电能质量监测系统中的数据处理技术

第36卷第2期四川大学学报(工程科学版)V ol.36N o.2 2004年3月JOURNA L OF SICH UAN UNIVERSITY(E NG INEERING SCIE NCE E DITION)M ar.2004文章编号:100923087(2004)022*******

电能质量监测系统中的数据处理技术

何金定,肖先勇3

(四川大学电气信息学院,四川成都610065)

摘　要:针对当前电能质量监测数据处理方法的不同,提出了基于数据预处理、分析时间间隔的合理选择和生成日统计文件的数据处理方法。根据IEC国际标准在下位机中设定有效测量时间,然后在监测系统中按指定格式读取监测点采集数据文件,在上位机中得到了清晰、明了的图形并能快速生成各类统计报表。通过这种数据处理方法,使整套电能质量监测系统达到工程实用的水平。

关键词:电能质量;监测系统;数据采样;数据处理

中图分类号:T M73文献标识码:A

Data Processing Method in Pow er Q uality Monitoring System

HE Jin2ding,XIAO Xian2yong

(School of E lectrical Eng.and In fo.,S ichuan Univ.,Chengdu610065,China)

Abstract:As currently there are various data processing methods in power quality m onitoring system,this paper put for2 ward a new data processing method based on data pre2processing,reas onable choice of time interval for analysis and gen2 erating daily statistical file.According to IEC international standard,it is effective to get clear and explicit graphs and quickly generate different statistical reports in controlling center by adopting the effective measuring time in collecting ap2 paratus and reading the data file of m onitoring spot in accordance with appointed format in m onitoring system.With this method of data processing,the whole m onitoring system of power quality can be effectively applied in practical project. K ey w ords:power quality;m onitoring system;data sam pling;data processing

随着社会的进步和发展,电能质量问题已经成为电力系统的重大课题。一方面,随着非线性负荷的不断增加,造成电能质量问题的各种因素不断增长,如电力电子技术的发展及其在工业和交通部门的广泛应用;另一方面,各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及,人们对电能质量及可靠性的要求越来越高[1,2]。

为了清楚了解系统中的电能质量问题,作者所在课题组使用Micros oft公司的VB6.0作为开发工具

收稿日期:2003205205

作者简介:何金定(19782),男,硕士生.研究方向:电力市场及电能质量控制.

　3通讯联系人成功地开发了一套电能质量监测系统,达到了能够监测电能质量各项指标运行情况的水平,并已投入实际电力系统运行。VB6.0作为可视化通用编程工具,一直以其可视化程度高、开发简单快捷而著称,可视化编程环境的“所见即所得”功能,使界面设计变得容易,从而让编程更加轻松。

1　电能质量监测系统的构成

电能质量监测系统主要由电能质量监测的下位机(即监测仪)、上位机(即用户操作所用的计算机)以及应用软件系统组成。

1.1　下位机系统的构成

1)数据采集部分,包括数据的采样和计算;

2)数据处理,计算处理各种电能质量指标数据,

包括频率、电压不平衡度、电压波动与闪变、电压偏差、负序电流、谐波含有率等;

3)数据通信传输部分,包括下位机内部数据通信传输(主要是与DSP 通信)和与上位机之间的通信传输(主要是通过M ODE M 和网络通信)。1.2　上位机系统的构成

1)通信传输部分,与下位机间的数据通信与传

输;

2)接收电网各下位机的电能质量数据,进行分析统计,形成文件、报表及曲线,显示数据和图形(如

频谱图、趋势图、曲线图、散点图、向量图等);

3)数据文件管理系统,主要是系统管理监测点数据文件。

图1为整个监测系统的软件构成

。

图1　电能质量监测系统的软件构成

Fig.1　Softw are architecture of pow er qu ality moni 2

toring system

2　下位机系统中的数据流程、数据预

处理及电能质量指标的计算方法

2.1　数据流程

从监测仪启动开始,就开始了对监测点数据的采样、分析、处理,然后生成监测点一天的采集数据文件。图2给出了监测仪在1小时内的数据流程。2.2　数据预处理

由于在现场实测信号中,不仅包含由基波及各次谐波叠加而成的合成信号,而且还包含噪声信号,噪声信号的存在会大大影响电能质量的测量精度,这样在谐波分析、信号频率的确定等方面会有很大的误差[3]。本文采用FFT (Fast F ourier Trans form ,快速傅立叶变换)原理[1]进行数据的实时处理。在实际应用中要得到准确的FFT 运算结果,必须满足Nyquist 采样定理的要求,防止频谱混叠的发生,而

且根据FFT 算法的要求,采样点应均匀分布在一个信号周期内,即应当实现严格的同步采样,否则就会引起信号的频谱泄漏,带来很大的测量误差,特别是对高频分量,计算出来的值就没有可信性。因此,需要对采样值进行数字信号预处理,以减少误差。图3给出了整个数据预处理流程

。

图2　电能质量监测仪1小时数据流程

Fig.2　Date flow of pow er qu ality monitoring app ara 2

tus every one

hour

图3　采样信号预处理流程

Fig.3　Pre 2processing flow of sampling signal

如图3所示,在整个过程中,采用了软件同步采样法。目前常用的同步采样方法主要分为硬件同步和软件同步两大类。硬件同步方法是一种预防式方法,主要采用锁相环电路来实现跟踪信号频率的变换,从而实时调整采样速率,实现同步采样,但是其硬件结构比较复杂,在测量较大的畸变波形时误差较大。软件同步方法是一种补偿式方法,主要采用准同步采样、加窗、加窗-插值等技术,来补偿和减

9

9第2期何金定,等:电能质量监测系统中的数据处理技术

少误差。当采样数值经去噪处理后,通过一个45H z ～55H z 的窄带滤波器,保证采样数值过零点的唯一性,然后通过软件同步求得采样信号的周期值,以得到与工频信号同步的采样频率,进而控制对原始数据的线性插值。最后,对插值所得数据进行FFT 变换得到谐波的幅值和相位。2.3　各电能质量指标的计算方法

采样信号经FFT 得到各次谐波分量的实部

u r (k )、虚部u i (k ),然后通过公式计算各电气量(以

电压为例)。

幅值U k =U r 2(k )+U i 2(k );相角θk =arctan (U i (k )/U r (k ));

谐波电压含有率HRU k =U k /U 1×100%;总谐波畸变率

THD U =(

6

N

k =2

U k 2

/U 1)×100%=

6

N

k =2

(U k %)2;

电压波动d =(U max -U min )/U N ×100%,

式中,U max ,U min 分别为工频电压调幅波的相邻两个极值电压(均方根值)。

电压闪变不仅与电压波动的大小有关,而且与波动的频率以及人的视感等有关。人眼对频率为10Hz 的电压波动最为敏感,这种刺激的不适感宜用一段时间的平均值来衡量,国际上规定为1min 。因此,由ΔU 10值来衡量电压闪变的强度。

ΔU 10=6αf

2ΔV f

2。

式中,αf 为电压调幅波中频率为f 的正弦分量的视

感度加权系数;ΔV f 为电压调幅波中频率为f 的正弦分量1min 均方根值,以额定电压的百分数表示。以系统中的负序分量与正序分量的比值来计算三相不平衡度ε。对交流采样得到的数据进行数字

处理得到各相基波电压U ?

a ,U ?

b ,U ?

c ,再根据对称分量法分别求负序、正序基波电压,可求得ε。

3　趋势图分析时间间隔的选择

电能质量监测系统,是根据我国颁布的电能质量各项国家标准[4],同时参考IEC 61000-4-7国际

标准[5]以及发达国家电能质量的监测和管理经验而设计、研发的,并同时具有网络化管理的功能。该系

统的应用对象主要是电力部门的各级配电网、变电所、电厂,以及各种大中型企业、用电大户,或对用电质量有特殊要求的用户。它可以实现电能质量长期、不间断的监测和分析。建立监测点的目的是为了能够真实反映系统在该点存在的电能质量问题,从监测仪中所获得的采集文件中的各项数据越详细越好。根据IEC 国际标准,在下位机中的采集文件是按3s 时间间隔所采样生成的,这个时间间隔在IEC 中理解为有效测量时间。但是根据这个按3s 所生成的数据文件进行图形分析时,由于数据量较大(按一天24小时计算,每3s 生成一次采样数据,那么对应于某一项指标,一天就有24360320=28800个数据),这样所作出的趋势图等势必会混成一团,不能清楚地反映整个趋势变化。

本文根据一天的实测数据(取自100M VA 直流电弧炉用户的母线150kV ),在表1中对比了几种时间间隔所得到的3次、5次和7次谐波电压和谐波电流的最大值和95%概率大值。从表1中可以明显地看见3s 、30s 以及1min 这3种时间间隔所获得的谐波电压和谐波电流的各项数据仅有微小差别,而2min 时间间隔则与3s 时间间隔所得的各项数据相差较大。在图4中分别显示了按1min 、2min 时间间隔所作出的3次谐波电压、谐波电流一天的趋势图。从图中可以看出,按1min 时间间隔所作出的谐波趋势图相当清楚、明了,是真实反映系统运行情况的。而与按2min 时间间隔作出的3次谐波电压、谐波电流趋势图相对比,很明显按2min 时间间隔得到的数据文件中是丢失了许多重要数据的,因此,也就造成了在表1中所得到的最大值、95%概率大值等统计值不准确,因而不能为实际生产提供有价值的参考数据。

因此,经过数据处理后,按1min 的时间间隔作出相应的趋势图,这样就能得到较为清楚的趋势图,而且才能真实反映系统的运行情况。

表1　按各种采样时间所得的一天数据对比

T ab.1　Contrast of d ata for different sampling time interval during one d ay

谐波次数谐波电压/%

3s

30s

1min

2min

最大值95%大值最大值95%大值最大值95%大值最大值95%大值谐波电流/A

3s

30s

1min

2min

最大值95%大值最大值95%大值最大值95%大值最大值95%大值

3次 2.3110.4331 2.3100.4517 2.3080.4465 2.2410.4372202.551.94202.251.98202.351.96202.055.795次0.32710.16960.32690.17000.32690.17050.29000.1859 2.2350.8685 2.2340.8695 2.2300.8696 2.132 1.0677次

0.1709

0.1111

0.1702

0.1116

0.1701

0.1119

0.1702

0.1046

1.320

0.3884

1.320

0.3892

1.318

0.3895

1.113

0.6972

001四川大学学报(工程科学版)第36卷

图4　按1min 、2min 时间间隔所作出的谐波趋势图对比　Fig.4　Contrast h armonic trend graphs with interval of

one minute and tw o minutes

4　监测点日统计文件的生成

监测点采集数据文件是按IEC 国际标准3秒采样时间所生成的,此数据文件是用户每次使用监测系统都需要的,从而导致用户每次使用时(如查看统计报表等)都要从这个较大的数据文件中读取各项数据,这样的直接后果是用户使用时由于数据处理量过大而使系统运行速度太慢。 为了解决上述问题,采用生成了一个日统计文件的处理方式。由于统计报表所需的是各项电能质量指标的统计值,即各项指标的最大值、最小值、平均值、95%概率大值等,因此,根据监测点的采集数据文件计算出各项指标的统计值,然后生成一个日

统计文件,图5显示了该文件的生成过程。非常明显,该日统计文件的大小远远地小于采集文件的大小,从而大大提高了系统的运行速度,也就能够充分体现本监测系统的高效性与实用性。

5　结束语

电能质量问题日益倍受关注,电能质量监测的

数据文件处理方法也是各种各样的。本文系统提出开放式电能质量监测系统中的数据处理方法,根据IEC 国际标准设定监测仪中数据采样时间,并给出下位机的一天数据流程图及数据预处理流程,并为了在上位机中查看趋势图等图形的时候,能够看到形象、直观的图形,在监测软件中对采集数据文件进行

了处理,使监测软件能够在保证真实反映系统运行的电能质量问题的前提下,能够确保其实用性。

通过采用生成一个日统计文件方式,大大减少了上位机系统运行时的数据处理量,从而提高了系统的运行速度,最终达到实用的目的。本文中的电能质量监测系统在四川省某电业局实际运行后,证明能够真实地反映该电网电能质量真实情况,说明本系统具有实用价值。

图5　日统计文件的生成

Fig.5　G enerating d aily statistic d ata file

参考文献:

[1]吴竞昌.供电系统谐波[M].北京:中国电力出版社.1998.63～161.

[2]Chowdhury H B.P ower Quality [J ].IEEE P otentials ,2001,20

(2):5～11.

[3]潘贞存,陈　青,王　慧,等.电能质量及其检测方法的研

究[J ].山东电力技术,1997,(5):55～58.

[4]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压电流和

电能质量国家标准应用手册[M].北京:中国电力出版社,

2001.265～298.

[5]IEC 61000-4-7:1991E lectromagnetic compatibility (E MC )

-Part 4:T esting and measurement techniques -Section 7:G en 2eral guide on harm onics and interharm onics measurements and in 2strumentation ,for power supply systems and equipment connected thereto[S].

(编辑　张凌之)

1

01第2期何金定,等:电能质量监测系统中的数据处理技术