模塊化嵌入式電能質量監測系統的研究與實現

周清平

(華自科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

模塊化嵌入式電能質量監測系統的研究與實現

周清平

(華自科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

隨著社會與經濟的飛速發展，各行各業的用電規模越來越大,同時對供電質量的要求也不斷提高。由于各種復雜負載的不斷接入，對電網的干擾及沖擊愈發嚴重，電能質量問題日益突出。加強對電能質量的監測與分析，提高電能綜合指標及特性，顯得越來越重要。對當前電能質量產生的原因進行了分析與研究，從電能質量重要控制指標著手，采用模塊化工藝設計理論，進行了多線路電源質量的監測，從根本上解決與滿足了工程用戶多電源供電質量及可靠性的需求。對多回路電源供電質量的綜合監測與分析的精準性與時效性，將成為長期關注的電力系統優化課題。

電能質量 監測分析 諧波 嵌入式 多回路 模塊化

0 引言

由于對社會及經濟發展的重要性，電力系統一直受到各個領域及行業的重視及關注。隨著電力負載的日益增加，對電網的干擾[1]及影響變得越來越嚴重，電網電能的質量不斷下降，進一步加大了電能損耗及其他各方面的影響。電能質量直接關系到國民經濟的總體效益。因此，提高與改善電能質量、減小危害及電能損失，已成為各行各業關注的焦點。

電能質量[2]的監測與分析是一個相當復雜的課題，其存在干擾因素多且不穩定、系統暫態難以捕捉、監測的量龐大、分析及運算過程繁雜等問題，且涉及的行業、專業及工程領域多。對電能質量的監測、分析與控制需要從產生的原因、控制的指標、分析的方法、控制的策略與技術等方面進行研究與實施，才能達到良好的電能質量管理及調控效果。

1 電能質量產生的原因

電能質量產生的原因及相應的影響因素非常多且十分復雜，目前主要有以下幾種。

① 電力系統非線性

電力系統中產生的非線性主要是由諧波造成的，而諧波的產生又是由多方面原因引起的，主要有變壓器引起的諧波、直流輸電引起的諧波、發電機引起的諧波、無功補償裝置對諧波的影響等。其中最大的諧波源是直流輸電。

② 電力系統故障

電力系統在運行過程中產生的各種故障，如各種電氣短路、過負荷跳閘、接地故障、操作過電壓、雷擊過電壓、發電機與勵磁系統的工作狀態的變化等，都會引起電能質量的惡化。

③ 非線性負載

在電力系統負載中，非線性負載所占比重非常大。這不但使供電功率因數降低，還嚴重污染電網供電質量，如大功率的整流或變頻設備、電弧爐、照明用熒光燈等，都會產生相當嚴重的高次諧波電流。這是電網系統中諧波產生的最主要原因。

2 衡量電能質量的五個重要指標

衡量電能質量的五個重要指標說明如下。

① 電壓偏差(voltage deviation)：是電壓上升和下降的總稱。

② 頻率偏差(frequency deviation)：是指電網電壓頻率與規定、要求的頻率值的偏差。整個電網中該項指標完全相同，不因用戶而異。

③ 電壓波動及閃變(fluctuation & flicker)：電壓波動是指電壓幅值通常不超過0.9～1.1倍規定電壓范圍的一系列電壓隨機變化，或在包絡線內的電壓的有規則變化。閃變指的是指電壓波動對照明的視覺影響。IEEE第22標準協調委員會和其他國際委員會從電壓幅值和電壓波形兩個方面采用11種指標來衡量電能質量。其中，電壓幅值指標包括：斷電(interruption)、電壓下跌(sag)、電壓上升(swell)、瞬時脈沖(impulse)、電壓波動(fluctuation)與閃變(flicker)、電壓切痕(notch)、過電壓(over-voltage)、欠電壓(under-voltage)。電壓波形指標包括：諧波(harmonic)、間諧波(inter-harmonic)、頻率偏差(frequency deviation)。

④ 電壓三相不平衡(unbalance)：指的是任意一相電壓的最大偏移不應超過三相電壓的平均值。

⑤ 諧波和間諧波(harmonics & inter-harmonics)：含有基波整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。此外，含有基波非整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分數次諧波也屬于間諧波。

3 模塊化智能電能質量監測與分析

3.1 優越性概述

傳統的監測儀器，如測量電壓的電壓表、測量電流的電流表、測量功率的有功及無功表、測量頻率的頻率表，以及諧波表、三相不平衡度計和電壓波動和閃變儀等，一般只對單一電量進行監測。因此，監測不同的電能質量指標需要使用不同的儀器儀表。傳統的監測儀器監測與分析的參數為模擬信號，而被分析對象大多情況下存在高度畸變，精度低、通用性差、自動化程度低。

由PC+DSP[3]主從式結構搭建的智能電能質量監測[4]系統，其核心為數字信號處理(digital signal processing,DSP) 數字式儀表。DSP數字式儀表以微處理器為核心，與計算機相連，數據處理能力非常強，同時具有信號顯示、數據處理與存儲、人機界面、實時通信等功能。然而此質量監測系統造價及成本偏高，對于中小型系統不太合適。

永久性的固定專用的電能質量監測設備[5]，是目前電力市場進行現場數據在線監測[6]的發展趨勢。由于專用性及固定性，因此在設計研制時需要綜合考慮成本和性能。

本文論述的智能化電能質量在線監測設備綜合了目前電能質量監測裝置或系統的優點，同時又避免其存在的缺陷，成為性能優越的電能質量諧波監測的高新設備。它基于微處理器為核心，采用數字信號處理技術及嵌入式系統。該設備不僅具有智能化、網絡化、在線監測功能，同時具備實時性好、成本較低的特點。為進一步提高產品綜合性能，對原設備進行產品升級改進，由單CPU系統擴充為雙CPU嵌入式系統，從而達到擴充系統資源，共同分擔系統負荷的目的。雙CPU系統與嵌入式DSP處理器及嵌入式微控制器相結合，既保證了智能化、網絡化、在線監測等功能，同時也保證了系統的實時性和高效性。這種結構形式運行速度快、精度高、實時性好、升級性能優越，同時擁有體積小、成本低等特點，既適用于永久性系統在線實時監測，也適用于現場的靈動測量與分析。

3.2 工作原理

高速16位A/D轉換器對各相電流、電壓進行高速實時采集，數字信號傳送至DSP高速數字信號處理器，由DSP完成對基本電量、諧波、波動及閃變等的測量及分析工作。DSP計算數據通過高速HPI通信接口與系統管理層進行數據交換。管理層由先進的PC104工控機構成，并配置可靠的Linux嵌入式操作系統，完成數據統計、分析、存儲、顯示、通信以及板間軟同步等工作[8]。本監測裝置可按現場需求進行配置，最多可插入8塊測量單元板，同時對8條線路進行監測。為保證各測量單元板能夠在同一個時刻點上進行同步采樣，所有測量單元板上的ADC轉換啟動信號均由一邏輯單元板統一供給。

3.3 主要功能及實現

3.3.1 電能質量基本指標監測

對電壓偏差、頻率偏差、諧波與次諧波、三相不平衡度、電壓波動及閃變[9]等基本指標進行全面有效監測，結果如圖1所示。

圖1 基本電能質量監測結果

3.3.2 基本電量參數測量

基本電量參數測量提供對電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、視在功率、無功象限及頻率等電量參數的測量。有功功率和無功功率的測量精度達到三位小數。三相三線制時各相對虛擬中點的電參量值根據需要也可以通過裝置計算出來。

3.3.3 諧波監測與分析

采用FFT 變換方法對電流和電壓信號進行實時處理，監測及分析2～50次電壓、電流諧波分量的幅值、相位等測量值，也可對分辨率為5 Hz的間諧波進行分析，運算精度能夠達到A級標準。所有的諧波信息可以通過人機對話進行交互，也可以通信的方法將諧波數據讀出，向上一級傳送。電壓與電流諧波還可分別以數值表、柱方圖、頻譜圖、曲線圖及向量圖的方式進行展示，截圖如圖2、圖3所示。

圖2 電壓諧波頻譜圖

圖3 基波電壓與基波電流向量圖

3.3.4 事件檢測

事件檢測包含穩態事件及暫態事件檢測兩大類，主要有電壓偏差越限、頻率偏差越限、電壓不平衡度[10]事件、電流不平衡度事件、諧波電流及諧波電壓越限等。

① 電壓偏差越限事件檢測

電壓偏差：當接線方式為三相三線時，電壓偏差計算方法為(實測線電壓-額定線電壓)/額定線電壓；當接線方式為三相四線時，電壓偏差計算方法為(實測相電壓-額定相電壓)/額定相電壓。

Uh：電壓偏差越下限門檻值，默認值為-10%U。Ud：電壓偏差越上限門檻值，默認值為10%U。當某相/線電壓偏差的分鐘平均值高于Uh或者低于Ud，則認為此相/線電壓偏差越限事件發生；當相/線電壓偏差的分鐘平均值恢復到兩者范圍以內，則電壓偏差越限事件結束。

② 頻率偏差越限事件檢測

Fh：頻率越限事件上限門檻值，默認值為50.2Hz。Fd：頻率越限事件下限門檻值，默認值為49.8Hz。當10s內的頻率平均值高于Fh或者低于Fd時，則認為頻率越限事件發生；當10s內的頻率平均值處于兩者之間，則認為頻率越限事件結束。

③ 電壓不平衡度事件檢測

Up：電壓不平衡度越限事件的門檻值，默認值為2%U。當電壓不平衡度分鐘平均值超過Up，則認為電壓不平衡度越限事件發生；當電壓不平衡度的分鐘平均值下降到Up以下，則認為電壓不平衡度越限事件結束。

④ 電流不平衡度事件檢測

Ip：電流不平衡度越限事件的門檻值，默認值為2%I。當電流不平衡度的分鐘平均值超過Ip，則認為電流不平衡度越限事件發生；當電流不平衡度的分鐘平均值回落到Ip以下，則認為電流不平衡度越限事件結束。

⑤ 電壓長時閃變事件檢測

Uc：電壓長時閃變事件門檻值，默認值為0.8U。當某相/線電壓長時閃變值高于Uc時，認為此相/線電壓長時閃變越限事件發生；一旦此相/線電壓長時閃變值低于Uc，則認為此相/線電壓長時閃變事件結束。電壓長時閃變值的統計周期為滑窗形式的連續一個半小時，因此監測裝置啟動后的第一個長時閃變值需要經過一個周期才能產生，后面接著每12min將產生一個長時閃變值。

⑥ 諧波電壓越限事件檢測

Xu(n)：n 次諧波電壓的含有率越限門檻值，默認值由相應國家標準中對應電壓等級的推薦值提供。2～50 次諧波電壓的某次某相/線諧波電壓含有率的分鐘平均值若高于Xu(n)，認為此次此相/線諧波電壓越限事件發生；當此次此相/線諧波電壓含有率的分鐘平均值如果低于Xu(n)，則認為此次此相/線諧波電壓越限事件結束。電壓諧波總畸變率越限、各次諧波電壓越限、電壓諧波奇偶次總畸變率越限事件使用統一的事件類型標志。

⑦ 諧波電流越限事件檢測

Xi(n)：n 次諧波電流的幅值越限門檻值。2～50次諧波電流的某次某相諧波電流幅值的分鐘平均值如高于Xi(n)，認為此次此相諧波電流越限事件發生；當此次此相諧波電流幅值的分鐘平均值低于Xi(n)，則認為此次此相諧波電流越限事件結束。

3.3.5 錄波功能

首先選擇監測線路，對被監測線路的電壓驟升、電壓驟降、短時中斷等暫態事件進行分析。暫態事件發生時將會觸發監測系統對采樣點數據和半波有效值進行錄波，如圖4所示。監測系統可通過通信方式將相關數據及暫態事件上傳至后臺總控系統。監測裝置以comtrade的錄波格式將有效值錄波和采樣點錄波及暫態事件上傳至后臺系統進行分析。監測裝置具有開關量變位錄波功能。當裝置開關量輸入通道發生變位，將觸發裝置對所有模擬通道進行波形記錄，記錄時間達60s。裝置同時還配置有召喚錄波功能，通過監控軟件選擇需要監測的線路及對應的召喚時間，召喚錄波記錄時間可達到1 200s。

圖4 暫態事件采樣點錄波展現

4 電能質量監測分析展望

電能質量的監測與分析涉及到自動控制、網絡通信及電力系統等多個領域，是一個極其復雜的系統工程。為完善和發展電能質量監測與分析技術，隨著科學技術的不斷發展，今后仍需要解決以下幾方面的問題。

① 新型算法的開發。電能質量分析的模型、手段及方法隨著大量跨學科、跨專業交叉理論的出現，及人工智能技術和近代數學的迅速發展呈現出多樣性。為提高電能質量，減小其對電網系統的影響，采取更加先進與科學的模型來監測與分析電能質量，是電能質量研究領域內必須重視的問題。目前，電力領域電能質量的研究多運用小波變換方法對系統擾動數據進行辨別、分類及原因分析，模糊數學方法確立精準的數學分析模型，模糊神經網絡方法搭建有效的信息傳輸與儲存。模糊數學方法、小波分析、神經網絡方法、交叉技術及遺傳算法已成為當今甚至往后電能質量新算法研究的主導發展方向。這些理論的提出、發展及不斷完善，對電能質量研究的理論算法以及算法的應用、算法性能的完善等都將產生重要的影響。

② 基礎理論的研究。電能質量基礎理論研究是對電能質量的本質進行深入研究的基礎，它包括電能質量的含義、各功率成分的定義、科學計算方法及物理意義的研究、評價體系及產生機理的研究等。目前，關于電能質量的概念已發展成多個形式的版本及定義方法，然而各方法在物理意義、數學表達、建模與實施等方面各有不同，且具有自身的特點，但實際工程應用與實際的結合都存在一定的差距，均無法對電能質量作出一個科學的綜合的定義。因此，需要在這一理論的短缺方面開展進一步的深入研究和探索。

電能質量監測與分析是一個龐大的系統工程，需要充分利用計算機技術和網絡技術，準確合理全面地識別干擾源、判斷故障、預測事件等。隨著電能質量監測與分析技術不斷完善與發展，對監測系統在功能上的要求也日益提高，這也需要多專業、多領域及多技術的相互結合與促進。

5 結束語

本文從電能質量產生的原因、控制的指標、現有電能質量監測裝置系統的缺陷和不足等方面進行闡述與分析，并提出了既能滿足目前需要又性能優越的多模塊的智能化電能監測與分析裝置。該裝置的研究與實現，對電能質量的監測、分析與控制的研究與實施的思路與方法，對各行業、各領域乃至全民族共同關注與期待的電能質量的管理、改善及調控，具有重要的意義。

[1] 逯培兵.基于嵌入式技術的電能質量檢測研究[D].長沙：長沙理工大學，2008.

[2] 國家技術監督局.GB/T 14549-93電能質量公用電網諧波[S].北京：中國標準出版社，1993.

[3] 李林.電能質量監測系統的設計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[4] 王建賾，李威，紀延超,等.電能質量監測算法研究及實現[J].繼電器，2001，29(2):29-31.

[5] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T19862-2005 電能質量監測設備通用要求[S].北京：中國標準出版社，2005.

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[7] 荊小剛.基于ARM的遠程電能質量監測系統的研究[D].南京：南京理工大學，2008.

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[9] 王夢蔚，晏陽，王書征.基于FFT的電壓波動和閃變算法應用研究[J].電氣自動化，2014，36(1):44-46.

[10]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 15543-2008 電能質量三相電壓不平衡[S].北京：中國標準出版社，2008.

Design and Implementation of the Modular Embedded Power Quality Monitoring System

With the rapid development of society and economy, demands for electricity are increasing from various industries; and the requirement on power quality is also rising. Due to a variety of complex loads continuously access, more serious interference and impact are affecting the power grid, so the power quality issue has become increasingly prominent. Monitoring and analyzing the quality of power, and enhancing comprehensive indexes and characteristics of electric power become more and more important. The reasons causing energy quality issue are analyzed and researched, starting from important power quality control indexes, by using modularized technique design theory, the quality of multi-line power is monitored, the demands for qualified and reliable multiple power supplies of engineering users are solved and satisfied fundamentally. The precision and timeliness of comprehensive monitoring and analysis of the quality of multi-loop power supply will become the long-term subject to be concerned for optimization of power system.

Power quality Monitoring analysis Harmonic Embedded Multi-loop Modularized

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509015

修改稿收到日期：2014-06-17。

作者周清平(1976-)，男，1998年畢業于中南大學軟件工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事電力系統運行及優化方面的研究。