基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法技术方案

本发明专利技术公开了基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法，包括：微型异步电动机组，轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器，微处理器对同步相量信息处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。微处理器的多线程程序设计方式保证了各功能模块相对独立，降低了二次开发的难度；网络通信单元实现了本发明专利技术和服务器主站间监测数据和控制命令的双向连接，简化了实验接线。

【技术实现步骤摘要】
基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法
本专利技术涉及异步电动机
，特别是涉及基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法。
技术介绍
常规的异步电动机组模拟方法分为物理模拟方法和软件模拟方法。异步电动机组物理模拟方法(也称为动态模拟方法)基于相似定律，由模拟异步电动机、模拟直流发电机以及电热负荷组成。模拟异步电动机与真实异步电动机具有相同或相似的物理特性，电力系统供电驱动模拟异步电动机转动，进而带动同轴连接的直流发电机转动，直流发电机输出的功率由电热负荷消纳，通过控制直流发电机的外接励磁电源电压调节直流发电机的输出功率，最终达到依据模拟系统的需要控制异步电动机组输入功率的目标。该方法直观且不依赖于已知的物理模型和数学参数，满足新装置和新算法的测试需要，也便于探求电力系统中的未知物理特性。造价高，工期长，元件庞大，维护复杂，参数调整困难的特点限制了传统异步电动机组物理模拟方法的发展。异步电动机组的软件模拟方法将异步电动机组等效为一组微分代数方程，同其它电力系统元件集成在一个虚拟平台中，该方法灵活轻便、界面友好、运算能力强，易于搭建大规模电力系统。然而，软件模拟方法依赖于已知的异步电动机组物理模型和准确的数学参数，难以揭示出新的物理特性，不利于实验者熟悉电力系统物理元件和物理现象；另外，软件模拟方法基于一定的假设条件，方法本身的误差和计算过程产生的误差都使得计算结果与准确值有一定的差距，并且这种误差只能减小而不能彻底消除。微型异步电动机组在保留真实异步电动机组物理特性的基础上，元件体积缩小为常规实验器材的大小，由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴连接构成，微型模拟异步电动机模拟真实异步电动机特性，微型磁粉制动器模拟真实异步电动机的机械负荷，光电编码器实时监测机组转速，是电力系统微型动态模拟系统的重要组成部分。通过控制磁粉制动器外接励磁电源的电压幅值，改变机组转轴上的阻尼转矩，进而调节微型异步电动机组的输入功率和功率因数。微型异步电动机组用微型磁粉制动器取代传统异步电动机组动态模拟系统中直流发电机和电热负荷的组合，简化了实验装置和实验接线，体积小、造价低、维护方便是其最显著的优点；同时，该系统也克服了异步电动机软件模拟方法直观性差并且依赖于已知物理模型和数学参数的弊端。微型异步电动机组一方面可以帮助研究人员验证现有科学理论，探求未知科学概念；另一方面也可以用于学生的物理实验教学，帮助学生建立起对电力系统物理元件的感官认知，激发学习兴趣。异步电动机作为电力系统中占比最大的负荷，其运行状态将直接影响到整个电力系统的安全与稳定，构建准确且实时的异步电动机监测与控制系统意义重大。传统模拟异步电动机组的监测单元包括电压互感器、电流互感器和测速编码器；控制单元包括直流发电机励磁调节器和电热负荷投切装置。监测单元种类繁多、安装分散，控制单元直接在强电侧回路执行操作，模拟实验存在安全隐患。以上各原因导致传统的监测与控制装置不适于微型异步电动机组的动态模拟。同步相量测量是电力系统监测领域的新技术，同步相量信息包括电力系统三相正序电压幅值、正序电压相角、正序电流幅值、正序电流相角以及频率值。提取同步相量信息可以得到微型异步电动机组端部电压、电流的幅值和相位，输入功率以及功率因数；所有的同步相量测量装置均由GPS授时定位，同步相量信息具有统一时标。因此，同步相量信息可用于微型异步电动机组动态模拟的监测与控制，并为多台机组的全局监测和协同控制提供便携。由此可见，设计一种基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法是十分必要的。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统、方法，它具有控制精度高、响应速度快、实时性好、安装方便、组网灵活、通信可靠与服务器应用程序无缝集成等优点。它能够实现微型异步电动机组的电气信息实时监测、投入操作、切除操作、输入功率调节功能。基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，包括：由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴相连构成的微型异步电动机组，轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器，微处理器对同步相量信息处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源，微型磁粉制动器可调电源的输出端子直接连接微型磁粉制动器引出的励磁回路输入端子，调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。进一步优选的技术方案，所述微处理器通过网络通信单元接收轻型同步相量测量一体机发出的同步相量数据，所述同步相量数据一方面通过网络通信单元发送至服务器主站，另一方面由微处理器完成数据的接收、校验和解析，得到微型异步电动机组的机端电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息，并通过计算获取微型异步电动机组的输入功率和功率因数。进一步优选的技术方案，所述微处理器将输入功率信息作为输入量、输入功率设定值作为目标值进行自动功率调节，微处理器中的数字模拟转换器将自动功率调节程序的数字计算结果转换为模拟电压进行输出，再通过放大单元将模拟电压功率放大，功率放大后的模拟电压作为输入量连接磁粉制动器可调电源的控制端子，线性控制磁粉制动器可调电源输出0V至24V的电压信号，进而控制微型磁粉制动器的输出转矩在0Nm至2Nm之间线性变化。进一步优选的技术方案，所述微处理器中分为六个独立线程，分别为初始化线程、自动功率调节线程、编码器管理线程、信号接收线程、信号发送线程和状态显示线程，六个线程由微处理器操作系统统一管理；初始化线程为微处理器上电后执行的系统线程，主要功能是创建其余五个自定义线程；自动功率调节线程实现了微处理器对异步电动机组输入功率的实时调节，默认的调节算法为增量式数字PID控制算法；编码器管理线程负责接收光电编码器上传的信号并通过运算得到微型异步电动机组的实时转速值；信号接收线程完成微处理器对同步相量数据的接收、校验和解析操作；信号发送线程将同步相量数据和自动功率调节线程中的状态参数进行数据组包，并将数据包发送至服务器主站；状态显示程序将同步相量数据和系统状态参数显示在液晶显示单元中。进一步优选的技术方案，所述信号接收线程中的数据校验为对数据包完整度、数据包连贯性的检验。进一步优选的技术方案，所述信号接收线程中的数据解析操作为依据轻型同步相量测量一体机的数据包发送格式进行数据解码，得到电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息。进一步优选的技术方案，所述信号发送线程中数据组包为将同步相量数据和系统运行参数进行封装，为网络通信单元形成待发送数据包，待发送数据包总长度为110字节，字节1至字节4为起始码，标志着数据包的开始，字节5至字节90为同步相量数据信息，包含了6路同步电压相量信息和6路同步电流测量信息，字节91至字节105为系统运行参数信息，包含了微型异步电动机组输入功率值、功率因数值、转速值和控制电压幅值，字节106至字节110为数据结束码，标志着数据包的结束。进一步优选的技术方案，所述编码器管理线程的执行流程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，包括：由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴相连构成的微型异步电动机组，轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器，微处理器对同步相量信息处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源，微型磁粉制动器可调电源的输出端子直接连接微型磁粉制动器引出的励磁回路输入端子，调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。

【技术特征摘要】
1.基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，包括：由微型模拟异步电动机、微型磁粉制动器和光电编码器同轴相连构成的微型异步电动机组，轻型同步相量测量一体机实时监测微型异步电动机组的机端电能信息，并通过网络通信单元输出至微处理器，微处理器对同步相量信息处理并将计算结果输出为模拟电压信号，该信号经功率放大后输出至微型磁粉制动器可调电源，微型磁粉制动器可调电源的输出端子直接连接微型磁粉制动器引出的励磁回路输入端子，调节微型磁粉制动器可调电源的输入电压，即可控制其输出电压，进而控制励磁回路的电流和机组转轴上的负载转矩，最终达到控制微型异步电动机组输入功率的目标。2.如权利要求1所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述微处理器通过网络通信单元接收轻型同步相量测量一体机发出的同步相量数据，所述同步相量数据一方面通过网络通信单元发送至服务器主站，另一方面由微处理器完成数据的接收、校验和解析，得到微型异步电动机组的机端电压幅值、电压相位、电流幅值、电流相位、频率信息和GPS信息，并通过计算获取微型异步电动机组的输入功率和功率因数。3.如权利要求2所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述微处理器将输入功率信息作为输入量、输入功率设定值作为目标值进行自动功率调节，微处理器中的数字模拟转换器将自动功率调节程序的数字计算结果转换为模拟电压进行输出，再通过功率放大单元将模拟电压功率放大，功率放大后的模拟电压作为输入量连接磁粉制动器可调电源的控制端子，线性控制磁粉制动器可调电源输出0V至24V的电压信号，进而控制微型磁粉制动器的输出转矩在0Nm至2Nm之间线性变化。4.如权利要求1所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述微处理器中分为六个独立线程，分别为初始化线程、自动功率调节线程、编码器管理线程、信号接收线程、信号发送线程和状态显示线程，六个线程由微处理器操作系统统一管理；初始化线程为微处理器上电后执行的系统线程，主要功能是创建其余五个自定义线程；自动功率调节线程实现了微处理器对微型异步电动机组输入功率的实时调节，默认的调节算法为增量式数字PID控制算法；编码器管理线程负责接收光电编码器上传的信号并通过运算得到微型异步电动机组的实时转速值；信号接收线程完成微处理器对同步相量数据的接收、校验和解析操作；信号发送线程将同步相量数据和自动功率调节线程中的状态参数进行数据组包，并将数据包发送至服务器主站；状态显示程序将同步相量数据和系统状态参数显示在液晶显示单元中。5.如权利要求4所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述信号接收线程中的数据校验为对数据包完整度、数据包连贯性的检验。6.如权利要求4所述的基于同步相量数据的微型异步电动机组监控系统，其特征是，所述信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恒旭，李昊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37