張 倩,張延遲,李鵬飛，宋悅琳

(上海電機學院電氣學院，上海 閔行 200240)

0 引言

國民經(jīng)濟的發(fā)展越來越離不開電網(wǎng)安全可靠穩(wěn)定地運行，電能質量的優(yōu)劣直接和經(jīng)濟效益掛鉤。但是，大功率、大電容、非線性和沖擊性負載等電子設備的使用，造成了巨大的電能污染，極大范圍地影響電能質量[1-2]。因此，對電能質量的監(jiān)測和分析研究是非常重要。

目前，我國電能質量檢測裝置根據(jù)具體功能和對象主要分為3類。第1類，文獻[3]介紹的手持式電能質量檢測設備，以檢測單相的信號為主，其設計特點是構造和功能都相對精簡，能完成特定的測量任務，卻不適應現(xiàn)在的市場；第2類，文獻[4-5]提到的便攜式電能質量檢測設備，功能較多，精度較高，但是不能進行連續(xù)的監(jiān)測，更適用于臨時的研究和評估性的檢測功能；第3類，文獻[6-7]介紹的集中式電能質量檢測設備，可以作為較大規(guī)模的電力系統(tǒng)同時多點測量，而且功能齊全，精度高，但是相對的價格也昂貴許多。在實際工程中用到的絕大多數(shù)的電能質量監(jiān)測裝置都或多或少存在一些問題：存儲空間小、功能單一、不具備網(wǎng)絡功能、成本高、不易大量安裝在現(xiàn)場進行多點多位檢測等。低成本和高性能成為了電能質量監(jiān)測裝置設計的主要方向[8-9]，因此，為了順應售電側改革的趨勢，狙擊售電需求側的用戶市場，發(fā)明一種新型分布式發(fā)電電能質量監(jiān)測裝置是十分必要的。

1 售電側改革的影響

目前，我國風力、光伏等新能源發(fā)電技術的大力發(fā)展，預估2018年底，全國發(fā)電裝機容量將達19.0億 kW，其中非化石能源發(fā)電7.6億 kW，占總裝機比重將上升至40%左右[10]，而分布式能源接入電網(wǎng)的滲透率愈高，電網(wǎng)結構也愈加復雜多變，電能質量問題愈發(fā)嚴重。

隨著售電側改革的推進，售電公司的數(shù)量及參與市場交易的形式也在不斷增加，分布式發(fā)電也可為一些用戶提供一種自立的選擇，使其更能適應易變的電力市場，而新型分布式發(fā)電電能質量在線監(jiān)測裝置的應用市場也可轉移至售電新市場用戶側，用于監(jiān)測用電端電能質量情況。但是，大量電力電子裝置的使用、種類繁多的分布式電源的接入、運行模式的變化、微電源的運行控制方法和微電源之間的相互作用[11]，都會帶來一些新的電能質量問題，如諧波頻率擴大、低電壓穿越、電壓暫降頻次提高等，因此，電能質量監(jiān)測裝置的關鍵就是在于準確而及時地監(jiān)測電網(wǎng)的異常。

2 電能檢測參數(shù)

2.1 電壓偏差計算

電壓偏差用某點的實際電壓有效值Ur與電網(wǎng)電壓標稱值(電網(wǎng)額定電壓有效值)U之差相對于電網(wǎng)電壓標稱值的百分數(shù)表示，即

(1)

2.2 電壓、電流有效值的計算

式中：Un表示電壓的各點采樣值；In表示電流的各點采樣值。

2.3 各諧波含有率及總畸變率的算法分析

采樣信號經(jīng)快速傅氏變換(fast fourier trans-formation，F(xiàn)FT)得到各次諧波分量的實部ur(k)、虛部ui(k)，然后計算各電氣量[12]：

幅值

(4)

相角

θk=arctan[ui(k)/ur(k)]

(5)

諧波電壓含有率

(6)

電壓諧波總畸變率

(7)

電流諧波總畸變率

(8)

2.4 電壓波動和閃動的監(jiān)測計算

(1) 電壓波動

(9)

式中：Umax，Umin為工頻電壓調(diào)幅波的相鄰2個極值電壓。

(2) 電壓閃變的強度為

(10)

式中：?f是電壓調(diào)幅波中頻率為f的正弦分量的視感度加權系數(shù)；ΔVf是電壓調(diào)幅波中頻率為f的正弦分量1 min均方根平均值，以額定電壓的百分數(shù)表示。

2.5 三相電壓不平衡計算

對交流采樣后得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理得到三相對應的基波電壓Ua、Ub、Uc，再根據(jù)對稱分量法分別得到負序和正序的基波電壓，因此三相電壓不平衡度為

(11)

式中：U(0)是電壓零序基波分量，U(0+)是電壓正序基波分量。

3 電能質量在線監(jiān)測裝置功能

3.1 系統(tǒng)結構

本裝置建立在ATT7022E和STM32F103ZE主控單元完成電能質量的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及通信(如圖1所示)，ATT7022E采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，STMF103ZE完成數(shù)據(jù)的處理、儲存以及通信，通信功能包括控制器局域網(wǎng)通信(controller area network,CAN)、通用分組無線服務技術通信(general packet radio service,GPRS)，或者配合具有串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)的網(wǎng)絡芯片DM9051(QFN-32)，就可以添加以太網(wǎng)功能，并且最后將數(shù)據(jù)傳送至液晶屏顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

3.2 硬件設計

首先，電能采集模塊主要芯片為ATT7022E，這是一款高進度三項專用計量芯片，集成6路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路；能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量，同時還能測量各項電壓電流的有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三項復費率多功能電能表的需求；支持全數(shù)字域的增益、相位校正，有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息可以直接用于誤差校正；提供1個SPI接口，方便與外部微控制單元(micro controller unit,MCU)之間進行數(shù)據(jù)交換。采集電路如圖2—4所示。圖2為ATT7022E外部基礎電路，圖3為電壓采集模塊電路原理圖，圖4為電流采集模塊電路原理圖，電壓電流采集均包含a、b、c三相。

圖2 ATT7022E外圍電路原理圖Fig.2 ATT7022E peripheral circuit schematic

圖3 電壓測量原理圖Fig.3 Voltage measurement schematic

圖4 電流測量原理圖Fig.4 Current measurement schematic

圖5 控制模塊外圍電路Fig.5 Control module peripheral circuit

控制模塊主要采用STM32F103系列芯片，具有較高的信息處理性能，優(yōu)于現(xiàn)在市場電能質量監(jiān)測裝置使用的大多數(shù)單片機?？刂颇K電路設計如圖5所示，圖5(a)為STM32F103外圍基礎電路，(b)為STM32F103增加的多個通信串口，以及連接平板顯示模塊的J1接口。

3.3 軟件設計

整個系統(tǒng)主要分為3大部分，分別是數(shù)據(jù)采集、信號處理和顯示，主程序流程圖如圖6所示，設計步驟如下。

(1) 開啟采樣功能(0XC0命令：通道選擇加啟動工作)。

(2) 等待采樣數(shù)據(jù)完成。

(3) 設置用戶讀取指針的起始地址(通過0XC1命令)，讀取采樣數(shù)據(jù)。

(4) 讀數(shù)據(jù)進行預處理，然后在LCD顯示屏顯示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

3.4 SD卡存儲功能

裝置中用4G容量的儲存卡(secure digital,SD)來存儲數(shù)據(jù)記錄，快速便捷，結合時鐘DS1307，以時間作為文件名進行儲存，更有利于清楚明白地記錄電壓驟降、電流驟降、過壓欠壓等暫態(tài)事件，同時記錄下來的時間信息也能為電能的計量提供了有力的依據(jù)[13]。增加SD卡存儲功能，也是為了在不具備通信條件的現(xiàn)場或現(xiàn)場網(wǎng)絡通信信號不佳時，作為備用方案，不至于導致數(shù)據(jù)信息丟失。

3.5 網(wǎng)絡通信

3.5.1 CAN、GPRS通信

(1) CAN通信。

本裝置的STMF103ZE通信模塊可以通過CAN通信完成和上位機的通信功能，而與現(xiàn)場其他總線相比較，CAN通信具有突出的可靠性和靈活性。所以，我們采用CAN總線來構建分布式發(fā)電電能質量在線監(jiān)測裝置的通信網(wǎng)絡，既能滿足基本的通信要求，又能滿足其科技化與網(wǎng)絡化的發(fā)展需求。

(2) GPRS通信。

本電能質量在線監(jiān)測裝置可安裝在各個分布式電網(wǎng)監(jiān)測點，不僅能及時采集各電力參數(shù)，還可通過GPRS通信與控制中心交互信息，對現(xiàn)場臨時發(fā)生的突發(fā)情況發(fā)送補救措施指令。

對于本裝置面向的新電改市場的售電側用戶端，用于實時監(jiān)測用戶端電能質量的好壞，GPRS通信對比其他無線傳輸技術，可采用按流量計費，降低用戶成本，也支持短信通群發(fā)系統(tǒng)(short message service,SMS)業(yè)務，可以作為備用方案，當通信故障時，可啟動短信通道通信。

3.5.2 以太網(wǎng)通信

(1) CAN轉換為以太網(wǎng)。

對于遠程和跨區(qū)域通信監(jiān)控，最好是將CAN通信轉換成以太網(wǎng)來做數(shù)據(jù)集中傳輸，還可以避免重復布線和干擾問題。CANWIFI-200T就能將CAN通信轉換成無線形式連接，接入以太網(wǎng)后可以由遠程上位機接收數(shù)據(jù)，如圖7所示，比較方便。

圖7 以太網(wǎng)結構網(wǎng)絡圖Fig.7 Ethernet structure network diagram

(2) 以太網(wǎng)控制。

本裝置使用的STM32F103ZE芯片，雖然不具備以太網(wǎng)接口，但是配合具有SPI接口的網(wǎng)絡芯片DM9051(QFN-32)，就可以添加以太網(wǎng)功能[14]，并經(jīng)實測網(wǎng)絡傳播速度速度可達290kb/s，網(wǎng)絡連接穩(wěn)定。

CAN、GPRS和以太網(wǎng)通信方式的優(yōu)缺點及適用范圍見表1。

表1 CAN、GPRS和以太網(wǎng)通信方式的比較Table 1 Comparison of three communication methods: CAN, GPRS and Ethernet

4 實驗數(shù)據(jù)分析

經(jīng)實驗驗證，分布式發(fā)電電能質量在線監(jiān)測裝置能精準測量各相電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)以及CF脈沖輸出等，有功測量滿足0.1、0.2 s，無功測量滿足1級、2級。如表2所示，分布式發(fā)電電能質量在線監(jiān)測裝置的實際測量值，且基本能夠達到預期技術指標。已知電表基準值為各相電壓有效值為220 V，各相電流為2.5 A，各相有功功率為550 W，功率因數(shù)為1，無功功率為0 var。

表2 電能質量測量值Table 2 Power quality measurement

5 結語

本文設計了一個基于ATT7022E和STM32F103ZE芯片的分布式發(fā)電電能質量在線監(jiān)測裝置，該裝置不僅可以采集基礎的電能質量參數(shù)，還有利于解決分布式發(fā)電帶來的一些例如諧波頻率擴大、低電壓穿越、電壓暫降頻次提高等新電能質量問題，并且開辟了一個新的應用市場，可廣泛適用于新電改市場的售電側用戶端。STM32F103ZE芯片既可以實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的大規(guī)模傳輸、處理和儲存，還可以采用CAN通信和GPRS通信，甚至可以搭配DM9051網(wǎng)絡芯片添加以太網(wǎng)功能，強大通信功能。

分布式發(fā)電電能質量在線監(jiān)測裝置不僅克服了傳統(tǒng)電能質量監(jiān)測裝置的實時性差、傳輸效率低、性價比低、存儲受限、通信方式單一等問題，還突出了實時性高、采集容量大、傳輸效率高、體積小、造價低的、可多點多位測量的優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。