基于网络的用户侧电能质量监测仪设计

2019-11-03 18:02:28

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供稿：网友

王宾　潘贞存　山东大学电气工程学院

　　摘要：直接影响用户的电能质量问题主要出现在配电系统和低压侧，而目前的电能质量监测系统主要是基于中高压系统侧来考虑的或者是简单的手持式监测仪，均不能满足普通用户的监测要求。本文分析了与普通用户密切相关的电能质量指标，指出从墙上电源插座采集电压信号，就可以完全掌握普通用户的电能质量状况，在此基础上提出了基于普通用户侧的电能质量监测仪的思路，探讨了相关的网络结构和关键技术方法。

　　关键词：电能质量监测；网络；普通用户

0 引言

　　电能质量监测是获得电能质量信息的直接途径。以前，关注电能质量问题的主要是系统工程师以及相关的技术人员，然而随着社会的快速发展，越来越多的低压普通用户开始关注电能质量问题，如：IT行业公司关心其计算机服务器能否正常工作(若电压幅值下降大于10％，持续时间大于0.1 s，其系统有可能紊乱)，而且直接影响用户的电能质量问题主要出现在配电系统和低压侧[1]，因此有必要从普通用户的角度，来重新认识电能质量监测的相关技术和装置。

　　目前的电能质量监测装置主要分两大类：分布式电能质量监测系统以及手持式电能质量监测仪。前者主要是基于系统侧来考虑，分布于各个变电站和关键用户接入点处的电能质量监测单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个电网的电能质量分析[2,3]。这种监测方式功能完备，可以完成整个电网的电能质量各项指标分析、谐波污染源的定位、暂态电压质量持续监测等功能，但是成本高，缺乏灵活性。手持式电能质量监测仪，如莱姆(LEM)、福禄克(FLUKE)等系列仪表，它们操作灵活方便，可以实时监测电能质量各项指标，但是无法完成数据的横向比较以及统计性指标的分析，特别是对暂态电能质量指标的统计，不能满足测量要求，必须发展新的监测技术。

　　本文分析了与普通用户密切相关的电能质量指标，在兼顾测量灵活性和功能完备性的基础上，提出了基于网络的普通用户侧电能质量监测仪的思路，探讨了相关的网络结构和关键技术方法。

1 电能质量监测仪结构分析

　　电能质量问题可以分为电压质量问题和电流质量问题两部分。实际供电过程中，系统可以控制的仅仅为用户电压，无法控制用户汲取的电流量。因此与用户密切相关的电能质量指标主要为电压指标，如：电压波动、闪变、电压跌落、骤升、短时断电等。电流质量问题主要为谐波问题，它在一定程度上也可以在电压谐波中得到反映。因此对于普通用户而言，从墙上电源插座引入输入量，仅仅采集相关的电压信号，就可以完整的描叙其电能质量状况。

　　在实际应用中，对用户而言，电能质量监测仪可以假想为一个黑匣子，如图 1，它具有的仅仅是一端输入和一端输出。输入可以直接从墙上的普通电源插座采集电压信号，输出为一个以太网口和(或)一个RS232接口。这样，用户只需插上电源插座，然后就可以通过以太网查看监测数据和分析结果，或者通过RS232串口总线实现点对点的本地监测。这种监测方式操作灵活方便，而且采用这种方式组成的监测网是一种完全分布式的监测系统，可以很好的完成不同监测点的数据横向比较以及统计性指标的分析。

2 基于用户侧的电能质量监测仪组网结构分析

2.1 点对点监测方式

　　点对点监测包括两种方式：采用RS232串口总线实现点对点的本地数据传输以及基于以太网通信的远程点对点监测。

　　采用RS232 串口总线实现点对点数据监测，适合现场的数据观察。它成本低，仅仅需要一台笔记本电脑或PC机与监测单元相连，就可以实现数据的监测分析，而且灵活方便，只要墙上有电源的地方就可以监测。数据的分析统计由安装在笔记本电脑或PC机的上层软件包完成，它可以完成对本监测点实时、历史数据的存储和处理，但是缺乏不同监测点间数据的横向分析。

　　基于以太网通信的远程点对点监测，与基于RS232串口数据通信的点对点监测类似，它们的数据处理方式相同，只不过是数据传输的方式不同。基于以太网通信的点对点监测更适合于远方数据监测，但是这种方式对网络的依赖性比较高，在以太网未普及的地方，这种方式的成本将大大的增加。

2.2 分布式以太网监测系统

　　利用现有以太网(因特网)的丰富资源，组建以太网分布式监测系统是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。基于客户/服务器模式的分布式以太网监测系统，不仅可以实现远方数据监测，而且可以借助电能质量分析服务器和数据库服务器，实现较高层次的数据分析和存储，系统拓扑图如图2所示。

　　在以太网监测系统方式下，客户端监测单元软件主要响应远程服务器的命令，将带有时间标签的采样数据进行压缩后上载到远程服务器端。

　　服务器系统包括主站控制服务器、数据库服务器和运算分析服务器。主站控制服务器提供WWW方式的页面浏览服务，可进行用户实时数据显示、用户信息查询以及反馈分析结果给用户。实时数据、历史数据存放在数据库服务器。各种计算软件包在运算分析服务器中运行，它通过访问数据库服务器，获得设计数据和运行数据，并将计算结果反馈给主站控制服务器。

3 电能质量监测仪硬件设计要求

　　如图1，电能质量监测仪内部主要由四部分组成：输入调理模块、数据处理模块、网络通讯模块、以及电源模块。

3.1 输入调理模块

　　输入调理模块的关键技术在于对220V电压信号的精确采集。传统的电压传感器采用电磁型互感器，其设计时仅仅考虑精确传递50HZ的标准正弦波，因此电磁型互感器二次侧很难真实反应一次侧待测电压电能质量指标。

　　基于霍尔原理的霍尔电压传感器克服了电磁型互感器只适用于50HZ工频测量的缺点，它具有如下的特点[4]：

　　a. 可测量任意波形的电压，可以对瞬态峰值参数进行精确的测量；

　　b. 精度高，在工作区内优于1％，而普通互感器精度一般为3％～5％；

　　c. 线性度优于0.1％；

　　d. 动态性能好，响应时间小于1μs，普通互感器的动态响应时间一般为10～20μs；

　　e. 工作频带宽，可在0～100kHz内线性工作；

　　f. 过载能力强，可靠性高，不会因此发生爆炸或烧毁；

　　g. 尺寸小，重量轻，易于安装。

　　如图3，霍尔电压传感器只需外接正负直流电源，被测电压母线只需接于原边端子，然后在副边端再作一些简单的连接即可完成主电路与控制电路的隔离检测，电路设计非常简单。

3.2 数据处理模块

　　为了精确测量电网中高次谐波值以及对暂态电能质量指标进行实时测量，必须保证较高的采样频率，在扰动发生过程中(如：陡波前瞬态过电压)采样频率要求达到兆级。传统的51、80C196等单片机的指令周期最多能够达到160ns，一条指令执行时间最短为1μs，很难满足数据处理的要求。

　　数字信号处理(DSP)技术的快速发展，为电能质量数据处理提供了理想的方案。高性能的数字信号处理器采用改进的哈佛结构，指令运行采用流水线结构，其指令周期可以达到20～30ns，可以保证足够高的采样率，从而实现了高精度的同步数据采集处理。

　　电力系统中高次谐波以及暂态电能质量指标的测量对模数转换芯片的要求非常高。根据实测数据，如果采用12位分辨率的模数转换芯片，仅仅因为AD转换精度不够，对15次谐波而言至少会引起1.67％的误差，而且在实际谐波测量中我们一般测到30次谐波以上，这样产生的误差影响会更大，高次谐波测量数据将没有可信性。因此电能质量监测仪中模数转换器的分辨率至少应保证为14位以上。

　　此外，在数据处理模块中，必须具有大容量数据存储器(如Flash)、掉电不丢失数据RAM以及时钟芯片(如DS12887)等，保证实时监测数据的存储记忆以及墙上插座断电状态下供电可靠性指标的监测。

3.3 网络通讯模块

　　网络通讯模块主要实现RS232通讯和以太网通讯两部分功能。这两种通讯方式可以组合使用也可以单选其一。RS232通讯是传统的串口通讯方式，它设计简单、应用普及、成本低，在这里就不详细介绍。

　　目前，利用现有以太网(因特网)的丰富资源，组建以太网分布式测控系统是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案，组建以太网分布式测控系统的关键设备是以太网测控网关。结合本套系统的特点，它的组成方式可以采用以下两种方式：

　　第一种是利用单片机驱动以太网接口芯片组成以太网测控网关。这种组合方式可以分为两种情况[5，6]：单片机直接驱动以太网接口芯片(如UM9003、RTL8019、RTL8029、DM9008等)和单片机驱动以太网卡(如ISA总线网卡RTL8019AS、NOVEIL公司的NE2000网卡等)。它们的实质是一样的，只不过是单片机与以太网控制器接口方式不同罢了。采用这种方式灵活性很强、成本低，但是开发周期较长、需要程序员较好的掌握网络接口和TCP/ip等相关的通讯协议。

　　第二种是直接利用单片机驱动硬件协议栈芯片或者采用带有硬件协议栈功能的高级单片机，然后通过内置Modem来连接Internet。典型应用有武汉力源公司开发的网络接口芯片webship PS2000以及PSM2000ACD网络模块、S7600ATCP/IP硬件协议栈芯片、UBICOM公司生产的SX系列单片机SX52BD100等等[7，8]。这种方式采用硬件实现网络通讯协议的转换，大大的降低了软件编程的难度，但是这种方案仍然具有开发周期较长、成本较高的难度。

　　在基于网络的用户侧电能质量监测系统中，低成本、使用灵活是它普及的前提，因此结合本套系统的特点，网络通讯模块的设计中建议使用第一种以太网网关组成方式，采用一片DSP芯片作为数据处理的主CPU，它可以直接驱动以太网接口芯片，也可以采用一片普通单片机(如51系列等)通过双口RAM与DSP实时通讯，然后由单片机来驱动以太网接口芯片，如图4所示。随着电子技术的快速发展，硬件协议栈芯片或者嵌入硬件协议栈功能的高级单片机技术的成熟和普及，采用第二种以太网网关组成方式将是未来的发展方向。

3.4 电源模块

　　正常情况下，基于网络的用户侧电能质量监测仪，从墙上的电源插座采集电压信号，同时也输入220V交流电源，为整个装置的电源模块供电。在突然断电的情况下，电能质量监测仪的工作性质决定其必须正常工作。

　　因此，在本系统中，我们作了如下的设计：正常的情况下，电源模块由220V交流电源供电；在突然断电的情况下，监测系统由电池继续供电，同时监测仪进入低耗状态，仅仅进行数据监测和存储，并不对外通讯；同时为了保证监测仪在电压跌落时可靠的工作，在数据处理模块电源入口处，增加大容量电容进行暂态电压支撑。

4 上层软件设计分析

　　基于网络的用户侧电能质量监测仪上层软件，不仅要能够完成大量快速的数据计算和统计，同时还应具有友好的人机交互能力。在这里主要讨论，支持点对点数据监测的PC机上层软件包，具体的来将，它应当具有以下四部分功能：

　　a. 实时数据显示

　　实时显示电压信号频谱图，以及基波幅值、谐波幅值、谐波总畸变率、频率、电压波动值、短期闪变值、长期闪变值、暂态过电压峰值等指数。

　　b. 数据统计分析计算指定时段的报表数据，如：谐波的复平均值、谐波最大值等；统计分析相关数据的概率分布曲线和参数，如：电压跌落和供电可靠性的统计指数值等。

　　c. 波形辨识功能

　　对监测数据，利用小波分析、二次变换、傅立叶变换、有效值检测以及人工智能等技术，完成扰动的智能辨识分类、谐波源的检测与定位等功能，给用户电能质量指标恶化提供合理的解释和指导。

　　d. 数据记录功能

　　完成不同时段监测数据的管理分类，提供故障录波功能，以及历史数据的查询功能。

5 结论

　　本文分析了与普通用户密切相关的电能质量指标，指出从普通的墙上电源插座采集电压信号，就可以完全掌握用户的电能质量状况。在此基础上提出了基于网络的用户侧电能质量监测仪的思路，探讨了监测仪的结构和关键技术方法。这种监测方式灵活，采用以太网方式组成的监测网是一种完全分布式的监测系统，它适应现代电能质量监测发展的新方向。但是这种监测装置的使用和普及将会受到相关电力政策的影响，比如电力市场的发展水平以及社会和电力系统对电能质量监测的认可等。

参考文献

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摘自　北极星电技术网

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