新型電力諧波監(jiān)測(cè)裝置的研制

崔 峻，吳 毅，趙三虎

1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州 225000

2.鹽城供電公司，江蘇鹽城 224000

新型電力諧波監(jiān)測(cè)裝置的研制

崔 峻1，吳 毅2，趙三虎1

1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州 225000

2.鹽城供電公司，江蘇鹽城 224000

隨著社會(huì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)諧波的問題日益嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備造成嚴(yán)重危害。由于電能質(zhì)量要求的提高，相應(yīng)的諧波監(jiān)測(cè)的重要性也顯得尤為突出。所以，研制一種集測(cè)量分析和通訊于一體的新型電力諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有極高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文研究了國(guó)內(nèi)外電力諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，在總結(jié)其發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際的要求，提出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。開發(fā)一種具有可編程、自動(dòng)化測(cè)量、智能分析、數(shù)字通訊等功能為一體的諧波監(jiān)測(cè)裝置。它使測(cè)量過程及數(shù)據(jù)分析處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少人為失誤。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的三相電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、諧波、諧波畸變率(THD)等基本電量參數(shù)，并能通過單片機(jī)實(shí)時(shí)分析出各次諧波功率、電能和判定諧波源，監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

電網(wǎng)諧波；監(jiān)測(cè)；單片機(jī)

1 課題研究背景及意義

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，大型的發(fā)電廠往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，發(fā)電廠發(fā)出的電能、一般要通過高壓或超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)送到負(fù)荷中心，然后在負(fù)荷中心由電壓等級(jí)較低的網(wǎng)絡(luò)把電能分配到不同電壓等級(jí)的用戶。這種在電力網(wǎng)中主要起分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)就稱為配電網(wǎng)絡(luò)。

配電網(wǎng)相對(duì)于輸電網(wǎng)來說，其電壓等級(jí)低，供電范圍小，但與用戶直接相連．是供電部門對(duì)用戶服務(wù)的窗口，因而決定了配電網(wǎng)運(yùn)行有如下特點(diǎn)和基本要求。

1 ）隨著鐵路電氣化和用戶電子設(shè)備的大量使用，配電網(wǎng)運(yùn)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(zhǔn)確測(cè)量與計(jì)算配電網(wǎng)中的諧波分布，采取效措施抑制配電網(wǎng)運(yùn)行中的諧波危害；

2 ）隨著用戶對(duì)供電可靠性和電壓質(zhì)量指標(biāo)要求的提高，仍靠人工操作已無法適應(yīng)．要求現(xiàn)代配電網(wǎng)運(yùn)行不斷提高自動(dòng)化、智能化水平；

3 ）由于“電能”作為商品將進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，要求各電力公司能降低配電網(wǎng)運(yùn)行的線損和年運(yùn)行費(fèi)用，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，從而降低配電成本，同時(shí)．積極協(xié)助用戶優(yōu)化用電計(jì)劃、節(jié)約用電。推行戰(zhàn)略節(jié)電和戰(zhàn)略負(fù)荷開拓等積極措施，進(jìn)一步提高對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量。

2 本文的研究目的和意義

電力系統(tǒng)波形畸變并不是一個(gè)新的問題，國(guó)內(nèi)外己經(jīng)研制成功的各種諧波測(cè)量分析使用的儀器性能和測(cè)試目的大致分為三類:一是用于諧波日常監(jiān)測(cè)工作的監(jiān)測(cè)儀或報(bào)警儀，該類儀器測(cè)試功能簡(jiǎn)單，但是精度不高；二是專門測(cè)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(zhì)量綜合測(cè)量的分析儀。上述諧波監(jiān)測(cè)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(cè)信號(hào)經(jīng)采樣/保持、AD轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)傅立葉計(jì)算輸出結(jié)果。但同時(shí)，現(xiàn)有的諧波監(jiān)測(cè)產(chǎn)品也存在以下問題：

1 ）處理功能相對(duì)較弱，可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間比較小，運(yùn)算速度較慢，難以運(yùn)用精確嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，不能完全滿足電力系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性的要求；

2 ）功能較單一，或是僅僅有采集、分析數(shù)據(jù)，不具備遠(yuǎn)程通訊功能；或是具備采集、傳輸數(shù)據(jù)，但自身無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析能力。而當(dāng)今對(duì)諧波監(jiān)測(cè)要求趨勢(shì)是多樣化，多功能方向發(fā)展，因此，對(duì)具有集采集、分析、處理、遠(yuǎn)程傳輸功能于一體的這樣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求就顯得尤為必要；

3 ）對(duì)于器件的選型，不能完全做到性能和價(jià)格上的最優(yōu)，雖然有的產(chǎn)品直接引進(jìn)了國(guó)外的技術(shù)模塊，功能強(qiáng)，可是價(jià)格較高，可維護(hù)性不強(qiáng)，且不完全適合我國(guó)市場(chǎng)。此類產(chǎn)品如果保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和及時(shí)性，則價(jià)格將會(huì)十分昂貴；但同樣的，低廉的產(chǎn)品也是以犧牲了產(chǎn)品性能為代價(jià)的；

4 ）有的產(chǎn)品無通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的發(fā)展方向。

3 本文所做的工作

基于工程實(shí)踐，故主要側(cè)重點(diǎn)在系統(tǒng)的各部分功能實(shí)現(xiàn)上，將從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法等角度進(jìn)行研究，并且以數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)為重點(diǎn)。主要完成下面的工作:

1 ）對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作和科研文獻(xiàn)進(jìn)行了大量的查閱，總結(jié)已有的諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并指出存在的不足；

2 ）設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件部分，硬件部分包括信號(hào)采集、信號(hào)計(jì)量、信號(hào)分析、通訊等功能單元。軟件實(shí)現(xiàn)功能包括電壓、電流、相序、頻率、功率等的計(jì)量，數(shù)據(jù)通訊，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)諧波的各次分析和諧波功率，電能的計(jì)算。并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的干擾，提出了軟硬件抗干擾措施，使系統(tǒng)更好的滿足實(shí)時(shí)信號(hào)準(zhǔn)確處理的要求。

3.1 諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分安裝在配電變壓器現(xiàn)場(chǎng)，主要用于采集低壓配電線路的各種信息；數(shù)據(jù)分析電路包括計(jì)量芯片和單片機(jī)，電能計(jì)量芯片ATT7022B可直接測(cè)量：電壓、電流的有效值、功率因數(shù)等參數(shù)，C8051F020則實(shí)現(xiàn)諧波分析和諧波電能計(jì)量功能；數(shù)據(jù)通訊部分將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原則圍繞其功能進(jìn)行，同時(shí)要求遵循以下準(zhǔn)則：

1 ）合理增強(qiáng)軟件功能

系統(tǒng)的軟硬件功能分配要根據(jù)系統(tǒng)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(chǔ)量，有利于監(jiān)測(cè)和控制的實(shí)時(shí)性。相反，提高軟件功能的比例可以降低硬件的造價(jià)，提高靈活性和適應(yīng)性，但相應(yīng)速度要下降，軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用和所需的存儲(chǔ)器容量要增加。劃分的原則是在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及可靠性的前提下，系統(tǒng)功能盡可能用軟件來實(shí)現(xiàn)。

2 ）簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選用集成電路，這樣有利于提高系統(tǒng)的集成度，減少元器件之間的連線、接點(diǎn)和封裝數(shù)目，從而大大提高系統(tǒng)工作的可靠性。

3 ）模塊化設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)根據(jù)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能劃分為若干功能模塊，盡可能選用模塊化結(jié)構(gòu)的典型電路。

4 ）防干擾設(shè)計(jì)

測(cè)控單元工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須具體分析可能的干擾來源，并采取相應(yīng)的硬件抗干擾措施來抑制干擾，以增強(qiáng)自身工作的穩(wěn)定性。

3.2 諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)

本系統(tǒng)對(duì)三相交流電壓、電流能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電壓電流數(shù)據(jù)的同步采樣，并能通過FFT數(shù)字信號(hào)處理分析得到基波和諧波的各參數(shù)值，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通訊。本系統(tǒng)主要性能指標(biāo)為：

1 ）同步采集電網(wǎng)三相電壓、電流信號(hào)；

2 ）6 路被測(cè)電網(wǎng)信號(hào)基本電力參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)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(shù)、電壓相位、電流相位；

3 ）6 路被測(cè)電網(wǎng)信號(hào)參數(shù)的實(shí)時(shí)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(cè)量、諧波功率方向的判定；

4 ）6 路被測(cè)電網(wǎng)信號(hào)能量計(jì)算，包括：基波電能計(jì)算、諧波總電能計(jì)算、各次諧波電能計(jì)算；

5 ）具備遠(yuǎn)程通訊功能，通過單片機(jī)C8051F020與RS232串口的連接與控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)GPRS通訊。

3.3 諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)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(wǎng)信號(hào)經(jīng)電壓傳感器和磁平衡電流傳感器轉(zhuǎn)換為低電壓、小電流信號(hào)，該傳感器具有精度高、線性度好、響應(yīng)快及過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以最小失真轉(zhuǎn)換原始信號(hào)。數(shù)據(jù)采集及前置單元：對(duì)傳感器變送來的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要是針對(duì)不同電壓等級(jí)的芯片進(jìn)行放大。信號(hào)分別送入C8051020和計(jì)量芯片ATT7022B進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)量芯片的功能主要測(cè)量的是信號(hào)的電壓、電流和諧波功率等數(shù)值，C8051020則是用于諧波分析，包括諧波的次數(shù)，諧波電壓含量，諧波電壓的總諧波畸變率。且單片機(jī)也負(fù)責(zé)對(duì)GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚩刂?。?dāng)計(jì)量芯片和單片機(jī)之間的通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后，再通過RS-232串口連接到GPRS無線模塊，將數(shù)據(jù)打包，通過GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)后，送達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

4 結(jié)論

隨著社會(huì)的不斷的發(fā)展，各種不同的用電負(fù)荷越來越多的接入電網(wǎng)中運(yùn)行，其中不乏大量的非線性負(fù)荷設(shè)備，因?yàn)樗鼈兊拇嬖冢C波的危害也日益成為人們關(guān)注的問題。本文首先闡述了諧波的測(cè)量和分析對(duì)于電網(wǎng)質(zhì)量分析的意義，在介紹了國(guó)內(nèi)外電力諧波監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀后，指出了現(xiàn)今諧波監(jiān)測(cè)所采用的部分技術(shù)及其各自的優(yōu)劣點(diǎn)，綜合考慮后選用了一種集AD轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、SPI通訊接口等為一體的新型單片機(jī)C8051F020和多計(jì)量功能計(jì)量芯片ATT7022B設(shè)計(jì)了一種集諧波測(cè)量、分析和遠(yuǎn)程通訊為一體的多功能諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。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(shè)計(jì)、制定。工作包括從整個(gè)系統(tǒng)的器件選型到硬件、軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)；

2 ）系統(tǒng)用高精度、高集成、擴(kuò)展性強(qiáng)的器件設(shè)計(jì)了信號(hào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)，精度高，擴(kuò)展性強(qiáng)；

3 ）設(shè)計(jì)了信號(hào)采集、分析和通訊等單元的軟件功能實(shí)現(xiàn)。能實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波達(dá)21次的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)分析。同時(shí)，整個(gè)編程過程采用了模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，使得軟件的使用和調(diào)試方便快捷，便于今后功能的擴(kuò)展；

4 ）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了低電壓（3.3V）的設(shè)計(jì)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(tǒng)的功耗，以滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求；

5 ）使用C和匯編語言對(duì)AD采樣、FFT計(jì)算、SPI通訊、GPRS通訊等模塊進(jìn)行了程序編寫，為今后的開發(fā)工作提供了良好的基礎(chǔ)。

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TP368.1

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1674-6708（2012）59-0115-02