定了利用静态标准传送绿色能源所产生的电能会有大量的浪费，在绿色能源非常丰富的时节，该问题尤为突出[6]。因此，人们采用动态控制方式来传送绿色电力。该动态控制方式的基本原则为电缆线芯温度不超过其极限温度，以确保电缆安全地传送电力[7]。
现有的电力传送实验平台测试系统一般基于PC机，提供电缆温度、电力电流与电压等信息。本文设计的测试系统不仅有这些功能，还能分析电缆热模型及其特征参数，开放式添加电缆寿命、疲劳分析以及电力传送动态控制等方法，为绿色电力的动态控制方式研究提供良好的实验基础。
1 系统结构
电力电缆电力传送实验平台测试系统的结构简图如图1所示。其中，采集模块用于实现电缆温度、电力电流和电压的感知与调理；嵌入式系统能够根据采集信号分析电力电缆的热特征参数，同时为电缆疲劳寿命分析、电力传送动态控制留下软硬件接口；上位机PC用于数据的分析和处理，同时能够通过其Matlab接口模块调用Matlab的分析模块与图形显示模块加快新方法的研究进度、改善实验平台的人机界面。即该测试系统具有数据采集，热特征参数分析，寿命分析、疲劳分析、电力传送动态控制软硬件接口等功能。
2 电路设计
综合考虑项目组近远期研究目标、系统功能的可扩展性，本文测试系统的电路采用核心板和扩展板的积木式设计方法。核心板设计为S3C2440A处理器最小系统，包含电源电路、时钟源、复位电路、存储电路、用户LED电路、JTAG电路等。扩展板包含采集模块、按键模块、显示模块、串口模块、USB接口模块、电力传送控制接口模块等，可以为功能的扩充提供硬件资源。
采集模块选用3个MIK-DZU-400 V电压变送器、3个HD-T101-300A电流变送器、24个MIK-ST500温度变送器采集数据，利用模拟开关CD4051分时共用S3C2440A内部的ADC，为便于软件控制，将所有温度通道选择至AIN0，电压和电流通道选择至AIN2，利用运算放大器LM324等实现了电缆温度、电力电流及电压信号的调理。
按键模块设计6个测试用可编程按键，直接由CPU的I/O口控制，按键按下时为低电平；显示模块采用3.5寸TFT式显示屏TD35；串口模块选用S3C2440A的UART0，通过MAX232芯片进行电平转换，实现PC机与系统之间的串口通讯；USB接口模块设计USB Host和USB Slave两种接口，USB Host接常见的USB外设，USB Slave用于下载相关的应用程序；电力传送控制接口模块选用DAC0832芯片进行数模转换，预留出控制接口。综上，扩展板所用S3C2440A处理器的主要引脚资源如表1所示。
3 软件设计
为有效管理和控制系统的软硬件资源，减少开发功能模块的开销，本文选用Linux操作系统作为嵌入式平台系统软件[8]。该操作系统所需存储空间小，且源代码开放，方便开发者二次开发。同时为便于嵌入式应用程序的开发，宿主机采用Windows 7系统、VMware虚拟机和ReadHat 9.0系统3者组合方式搭建Linux系统开发环境，采用Qt Designer 2.0图形用户界面开发工具设计嵌入式应用程序，采用arm-linux-gcc-4.3.2工具进行交叉编译。与之对应的目标板选择Linux2.6.32内核和qtopia2.2.0，搭建其开发环境。
3.1 嵌入式应用程序设计
嵌入式应用程序设计主要包括数据采集、热特征参数分析、串口通信、功能分析和控制接口等。
对电缆各层温度、电力电流及电压进行实时采集，其程序流程如图2所示。启动采集系统用于打开定时器和设定采样频率；AD通道的选择则通过控制多路开关的使能端实现；通道选择后，程序立即读取AD寄存器数据并将转换后的数据以文档形式保存。
电缆热特征参数分析有多种方法[9-10]，本文基于电缆热模型利用最小二乘法和递推回归法计算热特征参数，设计程序模块实现以上两种分析方法，其程序流程如图3所示。
嵌入式Linux将串口设备作为通用字符设备，给串口通讯提供了大量的函数接口，对串口的操作就是使用标准的文件操作函数。利用串行端口实现通信的程序流程如图4所示。考虑平台今后的应用需求，串口通讯信息格式如表2所示。 其中，通信头取值为0×68，结束码取值为0×16，数据长度为数据域中的字节数，校验码计算方式为将校验码之前的数据二进制累加。功能号可分为数据请求控制字、数据上传控制字和辅助功能控制字3类。功能号分配如表3所示。
3.2 上位机PC设计
利用Visual C++6.0 MFC模块开发上位机分析处理软件，上位机PC设计主要包括热特征参数分析、串口通信、功能分析和控制接口、Matlab接口等。其中热特征参数分析、串口通信、功能分析和控制接口的程序设计流程与嵌入式应用程序的设计流程类似，不再重述。Matlab接口设计采用引擎加载方式调用Matlab工具[11]。
4 实验验证
对测试系统的功能进行综合验证，主要包括数据采集测试、热特征参数提取功能验证、输出通讯传输测试。
4.1 数据采集测试
利用一个电压传感器、一个电流传感器和两路温度传感器对测试系统数据采集通道的可行性进行验证。实验中将电压传感器和电流传感器接到室内家用电器电缆上，温度传感器一路搁置在室温下，另一路放置于温水中。运行嵌入式应用程序，进行数据采集，打开保存的数据文本，其结果如图5所示。由于其他传感器通道处于悬空状态，因此采集结果为0。按以上步骤测试其他通道，检查数据存储是否符合要求，结果表明所有数据采集通道均能正常传输。
4.2 电缆热特征参数分析实验
根据电缆的热路模型和热流场富氏定律建立电缆热特征参数的方程，编写热特征参数分析算法[10-11]。利用项目组之前通过Pico温度采集系统得到的数据，分别在嵌入式应用程序和上位机PC上执行热特征参数分析实验。采用LMS法分析电缆热特征参数[11]，嵌入式应用程序的实验结果如图6所示。
上位机PC的实验结果如图7所示，其中电缆温度曲线的横坐标为时间，单位s；纵坐标为电缆线芯温度，单位℃。
为进一步分析所计算的热特征参数的准确度，在上位机PC上点击“调用Matlab分析”按钮，调用项目组编写的反演程序，通过Matlab图表反映通过该热特征参数计算的电缆各层温度与实际温度的误差，同时利用Matlab计算出电缆线芯、内衬层、外衬层温度平均误差分别为0.15，0.12，0.03 ℃，即通过该实验平台能正确分析电力电缆热特征参数。
4.3 输出通信传输测试
嵌入式应用程序可将采集的数据保存在设定的文件目录中或发送给上位机PC，同时上位机PC也可以主动接收嵌入式系统保存的数据。嵌入式应用程序对串口设置如图8所示。
5 结束语
本文根据电力系统对高效安全传输电力的需要，设计了电力传送实验平台测试系统，利用该系统获知电缆温度、电力电流与电压，分析电缆热特征参数，开放式添加电缆寿命、疲劳分析以及电力传送动态控制等方法。通过实验验证了该平台的可行性、稳定性和扩展性，从而为新能源电力的经济、高效、安全传送研究提供良好的实验基础。
参考文献
[1] 英国石油公司（British Petroleum，BP），Statistical Review of World Energy 2015[EB/OL]. http：//www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy.html.
[2] Calculation of the current rating of electric cables，part 1：current rating equations（100% load factor） and calculation of losses， section 1：general：IEC 60287-1-1：1994[S]. 1994.
[3] Calculation of the current rating of electric cables part 1：current rating equations （100% load factor） and calculation of losses，section 2： sheath eddy current loss factor for two circuits in flat formation：IEC 60287-1-2：1993[S]. 1993.
[4] Calculation of the current rating of electric cables， part 2：thermal resistance， section 1：calculation of thermal resistance：IEC 60287-2-1：1994[S]. 1994.
[5] 梁永春. 高压电力电缆载流量数值计算[M]. 北京：国防工业出版社，2012.
[6] 张雪莉，刘其辉，马会萌，等. 光伏电站输出功率影响因素分析[J]. 电网与清洁能源，2012，28（5）：75-81.
[7] 马国栋. 电线电缆载流量[M]. 北京：中国水利水电出版社，2003：41-175.
[8] 何剑锋，罗敏，何月顺，等. 一种基于ARM-Linux的Web远程放射源实时视频监控系统[J]. 中国测试，2014，40（5）：100-103.
[9] 肖继学，龚建全，董圣友，等. 电缆热路模型特征参数计算方法综述[J]. 西华大学学报（自然科学版），2015（5）：39-42.
[10] 董圣友. 电力电缆热模型特征参数基于LMS的实验分析方法研究[D]. 成都：西华大学，2015.
[11] 李海军，肖继学，程志，等. 交流电力智能传感器粗信号处理实验平台接口设计[J]. 中国测试，2014，40（5）：111-114.
（编辑：刘杨）