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，開發(fā)研制了數(shù)字式電能質(zhì)量在線監(jiān)測終端,。
新型的數(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pc104工控機,，功能強,、便于操作與軟件升級。
1功能與構(gòu)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(cè)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,。[next]

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：47～53hz,，精度為±0.01hz(50hz)
信號轉(zhuǎn)換精度：14bit
采樣頻率：8khz/通道
3電能質(zhì)量監(jiān)測終端軟/硬件構(gòu)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,、pc104工控機,、pc104與dsp并行通訊isa總線并行擴展、調(diào)制解調(diào)器,、lcd顯示器(vga單色帶背光),、網(wǎng)絡適配器、電源等構(gòu)成,。
電能質(zhì)量監(jiān)測終端的軟件由dsp軟件和pc104軟件構(gòu)成,。
3.1dsp軟件
3.1.1dsp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1024點的6路基2fft變換計算,，并傳送至pc104處理單元,，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14bit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。
3.1.2dsp的構(gòu)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(zhuǎn)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,。
3.2pc104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(qū)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15g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,。
pc104板負責數(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)0.5s脈沖，收集dsp數(shù)據(jù),。
3.2.1pc104的軟件構(gòu)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/t14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、gb/t15543-1995《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,。[next]

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

式中ih——第h次諧波電流(方均根值),；
i1——基波電流(方均根值)。
c.諧波電壓含量

f.電流總諧波畸變率

g.第h次諧波功率,、相位
3.2.3.2諧波最大值和概率值的計算
a.諧波最大值(各次值及總畸變率)的計算

b.95概率值的計算
計算測量時段內(nèi)各相實測值的95概率值和其中最大一相的值,，并存儲,。
3.2.3.3諧波超限報警
測量值與允許值比較，判斷是否超限,，若超限即發(fā)出報警,。
3.2.3.4電壓、電流不平衡度
計算電壓,、電流不平衡度(每3s讀一組數(shù)據(jù)計算一次),，計算電壓、電流不平衡度95概率值,。
a.取不平衡度最大值
b.95概率值,。計算測量時段(統(tǒng)計周期)內(nèi)的95概率值。
3.2.3.5不平衡度超限報警
測量值與允許值比較,，判斷是否超限,，若超限即發(fā)出報警。
3.2.4電壓合格率
3.2.4.1計算電壓(每3s讀一組數(shù)據(jù)計算一次)
計算超上限率,、超下限率,，統(tǒng)計超上限累加時間、超下限累加時間,；計算電壓合格率,；存儲上月和當月、前一日和當日的記錄數(shù)據(jù),；記錄最大值,，最小值和平均值。
能設定監(jiān)測電壓的額定值和限值,。電壓質(zhì)量監(jiān)測統(tǒng)計時間以min為單位,，取1min的電壓平均值為一個統(tǒng)計單元。
實時顯示被監(jiān)測電壓,，刷新周期為2s,。
3.2.4.2計算電壓合格率

3.2.5頻率
采用過零檢測電路和dsp捕獲功能，精確測量整周波的寬度,，從而計算出頻率,。
3.2.6顯示
圖形與漢字方式顯示電壓/電流波形、電壓/電流矢量圖,、電壓/電流基波和諧波的幅值,、相角，各次諧波的幅值,、相角分為數(shù)字顯示和棒圖加角度指針顯示,。
3.3pc104與dsp通訊的isa并行擴展單元
為方便地進行dsp與pc間的通訊,，擴展了帶有中斷的并行接口,，占用pc104的外設地址和中斷,，該并行通訊為8位雙向可聯(lián)絡(中斷)通訊。
3.4modem與局域網(wǎng)通訊管理
modem連接至rs232c串行接口,，另行擴展了幾根控制線,，對modem實時監(jiān)測與控制以確保modem長時間通訊正常。
擴展的網(wǎng)卡允許lan網(wǎng)絡方式通訊,。
4結(jié)論
a.電能質(zhì)量監(jiān)測終端可以實時準確地對電網(wǎng)的供電和用電狀況進行監(jiān)測,，尤其是可隨時掌握諧波的超標情況，掌握不對稱度與電壓合格率的情況,，為供電和用電企業(yè)提供了方便的監(jiān)測設備,。
b.電能質(zhì)量監(jiān)測終端具有采樣頻率高、測量精確,、運算速度快等特點,，其測量指標滿足電能質(zhì)量國家標準的要求。
c.電能質(zhì)量監(jiān)測終端的中文和圖形顯示界面,，使用戶使用更加方便和直觀,。
d.電能質(zhì)量監(jiān)測終端采用dsp和pc104工控板設計，技術先進,，準確度高,，可以方便地對dsp和pc104進行軟件維護與升級。
e.電能質(zhì)量監(jiān)測終端在區(qū)域電網(wǎng)和省網(wǎng)或聯(lián)合電網(wǎng)中可組成電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡,，并通過專用的中心站軟件,，實現(xiàn)大量歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，形成各種統(tǒng)計報表,，繪制諧波頻譜圖和各種指標的分布圖,，為電能質(zhì)量的監(jiān)督提供了先進的手段。