（电力电子与电力传动专业论文）分布式电能质量监测系统监测终端的设计与实现.pdf

p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文分布式电能质量监测系统监测终端的 设计与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：羔塑；乡：型 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：帅分_日期：主竺兰! ! ：三： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章引言 电能是人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主 要标志之一。作为电能的载体，一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正 弦的波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和 电流应处于幅值大小相等、相位互差1 2 0 。的对称状态。但是，由于系统各元件( 发 电机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性或对称的，加之调控手段的不完善、 负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在 实际当中并不存在，因此就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。迄今为止， 人们对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还没有给出准确统一的定义，一 个普遍被接受的定义是：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏 差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不 平衡以及电压波动和闪变等! 。 随着科学技术和国民经济的发展，工业生产、社会和人民生活对电能的需求量 日益增加，同时由于电力系统的扩张与联网、新型电力负荷的不断出现以及现代精 密控制设备和电子装置对电能质量的敏感，人们对电能质量的要求也不断提高，电 能质量问题得到电力公司和电力用户的普遍重视。深入研究和改善电能质量，不但 是提高用电效率、节能降损、改善电气环境、提高国民经济的总体效率以及工业生 产可持续发展的技术保证，而且也是在电力市场化改革不断深入的今天，保证电力 系统自身可持续发展的必要条件【2 j 。 为了对电能质量进行有效的监督管理，从2 0 世纪8 0 年代开始，国家质量技术 监督局将制定国家电能质量系列标准列为重点项目，先后组织制定并颁布了六项电 能质量国家标准，即 一 g b1 2 3 2 5 一1 9 9 0电能质量供电电压允许偏差 g b1 2 3 2 6 2 0 0 0电能质量电压波动和闪变 g b t + 1 4 5 4 9 1 9 9 3电能质量公用电网谐波 g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5电能质量三相电压允许不平衡度 g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5电能质量电力系统频率允许偏差 g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1电能质量暂时过电压和瞬态过电压 在国家标准的规范和约束下，使用扰动负荷的用户必须了解自己向电网排放的 电力污染是否超过国标，所采用的控制手段是否有效；电力部门也必须保证电力系 统的可靠运行、提供满足电能质量国家标准的电能。实施国家标准，解决电能质量 1 华北电力大学硕士学位论文 问题，首先要对电网电能质量状况进行监测评估。 电能质量监测系统为电力部门和用户及时了解电网电能质量，研究和改善电能 质量提供直接数据资料的同时，在用户和电力部门产生电能质量纠纷需要第三方仲 裁时，监测数据可向双方提供客观真实材料【3 j 。此外，在未来完全的电力市场条件下， 还可利用监测结果对某个供电点或系统进行电能质量等级的综合评价，为制定市场 电价提供质量依据一儿。 由此可见，电能质量监测是国家标准j f l 孵f j 有效实施的前提，有利于电力部门加 强电能质量监管、提高电网运行和管理水平，为供用电双方电能质量治理提供决策 依据，并满足电力市场化对电能质量方面的要求。因此，研制满足电力工业需求的 电能质量监测系统是当前研究电能质量问题的一个重要方面。 1 。2 电能质量监测系统的研究现状及发展趋势 电能质量监测设备和其他仪器仪表类的设备一样，经历了模拟式、数字式和智 能化三个阶段。随着电子技术的发展，模拟式电能质量监测设备已完全退出历史舞 台，而数字式电能质量监测装置的核心处理芯片也经历了从单片机到数字信号处理 器( d s p ) 的过渡。高速a d 采样芯片、高速d s p 芯片甚至基于多c p u 并行处理方 式的应用6 】【7 1 8 1 ，使得当前的电能质量监测装置功能日益强大，也为电能质量监测 系统的智能化奠定了基础。 电能质量的监测方式主要有3 种桫l ( 1 ) 单点“快照”监测方式。使用便携式仪器即时监测选定点的电压、电流变 化，掌握电压偏差、谐波、闪变、电压不平衡等稳态电能质量水平； ( 2 ) 时间“趋势”方式。使用流动安装的电能质量监测装置，监测记录一段时 间( 1 个星期或1 个月) 内的电能质量变化，应用后台分析软件，对监测时间段电 能质量变化进行分析统计，给出这段时间内电能质量变化规律与趋势； ( 3 ) 系统监测方式。在若干系统选定点安装在线监测装置，通过通信网与电能 质量分析主站通信，实时监测系统电能质量状态，对系统内电能质量变化进行分析 统计，给出电能质量变化的历史趋势。 采用便携式仪器的流动监测方式，适合发现一些特定的电能质量问题；而采用 在线监测装置的系统监测方式，主要用于评价系统电能质量水平，发现设备问题以 及评估安装的电力调整设备的性能。 应用现代网络通信技术将电能质量在线监测装置有机联合起来，构成分布式电 能质量监测系统【7 【1 0 】 1 】，是目前电力系统进行电能质量监测的主要手段，其优点在 于，不受空间地域限值，可实现多点实时监测、集中管理，在很大程度上提高了管 理人员的工作效率。但当前的在线监测装置较多的还是对传统的电能质量问题的监 2 ， 华北电力大学硕士学位论文 测，如频率偏差、电压偏差、谐波、三相不平衡度和闪变等，对于暂态电能质量问 题则较少涉及，一方面是由于重视程度不够，另一方面也是由于暂态指标监测对数 据处理的要求较高，往往需研制专门的仪器进行监测。 现代电力系统采用的是分层管理，电能质量管理也不例外。随着电网规模的扩 大和对电能质量问题的日益重视，虽然电能质量监测装置本身各项功能越来越完 善，电力部门仍希望从更高层次上对电能质量进行监测，当前普遍采用的厂站监测 模式已日渐不能满足电能质量管理的要求，事实上，国内多个省级电力公司已经提 出，组建省网一级的电能质量监测系统。文献 1 2 】提出了网络型电能质量监测系统 的概念，并对其进行了详细的介绍，图1 1 是网络型电能质量监测系统结构示意 图，系统由现场监测装置、地区电网电能质量数据管理系统、电能质量监控中心数 据管理系统和电力广域网或因特网四部分构成。虚线框内即为一个分布式电能质量 监测系统，网络型电能质量监测系统由此升级扩展而来。 回回”舒 监测点1监测点2 n s j a n 回回一回 监测点l监测点2监测点n 图1 一l 网络型电能质量监测系统结构示意图 构建网络型电能质量监测系统，最终目的是建立覆盖区域大电网( 省级及以上) 的实时电能质量监测系统和相关数据管理系统，利用i n t e r n e t 技术实现全局网络化 管理 13 1 ，对海量数据进行合理控制，真正做到数据大容量存储、数据高速传输与数 据库管理，实时更新和共享数据，进而实现对电网全面的电能质量监测，以满足整 个电力系统运行管理和决策的需要。 由此可见，电能质量监测系统的发展趋势必然是系统更加智能化，除具有计算、 显示功能外，还具备一定的判断、综合评估、分析决策等功能，如进行事件预测、 故障辨识、干扰源识别和实时控制，同时加强与电力m i s ( 管理信息系统) 、s c a d a 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 数据采集系统) 的集成。如今电子、网络、控制和人工智能技术的飞速发展使这 种需求的实现成为可能。电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化 和智能化的方向发展【5 】【8 】【13 】 1 4 】 1 5 1 。 1 3 本文的主要工作 作为构建网络型电能质量监测系统工作的一部分，本文以分布式电能质量监测 系统的监测终端为研究对象，立足于当前国内电能质量监测系统研制的现状，将完 成如下工作： ( 1 ) 深入理解电能质量国家标准对各项指标的监测要求，明确其算法： ( 2 ) 针对电压信号在谐波含量大时一个工频周期超过2 个过零点的情况，采用 一种基于坐标变换的软锁相算法，产生采样同步信号，提高频率测量和谐波分析的 精度； ( 3 ) 完成分布式电能质量监测系统监测终端的功能设计； ( 4 ) 设计基于d s p 和高精度采样芯片的数据采集卡，以完成电压电流信号的 实时采集、数据的预处理和与工控机数据通信等功能； ( 5 ) 完成工控机上的数据分析、越限记录、文件存储等软件模块，并针对现场 不同的通讯情况，设计基于以太网卡和调制解调器的网络通信程序，实现与监测中 心的数据通信。 ( 6 ) 设计友好的人机界面。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量监测相关算法的研究 2 1 电能质量国家标准 至2 0 0 1 年，国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量国家标准。 这六项电能质量国家标准的摘要如表2 一l 所示f 2 1 。 表2 - 1 六项电能质量国家标准摘要 标准编号标准名称允许限值 说明 电能质量1 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不 衡量点为供电产权分 g b1 2 3 2 5供电电压 超过1 0 界处或电能计量点 1 9 9 0 允许偏差2 1 0 k v 及以下三相供电为7 3 2 2 0 v 单相供电为+ 7 ，一1 0 电能质量电压变动d 限值和变动频度，有关：当，1 衡量点为公共连接 电压波动 1 0 0 0h 。1 时，对于低压( l v )和中压点p c c 和闪变( m y ) d = 1 2 5 4 ；对于高压( h v ) 2 p 。每次测量周期 庐1 3 ：对于随机不规则的变动，庐2 为l o m i n ，取实测9 5 ( l v ，m v ) 幂口d = 1 5 ( h v ) ，闪变限值女口 概率值；p l 。每次测量 下表周期2 h ，不得超标 3 限值分三级处理原 g b1 2 3 2 6 系统电 l vm vh v 则 - 2 0 0 0 压等级 4 提供预测计算方 p s t 1 0 o 9 ( 1 0 ) 0 8 、 法，规定测量仪器并 p l t 0 80 7 ( 0 8 )0 6 给出典型分析实例 注1 括号中的值仅适用于所有用户为同 电压级场合。 2 p 。为短时间闪变；p l 。为长时间闪 变 电能质量1 止常允许0 2 h z ，根据系统容量可以对测量仪器提出基本 电力系统放宽到0 5 t z要求 g b t 频率允许2 用户冲击引起的频率变动般不得超 15 9 4 5 偏差过0 2 h z 一1 9 9 5 华北电力大学硕士学位论文 电能质量1 正常允许2 ，短时不超过4 1 各级电压要求一样 三相电压 2 每个用户一般不得超过1 i3 2 衡量点为p c c ，取 允许不平 实测9 5 概率值或日 衡度累计超标不超过 g b t 7 2 m i n ，且每3 0 m i n 15 5 4 3 中超标不许超过 一1 9 9 5 5 m i n 3 对测量方法和测量 仪器作出基本规定 4 提供不平衡算法 电能质量各级电网谐波电压限值( )1 衡量点为p c c ，取 公用电网实测9 5 概率值 电压( k v ) t h d 奇次偶次 谐波2 对用户允许产生的 0 3 854 02 0 g b t 谐波电流，提供计算 6 、1 043 21 6 方法 1 4 5 4 9 3 5 、6 632 41 2 3 对测量方法和测量 1 9 9 3 1 1 021 6o 8 仪器作出规定 4 对同次谐波随机性 合成提供算法 电能质量1 系统工频过电压1 暂时过电压包括工 暂时过电电压等级( k v )过电压限值( p u )频过电压和谐振过电 压和瞬态u m 2 5 2 ( i )1 3压。瞬态过电压包括 过电压 u m 2 5 2 ( i i ) 1 4操作过电压和雷击过 1 1 0 、2 2 01 3 电压 3 5 6 6压 2 工频过电压 g b t 3 1 01 1 石 1 o p u = u m 4 3 。谐 1 8 4 8 1 注1 u m 指工频峰值电压 振过电压和操作过电 2 0 0 l 2 u m 2 5 2 ( i ) 和u m 2 5 2 ( i i ) 分别 压1 o p u = 指线路断路器两侧变电所线路 压u m 压 3 除统计过电压( 不 2 操作过电压限值 小于该值的概率为 空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相 0 0 2 ) 外，凡未说明 重合闸、非对称故障分闸及振荡解列过电 的操作过电压限值均 压限值 为最大操作过电压 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 不小于该值的概率 电压等级 为o 0 0 1 4 ) 过电压限值( p u ) ( k v ) 4 瞬态过电压还对空 5 0 02 0 + 载线路分闸过电压、 3 3 02 2 + 断路器开断并联补偿 1 1 0 一- 2 5 2 3 0 装置及变压器等过电 压限值作出了规定 水表示该过电压相对的统计操作过电压 以上简要介绍了电能质量国家标准对各项指标的监测要求，需要指出的是，电 能质量暂时过电压和瞬态过电压的监测对电压信号的采集有特殊要求，而且通常情 况下是针对不同的监测对象进行连续不问断的实时监测，因此，从实现角度讲宜单 独对过电压监测进行处理，研制专用的过电压监测仪【1 6 】【1 7 】【1 8 】19 1 。本文研制的分布 式电能质量监测系统将不涉及暂时过电压和瞬态过电压的监测。 2 2 传统电能质量指标的监测方法 2 2 1 电压偏差 供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统 标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为 础：u r e - - u 1 0 0 ( 2 一1 ) u n 式中，8 u 为电压偏差；吒为实际电压；u n 为系统标称电压。 。 在电学计算中，通常以电压整周期的均方根值来衡量电压的大小。电压均方根 的离散计算公式为 凇= 式中，为一个周期内的采样点数；为第丘点的电压瞬时值。 2 2 2 频率偏差 、 ( 2 2 ) 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率 偏差。其数学表达式为 7 华北电力大学硕士学位论文 影。= 厶一厶 ( 2 3 ) 式中，万厂为频率偏差；z e 为实际频率；厶为系统标称频率。 文献 2 0 将电力系统频率测量方法分为：周期法、解析法、误差最小化原理类 算法、d v t ( f f t ) 类算法及其改进算法、正交去调制法等5 类，并对各种测量方法 的优缺点进行了分析，文献 2 1 和文献 2 2 在对文献 2 0 总结的基础上，分别提出 了基于改进递归小波和基于人工神经网络的电网频率测量方法。需要指出的是，上 述文献中列举某些方法作为单独的系统频率测量可以取得好的效果，但是应用到实 时的电能质量监测中，则存在算法复杂，对监测设备软硬件要求较高的不足。 本文采用周期法进行测量频率。周期法又称过零点检测法( z e r o c r o s s i n g a l g o r i t h m ) 是最常用的一种频率测量方法，其原理简单，算法明了，运算量小， 实现容易。具体实现方式有两种：一种是测量一段时间内( 比如1 秒) 的周期数， 从而得到频率；另一种是计数器测量两个过零点之间( 即一个周期) 的计数个数从 而得到频率。这两种方法，前者在测量时间较长时会取得较准确的值，但实时性受 影响，后者在计数器分辨率较高时具有较好的精度【23 1 。此外，周期法还有一个缺点： 当波形畸变出现多个过零点时，测量结果将会有很大的误差。 本文摈弃传统的硬件锁相环电路，采用的软件锁相算法使得周期法不受波形畸 变的影响，具体方法将在2 4 节详细论述，此处不再赘述。 2 2 3 谐波 当电力系统中存在非线性负荷时，电压或电流波形就有可能发生畸变，不再是 正弦波。任一满足狄里赫利条件的非正弦周期波f ( t ) ，可以分解为傅里叶级数的形 式： f ( t ) ：c o + c hs i n ( h c q t + 仍, ) ( 2 4 ) h = l 式中，为周期函数的角频率( c 0 1 = 2 z c t ) ；h 为谐波次数；为直流分量；c h 为h 次谐波幅值；纸为h 次谐波初相位。 通常所说的谐波就是上式中所指的谐波，但实际电网中有时存在一些频率不是 基波频率整数倍的正弦分量，为延续谐波概念，称为分数次谐波( f r a c t i o n a l - h a r m o n i c s ) ，或称为间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 。频率低于工频的间谐波又称为 次谐波( s u b - h a r m o n i c s ) 。 对于整数次谐波，表征波形畸变的参量有谐波含有率( h a r m o n i cr a t i o ，h r ) 和总谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 。电压、电流信号的h r 和t h d 的计算公式分别为： 8 华北电力大学硕士学位论文 舰= 筹妯o o ( ) 式中，为第办次谐波电压( 均方根值) ；u 为基波电压( 均方根值) 。 ( 2 ) 第h 次谐波电流含有率h r i h h r i h2 扣啪， 式中厶为第办次谐波毛流( 均方根值) ；为基波电流( 均方根值) 。 ( 3 ) 电压总谐波畸变率t h d 购= 鲁一 热为学波电压含量c = 痧，。 ( 4 ) 电流总谐波畸变奉t h d , 、 网= 等1 0 0 ( ) 式中，如为谐波电流含量( 如= 、( 厶) 2 ) 。 vh = 2 为了区别暂态现象和谐波，国家标准要求对负荷变化快的谐波j 可取3 s 内所测值的平均值，推荐采用下式计算： = ，仁m 艺k = l ( ) 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 每次测量结果 ( 2 9 ) 式中，u 。为3 s 内第k 次测得的h 次谐波的均方根值；m 为3 s 内均匀间隔的测量 次数( m 6 ) 。 目前谐波分析的主流算法仍是基于基波信号同步采样的f f t 分析，对于f f t 算 法，这里不作详细论述，需要指出的是：信号采集的处理会对分析结果产生很大影 响。若采用定时采样，当系统频率偏离工频时，会出现所谓的“非整周期截断”， 从而引起f f t 分析的频谱泄漏：而采用基波信号同步采样，可以避免频谱泄漏，只 是对同步技术有更高的要求1 2 7 j 。 为减少同步采样误差引起的频谱泄漏，许多学者对加窗插值f f t 算法进行了大 量的研究【2 6 】 2 7 】【2 8 】，取得了满意的谐波分析效果。但是，加窗插值f f t 算法在取 q 华北电力大学硕士学位论文 得好的分析结果的同时计算时间大大增加，作为实时监测，特别是多功能的电能质 量监测装置，由于监测指标多，本身计算量就很大，因此太过复杂的谐波分析算法 并不适合在线的谐波监测。 本章2 4 节从提高信号的同步采样精度着手，采用软件锁相算法减小同步采样 引起的频谱泄漏，从而使得基于f f t 算法的谐波分析具备更高的精度。 2 2 4 功率及功率因数 由于电能质量国家标准并未对功率及功率因数的计算给出明确的要求，并且有 功功率、无功功率、视在功率和功率因数的定义仍存在不完善的地方，所以本文只 给出传统意义上的功率计算方法。 有功功率：p = 弘厶c o s 仍 ( 2 1 0 ) 无功功率：q ，= u i is i n 仍 ( 2 一1 1 ) 视在功率： s = 黯2 h 黯2 、 功率因数： 兄：旦 s 上述式中，为第h 次谐波电压( 均方根值，h = 1 ，为基波，下同) ； 谐波电流( 均方根值) ；纯为第h 次谐波电流滞后谐波电压的相角。 2 2 5 三相不平衡度 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 厶为第h 次 三相系统可分为对称三相系统和不对称三相系统。对称三相系统是指三相电量 ( 电动势、电压或电流) 数值相等、频率相同、相位互差1 2 0 。的系统。不同时满 足这三个条件的三相系统是不对称三相系统。 三相系统还可以分为平衡三相系统和不平衡三相系统。在任意时刻，三相瞬时 总功率与时间无关，这样的系统称为平衡三相系统；在任意时刻，三相瞬时总功率 是时间的函数，这样的系统称为不平衡三相系统。 可以证明，对称三相系统在任意时刻的总瞬时功率是常数，也就是说对称三相 系统一定也是平衡三相系统。而且，三相系统的不对称直接导致不平衡，所以不对 称和不平衡这两个概念在应用时不作严格区分皿j 。 电压三相不平衡度是电能质量的重要指标之一。根据对称分量法，三相系统中 1 0 华北电力大学硕士学位论文 的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分量三个对称分量。电力系统在正常运 行方式下，电量的负序分量均方根值与正序分量均方根值之比定义为该电量的三相 不平衡度，用符号s 表示，即 毛= 鲁1 0 0 ( 2 二1 4 ) u l 毛2 扣 c2 1 5 ， 式中，e - u 、占，分别为电压三相不平衡度和电流三相不平衡度；u 、分别为电压 正序、负序分量均方根值；、，分别为电流正序、负序分量均方根值。 由于在谐波分析时，已经得到基波电压的幅值和相角，因此可以通过下面的计 算公式得到序分量，进而由定义算出不平衡度 29 1 。 u = 砰+ 2 3 必= u o c o s 够o + c o s ( 1 2 0 。+ 伤) + 配c o s ( 2 4 0 。+ 纪) ( 2 1 6 ) = u os i n c p o + s i n 0 2 0 。+ 绲) + 配s i n ( 2 4 0 。+ c p 。) ：厮3 k = u oc o s r p o + c o s ( 2 4 0 0 + ) + v c c o s ( 1 2 0 。+ 纪) l = u os i n f o o + s i n ( 2 4 0 。+ 绲) + 配s i n ( 1 2 0 。+ 纪) = ( + + ) 3 ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中，、虬分别为三相基波电压幅值；仍、伤、纯分别为三相基波电压初 始相角。 类似的，可以计算出电流三相不平衡度。 国标还给出了在没有零序分量的三相系统中j 当已知三相电量a 、b 、c 时的计 算式： x 1 0 0 ( 2 一1 9 ) 式中，l = ( a 4 + 6 4 + c 4 ) ( a 2 + b 2 + c 2 ) 2 。 为减少偶然性波动的影响，与谐波国标规定类似，标准中规定了每次测量一般 按3 s 均方根取值，推荐按下式测取每次结果： ( 2 2 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，吼为3 s 内第k 次测得的不平衡度；垅为3 s 内取均匀间隔的测量次数( 聊6 ) 。 2 3 电压波动和闪变的监测方法 2 3 1 电压波动和闪变的相关概念 电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，常用相 对电压变动量来描述，电压波动取值为一系列电压均方根值变化中相邻的两个极值 之差与标称电压的相对百分数，即 t 一t l d = 二婴l 塑x 1 0 0 ( 2 2 1 ) u n 式中，。、i 。分别为变化的电压均方根值中相邻的极大值和极小值；为系统 标称电压。 闪变是指电源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应，闪变的一般觉 察频率范围为：1 2 5 h z 。严格地讲，闪变是电压波动引起的有害结果，是人对照 度波动的主观视觉反映，它不属于电磁现象。但在实际应用时广义的闪变包括了电 压波动，甚至包括电压波动的全部有害内容。在电力输配过程中，既要限制电压波 动也要限制闪变，并且常将限制发生闪变干扰放在首位。 目前国际上有三种代表性原理类型的闪变测量仪器：日本的v 1 0 闪变仪，采 用的是半波有效值检波法；英国的e r a 电弧炉闪变测量仪，采用的是全波整流解调 检波法；i e c 和u i e 推荐的闪变仪，采用的是平方解调检波法 30 1 。国标指出，各种 类型的电压波动均可用符合i e c6 l o o o 一4 1 5 的闪变仪直接测量来评估，这是闪变 值测量判定的基准方法。 2 3 2ie c 闪变仪的原理 新颁布的国标电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 和大量文献都 对i e c6 1 0 0 0 - - 4 - - 1 5 制造的i e c 闪变仪进行了详细的介绍【3 1 】【3 2 】【3 3 】【3 4 1 。本文也通 过验证性的m a t l a b 仿真，明确了其测量原理和数字化过程中的参数计算，下面将进 行详细论述。 ( 1 ) 电压波动的同步检测 要测量电压波动和闪变，首要的任务就是要准确地提取出波动信号，通常将波 动电压看成以工频额定电压为载波，其电压的幅值受频率范围在0 0 5 一- , 3 5 h z 的电 压波动分量调制的调幅波。同步检测法又称为平方解调检测法，即将“( f ) 平方，然 后利用解调带通滤波器检测出调幅波。为使分析简化又不失一般性，通常分析仅含 单一频率的调幅波对工频载波的调制。因此，工频电压甜( f ) 可由下式表示： 1 2 华北电力大学硕士学位论文 甜o ) = 彳( 1 + mc o so t ) e o sc o t ( 2 2 2 ) 式中，a 为工频载波电压的幅值；国为工频载波电压的角频率；聊为调制指数；q 为 调幅波电压的角频率。 将式( 2 - 2 2 ) 平方，可以得到下式： 以惦等( + m 等_ 2 m2 a 2 - c o s 2 q r + 等( + 芋 c 。s 2 r + 华c o s 2 ( + q ) h 华c o s 2 ( c o - f ) ) h 等c o s ( 叼阱 2 喇 兰竺c o s f 2 一q ) 从上式中可以看出，调制波电压的平方项除了有直流成分外，还有以下频率分 量：q ，2q ，2 ( c o + f 2 ) ，2 c o + q 。 如果利用0 0 5 3 5h z 的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量，并 且考虑到，由于实际上的调制指数m 华北电力大学硕士学位论文 2 5 小结 ( d ) 频率突变下锁相输出 t i m e ( s ) ( e ) 三相不平衡下锁相输出 图2 9 软锁相仿真结果 本章首先介绍了电能质量国家标准对各项监测指标的要求，明确了各项指标的 测量方法，并详细介绍了i e c 闪变仪模型，通过m a t l a b 仿真验证了各环节参数的 正确性。针对传统硬件锁相倍频电路在频率测量和谐波分析中的不足，采用了基于 坐标变换的软锁相算法实现信号的锁相和同步，并通过仿真对软锁相算法进行了验 证。 2 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章分布式电能质量监测系统监测终端的设计与实现 3 1 总体设计 分布式电能质量监测系统是构建网络型电能质量监测系统的基础。由第一章图 l l 可知，分布式电能质量监测系统主要由两部分构成：安装在发电厂或变电站的 监测终端和地区电网电能质量数据管理系统。 监测终端采集现场的电压、电流信号，对实时数据进行计算、分析和统计，在 其自带的液晶显示屏上显示当地的电能质量各项指标，同时将分析结果以数据文件 的形式存储在监测装置的硬盘上，并通过电话网或局域网将数据向上传输至地区电 网电能质量数据管理系统。 地区电能质量数据管理系统接收多个监测终端上传的实时监测数据，同时提供 应用服务功能，如分析数据、图表的w e b 浏览，标准统计报表的输出。此外，地区 电能质量数据管理系统还要接受来自上级电能质量管理系统的数据查询等任务。 本文的研究重点为分布式电能质量监测系统监测终端的设计与实现。在研制的 初步阶段，拟定实现如下一些主要功能： ( 1 ) 多通道、高精度的实时数据采集。 ( 2 ) 监测点多回路的各种电能质量指标长期的实时监测、分析与存储，保证数 据的真实性和可比性；根据分析结果，可设定指标越限报警：具备统计分析功能， 可输出多种趋势曲线和波形曲线。 ( 3 ) 系统内多种通讯方式( 电话网，以太网) 实现数据传输。 ( 4 ) 历史数据长期保存，供数据管理系统进行各种查询、分析和预测。 ( 5 ) 监测系统软件具有良好的可扩展性，用户界面友好，操作简单。 由于不同电能质量指标对数据采样的要求并不完全一样，传统的谐波测量、电 压偏差、频率偏差、三相不平衡等监测指标并不需要对信号进行连续不问断的采样， 而电压波动和闪变的监测，要对信号进行不问断的等时间间隔的采样，而且采样频 率不能太高，否则数据处理量过大，实时性受到影响。基于上述原因，针对不同的 监测对象，设计了两块具备不同功能d s p 数据采集卡： ( 1 ) 传统电能质量监测( d s p l ) 对于传统电能质量指标的监测，设计采样频率为6 4 0 0 h z ，因此前置模拟抗混叠 滤波器的截止频率为3 2 0 0 h z 3 ”，可同步采集6 路信号( 三相电压、三相电流) ，6 组通道切换，并且有监测终端的键盘接口。 ( 2 ) 电压波动和闪变监测( d s p 2 ) 对于电压波动和闪变的监测，设计采样频率为4 0 0 h z ，因此前置模拟抗混叠滤 2 4 华北电力大学硕士学位论文 波器的截止频率为2 0 0 h z ，定时采集6 路电压信号，通道可切换。 可见，两块d s p 数据采集卡硬件上的主要区别在于采样电路部分，数字信号处 理部分基本相同。 综上所述，设计系统硬件总体构成如图3 一l 所示，整个系统按功能可分为数 据采集和预处理、数据处理、数据通信和人机界面等模块。 图3 一l 监测终端的硬件结构框图 下面具体介绍各个模块的硬件和软件设计。 3 2 数据采集和预处理 3 2 1 数据采集和预处理模块的硬件设计 数据采集和预处理模块主要包括d s p 芯片，数据存储单元，电压、电流互感器， 前置滤波环节，信号调理电路，a d 采样芯片，锁相倍频电路，简单介绍如下： d s p 芯片d s p 芯片采用美国德州仪器( t i ) 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片，该 芯片运行速度达到4 0 m i p s ( 每秒百万次指令) ，具有丰富的片上i o 和其他外设资 源。作为数据采集卡的主控芯片，通过可编程i o 和事件管理器完成多组通道有序 切换、数据采集控制、越限报警，通过其数据地址总线完成外部a d 转换数据的读 取和外部数据存储单元的读写，通过其串行通信接口s c i 实现与工控机的数据通信。 2 5 华北电力大学硕士学位论文 数据存储单元 由于信号采集过程中，数据存储量大，设计中外扩了4 片高 速s r a m ，选用i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 1 0 t 芯片，容量为2 5 6 k x l 6 b i t ，访问速度为l o n s 。 电压、电流互感器本文选用了北京新创四方电子有限公司的d v d i 一0 0 1 型卧 式穿芯互感器，这是一款精密的交流电压电流通用互感器，精度高，工作频率范围 2 0 h z 2 0 k h z ，应用灵活。该互感器用作电压互感器时电路如图3 2 ( a ) 所示，输 出电压如式( 3 1 ) ；用作电流互感器时如图3 2 ( b ) 所示，输出电压如式( 3 2 ) 。 输出电压范围均为一6 v + 6 v 。 u7 1 = 争 ( 3 一1 ) 1 v o u7 = 2 r ，i ，| v ( 3 2 ) r 1 v o u t ( a ) 用作电压互感器接线( b ) 用作电流互感器接线 图3 2 互感器接线方式 、 前置滤波环节前置滤波环节的主要作用是a d 采样前进行抗混叠滤波，以 使采样满足“采样定理”，减小同步采样引入的频谱混叠。本设计中2 块d s p 数据 采集卡的前置抗混叠滤波器的截止频率不同，选用m a x i m 公司的m a x 2 9 1 芯片后， 可通过编程改变输入时钟从而改变滤波器的截止频率，减少硬件电路设计的工作 量。m a x 2 9 l 输入时钟频率与截止频率之比为i 0 0 ：l ，因此当输入时钟分别为3 2 0 k h z 和2 0 k h z 时，m a x 2 9 1 的截止频率就为3 2 0 0 h z 和2 0 0 h z 。需要指出的是，d s p 输出信 号为3 3 v ，而m a x 2 9 1 为5 v 驱动，二者之间需增加电平转换电路。 信号调理电路信号调理电路的作用是将互感器输出的二次信号转换为a d 采样芯片0 5 v 范围，包括电平抬升和限幅电路，如图3 3 所示。 2 6 华北电力大学硕士学位论文 v i n 。晒 图3 3 信号调理电路 a d 采样芯片为提高数据采集的速度和精度，采样芯片选用了美国德州仪 器( t i ) 公司的a d s 8 3 6 4 芯片。该芯片是一种高速、低能耗，6 通道同步采样转换， 单+ 5 v 供电的1 6 位高速并行接口的高性能模数转换芯片。每片a d s 8 3 6 4 由6 个最小 转换时间为4 s ( 当外部时钟为5 m h z ) 的模数转换器( a d c ) 构成，每个a d c 都有独 立的采样保持放大器。6 路模拟输入被分为3 组，每组2 通道公用一个控制信号 ( h o l d a ，h o l d b ，h o l d c ) ，通过该信号可以实现2 通道同时采样。当三个 控制信号都是低电平时，可实现6 通道同时采样。因此采用a d s 8 3 6 4 芯片能在保证 精度的同时完成6 路信号的同步转换。本设计中a d s 8 3 6 4 的时钟信号由d s p 芯片提 供，d s p 事件管理器的p w m 单元可产生满足要求的5 m h z 脉冲信号。a d s 8 3 6 4 与 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 接口电路如图3 4 所示。 3 3 v a d $ 8 3 6 4t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 b v d d h o l d ai o p b 7 w r h o l d b 7 4 h c l 3 8 ，e 1 一 ，i s f d h o l d c a 1 3 一 a 1 4 全竺 c s一y o a 1 5 b y t e a 0 r d 瓜d a 】 e o cc a p l a 2 b g n dc l kt 2 p w m d a t a 0 ：1 5 】d 0 ：1 5 】 图3 4a d s 8 3 6 4 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 接口电路 锁相电路锁相电路的作用是为d s p 控制a d 采样提供同步信号。传统的锁 相倍频电路由滤波、过零比较、锁相环倍频电路等构成。本文第二章介绍了一种抑 2 7 华北电力大学硕士学位论文 制多种干扰的软锁相方法，在硬件实现上，选用了c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片， 该芯片具有8 路1 2 位l o o k s p s 采样速率的a d c ，同时还有6 4 路可配置的数字i o 端口，并且处理器速度可达2 5 m i p s 。选用其中3 路a d 定时采样三相电压信号，1 路i o 端口输出锁相后5 0 h z 左右的方波，并利用串行接口( s p i ) 直接将同步信号的 周期( 计数器值) 发送至主控d s p 芯片，由d s p 芯片计算出倍频后的采样周期控制 a d 同步采样。c 8 0 5 i f 0 2 0 与t m s 3 2 0 f l 2 4 0 7 a 接口电路如图3 5 所示。 c 8 0 51 f 0 2 0t m s 3 2 0 f l 2 4 0 7 a 扰口 r l x i n t l a i n o o u b - 一 a i n 0 1 p 0 0 “c a n o 2 n s s1 0 p e o m o s is p l s i m o s o s p i s o m i s p i s t e s c ks p i c l k 图3 - - 5c 8 0 5 1 f 0 2 0 与t m s 3 2 0 f l 2 4 0 7 a 接口电路 3 2 2 数据采集和预处理模块的软件设计 数据采集和预处理模块主要的任务是实现信号的实时采集和数据存储，如前文 所述，两块d s p 数据采集卡的功能有所区别，因而两块d s p 芯片的程序流程也有所 不同。 由于d s p l 芯片不但要进行采样的控制、通道组切换，还要处理与工控机的通 信，因此将a d 采样完全交由d s p 中断进行处理，以保证数据采集的实时性。首先， 锁相芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 产生的同步信号触发d s p 外部中断x i n t i ，表示信号一个周波 的开始，d s p 通过s p i 接收锁相信号的周期值，然后根据此值修改采样定时器的周 期，在定时器周期中断中d s p 通过i 0 输出启动a d c ，当一次a d 转换结束，a d s 8 3 6 4 发出转换结束信号e o c 由d s p 的c a p l 中断捕获，此时d s p 读出6 路信号的采样值 并将其存储至外部s r a m 中。当一个周波的数据采样结束，d s p 将切换通道至下一组 电压、电流信号进行采样。d s p l 的程序流程如图3 6 所示。 2 8 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 主程序流程 ( 中断开始) 士 i 启动a d 转换 山 ( 中断返回) ( b ) 外部中断子程序流程( c ) 定时器中断子程序流程( d ) 捕获中断子程序流程 图3 6d s p l 程序流程图 d s p 2 芯片实现电压波动和闪变的监测，不但数据采集的要求与d s p l 不同，而 且需进行大量的运算，并将闪变测量结果传送给工控机。基于上述原因，d s p 2 程序 采用定时中断启动a d 采样，闪变的计算放在主循环中完成，程序流程如图3 7 所 _ 一 不o 2 9 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 主程序流程 中断开始 读取采样数据 采样数据规格化 新数据标志置位 中断返回 ( b ) 定时器中断子程序流程 ( c ) 捕获中断子程序流程 图3 7d s p 2 程序流程图 3 3 数据处理 数据处理模块的主要任务是，从d s p 数据采集卡取得原始采样数据后，按照电 能质量国家标准对数据进行各项分析、统计，并将分析统计结果形成文件存储至本 3 0 华北电力大学硕士学位论文 机电子硬盘，以备上级系统调用。为保证整个系统的实时性和稳定性，选用了工控 机作为整个监测终端的核心。另外，采用工控机后可以直接利用高级语言进行编程， 使得开发难度相对降低，开发周期相对变短。 工控机主板选用s b c - 4 5 6 e ，其主要特性包括：c p u 为a m d4 8 6 d x 5 1 3 3 ，一个内 置l o l o o m b p s 以太网控制器，4 个r s 2 3 2 接口，一个l c d 控制器，以及i d e 电子硬盘接 口等其他常用的硬件资源。 数据处理程序的系统平台为w i n d o w s9 8 系统，编程语言选用v i s u a lb a s i c ， 其程序流程如图3 8 所示。 图3 8 工控机主程序流程 3 1 华北电力大学硕士学位论文 图3 8 中，“数据计算分析”包括谐波分析，功率、功率因数、电压偏差、频 率偏差及三相不平衡计算，相关算法如第二章所述。“越限判断”是将分析结果与 设定的越限报警( 跳闸) 限值进行比较，若测量结果超出限值，则一方面通知d s p 进行相应的控制操作，另一方面记录此行为生成越限记录文件，以备电能质量数据 管理系统查询。“服务器通信”是指如果电能质量数据管理系统请求了本监测点的 数据，则根据请求指令执行相应的操作，如更改本机设置，上传数据分析结果、波 形文件、越限记录等。“历史纪录保存”则是根据系统设计要求，将数据分析结果 和波形数据以文本文件的形式每5 分钟进行一次保存，以备电能质量数据管理系统 调用本机统计分析生成的各种趋势曲线。 3 4 数据通信 本设计中多个c p u 并行工作，它们之间的准确无误的通信是整个系统有效运作 的关键，下面分两部分分别予以介绍。 ( 1 ) 工控机与d s p 数据采集卡的通信 目前与d s p 数据采集卡的通信采用r s 2 3 2 串口通信，充分利用了d s p 芯片串行 通信接口模块s c i ，编程简单，只需根据需要配置相应的控制寄存器，设定好波特 率，即可满足数据的实时传输需求。剐。在该部分的软件实现上，两块d s p 芯片的程 序流程相同，都是利用s c i 接收中断及时接收工控机发送的各类指令，如读键盘、 越限报警、读采样数据等，然后在d s p 程序主循环中处理相应的指令，利用s c i 发 送数据至工控