低压配电网三相不平衡监测系统的设计与实现

低压配电网三相不平衡监测系统的设计与实现摘要：当前我国低压配电网大都采用三相四线制的接线方式为用户供电，但由于用电负荷在各相的不均衡分配，我国低压配电网长期存在着三相不平衡等问题。再加上我国对电能质量的研究较国外起步的晚，处理电网故障问题的技术水平还不够先进。如果配电网突然发生严重的三相不平衡事故，将对输电线路、电力系统器件和电力用户产生极大的危害。因此现阶段非常有必要设计出相应的三相不平衡监测系统，及时地向供电部门提供电能质量的波动情况，才能够准确快速的制定合理的治理方案。本文基于DSP完成了三相不平衡监测系统的设计，使用混合基FFT算法提取基波分量，计算标准严格按照三相不平衡度的国家标准进行分析计算，然后进行了监测系统的仿真与调试。最后表明，系统可以准确地对三相不平衡的情况进行监测。关键词：低压配电网；DSP；混合基FFT；三相不平衡中图分类号：TM933文献标识码：A0引言电能在全球范围内已经成为了应用最为广泛的清洁能源，伴随着我国科学技术与经济水平的不断提高，各类精密仪器的不断涌现，全社会对电能质量的要求也逐步提高[1]。在电能质量方面，电能质量的主要指标是电压、频率和波形。电能质量问题可以理解为电压、频率和波形超出规定允许的幅度范围而导致电力系统的运行出现问题。主要包括电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、三相不平衡、波形差等[2]。三相不平衡既然是衡量电能质量的重要标准，那么对三相不平衡监测系统的研究就具有非常重要的现实意义。三相不平衡主要定义为电力系统在运行中三相电压或三相电流的幅值超出了标准幅度规定的限度。接入电网的三相负荷的差异、三相负载不均匀分布、以及接入的单相负荷的功率远超其他两相而导致的功率不均衡分配是三相不平衡产生的主要原因。接入城市电网和农村电网中的三相负荷存在巨大差异，造成现今的由三相不平衡现象时有发生而且带来的损失不可估量。三相不平衡监测装置可以及时地监测电网中三相不平衡度的波动情况，一旦监测到的结果超出了国家标准，相关部门可以采取合理的治理措施。三相不平衡装置的使用方法是将其安装在电网中各个公共连接点和负荷波动较大的点进行长时间、不间断监测，同步采集电压和电流信号，经过对称分量法等基础算法，计算出电压基波幅值，电流基波幅值等电气量，再由国家标准规定计算得出三相电压和三相电流不平衡度等电气量，再通过合理的通讯方式将这些数据传送至相关部门[3]。由监测所反应的数据可经过相关部门的推算找到故障发生的关键点，及时地找到治理方法，也可以为供电部门的调度工作提供合理建议。三相不平衡监测系统在电网治理中的地位越来越重要，因此需要加大对监测系统的研究力度，本文研究具有非常重要的现实意义。1三相不平衡监测系统硬件电路的设计1.1监测系统设计的总体框架三相不平衡监测系统设计的核心为硬件电路的设计，只有在硬件电路设计的准确无误的情况下，才能进一步完成对监测系统软件部分的设计。低压配电网三相不平衡监测系统的硬件设计如下：三相电压采集电路、三相电流采集电路、数据处理模块的设计以及显示模块的设计。低压配电网三相不平衡监测系统的核心是对三相电压和三相电流的不平衡分析。但是在交流电中，三相电压和三相电流信号均无法通过直接测量得到。因此，我们必须首先在低压配电网系统中采集电压和电流信号，然后将其处理为可以由DSP采集的信号。然后经过模数转换在中央处理器中进行混合基FFT算法计算，提取出有效的基波分量，再利用对称分量法得出正序分量与负序分量，利用我国规定的三相不平衡度的标准算法算出三相电压和三相电流的不平衡度[4]。最后将结果在显示模块上显示出来以为相关部门及时掌握配电网低压台区三相不平衡的情况。1.2信号采集模块的设计低压配电网中常采用三相四线制，也就是电压分为A、B、C、N四个信号。下图为A相电压采集电路：图1A相电压采集原理图A相电流采集电路如图：图2A相电流采集原理图1.3数据处理模块的设计本设计中数据处理模块DSP芯片采用的是TMS320F28335，它具有高速计算能力、低功耗、高性能、高速度、强大的外部通信接口、便捷的A/D转换、错误率低、高效等优点[5]。TMS320F28335最小系统电路包括供电电路（3.3V、1.8V）、晶振电路、复位电路和JTAG程序下载接口。电源电路采用的是线性稳压器AMS1117-1.8和AMS1117-3.3分别产生1.8V和3.3V电源。晶振采用30MHz无源晶振，DSP内部经过锁相环电路产生150MHz的时钟信号给整个系统使用[6]。复位使用的上拉加按键，按键按下之后产生低电平信号可以给DSP复位。1.4电源模块的设计在监测系统中，如果没有电源电路向DSP能供电源的话DSP及其外设电路是无法正常工作运行的，稳定精确的电源是整个监测系统工作的前提。因此，需要对电源模块进行设计，并且不同模块电路使用的电源电路是不同的，要根据情况适当选择。在本系统中DSP及其外围芯片使用3.3V电源，运算放大器使用±12V电源，部分芯片使用5V电源。其中5V电源电路、±12V电源电路、3.3V电源电路分别如图所示：图35V电源电路图图4±12V电源电路图图53.3V电源电路图2三相不平衡监测系统软件部分的设计2.1混合基FFT算法在DSP中的实现在混合基FFT运算程序里分为三个大循环，首先输入x(n)，第一个循环是将x(n)改写成x(n1，n0)，即x(n)=x(r2n1+n0)=x(n1，n0)；第二个循环是把N个X1（k0，n0）乘以相应的旋转因子；第三个循环是做r2个r1点和做r1个r2点的DFT运算，三个循环是嵌套在一起的，因此可以快速的进行计算[7]。程序具体如下：图6混合基FFT运算程序2.2混合基FFT算法在MATLAB中的实现在MATLAB中，我们设计的程序如下图所示：图7MATLAB仿真程序图8MATLAB仿真图上图是对三相电压信号采集的仿真结果，其中，ABC三相分别是黄绿红三色表示。图9MATLAB仿真图上图是A相的FFT运算结果，三个图分别是幅值、实部、虚部的分析结果。3结论随着经济社会的快速发展和科学技术的不断提高，电能在人类社会中所起的作用越来越突出，电能现今已经成为推动整个社会发展的主要动力，社会各个领域对电能质量的要求也越来越严格。三相不平衡成为了检验电能质量是否达标的一个重要因素。低压配电网三相不平衡监测系统能够有效的帮助相关部门监测电网的实时波动情况，掌握三相不平衡度，电力相关部门会根据监测到的结果做出快速准确的措施来减小三相不平衡现象带来的危害，提高电能质量，保证电力系统的安全可靠的运行。三相不平衡监测系统具有远大的发展前景，并能够不断缩小与国外技术差异，本文具有非常重要的现实意义。参考文献[1]同向前，王海燕，尹军等．基于负荷功率的三相不平衡度的计算方法[J]．电力系统及其自动化学报，2011，23(2)：24-30．[2]王代弟．配电网三相不平衡问题的分析与研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2008．[3] 傅军栋，喻勇，黄来福．不平衡负载的一种更加经济的补偿方法[J]．电力系统保护与控制，2015，43(2)：126-132．[4] 李国锋．多功能三相电能质量监测仪的研究与设计[D]．湖南大学，2016．[5] PengFangzheng,LiuYang,YangShuitao，etal．Transformer-lessunifiedpower-flowcontrollerusingthecascademultilevelinverter[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2016,31(8):5461-5472．[6]于舰．基于DSP的四足液压机器人伺服驱动器的设计与研究[D]．哈尔滨理工大学，2014．[7]王志伟．低压配电网三相不平衡监测装置的设计与实现[D]．太原理工大学，2015．DesignandResearchofThree-phaseUnbalancedMonitoringSystemforLow-voltageDistributionNetworkLeiTengHui，Zhoujun(SchoolofElectricalEngineering,NortheastElectricPowerUniversity,Jilin132012,JilinProvince,China)Abstract：Thecurrentlowvoltagedistributionnetworkmostlyadoptstheconnectionmodeofthreephasefourwiresystempowersupplyfortheusersinourcountry,butbecauseofthepowerloadintheunbalanceddistributionofeachphase,theproblemofthree-phaseunbalanceandotherissuesalwaysexists.Inaddition,China'sresearchonpowerqualitystartedlaterthanforeigncountries,andthetechnicallevelofdealingwithpowergridfaultsisnotadvancedenough.Ifseriousthree-phaseunbalancedaccidentoccurssuddenlyindistributionnetwork,itwillbringgreatharmtotransmissionlines,powersystemdevicesandpowerusers.Soatthisstageisverynecessarytodesignacorrespondingunbalancedthree-phasemonitoringsystem,powersupplydepartmentsinatimelymannertoprovidepowerqualityfluctuation,andcanaccuratequicklytomakeareasonablemanagementplantosolvetheproblems.Inthispaper,thedesignofthethree-phaseunbalancedmonitoringsystemiscompletedbasedonDSP.ThemixedFFTalgorithmisusedtoextractthefundamentalwavecomponents.Thenthemonitoringsystemissimulatedanddebugged.Finally,itisshownthatthesystemcanmonitorthethree-