一流的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)
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作者：鄭曉蒙
模塊化嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)內(nèi)容簡介：
由于對社會及經(jīng)濟發(fā)展的重要性，電力系統(tǒng)一直受到各個領域及行業(yè)的重視及關(guān)注。隨著電力負載的日益增加，對電網(wǎng)的干擾及影響變得越來越嚴重，電網(wǎng)電能的質(zhì)量不斷下降，進一步加大了電能損耗及其他各方面的影響。電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益。因此，提高與改善電能質(zhì)量、減小危害及電能損失，已成為各行各業(yè)關(guān)注的焦點。
電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析是一個相當復雜的課題，其存在干擾因素多且不穩(wěn)定、系統(tǒng)暫態(tài)難以捕捉、監(jiān)測的量龐大、分析及運算過程繁雜等問題，且涉及的行業(yè)、專業(yè)及工程領域多。對電能質(zhì)量的監(jiān)測、分析與控制需要從產(chǎn)生的原因、控制的指標、分析的方法、控制的策略與技術(shù)等方面進行研究與實施，才能達到良好的電能質(zhì)量管理及調(diào)控效果。
1 電能質(zhì)量產(chǎn)生的原因
電能質(zhì)量產(chǎn)生的原因及相應的影響因素非常多且十分復雜，目前主要有以下幾種。
①電力系統(tǒng)非線性
電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的非線性主要是由諧波造成的，而諧波的產(chǎn)生又是由多方面原因引起的，主要有變壓器引起的諧波、直流輸電引起的諧波、發(fā)電機引起的諧波、無功補償裝置對諧波的影響等。其中最大的諧波源是直流輸電。
②電力系統(tǒng)故障
電力系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的各種故障，如各種電氣短路、過負荷跳閘、接地故障、操作過電壓、雷擊過電壓、發(fā)電機與勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的變化等，都會引起電能質(zhì)量的惡化。
③非線性負載
在電力系統(tǒng)負載中，非線性負載所占比重非常大。量，如大功率的整流或變頻設備、弧爐、照明用熒光燈等，都會產(chǎn)生相當嚴重的高次諧波電流。這是電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的最主要原因。
2衡量電能質(zhì)量的五個重要指標
衡量電能質(zhì)量的五個重要指標說明如下。
①電壓偏差( voltage deviation)：是電壓上升和下降的總稱。
②頻率偏差( frequency deviation)：是指電網(wǎng)電壓頻率與規(guī)定、要求的頻率值的偏差。整個電網(wǎng)中該項指標完全相同，不因用戶而異。
③電壓波動及閃變( fluctuation&flicker)：電壓波動是指電壓幅值通常不超過0.9 -1.1倍規(guī)定電壓范圍的一系列電壓隨機變化，或在包絡線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變化。閃變指的是指電壓波動對照明的視覺影響。IEEE第22標準協(xié)調(diào)委員會和其他國際委員會從電壓幅值和電壓波形兩個方面采用11種指標來衡量電能質(zhì)量。其中，電壓幅值指標包括：斷電(interruption)、電壓下跌(sag)、電壓上升(swell)、瞬時脈沖( impulse)、電壓波動(fluctuation)與閃變( flicker)、電壓切痕(notch)、過電壓(over-voltage)、欠電壓( under-voltage)。電壓波形指標包括：諧波（harmonic）、間諧波（inter-harmonic）、頻率偏差( frequency deviation).
④電壓三相不平衡( unbalance)：指的是任意一相電壓的最大偏移不應超過三相電壓的平均值。
⑤諧波和間諧波（harmonics&inter-harmonics）：含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。此外，含有基波非整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分數(shù)次諧波也屬于間諧波。
3模塊化智能電能質(zhì)量監(jiān)測與分析
3.1優(yōu)越性概述
傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器，如測量電壓的電壓表、測量電流的電流表、測量功率的有功及無功表、測量頻率的頻率表，以及諧波表、三相不平衡度計和電壓波動和閃變儀等，一般只對單一電量進行監(jiān)測。因此，監(jiān)測不同的電能質(zhì)量指標需要使用不同的儀器儀表。傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器監(jiān)測與分析的參數(shù)為模擬信號，而被分析對象大多情況下存在高度畸變，精度低、通用性差、自動化程度低。
由PC+ DSP[3]主從式結(jié)構(gòu)搭建的智能電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，其核心為數(shù)字信號處理( digital signalprocessing，DSP)數(shù)字式儀表。DSP數(shù)字式儀表以微處理器為核心，與計算機相連，數(shù)據(jù)處理能力非常強，同時具有信號顯示、數(shù)據(jù)處理與存儲、人機界面、實時通信等功能。然而此質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)造價及成本偏高，對于中小型系統(tǒng)不太合適。
永久性的固定專用的電能質(zhì)量監(jiān)測設備，是目前電力市場進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)在線監(jiān)測的發(fā)展趨勢。由于專用性及固定性，因此在設計研制時需要綜合考慮成本和性能。
本文論述的智能化電能質(zhì)量在線監(jiān)測設備綜合了目前電能質(zhì)量監(jiān)測裝置或系統(tǒng)的優(yōu)點，同時又避免其存在的缺陷，成為性能優(yōu)越的電能質(zhì)量諧波監(jiān)測的高新設備。它基于微處理器為核心，采用數(shù)字信號處理技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)。該設備不僅具有智能化、網(wǎng)絡化、在線監(jiān)測功能，同時具備實時性好、成本較低的特點。為進一步提高產(chǎn)品綜合性能，對原設備進行產(chǎn)品升級改進，由單CPU系統(tǒng)擴充為雙CPU嵌入式系統(tǒng)，從而達到擴充系統(tǒng)資源，共同分擔系統(tǒng)負荷的目的。雙CPU系統(tǒng)與嵌入式DSP處理器及嵌入式微控制器相結(jié)合，既保證了智
能化、網(wǎng)絡化、在線監(jiān)測等功能，同時也保證了系統(tǒng)的實時性和高效性。這種結(jié)構(gòu)形式運行速度快、精度高、實時性好、升級性能優(yōu)越，同時擁有體積小、成本低等特點，既適用于永久性系統(tǒng)在線實時監(jiān)測，也適用于現(xiàn)場的靈動測量與分析。
3.2工怍原理
高速16位A/D轉(zhuǎn)換器對各相電流、電壓進行高速實時采集，數(shù)字信號傳送至DSP高速數(shù)字信號處理器，由DSP完成對基本電量、諧波、波動及閃變等的測量及分析工作。DSP計算數(shù)據(jù)通過高速HPI通信接口與系統(tǒng)管理層進行數(shù)據(jù)交換。管理層由先進的PC104工控機構(gòu)成，并配置可靠的Linux嵌入式操作系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、存儲、顯示、通信以及板間軟同步等工作。本監(jiān)測裝置可按現(xiàn)場需求進行配置，最多可插入8塊測量單元板，同時對8條線路進行監(jiān)測。為保證各測量單元板能夠在同一個時刻點上進行同步采樣，所有測量單元板上的ADC轉(zhuǎn)換啟動信號均由一邏輯單元板統(tǒng)一供給。
3.3主要功能及實現(xiàn)
3.3.1 電能質(zhì)量基本指標監(jiān)測
對電壓偏差、頻率偏差、諧波與次諧波、三相不平衡度、電壓波動及閃變等基本指標進行全面有效監(jiān)測，結(jié)果如圖1所示。
3. 3.2基本電量參數(shù)測量
基本電量參數(shù)測量提供對電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、視在功率、無功象限及頻率等電量參數(shù)的測量。有功功率和無功功率的測量精度達到三位小數(shù)。三相三線制時各相對虛擬中點的電參量值根據(jù)需要也可以通過裝置計算出來。
3.3.3諧波監(jiān)測與分析
采用FFT變換方法對電流和電壓信號進行實時處理，監(jiān)測及分析2 - 50次電壓、電流諧波分量的幅值、相位等測量值，也可對分辨率為5 Hz的間諧波進行分析，運算精度能夠達到A級標準。所有的諧波信息可以通過人機對話進行交互，也可以通信的方法將諧波數(shù)據(jù)讀出，向上一級傳送。電壓與電流諧波還可分別以數(shù)值表、柱方圖、頻譜圖、曲線圖及向量圖的方式進行展示，截圖如圖2、圖3所示。
3.3.4事件檢測
事件檢測包含穩(wěn)態(tài)事件及暫態(tài)事件檢測兩大類，主要有電壓偏差越限、頻率偏差越限、電壓不平衡度事件、電流不平衡度事件、諧波電流及諧波電壓越限等。
①電壓偏差越限事件檢測
電壓偏差：當接線方式為三相三線時，電壓偏差計算方法為（實測線電壓一額定線電壓）／額定線電壓；當接線方式為三相四線時，電壓偏差計算方法為（實測相電壓一額定相電壓）／額定相電壓。
U：電壓偏差越下限門檻值，默認值為- 10%U。Ud：電壓偏差越上限門檻值，默認值為10%U。當某相／線電壓偏差的分鐘平均值高于U或者低于Ud，則認為此相／線電壓偏差越限事件發(fā)生；當相／線電壓偏差的分鐘平均值恢復到兩者范圍以內(nèi)，則電壓偏差越限事件結(jié)束。
②頻率偏差越限事件檢測
Fh：頻率越限事件上限門檻值，默認值為50.2 Hz。Fd：頻率越限事件下限門檻值，默認值為49.8 Hz。當10 s內(nèi)的頻率平均值高于F�；蛘叩陀贔d時，則認為頻率越限事件發(fā)生；當10 s內(nèi)的頻率平均值處于兩者之間，則認為頻率越限事件結(jié)束。
③電壓不平衡度事件檢測
U：電壓不平衡度越限事件的門檻值，默認值為20-/0U。當電壓不平衡度分鐘平均值超過Up，則認為電壓不平衡度越限事件發(fā)生；當電壓不平衡度的分鐘平均值下降到U以下，則認為電壓不平衡度越限事件結(jié)束。
④電流不平衡度事件檢測
L：電流不平衡度越限事件的門檻值，默認值為2%/。當電流不平衡度的分鐘平均值超過，p，則認為電流不平衡度越限事件發(fā)生；當電流不平衡度的分鐘平均值回落到L以下，則認為電流不平衡度越限事件結(jié)束。
⑤電壓長時閃變事件檢測
U：電壓長時閃變事件門檻值，默認值為0. 8U。當某相／線電壓長時閃變值高于U。時，認為此相／線電壓長時閃變越限事件發(fā)生；一旦此相／線電壓長時閃變值低于U，，則認為此相／線電壓長時閃變事件結(jié)束。電壓長時閃變值的統(tǒng)計周期為滑窗形式的連續(xù)一個半小時，因此監(jiān)測裝置啟動后的第一個長時閃變值需要經(jīng)過一個周期才能產(chǎn)生，后面接著每12 min將產(chǎn)生一個長時閃變值。
⑥諧波電壓越限事件檢測
X。(n)：n次諧波電壓的含有率越限門檻值，默認值由相應國家標準中對應電壓等級的推薦值提供。2 -50次諧波電壓的某次某相／線諧波電壓含有率的分鐘平均值若高于X。(n)，認為此次此相／線諧波電壓越限事件發(fā)生；當此次此相／線諧波電壓含有率的分鐘平均值如果低于X。(n)，則認為此次此相／線諧波電壓越限事件結(jié)束。電壓諧波總畸變率越限、各次諧波電壓越限、電壓諧波奇偶次總畸變率越限事件使用統(tǒng)一的事件類型標志。
⑦諧波電流越限事件檢測
Xi(n)：n次諧波電流的幅值越限門檻值。2- 50次諧波電流的某次某相諧波電流幅值的分鐘平均值如高于X，(n)，認為此次此相諧波電流越限事件發(fā)生；當此次此相諧波電流幅值的分鐘平均值低于X。(n)，則認為此次此相諧波電流越限事件結(jié)束。
3.3.5錄波功能
首先選擇監(jiān)測線路，對被監(jiān)測線路的電壓驟升、電壓驟降、短時中斷等暫態(tài)事件進行分析。暫態(tài)事件發(fā)生時將會觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)對采樣點數(shù)據(jù)和半波有效值進行錄波，如圖4所示。監(jiān)測系統(tǒng)可通過通信方式將相關(guān)數(shù)據(jù)及暫態(tài)事件上傳至后臺總控系統(tǒng)。監(jiān)測裝置以comtrade的錄波格式將有效值錄波和采樣點錄波及暫態(tài)事件上傳至后臺系統(tǒng)進行分析。監(jiān)測裝置具有開關(guān)量變位錄波功能。當裝置開關(guān)量輸入通道發(fā)生變位，將觸發(fā)裝置對所有模擬通道進行波形記錄，記錄時間達60 s。裝置同時還配置有召喚錄波功能，通過監(jiān)控軟件選擇需要監(jiān)測的線路及對應的召喚時間，召喚錄波記錄時間可達到1 200 s。
4 電能質(zhì)量監(jiān)測分析展望
電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析涉及到自動控制、網(wǎng)絡通信及電力系統(tǒng)等多個領域，是一個極其復雜的系統(tǒng)工程。為完善和發(fā)展電能質(zhì)量監(jiān)測與分析技術(shù)，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，今后仍需要解決以下幾方面的問題。
①新型算法的開發(fā)。電能質(zhì)量分析的模型、手段及方法隨著大量跨學科、跨專業(yè)交叉理論的出現(xiàn)，及人工智能技術(shù)和近代數(shù)學的迅速發(fā)展呈現(xiàn)出多樣性。為提高電能質(zhì)量，減小其對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，采取更加先進與科學的模型來監(jiān)測與分析電能質(zhì)量，是電能質(zhì)量研究領域內(nèi)必須重視的問題。目前，電力領域電能質(zhì)量的研究多運用小波變換方法對系統(tǒng)擾動數(shù)據(jù)進行辨別、分類及原因分析，模糊數(shù)學方法確立精準的數(shù)學分析模型，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡方法搭建有效的信息傳輸與儲存。模糊數(shù)學方法、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡方法、交叉技術(shù)及遺傳算法已成為當今甚至往后電能質(zhì)量新算法研究的主導發(fā)展方向。這些理論的提出、發(fā)展及不斷完善，對電能質(zhì)量研究的理論算法以及算法的應用、算法性能的完善等都將產(chǎn)生重要的影響。
②基礎理論的研究。電能質(zhì)量基礎理論研究是對電能質(zhì)量的本質(zhì)進行深入研究的基礎，它包括電能質(zhì)量的含義、各功率成分的定義、科學計算方法及物理意義的研究、評價體系及產(chǎn)生機理的研究等。目前，關(guān)于電能質(zhì)量的概念已發(fā)展成多個形式的版本及定義方法，然而各方法在物理意義、數(shù)學表達、建模與實施等方面各有不同，且具有自身的特點，但實際工程應用與實際的結(jié)合都存在一定的差距，均無法對電能質(zhì)量作出一個科學的綜合的定義。因此，需要在這一理論的短缺方面開展進一步的深入研究和探索。
電能質(zhì)量監(jiān)測與分析是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要充分利用計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)，準確合理全面地識別干擾源、判斷故障、預測事件等。隨著電能質(zhì)量監(jiān)測與分析技術(shù)不斷完善與發(fā)展，對監(jiān)測系統(tǒng)在功能上的要求也日益提高，這也需要多專業(yè)、多領域及多技術(shù)的相互結(jié)合與促進。
5結(jié)束語
本文從電能質(zhì)量產(chǎn)生的原因、控制的指標、現(xiàn)有電能質(zhì)量監(jiān)測裝置系統(tǒng)的缺陷和不足等方面進行闡述與分析，并提出了既能滿足目前需要又性能優(yōu)越的多模塊的智能化電能監(jiān)測與分析裝置。該裝置的研究與實現(xiàn)，對電能質(zhì)量的監(jiān)測、分析與控制的研究與實施的思路與方法，對各行業(yè)、各領域乃至全民族共同關(guān)注與期待的電能質(zhì)量的管理、改善及調(diào)控，具有重要的意義。
6評述：
隨著社會與經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)的用電規(guī)模越來越大，同時對供電質(zhì)量的要求也不斷提高。由于各種復雜負載的不斷接入，對電網(wǎng)的干擾及沖擊愈發(fā)嚴重，電能質(zhì)量問題日益突出。加強對電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析，提高電能綜合指標及特性顯得越來越重要。對當前電能質(zhì)量產(chǎn)生的原因進行了分析與研究，從電能質(zhì)量重要控制指標著手，采用模塊化工藝設計理論，進行了多線路電源質(zhì)量的監(jiān)測，從根本_上解決與滿足了工程用戶多電源供電質(zhì)量及可靠性的需求。對多回路電源供電質(zhì)量的綜合監(jiān)測與分析的精準性與時效性，將成為長期關(guān)注的電力系統(tǒng)優(yōu)化課題。
