基于DSP的电能质量监测仪的设计与实现

近年来，随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，如静止变流器，工业交直流变换装置等，会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波“污染”。冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重。这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重干扰电网的经济运行，造成电网的“公害”。另一方面，越来越多的新工艺、新技术设备对供电质量的要求越来越苛刻，如许多工业流水线、机场、银行、精密制造业、计算机网络和服务监控中心等场所的各种设备等。

因此，无论从电网运行的需要考虑，还是从供电用户的需要考虑，加强对电能质量的监测都十分必要。我公司自主研制的GDDN-500C电能质量在线监测装置和PQSMS电能质量管理系统，可构成完整的电能质量在线监测管理系统。GDDN-500系列装置用于前置采集，可实时采集电能质量监测指标，可实现就地显示、存储等功能，并可通过485总线将实时监测数据传送至PQSMS 电能质量管理系统。

电能质量在线监测设备是电网电能质量监督检测网络最基本也是最主要的设备，目前市场上销售和使用的国内外生产的电能质量部分指标(如谐波、不平衡度等)的监测设备，大都不能完全适应我国电网电能质量监督管理的实际需求。河北省南部电网在1996年开始陆续安装谐波在线监测装置，初期的装置在数据存储、数据传输和后台统计分析的功能方面都存在较多的问题。为适应电能质量监督日益发展的需要，根据多年的运行经验和体会，保定国电中科电气有限公司开发研制了GDDN-500系列数字式电能质量在线监测终端。

新型GDDN-500系列数字电能质量在线监测装置具有按国标要求采集电能质量各项参数、在线长时间工作的可靠性高、现场操作方便实用、可与中心站通讯等功能；同时，还可长时间记录、存储数据且读取数据方便。该装置采用与国外最新产品同等的DSP数字信号处理器和高速多路AD同采技术，在数据处理与显示存储上采用双DSP结构设计，功能强、便于操作与软件升级。　

1. 功能与构成 　

电网电能质量监测系统由电能质量监测终端、中心站及分析软件组成。　 1.1 电能质量监测终端　

输入三相电压100V、三相电流5A或1A进行数据信号处理，采用FFT计算出各次谐波电压、电流的幅值及相角。计算不平衡电压、电流，计算三相电压、电流、电压合格率、频率、有功功率、无功功率及功率因数等技术数据并显示。负责数据的处理、存储以及与中心站之间的通讯连接和数据传输，形成变电站报表。

电能质量监测终端的主要功能如下。　

a.输入信号为TV、TA二次侧三相电压(100V)、三相电流(5A或1A)。

b.带有公话MODEM接口，可以在中心站方便地拨号连接接收数据。 c.大屏幕(320×240)背光LCD图形显示。

d.中文图形(频谱图、波形图、曲线图、向量图)操作界面。

e.终端可存储超过一年的数据，存储数据为3min或5min一组数据包。 f.带有局域网连接接口，可用笔记本电脑在现场抄录数据。

g.多参数综合测量，实时定点报警，可设定参数值、参数报警状态。 h.谐波电压、电流，负序电压、电流超限报警出口继电器。　 1.2 中心站及分析软件

中心站通过调制解调器或网络接受处理器的数据，进行统计分析，形成文件、报表及曲线，并可显示数据和图形(如频谱图、波形图、曲线图、向量图等)。它可以管理多台电能质量监测终端，对收集到的数据进行分析与处理，可以对某一时段或某一事件过程时段的电能质量进行分析、形成报表，自动形成日、月和年报表，自动找出谐波含有率超标的时段与线路，计算电压合格率与供电可靠性。 中心站为客户机——服务器方式，数据存放在服务器的数据库中，可以方便地调用与查询。

2. 主要技术指标　 2.1 测量项目

该装置采用(220±15%)VAC或[(220 +10%)～(220-15%)]VDC 电源，可测量的项目包括：电压、电流、频率，电压合格率，有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，电压不平衡度、电流不平衡度， 谐波电压、谐波电流(至50次或更高)、谐波相位、谐波功率、总畸变率等。　 2.2 测量精度

电压测量：±0.2%　 电流测量:±0.2%　

电压不平衡度测量误差：≤0.2%　 电流不平衡度测量误差：≤1%　

频率测量：47～53 Hz，精度为±0.01Hz(50Hz)　 信号转换精度：16bit 　 采样频率：12.8kHz/通道　

3. 电能质量监测终端软/硬件构成　

电能质量监测终端的硬件由 TA/TV及信号预处理、DSP处理器、、LCD显示器(VGA单色带背光)、网络适配器、电源等构成。 电能质量监测终端的软件由DSP软件构成。　 3.1 DSP软件　 3.1.1 DSP原理　

监测终端采用TI公司的320C2XX系列的TMS320F240芯片，考虑到该芯片内部存储容量有限，在DSP部分扩展了高速SRAM和EEPROM。系统最终设计需要在每个工频周期内采集1024个点(6路同采)，需要进行1 024点的6路基2 FFT变换计算，这样就需要较快的时钟频率，在本装置中DSP的内部时钟近40MHz。　

在DSP处理部分外扩了快速的16bit 高精度AD变换器，该AD变换器可以

进行6路同时采样，为准确计算有功、无功功率、正/负序提供了保证。　 3.1.2 DSP 的构成与功能　

a.数据采集部分，包括频率的采样与计算，AD变换器的6路同时采样。\" b.数据处理，将采集的数据变换格式。 c.FFT变换计算。

d.数据传送，将DSP的数据传输至PC104。　 3.1.3 输入和运算

输入三相电压、电流，测频率，1024或512点AD转换(其中AD采用双6路同采高速AD变换器)，经FFT变换，计算方均根值后，上传数据。根据需要，在数据传送时，只传输31或61次谐波或更高次谐波。

进行FFT运算，每0.5s取31次(或61次)谐波，每3s取6次计算方均根值，公式为：　

式中 Uhk——3s内第k次测得的h次谐波方均根值。　 3.1.4 数据传送

按每0.5s上位机给定的脉冲，每3s上传一次数据。以31次谐波为例，每组数据如下。 a.频率f。

各次谐波分为实部、虚部，以U　a的相位为基准相位。 3.2 PC104部分　

PC104工控板采用了集成度较高的PCM-3336板，该板带有软盘和硬盘接口，可以直接驱动320×240的LCD单色显示器，2路RS232C串行接口，1路打印机并行接口，可以直接带键盘和普通显示器。该板的BIO设计可以连接高达15 G的硬盘，为方便使用并确保可靠性，硬盘采用电子盘或笔记本硬盘。 工控板有WATCH-DOG功能，工作不正常时，自动复位。

负责数据的处理、存储、显示，电能质量监测终端与中心站之间的通讯连接及数据传输，形成变电站报表。向DSP发0.5 s脉冲，收集DSP数据。　 3.2.1 PC104的软件构成　

a.计算处理各种数据，包括电压、电流、有功、无功、正负序、电压不平衡度、电压合格率、谐波含有率等。　

b.以图形方式在LCD上显示电压、电流基波及各次谐波的幅值、相角，电压、电流的矢量图，电压电流波形。

c.通讯传输功能，包括与DSP的通讯、与MODEM的通讯和网络通讯。 d.参数输入，包括电压电流变比、电压上下限、谐波含有率的超限设置等。 3.2.2 接收DSP数据

从DSP接收的数据为暂存数据，有频率 、三相电压、三相电流及对应的正负零序分量及各次谐波分量(分实部、虚部，共2×3×个数据)。　 3.2.3 谐波与不平衡度指标的计算　

谐波与不平衡度相关指标的计算依据GB/T 149-1993 《电能质量公用电网谐波》、GB/T 153-1995 《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，具体公式如下。

3.2.3.1 谐波计算(每读一组数据计算一次) a.第h次谐波电压含有率　

式中 Uh——第h次谐波电压(方均根值)； U1——基波电压(方均根值)。 b.第h次谐波电流含有率

式中 Ih——第h次谐波电流(方均根值)； I1——基波电流(方均根值)。 c.谐波电压含量　

f.电流总谐波畸变率　

g.第h次谐波功率、相位　

3.2.3.2 谐波最大值和概率值的计算

a.谐波最大值(各次值及总畸变率)的计算

b.95%概率值的计算

计算测量时段内各相实测值的95%概率值和其中最大一相的值，并存储。 3.2.3.3 谐波超限报警

测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。　 3.2.3.4 电压、电流不平衡度

计算电压、电流不平衡度(每3s读一组数据计算一次)，计算电压、电流不平衡度95%概率值。 a.取不平衡度最大值

b. 95%概率值。计算测量时段(统计周期)内的95%概率值。 3.2.3.5 不平衡度超限报警

测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。 3.2.4 电压合格率

3.2.4.1 计算电压(每3s读一组数据计算一次)

计算超上限率、超下限率，统计超上限累加时间、超下限累加时间；计算电压合格率；存储上月和当月、前一日和当日的记录数据；记录最大值，最小值和平均值。

能设定监测电压的额定值和限值。电压质量监测统计时间以min为单位，取1min的电压平均值为一个统计单元。

实时显示被监测电压，刷新周期为2s。 3.2.4.2 计算电压合格率　　

3.2.5 频率　

采用过零检测电路和DSP捕获功能，精确测量整周波的宽度，从而计算出频率。

3.2.6 显示

图形与汉字方式显示电压/电流波形、电压/电流矢量图、电压/电流基波和谐波的幅值、相角，各次谐波的幅值、相角分为数字显示和棒图加角度指针显示。　

3.3 PC104与DSP通讯的ISA并行扩展单元　 为方便地进行DSP与PC间的通讯，扩展了带有中断的并行接口，占用PC104

的外设地址和中断，该并行通讯为8位双向可联络(中断)通讯。　 3.4 MODEM与局域网通讯管理　 MODEM连接至RS232C串行接口，另行扩展了几根控制线，对MODEM实时监测与控制以确保MODEM长时间通讯正常。　 扩展的网卡允许LAN网络方式通讯。　

4 结论　

a.电能质量监测终端可以实时准确地对电网的供电和用电状况进行监测，尤其是可随时掌握谐波的超标情况，掌握不对称度与电压合格率的情况，为供电和用电企业提供了方便的监测设备。　

b.电能质量监测终端具有采样频率高、测量精确、运算速度快等特点，其测量指标满足电能质量国家标准的要求。　

c.电能质量监测终端的中文和图形显示界面，使用户使用更加方便和直观。　

d.电能质量监测终端采用DSP和PC104工控板设计，技术先进，准确度高，可以方便地对DSP和PC104进行软件维护与升级。　

e.电能质量监测终端在区域电网和省网或联合电网中可组成电能质量监测网络，并通过专用的中心站软件，实现大量历史数据的统计分析，形成各种统计报表，绘制谐波频谱图和各种指标的分布图，为电能质量的监督提供了先进的手段。

附录：

设计参照标准

《电能质量 暂时过电压和瞬态过电压》 GB/T 18481--2001 《电能质量 电压波动和闪变》 GB/T 12326--2000 《电能质量 电力系统频率允许偏差》 GB/T 15945-1995 《电能质量 三相电压允许不平衡度》 GB/T 153-1995 《电能质量 公用电网谐波》 GB/T 149-1993 《电能质量 供电电压允许偏差》 GB 12325-2003

GDDN-500C电能质量监测装置

1.可测试参数

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电流真有效值、基波有效值、2～50次谐波有效值；

电压真有效值、基波有效值、2～50次谐波的含有率、总畸变率； 真功率因数、基波功率因数；基波有效值真有效值； 基波视在功率、基波有功功率、基波无功功率； 电压偏差； 三相电压不平衡度； 电网频率；

短时闪变（Pst）,长时闪变(Plt) ；

2.主要功能

• •

2～50次谐波分析；

通过多种通讯方式实现远程数据采集（远动103规约、局域网通讯、RS232/ RS485通讯）、被监测点参数修改等功能.多台GDDN-500C和上位机联网可以组成电能质量监测与管理系统（POWERQUALITYSUPERVISORY&MANAGEMENT SYSTEM，简称PQSMS）。； • • • • • • • • • •

可切换至被监测的任一变电站的任一条线路，显示现场数据； 对历史数据调用分析；

存贮发送来的数据，并根据选定的时间段或测试数据筛选条件进行进一步分析处理； 对现场发来的数据，按照统计、分析条件定时形成综合统计报表； 输出多种趋势曲线和波形曲线； 输出多种数据报表；

可当地或远程任意设置仪器测量参数，如：电压变比、电流变比、越限定值

可任意设定电压、电流 各次谐波的报警限值。可任意设置连续越限次数（为避免干扰和暂态谐波造成的误判断，当连续越限次数超过设定值时为一次真实的越限）。 当测量值超过所设定的报警限值时，仪器提供报警继电器的闭合结点。 具有谐波超值报警功能。

3.主要特点

• • •

可靠性高：采用工业设计，可长期工作于无人值守、环境相对恶劣的现场。硬件、软件性能稳定，功能可靠；

良好的人机交互：大屏幕液晶显示每屏可以直观的显示50次谐波，TCP/IP网络协议，数据可通过网络共享，操作简单、直观 。

远动103规约、局域网通讯、RS232、RS485通讯等多种通讯方式的综合应用最大限度的满足现场不同的通讯条件，远动103通讯规约的应用极大的解决了一般仪器不能应用载波通道进行数据传输的弊端，可以方便的与综自系统有机融合 •

频率测量

测量范围：45～55 Hz，中心频率50 Hz 测频误差: ≤0.01Hz

4.技术指标

•

输入电压量程：0-120V 输入额定电压100V 输入电流量程：0-6A 输入额定电流5A • • • • • • • • • • • •

电网频率误差：≤0.01HZ

基波电压（电流）幅值 ：基波电压允许误差：≤0.5％；基波电流允许误差：≤1％ 谐波电压（电流）含有率误差：≤0.1％ 电压偏差误差：≤0.5％ 三相不平衡度误差：≤0.2％ 闪变误差：≤5％

电压不对称因数绝对值误差：<0.2％。 电流不对称因数绝对值误差：<1％。 相角误差：≤0.5°； 功率误差：≤0.5％

工作电源：AC / DC 220V±20% 频率 45Hz～55Hz 功耗≤10W 工作环境: 安装环境 室内

环境温度 -5℃～55℃ 相对湿度 0～80%无冷凝

PQSMS 电能质量管理系统软件简介

电能质量后台监测软件概述

电能质量管理软件是一套以C++语言编写的专业的电能质量分析平台，实现了对电能质量仪器的全兼容，软件分析功能强大，操作简便，通过对多点电能质量监测仪的统一管理，并以曲线、图表、统计报表、越限图表等综合工具帮助您迅速查找电能质量干扰点及干扰原因，为电能质量治理提供充足、直观的数据基础。

1.数据处理功能

• • •

对历史数据调用分析；

存贮发送来的数据，并根据选定的时间段或测试数据筛选条件进行进一步分析处理； 对现场发来的数据，按照统计、分析条件定时形成综合统计报表。

2.图形输出功能

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基波电压、基波电流长期趋势曲线； 电压、电流总畸变率长期趋势曲线； 电压、电流各次谐波长期趋势曲线；

长期闪变值（Plt）、短期闪变值（Pst）趋势曲线； 电压三相不平衡度以及负序电流趋势曲线； 功率趋势曲线； 电网频率趋势曲线；

3.报表输出功能

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基波及谐波电压、电流报表；

基波及谐波功率报表：包括有功功率、视在功率、谐波功率； 电压、电流等效负序报表；

谐波电压、电流，等效负序电压、电流，长期闪变值（Plt）、短期闪变值（Pst）电网频率、电压偏差、统计报表，包括95%概率大值，最大值、最小值、平均值； 电能质量监测分钟报表； 电能质量监测小时报表； 电能质量监测日报表；