在线电能质量监测装置在电网中的应用

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1、在线电能质量监测装置在电网中的应用 在线电能质量监测装置在电网中的应用 近年来，随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非 线性负载，如静止变流器，工业交直流变换装置等，会引起电网电流、电压波形 发生畸变，造成电网的谐波“污染”。冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢 机、 电力机车等， 运行中不仅会产生大量的高次谐波， 而且使得电压波动、 闪变、 三相不平衡日趋严重。 这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全 性降低，而且会严重干扰电网的经济运行，造成电网的“公害”。另一方面，越来 越多的新工艺、新技术设备对供电质量的要求越来越苛刻，如许多工业流水线、 机场、银行、

2、精密制造业、计算机网络和服务监控中心等场所的各种设备等。 因此，无论从电网运行的需要考虑，还是从供电用户的需要考虑，加强对电 能质量的监测都十分必要。我公司独立自主研制的 GDDN-500C 电能质量在线监 测装置和 PQSMS 电能质量管理系统， 可构成完整的电能质量在线监测管理系统。 GDDN-500 系列装置用于前置采集，可实时采集电能质量监测指标，可实现就地 显示、 存储等功能， 并可通过 485 总线将实时监测数据传送至 PQSMS 电能质量 管理系统。 电能质量在线监测电能质量在线监测设备是电网电能质量电能质量监督检测网络最基本也是最主要的 设备，目前市场上销售和使用的国内外生产的

3、电能质量电能质量部分指标(如谐波、不平 衡度等)的监测设备， 大都不能完全适应我国电网电能质量监督管理的实际需求。 河北省南部电网在 1996 年开始陆续安装谐波在线监测在线监测装置，初期的装置在数据 存储、数据传输和后台统计分析的功能方面都存在较多的问题。为适应电能质量 监督日益发展的需要，根据多年的运行经验和体会，保定国电中科电气有限公司 开发研制了 GDDN-500 系列数字式电能质量在线监测在线监测终端。 新型 GDDN-500 系列数字电能质量在线监测装置具有按国标要求采集电能质 量各项参数、在线长时间工作的可靠性高、现场操作方便实用、可与中心站通讯 等功能；同时，还可长时间记录、存

4、储数据且读取数据方便。该装置采用与国外 最新产品同等的 DSP 数字信号处理器和高速多路 AD 同采技术， 在数据处理与显 示存储上采用双 DSP 结构设计，功能强、便于操作与软件升级。 1. 功能与构成功能与构成 电网电能质量监测系统由电能质量监测终端、中心站及分析软件组成。 1.1 电能质量监测终端 输入三相电压 100V、三相电流 5A 或 1A 进行数据信号处理，采用 FFT 计算 出各次谐波电压、电流的幅值及相角。计算不平衡电压、电流，计算三相电压、 电流、电压合格率、频率、有功功率、无功功率及功率因数等技术数据并显示。 负责数据的处理、存储以及与中心站之间的通讯连接和数据传输，形成

5、变电站报 表。 电能质量监测终端的主要功能如下。 a.输入信号为 TV、TA 二次侧三相电压(100V)、三相电流(5A 或 1A)。 b.带有公话 MODEM 接口，可以在中心站方便地拨号连接接收数据。 c.大屏幕(320240)背光 LCD 图形显示。 d.中文图形(频谱图、波形图、曲线图、向量图)操作界面。 e.终端可存储超过一年的数据，存储数据为 3min 或 5min 一组数据包。 f.带有局域网连接接口，可用笔记本电脑在现场抄录数据。 g.多参数综合测量，实时定点报警，可设定参数值、参数报警状态。 h.谐波电压、电流，负序电压、电流超限报警出口继电器。 1.2 中心站及分析软件 中

6、心站通过调制解调器或网络接受处理器的数据，进行统计分析，形成文件、 报表及曲线，并可显示数据和图形(如频谱图、波形图、曲线图、向量图等)。它 可以管理多台电能质量监测终端，对收集到的数据进行分析与处理，可以对某一 时段或某一事件过程时段的电能质量进行分析、形成报表，自动形成日、月和年 报表，自动找出谐波含有率超标的时段与线路，计算电压合格率与供电可靠性。 中心站为客户机服务器方式，数据存放在服务器的数据库中，可以方便 地调用与查询。 2. 主要技术指标 主要技术指标 2.1 测量项目 该装置采用(22015%)VAC 或(220 +10%)(220-15%)VDC 电源，可测 量的项目包括：电

7、压、电流、频率，电压合格率，有功功率、无功功率、视在功 率、功率因数，电压不平衡度、电流不平衡度， 谐波电压、谐波电流(至 50 次 或更高)、谐波相位、谐波功率、总畸变率等。 2.2 测量精度 电压测量：0.2% 电流测量:0.2% 电压不平衡度测量误差：0.2% 电流不平衡度测量误差：1% 频率测量：4753 Hz，精度为0.01Hz(50Hz) 信号转换精度：16bit 采样频率：12.8kHz/通道 3. 电能质量监测终端软电能质量监测终端软/硬件构成 硬件构成 电能质量监测终端的硬件由 TA/TV 及信号预处理、DSP 处理器、 、LCD 显示 器(VGA 单色带背光)、网络适配器、

8、电源等构成。 电能质量监测终端的软件由 DSP 软件构成。 3.1 DSP 软件 3.1.1 DSP 原理 监测终端采用 TI 公司的 320C2XX 系列的 TMS320F240 芯片，考虑到该芯 片内部存储容量有限，在 DSP 部分扩展了高速 SRAM 和 EEPROM。系统最终设 计需要在每个工频周期内采集 1024 个点(6 路同采)，需要进行 1 024 点的 6 路 基 2 FFT 变换计算，这样就需要较快的时钟频率，在本装置中 DSP 的内部时钟 近 40MHz。 在 DSP 处理部分外扩了快速的 16bit 高精度 AD 变换器， 该 AD 变换器可以进行 6 路同时采样，为准

9、确计算有功、无功功率、正/负序提供了保证。 3.1.2 DSP 的构成与功能 a.数据采集部分，包括频率的采样与计算，AD 变换器的 6 路同时采样。“ b.数据处理，将采集的数据变换格式。 c.FFT 变换计算。 d.数据传送，将 DSP 的数据传输至 PC104。 3.1.3 输入和运算 输入三相电压、电流，测频率，1024 或 512 点 AD 转换(其中 AD 采用双 6 路 同采高速 AD 变换器)，经 FFT 变换，计算方均根值后，上传数据。根据需要， 在数据传送时，只传输 31 或 61 次谐波或更高次谐波。 进行 FFT 运算，每 0.5s 取 31 次(或 61 次)谐波，每

10、 3s 取 6 次计算方均根值， 公式为： 式中 Uhk3s 内第 k 次测得的 h 次谐波方均根值。 3.1.4 数据传送 按每 0.5s 上位机给定的脉冲，每 3s 上传一次数据。以 31 次谐波为例，每组 数据如下。 a.频率 f。 各次谐波分为实部、虚部，以 U a 的相位为基准相位。 3.2 PC104 部分 PC104 工控板采用了集成度较高的 PCM-3336 板， 该板带有软盘和硬盘接口， 可以直接驱动 320240 的 LCD 单色显示器，2 路 RS232C 串行接口，1 路打印 机并行接口， 可以直接带键盘和普通显示器。 该板的 BIO 设计可以连接高达 15 G 的硬盘

11、，为方便使用并确保可靠性，硬盘采用电子盘或笔记本硬盘。 工控板有 WATCH-DOG 功能，工作不正常时，自动复位。 负责数据的处理、存储、显示，电能质量监测终端与中心站之间的通讯连接 及数据传输，形成变电站报表。向 DSP 发 0.5 s 脉冲，收集 DSP 数据。 3.2.1 PC104 的软件构成 a.计算处理各种数据，包括电压、电流、有功、无功、正负序、电压不平衡 度、电压合格率、谐波含有率等。 b.以图形方式在 LCD 上显示电压、电流基波及各次谐波的幅值、相角，电压、 电流的矢量图，电压电流波形。 c.通讯传输功能，包括与 DSP 的通讯、与 MODEM 的通讯和网络通讯。 d.参

12、数输入，包括电压电流变比、电压上下限、谐波含有率的超限设置等。 3.2.2 接收 DSP 数据 从 DSP 接收的数据为暂存数据，有频率 、三相电压、三相电流及对应的正 负零序分量及各次谐波分量(分实部、虚部，共 2364 个数据)。 3.2.3 谐波与不平衡度指标的计算 谐波与不平衡度相关指标的计算依据 GB/T 14549-1993 电能质量公用电 网谐波 、GB/T 15543-1995 电能质量三相电压允许不平衡度的规定，具体 公式如下。 3.2.3.1 谐波计算(每读一组数据计算一次) a.第 h 次谐波电压含有率 式中 Uh第 h 次谐波电压(方均根值)； U1基波电压(方均根值)

13、。 b.第 h 次谐波电流含有率 式中 Ih第 h 次谐波电流(方均根值)； I1基波电流(方均根值)。 c.谐波电压含量 f.电流总谐波畸变率 g.第 h 次谐波功率、相位 3.2.3.2 谐波最大值和概率值的计算 a.谐波最大值(各次值及总畸变率)的计算 b.95%概率值的计算 计算测量时段内各相实测值的 95%概率值和其中最大一相的值，并存储。 3.2.3.3 谐波超限报警 测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。 3.2.3.4 电压、电流不平衡度 计算电压、电流不平衡度(每 3s 读一组数据计算一次)，计算电压、电流不平 衡度 95%概率值。 a.取不平衡度最大值 b.

14、95%概率值。计算测量时段(统计周期)内的 95%概率值。 3.2.3.5 不平衡度超限报警 测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。 3.2.4 电压合格率 3.2.4.1 计算电压(每 3s 读一组数据计算一次) 计算超上限率、超下限率，统计超上限累加时间、超下限累加时间；计算电 压合格率；存储上月和当月、前一日和当日的记录数据；记录最大值，最小值和 平均值。 能设定监测电压的额定值和限值。电压质量监测统计时间以 min 为单位，取 1min 的电压平均值为一个统计单元。 实时显示被监测电压，刷新周期为 2s。 3.2.4.2 计算电压合格率 3.2.5 频率 采用过零检测电路

15、和 DSP 捕获功能，精确测量整周波的宽度，从而计算出频 率。 3.2.6 显示 图形与汉字方式显示电压/电流波形、电压/电流矢量图、电压/电流基波和谐 波的幅值、相角，各次谐波的幅值、相角分为数字显示和棒图加角度指针显示。3.3 PC104 与 DSP 通讯的 ISA 并行扩展单元 为方便地进行 DSP 与 PC 间的通讯， 扩展了带有中断的并行接口， 占用 PC104的外设地址和中断，该并行通讯为 8 位双向可联络(中断)通讯。 3.4 MODEM 与局域网通讯管理 MODEM 连接至 RS232C 串行接口， 另行扩展了几根控制线， 对 MODEM 实时 监测与控制以确保 MODEM 长

16、时间通讯正常。 扩展的网卡允许 LAN 网络方式通讯。 4 结论 结论 a.电能质量监测终端可以实时准确地对电网的供电和用电状况进行监测， 尤其 是可随时掌握谐波的超标情况，掌握不对称度与电压合格率的情况，为供电和用 电企业提供了方便的监测设备。 b.电能质量监测终端具有采样频率高、测量精确、运算速度快等特点，其测 量指标满足电能质量国家标准的要求。 c.电能质量监测终端的中文和图形显示界面，使用户使用更加方便和直观。d.电能质量监测终端采用 DSP 和 PC104 工控板设计，技术先进，准确度高， 可以方便地对 DSP 和 PC104 进行软件维护与升级。 e.电能质量监测终端在区域电网和省网或联合电网中可组成电能质量监测网 络，并通过专用的中心站软件，实现大量历史数据的统计分析，形成各种统计报 表， 绘制谐波频谱图和各种指标的分布图， 为电能质量的监督提供了先