研究基于DSP的电能质量在线监测设备在电网中的应用

　　引言

    伴随着现代社会的飞速发展， 电能的需求量在不断增加，同时电能质量问题也越来越引起供电方和用电方的关注。电能质量的问题， 取决于供电和用电方， 要提高电网的电能质量水平， 实现电能的质和量的统一， 必须由电力部门和接入电的广大电力用户来共同维护， 因此为了切实维护电力部门和用户的合法利益， 保证电网的安全运行， 净化电气环境， 必须加强电力系统电网电能质量的监测和管理。

　　为了满足电能质量的监测需求， 有关电能质量在线监测设备的研制开发一直都在进行中， 在国内外采取了许多先进的软、硬件技术以及数学仿真方法， 涌现了许多研究成果和相应的产品。目前电能质量研究分析的方法主要有： 时域仿真方法﹑频域分析方法和基于变换方法； 电能质量监测设备有基于数字信号处理芯片、单片机芯片嵌入式芯片等硬件开发的， 也有基于各种编程语言等软件开发的， 但需要工业计算机的运行平台。其中， 基于数字信号处理芯片开发的电能质量在线监测仪，由于其抗干扰能力强、高、功能强大、耗电低、体积小、免维护等特点， 成为电能质量在线监测的设备。本文设计的电能质量在线监测仪， 采用高性能DSP 处理技术， 高速实时采集指定线路的三相电流和电压模拟信号， 在A/D 转换后输入到DSP 芯片中对数据进行实时分析处理， 计算电网的各种电力参数， 分析电网的电力质量信息， 并将监测数据就地存储或通过通信接口进行通信传输。

　　电能质量在线监测设备是电网电能质量监督检测网络基本也是主要的设备，目前市场上销售和使用的国内外生产的电能质量部分指标（如谐波、不平衡度等）的监测设备，大都不能完全适应我国电网电能质量监督管理的实际需求。新型GDDN-500系列数字电能质量在线监测装置具有按国标要求采集电能质量各项参数、在线长时间工作的可靠性高、现场操作方便实用、可与中心站通讯等功能；同时，还可长时间记录、存储数据且读取数据方便。该装置采用与国外产品同等的DSP数字信号处理器和高速多路AD同采技术，在数据处理与显示存储上采用双DSP结构设计，功能强、便于操作与软件升级。

　　1 功能与构成

　　电网电能质量监测系统由电能质量监测终端、中心站及分析软件组成。

　　1.1 电能质量监测终端

　　输入三相电压100V、三相电流5A或1A进行数据信号处理，采用FFT计算出各次谐波电压、电流的幅值及相角。计算不平衡电压、电流，计算三相电压、电流、电压合格率、频率、有功功率、无功功率及功率因数等技术数据并显示。负责数据的处理、存储以及与中心站之间的通讯连接和数据传输，形成变电站报表。

　　电能质量监测终端的主要功能如下。

　　a.输入信号为TV、TA二次侧三相电压（100V）、三相电流（5A或1A）。

　　b.带有公话MODEM接口，可以在中心站方便地拨号连接接收数据。

　　c.大屏幕（320×240）背光LCD图形显示。

　　d.中文图形（频谱图、波形图、曲线图、向量图）操作界面。

　　e.终端可存储超过一年的数据，存储数据为3min或5min一组数据包。

　　f.带有局域网连接接口，可用笔记本电脑在现场抄录数据。

　　g.多参数综合测量，实时定点报警，可设定参数值、参数报警状态。

　　h.谐波电压、电流，负序电压、电流超限报警出口继电器。

　　1.2 中心站及分析软件

　　中心站通过调制解调器或网络接受处理器的数据，进行统计分析，形成文件、报表及曲线，并可显示数据和图形（如频谱图、波形图、曲线图、向量图等）。它可以管理多台电能质量监测终端，对收集到的数据进行分析与处理，可以对某一时段或某一事件过程时段的电能质量进行分析、形成报表，自动形成日、月和年报表，自动找出谐波含有率超标的时段与线路，计算电压合格率与供电可靠性。

　　中心站为客户机——服务器方式，数据存放在服务器的数据库中，可以方便地调用与查询。

　　2 主要技术指标

　　2.1 测量项目

　　该装置采用（220±15%）Vac或[（220 +10%）～（220-15%）]Vdc

　　电源，可测量的项目包括：电压、电流、频率，电压合格率，有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，电压不平衡度、电流不平衡度，

　　谐波电压、谐波电流（至31/50次或更高）、谐波相位、谐波功率、畸变率等。

　　2.2 测量

　　电压测量：±0.2%

　　电流测量：±0.2%

　　电压不平衡度测量误差：≤0.2%

　　电流不平衡度测量误差：≤1%

　　频率测量：47～53 Hz，为±0.01Hz（50Hz）

　　信号转换：16bit

　　采样频率：12.8kHz/通道

　　3 电能质量监测终端软/硬件构成

　　电能质量监测终端的硬件由 TA/TV及信号预处理、DSP处理器、、LCD显示器（VGA单色带背光）、网络适配器、电源等构成。

　　电能质量监测终端的软件由DSP软件构成。

　　3.1 DSP软件

　　3.1.1 DSP原理

　　监测终端采用TI公司的320C2XX系列的TMS320F240芯片，考虑到该芯片内部存储容量有限，在DSP部分扩展了高速SRAM和EEPROM。系统终设计需要在每个工频周期内采集1024个点（6路同采），需要进行1024点的6路基2 FFT变换计算，这样就需要较快的时钟频率，在本装置中DSP的内部时钟近40MHz。

　　在DSP处理部分外扩了快速的16bit 高AD变换器，该AD变换器可以进行6路同时采样，为准确计算有功、无功功率、正/负序提供了保证。

　　3.1.2 DSP 的构成与功能

　　a.数据采集部分，包括频率的采样与计算，AD变换器的6路同时采样。"

　　b.数据处理，将采集的数据变换格式。

　　c.FFT变换计算。

　　d.数据传送，将DSP的数据传输至PC104。

　　3.1.3 输入和运算

　　输入三相电压、电流，测频率，1024或512点AD转换（其中AD采用双6路同采高速AD变换器），经FFT变换，计算方均根值后，上传数据。根据需要，在数据传送时，只传输31或61次谐波或更高次谐波。

　　进行FFT运算，每0.5s取31次（或61次）谐波，每3s取6次计算方均根值，公式为：

　　式中  Uhk——3s内第k次测得的h次谐波方均根值。

　　3.1.4 数据传送

　　按每0.5s上位机给定的脉冲，每3s上传数据。以31次谐波为例，每组数据如下。

　　a.频率f。

　　各次谐波分为实部、虚部，以Ua的相位为基准相位。

　　3.2 PC104部分

　　PC104工控板采用了集成度较高的PCM-3336板，该板带有软盘和硬盘接口，可以直接驱动320×240的LCD单色显示器，2路RS232C串行接口，1路打印机并行接口，可以直接带键盘和普通显示器。该板的BIO设计可以连接高达15G的硬盘，为方便使用并确保可靠性，硬盘采用电子盘或笔记本硬盘。

　　工控板有WATCH-DOG功能，工作不正常时，自动复位。

　　负责数据的处理、存储、显示，电能质量监测终端与中心站之间的通讯连接及数据传输，形成变电站报表。向DSP发0.5 s脉冲，收集DSP数据。

　　3.2.1 PC104的软件构成

　　a.计算处理各种数据，包括电压、电流、有功、无功、正负序、电压不平衡度、电压合格率、谐波含有率等。

　　b.以图形方式在LCD上显示电压、电流基波及各次谐波的幅值、相角，电压、电流的矢量图，电压电流波形。

　　c.通讯传输功能，包括与DSP的通讯、与MODEM的通讯和网络通讯。

　　d.参数输入，包括电压电流变比、电压上下限、谐波含有率的超限设置等。

　　3.2.2 接收DSP数据

　　从DSP接收的数据为暂存数据，有频率 、三相电压、三相电流及对应的正负零序分量及各次谐波分量（分实部、虚部，共2×3×64个数据）。

　　3.2.3 谐波与不平衡度指标的计算

　　谐波与不平衡度相关指标的计算依据GB/T 14549-1993 《电能质量公用电网谐波》、GB/T 15543-1995

　　《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，具体公式如下。

　　3.2.3.1 谐波计算（每读一组数据计算）

　　a.第h次谐波电压含有率

　　式中  Uh——第h次谐波电压（方均根值）；

　　U1——基波电压（方均根值）。

　　b.第h次谐波电流含有率

　　式中  Ih——第h次谐波电流（方均根值）；

　　I1——基波电流（方均根值）。

　　c.谐波电压含量

　　f.电流总谐波畸变率

　　g.第h次谐波功率、相位

　　3.2.3.2 谐波值和概率值的计算

　　a.谐波值（各次值及总畸变率）的计算

　　b.95%概率值的计算

　　计算测量时段内各相实测值的95%概率值和其中一相的值，并存储。

　　3.2.3.3 谐波超限报警

　　测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。

　　3.2.3.4 电压、电流不平衡度

　　计算电压、电流不平衡度（每3s读一组数据计算），计算电压、电流不平衡度95%概率值。

　　a.取不平衡度值

　　b.  95%概率值。计算测量时段（统计周期）内的95%概率值。

　　3.2.3.5 不平衡度超限报警

　　测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。

　　3.2.4 电压合格率

　　3.2.4.1 计算电压（每3s读一组数据计算）

　　计算超上限率、超下限率，统计超上限累加时间、超下限累加时间；计算电压合格率；存储上月和当月、前一日和当日的记录数据；记录值，值和平均值。

　　能设定监测电压的额定值和限值。电压质量监测统计时间以min为单位，取1min的电压平均值为一个统计单元。

　　实时显示被监测电压，刷新周期为2s。

　　3.2.4.2 计算电压合格率　

　　3.2.5 频率

　　采用过零检测电路和DSP捕获功能，测量整周波的宽度，从而计算出频率。

　　3.2.6 显示

　　图形与汉字方式显示电压/电流波形、电压/电流矢量图、电压/电流基波和谐波的幅值、相角，各次谐波的幅值、相角分为数字显示和棒图加角度指针显示。

　　3.3 PC104与DSP通讯的ISA并行扩展单元

　　为方便地进行DSP与PC间的通讯，扩展了带有中断的并行接口，占用PC104的外设地址和中断，该并行通讯为8位双向可联络（中断）通讯。

　　3.4 MODEM与局域网通讯管理

　　MODEM连接至RS232C串行接口，另行扩展了几根控制线，对MODEM实时监测与控制以确保MODEM长时间通讯正常。

　　扩展的网卡允许LAN网络方式通讯。

　　4 结论

　　电能质量监测终端可以实时准确地对电网的供电和用电状况进行监测，尤其是可随时掌握谐波的超标情况，掌握不对称度与电压合格率的情况，为供电和用电企业提供了方便的监测设备。具有采样频率高、测量、运算速度快等特点，其测量指标满足电能质量国家标准的要求。其中文和图形显示界面，使用户使用更加方便和直观。电能质量监测终端采用DSP和PC104工控板设计，技术先进，准确度高，可以方便地对DSP和PC104进行软件维护与升级。在区域电网和省网或联合电网中可组成电能质量监测网络，并通过专用的中心站软件，实现大量历史数据的统计分析，形成各种统计报表，绘制谐波频谱图和各种指标的分布图，为电能质量的监督提供了先进的手段。