何金定1，肖先勇1，蔣文林2
(1.四川大學(xué)，四川成都610065；
2.攀枝花學(xué)院，四川攀枝花617000)
摘 要：在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)處理技術(shù)是決定監(jiān)測系統(tǒng)性能的重要因素，對當(dāng)前電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法的不同，提出了基于數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析時(shí)間間隔的合理選擇和生成日統(tǒng)計(jì)文件的數(shù)據(jù)處理方法。根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)在下位機(jī)中設(shè)定有效測量時(shí)間，然后在監(jiān)測系統(tǒng)中按指定格式讀取監(jiān)測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)文件，在上位機(jī)中得到了清晰、明了的圖形并能快速生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表。通過這種數(shù)據(jù)處理方法，使整套電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到工程實(shí)用的水平。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；監(jiān)測系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采樣；數(shù)據(jù)處理
Abstract: As currently there are various data processing methods in power qualit y monitoring system, this paper puts forward a new data processing method based o n data pre-processing, reasonable choice of time interval for analysis and gener ating daily statistical file. According to IEC international standard, it is eff ective to get clear and explicit graphs and quickly generate different statistic al reports in controlling center by adopting the effective measuring time in col lecting apparatus and reading the data file of monitoring spot in accordance wit h appointed format in monitoring system. With this method of data processing, th e whole monitoring system of power quality can beeffectivelied applied to practi cal project.
Key words: power quality； monitoring system； data sampling； d ata processing
隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，電能質(zhì)量問題已經(jīng)成為當(dāng)今電力學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的重大課題。一方面，隨著非線性負(fù)荷的不斷增加，造成電能質(zhì)量問題的各種因素不斷增長，如電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)和交通部門以及用電設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，包括大功率整流裝置在電氣化 鐵道的應(yīng)用等；另一方面，各種復(fù)雜的、精密的、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及，人們對電能質(zhì)量及供電可靠性的要求越來越高。
為了清楚了解系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題，作者所在課題組成功地開發(fā)了一套電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，達(dá)到了能夠監(jiān)測電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行情況的水平，并已投入實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行。在開發(fā)該系統(tǒng)時(shí)，使用了Microsoft公司的VB6.0作為開發(fā)工具。VB6.0作為可視化通用編程工具，一直以其可視化程度高、開發(fā)簡單快捷而著稱，可視化編程環(huán)境的“所見即所得”功能，使界面設(shè)計(jì)變得容易，從而讓編程更加輕松。
1電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要由電能質(zhì)量監(jiān)測的下位機(jī)（即監(jiān)測儀）、上位機(jī)（即用戶操作所用的計(jì)算機(jī)）以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成。
1.1下位機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成
1)數(shù)據(jù)采集部分，包括數(shù)據(jù)的采樣和計(jì)算。
2)數(shù)據(jù)處理，將采集的數(shù)據(jù)變換格式，并計(jì)算處理各種電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，包括頻率、電壓、電流、電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、電壓偏差、負(fù)序電流、諧波含有率等。
3)數(shù)據(jù)通信傳輸部分，包括下位機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信傳輸（主要是與DSP通信）和與上位機(jī)之間 的通信傳輸（主要是通過MODEM和網(wǎng)絡(luò)通信）。
1.2上位機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成
1)通信傳輸部分，與下位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信與傳輸。
2)采集電網(wǎng)各下位機(jī)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，形成文件、報(bào)表及曲線，顯示數(shù)據(jù)和圖形（如頻譜圖、趨勢圖、曲線圖、散點(diǎn)圖、向量圖等）。
3)數(shù)據(jù)文件管理系統(tǒng)，主要是系統(tǒng)管理監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)文件。
圖1顯示了整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件構(gòu)成。
2下位機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流程及數(shù)據(jù)預(yù)處理
2.1數(shù)據(jù)流程
從監(jiān)測儀啟動(dòng)開始，就開始了對監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采樣、分析、處理，然后生成監(jiān)測點(diǎn)一天的采集數(shù)據(jù)文件，圖2給出了監(jiān)測儀在一小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)流程。
2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理
由于在現(xiàn)場實(shí)測信號中，不僅包含由基波及各次諧波疊加而成的合成信號，而且還包含噪聲信號，噪聲信號的存在會大大影響電能質(zhì)量的測量精度，這樣在諧波分析、信號頻率的確定等方面會有很大的誤差。考慮到下位機(jī)硬件DSP在FFT（FFT是一種基于對非周期信號的周期延拓后進(jìn)行的變換）的方便性，采用FFT原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。在實(shí)際應(yīng)用中要得到準(zhǔn)確的FFT運(yùn)算結(jié)果，必須滿足Nyquist采樣定理的要求，防止頻譜混疊的發(fā)生，而且根據(jù)FFT算法的要求，采樣點(diǎn)應(yīng)均勻分布在一個(gè)信號周期內(nèi)，即應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣，否則就會引起信號的頻譜泄漏，帶來很大的測量誤差，特別是對高頻分量，計(jì)算出來的值就沒有可信性。因此，需要對采樣值進(jìn)行數(shù)字信號預(yù)處理，以減少誤差。圖3給出了整個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理流程。
如圖3所示，在整個(gè)過程中，采用了軟件同步采樣法。目前常用的同步采樣方法主要分為硬件同步和軟件同步兩大類。硬件同步方法是一種預(yù)防式方法，主要采用鎖相環(huán)電路來實(shí)現(xiàn)跟蹤信號頻率的變換，從而實(shí)時(shí)調(diào)整采樣速率，實(shí)現(xiàn)同步采樣，但是其硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性不高，在測量較大的畸變波形時(shí)誤差較大。軟件同步方法是一種補(bǔ)償式方法，主要采用準(zhǔn)同步采樣、加窗、加窗－插值等技術(shù)，來補(bǔ)償和減少誤差。當(dāng)采樣數(shù)值經(jīng)去噪處理后，通過一個(gè)45 Hz～55 Hz的窄帶濾波器，保證采樣數(shù)值過零點(diǎn)的唯一性，然后通過軟件同步求得采樣信號的周期值，以得到與工頻信號同步的采樣頻率，進(jìn)而控制對原始數(shù)據(jù)的線性插值。最后，對插值所得數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換得到諧波的幅值和相位。
3趨勢圖分析時(shí)間間隔的選擇
電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，是根據(jù)中國頒布的電能質(zhì)量五項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參考IEC 1000-4 -7國際標(biāo)準(zhǔn)以及發(fā)達(dá)國家電能質(zhì)量的監(jiān)測和管理經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)、研發(fā)的，并同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)化管理的功能。該系統(tǒng)的應(yīng)用對象主要是電力部門的各級配電網(wǎng)、變電所、電廠以及各種大中型企業(yè)、用電大戶，或?qū)τ秒娰|(zhì)量有特殊要求的用戶。它可以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量長期、不間斷的監(jiān)測和分析。
建立監(jiān)測點(diǎn)的目的是為了能夠真實(shí)反映系統(tǒng)在該點(diǎn)存在的電能質(zhì)量問題，從監(jiān)測儀中所獲得的采集文件中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)越詳細(xì)越好。根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，在下位機(jī)中的采集文件是按3 s時(shí)間間隔所采樣生成的，這個(gè)時(shí)間間隔在IEC中理解為有效測量時(shí)間。但是根據(jù)這個(gè)按 3 s所生成的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行圖形分析時(shí)，由于數(shù)據(jù)量較大（按一天24 h計(jì)算，每3 s生成一次采樣數(shù)據(jù)，那么對應(yīng)于某一項(xiàng)指標(biāo)，一天就有24×60×20=28800個(gè)數(shù)據(jù)），這樣所作出的趨勢圖等勢必會混成一團(tuán)，不能清楚地反映整個(gè)趨勢變化。
根據(jù)一天的實(shí)測數(shù)據(jù)（取自100 MVA直流電弧爐用戶的母線150 kV），在表1中對比了幾種時(shí) 間間隔所得到的3次、5次和7次諧波電壓和諧波電流的最大值和95%概率大值。從表1中可以明顯地看見3 s、30 s以及1 min這三種時(shí)間間隔所獲得的諧波電壓和諧波電流的各項(xiàng)數(shù)據(jù)僅有微小差別，而2 min時(shí)間間隔則與3 s時(shí)間間隔所得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)相差較大。
4監(jiān)測點(diǎn)日統(tǒng)計(jì)文件的生成
如前所述，監(jiān)測點(diǎn)采集數(shù)據(jù)文件是按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)3 s采樣時(shí)間所生成的，此數(shù)據(jù)文件是用戶 每次使用監(jiān)測系統(tǒng)都需要的，從而導(dǎo)致用戶每次使用時(shí)（如查看統(tǒng)計(jì)報(bào)表等）都要從這個(gè)較大的數(shù)據(jù)文件中讀取各項(xiàng)數(shù)據(jù)，這樣的直接后果是用戶使用時(shí)由于數(shù)據(jù)處理量過大而使系統(tǒng)運(yùn)行速度太慢。
為了解決上述問題，采用了生成了一個(gè)日統(tǒng)計(jì)文件的處理方式。由于統(tǒng)計(jì)報(bào)表所需的是各項(xiàng) 電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值，即各項(xiàng)指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、95%概率大值等，因此，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)文件計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值，然后生成一個(gè)日統(tǒng)計(jì)文件。
5結(jié)束語
電能質(zhì)量問題日益倍受關(guān)注，電能質(zhì)量監(jiān)測的數(shù)據(jù)文件處理方法也是各種各樣的。系統(tǒng)提出 開放式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理方法，根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定監(jiān)測儀中數(shù)據(jù)采樣時(shí)間，并給出下位機(jī)的一天數(shù)據(jù)流程圖及數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，并為了在上位機(jī)中查看趨勢圖等圖形的時(shí)候，能夠看到形象、直觀的圖形，在監(jiān)測軟件中對采集數(shù)據(jù)文件進(jìn)行了處理，使監(jiān)測軟件能夠在保證真實(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)行的電能質(zhì)量問題的前提下，能夠確保其實(shí)用性。
通過采用生成一個(gè)日統(tǒng)計(jì)文件方式，大大減少了上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)處理量，從而提高 了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，最終達(dá)到實(shí)用的目的。文中的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在四川省某電業(yè)局實(shí)際運(yùn)行后，證明能夠真實(shí)地反映該電網(wǎng)電能質(zhì)量真實(shí)情況，說明本系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
［1］勵(lì)剛，尤海波，陳陳. 面向?qū)ο蠹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］ . 微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1988.
［2］吳競昌. 供電系統(tǒng)諧波［M］. 北京：中國電力出版社.
