基于波動監(jiān)測的電能在線監(jiān)測方法研究

王明偉 史保平

（1.泰山科技學院，泰安 271000；2.泰山職業(yè)技術學院，泰安 271000）

隨著智能化儀表在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，各種電能在線監(jiān)測系統(tǒng)應運而生[1]。電能在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以獲取電能變化數(shù)據(jù)，還能分析電能質(zhì)量波動[2-3]。為了解決電能質(zhì)量監(jiān)測中波動數(shù)據(jù)不易被觀察的問題，基于HLW8012 芯片、RS-485 通信協(xié)議和視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）組態(tài)的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），構(gòu)建一種電能在線監(jiān)測系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以實時獲取電源的輸出電壓、電流、功率和波動變化數(shù)據(jù)，同時可以監(jiān)測工作溫度。

1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電表在線監(jiān)測系統(tǒng)主要用于實時采集電源的電壓和電流參數(shù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算功率，實現(xiàn)對電能的評估[4]，同時采集電源的工作溫度，將溫度變化作為是否出現(xiàn)危險的重要判斷指標[5-6]。為了實現(xiàn)在線監(jiān)測功能，構(gòu)建系統(tǒng)時選擇HLW8012 芯片用于功率測量，利用電表集成的Modbus RS-485 作為通信模塊，利用WinCC 組態(tài)軟件構(gòu)件的PLC 接收包含時鐘信號在內(nèi)的多模態(tài)信息，并進行電量顯示和超標報警。電能在線監(jiān)測系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電能在線監(jiān)測系統(tǒng)邏輯拓撲結(jié)構(gòu)

在圖1 中，電源的電壓、電流信號分兩路且均利用RS-485 通信模塊，采用Modbus RTU 協(xié)議進行傳輸，一路傳輸至功率測量模塊進行有功功率、無功功率的計算，另一路聯(lián)合溫度信號傳輸至PLC 模塊?；赪inCC 組態(tài)開發(fā)的PLC 收集這些信號，結(jié)合時鐘模塊傳輸來的計時信號進行信號處理，在屏幕上輸出結(jié)果數(shù)據(jù)和報警信息。

1.2 元件組成

在電能監(jiān)測系統(tǒng)中，電表選用ZDT7 型。該型電表具有可編程功能，能夠測量工作現(xiàn)場的多種電量參數(shù)。該型儀表的測量精度最高可達0.5 級，能夠?qū)崟r測量工作現(xiàn)場的三相電流和電壓[7-8]。

RS-485 通信模塊集成在ZDT7 型電表中，用于實現(xiàn)對信號數(shù)據(jù)的實時傳輸。該型通信模塊采用差分標準執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，能夠關聯(lián)多個負載，1 km內(nèi)的傳輸速度最快可以達到100 kb·s-1，短距離可以達到10 Mb·s-1，能夠滿足數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)膽眯枰猍7]。

功率測量模塊采用HLW8012 芯片實現(xiàn)。該芯片是一種單相電能計量芯片，在高頻脈沖作用下，在1000 ∶1 范圍內(nèi)測量功率可以達到±0.3%的精度，在500 ∶1 范圍內(nèi)測量有效值可以達到±0.5%的精度[9]。

PLC 利用WinCC 組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果顯示功能，具有人機交互功能，并可以接受程序指令修訂。PLC 的時間基準由時鐘模塊發(fā)布。電量計算結(jié)果和報警信息既可以在PLC 主界面顯示，也可以外接顯示屏進行擴展[10]。

2 電量表征指標

2.1 電量測量原理

電量在線監(jiān)測系統(tǒng)接收ZDT7 型電源發(fā)送的電流與電壓峰值，輸入HLW8012 芯片進行功率計算[11]。假設監(jiān)測時間T內(nèi)存在n個采樣時刻，用tk（k=1,2,…,n）表示。電量監(jiān)測系統(tǒng)采集的tk時刻電流與電壓值分別表示為Ik和Uk。在HLW8012 芯片中有功功率EP采用離散形式計算[12]，即

式中：?t為采樣時間間隔，滿足tk×?t=T。

無功功率EQ的計算基于電壓值Uk相位后移后與電流值Ik相乘，表達式為[13]

2.2 電壓波動監(jiān)測

除正常測量電流與電壓值并計算功率值外，還需要監(jiān)測電網(wǎng)中的非線性干擾，針對擾動對設備性能帶來的不良影響提前采取濾波措施，其中電壓波動是最容易出現(xiàn)的一類擾動。tk時刻的波動值?Uk的表達式為

式中：Ukmax為監(jiān)測到的tk時刻電壓Uk的最大值；Ukmin為監(jiān)測到的tk時刻電壓Uk的最小值；UT為整個監(jiān)測時間T內(nèi)的平均電壓值。

2.3 電流波動監(jiān)測

電流波動是經(jīng)常出現(xiàn)的一類非線性干擾，對電能質(zhì)量會產(chǎn)生預想不到的不良影響[14]。tk時刻的電流波動值?Ik表達式為

式中：Ikmax為監(jiān)測到的tk時刻電流Ik的最大值；Ikmin為監(jiān)測到的tk時刻電流Ik的最小值；IT為整個監(jiān)測時間T內(nèi)的平均電流值。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)獲取

在實驗室條件下，一次性運行電能在線監(jiān)測系統(tǒng)12 h，每間隔1 h 記錄一次電壓、電流、有功功率、無功功率、電壓波動、電流波動和溫度值，結(jié)果如表1 所示。

表1 電能在線監(jiān)測系統(tǒng)試運行結(jié)果數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

基于表1 中的數(shù)據(jù)，分別繪制各個變量隨時間的變化曲線，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 電量監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況

結(jié)合表1 和圖2 中的數(shù)據(jù)變化可以看出，在實驗時間內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)測量到的電壓有效值為（220±2）V，電流有效值為（12±1）A，有功功率為（2.5±0.2）kW，無功功率為（2.1±0.2）VA，電壓波動不超過2.2%，電流波動不超過2.5%，溫度保持在（22±2）℃。因此，可以判斷監(jiān)測到的電壓均符合使用要求。此外，負載本身具有不穩(wěn)定性會造成電壓和電流波動，但是波動值較小，可以在使用中通過濾波和穩(wěn)壓方法進行補償或者消除。

4 結(jié)語

通過HLW8012 芯片、RS-485 通信協(xié)議和WinCC組態(tài)的PLC 構(gòu)建電能在線監(jiān)測系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)不僅可以獲取電源的輸出電壓、電流、功率和波動變化數(shù)據(jù)，還可以對工作溫度進行監(jiān)測。在實驗室中對該系統(tǒng)進行長時間的開機測試，分析獲取的電能相關數(shù)據(jù)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足使用需求。文章設計拓展了電能監(jiān)測系統(tǒng)的應用，可為工業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定的電源保障。