崔 峻，吳 毅，趙三虎

1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州 225000

2.鹽城供電公司，江蘇鹽城 224000

新型電力諧波監(jiān)測裝置的研制

崔 峻1，吳 毅2，趙三虎1

1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州 225000

2.鹽城供電公司，江蘇鹽城 224000

隨著社會(huì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)諧波的問題日益嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備造成嚴(yán)重危害。由于電能質(zhì)量要求的提高，相應(yīng)的諧波監(jiān)測的重要性也顯得尤為突出。所以，研制一種集測量分析和通訊于一體的新型電力諧波監(jiān)測系統(tǒng)，具有極高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。本文研究了國內(nèi)外電力諧波監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，在總結(jié)其發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際的要求，提出了監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。開發(fā)一種具有可編程、自動(dòng)化測量、智能分析、數(shù)字通訊等功能為一體的諧波監(jiān)測裝置。它使測量過程及數(shù)據(jù)分析處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少人為失誤。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測配電網(wǎng)系統(tǒng)中的三相電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、諧波、諧波畸變率(THD)等基本電量參數(shù)，并能通過單片機(jī)實(shí)時(shí)分析出各次諧波功率、電能和判定諧波源，監(jiān)測配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

電網(wǎng)諧波；監(jiān)測；單片機(jī)

1 課題研究背景及意義

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，大型的發(fā)電廠往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，發(fā)電廠發(fā)出的電能、一般要通過高壓或超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)送到負(fù)荷中心，然后在負(fù)荷中心由電壓等級(jí)較低的網(wǎng)絡(luò)把電能分配到不同電壓等級(jí)的用戶。這種在電力網(wǎng)中主要起分配電能作用的網(wǎng)絡(luò)就稱為配電網(wǎng)絡(luò)。

配電網(wǎng)相對(duì)于輸電網(wǎng)來說，其電壓等級(jí)低，供電范圍小，但與用戶直接相連．是供電部門對(duì)用戶服務(wù)的窗口，因而決定了配電網(wǎng)運(yùn)行有如下特點(diǎn)和基本要求。

1 ）隨著鐵路電氣化和用戶電子設(shè)備的大量使用，配電網(wǎng)運(yùn)行中有大量的諧波源、相電壓不平衡、電壓閃變污染等，因而要求準(zhǔn)確測量與計(jì)算配電網(wǎng)中的諧波分布，采取效措施抑制配電網(wǎng)運(yùn)行中的諧波危害；

2 ）隨著用戶對(duì)供電可靠性和電壓質(zhì)量指標(biāo)要求的提高，仍靠人工操作已無法適應(yīng)．要求現(xiàn)代配電網(wǎng)運(yùn)行不斷提高自動(dòng)化、智能化水平；

3 ）由于“電能”作為商品將進(jìn)入市場競爭，要求各電力公司能降低配電網(wǎng)運(yùn)行的線損和年運(yùn)行費(fèi)用，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，從而降低配電成本，同時(shí)．積極協(xié)助用戶優(yōu)化用電計(jì)劃、節(jié)約用電。推行戰(zhàn)略節(jié)電和戰(zhàn)略負(fù)荷開拓等積極措施，進(jìn)一步提高對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量。

2 本文的研究目的和意義

電力系統(tǒng)波形畸變并不是一個(gè)新的問題，國內(nèi)外己經(jīng)研制成功的各種諧波測量分析使用的儀器性能和測試目的大致分為三類:一是用于諧波日常監(jiān)測工作的監(jiān)測儀或報(bào)警儀，該類儀器測試功能簡單，但是精度不高；二是專門測試諧波用的高性能諧波分析儀和頻譜分析儀；三是用于諧波和其他電能質(zhì)量綜合測量的分析儀。上述諧波監(jiān)測儀器分析原理大多基于快速傅立葉變換，工作過程大致為：被測信號(hào)經(jīng)采樣/保持、AD轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)傅立葉計(jì)算輸出結(jié)果。但同時(shí)，現(xiàn)有的諧波監(jiān)測產(chǎn)品也存在以下問題：

1 ）處理功能相對(duì)較弱，可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間比較小，運(yùn)算速度較慢，難以運(yùn)用精確嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，不能完全滿足電力系統(tǒng)諧波監(jiān)測實(shí)時(shí)性的要求；

2 ）功能較單一，或是僅僅有采集、分析數(shù)據(jù)，不具備遠(yuǎn)程通訊功能；或是具備采集、傳輸數(shù)據(jù)，但自身無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析能力。而當(dāng)今對(duì)諧波監(jiān)測要求趨勢是多樣化，多功能方向發(fā)展，因此，對(duì)具有集采集、分析、處理、遠(yuǎn)程傳輸功能于一體的這樣的監(jiān)測系統(tǒng)的需求就顯得尤為必要；

3 ）對(duì)于器件的選型，不能完全做到性能和價(jià)格上的最優(yōu)，雖然有的產(chǎn)品直接引進(jìn)了國外的技術(shù)模塊，功能強(qiáng)，可是價(jià)格較高，可維護(hù)性不強(qiáng)，且不完全適合我國市場。此類產(chǎn)品如果保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和及時(shí)性，則價(jià)格將會(huì)十分昂貴；但同樣的，低廉的產(chǎn)品也是以犧牲了產(chǎn)品性能為代價(jià)的；

4 ）有的產(chǎn)品無通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的發(fā)展方向。

3 本文所做的工作

基于工程實(shí)踐，故主要側(cè)重點(diǎn)在系統(tǒng)的各部分功能實(shí)現(xiàn)上，將從監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法等角度進(jìn)行研究，并且以數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測為重點(diǎn)。主要完成下面的工作:

1 ）對(duì)近幾年國內(nèi)外相關(guān)研究工作和科研文獻(xiàn)進(jìn)行了大量的查閱，總結(jié)已有的諧波監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并指出存在的不足；

2 ）設(shè)計(jì)了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件部分，硬件部分包括信號(hào)采集、信號(hào)計(jì)量、信號(hào)分析、通訊等功能單元。軟件實(shí)現(xiàn)功能包括電壓、電流、相序、頻率、功率等的計(jì)量，數(shù)據(jù)通訊，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)諧波的各次分析和諧波功率，電能的計(jì)算。并針對(duì)現(xiàn)場環(huán)境中的干擾，提出了軟硬件抗干擾措施，使系統(tǒng)更好的滿足實(shí)時(shí)信號(hào)準(zhǔn)確處理的要求。

3.1 諧波監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分安裝在配電變壓器現(xiàn)場，主要用于采集低壓配電線路的各種信息；數(shù)據(jù)分析電路包括計(jì)量芯片和單片機(jī)，電能計(jì)量芯片ATT7022B可直接測量：電壓、電流的有效值、功率因數(shù)等參數(shù)，C8051F020則實(shí)現(xiàn)諧波分析和諧波電能計(jì)量功能；數(shù)據(jù)通訊部分將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原則圍繞其功能進(jìn)行，同時(shí)要求遵循以下準(zhǔn)則：

1 ）合理增強(qiáng)軟件功能

系統(tǒng)的軟硬件功能分配要根據(jù)系統(tǒng)的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、減少所需的存儲(chǔ)量，有利于監(jiān)測和控制的實(shí)時(shí)性。相反，提高軟件功能的比例可以降低硬件的造價(jià)，提高靈活性和適應(yīng)性，但相應(yīng)速度要下降，軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用和所需的存儲(chǔ)器容量要增加。劃分的原則是在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及可靠性的前提下，系統(tǒng)功能盡可能用軟件來實(shí)現(xiàn)。

2 ）簡化設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選用集成電路，這樣有利于提高系統(tǒng)的集成度，減少元器件之間的連線、接點(diǎn)和封裝數(shù)目，從而大大提高系統(tǒng)工作的可靠性。

3 ）模塊化設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)根據(jù)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能劃分為若干功能模塊，盡可能選用模塊化結(jié)構(gòu)的典型電路。

4 ）防干擾設(shè)計(jì)

測控單元工作現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須具體分析可能的干擾來源，并采取相應(yīng)的硬件抗干擾措施來抑制干擾，以增強(qiáng)自身工作的穩(wěn)定性。

3.2 諧波監(jiān)測系統(tǒng)的性能指標(biāo)

本系統(tǒng)對(duì)三相交流電壓、電流能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場電壓電流數(shù)據(jù)的同步采樣，并能通過FFT數(shù)字信號(hào)處理分析得到基波和諧波的各參數(shù)值，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通訊。本系統(tǒng)主要性能指標(biāo)為：

1 ）同步采集電網(wǎng)三相電壓、電流信號(hào)；

2 ）6 路被測電網(wǎng)信號(hào)基本電力參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)量，包括：電流有效值、電壓有效值、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、電壓相位、電流相位；

3 ）6 路被測電網(wǎng)信號(hào)參數(shù)的實(shí)時(shí)分析，基波和各次諧波分量的分解，采用FFT變換完成包括：各次諧波幅值和相位的判定、第n（n=3,5,7,11,……21）次諧波電壓（或電流）含有量和含有率測量、諧波功率方向的判定；

4 ）6 路被測電網(wǎng)信號(hào)能量計(jì)算，包括：基波電能計(jì)算、諧波總電能計(jì)算、各次諧波電能計(jì)算；

5 ）具備遠(yuǎn)程通訊功能，通過單片機(jī)C8051F020與RS232串口的連接與控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)GPRS通訊。

3.3 諧波監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

從TV/TA（電壓互感器/電流互感器）上采集的六路電網(wǎng)信號(hào)經(jīng)電壓傳感器和磁平衡電流傳感器轉(zhuǎn)換為低電壓、小電流信號(hào)，該傳感器具有精度高、線性度好、響應(yīng)快及過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以最小失真轉(zhuǎn)換原始信號(hào)。數(shù)據(jù)采集及前置單元：對(duì)傳感器變送來的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要是針對(duì)不同電壓等級(jí)的芯片進(jìn)行放大。信號(hào)分別送入C8051020和計(jì)量芯片ATT7022B進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)量芯片的功能主要測量的是信號(hào)的電壓、電流和諧波功率等數(shù)值，C8051020則是用于諧波分析，包括諧波的次數(shù)，諧波電壓含量，諧波電壓的總諧波畸變率。且單片機(jī)也負(fù)責(zé)對(duì)GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚩刂?。?dāng)計(jì)量芯片和單片機(jī)之間的通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后，再通過RS-232串口連接到GPRS無線模塊，將數(shù)據(jù)打包，通過GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)后，送達(dá)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

4 結(jié)論

隨著社會(huì)的不斷的發(fā)展，各種不同的用電負(fù)荷越來越多的接入電網(wǎng)中運(yùn)行，其中不乏大量的非線性負(fù)荷設(shè)備，因?yàn)樗鼈兊拇嬖?，諧波的危害也日益成為人們關(guān)注的問題。本文首先闡述了諧波的測量和分析對(duì)于電網(wǎng)質(zhì)量分析的意義，在介紹了國內(nèi)外電力諧波監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀后，指出了現(xiàn)今諧波監(jiān)測所采用的部分技術(shù)及其各自的優(yōu)劣點(diǎn)，綜合考慮后選用了一種集AD轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、SPI通訊接口等為一體的新型單片機(jī)C8051F020和多計(jì)量功能計(jì)量芯片ATT7022B設(shè)計(jì)了一種集諧波測量、分析和遠(yuǎn)程通訊為一體的多功能諧波監(jiān)測系統(tǒng)。通過研究工作，主要取得了如下的成果：

1 ）參與總體方案的設(shè)計(jì)、制定。工作包括從整個(gè)系統(tǒng)的器件選型到硬件、軟件的設(shè)計(jì)、開發(fā)；

2 ）系統(tǒng)用高精度、高集成、擴(kuò)展性強(qiáng)的器件設(shè)計(jì)了信號(hào)采集、分析和通訊等硬件電路，并加入了抗干擾措施。硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)，精度高，擴(kuò)展性強(qiáng)；

3 ）設(shè)計(jì)了信號(hào)采集、分析和通訊等單元的軟件功能實(shí)現(xiàn)。能實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波達(dá)21次的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測分析。同時(shí)，整個(gè)編程過程采用了模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，使得軟件的使用和調(diào)試方便快捷，便于今后功能的擴(kuò)展；

4 ）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了低電壓（3.3V）的設(shè)計(jì)方案，絕大部分功能模塊采用了低電壓、低功耗的芯片，降低了系統(tǒng)的功耗，以滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求；

5 ）使用C和匯編語言對(duì)AD采樣、FFT計(jì)算、SPI通訊、GPRS通訊等模塊進(jìn)行了程序編寫，為今后的開發(fā)工作提供了良好的基礎(chǔ)。

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