电能质量监测系统研究

电能质量监测系统研究

崔　磊

Ξ1

,2

(1.华北电力大学电力工程系,北京102206;2.华能国际电力股份有限公司,北京100031)

摘　要:电能质量监测技术是当前电力系统领域的研究热点。根据电能质量监测对于系统支持复杂算法和实时性的特殊要求,并在综合分析了目前电能质量监测现状的基础上,提出了一种基于DSP技术的电能质量监测系统的解决方案,将上下位机有机地融合在一起。这种新型设计符合电能质量监测的最新发展要求,相对以往的设计,具有实时性好、性能高、体积小、成本低等优点,更适合于大量安装在现场。

关键词:电能质量;监测技术;DSP

　　在现代企业中,由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛使用,对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰十分敏感,任何供电质量的恶化都可能会造成产品质量的下降,产生重大损失。因此,现代工业的发展对提高供电的可靠性、改善电能质量提出了越来越高的要求。

在这种背景下,我们认为,电能质量监视应走向全电网关联监视,并充分利用各种通讯条件以及计算机技术,实现自动传输和统计分析等功能。因此,建立一套电能质量监测系统,采用自动监控手段,监测和记录供电过程中电能质量的运行曲线,对提高电能供电质量具有十分重要的意义,对电力部门的工作也有着指导作用。

电能质量监测系统就是根据以上需求而开发的。该系统主要实现对电能质量频率变化、电压偏差、谐波和三相不平衡及电压骤降等指标的监测。

1.电能质量监测系统的设计

均未达到理想效果。一般处理功能较差,可扩展存储空间小,运算速度慢。由于采用的微处理器多为51系列和96系列单片机,这些单片机在计算能力方面不能适应目前的高精度测量,以及实时监控的要求。有的产品引进了国外的技术,功能比较强,但价格较高,不适合国内市场的需要。

DSP芯片与传统单片机相比,更加适合于复杂的数字信

号处理。而且采用哈佛总线结构,程序处理器与数据处理器分开,运算速度快。并具有高速的片内程序存储器和数据存储器,将简单操作在片内完成,避免与外部的低速存储器交换数据。而且DSP芯片接口简单,编程方便,稳定性好,精度高。

系统要处理的任务种类繁忙多,既有周期性任务,又有突发性任务,还要保证系统的实时性,这种情况下不仅要求处理设备本身具有很高的速度和处理能力,而且还要具有实时任务高度能力,最后还要考虑到成本。因此,在考虑到当前对电能质量要求,以及DSP技术的优势情况下,本文了一套基于DSP技术的电能质量监测系统。

2.监测系统的硬件结构设计

目前国内很多电能质量监测装置,在功能和实用化方面

图1　监测装置硬件结构图

　　监测系统采用DSP技术。DSP芯片的优势在于运算,在本装置中采用的是TI公司的TMS320VC5402芯片,以完成采

样及对采样结果的实时变换处理。整个电能质量监测系统的硬件原理图如图1所示。它由低通滤波单元、采样保持单

Ξ作者简介:崔磊(1980-),男,河北深县人,华北电力大学电力工程系电力系统及其自动化专业05级硕士研究生。华能国际电力股份有限

公司,助理工程师。

38

电能质量监测系统研究

元、AΠD转换单元、数据处理单元(DSP)、数据存储单元、显示单元、通信单元等几部分组成。模拟信号经传感器低通滤波后进入采样保持单元,进行AΠD后进入DSP芯片中进行数据处理。

(1)模数转换模块

数据采集单元的核心是ADS8364,它可同时输入6路采样信号,输入方式可以是单端输入或者两端口差分输入。为了很好地抑制共模噪声,本系统采用差分输入方式。

ADS8364输出16位并行数据,可有3种数据读取模式,

即6路任选1路模式、轮询模式和FIFO模式,它们可由软件或硬件设置。本系统采用轮询模式。

(2)电源电路和时钟电路

电源电路主要提供以下几种电源:①5V模拟和5V数字电源;

②3.3V数字电源;

③1.8VDSP核心电源;④外部参考电压源。

时钟电路主要用来提供DSP的工作时钟、ADS8364的工作时钟以及同步采样时钟。

3.监测系统的软件设计

监测系统的软件设计分两大部分,一是现场监测装置的软件设计,主要具有数据采集、数据的初步处理、现场液晶显示、通讯等功能;二是要介绍上位机即通过通讯系统把数据传到上位机后的数据二次处理软件设计,该软件单元提供友好的人机界面,便于参数和波形的显示、控制、统计分析,直观、实时的反应电网的运行情况。整个程序采用模块化和结构化的思想,便于功能的添加和删除。

(1)DSP软件设计

DSP软件设计部分按功能分为数据采集、数据处理、和

通信三个部分。按模块可划分为主程序、同步中断程序、采样中断程序及通信程序。主程序完成对系统的初始化,设定各种标志位和相应状态寄存器,然后等待中断,判断数据是否采集完毕,在数据采集完后跳转至运算子程序,进行后续的计算工作。

DSP软件采用C语言和汇编语言混合编程方式,用汇编

语言编制FFT算法部分,在一个周波20ms时间内实现对电压电流6路信号的128点基二FFT分析,以获取每周波的谐波信息。在这里,必须保证在20ms内除完成上一周波的6次FFT变换外还余几ms的时间,才能达到实时分析每一周波的目的。在出现特殊情况(周波级电压突升、电压跌落)时,启动录波。

由FFT运算得到的基波电压、电流幅值和相位,可以利用对称分量法求出三相电压的正序、负序分量,从而确定三相不平衡度。DSP软件还可以得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、频率等多项测量结果。

通信模块作用是实现现场装置与上位机的通信。完成

数据上传,以及命令的接收等功能。

(2)上位机软件设计

电能质量监控软件建立在Windows平台上,Windows提供的多任务并行机制、网络功能和友好的人机界面,便于操作人员熟悉和掌握。编程语言采用功能强大的Delphi。Del2

phi是基于Windows的可视化程序开发工具,通过数据与驱

动的方式调用不同的程序代码,处理方法简单直观,功能强大。本装置的上层软件充分利用了Delphi语言的特点,创建的应用程序人机界面友好,操作方便,可移植性好。该软件完成二次数据处理及各模块的显示。该监控软件具有如下特点:

①可视化。具有友好的人机界面,使用户从繁多的数据中直观找出自己关心的参数,监视电网运行状态。

②模块化。

③多任务。监控软件的组成模块之间是一个多任务的

并行过程。采用Windows操作系统可以利用其特有的多线程的方法来实现。

④开放式。

⑤动态化。波形和分析图形动态刷新,直观反映现场运行状态的变化。

⑥实时性。

上位机软件的功能模块包括与现场监测装置数据通信模块、数据处理模块和人机交互模块。

A.与现场装置数据通信模块:采用请求回答的方式,上

位机首先向现场监测装置发送一个请求监测装置发送数据的命令,监测装置以终端的方式向监测中心会送数据;

B.数据处理模块:对监测装置发送来的数据根据电能质

量的标准进行二次分析、统计,进行进一步的处理;

C.人机交互模块:主要用于接受用户的命令,实现各功

能界面间的切换。

4.结束语

本文开发的电能质量监测系统采用DSP技术,实现了对电能质量数据的实时监测。为满足建设电能质量监测的需要,上位机软件对电能质量数据进行实时分析,并同时提供了良好的人机界面。整套系统稳定可靠,操作方便,便于工程人员进行本地操作和维护。为将来开发更完善的电能监测系统打下了坚实的基础。

参考文献:

[1]高佳,等.新型嵌入式电能质量监测装置的设计.现代电子

技术,2005,16.

[2]潘洪湘.基于DSP新型电能质量监测装置的研究[硕士学位

论文].华北电力大学,2004,2.

[3]燕莎.基于DSP与单片机双机系统的电能质量监测装置.西

安航空技术高等专科学校学报,2005,9.