基于负荷管理终端的电能质量监测研究与分析

肖雄，刘治

(广东工业大学，广东 广州 510006)



基于负荷管理终端的电能质量监测研究与分析

肖雄，刘治

(广东工业大学，广东 广州 510006)

摘要：随着国民经济和科学技术的发展，用户对电能质量的要求不断提高，而供电线路中非线性负荷及冲击性负荷的增加使电能质量明显下降，大范围地污染供电环境，并危及电网及其供电设备的安全稳定运行。随着计量自动化系统的发展，负荷管理终端得到了广泛应用，为电网电能质量监测提供可靠平台。为此，研究负荷管理终端电能质量的电压、谐波、三相不平衡及通信功能监测的原理和方法。基于终端实现对电能质量监测功能，为电网的安全运行提供大量可靠的指标数据，以保障各级电力用户的正常用电秩序和监督管理，减少电网重复投入。

关键词：电能质量；负荷管理终端；谐波；三相不平衡

随着智能电网的建设及电力系统自动化的发展，对供电质量的要求越来越高。电能质量不仅关系到电网企业的安全经济运行，也影响到用户的安全运行和产品质量。由于电网中大量电力电子设备和非线性负荷的存在，使得系统中电能质量问题日益突出[1]，为了保证供用电的安全及降低线损，必须对电网运行情况进行有效的监控，以提高供电质量。电能质量的连续监测和分析是治理干扰源负荷和改善电力系统电能质量的前提条件。由于安装电能质量监测系统(电压监测仪及谐波监测设备等)进行供电质量的监控，需向电网中投入大量的设备，电网运行成本大大提高，且难以进行同一供电系统不同地点相关电能的同步测量及数据的传输和集中分析和评估。而现代电网规模越来越大，监测点不再局限于某一点，而是要实现同一供电系统、不同地点的电能质量监测，甚至实现多个不同供电系统的集中监测[2]，因此对电能质量监测系统的要求越来越高。负荷管理终端主要用于现场客户服务与管理，目前主要具备电能计量、远程抄表、事件记录与主动上报、负荷控制以及电能质量监测等功能。负荷管理终端的电能质量监测功能既能全面掌握用户信息和电能质量数据，又能减少电网成本的投入，且能实现多个不同供电系统的集中监测，目前已经得到了广泛的应用。本文对负荷管理终端的电能质量监测、三相不平衡和通信功能进行研究分析，并介绍电能质量参数及计算方法，使电能质量监测朝着网络化、信息化和标准化的方向发展[3]。

1电能质量监测功能的原理

负荷管理终端通过自身计量或采集电表数据来实现用户遥测信息和电能量数据的远程采集[4-5]。负荷管理终端系统主要由中央处理单元(central processing unit，CPU)主板、计量模块、通信模块、电源模块、故障检测等组成，其原理结构如图1所示。同时使用通用无线服务(general packet radio service，GPRS)技术来保证采用数据的同步性和准确性[5]。

SDRAM—同步动态随机存储器，synchronous dynamic random access memory的缩写；UART—通用异步收发传输器，universal asynchronous receive/transmitter的缩写；CT—电流互感器，current transformer的缩写。图1　终端硬件原理

电能质量监测的工作原理是通过电流采样电路、电压采样电路进行实时采样，对采样数据进行模拟/数字(analog/digital，A/D)转换给CPU，向CPU提供基础数据，CPU依据相应的费率和需量等要求对数据进行处理和计算，从而得到电压监测和谐波监测的相关数据，并通过无线网络上传至主站系统。电流信号经过电流互感器隔离后转换为毫安级小电流，再经过滤波后由高精度电阻变换为电压信号传送给计量芯片，计量芯片将模拟信号转换为数字信号。电压信号通过电阻限流后转换为小电流，经过电流互感器隔离后通过采样电阻变换为电压信号传送给计量芯片。

计量模块是计量终端的重要组成部分，终端的计量模块部分可选择A/D转换器或专门的计量芯片。本文所介绍芯片为TERIDIAN公司三相多功能电能芯片71M6513，它是一种带有微处理器(microprocessor unit,MPU)内核、实时时钟(real-time clock,RTC)、闪存以及液晶显示器(liquid crystal display,LCD)驱动器的高度集成的模拟前端电能计量芯片，能够为四象限三相计量提供测量值。该芯片采用一次变换技术以及一个21位的A/D转换器和一个6路模拟输入器、一个经温度补偿的精密基准电压源以及一个32位计算引擎。计量芯片可直接输出电压、电流、功率、电能量等数据，可根据采样得到的数字信号进行相关计算，完成整个A/D转换，从而精确获得各种电能数据。

2电能质量监测技术

针对我国目前有关电能质量的国家标准，电能质量监测除了监测基本的电压、电流、频率、功率外，还包括谐波、三相不平衡、闪变以及暂态事件等；负荷终端具备远程传输通道(GPRS/码分多址(code division multiple access，CDMA))，除了可远程获取电网实时数据外，还可获取最大值、最小值、平均值以及95%概率值等各类统计数据，是电力系统中最全面的运行数据之一。由于信息具有独特性，对分析系统扰动等相关问题至关重要。

2.1电压监测

电压监测主要是计量自动化终端对测量点的电压质量进行监测统计，按照DL/T 500—2009规定，电压监测应具备监测电压偏差、统计电压合格率和电压越限的功能。对被监测电压采用有效值采样，其采样周期每秒至少1次，并作为预处理值存储。以1 min作为供电电压偏差的统计单元，取其平均值作为代表被监测系统的实际运行电压。终端电压监测通常具有按月和日统计的功能，可实现对电压监测总时间、电压越限率及相应累计时间、电压合格率及合格累计时间等数据的采集和处理。监测点的电压合格率

式中：t1为电压越上限时间，s；t2为电压越下限时间，s；t为电压监测总时间，s。电压越上限判断为电压大于1.3Un，电压越下限判断为电压小于0.78Un，Un为额定电压。负荷管理终端的处理器读取计量芯片中的交流采样值，通过逻辑判断及数学运算，判断是否超限值。电压监测流程如图2所示。

图2　电压监测流程

2.2谐波监测

随着各类冲击性、非线性电力负载日益增加，电网电压和电流谐波不断增加。在供电系统受到谐波污染时，其计量准确性将受到影响，威胁电网电能质量以及用户设备的安全运行。

目前，国内外常用的电能质量检测谐波计算方法较多，主要包括傅立叶变换法、小波变换法、S变换法、Hibert-Huang变换法(HHT)和Adaline等[6]。快速傅立叶变换(fast Fourier transformation，FFT)常用于分析谐波等稳态电能质量问题，稳定性好，具有良好的动态特点，因而得到普遍的应用。FFT算法可以在不增加任何硬件滤波电路的情况下，把基波和谐波分离开来，分别计算出各次谐波的各种参数值，并能有效缩短计算时间。本文将在FFT算法的基础上对基2-FFT算法进行优化研究[7-10]，以提高终端的谐波能力。

2.2.1基2-FFT算法原理

在基2-FFT算法中，先将2N(N表示每个周期采样点数)点的实数数据打包成N点的复数数据，并完成复数数据的位反转操作。利用蝶形因子的周期性、对称性和可约性，把一个N点的离散傅立叶变换(discrete Fourier transformer,DFT)分为2个N/2项的子序列，然后是4个N/4项的子序列，继而是8个N/2项的子序列，直到N/2个这样的2个N/2点子序列。这样变换以后，可将FFT的计算速度提高一倍，并且降低了计算累计误差。

在电力系统实际信号中，常含有衰减的直流分量。实际的信号可以表示为周期分量和非周期分量之和，即

式中：X1(t)为周期分量；X2(t)=Ae-(t/τ)为非周期分量，其中A为衰减直流分量的幅值；e为指数函数，t为同期时间，τ为衰减直流分量的时间常数。

在一个工频周期T时间内进行N点采样，对于周期分量，在一个周期内采样值之和为0，则

由中值定理计算方法，可消去衰减的非周期分量并计算出A和τ，然后可计算出X2(t)。这样便得到消除了非周期分量影响的采样值X1(t)=X(t)-Ae-(t/τ)；然后再对X1(t)进行FFT，从而得到相应的谐波幅值和相位。

2.2.2谐波监测的设计与实现

谐波分析一直是信号处理的基本方法之一，主要工具是FFT。傅立叶算法通常对信号数据的处理有同步采样和准同步采样两种方法。同步采样分为两种方法，硬件锁相环技术和软件同步法。本文介绍硬件锁相环设计方法。

负荷管理终端中微处理器控制单元根据锁相环输出周期有效信号，通过计量芯片A/D转换对电压、电流等数据进行采样，取得样本后，采用基2-FFT 算法对样本进行计算，并进行滤波，得出各次谐波的幅值及相位等参数，获取各次谐波含有率、谐波含有量等信息，并通过计算公式即可获得电压(电流)有效值、总谐波畸变率、2～21次谐波畸变率值。

设谐波为u(t)=sin(20 πt)，非周期量为u1(t)=e-10t，对此进行优化算法的仿真实验，两种算法的仿真测试结果如图3、图4所示。

图3　FFT算法的信号时域和频域波形

图4　优化FFT算法的信号时域和频域波形

从所得的仿真图可看出，优化的FFT算法能够更加准确地测量出信号的谐波。

3三相不平衡

三相不平衡是电能质量的主要指标之一。系统处于三相负荷不平衡运行时，其电压、电流中含有大量负序分量，会导致继电保护和自动装置的误动作，危及电网的安全运行和正常出力，同时也会增大对通信系统的干扰，影响正常通信质量[11-13]。

国家标准GB/T 15543—2008《电能质量三相电压不平衡》中给出了三相不平衡度的计算公式。通常用电流不平衡率来表示电流不平衡度的程度，即

式中：β为电流不平衡率；Ip、Ia分别为三相电流最大相电流值和三相电流平均值。电流不平衡度不能大于20%，判断方法为：当β大于规定的限值时上报电流不平衡事件；当三相电流平均值大于额定电流的20%时才判断电流不平衡事件。三相电流不平衡监测流程如图5所示。

Ib—额定电流。图5　三相电流不平衡监测流程

4通信功能

系统数据传输通道分为两层，其中终端与电能表通过本地信道传输，主站和终端间通过远程信道传送信息，通信信道的质量直接影响着电能质量监测功能的实现。在满足约定的通信规约[14]条件下，系统通信信道可分为无线公网、微功率无线、电力线载波或串行总线等。由于GPRS网络具有永久在线、快速登录、按量收费和自由切换等优点，从而保证了终端模块提高电能计量管理水平，实现电力负荷合理分配的同时减少了系统建设投资和运营费用。使用GPRS网络技术也保证了采样数据的同步性和准确性，目前在计量自动化系统中得到了广泛的应用。

现场终端通过RS-485总线、低压电力线载波采集多只多功能电能表电能量数据，其应用层采用DL/T645协议。终端与主站间通过GPRS和CDMA公用无线通信网络通信，采用传输控制协议/因特网互联协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)、点对点(Point to Point Protocol，PPP)协议，并按照上行通信规约将数据上传至后台服务器(前置机及主站数据采集中心)。通过计算机系统的大容量存储器及高速数据处理器，进行数据处理、分析，全面掌握现场运行数据，监控现场供电质量，为提高供电可控性提供大量有效数据。图6为电能表、负荷终端与主站通信示意图。

图6　计量自动化系统数据传输示意图

5结束语

电能质量监测技术能为计量自动化系统事件和事故在线分析与电能质量控制提供基本条件，是保证电力系统安全可靠和经济运行的技术支撑。本文讨论了负荷管理终端的电能质量监测功能，给出了电压监测、谐波监测、三相不平衡计算以及通信功能的实现过程。基于负荷管理终端实现电能质量监测，获取现场实时电能质量数据，为研究电能质量、提高供电可靠性及优化电网络结构提供有效的数据。相关技术的应用可为电能质量数据的支撑，将减少电网公司的重复性投入以及降低设备的能耗和故障率，为电网运行节约了大量的成本。

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肖雄(1988)，男，湖南怀化人。在读硕士研究生，主要研究方向为用电与电能计量自动化、自动控制科学与工程。

刘治(1977)，男，湖南长沙人。工学博士，主要研究方向为智能控制机器人系统与技术、电气工程。

(编辑查黎)

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

作者简介：

中图分类号：TM933

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)02-0085-05

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

收稿日期：2015-11-30