一种新型电能质量检测与计算仪表的研究

杨 柳， 孙石磊， 董相娟， 朱明增， 王塞北

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司， 河北 唐山 063200）

生产实践·应用技术

一种新型电能质量检测与计算仪表的研究

杨 柳， 孙石磊， 董相娟， 朱明增， 王塞北

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司， 河北 唐山 063200）

介绍了一种电能质量检测技术的装置，该装置具有电能质量评估与治理、设备运行监测、设备故障安全诊断等功能。也是一种新型电能质量监测与计量仪表装置，具有对用户电能质量评估与治理、设备运行监测、设备故障安全诊断、在线信息远程监控、用户能量管理等功能，本方案采用的电力载波方案适应强干扰、强衰减、远距离要求的环境，数据传输可靠，可实现远程自动抄表功能。

新型电能 检测 仪表

截止到2011年，国家电网公司现有变电设备容量188 654万kVA，输电线路618 837 km，这里还没有包含南方电网和非电力公司用户的投资数据。随着用电设备的日益增多，对于电力行业来说，要保持满足用户要求的电能质量变得越来越困难。而电能污染会引起电器异常发热，缩短电器寿命甚至直接损坏电器；电能污染还会导致供电系统的错乱，降低系统的效率和利用率，导致计算机系统失效，使继电器拒动或误动进而影响整个系统的正常运行。为保障用电设备安全运行，减少设备故障，必须加大检测与提高电能质量的力度。据美国官方统计：近20年来，全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿美元。近些年在中国也发生了很多由于电能污染，例如：京郑电气化铁路产生的谐波严重影响了附近电网的正常运行，绍兴汇同蓄电池有限公司产生严重的电能污染导致电网频繁跳闸以及11月4日晋州市中兴街头附近很多电器因为电能污染发生不可逆的损毁。事实证明，电能污染已经严重的影响了我们的日常生产生活。

1 新型电能质量检测与计算仪表

1.1 基本原理及构造

该新型电表可以对居民用户电能质量评估与治理、设备运行监测、设备故障安全诊断、在线信息远程监控、用户能量管理等功能，采用的电力载波方案适应强干扰、强衰减、远距离要求的环境，数据传输可靠，可实现远程自动抄表功能。

采用STM32F107处理器、ATT7022电能计量模块、电力载波模块等（见图1），应用数字采样处理技术及SMT工艺。包括固件更新模块、电力载波模块、指示模块、电能计量模块等。其中电能计量ATT7022D模块，实现电能计量与电力信息采集、运算等； 核心处理器模块，采用STM32F107处理器，做FFT运算以及电能污染评估、显示算法等。

图1 产品的模块组成

1.2 具体实施方式

该新型电表通过以下技术方案来实现，具体包括以下步骤：

1）本电表的在进线端通过快速傅里叶变换算法来测定线路中谐波的大小。

2）将谐波的大小通过电力线载波技术加到电力线上。

3）将谐波的相关数据显示到客户终端显示屏上。

4）无线节点取出电力线上的谐波大小数据，并与自身的设定值进行比较，如果超过预设的安全值则切断电源保护用电器的安全。

5）无线收发模块接收到抄表模块的请求后将用电使用量发送给抄表模块，进而实现远程抄表。

2 结合实例分析

首先通过电流互感器、电压互感器采集现场电力信息，通过FFT运算得到2～50次的高次谐波数据以及电流畸变率和电压畸变率，依据国家标准评估电能污染指数，包括以下两个方面技术：

1）结合FIR数字滤波、RC滤波，设计高精度、低噪声模拟采样电路。

2）深入STM32F107底层寄存器，采用汇编编写部分FFT代码，优化算法，提高运行效率。

该新型电表采用ATT7022电能计量芯片作为前端电力信息采集，通过SPI协议与STM32处理器通信，采集信息有电压、电流，通过对电压、电流等基本信息的运算处理，得出有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电流电压相角、有功电能、无功电能、线频率、快速脉冲计数等参数（见图2）。

图2 ATT7022内部框架图

在AD内部开辟了一个长度为240的缓存存储区，用以实时保存原始采样数据，供用户做进一步的分析。用户发送命令(任务开始+预定channel的数据)后，在每个采样周期将相应的ADC数据保存到缓存中，直到缓存满为止。只要不发送新的命令，缓存的数据会保持上一次的数据。用户可以随时读取缓存的内容。通过C1命令改变gWaveAddress，用户可以任意指定要读的缓存的起始地址；每读一次缓存后，该地址会自加一，大于缓存长度后，会变为0。读有效数据的方法是，用户可以等待相应采样间隔以上的时间后，去读取缓存的内容（比如：单通道时240个采样间隔时间，双通道120个采样间隔时间，三通道80个采样间隔时间，采样率为3.2 kHz）。或者，读取地址小于ptrWaveFormRd低字节的内容。（ptrWaveFormRd的低字节为内部保存数据时的指针，对应于7E的内容），SPI读取到的数据格式：低19 bit的ADC数据，二进制补码表示。多通道时的数据为实际的存储顺序，以UA、UB、UC为例，在缓存中的数据依次为UA0 UB0 UC0 UA1 UB1 UC1…UA79 UB79 UC79。缓存区的初始值 0x00 01 00～0x00 F0 00。

在采集到数据后，ATT7022与STM32处理器之间通过SPI协议进行通信，STM32处理器为主设备，ATT7022为从设备。处理器接收到数据后对其进行FFT算法变换其中的FFT算法将信号从时域转换为频域，可以进行模拟信号的频率分析，运用FFT做谐波的频域分析，得出电力系统的电能污染指数与设备运行状况。

从采样到FFT实现过程：开启采样功能（0xC0命令：通道选择+启动）—等待采样数据完成—设置用户读指针的起始地址（通过0xC1命令），读取采样数据—对数据进行预处理—FFT变换—如需下一次操作，则执行step1～5。

通过对采集回来的数据进行FFT变换后与正常的波形进行对比可以得出电能的污染程度。采集现场单相220 V（50 Hz）线路的正常波形，采样率为3.2 kHz，横坐标为采样点数，纵坐标为相对伏值（纵坐标×137.5 V为真实值）可见，一般线路电压波形并非为完整的正弦波，电压信号由于外在因素影响，会出现畸变，这就是电能污染问题。

电能污染指数可用电压畸变率表示，电压谐波畸变率是以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数，如下公式：

式中，Un为第n次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。

下页表3为通过计算得出的电压谐波畸变率，国家规定谐波电压畸变率不得大于0.05%，现场稳定在0.08%左右，说明存在严重的电能污染问题，会对家用电器、电网设备及电网系统带来危害，可根据谐波电压畸变率脉动情况，判断电能污染，从而实现电能污染评估。

表3 谐波电压畸变率 %

3 结语

不同用电设备激励的谐波次数与谐波含量有很大的区别，该新型电表对用电设备激励的谐波进行特性分析，根据谐波属性掌握设备当前运行状况，判断设备是否正常运行、是否超负载，能及时作出故障预测与处理。对不同用电设备有针对性的处理，提示当前电力信息会对特定用电设备带来什么程度的危害，预了解设备运行状况，监听设备运行，例如，一般洗衣机对7、9、11次谐波比较敏感，正常运行、超负载运行以及临界故障运行时反射出的7、9、11次谐波变化较大，可通过分析7、9、11次谐波变化对洗衣机进行诊断。洗衣机一般采用电阻分相起动运转，一旦起动电路中的电容器和分相电阻损坏击毁，电动机则无法正常运转工作，这也是一般洗衣机故障原因，通过对洗衣机正常使用时的频谱分析和洗衣机临界故障时的频谱分析进而判断洗衣机判断洗衣机正常运行、超负载运行以及临界故障运行情况，只要掌握其他电器正常运行、超负载运行以及临界故障运行等情况的谐波特性，同理也能进行运行诊断，保障设备正常运行，减少故障发生，延长电器使用寿命。

[1] 蒋长锦，蒋勇.快速傅里叶变换及C程序[M].北京：中国科技大学出版社，2004.

[2] 杜琼，周一届.电力线载波通信技术[J].华北电力技术，2005 （2）：43-47.

[3] 时丽君，赵建国.有源电力滤波器在电能质量控制中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2002，14（1）：67-71.

[4] 陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[5] 李群，潘震东.电网电能质量污染的危害和影响[J].电世界，2002，43（7）：4-5.

（编辑：苗运平）

Research on a New Type of Power Quality Detection and Calculating Instrument

YANG Liu,SUN Shilei,DONG Xiangjuan,ZHU Mingzeng,WANG Saibei
（Shougang Jingtang United Iron&Steel Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063200）

This paper introduces a device of power quality detection technology,which has power quality assessment and management,equipment monitoring,safety diagnosis of equipment failure.In particular,it is a novel power quality monitoring and measurement instrumentation,which has the function of power quality assessment and management for user,equipment monitoring,safety diagnosis of equipment failure,remote monitoring of online information,user energy management and so on.This program adapts power line carrier,which is suitable for strong interference,overdamp and long distance environment,with reliable data transmission,and can realize remote automatic meter-reading.

new energy meter,detection,instrument

TM711

A

1672-1152（2017）03-0084-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.03.34

2017-03-26

杨柳（1989—），男，河北迁西人，大学本科，毕业于燕山大学电气工程及其自动化专业，助理工程师。