段曉波1，饒群1，朱學(xué)儒2，郝士杰3
(1.河北省電力研究院，河北 石家莊 050021；2.方天科技有限公司，河北 石家莊 050021；3.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)
摘 要：詳細(xì)闡述了應(yīng)用DSP器件研制的數(shù)字式電能質(zhì)量在線終端的硬件/軟件構(gòu)成、技術(shù)指標(biāo)、主要功能等，并對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能做了簡(jiǎn)要介紹。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；諧波；不平衡度；在線監(jiān)測(cè)
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(zhì)量在線監(jiān)測(cè)設(shè)備是電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)最基本也是最主要的設(shè)備，目前市場(chǎng)上銷售和使用的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的電能質(zhì)量部分指標(biāo)(如諧波、不平衡度等)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，大都不能完全適應(yīng)我國(guó)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)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(xù)安裝諧波在線監(jiān)測(cè)裝置，初期的裝置在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸和后臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析的功能方面都存在較多的問(wèn)題。為適應(yīng)電能質(zhì)量監(jiān)督日益發(fā)展的需要，根據(jù)幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，開(kāi)發(fā)研制了數(shù)字式電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)終端。
新型的數(shù)字電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置具有按國(guó)標(biāo)要求采集電能質(zhì)量各項(xiàng)參數(shù)、在線長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性高、現(xiàn)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(zhǎng)時(shí)間記錄、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)且讀取數(shù)據(jù)方便。該裝置采用與國(guó)外最新產(chǎn)品同等的DSP數(shù)字信號(hào)處理器和高速多路AD同采技術(shù)，在數(shù)據(jù)處理與顯示存儲(chǔ)上采用PC104工控機(jī)，功能強(qiáng)、便于操作與軟件升級(jí)。
1 功能與構(gòu)成
電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端、中心站及分析軟件組成。
1.1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端
輸入三相電壓100V、三相電流5A或1A進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)處理，采用FFT計(jì)算出各次諧波電壓、電流的幅值及相角。計(jì)算不平衡電壓、電流，計(jì)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(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)并顯示。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)以及與中心站之間的通訊連接和數(shù)據(jù)傳輸，形成變電站報(bào)表。
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的主要功能如下。
a.輸入信號(hào)為TV、TA二次側(cè)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?fù)芴?hào)連接接收數(shù)據(jù)。
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(chǔ)超過(guò)一年的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為3min或5min一組數(shù)據(jù)包。
f.帶有局域網(wǎng)連接接口，可用筆記本電腦在現(xiàn)場(chǎng)抄錄數(shù)據(jù)。
g.多參數(shù)綜合測(cè)量，實(shí)時(shí)定點(diǎn)報(bào)警，可設(shè)定參數(shù)值、參數(shù)報(bào)警狀態(tài)。
h.諧波電壓、電流，負(fù)序電壓、電流超限報(bào)警出口繼電器。
1.2 中心站及分析軟件
中心站通過(guò)調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)絡(luò)接受處理器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成文件、報(bào)表及曲線，并可顯示數(shù)據(jù)和圖形(如頻譜圖、波形圖、曲線圖、向量圖等)。它可以管理多臺(tái)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，可以對(duì)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(bào)表，自動(dòng)形成日、月和年報(bào)表，自動(dòng)找出諧波含有率超標(biāo)的時(shí)段與線路，計(jì)算電壓合格率與供電可靠性。
中心站為客戶機(jī)——服務(wù)器方式，數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以方便地調(diào)用與查詢。
2 主要技術(shù)指標(biāo)
2.1 測(cè)量項(xiàng)目
該裝置采用(220±15%)Vac或[(220 +10%)～(220-15%)]Vdc 電源，可測(cè)量的項(xiàng)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(shù)，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(cè)量精度
電壓測(cè)量：±0.2%
電流測(cè)量:±0.2%
電壓不平衡度測(cè)量誤差：≤0.2%
電流不平衡度測(cè)量誤差：≤1%
頻率測(cè)量：47～53 Hz，精度為±0.01Hz(50Hz)
信號(hào)轉(zhuǎn)換精度：14bit
采樣頻率：8kHz/通道
3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端軟/硬件構(gòu)成
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的硬件由 TA/TV及信號(hào)預(yù)處理、DSP處理器、PC104 工控機(jī)、PC104與DSP并行通訊ISA總線并行擴(kuò)展、調(diào)制解調(diào)器、LCD顯示器(VGA單色帶背光)、網(wǎng)絡(luò)適配器、電源等構(gòu)成。
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的軟件由DSP軟件和PC104軟件構(gòu)成。
3.1 DSP軟件
3.1.1 DSP原理
監(jiān)測(cè)終端采用TI公司的320C2XX系列的TMS320F240芯片，考慮到該芯片內(nèi)部存儲(chǔ)容量有限，在DSP部分?jǐn)U展了高速SRAM和EEPROM。系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)需要在每個(gè)工頻周期內(nèi)采集1024個(gè)點(diǎn)(6路同采)，需要進(jìn)行1 024點(diǎn)的6路基2 FFT變換計(jì)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(nèi)部時(shí)鐘近40MHz。
在DSP處理部分外擴(kuò)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(zhǔn)確計(jì)算有功、無(wú)功功率、正/負(fù)序提供了保證。
3.1.2 DSP 的構(gòu)成與功能
a.數(shù)據(jù)采集部分，包括頻率的采樣與計(jì)算，AD變換器的6路同時(shí)采樣。"
b.數(shù)據(jù)處理，將采集的數(shù)據(jù)變換格式。
c.FFT變換計(jì)算。
d.數(shù)據(jù)傳送，將DSP的數(shù)據(jù)傳輸至PC104。
3.1.3 輸入和運(yùn)算
輸入三相電壓、電流，測(cè)頻率，1024或512點(diǎn)AD轉(zhuǎn)換(其中AD采用雙6路同采高速AD變換器)，經(jīng)FFT變換，計(jì)算方均根值后，上傳數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，在數(shù)據(jù)傳送時(shí)，只傳輸31或61次諧波或更高次諧波。
進(jìn)行FFT運(yùn)算，每0.5s取31次(或61次)諧波，每3s取6次計(jì)算方均根值，公式為：
式中 Uhk——3s內(nèi)第k次測(cè)得的h次諧波方均根值。
3.1.4 數(shù)據(jù)傳送
按每0.5s上位機(jī)給定的脈沖，每3s上傳一次數(shù)據(jù)。以31次諧波為例，每組數(shù)據(jù)如下。
a.頻率f。
各次諧波分為實(shí)部、虛部，以Ua的相位為基準(zhǔn)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(qū)動(dòng)320×240的LCD單色顯示器，2路RS232C串行接口，1路打印機(jī)并行接口，可以直接帶鍵盤和普通顯示器。該板的BIO設(shè)計(jì)可以連接高達(dá)15 G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(shí)，自動(dòng)復(fù)位。
PC104板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端與中心站之間的通訊連接及數(shù)據(jù)傳輸，形成變電站報(bào)表。向DSP發(fā)0.5 s脈沖，收集DSP數(shù)據(jù)。
3.2.1 PC104的軟件構(gòu)成
a.計(jì)算處理各種數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、有功、無(wú)功、正負(fù)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(shù)輸入，包括電壓電流變比、電壓上下限、諧波含有率的超限設(shè)置等。
3.2.2 接收DSP數(shù)據(jù)
從DSP接收的數(shù)據(jù)為暫存數(shù)據(jù)，有頻率 、三相電壓、三相電流及對(duì)應(yīng)的正負(fù)零序分量及各次諧波分量(分實(shí)部、虛部，共2×3×64個(gè)數(shù)據(jù))。
3.2.3 諧波與不平衡度指標(biāo)的計(jì)算
諧波與不平衡度相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算依據(jù)GB/T 14549-1993 《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、GB/T 15543-1995 《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》的規(guī)定，具體公式如下。
3.2.3.1 諧波計(jì)算(每讀一組數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算
a.諧波最大值(各次值及總畸變率)的計(jì)算
b.95%概率值的計(jì)算
計(jì)算測(cè)量時(shí)段內(nèi)各相實(shí)測(cè)值的95%概率值和其中最大一相的值，并存儲(chǔ)。
3.2.3.3 諧波超限報(bào)警
測(cè)量值與允許值比較，判斷是否超限，若超限即發(fā)出報(bào)警。
3.2.3.4 電壓、電流不平衡度
計(jì)算電壓、電流不平衡度(每3s讀一組數(shù)據(jù)計(jì)算一次)，計(jì)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(jì)算測(cè)量時(shí)段(統(tǒng)計(jì)周期)內(nèi)的95%概率值。
3.2.3.5 不平衡度超限報(bào)警
測(cè)量值與允許值比較，判斷是否超限，若超限即發(fā)出報(bào)警。
3.2.4 電壓合格率
3.2.4.1 計(jì)算電壓(每3s讀一組數(shù)據(jù)計(jì)算一次)
計(jì)算超上限率、超下限率，統(tǒng)計(jì)超上限累加時(shí)間、超下限累加時(shí)間；計(jì)算電壓合格率；存儲(chǔ)上月和當(dāng)月、前一日和當(dāng)日的記錄數(shù)據(jù)；記錄最大值，最小值和平均值。
能設(shè)定監(jiān)測(cè)電壓的額定值和限值。電壓質(zhì)量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間以min為單位，取1min的電壓平均值為一個(gè)統(tǒng)計(jì)單元。
實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)測(cè)電壓，刷新周期為2s。
3.2.4.2 計(jì)算電壓合格率
3.2.5 頻率
采用過(guò)零檢測(cè)電路和DSP捕獲功能，精確測(cè)量整周波的寬度，從而計(jì)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(shù)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(kuò)展單元
為方便地進(jìn)行DSP與PC間的通訊，擴(kuò)展了帶有中斷的并行接口，占用PC104的外設(shè)地址和中斷，該并行通訊為8位雙向可聯(lián)絡(luò)(中斷)通訊。
3.4 MODEM與局域網(wǎng)通訊管理
MODEM連接至RS232C串行接口，另行擴(kuò)展了幾根控制線，對(duì)MODEM實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制以確保MODEM長(zhǎng)時(shí)間通訊正常。
擴(kuò)展的網(wǎng)卡允許LAN網(wǎng)絡(luò)方式通訊。
4 結(jié)論
a.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)電網(wǎng)的供電和用電狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其是可隨時(shí)掌握諧波的超標(biāo)情況，掌握不對(duì)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(cè)設(shè)備。
b.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端具有采樣頻率高、測(cè)量精確、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，其測(cè)量指標(biāo)滿足電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
c.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(zhì)量監(jiān)測(cè)終端采用DSP和PC104工控板設(shè)計(jì)，技術(shù)先進(jìn)，準(zhǔn)確度高，可以方便地對(duì)DSP和PC104進(jìn)行軟件維護(hù)與升級(jí)。
e.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端在區(qū)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(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)專用的中心站軟件，實(shí)現(xiàn)大量歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，形成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，繪制諧波頻譜圖和各種指標(biāo)的分布圖，為電能質(zhì)量的監(jiān)督提供了先進(jìn)的手段。
