电压暂降监测装置及其关键技术研究

摘要提出了专用型电压暂降监测装置的功能需求，以及基于STM32F4系列的ARM和FreeRTOS操作系统构建的软硬件方案；讨论了时长优先法、事件优先法、事件特征优先法3种暂降启动及记录策略的原理和流程，并对其各自优缺点进行了分析比较；讨论了电压暂降单相启动事件、多相启动事件、重复启动事件的数据文件记录内容和事件特征描述方法；还对发生电压短时中断与电压暂升时的启动识别和记录进行了探讨。0 引言电压暂降俗称“晃电”，属于暂态电能质量指标。近年来，电网公司接到的用户关于电压暂降引起的生产中断、设备损坏、产品减产或报废等投诉越来越多，引起了各界高度关注。根据美国和欧盟的电能质量项目统计，电压暂降已经成为造成用户经济损失最大的电能质量现象。一直以来，国内没有专门针对电压暂降这一指标进行独立监测的设备，而是利用电能质量在线监测装置，涵盖对电压暂降的测量，然而在实际使用中效果并不理想。一方面是由于设备在软件算法上存在诸多不完善或不符合标准的问题，另外方面由于设备安装复杂、造价高、通信量大等原因阻碍了电压暂降监测和管理工作的大面积推广。本文旨在提出专用型电压暂降监测装置的关键功能需求，对监测装置的整个软硬件架构设计，对监测过程中的事件识别和记录方法进行分析优化，并对发生电压暂降中的单相事件、多相事件、重复事件的文件涵盖数据和特征描述进行讨论。1 关键功能设计目前为止，国内外还没有相应的电压暂降监测装置相关标准，文献为唯一可以参考的标准。作为一个功能齐全的通用型监测设备，应该具备如下基本功能：1）事件触发及数据记录功能。装置应在电压信号满足电压暂降的启动门槛后，准确启动数据记录。数据文件不仅包括暂降持续的整个过程，还应包括发生前、后的数据。为便于文件交换和处理，数据文件格式采用通用的Comtrade格式。2）参数设置功能。装置应能对电压信号额定值、接线方式、电压暂降启动门槛、启动返回系数、启动判据投退、网络端口配置、文件存储等参数进行就地设置。3）实时显示功能。装置应能就地对运行状态、实时测量数据、历史记录信息、本地参数进行就地显示。4）事件统计功能。装置应能对记录的电压暂降事件按照一定的筛选规则（如发生时刻、残压水平、持续时间等）进行统计，并输出统计结果。5）报文输出。在发生电压暂降事件后，装置能迅速将事件简要报文输出，内容包括发生时刻、残压水平、持续时间、相别等。6）数据通信。装置能通过通信接口实现与外围计算机系统的数据交换，如RS485、网口、USB接口等。另外，考虑到现场施工安装的便捷性，装置的结构宜紧凑、灵活。2 硬件框架设计和软件平台选择2.1

硬件设计暂降监测中的计算量相对较大，因此在设备研制需要高性能的微处理器。STM32F4系列ARM是ST（意法半导体）公司推出的高性能微控制器，其采用90nm的非易失存储器（nonvolatilememory，NVM）工艺和自适应实时存储器加速器（AdaptiveReal-Time

MemoryAccelerator™，ART）。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortext-M4的性能发挥到了极致。STM32F4系列微控制器集成了单周期数字信号处理（digitalsignalprocessing，DSP）指令和浮点单元（floatingpointunit，FPU），提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。其内置1Mbyte的FLASH、192Kbyte的SRAM、12位A/D、I/O接口、以太网控制器、USB控制器。此款微处理器性价比非常高，十分适合电压暂降监测装置的实际需求。以此为核心，构建微处理系统见图1。

图1硬件原理框图

电压信号取自监测点二次侧TV回路或者220V直接接入，经隔离变换并滤波后输入A/D；正常考虑三相电压（每一相单独采集）输入即可。LCD可采用点阵式黑白液晶，可多行显示汉字和字符，满足正常的信息显示；如果要求显示波形数据，还可以采用点阵多的彩色显示器（本设计中未采用）。键盘采用简单的六键方式（上/下/左/右/确认/取消），能够满足暂降定值、系统参数、事件信息调看的基本要求。I/O用于开关量输入启动（可选启动方式的一种）和信号（事件启动告警、装置异常）接点输出。存储卡用于数据文件的记录。2.2

软件平台选择电压暂降监测装置实时性要求比较高，需在暂降发生后3～10ms触发波形记录、分析识别故障相别和计算暂降深度；除此之外还有人机界面和网络通信等功能需要实现。因此，必须为硬件平台配置嵌入式多任务操作系统（RTOS），以满足软件运行的可靠性和实时性。本方案RTOS采用源码开放的FreeRTOS。该RTOS操作系统作为一款轻量级的操作系统，功能包括：任务调度、时间管理、任务同步、信号量、消息通信、内存管理、记录功能、软件定时器等功能；整个软件支撑平台见图2。图2软件平台示意图3 暂降启动与记录3.1

时长优先法固定时长法流程见图3。检测到某相电压信号超出设定限值后，判断持续时间。当满足持续时间超过10ms，则立即开始记录该相首次启动特征参数（启动时刻残压、持续时间），记录完固定时间长度（如1min）的波形数据，即记为一次事件。图3固定时长法流程图本方法的计算量比较小，逻辑简单，易于实现。按照国家标准规定，如果在1min内连续发生多次事件（如重合闸过程），统计为一次完整事件，并把最严重的那次特征记为整个事件的标志。因此采用本方法，在记录期内本相别或其他相别连续发生暂降时，无法直接给出准确的特征信息，必须要事后根据波形分析。另外如果固定时长过长，可能造成数据文件过大，内含大量稳态信息，给通信传输造成不必要的压力；如果固定时长过短，又可能造成本应计为一次事件的数据分割为多个事件，给事件的统计造成严重的偏差。3.2

事件优先法事件优先法流程见图4。本方法在首次启动记录开始后，在整个记录过程中仍持续计算判别是否有新的启动事件。如没有，当本次事件结束后即完成本次记录（适当追加几个周波数据）；如有新的启动，则立即结束本次记录，重新启动新的事件记录。图4事件优先法流程框图本方法的记录时间根据每次事件的长短而调整，有效利用存储空间，启动逻辑同样比较简单，便于实现，但在1min内重复启动时，数据文件数量过多，而且同样会把本应计为一次事件的数据分割为多个事件，给事件的统计和评价造成严重的偏差。此方法还可能在两次事件间隔时间很短时，系统来不及处理而丢失数据记录，这对事件分析是致命的。3.3

事件特征优先法事件特征优先法流程见图5。同上述的事件优先法一样，本方法在首次启动记录开始后，在整个记录过程中仍持续计算判别是否有新的启动事件。如没有，当本次事件结束后即完成本次记录（适当追加几个周波数据）。当有新事件发生时，根据情况决定对事件特征是否进行修正。如所有事件均已返回，则本次数据记录结束（适当追加几个周波数据）。由于暂态电能质量事件的定义时长为1min，因此当本次数据记录时长超过1min时本次记录结束。图5事件特征综合法流程框图本方法消除了上述两种方法的弊病，紧扣电压暂降事件的特征定义，又不失记录的灵活性，更符合对暂态事件的后续评价和统计，是比较理想的识别和记录方法。4 数据文件与事件特征描述暂降监测装置的核心判据是各相相电压的均方根值是否超出规定的限值，均方根值采用全波算法。装置应对单相启动、多相启动以及重复启动时，把数据完整记录，并将事件的特征按照统一的规范进行描述。4.1

单相启动事件当单相发生暂降事件时，装置立即启动数据记录。数据文件除涵盖事件持续的整个过程，还包括事件发生前至少5个周波和结束后至少5个周波的数据，见图6（a）、图6（b）。图6（a）中示意以电压均方根有效值为描述对象，数据文件首尾各追加5个周波；图6（b）为Comtrade数据文件通过第三方软件打开后呈现的实际波形截图（下同）。图6事件特征为：启动时刻2016-09-2913:52:00:922，本次残压13.49%，持续时间476.4ms，特征相别B相。图6单相事件示意图4.2

多相启动事件当多相同时发生暂降事件时，装置把最先启动相开始一直到最后返回相结束的整个过程作为一次事件，见图7（a）、图7（b）。中事件特征为：启动时刻2017-10-1111:34:38:004，本次残压34.73%，持续时间1207.2ms，特征相别C。图7多相事件示意图4.3

重复启动事件当电力系统短时间内发生多次电压暂降（如发生永久性故障重合闸）时，以1min为时间窗口，将1min内所有事件的数据放在一个数据文件中，并在统计中记为一次事件，见图8（a）、图8（b）。事件特征为：启动时刻2016-10-1111:30:19:270，本次残压8.71%，持续时间97.2ms，特征相别C。图8

重复事件示意图5 电压短时中断与电压暂升的处理在本文设计的电压暂降监测装置中，不仅包括了电压暂降的监测，还包括了电压短时中断和电压暂升的监测。从标准定义上看，电压短时中断和电压暂降区别在于残压值。因此本文前述讨论的启动识别、数据记录和特征描述方法，同样适用与电压短时中断事件。电压暂升作为暂态电能质量现象，是当电压均方根值1.1～1.8p.u.，并在短暂持续10ms至1min后恢复正常的现象。本文设计的暂降监测装置中，把电压暂升的记录功能作为一个可选项供用户使用。单相、多相、连续暂升事件的逻辑和暂降的处理类似。由于电压暂升普遍被认为电压暂降恢复过程中的一个现象，因此当电压暂降与电压暂升事件同时发生时，可记为电压暂降事件。6 应用实例电压暂降影响最大的是末端用户或设备。电力用户的监测点宜放在公共连接点（pointofcommoncoupling，PCC）或敏感设备的供电入口侧；而电网公司组建监测网时，更倾向放在配电变压器低压母线侧。本文研制的装置在电网侧和用户侧均已得到了大规模的使用。图9为某供电公司规模化安装本装置后在特定时间段电压暂降的实际统计情况。