模块化嵌入式电能质量监测系统的研究与实现

周清平

(华自科技股份有限公司，湖南 长沙 410205)

模块化嵌入式电能质量监测系统的研究与实现

周清平

(华自科技股份有限公司，湖南 长沙 410205)

随着社会与经济的飞速发展，各行各业的用电规模越来越大,同时对供电质量的要求也不断提高。由于各种复杂负载的不断接入，对电网的干扰及冲击愈发严重，电能质量问题日益突出。加强对电能质量的监测与分析，提高电能综合指标及特性，显得越来越重要。对当前电能质量产生的原因进行了分析与研究，从电能质量重要控制指标着手，采用模块化工艺设计理论，进行了多线路电源质量的监测，从根本上解决与满足了工程用户多电源供电质量及可靠性的需求。对多回路电源供电质量的综合监测与分析的精准性与时效性，将成为长期关注的电力系统优化课题。

电能质量 监测分析 谐波 嵌入式 多回路 模块化

0 引言

由于对社会及经济发展的重要性，电力系统一直受到各个领域及行业的重视及关注。随着电力负载的日益增加，对电网的干扰[1]及影响变得越来越严重，电网电能的质量不断下降，进一步加大了电能损耗及其他各方面的影响。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。因此，提高与改善电能质量、减小危害及电能损失，已成为各行各业关注的焦点。

电能质量[2]的监测与分析是一个相当复杂的课题，其存在干扰因素多且不稳定、系统暂态难以捕捉、监测的量庞大、分析及运算过程繁杂等问题，且涉及的行业、专业及工程领域多。对电能质量的监测、分析与控制需要从产生的原因、控制的指标、分析的方法、控制的策略与技术等方面进行研究与实施，才能达到良好的电能质量管理及调控效果。

1 电能质量产生的原因

电能质量产生的原因及相应的影响因素非常多且十分复杂，目前主要有以下几种。

① 电力系统非线性

电力系统中产生的非线性主要是由谐波造成的，而谐波的产生又是由多方面原因引起的，主要有变压器引起的谐波、直流输电引起的谐波、发电机引起的谐波、无功补偿装置对谐波的影响等。其中最大的谐波源是直流输电。

② 电力系统故障

电力系统在运行过程中产生的各种故障，如各种电气短路、过负荷跳闸、接地故障、操作过电压、雷击过电压、发电机与励磁系统的工作状态的变化等，都会引起电能质量的恶化。

③ 非线性负载

在电力系统负载中，非线性负载所占比重非常大。这不但使供电功率因数降低，还严重污染电网供电质量，如大功率的整流或变频设备、电弧炉、照明用荧光灯等，都会产生相当严重的高次谐波电流。这是电网系统中谐波产生的最主要原因。

2 衡量电能质量的五个重要指标

衡量电能质量的五个重要指标说明如下。

① 电压偏差(voltage deviation)：是电压上升和下降的总称。

② 频率偏差(frequency deviation)：是指电网电压频率与规定、要求的频率值的偏差。整个电网中该项指标完全相同，不因用户而异。

③ 电压波动及闪变(fluctuation & flicker)：电压波动是指电压幅值通常不超过0.9～1.1倍规定电压范围的一系列电压随机变化，或在包络线内的电压的有规则变化。闪变指的是指电压波动对照明的视觉影响。IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会从电压幅值和电压波形两个方面采用11种指标来衡量电能质量。其中，电压幅值指标包括：断电(interruption)、电压下跌(sag)、电压上升(swell)、瞬时脉冲(impulse)、电压波动(fluctuation)与闪变(flicker)、电压切痕(notch)、过电压(over-voltage)、欠电压(under-voltage)。电压波形指标包括：谐波(harmonic)、间谐波(inter-harmonic)、频率偏差(frequency deviation)。

④ 电压三相不平衡(unbalance)：指的是任意一相电压的最大偏移不应超过三相电压的平均值。

⑤ 谐波和间谐波(harmonics & inter-harmonics)：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。此外，含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。

3 模块化智能电能质量监测与分析

3.1 优越性概述

传统的监测仪器，如测量电压的电压表、测量电流的电流表、测量功率的有功及无功表、测量频率的频率表，以及谐波表、三相不平衡度计和电压波动和闪变仪等，一般只对单一电量进行监测。因此，监测不同的电能质量指标需要使用不同的仪器仪表。传统的监测仪器监测与分析的参数为模拟信号，而被分析对象大多情况下存在高度畸变，精度低、通用性差、自动化程度低。

由PC+DSP[3]主从式结构搭建的智能电能质量监测[4]系统，其核心为数字信号处理(digital signal processing,DSP) 数字式仪表。DSP数字式仪表以微处理器为核心，与计算机相连，数据处理能力非常强，同时具有信号显示、数据处理与存储、人机界面、实时通信等功能。然而此质量监测系统造价及成本偏高，对于中小型系统不太合适。

永久性的固定专用的电能质量监测设备[5]，是目前电力市场进行现场数据在线监测[6]的发展趋势。由于专用性及固定性，因此在设计研制时需要综合考虑成本和性能。

本文论述的智能化电能质量在线监测设备综合了目前电能质量监测装置或系统的优点，同时又避免其存在的缺陷，成为性能优越的电能质量谐波监测的高新设备。它基于微处理器为核心，采用数字信号处理技术及嵌入式系统。该设备不仅具有智能化、网络化、在线监测功能，同时具备实时性好、成本较低的特点。为进一步提高产品综合性能，对原设备进行产品升级改进，由单CPU系统扩充为双CPU嵌入式系统，从而达到扩充系统资源，共同分担系统负荷的目的。双CPU系统与嵌入式DSP处理器及嵌入式微控制器相结合，既保证了智能化、网络化、在线监测等功能，同时也保证了系统的实时性和高效性。这种结构形式运行速度快、精度高、实时性好、升级性能优越，同时拥有体积小、成本低等特点，既适用于永久性系统在线实时监测，也适用于现场的灵动测量与分析。

3.2 工作原理

高速16位A/D转换器对各相电流、电压进行高速实时采集，数字信号传送至DSP高速数字信号处理器，由DSP完成对基本电量、谐波、波动及闪变等的测量及分析工作。DSP计算数据通过高速HPI通信接口与系统管理层进行数据交换。管理层由先进的PC104工控机构成，并配置可靠的Linux嵌入式操作系统，完成数据统计、分析、存储、显示、通信以及板间软同步等工作[8]。本监测装置可按现场需求进行配置，最多可插入8块测量单元板，同时对8条线路进行监测。为保证各测量单元板能够在同一个时刻点上进行同步采样，所有测量单元板上的ADC转换启动信号均由一逻辑单元板统一供给。

3.3 主要功能及实现

3.3.1 电能质量基本指标监测

对电压偏差、频率偏差、谐波与次谐波、三相不平衡度、电压波动及闪变[9]等基本指标进行全面有效监测，结果如图1所示。

图1 基本电能质量监测结果

3.3.2 基本电量参数测量

基本电量参数测量提供对电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、视在功率、无功象限及频率等电量参数的测量。有功功率和无功功率的测量精度达到三位小数。三相三线制时各相对虚拟中点的电参量值根据需要也可以通过装置计算出来。

3.3.3 谐波监测与分析

采用FFT 变换方法对电流和电压信号进行实时处理，监测及分析2～50次电压、电流谐波分量的幅值、相位等测量值，也可对分辨率为5 Hz的间谐波进行分析，运算精度能够达到A级标准。所有的谐波信息可以通过人机对话进行交互，也可以通信的方法将谐波数据读出，向上一级传送。电压与电流谐波还可分别以数值表、柱方图、频谱图、曲线图及向量图的方式进行展示，截图如图2、图3所示。

图2 电压谐波频谱图

图3 基波电压与基波电流向量图

3.3.4 事件检测

事件检测包含稳态事件及暂态事件检测两大类，主要有电压偏差越限、频率偏差越限、电压不平衡度[10]事件、电流不平衡度事件、谐波电流及谐波电压越限等。

① 电压偏差越限事件检测

电压偏差：当接线方式为三相三线时，电压偏差计算方法为(实测线电压-额定线电压)/额定线电压；当接线方式为三相四线时，电压偏差计算方法为(实测相电压-额定相电压)/额定相电压。

Uh：电压偏差越下限门槛值，默认值为-10%U。Ud：电压偏差越上限门槛值，默认值为10%U。当某相/线电压偏差的分钟平均值高于Uh或者低于Ud，则认为此相/线电压偏差越限事件发生；当相/线电压偏差的分钟平均值恢复到两者范围以内，则电压偏差越限事件结束。

② 频率偏差越限事件检测

Fh：频率越限事件上限门槛值，默认值为50.2Hz。Fd：频率越限事件下限门槛值，默认值为49.8Hz。当10s内的频率平均值高于Fh或者低于Fd时，则认为频率越限事件发生；当10s内的频率平均值处于两者之间，则认为频率越限事件结束。

③ 电压不平衡度事件检测

Up：电压不平衡度越限事件的门槛值，默认值为2%U。当电压不平衡度分钟平均值超过Up，则认为电压不平衡度越限事件发生；当电压不平衡度的分钟平均值下降到Up以下，则认为电压不平衡度越限事件结束。

④ 电流不平衡度事件检测

Ip：电流不平衡度越限事件的门槛值，默认值为2%I。当电流不平衡度的分钟平均值超过Ip，则认为电流不平衡度越限事件发生；当电流不平衡度的分钟平均值回落到Ip以下，则认为电流不平衡度越限事件结束。

⑤ 电压长时闪变事件检测

Uc：电压长时闪变事件门槛值，默认值为0.8U。当某相/线电压长时闪变值高于Uc时，认为此相/线电压长时闪变越限事件发生；一旦此相/线电压长时闪变值低于Uc，则认为此相/线电压长时闪变事件结束。电压长时闪变值的统计周期为滑窗形式的连续一个半小时，因此监测装置启动后的第一个长时闪变值需要经过一个周期才能产生，后面接着每12min将产生一个长时闪变值。

⑥ 谐波电压越限事件检测

Xu(n)：n 次谐波电压的含有率越限门槛值，默认值由相应国家标准中对应电压等级的推荐值提供。2～50 次谐波电压的某次某相/线谐波电压含有率的分钟平均值若高于Xu(n)，认为此次此相/线谐波电压越限事件发生；当此次此相/线谐波电压含有率的分钟平均值如果低于Xu(n)，则认为此次此相/线谐波电压越限事件结束。电压谐波总畸变率越限、各次谐波电压越限、电压谐波奇偶次总畸变率越限事件使用统一的事件类型标志。

⑦ 谐波电流越限事件检测

Xi(n)：n 次谐波电流的幅值越限门槛值。2～50次谐波电流的某次某相谐波电流幅值的分钟平均值如高于Xi(n)，认为此次此相谐波电流越限事件发生；当此次此相谐波电流幅值的分钟平均值低于Xi(n)，则认为此次此相谐波电流越限事件结束。

3.3.5 录波功能

首先选择监测线路，对被监测线路的电压骤升、电压骤降、短时中断等暂态事件进行分析。暂态事件发生时将会触发监测系统对采样点数据和半波有效值进行录波，如图4所示。监测系统可通过通信方式将相关数据及暂态事件上传至后台总控系统。监测装置以comtrade的录波格式将有效值录波和采样点录波及暂态事件上传至后台系统进行分析。监测装置具有开关量变位录波功能。当装置开关量输入通道发生变位，将触发装置对所有模拟通道进行波形记录，记录时间达60s。装置同时还配置有召唤录波功能，通过监控软件选择需要监测的线路及对应的召唤时间，召唤录波记录时间可达到1 200s。

图4 暂态事件采样点录波展现

4 电能质量监测分析展望

电能质量的监测与分析涉及到自动控制、网络通信及电力系统等多个领域，是一个极其复杂的系统工程。为完善和发展电能质量监测与分析技术，随着科学技术的不断发展，今后仍需要解决以下几方面的问题。

① 新型算法的开发。电能质量分析的模型、手段及方法随着大量跨学科、跨专业交叉理论的出现，及人工智能技术和近代数学的迅速发展呈现出多样性。为提高电能质量，减小其对电网系统的影响，采取更加先进与科学的模型来监测与分析电能质量，是电能质量研究领域内必须重视的问题。目前，电力领域电能质量的研究多运用小波变换方法对系统扰动数据进行辨别、分类及原因分析，模糊数学方法确立精准的数学分析模型，模糊神经网络方法搭建有效的信息传输与储存。模糊数学方法、小波分析、神经网络方法、交叉技术及遗传算法已成为当今甚至往后电能质量新算法研究的主导发展方向。这些理论的提出、发展及不断完善，对电能质量研究的理论算法以及算法的应用、算法性能的完善等都将产生重要的影响。

② 基础理论的研究。电能质量基础理论研究是对电能质量的本质进行深入研究的基础，它包括电能质量的含义、各功率成分的定义、科学计算方法及物理意义的研究、评价体系及产生机理的研究等。目前，关于电能质量的概念已发展成多个形式的版本及定义方法，然而各方法在物理意义、数学表达、建模与实施等方面各有不同，且具有自身的特点，但实际工程应用与实际的结合都存在一定的差距，均无法对电能质量作出一个科学的综合的定义。因此，需要在这一理论的短缺方面开展进一步的深入研究和探索。

电能质量监测与分析是一个庞大的系统工程，需要充分利用计算机技术和网络技术，准确合理全面地识别干扰源、判断故障、预测事件等。随着电能质量监测与分析技术不断完善与发展，对监测系统在功能上的要求也日益提高，这也需要多专业、多领域及多技术的相互结合与促进。

5 结束语

本文从电能质量产生的原因、控制的指标、现有电能质量监测装置系统的缺陷和不足等方面进行阐述与分析，并提出了既能满足目前需要又性能优越的多模块的智能化电能监测与分析装置。该装置的研究与实现，对电能质量的监测、分析与控制的研究与实施的思路与方法，对各行业、各领域乃至全民族共同关注与期待的电能质量的管理、改善及调控，具有重要的意义。

[1] 逯培兵.基于嵌入式技术的电能质量检测研究[D].长沙：长沙理工大学，2008.

[2] 国家技术监督局.GB/T 14549-93电能质量公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1993.

[3] 李林.电能质量监测系统的设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[4] 王建赜，李威，纪延超,等.电能质量监测算法研究及实现[J].继电器，2001，29(2):29-31.

[5] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T19862-2005 电能质量监测设备通用要求[S].北京：中国标准出版社，2005.

[6] 姜志玲,王勋.电能质量的在线分析与监测[J].电测与仪表，2007，44(501):10-13.

[7] 荆小刚.基于ARM的远程电能质量监测系统的研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[8] 翟晓满.电能质量监测算法研究与实现[D].北京：中国农业大学，2007.

[9] 王梦蔚，晏阳，王书征.基于FFT的电压波动和闪变算法应用研究[J].电气自动化，2014，36(1):44-46.

[10]国家质量监督检验检疫总局.GB/T 15543-2008 电能质量三相电压不平衡[S].北京：中国标准出版社，2008.

Design and Implementation of the Modular Embedded Power Quality Monitoring System

With the rapid development of society and economy, demands for electricity are increasing from various industries; and the requirement on power quality is also rising. Due to a variety of complex loads continuously access, more serious interference and impact are affecting the power grid, so the power quality issue has become increasingly prominent. Monitoring and analyzing the quality of power, and enhancing comprehensive indexes and characteristics of electric power become more and more important. The reasons causing energy quality issue are analyzed and researched, starting from important power quality control indexes, by using modularized technique design theory, the quality of multi-line power is monitored, the demands for qualified and reliable multiple power supplies of engineering users are solved and satisfied fundamentally. The precision and timeliness of comprehensive monitoring and analysis of the quality of multi-loop power supply will become the long-term subject to be concerned for optimization of power system.

Power quality Monitoring analysis Harmonic Embedded Multi-loop Modularized

TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509015

修改稿收到日期：2014-06-17。

作者周清平(1976-)，男，1998年毕业于中南大学软件工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事电力系统运行及优化方面的研究。