基于DSP的電能質(zhì)量在線監(jiān)測設備在電網(wǎng)中的應用

電能質(zhì)量在線監(jiān)測設備是電網(wǎng)電能質(zhì)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(nèi)外生產(chǎn)的電能質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量在線監(jiān)測終端。
新型GDDN-500系列數(shù)字電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置具有按國標要求采集電能質(zhì)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由電能質(zhì)量監(jiān)測終端、中心站及分析軟件組成。?
1.1 電能質(zhì)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(zhì)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(diào)制解調(diào)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(zhì)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(zhì)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(diào)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(zhì)量監(jiān)測終端軟/硬件構成?
電能質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhì)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(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、GB/T 15543-1995 《電能質(zhì)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