電能質量在線監(jiān)測設備是電網(wǎng)電能質量監(jiān)督檢測網(wǎng)絡最基本也是最主要的設備，目前市場上銷售和使用的國內外生產(chǎn)的電能質量部分指標(如諧波、不平衡度等)的監(jiān)測設備，大都不能完全適應我國電網(wǎng)電能質量監(jiān)督管理的實際需求。河北省南部電網(wǎng)在1996年開始陸續(xù)安裝諧波在線監(jiān)測裝置，初期的裝置在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸和后臺統(tǒng)計分析的功能方面都存在較多的問題。為適應電能質量監(jiān)督日益發(fā)展的需要，根據(jù)幾年的運行經(jīng)驗和體會，保定國電中科電氣有限公司開發(fā)研制了GDDN-500系列數(shù)字式電能質量在線監(jiān)測終端。
    新型GDDN-500系列數(shù)字電能質量在線監(jiān)測裝置具有按國標要求采集電能質量各項參數(shù)、在線長時間工作的可靠性高、現(xiàn)場操作方便實用、可與中心站通訊等功能；同時，還可長時間記錄、存儲數(shù)據(jù)且讀取數(shù)據(jù)方便。該裝置采用與國外最新產(chǎn)品同等的DSP數(shù)字信號處理器和高速多路AD同采技術，在數(shù)據(jù)處理與顯示存儲上采用雙DSP結構設計，功能強、便于操作與軟件升級。?
1 功能與構成 ?
    電網(wǎng)電能質量監(jiān)測系統(tǒng)由電能質量監(jiān)測終端、中心站及分析軟件組成。?
1.1 電能質量監(jiān)測終端?
    輸入三相電壓100V、三相電流5A或1A進行數(shù)據(jù)信號處理，采用FFT計算出各次諧波電壓、電流的幅值及相角。計算不平衡電壓、電流，計算三相電壓、電流、電壓合格率、頻率、有功功率、無功功率及功率因數(shù)等技術數(shù)據(jù)并顯示。負責數(shù)據(jù)的處理、存儲以及與中心站之間的通訊連接和數(shù)據(jù)傳輸，形成變電站報表。
    電能質量監(jiān)測終端的主要功能如下。?
    a.輸入信號為TV、TA二次側三相電壓(100V)、三相電流(5A或1A)。
    b.帶有公話MODEM接口，可以在中心站方便地撥號連接接收數(shù)據(jù)。
    c.大屏幕(320×240)背光LCD圖形顯示。
    d.中文圖形(頻譜圖、波形圖、曲線圖、向量圖)操作界面。
    e.終端可存儲超過一年的數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)為3min或5min一組數(shù)據(jù)包。
    f.帶有局域網(wǎng)連接接口，可用筆記本電腦在現(xiàn)場抄錄數(shù)據(jù)。
    g.多參數(shù)綜合測量，實時定點報警，可設定參數(shù)值、參數(shù)報警狀態(tài)。
    h.諧波電壓、電流，負序電壓、電流超限報警出口繼電器。?
1.2 中心站及分析軟件
    中心站通過調制解調器或網(wǎng)絡接受處理器的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，形成文件、報表及曲線，并可顯示數(shù)據(jù)和圖形(如頻譜圖、波形圖、曲線圖、向量圖等)。它可以管理多臺電能質量監(jiān)測終端，對收集到的數(shù)據(jù)進行分析與處理，可以對某一時段或某一事件過程時段的電能質量進行分析、形成報表，自動形成日、月和年報表，自動找出諧波含有率超標的時段與線路，計算電壓合格率與供電可靠性。
    中心站為客戶機——服務器方式，數(shù)據(jù)存放在服務器的數(shù)據(jù)庫中，可以方便地調用與查詢。
2 主要技術指標?
2.1 測量項目
    該裝置采用(220±15%)Vac或[(220 +10%)～(220-15%)]Vdc 電源，可測量的項目包括：電壓、電流、頻率，電壓合格率，有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)，電壓不平衡度、電流不平衡度， 諧波電壓、諧波電流(至31/50次或更高)、諧波相位、諧波功率、畸變率等。?
2.2 測量精度
 
    電壓測量：±0.2%?
    電流測量:±0.2%?
    電壓不平衡度測量誤差：≤0.2%?
    電流不平衡度測量誤差：≤1%?
    頻率測量：47～53 Hz，精度為±0.01Hz(50Hz)?
    信號轉換精度：16bit ?
    采樣頻率：12.8kHz/通道?
3 電能質量監(jiān)測終端軟/硬件構成?
    電能質量監(jiān)測終端的硬件由 TA/TV及信號預處理、DSP處理器、、LCD顯示器(VGA單色帶背光)、網(wǎng)絡適配器、電源等構成。
    電能質量監(jiān)測終端的軟件由DSP軟件構成。?
3.1 DSP軟件?
3.1.1 DSP原理?
      監(jiān)測終端采用TI公司的320C2XX系列的TMS320F240芯片，考慮到該芯片內部存儲容量有限，在DSP部分擴展了高速SRAM和EEPROM。系統(tǒng)最終設計需要在每個工頻周期內采集1024個點(6路同采)，需要進行1 024點的6路基2 FFT變換計算，這樣就需要較快的時鐘頻率，在本裝置中DSP的內部時鐘近40MHz。?
      在DSP處理部分外擴了快速的16bit 高精度AD變換器，該AD變換器可以進行6路同時采樣，為準確計算有功、無功功率、正/負序提供了保證。?
3.1.2 DSP 的構成與功能?
    a.數(shù)據(jù)采集部分，包括頻率的采樣與計算，AD變換器的6路同時采樣。"
    b.數(shù)據(jù)處理，將采集的數(shù)據(jù)變換格式。
    c.FFT變換計算。
    d.數(shù)據(jù)傳送，將DSP的數(shù)據(jù)傳輸至PC104。?
3.1.3 輸入和運算
    輸入三相電壓、電流，測頻率，1024或512點AD轉換(其中AD采用雙6路同采高速AD變換器)，經(jīng)FFT變換，計算方均根值后，上傳數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，在數(shù)據(jù)傳送時，只傳輸31或61次諧波或更高次諧波。
    進行FFT運算，每0.5s取31次(或61次)諧波，每3s取6次計算方均根值，公式為：?
 
式中  Uhk——3s內第k次測得的h次諧波方均根值。?
3.1.4 數(shù)據(jù)傳送
    按每0.5s上位機給定的脈沖，每3s上傳一次數(shù)據(jù)。以31次諧波為例，每組數(shù)據(jù)如下。
    a.頻率f。
    各次諧波分為實部、虛部，以U?a的相位為基準相位。
3.2 PC104部分?
    PC104工控板采用了集成度較高的PCM-3336板，該板帶有軟盤和硬盤接口，可以直接驅動320×240的LCD單色顯示器，2路RS232C串行接口，1路打印機并行接口，可以直接帶鍵盤和普通顯示器。該板的BIO設計可以連接高達15 G的硬盤，為方便使用并確?？煽啃?，硬盤采用電子盤或筆記本硬盤。
    工控板有WATCH-DOG功能，工作不正常時，自動復位。
   負責數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示，電能質量監(jiān)測終端與中心站之間的通訊連接及數(shù)據(jù)傳輸，形成變電站報表。向DSP發(fā)0.5 s脈沖，收集DSP數(shù)據(jù)。?
3.2.1 PC104的軟件構成?
    a.計算處理各種數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、有功、無功、正負序、電壓不平衡度、電壓合格率、諧波含有率等。?
    b.以圖形方式在LCD上顯示電壓、電流基波及各次諧波的幅值、相角，電壓、電流的矢量圖，電壓電流波形。
    c.通訊傳輸功能，包括與DSP的通訊、與MODEM的通訊和網(wǎng)絡通訊。
    d.參數(shù)輸入，包括電壓電流變比、電壓上下限、諧波含有率的超限設置等。
3.2.2 接收DSP數(shù)據(jù)
    從DSP接收的數(shù)據(jù)為暫存數(shù)據(jù)，有頻率 、三相電壓、三相電流及對應的正負零序分量及各次諧波分量(分實部、虛部，共2×3×64個數(shù)據(jù))。?
3.2.3 諧波與不平衡度指標的計算?
     諧波與不平衡度相關指標的計算依據(jù)GB/T 14549-1993 《電能質量公用電網(wǎng)諧波》、GB/T 15543-1995 《電能質量三相電壓允許不平衡度》的規(guī)定，具體公式如下。
3.2.3.1 諧波計算(每讀一組數(shù)據(jù)計算一次)
    a.第h次諧波電壓含有率?
 
式中  Uh——第h次諧波電壓(方均根值)；
      U1——基波電壓(方均根值)。
    b.第h次諧波電流含有率
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式中  Ih——第h次諧波電流(方均根值)；
      I1——基波電流(方均根值)。
    c.諧波電壓含量?
 
    f.電流總諧波畸變率?
  
    g.第h次諧波功率、相位?
3.2.3.2 諧波最大值和概率值的計算
    a.諧波最大值(各次值及總畸變率)的計算
 
    b.95%概率值的計算
    計算測量時段內各相實測值的95%概率值和其中最大一相的值，并存儲。
3.2.3.3 諧波超限報警
    測量值與允許值比較，判斷是否超限，若超限即發(fā)出報警。?
3.2.3.4 電壓、電流不平衡度
    計算電壓、電流不平衡度(每3s讀一組數(shù)據(jù)計算一次)，計算電壓、電流不平衡度95%概率值。
    a.取不平衡度最大值
    b.  95%概率值。計算測量時段(統(tǒng)計周期)內的95%概率值。
3.2.3.5 不平衡度超限報警
    測量值與允許值比較，判斷是否超限，若超限即發(fā)出報警。
3.2.4 電壓合格率
3.2.4.1 計算電壓(每3s讀一組數(shù)據(jù)計算一次)
    計算超上限率、超下限率，統(tǒng)計超上限累加時間、超下限累加時間；計算電壓合格率；存儲上月和當月、前一日和當日的記錄數(shù)據(jù)；記錄最大值，最小值和平均值。
    能設定監(jiān)測電壓的額定值和限值。電壓質量監(jiān)測統(tǒng)計時間以min為單位，取1min的電壓平均值為一個統(tǒng)計單元。
    實時顯示被監(jiān)測電壓，刷新周期為2s。
3.2.4.2 計算電壓合格率??
 
3.2.5 頻率?
    采用過零檢測電路和DSP捕獲功能，精確測量整周波的寬度，從而計算出頻率。
3.2.6 顯示
    圖形與漢字方式顯示電壓/電流波形、電壓/電流矢量圖、電壓/電流基波和諧波的幅值、相角，各次諧波的幅值、相角分為數(shù)字顯示和棒圖加角度指針顯示。?
3.3 PC104與DSP通訊的ISA并行擴展單元?
    為方便地進行DSP與PC間的通訊，擴展了帶有中斷的并行接口，占用PC104的外設地址和中斷，該并行通訊為8位雙向可聯(lián)絡(中斷)通訊。?
3.4 MODEM與局域網(wǎng)通訊管理?
    MODEM連接至RS232C串行接口，另行擴展了幾根控制線，對MODEM實時監(jiān)測與控制以確保MODEM長時間通訊正常。?
    擴展的網(wǎng)卡允許LAN網(wǎng)絡方式通訊。?
4 結論?
   a.電能質量監(jiān)測終端可以實時準確地對電網(wǎng)的供電和用電狀況進行監(jiān)測，尤其是可隨時掌握諧波的超標情況，掌握不對稱度與電壓合格率的情況，為供電和用電企業(yè)提供了方便的監(jiān)測設備。?
    b.電能質量監(jiān)測終端具有采樣頻率高、測量精確、運算速度快等特點，其測量指標滿足電能質量國家標準的要求。?
    c.電能質量監(jiān)測終端的中文和圖形顯示界面，使用戶使用更加方便和直觀。?
    d.電能質量監(jiān)測終端采用DSP和PC104工控板設計，技術先進，準確度高，可以方便地對DSP和PC104進行軟件維護與升級。?
    e.電能質量監(jiān)測終端在區(qū)域電網(wǎng)和省網(wǎng)或聯(lián)合電網(wǎng)中可組成電能質量監(jiān)測網(wǎng)絡，并通過專用的中心站軟件，實現(xiàn)大量歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，形成各種統(tǒng)計報表，繪制諧波頻譜圖和各種指標的分布圖，為電能質量的監(jiān)督提供了先進的手段。