電能質量智能在線監測系統設計

季書文，楊文忠

(1.新疆焦煤集團艾維爾溝焦煤公司，烏魯木齊830025;2.新疆機電職業技術學院，烏魯木齊830011)

1 引言

電能是一種電力部門向電力用戶提供的由發、供、用三方面共同保證質量的特殊商品，與其它商品一樣，應該保證其質量。隨著工業化進程的高速發展，越來越多大功率、超大功率非線性負載和各類不同功率的電子設備投入使用，造成電力系統的嚴重污染，也影響到了電力用戶的用電質量。近代科技進步促進了生產過程的自動化和智能化，對電能質量也提出了更高更新的要求。計算機等用電設備對系統干擾更加敏感，對電能質量的要求更高:高可靠性、高暫態穩定性、高可控性［1］。如一個計算中心失去電源2s就可能破壞幾十小時的數據處理結果或造成上百萬元的經濟損失。而在大型機器制造廠，0.1s的電壓暫降就有可能造成異常的生產狀況和質量破壞。

為了更加嚴格有效的監管和治理各種大功率工業負載、非線性負載和電子設備對電力系統造成的各類污染，為電力用戶提供高質量、高可靠性的供電服務，近年來，電力系統對配電網中的電能質量在線監測越來越關注，已成為智能電器研究的一個熱門課題。

基于微處理器的智能系統具有強大的檢測功能和通信功能，因而利用智能電器實現電能質量監測是很合適的方案，也是當前中低壓智能電器的一個發展方向。

首先介紹了電能質量問題的內容和監控目的，隨后介紹了一種基于智能電器的電能質量監測器的設計方案。

2 電能質量問題的內容及監控器的設計要求

電能質量問題可以分為穩態電能質量問題和暫態電能質量問題。穩態電能質量問題主要包括電壓波動、閃變及諧波等;暫態電能質量問題主要包括短時電壓波動(分為電壓凸起、電壓凹陷和電壓間斷)和電磁暫態(分為脈沖暫態和振蕩暫態)［2］。這些擾動如果不能及時監測和有效控制，會影響電網的運行并對用戶端造成嚴重影響。

電壓跌落或瞬間間斷，會使異步電動機減速或停轉，而當電壓恢復時又會造成巨大的沖擊電流;致使電磁式控制電器誤動作或使計算機系統的數據丟失。

而電網中的高次諧波會使電源設備過熱并降低用電設備的功率因數，諧波電壓會造成絕緣電纜的介質擊穿，使遙控設備誤操作并造成計量誤差。

三相電壓不平衡會造成異步電機中三相繞組不平衡，使電流最大的一相繞組過熱。

針對以上電能質量問題，電能質量在線監測器的設計應當具備以下功能:

(1)對三相電壓、電流的實時監測。根據對電壓、電流信號采樣的結果i，實時計算電壓、電流的有效值、三相電壓、電流的不平衡度、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數等，并進行穩態的諧波分析。

(2)實現時間記錄、故障報警和故障波形跟蹤記憶的功能。

(3)分析監測結果，提取電能質量的評估信息，為用戶提供決策。

(4)通過通信網絡傳送監測到的工作現場電能質量信息，向更高層的企業信息分析和管理系統提供服務。

(5)就地實時顯示監測和分析結果，以便現場操作人員及時了解電網的運行狀況，在出現異常時能迅速做出決策。

為了實現上述目的，要求該系統具有以下性能:①滿足實時性需求，必須具備很高的運行速度;②支持大計算量和復雜算法，必須具備強大的數字信號處理能力;③系統功能覆蓋了從底層任務執行到高層應用，需要有足夠的系統資源;④具備遠程通信能力，為了實現人機交互，還必須具有鍵盤輸入和信息顯示能力［3］。

3 監測器的硬件設計

監測器硬件整體結構圖如圖1所示。

圖1 電能質量監測器硬件整體結構圖

硬件整體結構采用按功能劃分模塊，各模塊相對獨立的設計原則。按照被測電壓、電流從輸入、被處理并根據處理結果實現顯示、操作、數據通信等功能的流程，監測器硬件分為模擬量輸入通道、數據處理與控制、開關量輸出、人機交互、通信和電源6個模塊。

各模塊的功能和選型方案如下:

(1)數據處理與控制模塊

用于完成對各種模擬量的采集控制、計算、顯示和通信等功能，是電能質量監測器的核心，實質上是一個微型計算機系統。由于電能質量監測器對運算速度要求較高，處理器件選用DSP芯片TMS320LF2407A。

(2)模擬量輸入通道

實現電能質量監測器的電壓和電流型號的采集功能?？紤]到支持三相四線制或者三相三線制的母線，加之還可能需要測量到中線電壓、中線電流，以及接地保護電流，因此需選擇具有8路以上模擬通道的A/D轉換器。這里選擇MAX125 8路14位A/D轉換器，完成數據采集功能。

(3)開關量輸入輸出模塊

為方便使用中遇到的一些開關控制，裝置要具有繼電器驅動功能。這要求裝置具備多路開關輸入/輸出通道，這里主要通過DSP的I/O來實現。

(4)通信模塊

電能質量監測器要能服務于更高層的企業信息分析和管理系統，需要配置通信模塊與相應的網絡連接，為這些系統提供必要的數據。本監控器要求具備RS-422接口，通信協議采用自定義協議。

(5)人機交互模塊

人機交互是裝置設計中的重要部分，裝置的管理、測量分析結果、報警和事件記錄的顯示等都要通過人機交互來完成。功能強大、操作簡單的人機交互模式也是智能電器發展的一項基本要求。顯示器采用128×64的圖形點陣式LCD，鍵盤為3×3布置，通過軟件實現菜單式的人機交互模式。

(6)其它硬件資源配置

監測器還需要配置其它硬件資源。包括系統監控復位(Watchdog)，實時時鐘(Real-Time Clock)，非易失性RAM或可在線讀/寫的串行 EEPROM。此外，為滿足DSP程序和處理算法的要求，還需要為功率代碼和數據分別配置32×16KB以上的ROM和32×16KB以上的RAM。

4 監測器軟件設計

系統選擇嵌入式系統軟件的設計模式，即基于實時多任務操作系統的設計思想進行軟件開發。根據對任務處理的分析，確定采用占先式任務調度機制的實時任務操作系統?？紤]到監測器的硬件配置、使用的處理器性能及設計成本等因素，選擇源代碼開放的μC/OS-Ⅱ作為軟件的開發和運行平臺。

4.1 操作系統的設計

μC/OS-Ⅱ內核在綜合性能上接近VxWorks的Wind內核，具有實時性好、可靠性高、功能完備、可維護性好等優點，而且其源代碼開放，可以免費使用，但是直接作為軟件的運行平臺，還需要根據監測器中處理器的性能和硬件資源，對其內核進行裁剪和移植。

(1)裁剪

裁剪的目的是在滿足功能要求的前提下，減少μC/OS-Ⅱ占用的CPU和存儲資源。裁剪包括3方面的內容。①刪除μC/OS-Ⅱ源碼中監測器不用的變量和函數，以及相關函數中不實用的語句;②減少任務切換的狀態數目;③減少μC/OS-Ⅱ的程序、數據和堆棧占用的內存空間，將其可調度的任務數壓縮到16個，以便節省μC/OS-Ⅱ自身運行時占用的硬件資源。

裁剪后的 μC/OS-Ⅱ代碼只占用2.6KB的ROM空間，運行時占用的CPU資源減少了30%，不但保證了所設計的監控器硬件資源能支持由μC/OS-Ⅱ調度的軟件可靠運行，滿足裝置的功能需求，而且大幅提高了整個裝置的實時性。

(2)移植

所謂移植，就是使μC/OS-Ⅱ的實時內核能在某個微處理器或者控制器上運行。為了方便移植，μC/OS-Ⅱ的大部分代碼都用C語言編寫，但讀/寫處理器寄存器和堆棧操作的代碼只能用匯編語言編寫，所以那些與處理器相關的代碼需要用C語言和匯編語言混合編寫。這樣，移植時只要對代碼中涉及具體硬件的部分稍作修改，就可將μC/OS-Ⅱ用于選定的處理器。

4.2 任務的劃分與優先級的確定

任務是RTOS調度的單位。在應用RTOS作為操作平臺的軟件中，必須按軟件完成的功能將程序劃分為相應的模塊，每個功能模塊作為一個任務。本系統軟件中，根據程序實現的功能劃分了8個任務，如表1所示。

4.3 軟件整體結構

軟件系統由結構任務程序、μC/OS-Ⅱ系統程序和硬件驅動程序組成，其中μC/OS-Ⅱ系統程序需要經過如前所述的裁剪和移植作為整個軟件的運行平臺，其它程序根據需要編寫。軟件系統的結構圖和整體流程圖分別如圖2和圖3所示。

表1 任務劃分表

圖2 軟件系統的結構圖

圖3 軟件整體流程圖

5 結束語

對樣機進行精度測量實驗，樣機電壓、電流有效值的測量精度為0.5級，頻率分辨率為0.03Hz，三相不平衡度為2%，電網諧波可測到30次，達到了設計精度要求。

該樣機可對采集的信息進行實時分析、運算和處理，分析監測結果，提取電能質量評估信息，為用戶提供決策。集測量與監控于一體，可通過通信接口與其他微機進行聯網，構成智能化的監控保護與信息管理系統，提高用戶用電效率、可靠性和電能質量［4］，具有一定的工業應用價值。

［1］ 韓英鐸，嚴千貴，姜齊榮.信息電力與FACTS及DFACTS技術［J］.電力系統自動化，2000，24(19):1-6.

［2］ 劉桂英，賈時平.風電接入系統暫態電能質量擾動小波檢測方法［J］.電力系統及其自動化學報，2011，23(1):22-27.

［3］ 王汝文.電器智能化原理及應用(第二版)［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［4］ 靜恩波.智能電網發展技術綜述［J］.低壓電器，2010(6):14-18.