新型电能通信传输检测设备

李玉鑫，王德全，吴绍武，王正齐

（1.南京工程学院，江苏南京 211167；2.淮安市国家电网供电公司变电检修室，江苏淮安 223200）

目前，对于继电保护装置跳闸检测，还是主要依靠在测试装置钱开关上接入检测装置并且无法准确检测出电网谐波分量，其中电网谐波能够让电力线路在传输的时候电能利用率大大下降，让用电设备和电气保护设备产生振动噪音还有大量的热能浪费，并使其寿命急剧缩短，直至发生设备的用电故障或损毁[1-3]。

根据以上情况，提出了一种通过模拟电路的方法测量出口的动作情况，采用新型采样电路和隔离电路对电网侧电路进行时间测量，最终结果以OLED面板显示出来。测量手段更加快捷方便，但是模拟电路设计十分复杂，并且数据显示较为单一[4]，该文在此基础上进行改进，并将其数据可视化。

1 电能质量检测设计论证

根据要求设计系统方案，整体框架如图1 所示。

图1 整体框架

此方案由环境温湿度传感器、降压电路、电网侧运行检测模块、SIM900A 通信模块、OLED128 显示模块、交互按钮模块等组成。将高压电网侧运行检测的电能质量传输到用户侧APP 端。方便及时采集电路数据，并能够实时检测电能质量，当发现数据异常时能够主动发送信号传输给继电保护装置。

2 电网侧信号采集处理装置

2.1 电网侧硬件电路设计

在设计电网侧信号处理单元时设计了一套新型方案通过抗干扰铁硅铝磁电感环在不拆卸电路的情况下进行安装不需要停电安装，拥有极大的安装便携性，减少了安全隐患。其中抗干扰铁硅铝磁电感环采集到的信号传输到图2 所示的信号采样电路中，则可直接将高压交流接入到采样电路中。

图2 采集电路

2.2 MCU选择

该方案选择了MSP430F5529 这款MCU，它有着低功耗、运算数据快等优点。还可以直接连接SIM900A 模块实现信号的实时传输[5]。SIM900A 含有TLL 电平串口和RS-232 电平串口，可以提供包括语音、短信和GPRS 数据传输的一些功能[6]。可以在较低的功耗和发热之下地实现信号的上行和下行。其中SIM900A 内嵌了TCP/IP 协议,并可以使用UART 异步串口与MSP430 主机MCU 通信,这使得GPRS 子模块和MSP30 主MPU 之间的连接十分简单可靠便捷[7]。

2.3 数据存储和通信模块

利用MSP430 的SPI 接口，在通信过程中的传输速率可达到18 kb/s，每秒传输的数据最大可超过2 MByte[8]。为了对电能检测参数有效地存储，在系统中没用采用传统的TF 存储卡进行存储，而是采用了上位机云端存储数据，可以将采集并处理好的数据实时传输到云端系统，这样方便用户查找定时定点的时刻的样本数据，同时也避免了传统SD 卡传输速度慢，工作过程中容易发热导致系统数据丢失，大大提升了用户侧的可靠性。在运行时，利用0.96 寸OLED 实时传液晶屏，屏幕的体积小，但是具有较高的屏幕分辨率，能够将需要显示的数据清晰有效实时地展现出来[9]。

2.4 算法分析验证

FFT 目前在电力系统继电保护谐波分量计算分析等领域有着较大的优势。但是使用FFT 会随机出现栅栏效应、频谱混叠和频率泄露等现象，影响检测结果的准确性[10]。针对以上的问题，经过一系列算法改进优化算法对此提出一种优化方案。

首先通过信号发生器输出频率为50 Hz、赋值为12 V 的正弦波，输出波形如图3 所示。

图3 采样波形

由采样定理可知，采样频率要至少大于输入信号频率的两倍，所以需要将单片机中时钟模块进行相对的超频，然后加快对信号的采样速度。失真的测量最常见的技术指标有谐波失真（HD）、总谐波失真（THD）、总谐波失真加噪声（THD＋N）和互调失真（IMD）。信号的失真度定义为所有谐波能量之和比上基波能量的结果平方的根。当信号中的干扰可以做到忽略不计的时候，失真度可由下列公式计算得出：

基波功率P1可由频谱幅值U1进行简单计算得到。因此可写成如下公式：

根据上述以及设计方案，输入信号的采样频率为48 kHz，FFT 的采样点为8 192，所以FFT 的频率分辨率：信号采样频率/FFT 采样点=48 kHz/8 192=5.859 375，约等于6，也就是FFT 的频率误差可能在6个频率点左右，足够满足当前对设备的要求，从而满足对电网侧的保护。

将信号发生电路数据导入电脑中，对其波形通过软件Matlab 进行验证分析，可得到在不同频率下谐波干扰的大小如图4 所示。

图4 THD能量图

其中，为了方便示图将该方案中设计采样功率通过折算显示为分贝形式，在该方案中选择的次谐波数量为50，在实际电网应用中只需进行5～10 次的谐波分量进行对比就可以了，再经过采样FFT 算法验证可得如图5 所示的频谱图。

图5 频谱图分析

对于频谱图中的0 点，即FFT 分析中的第1 个点，对应的就是时域中直流分量，也就是0 次谐波，即0 乘5.859 375 为0，所以时域中频率为0 对于频谱图中的9 点，即FFT 的第10 个点，对应的就是信号中的主频（基频），一次谐波，9 乘5.859 375 得到52.734 375，所以对应时域中频率为52.73 Hz 的正弦分量。

频域中幅值和时域中幅值连接起来的变量是FFT 的采样点：对于直流分量频域幅值的大小可根据时域幅值以及FFT 采样点取值的积可得到。而正弦分量频域幅值对于直流分量频域幅值的一半。根据以上可计算的出频谱对应点与直流分量幅值以及对应频率的关系如表1 所示。

表1 频谱对应点与直流分量对应关系

由此可设计出采样范围0～750 Hz 的谐波分量，足够满足电网侧用户需求。

将上述所对应关系嵌套在C 语言函数中，调用FFT 函数，写入指针FFT_data,并传输到显示模块中去，当采样测得频率过高或者系统出错时，可通过通讯模块发出警报，并增加整流器以及电容投入从而保护电路不受影响。

2.5 设备检测程序设计

此设备MCU 一共有两个时钟，不同的时钟频率对应不同的电压：1.8 V(0～8 MHz)、2.0 V(0～12 MHz)、2.2 V(0～20 MHz)、2.4 V(0～25 MHz)，即要提高系统的采样精度，相对应地就要对时钟进行超频[11]。还有一种是直接配置寄存器来实现，此方法一般情况下直接升到最高核心电压。该设备一共有16 个通道可供选择。单片机内部一共有三个电压可供选择，分别是1.5、2.5 以及3.3 V，单片机的采样电压不允许超过参考电压，采集到的电压的放大倍数如式（3）：

根据上述参考公式，ADC 采集电压必须小于参考电压，如果超过参考电压，输出只能到最大参考电压，可能烧坏单片机。

在卷积定理指导下，利用数字计算机快速地算出复变换的算法称为快速傅里叶变换算法(FFT)[12]。FFT 的基本原理是把一段DFT 数据分开采集成为简易的DFT 数据。按照抽取方式的不同可分为DITFFT（按时间抽取）和DIF-FFT（按频率抽取）算法。该设备采用了按时间抽取的算法，将采样频率定为50 ms，再多次测量采样到的信号产生的谐波[13]。当场系统谐波分量异常时，可通过通信模块向用户侧APP 发射谐波异常信号，及时做出应对，从而降低对电网的影响。通过便携的电力监测设备可将多个用户侧的电力设备整合起来，将信息公开化透明化，不仅方便了用户，同时也减少了继电保护设备的投入[14]。

3 方案论证

根据上述方案搭建如图1 所示系统。在图2 采集电路后加上如图6 所示隔离驱动电路。从上述图中进行仿真可得到如图7 所示信号，最高电圧等级不超过5 V 的输出信号，此信号可直接传输到MCU中去，代入2.5 节中的四个级别可采集到电压大小，并根据缩放比例计算出电网侧电压的大小，再由显示模块输出，最终代入到调用函数，可得到当前采集到的谐波分量。其中可增加判断函数，当连续时刻超过当前系统承受值时，可通过传输模块向系统发送警报。

图6 隔离电路

图7 采集电路输出波形

将信号输入到MCU 中去可从OLED 显示模块得到如图8 所示基础的采集信息。

图8 显示模块采集信息以及通信模块

将上述所采样到的电信号经过MCU 进行处理，接着通过按键切换OLED 显示屏可得到此信号处理分析后的一次、三次以及五次谐波分量含有率如图9 所示。

图9 一次、三次、五次谐波分量含有率

4 结束语

该文提出了一种新型的电能质量分析与采集设备，融合当前5G 大环境背景下信息传输与共享[15]，将电能质量快速进行采集与分析，经过大量数据进行分析后加入神经网络算法，可以生成用户侧的用电报告，再通过传输模块传输到主变电站中。由此可以方便地判断出何时为高峰期，何时为低峰期，再通过电网侧储能优化，保障电力运行的稳定。配电网作为支撑社会发展的重要系统，其运行的安全性、稳定性将影响人们的生活、工作质量[16-20]。