數字式電能質量在線監測終端

摘 要：詳細闡述了應用DSP器件研制的數字式電能質量在線終端的硬件/軟件構成、技術指標、主要功能等，并對電能質量監測系統的功能做了簡要介紹。
關鍵詞：電能質量；諧波；不平衡度；在線監測
Digital On-line Electric Energy Quality Monitor Terminal

Abstract：This paper carefully describes the application of DSP accessories in developing the hardware, software configuration, technical indices, main functions and other features of DSP-based digital monitoring terminal for quality of electric energy. And the functions of the quality monitoring system for electric energy are also briefly introduced.
Keywords：electric energy；harmonics；unbalancedness；on-line monitor

　電能質量在線監測設備是電網電能質量監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)的監測設備，大都不能完全適應我國電網電能質量監督管理的實際需求。河北省南部電網在1996年開始陸續安裝諧波在線監測裝置，初期的裝置在數據存儲、數據傳輸和后臺統計分析的功能方面都存在較多的問題。為適應電能質量監督日益發展的需要，根據幾年的運行經驗和體會，開發研制了數字式電能質量在線監測終端。
　新型的數字電能質量在線監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 
　電網電能質量監測系統由電能質量監測終端、中心站及分析軟件組成。
1.1 電能質量監測終端
　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。
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：47～53 Hz，精度為±0.01Hz(50Hz)
信號轉換精度：14bit 
采樣頻率：8kHz/通道
3 電能質量監測終端軟/硬件構成
　電能質量監測終端的硬件由 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。
　 電能質量監測終端的軟件由DSP軟件和PC104軟件構成。
3.1 DSP軟件
3.1.1 DSP原理
　監測終端采用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1 024點的6路基2 FFT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。
3.1.2 DSP 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，公式為： 

　式中 Uhk——3s內第k次測得的h次諧波方均根值。
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。
3.2 PC104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15 G的硬盤，為方便使用并確?？煽啃裕脖P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0.5 s脈沖，收集DSP數據。
3.2.1 PC104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/T 14549-1993 《電能質量公用電網諧波》、GB/T 15543-1995 《電能質量三相電壓允許不平衡度》的規定，具體公式如下。
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。
　 能設定監測電壓的額定值和限值。電壓質量監測統計時間以min為單位，取1min的電壓平均值為一個統計單元。
　 實時顯示被監測電壓，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。
3.3 PC104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。
3.4 MODEM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.電能質量監測終端可以實時準確地對電網的供電和用電狀況進行監測，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，為供電和用電企業提供了方便的監測設備。
　 b.電能質量監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.電能質量監測終端在區域電網和省網或聯合電網中可組成電能質量監測網絡，并通過專用的中心站軟件，實現大量歷史數據的統計分析，形成各種統計報表，繪制諧波頻譜圖和各種指標的分布圖，為電能質量的監督提供了先進的手段。