電能質(zhì)量在線監(jiān)測設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)，在數(shù)據(jù)處理與顯示存儲上采用雙DSP結(jié)構(gòu)設(shè)計,，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(shù)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(shè)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(shù)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(zhuǎn)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(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,、、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軟件構(gòu)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(shè)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(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,。
3.2 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(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(shè)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。
   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(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(shè)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(guān)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
 
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(shè)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,。
3.3 PC104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(shè)地址和中斷,，該并行通訊為8位雙向可聯(lián)絡(中斷)通訊。
3.4 MODEM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(shè)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(shè)計，技術(shù)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。