數字式電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的運用

電能質量在線監(jiān)測設備是電網電能質量監(jiān)督檢測網絡最基本也是最主要的設備，目前市場上銷售和使用的國內外生產的電能質量部分指標(如諧波、不平衡度等)的監(jiān)測設備，大都不能完全適應我國電網電能質量監(jiān)督管理的實際需求。河北省南部電網在1996年開始陸續(xù)安裝諧波在線監(jiān)測裝置，初期的裝置在數據存儲、數據傳輸和后臺統(tǒng)計分析的功能方面都存在較多的問題。為適應電能質量監(jiān)督日益發(fā)展的需要，根據幾年的運行經驗和體會，開發(fā)研制了數字式電能質量在線監(jiān)測終端。

新型的數字電能質量在線監(jiān)測裝置具有按國標要求采集電能質量各項參數、在線長時間工作的可靠性高、現場操作方便實用、可與中心站通訊等功能；同時，還可長時間記錄、存儲數據且讀取數據方便。該裝置采用與國外最新產品同等的dsp數字信號處理器和高速多路ad同采技術，在數據處理與顯示存儲上采用pc104工控機，功能強、便于操作與軟件升級。?

1功能與構成?

電網電能質量監(jiān)測系統(tǒng)由電能質量監(jiān)測終端、中心站及分析軟件組成。?

1.1電能質量監(jiān)測終端?

輸入三相電壓100v、三相電流5a或1a進行數據信號處理，采用fft計算出各次諧波電壓、電流的幅值及相角。計算不平衡電壓、電流，計算三相電壓、電流、電壓合格率、頻率、有功功率、無功功率及功率因數等技術數據并顯示。負責數據的處理、存儲以及與中心站之間的通訊連接和數據傳輸，形成變電站報表。

電能質量監(jiān)測終端的主要功能如下。?

a.輸入信號為tv、ta二次側三相電壓(100v)、三相電流(5a或1a)。
b.帶有公話modem接口，可以在中心站方便地撥號連接接收數據。
c.大屏幕(320×240)背光lcd圖形顯示。
d.中文圖形(頻譜圖、波形圖、曲線圖、向量圖)操作界面。
e.終端可存儲超過一年的數據，存儲數據為3min或5min一組數據包。
f.帶有局域網連接接口，可用筆記本電腦在現場抄錄數據。
g.多參數綜合測量，實時定點報警，可設定參數值、參數報警狀態(tài)。
h.諧波電壓、電流，負序電壓、電流超限報警出口繼電器。?

1.2中心站及分析軟件

中心站通過調制解調器或網絡接受處理器的數據，進行統(tǒng)計分析，形成文件、報表及曲線，并可顯示數據和圖形(如頻譜圖、波形圖、曲線圖、向量圖等)。它可以管理多臺電能質量監(jiān)測終端，對收集到的數據進行分析與處理，可以對某一時段或某一事件過程時段的電能質量進行分析、形成報表，自動形成日、月和年報表，自動找出諧波含有率超標的時段與線路，計算電壓合格率與供電可靠性。

中心站為客戶機——服務器方式，數據存放在服務器的數據庫中，可以方便地調用與查詢。

2主要技術指標?

2.1測量項目

該裝置采用(220±15)vac或[(220 10)～(220-15)]vdc電源，可測量的項目包括：電壓、電流、頻率，電壓合格率，有功功率、無功功率、視在功率、功率因數，電壓不平衡度、電流不平衡度，諧波電壓、諧波電流(至31/50次或更高)、諧波相位、諧波功率、畸變率等。?

2.2測量精度

電壓測量：±0.2?
電流測量:±0.2?
電壓不平衡度測量誤差：≤0.2?
電流不平衡度測量誤差：≤1?
頻率測量：47～53hz，精度為±0.01hz(50hz)?
信號轉換精度：14bit?
采樣頻率：8khz/通道?

3電能質量監(jiān)測終端軟/硬件構成?

電能質量監(jiān)測終端的硬件由ta/tv及信號預處理、dsp處理器、pc104工控機、pc104與dsp并行通訊isa總線并行擴展、調制解調器、lcd顯示器(vga單色帶背光)、網絡適配器、電源等構成。

電能質量監(jiān)測終端的軟件由dsp軟件和pc104軟件構成。?

3.1dsp軟件

3.1.1dsp原理?

監(jiān)測終端采用ti公司的320c2xx系列的tms320f240芯片，考慮到該芯片內部存儲容量有限，在dsp部分擴展了高速sram和eeprom。系統(tǒng)最終設計需要在每個工頻周期內采集1024個點(6路同采)，需要進行1024點的6路基2fft變換計算，并傳送至pc104處理單元，這樣就需要較快的時鐘頻率，在本裝置中dsp的內部時鐘近40mhz。?

在dsp處理部分外擴了快速的14bit高精度ad變換器，該ad變換器可以進行6路同時采樣，為準確計算有功、無功功率、正/負序提供了保證。?

3.1.2dsp的構成與功能?

a.數據采集部分，包括頻率的采樣與計算，ad變換器的6路同時采樣。"
b.數據處理，將采集的數據變換格式。
c.fft變換計算。
d.數據傳送，將dsp的數據傳輸至pc104。?

3.1.3輸入和運算

輸入三相電壓、電流，測頻率，1024或512點ad轉換(其中ad采用雙6路同采高速ad變換器)，經fft變換，計算方均根值后，上傳數據。根據需要，在數據傳送時，只傳輸31或61次諧波或更高次諧波。

進行fft運算，每0.5s取31次(或61次)諧波，每3s取6次計算方均根值。?

3.1.4數據傳送

按每0.5s上位機給定的脈沖，每3s上傳一次數據。以31次諧波為例，每組數據如下。

a.頻率f。

各次諧波分為實部、虛部，以u?a的相位為基準相位。

3.2pc104部分?

pc104工控板采用了集成度較高的pcm-3336板，該板帶有軟盤和硬盤接口，可以直接驅動320×240的lcd單色顯示器，2路rs232c串行接口，1路打印機并行接口，可以直接帶鍵盤和普通顯示器。該板的bio設計可以連接高達15g的硬盤，為方便使用并確保可靠性，硬盤采用電子盤或筆記本硬盤。

工控板有watch-dog功能，工作不正常時，自動復位。

pc104板負責數據的處理、存儲、顯示，電能質量監(jiān)測終端與中心站之間的通訊連接及數據傳輸，形成變電站報表。向dsp發(fā)0.5s脈沖，收集dsp數據。?

3.2.1pc104的軟件構成?

a.計算處理各種數據，包括電壓、電流、有功、無功、正負序、電壓不平衡度、電壓合格率、諧波含有率等。?
b.以圖形方式在lcd上顯示電壓、電流基波及各次諧波的幅值、相角，電壓、電流的矢量圖，電壓電流波形。
c.通訊傳輸功能，包括與dsp的通訊、與modem的通訊和網絡通訊。
d.參數輸入，包括電壓電流變比、電壓上下限、諧波含有率的超限設置等。

3.2.2接收dsp數據

從dsp接收的數據為暫存數據，有頻率、三相電壓、三相電流及對應的正負零序分量及各次諧波分量(分實部、虛部，共2×3×64個數據)。?

3.2.3諧波與不平衡度指標的計算?

諧波與不平衡度相關指標的計算依據gb/t14549-1993《電能質量公用電網諧波》、gb/t15543-1995《電能質量三相電壓允許不平衡度》的規(guī)定。

3.2.3.1諧波計算(每讀一組數據計算一次)

a.第h次諧波電壓含有率?

式中uh——第h次諧波電壓(方均根值)；

u1——基波電壓(方均根值)。

b.第h次諧波電流含有率

式中ih——第h次諧波電流(方均根值)；

i1——基波電流(方均根值)。

c.諧波電壓含量?

f.電流總諧波畸變率?

g.第h次諧波功率、相位?

3.2.3.2諧波最大值和概率值的計算

a.諧波最大值(各次值及總畸變率)的計算

b.95概率值的計算

計算測量時段內各相實測值的95概率值和其中最大一相的值，并存儲。

3.2.3.3諧波超限報警

測量值與允許值比較，判斷是否超限，若超限即發(fā)出報警。?

3.2.3.4電壓、電流不平衡度

計算電壓、電流不平衡度(每3s讀一組數據計算一次)，計算電壓、電流不平衡度95概率值。

a.取不平衡度最大值

b.95概率值。計算測量時段(統(tǒng)計周期)內的95概率值。

3.2.3.5不平衡度超限報警

測量值與允許值比較，判斷是否超限，若超限即發(fā)出報警。

3.2.4電壓合格率

3.2.4.1計算電壓(每3s讀一組數據計算一次)

計算超上限率、超下限率，統(tǒng)計超上限累加時間、超下限累加時間；計算電壓合格率；存儲上月和當月、前一日和當日的記錄數據；記錄最大值，最小值和平均值。

能設定監(jiān)測電壓的額定值和限值。電壓質量監(jiān)測統(tǒng)計時間以min為單位，取1min的電壓平均值為一個統(tǒng)計單元。

實時顯示被監(jiān)測電壓，刷新周期為2s。

3.2.4.2計算電壓合格率??

3.2.5頻率?

采用過零檢測電路和dsp捕獲功能，精確測量整周波的寬度，從而計算出頻率。

3.2.6顯示

圖形與漢字方式顯示電壓/電流波形、電壓/電流矢量圖、電壓/電流基波和諧波的幅值、相角，各次諧波的幅值、相角分為數字顯示和棒圖加角度指針顯示。?

3.3pc104與dsp通訊的isa并行擴展單元?

為方便地進行dsp與pc間的通訊，擴展了帶有中斷的并行接口，占用pc104的外設地址和中斷，該并行通訊為8位雙向可聯絡(中斷)通訊。?

3.4modem與局域網通訊管理?

modem連接至rs232c串行接口，另行擴展了幾根控制線，對modem實時監(jiān)測與控制以確保modem長時間通訊正常。?

擴展的網卡允許lan網絡方式通訊。?

4結論?

a.電能質量監(jiān)測終端可以實時準確地對電網的供電和用電狀況進行監(jiān)測，尤其是可隨時掌握諧波的超標情況，掌握不對稱度與電壓合格率的情況，為供電和用電企業(yè)提供了方便的監(jiān)測設備。?
b.電能質量監(jiān)測終端具有采樣頻率高、測量精確、運算速度快等特點，其測量指標滿足電能質量國家標準的要求。?
c.電能質量監(jiān)測終端的中文和圖形顯示界面，使用戶使用更加方便和直觀。?
d.電能質量監(jiān)測終端采用dsp和pc104工控板設計，技術先進，準確度高，可以方便地對dsp和pc104進行軟件維護與升級。?
e.電能質量監(jiān)測終端在區(qū)域電網和省網或聯合電網中可組成電能質量監(jiān)測網絡，并通過專用的中心站軟件，實現大量歷史數據的統(tǒng)計分析，形成各種統(tǒng)計報表，繪制諧波頻譜圖和各種指標的分布圖，為電能質量的監(jiān)督提供了先進的手段。