新型電力諧波監測裝置的研制

崔 峻，吳 毅，趙三虎

1.揚州供電公司，江蘇揚州 225000

2.鹽城供電公司，江蘇鹽城 224000

新型電力諧波監測裝置的研制

崔 峻1，吳 毅2，趙三虎1

1.揚州供電公司，江蘇揚州 225000

2.鹽城供電公司，江蘇鹽城 224000

隨著社會技術和經濟的發展，電網諧波的問題日益嚴重，對電網和電力設備造成嚴重危害。由于電能質量要求的提高，相應的諧波監測的重要性也顯得尤為突出。所以，研制一種集測量分析和通訊于一體的新型電力諧波監測系統，具有極高的社會和經濟效益。本文研究了國內外電力諧波監測系統的發展現狀，在總結其發展成果的基礎上，根據工程實際的要求，提出了監測系統的設計方案。開發一種具有可編程、自動化測量、智能分析、數字通訊等功能為一體的諧波監測裝置。它使測量過程及數據分析處理實現自動化，減少人為失誤。該系統能夠實時監測配電網系統中的三相電壓、電流、頻率、功率、功率因數、諧波、諧波畸變率(THD)等基本電量參數，并能通過單片機實時分析出各次諧波功率、電能和判定諧波源，監測配電網系統的運行狀態。

電網諧波；監測；單片機

1 課題研究背景及意義

在現代電力系統中，大型的發電廠往往遠離負荷中心，發電廠發出的電能、一般要通過高壓或超高壓輸電網絡送到負荷中心，然后在負荷中心由電壓等級較低的網絡把電能分配到不同電壓等級的用戶。這種在電力網中主要起分配電能作用的網絡就稱為配電網絡。

配電網相對于輸電網來說，其電壓等級低，供電范圍小，但與用戶直接相連．是供電部門對用戶服務的窗口，因而決定了配電網運行有如下特點和基本要求。

1 ）隨著鐵路電氣化和用戶電子設備的大量使用，配電網運行中有大量的諧波源、相電壓不平衡、電壓閃變污染等，因而要求準確測量與計算配電網中的諧波分布，采取效措施抑制配電網運行中的諧波危害；

2 ）隨著用戶對供電可靠性和電壓質量指標要求的提高，仍靠人工操作已無法適應．要求現代配電網運行不斷提高自動化、智能化水平；

3 ）由于“電能”作為商品將進入市場競爭，要求各電力公司能降低配電網運行的線損和年運行費用，提高運行的經濟性，從而降低配電成本，同時．積極協助用戶優化用電計劃、節約用電。推行戰略節電和戰略負荷開拓等積極措施，進一步提高對用戶的服務質量。

2 本文的研究目的和意義

電力系統波形畸變并不是一個新的問題，國內外己經研制成功的各種諧波測量分析使用的儀器性能和測試目的大致分為三類:一是用于諧波日常監測工作的監測儀或報警儀，該類儀器測試功能簡單，但是精度不高；二是專門測試諧波用的高性能諧波分析儀和頻譜分析儀；三是用于諧波和其他電能質量綜合測量的分析儀。上述諧波監測儀器分析原理大多基于快速傅立葉變換，工作過程大致為：被測信號經采樣/保持、AD轉換、計算機傅立葉計算輸出結果。但同時，現有的諧波監測產品也存在以下問題：

1 ）處理功能相對較弱，可擴展存儲空間比較小，運算速度較慢，難以運用精確嚴格的算法進行大量的實時數據處理，不能完全滿足電力系統諧波監測實時性的要求；

2 ）功能較單一，或是僅僅有采集、分析數據，不具備遠程通訊功能；或是具備采集、傳輸數據，但自身無法實現數據的處理分析能力。而當今對諧波監測要求趨勢是多樣化，多功能方向發展，因此，對具有集采集、分析、處理、遠程傳輸功能于一體的這樣的監測系統的需求就顯得尤為必要；

3 ）對于器件的選型，不能完全做到性能和價格上的最優，雖然有的產品直接引進了國外的技術模塊，功能強，可是價格較高，可維護性不強，且不完全適合我國市場。此類產品如果保證了監測數據的準確和及時性，則價格將會十分昂貴；但同樣的，低廉的產品也是以犧牲了產品性能為代價的；

4 ）有的產品無通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統網絡化、自動化的發展方向。

3 本文所做的工作

基于工程實踐，故主要側重點在系統的各部分功能實現上，將從監測系統的硬件設計、軟件設計、算法等角度進行研究，并且以數據采集、監測為重點。主要完成下面的工作:

1 ）對近幾年國內外相關研究工作和科研文獻進行了大量的查閱，總結已有的諧波監測系統的優點，并指出存在的不足；

2 ）設計了監測系統的硬件和軟件部分，硬件部分包括信號采集、信號計量、信號分析、通訊等功能單元。軟件實現功能包括電壓、電流、相序、頻率、功率等的計量，數據通訊，重點實現諧波的各次分析和諧波功率，電能的計算。并針對現場環境中的干擾，提出了軟硬件抗干擾措施，使系統更好的滿足實時信號準確處理的要求。

3.1 諧波監測系統的設計

數據采集部分安裝在配電變壓器現場，主要用于采集低壓配電線路的各種信息；數據分析電路包括計量芯片和單片機，電能計量芯片ATT7022B可直接測量：電壓、電流的有效值、功率因數等參數，C8051F020則實現諧波分析和諧波電能計量功能；數據通訊部分將實現數據的遠程傳輸。

監測系統的硬件設計原則圍繞其功能進行，同時要求遵循以下準則：

1 ）合理增強軟件功能

系統的軟硬件功能分配要根據系統的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、減少所需的存儲量，有利于監測和控制的實時性。相反，提高軟件功能的比例可以降低硬件的造價，提高靈活性和適應性，但相應速度要下降，軟件設計費用和所需的存儲器容量要增加。劃分的原則是在滿足系統實時性及可靠性的前提下，系統功能盡可能用軟件來實現。

2 ）簡化設計

硬件設計時盡可能選用集成電路，這樣有利于提高系統的集成度，減少元器件之間的連線、接點和封裝數目，從而大大提高系統工作的可靠性。

3 ）模塊化設計

硬件設計根據預期實現的功能劃分為若干功能模塊，盡可能選用模塊化結構的典型電路。

4 ）防干擾設計

測控單元工作現場環境比較惡劣，在硬件設計時必須具體分析可能的干擾來源，并采取相應的硬件抗干擾措施來抑制干擾，以增強自身工作的穩定性。

3.2 諧波監測系統的性能指標

本系統對三相交流電壓、電流能實現對現場電壓電流數據的同步采樣，并能通過FFT數字信號處理分析得到基波和諧波的各參數值，還要實現數據的遠程通訊。本系統主要性能指標為：

1 ）同步采集電網三相電壓、電流信號；

2 ）6 路被測電網信號基本電力參數的實時計量，包括：電流有效值、電壓有效值、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、電壓相位、電流相位；

3 ）6 路被測電網信號參數的實時分析，基波和各次諧波分量的分解，采用FFT變換完成包括：各次諧波幅值和相位的判定、第n（n=3,5,7,11,……21）次諧波電壓（或電流）含有量和含有率測量、諧波功率方向的判定；

4 ）6 路被測電網信號能量計算，包括：基波電能計算、諧波總電能計算、各次諧波電能計算；

5 ）具備遠程通訊功能，通過單片機C8051F020與RS232串口的連接與控制，實現遠程實時數據GPRS通訊。

3.3 諧波監測系統的構成及工作原理

從TV/TA（電壓互感器/電流互感器）上采集的六路電網信號經電壓傳感器和磁平衡電流傳感器轉換為低電壓、小電流信號，該傳感器具有精度高、線性度好、響應快及過載能力強等特點，可以最小失真轉換原始信號。數據采集及前置單元：對傳感器變送來的信號進行預處理，主要是針對不同電壓等級的芯片進行放大。信號分別送入C8051020和計量芯片ATT7022B進行數據處理。計量芯片的功能主要測量的是信號的電壓、電流和諧波功率等數值，C8051020則是用于諧波分析，包括諧波的次數，諧波電壓含量，諧波電壓的總諧波畸變率。且單片機也負責對GPRS數據傳輸的程序控制。當計量芯片和單片機之間的通過SPI接口進行數據交換后，再通過RS-232串口連接到GPRS無線模塊，將數據打包，通過GPRS空中接口接入到GPRS網絡或Internet網絡后，送達數據監控中心。

4 結論

隨著社會的不斷的發展，各種不同的用電負荷越來越多的接入電網中運行，其中不乏大量的非線性負荷設備，因為它們的存在，諧波的危害也日益成為人們關注的問題。本文首先闡述了諧波的測量和分析對于電網質量分析的意義，在介紹了國內外電力諧波監測發展現狀后，指出了現今諧波監測所采用的部分技術及其各自的優劣點，綜合考慮后選用了一種集AD轉換器、多路開關、SPI通訊接口等為一體的新型單片機C8051F020和多計量功能計量芯片ATT7022B設計了一種集諧波測量、分析和遠程通訊為一體的多功能諧波監測系統。通過研究工作，主要取得了如下的成果：

1 ）參與總體方案的設計、制定。工作包括從整個系統的器件選型到硬件、軟件的設計、開發；

2 ）系統用高精度、高集成、擴展性強的器件設計了信號采集、分析和通訊等硬件電路，并加入了抗干擾措施。硬件電路結構簡單，穩定性強，精度高，擴展性強；

3 ）設計了信號采集、分析和通訊等單元的軟件功能實現。能實現對諧波達21次的實時在線監測分析。同時，整個編程過程采用了模塊化結構的設計理念，使得軟件的使用和調試方便快捷，便于今后功能的擴展；

4 ）本系統設計采用了低電壓（3.3V）的設計方案，絕大部分功能模塊采用了低電壓、低功耗的芯片，降低了系統的功耗，以滿足低功耗的設計要求；

5 ）使用C和匯編語言對AD采樣、FFT計算、SPI通訊、GPRS通訊等模塊進行了程序編寫，為今后的開發工作提供了良好的基礎。

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1674-6708（2012）59-0115-02