低壓配電網三相不平衡監測系統的設計與調試運行

孟慶宇

（吉林省金冠電氣股份有限公司，吉林 長春）

三相電壓不平衡與電網諧波、電壓閃變等是造成電能質量下降的常見因素。為了提高供電質量，電力公司必須要密切監測配電網中的三相不平衡度。在智慧電網廣泛普及的背景下，設計和應用一種適用于低壓配電網，并且能夠滿足動態監測、結果準確等要求的三相不平衡監測系統，對提高電能質量、降低負載過載等方面有良好效果。

1 三相不平衡監測系統的硬件設計

1.1 系統的硬件結構

本文設計的三相不平衡檢測系統硬件部分主要包括信號調理模塊、數模轉換模塊、數據處理模塊以及無線通信模塊4 部分。三相電壓信號（U）經過限流電阻后轉化成電流信號，然后經過電壓互感器（PT）及其輔助電路的處理，使電流信號重新變為幅值較小的電壓信號。對該電壓信號進行抗混疊濾波處理以及交直流轉換處理后，得到能夠被數模轉換器（ADS8364）識別電壓信號。三相電流信號（I）經過第一級電流互感器（CT）后轉化為幅值較小的電流，再通過第二級CT 及其輔助電路，以及抗混疊濾波電路等處理后，成為能夠被ADS8364 識別的電壓信號。ADS8364 將采樣數據進行數模轉換后，把模擬信號轉換成數字信號，并發送至數據處理模塊（TMS320F2812），完成數據計算、分析后得出三相不平衡度。利用無線通信模塊（EM310）將三相不平衡度發送給數據中心，從而實現對低壓配電網三相不平衡度情況的實時監測。該監測系統的硬件組成如圖1 所示。

圖1 三相不平衡監測系統的硬件架構

1.2 信號調理模塊的設計

考慮到低壓配電網中的電壓、電流信號無法直接輸入到數模轉換器中，因此在本系統中設計了信號條例模塊，該模塊的核心元件是電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）。這里以SPT204A 型電壓互感器為例，概述信號調理模塊的設計思路。SPT204A 的電氣參數見表1。

表1 SPT204A 的電氣參數

電壓信號從JP4 接口分兩路傳入，其中一路直接連接SPT204A 的1 號串口，另一路在串聯1 個限流電阻后連接SPT204A 的3 號串口，其目的是保證電壓互感器的輸入信號為額定電流。在SPT204A 的副邊側設計一個運算放大電路，將電流信號轉換成電壓信號。通過改變限流電阻的組織，可以調節輸出電壓信號的峰值，確保經過調理后的電壓信號能夠被數模轉換器正常識別[1]。本文選用的SPT204A 電壓互感器具有精度高、密封性好等特點，可以滿足多種場合的信號調理要求。

抗混疊濾波電路和交直流轉換電路也是信號調理模塊的重要組成部分，前者可用于抑制、消除電網中的高次諧波，設計二階低通抗混疊濾波電路實現該功能；后者則是將幅值較小的交流電壓信號轉換成單極性直流信號，以便于ADS8364 能夠準確識別。

1.3 數據處理模塊的設計

數據處理模塊的核心設備是DSP 處理器，可以對ADS8364 轉換后的數據進行計算與分析。鑒于前端采集到的數據量較大，要求DSP 處理器具有極快的運算速度，本文選用TI 公司研發的TMS320F2812 定點型DSP，每秒運算次數可達8000 萬次。該處理器CPU 主頻為180 MHz，時鐘周期8.2 ns，內置16 位256KB 的Flash 以及16 位32KB 的RAM，擁有12 個通信接口，可滿足串行通信、局域網通信、外部存儲等數據傳輸需要。DSP 處理器的工作電壓為3.3 V，而三相不平衡監測裝置中其他電子元件（如ADS8364 等）的工作電壓為5 V，為了防止DSP 處理器發生過壓損壞情況，本文在數據處理模塊中設計了穩壓電路，該電路的核心零件是LM1085 穩壓芯片，可以將輸入的5.0 V 電壓降低為3.3 V 電壓，穩壓電路結構如圖2 所示。

圖2 3.3 V 穩壓電路

DSP 處理器的常用復位方式有2 種，即軟件復位、硬件復位。本文選擇了可靠性更高的硬件復位。裝置上電后，判斷電容兩端是否為“高電平”，如果判斷為“是”，則裝置上電并完成自動復位；如果裝置出現死機情況無法完成自動復位，可采用手動按鍵復位[2]。

1.4 無線通信模塊的設計

三相不平衡監測裝置在運行時，前端數據采集裝置與數模轉換設備、數據處理設備之間頻繁進行通信，通信狀況的好壞是決定該裝置性能的一個關鍵因素。鑒于低壓配電網中監測點的分布零散，有線通信會導致成本的增加，因此本文在設計通信模塊時選擇了通信速度不低于20 KB/s 的GPRS 無線通信。在硬件方面，選用了華為公司研發的EM310 作為通信裝置，其優點是內置TCP/IP 協議棧，無需另外編寫TCP/IP 協議；可以利用485 接口直接與MCU 等進行通信，降低了開發難度。GPRS 的通訊原理如圖3 所示。

圖3 GPRS 通訊原理

基于EM310 的GPRS 組網方案有多種，例如以固定IP 方式入網、以動態IP+DNS 方式入網，以及以APN 專線方式入網等。本文基于通信可靠性、經濟性價比等方面考慮，選擇了以固定公網IP 的方式將本地服務器接入Internet，實現監測裝置與服務器之間的無線通信。

2 三相不平衡監測系統的軟件設計

2.1 無線通信模塊的驅動程序設計

該程序可實現兩項功能：其一是初始化EM310，并在本地服務器與EM310 之間建立通信；其二是檢測到服務器斷開鏈接，或者是數據未成功發送時，使設備復位，并嘗試在設備與服務器之間再次建立通信。直到通信建立，自動結束本次程序[3]。這里以DSP處理器與EM310 之間的通信為例，驅動該程序設計如下：

開放DSP 內置SCI 串行通信接口，利用該接口讓DSP 處理器與EM310 建立連接。配置SCI，將波特率設置為9600，中斷級別設置為5，使能FIFO 接收中斷。SCI 配置完畢后，復位EM310 并取消回顯，將數據模式設置為“不進行壓縮轉換”。成功激活PDP 后，使TCP/IP 協議棧初始化，完成與目標IP 的鏈接，等待接收數據。當接收到數據后，首先識別數據類型，如果為整型則將其轉換成字符型。例如接收數據為“1234”，則轉換為“0x31,0x32,0x33,0x34”。然后發送至本地服務器，在服務器上動態執行一個判斷語句“是否發送成功”，默認刷新時間為10 ms。如果判斷結果為“是”，則結束本次通信，并繼續等待接收新的數據；如果判斷結果為“否”，則重新復位EM310。

2.2 數模轉換模塊的驅動程序設計

本文設計的數模轉換驅動程序如圖4 所示。

圖4 數模轉換流程

利用DSP 處理器內置的GPIO 口向ADS8364 發送一個復位信號；在接收該信號后，事件管理器（EVA）為ADS8364 提供時鐘脈沖，利用CPU 定時器終端為ADS8364 提供采樣脈沖。將前端采集的模擬信號成功轉化為數字信號后，將EOC 引腳的狀態從“高電平”轉換為“低電平”，同時觸發DSP 處理器的外部中斷（由0 變為1），并運行中斷處理子程序，正常讀取數字信號。每當采樣數據達到一周波后，DSP 處理器會暫時中止對外輸出采樣脈沖[4]。同時ADS8364 的數模轉換也會暫停，此時進入到數據處理程序，由DSP處理器對數據進行計算分析。

2.3 數據處理程序設計

數據處理程序的主要任務是在讀取一周波轉換數據后，將數據還原成實際大小，然后使用快速傅里葉變換（FFT）對該周波數據進行計算，得到三相幅值相角。使用對稱分量法處理三相幅值相角，得到三相不平衡度，并在監測裝置的顯示器上呈現出來。

3 三相不平衡監測系統的調試運行

3.1 監測方法

在實驗室環境中對上文設計的三相不平衡監測系統進行調試運行，測試裝置的安裝效果如圖5 所示。配電變壓器采用三相四線制的方式經過低壓配電柜向直流屏供電，當直流屏處于充電狀態時開始測試，在低壓配地柜的輸出線上設置監測點，采集三相電壓、三相電流等信號進行計算，并利用GPRS 無線通信模塊將計算結果傳輸至數據中心[5]。

圖5 監測裝置連接

3.2 測試結果

三相不平衡監測裝置的計算結果顯示，10 kV 低壓配電網中三相電壓中，B 相電壓最高，C 相次之，A相最低。綜合對比來看，B 相電壓值波動明顯，而A 相和C 相電壓較為穩定。在實驗進行10 s 后，B 相電壓幅值有明顯下降，此時三相電壓的差值較之前有所降低，說明此時三相電壓的不平衡度有減小趨勢。當B相電壓值升高后，三相電壓的差值也進一步增加，三相電壓不平衡度上升。當D 相電流幅值為0.6 A 時，C相電流幅值約為1.5 A，不平衡度約為30%。由此可見，本文設計的三相不平衡裝置能夠準確反映電力系統中三相不平衡情況，為低壓配電網的運行維護提供了依據。

結束語

智慧電網的成熟發展，為電能質量監測提供了技術支持。對于低壓配電網中常見的三相不平衡問題，本文設計了一種由信號調理模塊、數據處理塊等組成的監測系統，從調試運行效果來看能夠及時、準確地識別低壓配電網中存在的三相不平衡問題，對提高電能質量起到了積極作用。