新型电力谐波监测装置的研制

崔 峻，吴 毅，赵三虎

1.扬州供电公司，江苏扬州 225000

2.盐城供电公司，江苏盐城 224000

新型电力谐波监测装置的研制

崔 峻1，吴 毅2，赵三虎1

1.扬州供电公司，江苏扬州 225000

2.盐城供电公司，江苏盐城 224000

随着社会技术和经济的发展，电网谐波的问题日益严重，对电网和电力设备造成严重危害。由于电能质量要求的提高，相应的谐波监测的重要性也显得尤为突出。所以，研制一种集测量分析和通讯于一体的新型电力谐波监测系统，具有极高的社会和经济效益。本文研究了国内外电力谐波监测系统的发展现状，在总结其发展成果的基础上，根据工程实际的要求，提出了监测系统的设计方案。开发一种具有可编程、自动化测量、智能分析、数字通讯等功能为一体的谐波监测装置。它使测量过程及数据分析处理实现自动化，减少人为失误。该系统能够实时监测配电网系统中的三相电压、电流、频率、功率、功率因数、谐波、谐波畸变率(THD)等基本电量参数，并能通过单片机实时分析出各次谐波功率、电能和判定谐波源，监测配电网系统的运行状态。

电网谐波；监测；单片机

1 课题研究背景及意义

在现代电力系统中，大型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能、一般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起分配电能作用的网络就称为配电网络。

配电网相对于输电网来说，其电压等级低，供电范围小，但与用户直接相连．是供电部门对用户服务的窗口，因而决定了配电网运行有如下特点和基本要求。

1 ）随着铁路电气化和用户电子设备的大量使用，配电网运行中有大量的谐波源、相电压不平衡、电压闪变污染等，因而要求准确测量与计算配电网中的谐波分布，采取效措施抑制配电网运行中的谐波危害；

2 ）随着用户对供电可靠性和电压质量指标要求的提高，仍靠人工操作已无法适应．要求现代配电网运行不断提高自动化、智能化水平；

3 ）由于“电能”作为商品将进入市场竞争，要求各电力公司能降低配电网运行的线损和年运行费用，提高运行的经济性，从而降低配电成本，同时．积极协助用户优化用电计划、节约用电。推行战略节电和战略负荷开拓等积极措施，进一步提高对用户的服务质量。

2 本文的研究目的和意义

电力系统波形畸变并不是一个新的问题，国内外己经研制成功的各种谐波测量分析使用的仪器性能和测试目的大致分为三类:一是用于谐波日常监测工作的监测仪或报警仪，该类仪器测试功能简单，但是精度不高；二是专门测试谐波用的高性能谐波分析仪和频谱分析仪；三是用于谐波和其他电能质量综合测量的分析仪。上述谐波监测仪器分析原理大多基于快速傅立叶变换，工作过程大致为：被测信号经采样/保持、AD转换、计算机傅立叶计算输出结果。但同时，现有的谐波监测产品也存在以下问题：

1 ）处理功能相对较弱，可扩展存储空间比较小，运算速度较慢，难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理，不能完全满足电力系统谐波监测实时性的要求；

2 ）功能较单一，或是仅仅有采集、分析数据，不具备远程通讯功能；或是具备采集、传输数据，但自身无法实现数据的处理分析能力。而当今对谐波监测要求趋势是多样化，多功能方向发展，因此，对具有集采集、分析、处理、远程传输功能于一体的这样的监测系统的需求就显得尤为必要；

3 ）对于器件的选型，不能完全做到性能和价格上的最优，虽然有的产品直接引进了国外的技术模块，功能强，可是价格较高，可维护性不强，且不完全适合我国市场。此类产品如果保证了监测数据的准确和及时性，则价格将会十分昂贵；但同样的，低廉的产品也是以牺牲了产品性能为代价的；

4 ）有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向。

3 本文所做的工作

基于工程实践，故主要侧重点在系统的各部分功能实现上，将从监测系统的硬件设计、软件设计、算法等角度进行研究，并且以数据采集、监测为重点。主要完成下面的工作:

1 ）对近几年国内外相关研究工作和科研文献进行了大量的查阅，总结已有的谐波监测系统的优点，并指出存在的不足；

2 ）设计了监测系统的硬件和软件部分，硬件部分包括信号采集、信号计量、信号分析、通讯等功能单元。软件实现功能包括电压、电流、相序、频率、功率等的计量，数据通讯，重点实现谐波的各次分析和谐波功率，电能的计算。并针对现场环境中的干扰，提出了软硬件抗干扰措施，使系统更好的满足实时信号准确处理的要求。

3.1 谐波监测系统的设计

数据采集部分安装在配电变压器现场，主要用于采集低压配电线路的各种信息；数据分析电路包括计量芯片和单片机，电能计量芯片ATT7022B可直接测量：电压、电流的有效值、功率因数等参数，C8051F020则实现谐波分析和谐波电能计量功能；数据通讯部分将实现数据的远程传输。

监测系统的硬件设计原则围绕其功能进行，同时要求遵循以下准则：

1 ）合理增强软件功能

系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、减少所需的存储量，有利于监测和控制的实时性。相反，提高软件功能的比例可以降低硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需的存储器容量要增加。划分的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提下，系统功能尽可能用软件来实现。

2 ）简化设计

硬件设计时尽可能选用集成电路，这样有利于提高系统的集成度，减少元器件之间的连线、接点和封装数目，从而大大提高系统工作的可靠性。

3 ）模块化设计

硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可能选用模块化结构的典型电路。

4 ）防干扰设计

测控单元工作现场环境比较恶劣，在硬件设计时必须具体分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增强自身工作的稳定性。

3.2 谐波监测系统的性能指标

本系统对三相交流电压、电流能实现对现场电压电流数据的同步采样，并能通过FFT数字信号处理分析得到基波和谐波的各参数值，还要实现数据的远程通讯。本系统主要性能指标为：

1 ）同步采集电网三相电压、电流信号；

2 ）6 路被测电网信号基本电力参数的实时计量，包括：电流有效值、电压有效值、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电压相位、电流相位；

3 ）6 路被测电网信号参数的实时分析，基波和各次谐波分量的分解，采用FFT变换完成包括：各次谐波幅值和相位的判定、第n（n=3,5,7,11,……21）次谐波电压（或电流）含有量和含有率测量、谐波功率方向的判定；

4 ）6 路被测电网信号能量计算，包括：基波电能计算、谐波总电能计算、各次谐波电能计算；

5 ）具备远程通讯功能，通过单片机C8051F020与RS232串口的连接与控制，实现远程实时数据GPRS通讯。

3.3 谐波监测系统的构成及工作原理

从TV/TA（电压互感器/电流互感器）上采集的六路电网信号经电压传感器和磁平衡电流传感器转换为低电压、小电流信号，该传感器具有精度高、线性度好、响应快及过载能力强等特点，可以最小失真转换原始信号。数据采集及前置单元：对传感器变送来的信号进行预处理，主要是针对不同电压等级的芯片进行放大。信号分别送入C8051020和计量芯片ATT7022B进行数据处理。计量芯片的功能主要测量的是信号的电压、电流和谐波功率等数值，C8051020则是用于谐波分析，包括谐波的次数，谐波电压含量，谐波电压的总谐波畸变率。且单片机也负责对GPRS数据传输的程序控制。当计量芯片和单片机之间的通过SPI接口进行数据交换后，再通过RS-232串口连接到GPRS无线模块，将数据打包，通过GPRS空中接口接入到GPRS网络或Internet网络后，送达数据监控中心。

4 结论

随着社会的不断的发展，各种不同的用电负荷越来越多的接入电网中运行，其中不乏大量的非线性负荷设备，因为它们的存在，谐波的危害也日益成为人们关注的问题。本文首先阐述了谐波的测量和分析对于电网质量分析的意义，在介绍了国内外电力谐波监测发展现状后，指出了现今谐波监测所采用的部分技术及其各自的优劣点，综合考虑后选用了一种集AD转换器、多路开关、SPI通讯接口等为一体的新型单片机C8051F020和多计量功能计量芯片ATT7022B设计了一种集谐波测量、分析和远程通讯为一体的多功能谐波监测系统。通过研究工作，主要取得了如下的成果：

1 ）参与总体方案的设计、制定。工作包括从整个系统的器件选型到硬件、软件的设计、开发；

2 ）系统用高精度、高集成、扩展性强的器件设计了信号采集、分析和通讯等硬件电路，并加入了抗干扰措施。硬件电路结构简单，稳定性强，精度高，扩展性强；

3 ）设计了信号采集、分析和通讯等单元的软件功能实现。能实现对谐波达21次的实时在线监测分析。同时，整个编程过程采用了模块化结构的设计理念，使得软件的使用和调试方便快捷，便于今后功能的扩展；

4 ）本系统设计采用了低电压（3.3V）的设计方案，绝大部分功能模块采用了低电压、低功耗的芯片，降低了系统的功耗，以满足低功耗的设计要求；

5 ）使用C和汇编语言对AD采样、FFT计算、SPI通讯、GPRS通讯等模块进行了程序编写，为今后的开发工作提供了良好的基础。

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