数字式电能质量在线监测终端
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发布时间：2024-07-23 11:05:48
摘 要：详细阐述了应用DSP器件研制的数字式电能质量在线终端的硬件/软件构成、技术指标、基本功能等，并对电能质量监测系统的功能做了简要介绍。
电能质量在线监测设备是电网电能质量监督检测网络最基本也是最主要的设备，目前市场上销售和使用的国内外生产的电能质量部分指标(如谐波、不平衡度等)的监测设备，大都不能完全适应我国电网电能质量监督管理的实际的需求。河北省南部电网在1996年开始陆续安装谐波在线监测装置，初期的装置在数据存储、数据传输和后台统计分析的功能方面都存在较多的问题。为适应电能质量监督日益发展的需要，根据几年的运行经验和体会，开发研制了数字式电能质量在线监测终端。
新型的数字电能质量在线监测装置具有按国标要求采集电能质量各项参数、在线长时间工作的可靠性高、现场操作便捷实用、可与中心站通讯等功能；同时，还可长时间记录、存储数据且读取数据方便。该装置采用与国外最新产品同等的DSP数字信号处理器和高速多路AD同采技术，在数据处理与显示存储上采用PC104工控机，功能强、便于操作与软件升级。
输入三相电压100V、三相电流5A或1A进行数据信号处理，采用FFT计算出各次谐波电压、电流的幅值及相角。计算不平衡电压、电流，计算三相电压、电流、电压合格率、频率、有功功率、无功功率及功率因数等技术数据并显示。负责数据的处理、存储以及与中心站之间的通讯连接和数据传输，形成变电站报表。
a.输入信号为TV、TA二次侧三相电压(100V)、三相电流(5A或1A)。
中心站通过调制解调器或网络接受处理器的数据，进行统计分析，形成文件、报表及曲线，并可显示数据和图形(如频谱图、波形图、曲线图、向量图等)。它可以管理多台电能质量监测终端，对收集到的数据来进行分析与处理，可以对某一时段或某一事件过程时段的电能质量做多元化的分析、形成报表，自动形成日、月和年报表，自动找出谐波含有率超标的时段与线路，计算电压合格率与供电可靠性。
中心站为客户机——服务器方式，数据存放在服务器的数据库中，可以方便地调用与查询。
该装置采用(220±15%)Vac或[(220 +10%)～(220-15%)]Vdc 电源，可测量的项目包括：电压、电流、频率，电压合格率，有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，电压不平衡度、电流不平衡度， 谐波电压、谐波电流(至31/50次或更高)、谐波相位、谐波功率、畸变率等。
电能质量监测终端的硬件由 TA/TV及信号预处理、DSP处理器、PC104 工控机、PC104与DSP并行通讯ISA总线并行扩展、调制解调器、LCD显示器(VGA单色带背光)、网络适配器、电源等构成。
监测终端采用TI公司的320C2XX系列的TMS320F240芯片，考虑到该芯片内部存储容量有限，在DSP部分扩展了高速SRAM和EEPROM。系统最终设计需要在每个工频周期内采集1024个点(6路同采)，有必要进行1 024点的6路基2 FFT变换计算，并传送至PC104处理单元，这样就需要较快的时钟频率，在本装置中DSP的内部时钟近40MHz。
在DSP处理部分外扩了快速的14bit 高精度AD变换器，该AD变换器能够直接进行6路同时采样，为准确计算有功、无功功率、正/负序提供了保证。
a.数据采集部分，包括频率的采样与计算，AD变换器的6路同时采样。
输入三相电压、电流，测频率，1024或512点AD转换(其中AD采用双6路同采高速AD变换器)，经FFT变换，计算方均根值后，上传数据。根据自身的需求，在数据传送时，只传输31或61次谐波或更高次谐波。
按每0.5s上位机给定的脉冲，每3s上传一次数据。以31次谐波为例，每组数据如下。
PC104工控板采用了集成度较高的PCM-3336板，该板带有软盘和硬盘接口，可以直接驱动320×240的LCD单色显示器，2路RS232C串行接口，1路打印机并行接口，可以直接带键盘和普通显示器。该板的BIO设计可以连接高达15 G的硬盘，为方便使用并确保可靠性，硬盘采用电子盘或笔记本硬盘。
PC104板负责数据的处理、存储、显示，电能质量监测终端与中心站之间的通讯连接及数据传输，形成变电站报表。向DSP发0.5 s脉冲，收集DSP数据。
a.计算处理各种数据，包括电压、电流、有功、无功、正负序、电压不平衡度、电压合格率、谐波含有率等。
b.以图形方式在LCD上显示电压、电流基波及各次谐波的幅值、相角，电压、电流的矢量图，电压电流波形。
从DSP接收的数据为暂存数据，有频率 、三相电压、三相电流及对应的正负零序分量及各次谐波分量(分实部、虚部，共2×3×64个数据)。
谐波与不平衡度相关指标的计算依据GB/T 14549-1993 《电能质量公用电网谐波》、GB/T 15543-1995 《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，具体公式如下。
计算电压、电流不平衡度(每3s读一组数据计算一次)，计算电压、电流不平衡度95%概率值。
计算超上限率、超下限率，统计超上限累加时间、超下限累加时间；计算电压合格率；存储上月和当月、前一日和当日的记录数据；记录最大值，最小值和平均值。
能设定监测电压的额定值和限值。电压质量监测统计时间以min为单位，取1min的电压平均值为一个统计单元。
采用过零检测电路和DSP捕获功能，精确测量整周波的宽度，从而计算出频率。
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