肖雄，劉治

(廣東工業(yè)大學，廣東 廣州 510006)

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基于負荷管理終端的電能質(zhì)量監(jiān)測研究與分析

肖雄，劉治

(廣東工業(yè)大學，廣東 廣州 510006)

摘要：隨著國民經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求不斷提高，而供電線路中非線性負荷及沖擊性負荷的增加使電能質(zhì)量明顯下降，大范圍地污染供電環(huán)境，并危及電網(wǎng)及其供電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。隨著計量自動化系統(tǒng)的發(fā)展，負荷管理終端得到了廣泛應(yīng)用，為電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測提供可靠平臺。為此，研究負荷管理終端電能質(zhì)量的電壓、諧波、三相不平衡及通信功能監(jiān)測的原理和方法?；诮K端實現(xiàn)對電能質(zhì)量監(jiān)測功能，為電網(wǎng)的安全運行提供大量可靠的指標數(shù)據(jù)，以保障各級電力用戶的正常用電秩序和監(jiān)督管理，減少電網(wǎng)重復(fù)投入。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；負荷管理終端；諧波；三相不平衡

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)及電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展，對供電質(zhì)量的要求越來越高。電能質(zhì)量不僅關(guān)系到電網(wǎng)企業(yè)的安全經(jīng)濟運行，也影響到用戶的安全運行和產(chǎn)品質(zhì)量。由于電網(wǎng)中大量電力電子設(shè)備和非線性負荷的存在，使得系統(tǒng)中電能質(zhì)量問題日益突出[1]，為了保證供用電的安全及降低線損，必須對電網(wǎng)運行情況進行有效的監(jiān)控，以提高供電質(zhì)量。電能質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測和分析是治理干擾源負荷和改善電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的前提條件。由于安裝電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)(電壓監(jiān)測儀及諧波監(jiān)測設(shè)備等)進行供電質(zhì)量的監(jiān)控，需向電網(wǎng)中投入大量的設(shè)備，電網(wǎng)運行成本大大提高，且難以進行同一供電系統(tǒng)不同地點相關(guān)電能的同步測量及數(shù)據(jù)的傳輸和集中分析和評估。而現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模越來越大，監(jiān)測點不再局限于某一點，而是要實現(xiàn)同一供電系統(tǒng)、不同地點的電能質(zhì)量監(jiān)測，甚至實現(xiàn)多個不同供電系統(tǒng)的集中監(jiān)測[2]，因此對電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的要求越來越高。負荷管理終端主要用于現(xiàn)場客戶服務(wù)與管理，目前主要具備電能計量、遠程抄表、事件記錄與主動上報、負荷控制以及電能質(zhì)量監(jiān)測等功能。負荷管理終端的電能質(zhì)量監(jiān)測功能既能全面掌握用戶信息和電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，又能減少電網(wǎng)成本的投入，且能實現(xiàn)多個不同供電系統(tǒng)的集中監(jiān)測，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本文對負荷管理終端的電能質(zhì)量監(jiān)測、三相不平衡和通信功能進行研究分析，并介紹電能質(zhì)量參數(shù)及計算方法，使電能質(zhì)量監(jiān)測朝著網(wǎng)絡(luò)化、信息化和標準化的方向發(fā)展[3]。

1電能質(zhì)量監(jiān)測功能的原理

負荷管理終端通過自身計量或采集電表數(shù)據(jù)來實現(xiàn)用戶遙測信息和電能量數(shù)據(jù)的遠程采集[4-5]。負荷管理終端系統(tǒng)主要由中央處理單元(central processing unit，CPU)主板、計量模塊、通信模塊、電源模塊、故障檢測等組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。同時使用通用無線服務(wù)(general packet radio service，GPRS)技術(shù)來保證采用數(shù)據(jù)的同步性和準確性[5]。

SDRAM—同步動態(tài)隨機存儲器，synchronous dynamic random access memory的縮寫；UART—通用異步收發(fā)傳輸器，universal asynchronous receive/transmitter的縮寫；CT—電流互感器，current transformer的縮寫。圖1　終端硬件原理

電能質(zhì)量監(jiān)測的工作原理是通過電流采樣電路、電壓采樣電路進行實時采樣，對采樣數(shù)據(jù)進行模擬/數(shù)字(analog/digital，A/D)轉(zhuǎn)換給CPU，向CPU提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，CPU依據(jù)相應(yīng)的費率和需量等要求對數(shù)據(jù)進行處理和計算，從而得到電壓監(jiān)測和諧波監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至主站系統(tǒng)。電流信號經(jīng)過電流互感器隔離后轉(zhuǎn)換為毫安級小電流，再經(jīng)過濾波后由高精度電阻變換為電壓信號傳送給計量芯片，計量芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。電壓信號通過電阻限流后轉(zhuǎn)換為小電流，經(jīng)過電流互感器隔離后通過采樣電阻變換為電壓信號傳送給計量芯片。

計量模塊是計量終端的重要組成部分，終端的計量模塊部分可選擇A/D轉(zhuǎn)換器或?qū)ｉT的計量芯片。本文所介紹芯片為TERIDIAN公司三相多功能電能芯片71M6513，它是一種帶有微處理器(microprocessor unit,MPU)內(nèi)核、實時時鐘(real-time clock,RTC)、閃存以及液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)驅(qū)動器的高度集成的模擬前端電能計量芯片，能夠為四象限三相計量提供測量值。該芯片采用一次變換技術(shù)以及一個21位的A/D轉(zhuǎn)換器和一個6路模擬輸入器、一個經(jīng)溫度補償?shù)木芑鶞孰妷涸匆约耙粋€32位計算引擎。計量芯片可直接輸出電壓、電流、功率、電能量等數(shù)據(jù)，可根據(jù)采樣得到的數(shù)字信號進行相關(guān)計算，完成整個A/D轉(zhuǎn)換，從而精確獲得各種電能數(shù)據(jù)。

2電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)

針對我國目前有關(guān)電能質(zhì)量的國家標準，電能質(zhì)量監(jiān)測除了監(jiān)測基本的電壓、電流、頻率、功率外，還包括諧波、三相不平衡、閃變以及暫態(tài)事件等；負荷終端具備遠程傳輸通道(GPRS/碼分多址(code division multiple access，CDMA))，除了可遠程獲取電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)外，還可獲取最大值、最小值、平均值以及95%概率值等各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，是電力系統(tǒng)中最全面的運行數(shù)據(jù)之一。由于信息具有獨特性，對分析系統(tǒng)擾動等相關(guān)問題至關(guān)重要。

2.1電壓監(jiān)測

電壓監(jiān)測主要是計量自動化終端對測量點的電壓質(zhì)量進行監(jiān)測統(tǒng)計，按照DL/T 500—2009規(guī)定，電壓監(jiān)測應(yīng)具備監(jiān)測電壓偏差、統(tǒng)計電壓合格率和電壓越限的功能。對被監(jiān)測電壓采用有效值采樣，其采樣周期每秒至少1次，并作為預(yù)處理值存儲。以1 min作為供電電壓偏差的統(tǒng)計單元，取其平均值作為代表被監(jiān)測系統(tǒng)的實際運行電壓。終端電壓監(jiān)測通常具有按月和日統(tǒng)計的功能，可實現(xiàn)對電壓監(jiān)測總時間、電壓越限率及相應(yīng)累計時間、電壓合格率及合格累計時間等數(shù)據(jù)的采集和處理。監(jiān)測點的電壓合格率

式中：t1為電壓越上限時間，s；t2為電壓越下限時間，s；t為電壓監(jiān)測總時間，s。電壓越上限判斷為電壓大于1.3Un，電壓越下限判斷為電壓小于0.78Un，Un為額定電壓。負荷管理終端的處理器讀取計量芯片中的交流采樣值，通過邏輯判斷及數(shù)學運算，判斷是否超限值。電壓監(jiān)測流程如圖2所示。

圖2　電壓監(jiān)測流程

2.2諧波監(jiān)測

隨著各類沖擊性、非線性電力負載日益增加，電網(wǎng)電壓和電流諧波不斷增加。在供電系統(tǒng)受到諧波污染時，其計量準確性將受到影響，威脅電網(wǎng)電能質(zhì)量以及用戶設(shè)備的安全運行。

目前，國內(nèi)外常用的電能質(zhì)量檢測諧波計算方法較多，主要包括傅立葉變換法、小波變換法、S變換法、Hibert-Huang變換法(HHT)和Adaline等[6]?？焖俑盗⑷~變換(fast Fourier transformation，F(xiàn)FT)常用于分析諧波等穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題，穩(wěn)定性好，具有良好的動態(tài)特點，因而得到普遍的應(yīng)用。FFT算法可以在不增加任何硬件濾波電路的情況下，把基波和諧波分離開來，分別計算出各次諧波的各種參數(shù)值，并能有效縮短計算時間。本文將在FFT算法的基礎(chǔ)上對基2-FFT算法進行優(yōu)化研究[7-10]，以提高終端的諧波能力。

2.2.1基2-FFT算法原理

在基2-FFT算法中，先將2N(N表示每個周期采樣點數(shù))點的實數(shù)數(shù)據(jù)打包成N點的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，并完成復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的位反轉(zhuǎn)操作。利用蝶形因子的周期性、對稱性和可約性，把一個N點的離散傅立葉變換(discrete Fourier transformer,DFT)分為2個N/2項的子序列，然后是4個N/4項的子序列，繼而是8個N/2項的子序列，直到N/2個這樣的2個N/2點子序列。這樣變換以后，可將FFT的計算速度提高一倍，并且降低了計算累計誤差。

在電力系統(tǒng)實際信號中，常含有衰減的直流分量。實際的信號可以表示為周期分量和非周期分量之和，即

式中：X1(t)為周期分量；X2(t)=Ae-(t/τ)為非周期分量，其中A為衰減直流分量的幅值；e為指數(shù)函數(shù)，t為同期時間，τ為衰減直流分量的時間常數(shù)。

在一個工頻周期T時間內(nèi)進行N點采樣，對于周期分量，在一個周期內(nèi)采樣值之和為0，則

由中值定理計算方法，可消去衰減的非周期分量并計算出A和τ，然后可計算出X2(t)。這樣便得到消除了非周期分量影響的采樣值X1(t)=X(t)-Ae-(t/τ)；然后再對X1(t)進行FFT，從而得到相應(yīng)的諧波幅值和相位。

2.2.2諧波監(jiān)測的設(shè)計與實現(xiàn)

諧波分析一直是信號處理的基本方法之一，主要工具是FFT。傅立葉算法通常對信號數(shù)據(jù)的處理有同步采樣和準同步采樣兩種方法。同步采樣分為兩種方法，硬件鎖相環(huán)技術(shù)和軟件同步法。本文介紹硬件鎖相環(huán)設(shè)計方法。

負荷管理終端中微處理器控制單元根據(jù)鎖相環(huán)輸出周期有效信號，通過計量芯片A/D轉(zhuǎn)換對電壓、電流等數(shù)據(jù)進行采樣，取得樣本后，采用基2-FFT 算法對樣本進行計算，并進行濾波，得出各次諧波的幅值及相位等參數(shù)，獲取各次諧波含有率、諧波含有量等信息，并通過計算公式即可獲得電壓(電流)有效值、總諧波畸變率、2～21次諧波畸變率值。

設(shè)諧波為u(t)=sin(20 πt)，非周期量為u1(t)=e-10t，對此進行優(yōu)化算法的仿真實驗，兩種算法的仿真測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　FFT算法的信號時域和頻域波形

圖4　優(yōu)化FFT算法的信號時域和頻域波形

從所得的仿真圖可看出，優(yōu)化的FFT算法能夠更加準確地測量出信號的諧波。

3三相不平衡

三相不平衡是電能質(zhì)量的主要指標之一。系統(tǒng)處于三相負荷不平衡運行時，其電壓、電流中含有大量負序分量，會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，危及電網(wǎng)的安全運行和正常出力，同時也會增大對通信系統(tǒng)的干擾，影響正常通信質(zhì)量[11-13]。

國家標準GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》中給出了三相不平衡度的計算公式。通常用電流不平衡率來表示電流不平衡度的程度，即

式中：β為電流不平衡率；Ip、Ia分別為三相電流最大相電流值和三相電流平均值。電流不平衡度不能大于20%，判斷方法為：當β大于規(guī)定的限值時上報電流不平衡事件；當三相電流平均值大于額定電流的20%時才判斷電流不平衡事件。三相電流不平衡監(jiān)測流程如圖5所示。

Ib—額定電流。圖5　三相電流不平衡監(jiān)測流程

4通信功能

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道分為兩層，其中終端與電能表通過本地信道傳輸，主站和終端間通過遠程信道傳送信息，通信信道的質(zhì)量直接影響著電能質(zhì)量監(jiān)測功能的實現(xiàn)。在滿足約定的通信規(guī)約[14]條件下，系統(tǒng)通信信道可分為無線公網(wǎng)、微功率無線、電力線載波或串行總線等。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)具有永久在線、快速登錄、按量收費和自由切換等優(yōu)點，從而保證了終端模塊提高電能計量管理水平，實現(xiàn)電力負荷合理分配的同時減少了系統(tǒng)建設(shè)投資和運營費用。使用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也保證了采樣數(shù)據(jù)的同步性和準確性，目前在計量自動化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)場終端通過RS-485總線、低壓電力線載波采集多只多功能電能表電能量數(shù)據(jù)，其應(yīng)用層采用DL/T645協(xié)議。終端與主站間通過GPRS和CDMA公用無線通信網(wǎng)絡(luò)通信，采用傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)、點對點(Point to Point Protocol，PPP)協(xié)議，并按照上行通信規(guī)約將數(shù)據(jù)上傳至后臺服務(wù)器(前置機及主站數(shù)據(jù)采集中心)。通過計算機系統(tǒng)的大容量存儲器及高速數(shù)據(jù)處理器，進行數(shù)據(jù)處理、分析，全面掌握現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，監(jiān)控現(xiàn)場供電質(zhì)量，為提高供電可控性提供大量有效數(shù)據(jù)。圖6為電能表、負荷終端與主站通信示意圖。

圖6　計量自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

5結(jié)束語

電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)能為計量自動化系統(tǒng)事件和事故在線分析與電能質(zhì)量控制提供基本條件，是保證電力系統(tǒng)安全可靠和經(jīng)濟運行的技術(shù)支撐。本文討論了負荷管理終端的電能質(zhì)量監(jiān)測功能，給出了電壓監(jiān)測、諧波監(jiān)測、三相不平衡計算以及通信功能的實現(xiàn)過程?；谪摵晒芾斫K端實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測，獲取現(xiàn)場實時電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，為研究電能質(zhì)量、提高供電可靠性及優(yōu)化電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供有效的數(shù)據(jù)。相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的支撐，將減少電網(wǎng)公司的重復(fù)性投入以及降低設(shè)備的能耗和故障率，為電網(wǎng)運行節(jié)約了大量的成本。

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肖雄(1988)，男，湖南懷化人。在讀碩士研究生，主要研究方向為用電與電能計量自動化、自動控制科學與工程。

劉治(1977)，男，湖南長沙人。工學博士，主要研究方向為智能控制機器人系統(tǒng)與技術(shù)、電氣工程。

(編輯查黎)

Research and Analysis on Electric Energy Quality Monitoring Based on Load Management Terminal

XIAO Xiong, LIU Zhi

(Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

Abstract：With development of national economy and scientific technology, requirements on electric energy quality by customers are gradually increasing, while increases of nonlinear load and impact load in power supply lines cause electric energy quality decrease, pollute power supply environment extensively and damage safe and stable operation of the power grid and its power supply equipments. Development of metering automation system makes load management terminal widely be used, which provides reliable platform for monitoring on electric energy quality. Therefore, this paper studies voltage, harmonic and three-phase unbalance of electric energy quality of the load management terminal, and principle and method for monitoring on communication function. Realization of monitoring on electric energy quality based on terminal could provide great deal of reliable index data for safe operation of the power grid so as to ensure normal electricity order of electric power customers and supervision management as well as reduce repeat input of power grids.

Key words：electric energy quality; load management terminal; harmonic; three-phase unbalance

作者簡介：

中圖分類號：TM933

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0085-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.017

收稿日期：2015-11-30