三通道分布式電能質量檢測系統研究*

柳英杰，胥 芳，潘國兵

（浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014）

0 引 言

由于分布式微網系統能夠實現分布式電源的大規模接入和靈活的控制，從而提高了分布式電源的應用價值。微網技術當前正得到了廣泛的發展和應用，然而微網系統大量使用電力電子設備而產生諧波，同時大量的非線性負荷使系統電壓畸變，產生三相不平衡等電能劣化問題。保障基本電能質量是微網系統安全應用的前提之一。解決電能質量問題的前提是能夠對電能質量進行全面、實時、準確地檢測，以提供整改方案、加強防范措施［1-3］，從而保護電力系統的安全、可靠、經濟運行。微網電能質量正朝著在線監測、實時分析、網絡化和智能化的方向發展［4］。

目前，各國研發的電能質量分析裝置種類繁多，按電能質量監測的方式，電能質量的監測儀器可分為手持式、便攜式、遠程式3種。手持式產品有美國FLUKE公司生產的F43手持式電能質量分析儀，Reli?able Power Meter品牌的電能質量記錄儀以及澳大利亞紅相公司的PM30系列。而現在市場的手持式和便攜式電能質量監測儀二者都只能對某一固定監測點進行現場測量，對微網系統及整個電能質量的分析顯得無能為力，都不適用于遠程監測和多點監測，特別是對數據的實時性缺乏自動化［5-6］。雖然現在已有點對點的單通道的在線實時的分布式電能檢測裝置，例如文獻［7-12］中提到的基于STM32的電能質量檢測裝置、基于PIC的電能檢測裝置、基于DSP的電能檢測裝置和基于51單片機的電能裝置，但是它們所能測試的參數有限，并且它們都只適用于點對點的單通道，組網時結構顯得較于復雜，不利于管理。由此可見，設計一種高性能多通道的電能質量監視裝置是十分必要的。

本研究設計一種適用于微網系統的三通道電能質量檢測系統，用于檢測微網系統內各個分布式節點的電能質量參數檢測，同時集成電能計量的功能，具有組網靈活方便、檢測實時在線的優點。

1 系統的分析與設計

1.1 系統的架構的設計

該系統主要由監控中心、電能質量檢測終端、電壓電流傳感系統、現場總線通信系統組成，系統方案設計框圖如圖1所示。

圖1 系統方案設計框圖

一個電能質量檢測設備負責3個通道的電能質量參數的采集，多個設備將多個通道采集的數據通過現場總線傳送給監控中心，監控中心負責數據的通信和實時的顯示。該系統具有設計結構簡單、安裝方便、成本低、可靠性高等優點，適合用于光伏微網的在線分布式測量，具有較高的應用價值。

1.2 硬件的設計

每個電能質量的檢測終端設備主要由主控單元、3個電能質量采樣和分析模塊、三相電壓/電流陣列模塊和電源模塊、LCD模塊、SD卡模塊組成。電能質量采樣和分析模塊包括電壓/電流的采樣電路、信號的調理電路和電能質量采集芯片，其硬件的框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

在進行三通道的電能質量的硬件設計的過程中，主要的難點在于主控單元與電能質量采集分析模塊進行I2C通信時，所要的ADI公司的采樣芯片的I2C的地址是固定的，無法通過軟件進行設定，因此無法利用一個主控單元的I2C端口來對3個通道進行控制。本研究采取的策略是利用主控的兩個自帶的I2C端口和一個模擬的I2C端口來分別進行通信控制。具體的實現過程如下:首先3個電能質量分析模塊分別進行電能質量參數采樣。然后主控單元通過I2C總線來輪流循環的對3個通道的采樣數據進行讀取，以便保證數據的實時性，最后用現場總線將數據發送至上位機進行顯示與存儲或是傳給LCD模塊顯示和傳給SD卡進行存儲。該檢測設備具有如下的功能:對三相電壓/電流實時測量，實時計算電壓有效值、電流有效值、電壓/電流峰值和三相不平衡度、有功功率、無功功率、視在功率、頻率以及諧波分析。

1.3 硬件驅動程序的設計

硬件的驅動程序使用模塊化設計，軟件的程序采用C語言設計，開發環境為MPLAP集成環境，MPLAP是綜合的編輯器、項目管理器和設計平臺，適合于使用Microchip的PICmicro®系列單片機進行嵌入式設計的應用開發。程序主要包括主模塊、I2C通信模塊、串口通行模塊、LCD驅動程序模塊、SD卡驅動程序模塊、數據格式化模塊和CRC數據校驗模塊等。主要實現的功能如下:從采樣芯片的寄存器中通過I2C總線讀取如下的電能質量參數:A/D轉換值、電壓和電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、電壓和電流的峰值、諧波的電壓電流有效值、電網的頻率，并對讀取的數據進行打包和格式化。驅動程序的流程圖如圖3所示。

圖3 驅動程序流程圖

1.4 上機位機軟件的設計

上位機采用面向對象的軟件方式設計，采用VC來進行編程。并使用SQL Server作為數據庫用以保持歷史數據。上位機主要實現的功能包括如下功能:

（1）實現網絡通信；

（2）實現電能質量參數數據采集；

（3）進行電能質量參數數據的計算；

（4）利用數據庫來實現數據的存儲；

（5）人機交互界面實現數據的顯示。

2 實驗與分析

2.1 系統的實現

該系統使用PIC18F46K22的高端8位機作為主控單元，使用ADI公司的ADE7880芯片作為電能質量分析模塊，采用RS485現場總線作為電能質量模塊與上位機的通信總線，實驗所用的負載為三相異步電動機。

2.2 實驗環境

為了進行分布式在線實時的電能質量的檢測實驗，本研究設計了三通道的電能質量檢測平臺。實驗平臺的整體圖如圖4所示:所設計的三通道電能質量裝置中，兩個電機提供3個通道的實驗負載，福祿克質量測試儀作為標準用于與該裝置測試的結果進行比較，上位機進行數據的顯示與存儲。由于在做實驗時實驗者只用了兩個電機作為負載，該實驗分兩次進行，每次測試兩個通道。

圖4 實驗平臺的整體圖

2.3 實驗數據的分析

圖5 電壓有效值測量結果的對比圖

圖6 電流有效值測量結果的對比圖

圖7 有功功率測量結果的對比圖

由于實驗所測量的參數較多，本研究選取幾個重要的電能質量參數（電壓有效值、電流有效值、有功功率、電網的頻率和電壓的諧波值）來進行測試的結果的分析與比較。本研究選取了上述參數20次測量的結果來進行分析與比較。由圖5～7可知，該裝置測得的三相電壓有效值、電流有效值和有功功率與fluke測試的結果基本吻合。從圖5可看出A相電壓有效值變化范圍為226.57 V～227.81 V，B相的為227.37 V～227.71 V，C相的為227.59 V～227.92 V，三相的電壓最大波動誤差不超過0.5 V，與fluke所測得的結果相比較，其誤差不超過0.44 V。從圖6可看出電流有效值的測量值A相變化范圍為1.53 A～1.55 A波動，B相的為1.61 A～1.64 A，C相的為1.62 A～1.64 A，三相的電流最大波動誤差為0.03 A，與fluke所測得的結果相比較，其誤差不超過0.06 A。從圖7可看出A相的有功功率變化范圍為52.6 W～53.6 W，B相的為60.6 W～61.5 W，C相的為56.3 W～57.7 W，三相的有功功率最大的波動誤差不超過1.5 W，與fluke所測得的結果比較，其誤差不超過1 W。由此可知該裝置所測試的結果數據波動小數據較于穩定，并且與fluke做比較其誤差相當小，驗證了該裝置設計的準確性和有效性。

本研究是通過過零點的硬件方法測量周期從而來確定頻率的。頻率測量結果的對比圖如圖8所示，從圖8中可以看出該裝置與fluke所測得的A、B、C相電網頻率非常接近，誤差較小。A相所測得的電網頻率的范圍為49.99 Hz～50.02 Hz，B相的為49.99 Hz～50.01 Hz，C相的為49.99 Hz～50.02 Hz。三相的電網頻率波動誤差最大為0.03 Hz。與fluke所測得的結果相比較其誤差不超過0.03 Hz，其測量的精度較高，誤差在電能質量設備要求允許的范圍之內，說明該方法測量的有效性和準確性。

圖8 頻率測量結果的對比圖

該裝置最多可測量到51次諧波，1～31次諧波所測量的值如表1所示，從表1中可以看出，本裝置所測量的三相的電壓的基波值，與fluke所測得的結果相比較其誤差分別為:0.06 V，0.13 V，0.06 V，其誤差相對很小，精度較高。3～31次三相諧波的最大的測量誤差分別為0.18 V，0.11 V，0.08 V。雖然3次以后的諧波的絕對誤差較小，但是其相對誤差較大，一方面是由于高次諧波本身的值比較小，另一方面由于系統測定的分辨率有限所造成的，但是其測得的結果還是在其允許接受的誤差范圍之內的。

表1 第一通道電壓諧波測量值的比較表（單位:V）

3 結束語

為了解決在線分布式微網電能質量檢測的問題，本研究設計了具有三通道在線和實時監測的電能質量檢測裝置，該裝置具有精度高、實時性好、成本低、便于組網等特點，還能同時進行三通道的電能質量檢測，對了解光伏微網的電能質量及實現電能的控制和保護提供了重要的依據，將其測試的結果與福祿克的測試結果做了比較與分析，結果表明其誤差較小，達到了較好的預期效果，驗證了設計的合理性和設備的可用性。

（References）:

［1］鄧少軍，張振川.電能質量監測設備的發展［J］.電測與儀表，2005（5）:7-9.

［2］劉 翔，李開成.一種新型電能質量分析儀的研究［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）:1489-1490.

［3］逯培兵，粟時平，劉桂英，等.一種基于嵌入式技術的新型電能質量檢測裝置［J］.電力科學與技術學報，2007，22（4）:60-67.

［4］盧海南，董 超，趙錄懷.電能質量監測的發展趨勢與新型電能質量監測儀的研制［J］.儀器儀表用戶，2004，11（2）:19-20.

［5］文 旭.基于GPRS的電能質量監測系統設計［D］.成都:西華大學電氣信息學院，2008.

［6］張宗華.電能質量監測系統設計［J］.工礦自動化，2013（2）:111-114.

［7］鄭一維，李長俊，吳訊馳，等.基于STM32的電能質量檢測技術研究［J］.國外電子測量技術，2011，30（6）:72-74.

［8］LU P，SU S，LIU G，et al.A New Power Quality Detection Device based on Embedded Technique［C］//Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies，2008.Third International Conference on.Nanjing［s.n.］，2008:1635-1640.

［9］HUANG C H，LIN C H，KUO C L.Chaos synchronizationbased detector for power quality disturbances classification in a power system［J］.Power Delivery，IEEE Transac?tions on，2011，26（2）:944-953.

［10］張雅潔.基于PIC單片機的電能質量檢測儀［D］.合肥:安徽理工大學電氣工程系，2009.

［11］劉 永，于 練.基于MC68HC908MR單片機的變頻空調控制器的研究［J］.流體機械，2012，40（12）:80-84.

［12］李志宇，余 洋，刁 庶.基于51單片機的電能質量檢測儀的設計［J］.中國質量，2010（1）:91-93.