三通道分布式電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)研究*

柳英杰，胥 芳，潘國(guó)兵

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014）

0 引 言

由于分布式微網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式電源的大規(guī)模接入和靈活的控制，從而提高了分布式電源的應(yīng)用價(jià)值。微網(wǎng)技術(shù)當(dāng)前正得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，然而微網(wǎng)系統(tǒng)大量使用電力電子設(shè)備而產(chǎn)生諧波，同時(shí)大量的非線性負(fù)荷使系統(tǒng)電壓畸變，產(chǎn)生三相不平衡等電能劣化問題。保障基本電能質(zhì)量是微網(wǎng)系統(tǒng)安全應(yīng)用的前提之一。解決電能質(zhì)量問題的前提是能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)，以提供整改方案、加強(qiáng)防范措施［1-3］，從而保護(hù)電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。微網(wǎng)電能質(zhì)量正朝著在線監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展［4］。

目前，各國(guó)研發(fā)的電能質(zhì)量分析裝置種類繁多，按電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的方式，電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)儀器可分為手持式、便攜式、遠(yuǎn)程式3種。手持式產(chǎn)品有美國(guó)FLUKE公司生產(chǎn)的F43手持式電能質(zhì)量分析儀，Reli?able Power Meter品牌的電能質(zhì)量記錄儀以及澳大利亞紅相公司的PM30系列。而現(xiàn)在市場(chǎng)的手持式和便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀二者都只能對(duì)某一固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)及整個(gè)電能質(zhì)量的分析顯得無能為力，都不適用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性缺乏自動(dòng)化［5-6］。雖然現(xiàn)在已有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單通道的在線實(shí)時(shí)的分布式電能檢測(cè)裝置，例如文獻(xiàn)［7-12］中提到的基于STM32的電能質(zhì)量檢測(cè)裝置、基于PIC的電能檢測(cè)裝置、基于DSP的電能檢測(cè)裝置和基于51單片機(jī)的電能裝置，但是它們所能測(cè)試的參數(shù)有限，并且它們都只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單通道，組網(wǎng)時(shí)結(jié)構(gòu)顯得較于復(fù)雜，不利于管理。由此可見，設(shè)計(jì)一種高性能多通道的電能質(zhì)量監(jiān)視裝置是十分必要的。

本研究設(shè)計(jì)一種適用于微網(wǎng)系統(tǒng)的三通道電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)，同時(shí)集成電能計(jì)量的功能，具有組網(wǎng)靈活方便、檢測(cè)實(shí)時(shí)在線的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的架構(gòu)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、電能質(zhì)量檢測(cè)終端、電壓電流傳感系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線通信系統(tǒng)組成，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖

一個(gè)電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)3個(gè)通道的電能質(zhì)量參數(shù)的采集，多個(gè)設(shè)備將多個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的通信和實(shí)時(shí)的顯示。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于光伏微網(wǎng)的在線分布式測(cè)量，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 硬件的設(shè)計(jì)

每個(gè)電能質(zhì)量的檢測(cè)終端設(shè)備主要由主控單元、3個(gè)電能質(zhì)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(zhì)量采樣和分析模塊包括電壓/電流的采樣電路、信號(hào)的調(diào)理電路和電能質(zhì)量采集芯片，其硬件的框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

在進(jìn)行三通道的電能質(zhì)量的硬件設(shè)計(jì)的過程中，主要的難點(diǎn)在于主控單元與電能質(zhì)量采集分析模塊進(jìn)行I2C通信時(shí)，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(jìn)行設(shè)定，因此無法利用一個(gè)主控單元的I2C端口來對(duì)3個(gè)通道進(jìn)行控制。本研究采取的策略是利用主控的兩個(gè)自帶的I2C端口和一個(gè)模擬的I2C端口來分別進(jìn)行通信控制。具體的實(shí)現(xiàn)過程如下:首先3個(gè)電能質(zhì)量分析模塊分別進(jìn)行電能質(zhì)量參數(shù)采樣。然后主控單元通過I2C總線來輪流循環(huán)的對(duì)3個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，以便保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，最后用現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)或是傳給LCD模塊顯示和傳給SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)。該檢測(cè)設(shè)備具有如下的功能:對(duì)三相電壓/電流實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)時(shí)計(jì)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(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

硬件的驅(qū)動(dòng)程序使用模塊化設(shè)計(jì)，軟件的程序采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，開發(fā)環(huán)境為MPLAP集成環(huán)境，MPLAP是綜合的編輯器、項(xiàng)目管理器和設(shè)計(jì)平臺(tái)，適合于使用Microchip的PICmicro®系列單片機(jī)進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)的應(yīng)用開發(fā)。程序主要包括主模塊、I2C通信模塊、串口通行模塊、LCD驅(qū)動(dòng)程序模塊、SD卡驅(qū)動(dòng)程序模塊、數(shù)據(jù)格式化模塊和CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K等。主要實(shí)現(xiàn)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(zhì)量參數(shù):A/D轉(zhuǎn)換值、電壓和電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓和電流的峰值、諧波的電壓電流有效值、電網(wǎng)的頻率，并對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和格式化。驅(qū)動(dòng)程序的流程圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)程序流程圖

1.4 上機(jī)位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用面向?qū)ο蟮能浖绞皆O(shè)計(jì)，采用VC來進(jìn)行編程。并使用SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)用以保持歷史數(shù)據(jù)。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括如下功能:

（1）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；

（2）實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)采集；

（3）進(jìn)行電能質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的計(jì)算；

（4）利用數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；

（5）人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)使用PIC18F46K22的高端8位機(jī)作為主控單元，使用ADI公司的ADE7880芯片作為電能質(zhì)量分析模塊，采用RS485現(xiàn)場(chǎng)總線作為電能質(zhì)量模塊與上位機(jī)的通信總線，實(shí)驗(yàn)所用的負(fù)載為三相異步電動(dòng)機(jī)。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了進(jìn)行分布式在線實(shí)時(shí)的電能質(zhì)量的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，本研究設(shè)計(jì)了三通道的電能質(zhì)量檢測(cè)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體圖如圖4所示:所設(shè)計(jì)的三通道電能質(zhì)量裝置中，兩個(gè)電機(jī)提供3個(gè)通道的實(shí)驗(yàn)負(fù)載，福祿克質(zhì)量測(cè)試儀作為標(biāo)準(zhǔn)用于與該裝置測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行比較，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。由于在做實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)者只用了兩個(gè)電機(jī)作為負(fù)載，該實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行，每次測(cè)試兩個(gè)通道。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體圖

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

圖5 電壓有效值測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖

圖6 電流有效值測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖

圖7 有功功率測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖

由于實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的參數(shù)較多，本研究選取幾個(gè)重要的電能質(zhì)量參數(shù)（電壓有效值、電流有效值、有功功率、電網(wǎng)的頻率和電壓的諧波值）來進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果的分析與比較。本研究選取了上述參數(shù)20次測(cè)量的結(jié)果來進(jìn)行分析與比較。由圖5～7可知，該裝置測(cè)得的三相電壓有效值、電流有效值和有功功率與fluke測(cè)試的結(jié)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(dòng)誤差不超過0.5 V，與fluke所測(cè)得的結(jié)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(cè)量值A(chǔ)相變化范圍為1.53 A～1.55 A波動(dòng)，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(dòng)誤差為0.03 A，與fluke所測(cè)得的結(jié)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(dòng)誤差不超過1.5 W，與fluke所測(cè)得的結(jié)果比較，其誤差不超過1 W。由此可知該裝置所測(cè)試的結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)小數(shù)據(jù)較于穩(wěn)定，并且與fluke做比較其誤差相當(dāng)小，驗(yàn)證了該裝置設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性。

本研究是通過過零點(diǎn)的硬件方法測(cè)量周期從而來確定頻率的。頻率測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖如圖8所示，從圖8中可以看出該裝置與fluke所測(cè)得的A、B、C相電網(wǎng)頻率非常接近，誤差較小。A相所測(cè)得的電網(wǎng)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(wǎng)頻率波動(dòng)誤差最大為0.03 Hz。與fluke所測(cè)得的結(jié)果相比較其誤差不超過0.03 Hz，其測(cè)量的精度較高，誤差在電能質(zhì)量設(shè)備要求允許的范圍之內(nèi)，說明該方法測(cè)量的有效性和準(zhǔn)確性。

圖8 頻率測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖

該裝置最多可測(cè)量到51次諧波，1～31次諧波所測(cè)量的值如表1所示，從表1中可以看出，本裝置所測(cè)量的三相的電壓的基波值，與fluke所測(cè)得的結(jié)果相比較其誤差分別為:0.06 V，0.13 V，0.06 V，其誤差相對(duì)很小，精度較高。3～31次三相諧波的最大的測(cè)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(duì)誤差較小，但是其相對(duì)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(tǒng)測(cè)定的分辨率有限所造成的，但是其測(cè)得的結(jié)果還是在其允許接受的誤差范圍之內(nèi)的。

表1 第一通道電壓諧波測(cè)量值的比較表（單位:V）

3 結(jié)束語(yǔ)

為了解決在線分布式微網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)的問題，本研究設(shè)計(jì)了具有三通道在線和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，該裝置具有精度高、實(shí)時(shí)性好、成本低、便于組網(wǎng)等特點(diǎn)，還能同時(shí)進(jìn)行三通道的電能質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)了解光伏微網(wǎng)的電能質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)電能的控制和保護(hù)提供了重要的依據(jù)，將其測(cè)試的結(jié)果與福祿克的測(cè)試結(jié)果做了比較與分析，結(jié)果表明其誤差較小，達(dá)到了較好的預(yù)期效果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和設(shè)備的可用性。

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