数字式电能质量在线监测系统在电力系统中的运用
来源：电气商情网 作者： 日期：08-03-21 15:51:54
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：47～53hz，精度为±0.01hz(50hz)
信号转换精度：14bit
采样频率：8khz/通道
3电能质量监测终端软/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、pc104工控机、pc104与dsp并行通讯isa总线并行扩展、调制解调器、lcd显示器(vga单色带背光)、网络适配器、电源等构成。
电能质量监测终端的软件由dsp软件和pc104软件构成。
3.1dsp软件
3.1.1dsp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1024点的6路基2fft变换计算，并传送至pc104处理单元，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14bit高精度ad变换器，该ad变换器可以进行6路同时采样，为准确计算有功、无功功率、正/负序提供了保证。
3.1.2dsp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3s取6次计算方均根值，公式为：
式中uhk——3s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ua的相位为基准相位。
3.2pc104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320×240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15g的硬盘，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。
pc104板负责数据的处理、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0.5s脉冲，收集dsp数据。
3.2.1pc104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2×3×64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/t14549-1993《电能质量公用电网谐波》、gb/t15543-1995《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)。
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.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。
3.3pc104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。
3.4modem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长时间通讯正常。
扩展的网卡允许lan网络方式通讯。
4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进的手段。
