电能质量监测仪设计(大连理工)

电能质量监测仪设计

（大连理工大学硕士学位论文）

摘要

电能质量监测仪是一种用于监测电网运行状态的的工业仪表。它能实时提供电压、电流、有功功率、无功功率、频率等电能质量的基本参数，而且能对电力系统的谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量指标进行分析，为电力部门对电能质量的监测提供了强有力的支持。本电能质量监测仪主要是以数字信号处理技术为核心，采用更灵活、更准确的数字信号处理算法进行数据运算，并且使用了新的数据处理方法，实现了对电能质量各种指标的精确计算和分析，减少了硬件成本，使电能质量监测更符合数字化技术发展的需要。

该监测系统采用了TI公司的16位定点DSP芯片TMS320LF2407A、电压和电流精密互感器、抗混叠滤波电路、六通道同时采样的高速A/D转换器ADS7864、键盘、图形液晶显示器、RS一232串行通讯接口等，硬件成本低，简便易用。

关键词:电能质量监测仪;１６位定点ＤＳＰ;数字信号处理

电能质量监测仪设计

O前言

随着我国电力市场的逐步建立，对电能质量提出了越来越高的要求。电力用户也要求高质量的电能来保证其设备、仪器和系统的正常运行。但是，随着现代科学技术的迅猛发展，一方面，由于电力电子设备的应用领域越来越广，特别是各类冲击负荷和非线性负荷容量的不断扩展，使得电网中电压波形发生畸变，电压波动、闪变和三相不平衡等

问题时有发生，严重地影响了电能质量;另一方面，由于人们越来越多地使用精密和复杂的电子设备，如计算机、通信设备以及各种过程控制系统来处理和管理工作过程和事务。这就要求高质量和高可靠性的配电系统，以提供与之相适应的电能。而且，随着电力工业的飞速发展以及电网的不断扩大，电力运行对电力调度自动化水平的要求和安全性的要求越来越高，电力调度需要各种功能更为齐全、操作更为简便的各种电力检测仪器仪表。但是，目前为止用于监测电网用户端电能质量的仪器仪表并没有普及使用，而且随着电力工业的发展和电能质量概念的逐步深化，电能质量监测发生了新的变化。以前用单片机组成的电能质量监测仪不仅计算能力不强、运算速度慢，且不太适合做数字信号处理用。基于此，为了能对新形势下电力系统的电能质量进行监测与测量，研制了基于DSP的电能质量监测仪。它的主要应用对象包括变电所、用户变电站、公用变电站和设备配电线路等终端，并可以作为电能质量分布式数据采集系统的测量装置终端，

适用于地理比较偏远、环境比较险恶的地方。

所谓电能质量，是指将发电厂发出的电能看作一种商品，从而对它的各种技术指标作出规定，以判断其是否合格。在理想的交流供电系统中，三相交流电压是平衡的，电压和电流的波形呈正弦波都处于无畸变状态。然而，在实际情况下，电能在输送过程中会受到各种用电负荷的影响，到达用户的电可能会偏离正弦波形而发生畸变。由于高压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉和电动机车等的应用，使得电压及频率的稳定会受到负荷波动的影响，使电网中的谐波污染、

三相电压的不对称性以及电压波动和闪变日趋严重。同时，由于上述负荷的存在，使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。当非正弦波形的电流在供电系统中传输时，将迫使沿途电压下降，其电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变。这种电能质量的下降会给电力系统和用电设备带来严重的危害。电网中谐波含量的增加，将导致电气设备的寿命缩短，电网损失加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，严重时会造成危险的过电压、过电流。同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪表指示和电度计量不准、使通信系统受干扰等一系列问题。由于电能质量关系重大，引起世界各国的广泛重视。美国、欧洲等发达国家己进行了多年的研究，获得了大量的数据，并取得了重要的理论和应用成果。我国对电能质量的研究正处于起步阶段，但也取得了较大的进展。早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面。但是，二十世纪八十年代以来，随着新兴负荷的出现对电能质量的要求更高，还需要设法解决诸如失去电压、电压跌落和开关暂态等多方面的电能质量问题。目前，美国电气电子工程师协会工业应用协会(IEEEIAS)和电力工程协会(IEEEPES)、国际电工委会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)等学术组织都开始对这些问题进行了专门的研究。在国内，电能质量问题也己引起电力工作者的广泛重视。由于出发点不同，电能质量存在很多不同的定义:电力公司常将电能质量定义为供电可靠性并用统计数字来表示，而设备制造商则将电能质量定义为能使设备正常运行的供电特征，因此不同的设备制造商往往采用不同的电能质

量指标。从用户方面考虑，电能质量定义为:导致用户设备失效或不能正常工作的电压、电流或频率偏移。电能质量是其实质是电压质量，主要描述供电电压偏离其理想状态的程度。其内容主要涉及以下几个方面:

(1)频率偏移

频率偏移是电能质量的一个重要指标。它定义为电力系统基波频率偏离额定频率的程度。大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。我国《电力工业技术管理法规》规定，大容量电力系统的频率偏移不得超过士0.ZHz。一些工业发达国家规定频率偏移不得超过士0.IHz。

(2)长时电压偏移

长时电压偏移是衡量电能质量的另一个重要指标。它定义为持续时间超过1分钟，稳态工频电压有效值超过规定限值的所有电压偏移，包括过电压、欠电压和持续失去电压三种情况。常用电力网中各节点电压值对其额定值的偏移大小来表示，一般规定长时电压偏移的大小应在额定值的士10%之内。

(3)短时电压偏移

短时电压偏移包括电压跌落、电压升高和失去电压。电压跌落是指工频电压或电流降低到0.lp乒一0.gpp之间，持续时间在0.5个周波到1分钟之间的电压质量问题。电压升一高是指工频电压或电流有效值上升到1.lp林一SPp之间，持续时间在0.5周波到1分钟之间的电压质量问题。失去电压指的是供电电压或电流降到0.IPp以下，持

续时间不超过1分钟的电能质量问题。

(4)电磁暂态

电磁暂态是指电力系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时，电压或电流数值的暂时性变化。产生电磁暂态的主要原因有雷电波冲击和电力系统故障等。电磁暂态可分为冲击暂态和振荡暂态两类。冲击暂态定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，变化是单方向的。振荡暂态定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，变化是双向的。

(5)三相不平衡

不平衡定义为相电压或相电流对于三相电压或电流平均值偏移的最大值。在三相电力系统中，三相不平衡的程度常用负序分量与正序分量有效值之比来表征。根据GB/T15543一1995《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。

(6)波形失真

波形失真定义为理想工频正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量来描述。波形失真主要包括五个方面的内容:直流偏移、谐波、间谐波、陷波和噪声。交流电网中如果出现直流电压或电流，则称为直流偏移。谐波定义为具有供电系统基波频率整数倍频率的正弦电压或电流。间谐波定义为具有供电系统基波频率非整数倍频率的正弦电压或电流。陷波是由于换流器换相而产生的周期性电压干扰。噪声是指叠加在每相电压或电流、中性线或信号线上的频率超过ZOOKHz的不希望的电气

信号。

(7)电压波动和闪变

电压波动是指电压包络线的规则变化或电压的一系列随机变化，但其变化范围在额定值的士10%之内。闪变指的是电压波动对照明设备产生影响，这个影响被人眼主观感觉到了。

对于这些电能质量基本量的测量，以往的一般感应式电压表、电流表、瓦特表、功率因数表以及相位表都不能做出精确的测量，所以对上述基本量的检测需采用数字式采样原理，充分利用数字信号运算以及微处理器的长记忆和运算能力，对多种量值作出较为精确的测量。随着单片机或DSP等微处理器为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展，并得到广泛应用，采用模拟控制量的电能质量控制装置正用数字量控制代替。这有如下优点:可以程序控制，改变控制方法或算法不必改变控制电路;提高了系统稳定性、可靠性和灵活性，系统不受温度影响;可重复性好，易调试和批量生产:易实现并联运行和智能化控制。单片机和DSP的高可靠性、高稳定性以及它们的很强的处理能力，由单片机或DSP组成电能监测系统是简便易行的途径，有着广泛的应用前景。本电能质量监测仪主要是以数字信号处理技术为出发点，对电能质量各种指标进行计算和监测，采用更灵活、更准确的数字信号处理算法程序进行数据处理，减少硬件的成本，使电能质量监测符合数字化技术发展的需要。这些数字信号处理技术包括同步技术、实数快速傅立叶变换(FFT)技术、各种数字滤波技术等。通过这些数字技术的应用，本电能质量监测仪能比较准确的测出电网中的谐波，

计算分析出电压波动的大小，以及闪变的大小和电网中电压的偏差，频率变化的大小等各种电能质量指标的数值。然后分析计算得到各次谐波电压含有率、各次谐波电流含有率、电压总谐波畸变率、基波电压和电流、电压和电流有效值、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数等参数的大小，反映出电能质量的水平。通过这些数据分析电网的状态，以此了解公用电网电能质量的水平和存在的问题，找出电网受哪些因素影响，找出产生电网电能质量下降的部分，为电力部门提供电力系统运行的基本状态和性能情况，从而对公用电网的性能做出正确和全面的评估。这样我们可以通过对电网产生干扰和影响的地方进行检查和维修，避免电力部门和用电厂家电力设备的损耗，提高用电效率和用电质量。同时，向用户汇报和提供报告，以便用户了解电能的性能情况，正确选择适应于电能的用户系统。总之，此电能质量监测仪必须比较真实准确的反映出电网和用电部门中电能质量的当前实际状态和电能质量水平，以此作为标准和依据对电网中的电能进行监测和维护。

在这五个国家标准范围之内进行设计和研制电能质量监测仪。

本文在借鉴了很多已有设备的功能和特性的基础上，利用数字信号处理技术设计开发了电能质量监测仪。该监测系统采用了16位定点DSP芯片，三相电压和电流输入通道、高速六通道同时采样A/D转换模块、键盘、图形液晶显示、串行通讯等。输入电压范围为0一100V，输入电流范围为0一5A。软件部分包括同步采样算法、FFT 算法、数字滤波、键盘控制、图形液晶显示等，通过编程手段尽量降

低硬件成本。

本装置采用TI公司的

TMS320LF2407A芯片作为硬件设计的基础，实现电能质量中多个参数的计算任务。为了满足自动化发展的要求，本系统提供了液晶显示界面、键盘控制等，同时提供了通讯接口，以实现与其它系统的信息共享。