數字式電能質(zhì)量在線(xiàn)監測系統在電力系統中的運用
電能質(zhì)量在線(xiàn)監測設備是電網(wǎng)電能質(zhì)量監督檢測網(wǎng)絡(luò )基本也是主要的設備，目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售和使用的國內外生產(chǎn)的電能質(zhì)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(wǎng)電能質(zhì)量監督管理的實(shí)際需求。河北省南部電網(wǎng)在1996年開(kāi)始陸續安裝諧波在線(xiàn)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(wèn)題。為適應電能質(zhì)量監督日益發(fā)展的需要，根據幾年的運行經(jīng)驗和體會(huì )，開(kāi)發(fā)研制了數字式電能質(zhì)量在線(xiàn)監測終端。
新型的數字電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置具有按國標要求采集電能質(zhì)量各項參數、在線(xiàn)長(cháng)時(shí)間工作的可靠性高、現場(chǎng)操作方便實(shí)用、可與中心站通訊等功能；同時(shí)，還可長(cháng)時(shí)間記錄、存儲數據且讀取數據方便。該裝置采用與國外新產(chǎn)品同等的dsp數字信號處理器和高速多路ad同采技術(shù)，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。
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1功能與構成
電網(wǎng)電能質(zhì)量監測系統由電能質(zhì)量監測終端、中心站及分析軟件組成。
1.1電能質(zhì)量監測終端
輸入三相電壓100v、三相電流5a或1a進(jìn)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(wú)功功率及功率因數等技術(shù)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(zhì)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(huà)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(xiàn)圖、向量圖)操作界面。
e.終端可存儲超過(guò)一年的數據，存儲數據為3min或5min一組數據包。
f.帶有局域網(wǎng)連接接口，可用筆記本電腦在現場(chǎng)抄錄數據。
g.多參數綜合測量，實(shí)時(shí)定點(diǎn)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(guò)調制解調器或網(wǎng)絡(luò )接受處理器的數據，進(jìn)行統計分析，形成文件、報表及曲線(xiàn)，并可顯示數據和圖形(如頻譜圖、波形圖、曲線(xiàn)圖、向量圖等)。它可以管理多臺電能質(zhì)量監測終端，對收集到的數據進(jìn)行分析與處理，可以對某一時(shí)段或某一事件過(guò)程時(shí)段的電能質(zhì)量進(jìn)行分析、形成報表，自動(dòng)形成日、月和年報表，自動(dòng)找出諧波含有率超標的時(shí)段與線(xiàn)路，計算電壓合格率與供電可靠性。
中心站為客戶(hù)機——服務(wù)器方式，數據存放在服務(wù)器的數據庫中，可以方便地調用與查詢(xún)。
2主要技術(shù)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(wú)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。[next]
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(zhì)量監測終端軟/硬件構成
電能質(zhì)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(xiàn)并行擴展、調制解調器、lcd顯示器(vga單色帶背光)、網(wǎng)絡(luò )適配器、電源等構成。
電能質(zhì)量監測終端的軟件由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。系統設計需要在每個(gè)工頻周期內采集1024個(gè)點(diǎn)(6路同采)，需要進(jìn)行1024點(diǎn)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(shí)鐘頻率，在本裝置中dsp的內部時(shí)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(jìn)行6路同時(shí)采樣，為準確計算有功、無(wú)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(shí)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(diǎn)ad轉換(其中ad采用雙6路同采高速ad變換器)，經(jīng)fft變換，計算方均根值后，上傳數據。根據需要，在數據傳送時(shí)，只傳輸31或61次諧波或更高次諧波。
進(jìn)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(shí)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(pán)和硬盤(pán)接口，可以直接驅動(dòng)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(pán)和普通顯示器。該板的bio設計可以連接高達15g的硬盤(pán)，為方便使用并確?？煽啃?，硬盤(pán)采用電子盤(pán)或筆記本硬盤(pán)。
工控板有watch-dog功能，工作不正常時(shí)，自動(dòng)復位。
pc104板負責數據的處理、存儲、顯示，電能質(zhì)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(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(wú)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(wǎng)絡(luò )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(shí)部、虛部，共2×3×64個(gè)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(guān)指標的計算依據gb/t14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、gb/t15543-1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》的規定，具體公式如下。[next]
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諧波值和概率值的計算
a.諧波大值(各次值及總畸變率)的計算
b.95概率值的計算
計算測量時(shí)段內各相實(shí)測值的95概率值和其中大一相的值，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.取不平衡度大值
b.95概率值。計算測量時(shí)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(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，統計超上限累加時(shí)間、超下限累加時(shí)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；記錄值，小值和平均值。
能設定監測電壓的額定值和限值。電壓質(zhì)量監測統計時(shí)間以min為單位，取1min的電壓平均值為一個(gè)統計單元。
實(shí)時(shí)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(guò)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(jìn)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(lián)絡(luò )(中斷)通訊。
3.4modem與局域網(wǎng)通訊管理
modem連接至rs232c串行接口，另行擴展了幾根控制線(xiàn)，對modem實(shí)時(shí)監測與控制以確保modem長(cháng)時(shí)間通訊正常。
擴展的網(wǎng)卡允許lan網(wǎng)絡(luò )方式通訊。
4結論
a.電能質(zhì)量監測終端可以實(shí)時(shí)準確地對電網(wǎng)的供電和用電狀況進(jìn)行監測，尤其是可隨時(shí)掌握諧波的超標情況，掌握不對稱(chēng)度與電壓合格率的情況，為供電和用電企業(yè)提供了方便的監測設備。
b.電能質(zhì)量監測終端具有采樣頻率高、測量精確、運算速度快等特點(diǎn)，其測量指標滿(mǎn)足電能質(zhì)量國家標準的要求。
c.電能質(zhì)量監測終端的中文和圖形顯示界面，使用戶(hù)使用更加方便和直觀(guān)。
d.電能質(zhì)量監測終端采用dsp和pc104工控板設計，技術(shù)先進(jìn)，準確度高，可以方便地對dsp和pc104進(jìn)行軟件維護與升級。
e.電能質(zhì)量監測終端在區域電網(wǎng)和省網(wǎng)或聯(lián)合電網(wǎng)中可組成電能質(zhì)量監測網(wǎng)絡(luò )，并通過(guò)的中心站軟件，實(shí)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(zhì)量的監督提供了先進(jìn)的手段。
公司主營(yíng)：直流高壓發(fā)生器，高壓無(wú)線(xiàn)核相儀，微機繼電保護測試儀，試驗變壓器，直流電阻測試儀，變頻串聯(lián)諧振試驗裝置，真空濾油機，絕緣油介電強度測試儀，高壓開(kāi)關(guān)機械特性測試儀，回路電阻測試儀，接地引下線(xiàn)導通測試儀，接地線(xiàn)成組直流電阻測試儀，變壓器損耗參數測試儀，大電流發(fā)生器（升流器），變壓器繞組變形測試儀，變壓器特性綜合測試臺等電力測試儀器。