电压质量监测（共8篇）
电压质量监测 篇1
0 引言
随着电力技术的发展,大量的电力电子变流装置和大容量非线性设备被引入煤矿供电系统,严重影响了煤矿电网的电能质量;同时,越来越多敏感的电力设备对供电质量提出了更严格的要求。这两者的矛盾使得电能质量问题受到愈来愈多人的关注。只有对煤矿电能质量进行有效监测和控制,才能有效解决上述问题,保证电力系统的有效运行和供电质量[1]。随着电能质量研究的发展,电力监测装置已经从模拟式仪表、数字式仪表、智能仪器发展到虚拟仪器阶段。虚拟仪器以计算机为核心,通过计算机实现各种仪器功能,将仪器系统和计算机技术结合在一起[2,3]。利用虚拟仪器思想建立测控系统已成为现代测控系统的发展方向。因此,建立基于虚拟仪器的煤矿电能质量在线监测系统将是电力监控仪器的发展趋势。本文设计了基于LabVIEW的煤矿电压质量在线监测系统。
1 系统总体设计方案
基于LabVIEW的煤矿电压质量在线监测系统以计算机为核心,通过信号调理电路和数据采集卡等硬件电路将被测信号传输到计算机中,利用LabVIEW软件编写的监测软件对采集到的数据进行相应的显示、处理、分析、保存[4,5]。系统总体设计如图1所示。
2 系统硬件设计
基于LabVIEW的煤矿电压质量在线监测系统硬件主要完成数据采集任务,由信号调理电路和数据采集卡组成。数据采集卡可将连续的模拟信号转换成离散的数字信号后传输到计算机,供监测系统软件进行数据分析处理。
信号调理电路以SPT204A(0.1级)微型电流型电压互感器为核心,配合其外围应用电路实现信号的量程变换与强弱电隔离。SPT204A额定输入、输出电流均为2 mA,其测量精度高、无漂移、耐冲击性强,完全能满足测量要求[6]。信号调理电路如图2所示。
数据采集卡采用PCI-9812,该卡为4通道12位20 MSample/s、同步采样、模拟输入数据采集卡。其硬件可编程输入范围为±1,±5V,输入阻抗为50Ω、1.25kΩ及15MΩ。板载32kB采样点FIFO缓冲器,避免采样时的数据丢失。板卡采用DMA总线控制方式,加快了数据的传输速率,同时拥有软触发、预触发、中间触发、后触发、延时触发等多种触发方式,扩展了高速数据采集卡的应用范围。数据采集卡内部结构如图3所示。
3 系统软件设计
基于LabVIEW的煤矿电压质量在线监测系统软件主要完成对数据采集卡的配置,输入信号的还原、滤波,波形显示、存储,电压质量参数分析等功能,并可进行系统仿真与离线分析。系统软件设计流程如图4所示。
3.1 数据采集卡参数配置与驱动
因为系统采用的数据采集卡不是NI公司的,所以,在进行设备驱动及数据采集卡参数配置时,需调用第三方的管理配置软件和驱动程序[7]。鉴于LabVIEW的强大兼容性,采用DAQ pilot和DAQ master软件完成设备自检、重启,建立数据采集通道,配置采样率、通道数、缓存块、采样分辨率等。
3.2 仿真信号源配置
为扩展系统功能、提高系统实用性、方便程序功能展示,系统模拟了含有13次谐波及高斯噪声的三相电源系统,用以产生电压波形,如图5所示。通过对信号源中各参数的设置,可模拟产生特定的波形,利用监测系统可分析仿真信号源的电压质量。
3.3 电压、频率偏差测量
电压偏差和频率偏差是电力监测中最主要的测量参数,针对这2个参数有许多不同的测量方法。
供电电压偏差是指在系统正常运行情况下,供电点处实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值,以百分数表示。其计算表达式为
式中:δU为供电电压偏差;Ure为电压测量值,V;Un为系统标称电压,V。
采用有效值定义法的离散计算公式(均匀采样条件)测量电压有效值:
式中:U为电压有效值,V;Uk为电压有效值的离散值,V。
在电网正常运行情况下,电力系统的频率偏差是指系统频率的实际值与标称值之差,其计算公式为
式中:δf为频率偏差,Hz;fre为实际频率,Hz;fn为系统标称频率,Hz。
目前主要的系统频率测量方法有解析法、周期法及其改进算法、傅里叶变换法和误差最小化原理类算法。本系统直接调用LabVIEW软件自带的频率模块完成系统的频率测量。单相电压、频率偏差测量程序如图6所示。
3.4 谐波分析
对于谐波问题的分析,LabVIEW提供了多种函数模块[8]:FFT变换幅值-相位谱函数,FFT变换实部-虚部函数,小波变换函数及Mathscript节点函数等。谐波分析程序采用了LabVIEW内建的谐波分析模块及FFT幅值-相位谱函数,通过与加窗函数结合,有效地减少了FFT变换的频谱泄漏问题与栅栏效应,得到基波频率、各次谐波幅值和总的谐波畸变率、频谱图等谐波参量。谐波分析程序流程如图7所示。
3.5 三相电压不平衡度测量
三相电压不平衡度是指电力系统三相电压的不平衡程度。对三相电压不平衡度的测量,一般是按照对称分量法来获取三相中的正序、负序、零序分量,然后按照相应的计算公式推导不平衡度。对于不含有零序分量的电力系统,可利用电能质量标准中的三相电压不平衡度计算公式来求取,通过前期的信号处理提取出基频分量,代入式(4),即可求解出三相电压不平衡度。
其中:
式中Ua,Ub,Uc分别表示三相电压,V。
三相电压不平衡度测量程序流程如图8所示。
3.6 电压波动与闪变测量
电压波动是指一系列电压波动或工频电压包络线的周期变化。电压波动值为电压均方根的2个极值之差ΔU,通常以额定电压的百分数表示其相对百分值d,即
式中Umax,Umin分别为电压均方根的最大值和最小值,V。
电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受,通常是以白炽灯的工况作为判断依据。闪变不仅与电压波动的幅值有关,而且与电压波动的频率和波形、照明灯具的性能及人的视感因素有关。
目前常用的电压波动测量方法有4种:平方检测法、整流检测法、有效值检测法、小波分解法和同步检测法[9],国家标准中推荐采用平方检测法。
电压闪变的测量采用IEC推荐的闪变测量模型(图9),其测量基础是将信号看成对工频电压波形的调制,经闪变测量模型后即可测量闪变参数值。图9中,S(t)为瞬时闪变视感度函数;Pst为短时闪变量;Plt为长时闪变量。
由图9可知,电压闪变的测量模型结合了电压波动的平方检波结构,在电压波动测量程序的基础上经加权滤波、平方、低通滤波后即可进行闪变的统计评定。利用LabVIEW丰富的函数与结构可实现电压波动与闪变的测量。电压波动与闪变测量程序流程如图10所示。图10中,S(n)为瞬时闪变视感度。
3.7 数据存储
数据存储是每一个监测系统的重要组成部分,数据存储可为分析系统故障、制作报表、统计系统运行状况等提供数据资料。利用LabVIEW软件非常丰富的文件存储函数与数据库工具包可方便地建立数据存储通道,实现测量数据的存储[10]。数据存储程序流程如图11所示。
4 系统测试与分析
为了验证系统功能与运行情况,在实验室中对系统进行了仿真和实际测试。将系统的测量数据与理论分析数据、电能质量分析仪的数据进行对比分析,验证系统测量的准确性及有效性。
4.1 仿真实验
仿真实验测量的是三相仿真信号源的电压、频率、谐波、三相电压不平衡度等相关参数,验证数据记录程序的功能。实验前首先对仿真信号源、系统额定参数等进行设定。仿真信号源可以设定三相电源的相位、频率、各次谐波的电压值等参数,见表1。为了模拟电源的真实性,在参数设置中添加了奇数次的谐波参数设定,为后续验证谐波测量提供了参考。三相仿真信号源的谐波参数对比见表2,包括谐波总畸变率(THD)、各次谐波的幅值、含有量等参数的对比分析。表1、表2中,系统采样率均为2 000Hz,采样数均为1 000。
从表1、表2可以看出,所设计的系统测量数据与理论分析的结果基本一致,在验证本系统测量精确性的同时,也验证了本系统的可靠性与稳定性。
4.2 实际测试
实际测试以煤矿供电三相电源中的一相为例,将额定电压为220V的单相电源经调压器转换为100V电压作为待测对象,经系统硬件将信号输入到计算机中供监测软件进行数据处理分析,同时利用HIOKI 3196电能质量分析仪对被测电源进行数据分析。测试电路如图12所示。
被测电源的电压和频率参数对比结果见表3。以电能质量分析仪的测量数据为参考标准,将设计的煤矿电压质量在线监测系统的数据与其进行对比,量化了本系统的测量误差。
从表3可知,系统测量的数据基本上与电能质量分析仪的结果一致,测量数据基本正确,充分验证了系统所采用测量算法的准确性及系统的稳定性、可靠性、实用性。
注:被测系统(单相)电压等级:100V;系统频率:50Hz;电压上下限为±10%;频率上下限为±0.2Hz。
5 结语
设计了一套基于LabVIEW的煤矿电压质量在线监测系统,详细介绍了系统的硬件与软件设计,并对系统进行了仿真与实际测试,将本系统的测量数据分别与理论分析数据和电能质量分析仪的数据进行对比分析,验证了系统的准确性、可靠性、稳定性与实用性。
摘要：针对煤矿电网日益严峻的供电质量问题,采用信号调理电路、数据采集卡及LabVIEW虚拟仪器技术设计了一套煤矿电压质量在线监测系统。仿真及测试表明,该系统实现了井下电源电压质量的在线监测,具有实时显示波形,测量电压、频率、谐波、三相电压不平衡度、电压波动与闪变等指标参数,保存并分析采集数据等功能,测量准确,可靠性高,具有一定的实用性。
关键词：煤矿电网,电压质量,在线监测,三相电压不平衡度,电压波动与闪变,信号调理,LabVIEW
参考文献
[1]肖湘宁,韩民晓,徐永海,等.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2010:1-21.
[2]王清亮,姚苗.煤矿电能质量综合量化评价研究[J].工矿自动化,2015,41(2):42-46.
[3]余松.虚拟仪器在电力系统中的应用研究[J].陕西电力,2008,36(12):68-72.
[4]雷志鹏,宋建成,李艳伟.基于LabVIEW的工作面输送设备远程监测与诊断系统设计[J].工矿自动化,2012,38(10):1-6.
[5]贺彬.基于LabVIEW的三相电能质量监测系统的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2010.
[6]DWIVEDI V,SINGH D.Electric power quality monitoring(PQM)using virtual instrumentation[C]//International Symposium on Power Electronics Electrical Drives Automation&Motion,Pisa,2010:431-436.
[7]张宗华.电能质量监测系统设计[J].工矿自动化,2013,39(2):111-114.
[8]赵展.基于LabVIEW的电能质量监测系统设计[D].兰州:兰州大学,2009.
[9]冯宁,唐轶,石延辉,等.电能质量分析与参数估计的研究方法综述[J].电力系统及其自动化学报,2010,22(3):78-84.
[10]SANTOS M,TOSTES M,SILVA R.Software based on LabView for monitoring and analysis some power quality parameters[C]//International Conference on Intelligent System Applications to Power Systems,Curitiba,2009:1-6.
电压质量监测 篇2
【摘要】随着电力的使用和普及，其已经成为我国使用最广泛的能源，其使用便捷且环保的作用，得到人们的大量使用。如今人们在生活、工作中都离不开电力的良好供应。为了使人们能够得到良好的电力使用条件，需要实时对电压合格率进行监测，保证电力供应的正常性和电气设施的安全性。本文主要分析了电能计量装置实现电压合格率监测的作用，阐述了电能计量装置实现电压合格率监测的优势及展望，并针对电能计量装置改进技术及监测措施进行了研究和探讨。
【关键词】电能计量装置；电压合格率；监测措施
改革开放以来，我国人民的生活质量得到明显提升，特别是如今人们的用电设备越来越多，对用电量及用电质量的需求越来越高。电力企业为保障人们能够良好的用电，并使电力设施安全运行，需要实现对电力质量监测。电压合格率监测是判断电能质量主要方式。目前我国平电力企业实现对电压合格率监测是采用电压监测仪，该仪器并不能准确有效的展现电压合格率。因此本文主要对电能计量装置进行了研究，探索出一种能够准确反映电压合格率的装置。
一、电能计量装置实现电压合格率监测的作用
为了能够迅速了解电气设施、用户用电质量等，电力企业需要能够尽快查看到电能质量。电压合格率作为反映电能质量的重要指标，实现对其的监测，则能够反映电能的质量。目前我国最常使用的电压合格率监测装置是电压监测仪，其将监测的电压数据自动上传至管理系统，随后经过管理系统的统计和计算，分析出结果。然而由于电压监测仪的统计结构易受到主观因素的影响，因此其不能够准确有效的反应电压合格率，即不能判断电能的质量。
二、电能计量装置改进技术及监测措施
虽然目前我国运用的电能计量装置已经比较强大，然而其在电压合格率监测方面的功能尚不完善，因此需要加强对电能计量装置的改进。本文主要结合《电压监测仪使用技术条件》、电量监测功能、电压合格率监测功能，《电力用户用电信息采集系统》等相关条件，加强对电能计量装置的改进。要实现对电压合格率的监测和统计，其主要监测内容为缓慢变化电压、电压有效持续时间等，根据测量电压合格率的所需要条件，电能计量装置主要要加强数据信号处理和远程数据传递等技术，将所采集到的数据通过数据信号处理后，通过远程数据传递技术将处理后的数据传递至统计系统和数据存储器。一般电能计量装置主要包含有电压传感器、信号调整电路、数据信号处理、数据存储器等。本文主要针对电能计量装置实现电压合格率监测功能的实施方法进行了分析。
（一）电能计量装置参数
根据研究和查看相关要求发现，电压合格率需要监测的内容越上限电压、越下限电压、硬件时钟时间校对等，因此电能计量装置首先要将电压合格率所需参数设置至相关系统中，当电能计量装置投入运用中，电能计量装置就会实现对各类参数的监测。
（二）电能计量装置数据记录
电能计量装置投入使用后，电能计量装置的采集系统将采集的数据通过数据信号处理系统进行处理，随后该系统将处理好的数据，结合其他数据进行统计和分析，最后将形成的统计结果传递到数据存储器。电能计量装置会定时或根据操作要求，将所统计的数据结果传递了电力系统中。电能计量装置采集系统每秒会采集一次数据，对数据的处理和统计大概每分钟一次。数据存储器对统计结果的统计，分为日、月、年等多种类型。其中所记录的结果还包括电压最小值、整点值等。电压合格率单户统计公式如公式1。
（三）电压合格率传递
电能计量装置会将监测后的结果即相关数据传递到主站系统，主要包括越上限市场、单户合格率等数据。电能计量装置有远程传递的功能，其主要是通过GPRS通信模块实现数据的远程传递。某公司已经实现利用电能计量装置监测电压合格率，并在其外观上设置了查询功能，可以实现对电压合格数据、电压极值数据等查询。
（四）采集系统主站监测
在电能计量装置上升级电压合格率监测系统，无需另外建立监测主站，只需在采集系统主站上实现对电压合格率监测和统计。采集系统主站通过所采集的数据、接收的数据、储存的数据等，实现对电压合格率的监测和统计。其中平局电压合格率计算公式如公式2。
三、电能计量装置实现电压合格率监测的实际应用
为了确定电能计量装置实现电压合格率监测的实际作用，本文主要针对某地电力企业的设置了多个电能计量装置电压合格率监测点。其中C类电压监测点有20个，D类电压监测点有50个。为了监测的便捷性，直接根据C类和D类的分布情况进行检测。电能计量装置主要通过GPRS实现数据的双向传递。表1为2015年4月D类电压监测点所监测的结果。电能计量装置监测电压合格率能够实现准确监测，同时还可以实现对线路电压的监测。
四、电能计量装置实现电压合格率监测的优势及展望
通过上文对电能计量装置的改进技术分析以及实际运用分析，可以发现利用电能计量装置监测电压合格率含有一定的优势。随着智能电表的推广和普及，几乎家家户户都使用智能电表进行电量采集，而要想实现利用电能计量装置对电压合格率的监测，只需要对该装置进行简单的升级，智能电表本身就存在数据信号处理和远程数据传递的功能，在智能电表中加入采集相关参数以及其他应用的设计，智能电表就可以代替电压监测仪的作用，成为全新的电压监测仪。传统的电压监测仪容易受到主观意识的影响，导致监测结果的准确性不够高。而电能计量装置所采集的数据、以及对数据的处理和统计后的结果，受到多个方面的监督，因此其很难受到人为因素的因素，致使所监测的电压合格率更加真实和准确。电能计量装置是根据《电力用户用电信息采集系统》的规范和要求进行设计，能够利用原本的主站系统实现相关数据的传输和统计，不需要在另外设置系统。运用电能计量装置，操作人员可以对任意电压监测点进行实时监测数据传递，从而促进电力企业对电压进行改善，保障人们用电的质量。
电能计量装置主要包括智能电表、配变监测终端等，其都具有数据信号处理功能和远程数据传递功能，在电能计量装置中加入电压监测功能的技术已经比较完善，因此可以加强电能计量装置监测电压合格率的推广。
结束语
综上所述，随着我国用户的逐渐增多，用户对用电量和用电质量的要求逐渐增高。电力企业为了保障用户的用电质量及用电设施的安全，通过对电压合格率的监测，实时了解电能质量。然而传统的电压监测仪受到多种因素的影响，其检测结果并不能真实反映电能质量。通过上述分析可知，电能计量装置在其数据信号处理和远程数据传递等功能的基础上，加入电压监测功能，能够有效实现对电压合格率的监测。
参考文献
[1]刘晓华，欧盛，詹清华.计量自动化等生产系统用于电能质量监测可行性研究[J].电气应用，2012，17：22-26.
[2]张莉，郭东东.在线监测三相电子式电能表运行状况的分析[J].内蒙古科技与经济，2012，23：80-81+85.
[3]林海雪.电能质量国家标准系列讲座第1讲供电电压偏差标准[J].建筑电气，2011，04：3-9.7
交流输入电压、电流监测电路设计 篇3
电子设备只有在额定电压、电流下才能长期稳定工作, 因此需要设计相应的监测、保护电路, 防止外部输入电压或者负载出现异常时造成设备损毁。工频交流电压、电流的大小, 通常是利用它的有效值来度量的。有效值的常用测量方法是先进行整流滤波, 得出信号的平均值, 然后再采用测量直流信号的方法来检测, 最后折算成有效值。但是由于供电主回路中存在大量的非线性电力、电子设备, 如变压器、变频器、电机、UPS、开关电源等, 这些设备工作时会产生谐波等干扰。大型电动设备启动、负载突然变化、局部短路、雷电等异常情况出现时, 供电主回路中会出现浪涌。当这些情况发生时, 供电线路上已不是理想的正弦波, 采用平均值测量电路将会产生明显的测量误差。利用真有效值数字测量电路, 可以准确、实时地测量各种波形的电压、电流有效值。下面介绍的监测电路安装于配电箱中, 与外围保护电路一起实现对电子设备保护的功能。
真有效值数字测量的基本原理
电流和电压的有效值采集电路原理基本相同, 下面以电压真有效值为例进行原理分析。所谓真有效值亦称真均方根值 (TRMS) 。众所周知, 交流电压有效值是按下式定义的:
其近似公式为
分析式 (1) 可知, 电路对输入电压u进行“平方→取平均值→开平方”运算, 就能获得交流电压的有效值。因这是由有效值定义式求出的, 故称之为真有效值。
若将式 (1) 两边平方, 且令, 还可以得到真有效值另一表达式
式 (3) 中, Avg表示取平均值。这表明, 对u依次进行“取绝对值→平方/除法→取平均值”运算, 也能得到交流电压有效值。式 (3) 比式 (2) 更具有实用价值。由于同时完成两步计算, 与分步运算相比, 运算器的动态范围大为减小, 既便于设计电路, 又保证了准确度指标。美国模拟器件公司 (ADI) 的AD536、AD637、AD737系列单片真有效值/直流转换器, 即采用此原理设计而成。
而凌力尔特公司的单片真有效值/直流转换器LT1966、LT1967、LT1968在RMS-DC的转换过程中采用一个∆∑调制器作除法器, 一个简单的极性开关作乘法器。相比采用对数/反对数电路的产品, 号称有更好的线性度, 增益受温度影响更小。
另一方面, 在计算机采集系统中U (t) 是离散值, 可以采用下面的公式计算:
U (i) 为各瞬时采用值, i=1, 2, …, n;n为采用次数。
交流电压采样电路设计
图1为简易平均值-有效值测量电路原理图, 平均值电路由变压器T、整流桥BR、电容器C和电阻RL组成, 虚线部分将平均值折算为有效值输出。
用图1所示平均值电路进行测量, 存在如下问题:
●变压器和整流桥是非线性器件, 因此必定会产生非线性误差, 难以精确补偿;
●整流桥BR后为得到稳定、平直的DC波形需要较大容值的电容器C, 电容充放电时间长, 因此响应速度慢;
●由于电容器C容值不可能无限大, 在电容C两端测量到的必然是直流脉动波形。
实际上, 因为变压器体积较大, 简易测量仪表多采用电阻分压的方式衰减被测交流电压, 再由运放和二极管组成平均值响应的线性整流电路将交流电压转换为直流电压, 然后将平均值折算为有效值。对于理想的正弦交流电压采用上述测量方法是没有问题的, 但是电网中存在各种非线性电力、电子设备, 对于由此造成的失真, 采用均值检波电路将会产生较大的误差。表1中列出均值检波与真有效值的误差比较。
在极端情况下, 均值检波电路产生如此之大的误差是不能接受的, 采用真有效值电路可以避免出现这么大的误差。单片TRMS/DC转换器可以选用美国模拟器件公司的AD536、AD636、AD637、AD736、AD737和凌力尔特公司的LTC1966、LTC1967、LTC1968。
图2是由AD736构成的5量程321位真效值数字电压表电路图。S1为量程开关, S2为“测量/备用”模式选择开关 (常态下S2断开, 闭合时仪表呈备用状态) , S3为电源开关。精密电阻R1～R5构成高阻抗分压器, 总阻值为10M。输入交流电压Vi n首先被衰减成200mV以下, 再经限流电阻R6接至AD736的第2引脚。VD1、VD2为双向限幅保护二极管。C1是输入端耦合电容, 起隔直作用。C2、C6为电源滤波电容。C4是AD736的平均电容。输出电压经R9、C5滤除纹波后获得直流电压, 加至ICL7136的模拟输入端。R9兼ICL7136的限流电阻。ICL7136采用外基准, 由ICL8069提供的1.2V基准电压源, 通过R8、RP分压后得到基准电压VREV=100mV, 基本量程为200mV。
交流电流采样电路
交流电流采样电路前端常用的交流电流互感器有硅钢FeSi电流互感器、罗果夫斯基线圈 (Rogowski Coil) 电流互感器、霍尔电流传感器三种。
硅钢电流互感器由于其普及的价格, 主要被广泛用在不需要很高精确度的功率监控, 对负载进行平衡。但是, 由于其只适用于50Hz的正弦波, 而且线性度很差 (特别在低电流值时) 和相移太大, 因而不适合对电量对象进行准确的检测分析。因为其又大又笨重, 因此也不太适合在空间有限的环境中使用 (例如小型配电箱) 。
罗果夫斯基线圈电流互感器虽然实现了小型、轻型和灵活的对高强度电流的测量, 但其对设计、制造工艺和固定安装方面要求较高, 而且对信号适应和标定有一定要求。目前, 罗果夫斯基线圈技术只在特定测量领域图1交流信号平均值-有效值测量原理是非常有前景的技术。
霍尔电流传感器尺寸小, 重量轻, 易于安装, 价格适中。传感器的原边电路与副边电路之间完全绝缘, 绝缘电压一般为2～12kV, 特殊要求可达20～50kV。其副边电路可以忠实地反映原边电流的波形, 可测量任意波形的电流, 如直流、交流和脉冲波形等, 可以对瞬态峰值参数进行测量。一般的霍尔电流传感器可在0～20kHz频率范围内很好地工作, 精度优于1%, 线性度优于0.5%, 动态响应时间小于7ms, 跟踪速度di/dt高于50A/ms, 过载能力强, 测量范围大 (0～±10000A) 。
通过上述比较, 为了适应舰船电子设备普遍的中小功率电流精确、稳定可靠监测的需要, 霍尔电流传感器是我们的首选。我们可以选择单电源供电, 电压型输出的LEM电流传感器CASXX-NP或者LTSXX-NP系列。选用印制板安装的单电源电流传感器可以简化电源硬件设计, 选电压型输出避免了电流型输出需要增加的外接采样电阻以及运放, 方便与DSP或者单片机的AD端口直接连接。输出电压范围 (2.5±0.625V) , 即原边电路电流为0时, 输出电压为2.5V;正向最大电流时输出电压为3.125V, 反向最大电流时输出电压为1.875V。
单相交流电压、电流监测电路
在图3所示电路中, 我们采用了一片Microchip公司的RISC结构的高性能嵌入式微控制器PIC16F873。其内置的主同步串行端口MSSP模块具有两种模式:串行外设接口SPI和集成电路内部I2C总线。SPI同步串行输入/输出可应用于外接移位寄存器、串行E2PROM、串行A/D和D/A转换器、LCD显示器等。SPI模式使用串行数据输入SDI、串行数据输出SDO、串行时钟SCK这三个I/O口通信, 根据情况还常常需要其他引脚配合使用 (例如提供片选信号) 。I2C模式是IC之间的串行总线, 只需要串行数据SDA和串行时钟SCL两个I/O端口。通过定义同步串行端口状态寄存器, 我们可以方便的选择其中一种工作模式, 但两种串行通信仅能选择其中之一进行工作。如图3所示, 在交流电压采集通道, 我们选用了一片LTC1966真有效值RMS-DC转换器和一片LTC2420A/D转换器。
LTC1966采用∆∑计算技术, 内部的增量累加电路使用更为简便、准确度更高和功耗更低, 与传统的对数-反对数RMS-DC转换器相比, 表现出更大的灵活性。LTC1966可接受单端或差动输入信号 (可抑制EMI/RFI) 。差动输入范围为1VPEAK, 提供优异的线性度。具有独立的输出基准电压引脚, 可进行灵活的电平调整。LTC1966对电路板的焊接方式、应力及工作温度都不敏感。与对数/反对数方案相比, 该拓扑结构具有本质更好的稳定性及线形度。
LTC2420的ADC是一个过采样∆∑ADC, 具有本质性抑制RMS平均纹波的特性。将F0引脚接电源, 内置的数字滤波器即可以滤去50Hz纹波。数据输出为三线制接口, 兼容SPI和MICROWIRE协议。在采样时它的输入阻抗是6.5M, 如果直接连接负载LTC1966, 将会造成-0.54%至-0.73%的增益误差。而且, LTC2420 DC输入电流在0V时并不为零, 而是其基准的一半, 这会造成输出偏移和增益误差。但是对于特定的LTC1966和LTC2420组合, 该误差是固定的, 因此可以通过校准系统消除这些误差。
交流电压采样过程:LTC1966对衰减后的交流电压信号进行RMS-DC转换。PIC16F873的RA1端口输出低电平选中LTC2420的CS片选端启动A/D转换。PIC16F873通过SPI接口接收LTC2420的转换数据, 再对数据进行处理。
在电流检测通道, 首先由电流传感器将电流信号转化为电压信号。因为PIC16F873内部嵌入了一个10位A/D转换模块, 将其一路输入通道与LEM电流传感器的电压输出端连接, 由PIC16F873进行A/D转换后, 直接通过软件计算处理得到交流电流瞬时值、有效值和峰值。有效值计算原理依据公式4。
显示通道由一片带串行接口的多位译码驱动器MAX7221和四个LED数码管组成。因为监测过程需要显示的数据主要为数字量, 所以选择7段LED数码管作为显示输出部件。而且LED数码管较LCD显示器适应低温、震动环境能力更好, 价格更低廉。MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器秒, 它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示, 也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路, 段字驱动器, 而且还有一个8×8的静态RAM用来存储每一个数据。MAX7221与SPI、QSPI以及MICROWIRE相兼容, 同时它能通过限制段驱动电流来减少电磁干扰。使用MAX7221驱动LED数码管, 不仅简化了硬件电路, 也减少了PIC16F873的软件编程工作。
报警输出通道, 采用一只压电蜂鸣器发出音频报警, 通过一只TLP421-1光耦和一只直流电磁继电器控制外围保护电路动作切断电源输入进而保护电子设备。
按键部分较为简单, 只有四个按键:“↑”、“↓”、“←”、“OK”。恰好可以利用B端口RB4～RB7四个I/O口的电平变化中断功能, 实现所有“显示模式”、“电压、电流值校准测量”、“高低限报警值设定”、“高低限切断值设定”、“复位确认”等功能选择操作。
结语
设计实现了交流电压、电流的真有效值测量电路。该电路选用了一片PIC16F873单片机, 利用其SPI串行通信接口连接一片LTC2420A/D转换器实现电压采集, 利用其内部嵌入的A/D转换器连接外部的LEM电流传感器实现电流采集, 一片MAX7221驱动器完成显示功能。在实际使用中, 该电路实现了精确的交流电压、电流检测, 抗干扰能力强, 配合外围保护电路能有效防止电子装备在异常情况下发生损毁。外围还可以考虑增加远程通信模块和记录模块, 实现更完备的监测记录分析功能。
参考文献
[1]沙占友, 杜之涛, 许云峰.数字仪表新颖电路原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[2]沙占友.新型数字万用表原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2007.
[3]刘和平等.PIC16F873单片机实用软件与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.
[4]杜方迅, 赵一恺, 潘欣裕, 董兴法..基于PIC12F629的交流有效值测量[J].长沙电力学院学报 (自然科学版) , 2004, 19 (3)
电压质量监测 篇4
电压监测装置对供用电的质量和可靠性非常重要, 因此对其运行参数与状态进行在线监测是必要的。本文讨论了电压监测装置在线监测系统在电力系统中的应用。
1 采用GPRS电压监测装置在线监测系统的意义
1.1 原电压监测系统存在的问题
1) 此前, 现场运行的电压监测装置主要是采取周期检测的方法, 因其检测周期长, 无法对运行中的电压表的误差进行实时监测, 不能及时发现检测周期内出现的超差、接线错误、烧损等故障;
2) 原有的手抄型电压监测装置需要大量的人力到现场采集数据;
3) 原有的手抄型电压监测装置, 在统计、汇总时存在人为调整数据的现象, 不能保证数据的及时性与准确性。
1.2 意义
1) 避免现场测试时的接线错误, 将周期测试中造成的失误和安全事故降到零。同时还可以实时监测、了解电压监测仪的运行情况。
2) 采用现代通信手段满足现代办公对资源共享的需求, 适用于不同位置的需求;
3) 系统采集到的数据在终端可以再现现场的实际状况, 同时还可以与电压表采集到的数据进行比较, 验证电压表的数据的准确性。
4) 现场只需对电压监测仪的准确度进行测试, 并且可以根据系统提供的多个测试结果反证电压监测仪的误差变化情况, 判断是否需要对电压监测仪进行测试。
2 GPRS电压监测装置在线监测系统的结构原理及特点
2.1 结构与原理
GPRS电压监测装置在线监测系统由GPRS型电压监测仪、计算机 (客户端) 软件、GPRS数据服务器 (含服务器软件) 及GPRS无线数据采集器构成。它利用现有的GPRS无线数据采集器把现场数据发送或接收到远程电力部门的客户软件操作平台上, 实现对现场仪表数据的远程无线采集和监控, 系统原理框图如图1所示。
2.2 在线监测系统的特点
系统采用先进的的电力电子技术, 高精度A/D转换技术, 单片机控制技术和抗干扰技术, 具有测量精确, 可靠性高, 功能齐全, 人机界面友好, 安装方便, 操作简单等特点。该系统采用GPRS通讯方式来收发数据, 实现了主叫和被叫双重功能, 是新一代高科技管理系统。该系统具有建网方便、无需布线、一次性投资少、设备运行维护费用低和几乎不受区域限制等特点。
3 在线监测系统终端软件的功能
在线监测系统软件功能全面, 能够由客户软件操作平台在线实时自行监测并把数据自动存入数据库, 在终端随时可调用, 还能够制定计划任务。该软件具有数据录入、同步数据、设备信息、测试数据、计划任务、数据分析和报表输出等功能, 具体功能如下:
3.1 数据录入功能
对于无法实现通讯的电压监测点, 可将上报的统计数据, 通过人工录入的方法, 录到上位机的数据库中, 以便对数据进行统计和生产报表。
3.2 同步数据功能
可在客户端计算机登录远程监测点时, 将包括计划任务在内的所有新建数据下载到客户端计算机中, 从而达到数据同步的目的。
3.3 设备信息功能
可对各个监测点信息进行统一的管理, 包括仪表编号、仪表类别、电压限值、运行时间、电压合格率、用户名称、线路名称、安装具体位置等。
3.4 计划任务功能
可以向远程监测点下达计划任务, 使客户端在无人的情况下, 按照计划的时间自行进行数据的招测, 并同时记录数据。
3.5 数据分析和报表输出功能
依据能源电218号文件, 对供电电压质量进行统计和汇总报表输出;在Windows98以上平台支持下, 通过监测分析软件可以完成联机通讯数据存储、统计、报表输出。
4 结语
综上所述, GPRS电压监测装置在线监测系统能够实现对电压监测装置安全、可靠、实时地监测, 满足了国家电监会对电压合格率实施信息公开的要求。在电力系统应用该在线监测系统, 既有利于提高电力管理单位的劳动生产率, 优化资源配置, 节约成本, 又可以提高企业经济效益。相信在不久的将来, GPRS电压监测装置在线监测系统必将在电力系统得到广泛应用。
摘要：针对目前变电站、配电室等运行的电压监测装置不能有效、实时测试电压监测点电压的问题, 安装了GPRS电压监测装置在线监测系统。实际应用表明, 该系统实现了存储测试数据、远程数据下载、测量并存储各种瞬时量参数 (最大值电压、最小值电压、总运行时间、电压合格率、越限总时间等) 、实时监测、数值统计分析、存储和多种形式的报表打印等功能, 对提高电压监测装置的可靠性和安全运行起到了重要作用, 为电网电压统计提供了科学、准确的依据。
电压质量监测 篇5
1 频率、电压监测装置的硬件设计
1.1 ATMEL89系列单片机简介
ATMEL89系列单片机共有AT89C51、AT89C52、89C1051、89C2051等型号,该芯片采用51内核,兼容MCS-51产品,100 000次重复编程/擦写,具有5 V供电和低压供电型号。下面以AT89C52为例进行说明。ATMEL89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机,具有PLCC、TQFP和DIP等封装,片内含8 kB的程序存储器,256 B的数据存储器,3个16 b定时/计数器,1个标准串行通讯口,8各中断源,内部带有振荡器、上电复位和看门狗电路、5个I/O口、多达36根I/O线。特别是内部的8 kB闪存,为程序开发提供了很大方便。
1.2 系统设计框图
以日常照明所用的50～60 Hz交流电为测量对象进行测量原理的摸底,测量系统的硬件电路主要包含供电、隔离变压、电压信号比较输出、A/D转换以及单片机接口控制、串口输出部分构成,测量系统框图如图1所示。
系统电路的工作原理简述如下:交流电压经过隔离变压器隔离降压、限流以后,分成两路电压输入信号。一路输入用于频率测量,输入信号经离散器件的分压、稳压处理,使其满足电压比较芯片AD790JN输入端的要求,通过AD790JN将输入的正弦波信号转换成5 V的方波信号,然后送到单片机外部中断INT0,单片机接收外部脉冲,启动定时/计数器对方波信号进行定时计数,计算得出频率值;另外一路输入用于电压测量值,输入信号经过分压被送到A/D转换部分,经过AD574A芯片的转换,将输入的模拟量转换成数字量送到单片机的P0口,得到量化电压值;同时,串口电路部分则负责将得到的频率值、电压值以十六进制代码形式发送至上位机,从而,上位机对频率值和电压值进行直观的显示。
1.3 系统主要组成电路
(1) 波形转换电路
由于交流电压信号的波形为一定幅值的正弦波,所以首先要将其转化为数字脉冲信号,再送到单片机计数端才能对脉冲计数。波形转换电路由AD790JN和外围元器件构成,AD790JN的1脚和4脚分别给出了输入波形对地的正向和负向电压范围,2脚为参考电压输入端,这里以交流地为参考,3脚为电压信号输入端,7脚、8脚分别为数字信号输出端和门限电压输入端。电路如图2所示。
波形由模拟量转换成数字量输出,被送至单片机外部中断INT0端,启动定时/计数器T1进行计数,频率误差在±1 Hz。
(2) A/D转换电路
单片机本身只能识别和处理一种离散的数字信号,而在实际的控制系统中,需要监测和控制的是一些电压、电流等随时间连续变化的电物理量,所以为了实现单片机对一个应用系统的控制和检测,A/D转换电路是必不可少的设计环节。
该A/D设计的目的是把检测到的电压模拟量转换成数字量,要求A/D转换的精度达到±0.1 V,采用AD574A已经满足设计要求。AD574A是12 b逐次逼近式A/D转换器,具有高精度(12 b)变换和高快(8 b)转换的功能,片内含高精度的参考电压源和时钟,有单极性和双极性两种接法,对应的输入电压范围分别为0～20 V和-10～+10 V,最大转换时间为35 μs,拥有锁存的三态输出,并与TTL兼容,可直接与MCS-51系列总线相连。设计采用单极性接法,具体电路如图3所示。为了避免输入电压在进入AD574A输入端时电压衰减,影响测量精度,设计中采用加跟随器OP07进行电压保持。
(3) 单片机处理控制电路
单片机是整个系统的核心,根据系统设计的要求和单片机的总体性能,如运算速度、抗干扰能力、I/O端口、中断源、存储容量、性价比等,我们采用性能优越的AT89C52芯片作为核心。在设计中,其外围控制电路如图4所示。
(4) 串口通讯电路
当单片机内部处理了数据后,通过RS 422串口将所得的频率、电压值发送至上位机,RS 422串口具有较好的抗干扰能力,保证了数据通讯的可靠性。其电路图如图5所示。
(5) 电路抗干扰处理
通常在单片机的工作现场中存在许多干扰源,这些干扰源会影响系统的正常工作,因此必须进行抗干扰处理。在实际中主要的干扰是电源干扰,数字模拟电路间的相互作用等,所以抗干扰处理主要也是针对这些方面。
抑制电源的干扰通常使用线路滤波器消除电源脉冲干扰的高频分量,用隔离变压器隔离感应干扰的传输。在该设计中,对交流电采用隔离变压器隔离降压,再经过稳压管、电容去耦、滤波处理,电压波形稳定,无毛刺。对DC-DC的输入直流电压,设计中在DC-DC前端利用电源滤波器结合电容进行滤波处理,避免了电源模块干扰。另一方面,在PCB设计时,进行模块化设计,使模拟电路部分和数字电路部分在PCB上分割清晰,还进行了地线加粗处理,使地线尽可能连成网状,并对数字部分敷铜接地处理,提高了抗干扰能力。由于设计以原理摸底为目的,所以使用元器件时,兼顾成本考虑,例如在AD790芯片类型选择时,选用了JN型,而没有选AQ型,因为前者为工业级,后者为军品级,在价格上相差甚远。
2 系统控制软件设计
2.1 软件设计的特点
该设计的软件主要是根据设计的功能在KeilC51下编写的,软件能可靠地实现系统功能。该设计软件具有以下特点:
(1) 软件结构清晰、简洁、合理;
(2) 各功能程序实现模块化、子程序化,这样既便于调试、连接,又便于移植修改;
(3) 调试过的程序进行规范化,除去修改“痕迹”,规范化的程序可为以后的软件模块化、标准化打下基础。
2.2 控制信号组合表
AD574A的工作状态由CE,CS,R/C,12/8,A0这5个控制信号决定。这些控制信号的组合功能如表1所示:
3 结 语
该设计在实验室进行了软硬件的调试。系统上电后,对输入电压进行了适当调整,输出端数据发生了相应的变化。通过对输出量化数据的转化,求得电压值,与前端实际输入电压值进行比较,误差在±0.1 V内,串口送出的频率值误差在±1 Hz。通过一段时间的运行,系统运行状况良好,能够稳定、可靠地进行电压、频率测量。
参考文献
[1]张迎新,杜小平,樊桂花,等.单片级初级教程——单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.
[2]李朝青.单片机&DSP外围数字IC技术手册[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[3]纪宗南.单片机外围器件实用手册——输入通道器件分册[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.
[4]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992.
[5]邬宽明.单片机外围器件实用手册——数据传输接口器件分册[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.
[6]丁志刚,李刚民.单片机微型计算机原理与应用[M].北京:电子工业出版社,1990.
[7]张友德,赵志英,涂时亮.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:复旦大学出版社,1992.
[8]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社,1996.
[9]张迎新.单片机微型计算机原理、应用及接口技术[M].北京:国防工业出版社,1993.
电压质量监测 篇6
1 系统应用背景
当前农村配电网三相负荷不平衡及低电压综合治理工作中，在需要对三相负荷进行调整时，一般都是人工进行负荷测量和调整。而在实际工作中，往往存在以下问题。
(1)人工调整，费时费力。三相负荷调整都是电工自己到台区去测量电流，采集多个点之后才可以调整。在调整的时候，需要断线、换相，费工、费时，效率很低，三相负荷的调整既滞后，又很难准确。有时候明明知道某个台区的负荷不平衡，由于只能人工去调整负荷，却不得不进行一系列测量及改线换线工作，操作起来十分费时费力。
(2)台区监控数据处理滞后，不能实时或及时监测到台区的运行情况。当前农村低电压普查等数据多数仍只是以纸质或者电子文档的形式存在，没有形成有效的数据库，大量原始数据和基础数据分散在各基层单位，查询起来都很难，更不用说进行统计和分析了。数据统计和处理速度太慢，不仅造成人力资源的极大浪费，也造成数据统计上报不及时，甚至容易出现统计数据遗漏和出错的现象。而由此造成的监测数据统计的滞后，也必然影响到台区低电压调控的及时性和台区运行智能化、自动化发展。
2 系统基本介绍
(1)系统结构。低电压监测与三相负荷平衡自动调整系统由系统软件平台与智能配电网监控单元、换相开关、一级电子式剩余电流断路器、油温监测单元等共同组成。通过GPRS通信网络，实现远程信息传输及控制。
(2)功能特点。该系统主要实现三相线路负荷不平衡自动调整、线路末端低电压监测与改善;还可实现营销管理(配电参数监测、远抄、远控)及变压器油温和低压侧出线头温度监测。由系统软件平台和自动换相开关进行负荷自动调整，既能让三相负荷平衡调整变得更科学、及时，最大限度地降低线损，又能减小所要调整的单元表箱，避开用电高峰，尽量避免因调整给客户用电带来的不便，最大限度地提高供电可靠性。
3 系统实现的目标
(1)数据采集规范化、科学化。能够及时采集到台区的用电负荷、电压、电流、功率、线路剩余电流(漏电流)、变压器油温及出线侧的接线柱温度、各级保护器跳闸原因等一系列参数，用于台区基本数据的掌握。通过系统的投入运行，摆脱传统的手工处理信息方式，利用先进的信息技术和网络技术，实现数据和资源共享。
(2)实现远程控制、自动报警。如果台区出现异常情况，可通过调度软件对台区进行远程控制操作，例如分闸、合闸、控制继电器等操作。软件实时监测线路运行情况，通过台区终端，实现第一时间告警、预警功能。
(3)实现手动或者自动调整负荷平衡。可以通过系统实现人工或者自动地对换相开关换相，自动调整负荷平衡，使线路的不平衡率降到预定的不平衡率以下。此外，还可以通过软件查询当前线路的负荷情况、用户在某相的使用情况等具体详细信息。
(4)降低劳动强度，提高工作效率。系统运行后可大大减少在调整线路平衡当中的众多烦琐人工工作环节，降低了工作强度，提高了工作效率。
(5)提高用户服务质量和供电可靠性。应用该系统可以掌握每条线路的三相负荷不平衡调整情况和农村低电压工作进展情况，更好地服务于用户，提高供电可靠性。
4 三相负荷平衡自动调整系统工作流程
(1)由安装在支路上的电子式剩余电流断路器获取各支路三相线路的相线电流及剩余电流，并由剩余电流断路器的通信组件传至智能配电网监控单元。
(2)由安装在相线路上各单元表箱中的自动换相开关，获取各表箱单元的电流与电压，并由无线或载波通信上传至智能配电网监控单元。
(3)由智能配电网监控单元将所监测到的各支路相线电流及各表箱单元的电流与电压，一并由GPRS上传至系统软件平台。
(4)系统软件平台根据设定的不平衡率上限值、调整周期、各支路三相负荷平均不平衡率及各支路相线电流平均值大小，来确定是否进行相线间负荷的调整，再根据相线中表箱单元的电流平均值，按照由大到小的次序来确定具体所要调整的表箱。
(5)最后，根据设定的调整时刻，由系统软件平台发出指令，经智能配电网监控单元下传至自动换相开关，完成单元表箱电源相位的自动转换，从而实现支路三相负荷平衡的自动调整。
5 总结
电压质量监测 篇7
随着各地经济的快速发展,社会用电需求保持了快速增长态势,低压客户用电需求急剧上升,但由于受电网建设制约,农村地区供电半径过长、线路残旧、末端电压过低等问题仍十分严重,相关投诉居高不下,客户满意度得分低于平均水平。在此环境下,出于用电检查现场检测的需求,将负荷终端应用到低压配电网电压监测中的方法应运而生,通过负荷终端、GPRS无线移动通信网络,连接计量自动化系统,实现低压配电网的实时监测、数据采集和分析处理,为提高供电企业的用电管理水平提供了技术支持。
1 现状和背景
博罗县位于广东省东南部,辖区17个镇,总面积2 858 km2,总人口120万,是全国百强县之一。博罗供电局主要担负着全县的供电任务,截至2014年12月31日,全局拥有10 k V变压器9 210台,总容量约280万k VA,电力用户数逾39万,其中低压用户达38.5万,农村用户32万,占用户总数的82%。2014年第三方客户满意度调查,博罗供电局总体得分为73分,低于广东总体得分12分,低于惠州供电局得分5分。以第三方客户满意度调查的91个调查结果为不满意的客户所反映的128个原因作为分析样本,分析表明,因电压质量不稳定而不满意的客户占14.29%。2014年,95598转办辖区内抱怨工单96宗,其中电压质量抱怨工单54宗,占56%,且全部为低压用户。
目前,博罗供电局对中压配网运行状况的监测、控制已逐步完善,专变、配变已基本实现数据系统自动采集,但低压配电网的电压监测点少,运行状况掌握不够全面、准确。每次转办抱怨电压低工单,用电现场管理均采用传统的操作方式,即用电检查员现场采用钳形电流表、万用表等仪表仪器现场测量,不但工作效率低,且工作质量也不尽人意。
主要表现:一是工作效率低,通常一个公变要负责很大范围内的供电,出现低压配电网电压过低一般都是末端用户,处于较为偏远的地区,测量一个点的电压要跑二三次,可能花费一天的工作时间,工作效率低;二是取证存在差异,负荷是变化的,在用电高峰时和非用电高峰时测量结果大不相同,而每台台变因所接负荷性质不同出现的高峰时段不同,测量结果可能与用户描述相差甚大,往往会因此引起用户的重复抱怨;三是没有形成有效的数据库,大量原始数据和基础数据分散在各基层单位,不便保存、查询,且数据分析统计较差,更加没分类建档,不能完全发挥作用,无法为配电网改造立项提供参考。
博罗供电局营销覆盖面广,部分用电检查人员业务素质、技术素质及学历都有所欠缺,在当前精细化管理形势下,必须依靠强有力的信息技术手段,科学地开展营销需求侧管理、用电运行监测,才能更好地推进营销工作和营销服务,提升服务品质和质量,提高客户满意度。
2 负控终端监测配电网电压工作原理
负控终端属于负控管理系统,建立在计算机硬件技术、计算机软件技术、数字通信技术、电能计量技术、电力营销技术基础之上。负控管理系统包括GPRS无线网络、负控终端及主站系统,具有远程自动抄表、用电异常信息报警、负荷质量监测及电能质量监测等功能。
GPRS又称为无线分组业务,其是高速度数据处理的一种通信服务方式,具有实时在线、高速传输用户数据的功能,通过使用流量进行电能收费,可以有效降低用电信息采集系统的使用成本。根据运营商提供通信服务的范围,可对大部分区域进行网络的覆盖,以有效处理分散用户的通信数据。与传统的短信通讯方式相比较,GPRS通信方式能有效处理数据量大的用户数据,对于分散不集中的用户,也能实现有效的通信数据;对于高山、洼地等较偏远的地区,借助中国移动的通信网络进行通信,能有效降低用电信息采集系统建设的成本。
负控终端融合了无线通信和高精度电能计量等技术,基于GPRS无线移动通信网络,以TCP/IP协议为主要通信方式,具有4路轮次跳闸输出、1路报警输出、2路RS485接口、4路遥信/脉冲开关量信号输入。终端自身具有交流采样功能,并可通过RS485等方式采集电表数据和遥信量数据,能满足用电监测、远程抄表、大用户管理等多方面的应用需求。
主站系统与负控终端的数据传输主要是通过无线移动通信网络实现的,为保证终端功能的实现及与前置机(主站)的正常通讯,可根据用户实际情况及需求,通过遥控或按键设置相关参数,包括通讯参数、主动上报参数、任务参数、主站通讯地址(包括通讯信道类型、主站IP、主站端口)等。主站系统每5 min采集测量一次电压,记录最大值、最小值和发生的时间,实现配电网电压监测统计。
3 负荷终端在电压监测中的应用
配电网中电力用户一般较为分散,如果以电力用户单元为监控点构筑电压监测系统,投入非常大。既然负控终端具有远程自动抄表、电能质量监测等功能,那么如何应用到配电网电压监测中呢?
3.1 设备的改造
根据用电检查对低压用户电压监测的需求,将三相四线的负控终端引出电压线和地线,增加插头,改装为带插头式终端,通过无线移动通信网络将终端数据传递到主站系统,主站系统建立虚拟用户,实现远程监测电压。
3.2 设备的应用
2015年初,博罗供电局客户服务全方位会议委员会决定将负控终端应用在配电网电压监测工作中,流动对可能存在低电压现象的台区和抱怨用户开展电压实时监测,以掌握供电区域低电压用户分布情况。
3月,经改良的34台三相四线负控终端投入17个供电所,供电所怀疑存在低电压台区或出现电压低抱怨用户时,工作人员携带“神器”对用户进行单点测量,插头插入用户的开关面板,即可实时在线查询数据。经过1~2天的测试,基本可根据采集的数据分析电压变化情况,完成电压测量任务。
经近半年的应用,流动监测电源点56个,效果显著,主要表现如下:一是该投入结束了过去靠用电检查员人工测量的落后局面,由于操作简单方便,可由辖区抄表员代劳,大大减轻了用电检查员的工作量,提高了工作效率;二是做到了数据采集实时、高效、准确、可靠,去除人为和时间因素,有效解决了用户电压低抱怨工单数据取证问题;三是实时在线监测系统可根据配电网管理需要,对数据进行统计、分析,实现数据和资源共享,不仅为电压质量改善提供了良好的技术支撑,有效推进了配电网低电压快速响应机制的建立,确保了配电网低电压整治工作快速有序开展,也为配电网改造立项、完善网架结构提供了有效依据。
4 结语
负荷终端运用在低压配电网电压监测中,不仅为人们带来了便利,也实现了对配电单点负荷的自动监测、数据采集和处理、统计分析、远程传输等功能,提高了工作的质量和效率,是供电企业用电管理的技术支撑。
摘要：随着经济的发展,农村的用电需求量与日俱增,但农村电网的运行以及改造却相对滞后。农村地区的电能供应经常会出现低电压的情况,抱怨电压低的工单数量居高不下。采用负荷终端作为监测低压用户电能质量的工具,应用于现场用电检查,科学有效地处理客户诉求,为低压配电网改造提供了有效依据。现针对博罗供电局电压低抱怨多的现状,提出将负荷终端应用于低压配电网电压监测,其可行性、合理性已在实际应用中得到了证实,且具有良好的可操作性。
关键词：负荷终端,低压配电网,电压监测,工作原理
参考文献
[1]魏锋.用电信息采集系统在智能电网发展中的建设应用[D].南京:南京理工大学,2011.
[2]陈盛,吕敏.电力用户用电信息采集系统及其应用[J].供用电,2011(4).
电压质量监测 篇8
关键词：电压暂降,监测,优化,模糊控制,模糊阈值,观测指数,离散粒子群优化算法,模型
0 引言
电压暂降对敏感设备的影响是国外发达国家最为关心的电能质量问题[1,2,3,4]，在国内其关注程度也越来越高[5,6]。安装电能质量监测装置是获取电压暂降信息、进行相关问题分析的重要手段。但从经济性方面考虑，一般只在特定的重要母线上安装电能质量监测装置。因而如何在适当的母线上，在保证不遗漏重要数据的基础上安装最少的监测装置，利用其获取的电压暂降信息，进行全网整体电压暂降特性的分析，是一个重要的问题。
在以往的研究中，文献[7]首先提出了监测点优化配置的概念并且建立了基于可观测区域（MRA）的优化模型，在此基础上文献[8,9,10]运用各种线性优化方法进行优化，但文献[8,9,10]中的优化模型完全依赖于严格的暂降阈值，仅以监测点最小个数为目标函数，这样往往得出多个可行方案而无法给出最优结果。文献[11,12]运用故障识别法进行优化模型的建立，将MRA转变为故障可识别矩阵，由于监测目标提高到故障点可定位，可能会使监测装置安装数量较多。
针对电压暂降的监测问题，本文建立了基于模糊模型和离散粒子群优化（BPSO）算法的优化模型，提出了模糊边界的概念，充分利用电压暂降特征值信息，不仅给出了监测点的观测区域，并且给出了每条母线在该区域内的影响值大小，有助于选择最优的配置方案。采用所提出方法，首先基于短路故障分析中得到的数据建立基于模糊边界的电压暂降观测域；建立Mamdani模糊模型和Sugeno模糊模型，其中Mamdani模型用于计算各个母线的观测指数，Sugeno模型用于构造优化的目标函数，目标函数既能反映监测点数目又能反映方案的优劣；对于建立的目标函数，采用具有收敛速度快、鲁棒性好等性能的BPSO算法进行优化，得到最少监测装置数量和最优安装位置的方案；最后，本文以IEEE 30节点系统作为算例，验证了所提出方法的优越性。
1 电压暂降幅值计算
在电压暂降发生原因中，短路占了绝大多数，本文仅以短路故障来分析计算电压暂降的幅值。如图1所示，假设m为监测点，短路故障发生在电网中线路g-h上的f点处，故障阻抗为zf，故障点f和g点的距离为l，定义：
其中，Lgf为节点g与故障点f间的距离；Lgh为线路g-h的总长度。由上式可知当l在0～1之间变化时表示故障点f的位置从节点g向节点h移动。
m与f之间的互阻抗和f的自阻抗分别为：
其中，u为阻抗的次序，当u取0、1、2时分别表示该阻抗为零序、正序和负序阻抗；Zumg和Zumh分别为节点m、g和节点m、h之间的互阻抗；Z ugg和Zuhh分别为节点g和节点h的自阻抗；Zugh为节点g、h间的互阻抗zugh为线路g-h的阻抗。
设各节点故障前电压均为1 p.u.,f点发生不同类型短路故障时，母线m的电压暂降幅值计算公式如下。
(1）三相短路故障。
(2）单相接地短路故障。
其中，α为算子，α=ej120°。
(3）两相短路故障。
(4）两相接地短路故障。
由以上计算方法可得到不同故障类型下的电压凹陷域矩阵。用一个N×F的矩阵表示，N和F分别为系统母线数和故障点数。
2 传统方法的不足和改进
2.1 基于MRA的优化方法及其不足
几乎所有的研究中都依赖一个严格的电压阈值来判别电压是否发生暂降，通过比较阈值和短路计算所得的电压幅值得到电压暂降MRA。MRA是指系统中发生故障时，使某一监测点发生电压暂降的故障点所在区域。MRA实质上是凹陷域的另一种表达形式。与凹陷域矩阵相对应，MRA为一个N×F的矩阵。
其中，i为观测母线，j为故障点；t为故障类型，如上所述，分为三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路故障，每种故障建立一个对应的MRA;Mt,ij表示在某种故障下，故障点j发生故障时，监测点i能否监测到暂降，其值为1表示可监测到暂降，其值为0表示不能监测到暂降；p为电压暂降阈值；Vij为凹陷域矩阵Vdip中第i行第j列的值，表示故障点j发生短路故障时节点i的电压有效值。定义向量X为N维向量，各维xi表示母线i的监测点安装情况。
为了确保每个故障都要被监测点监测到，算法要保证对于MRA中任意第i行元素，X中元素满足以下约束条件：
其中，t为故障类型；bj为每个故障点需要至少被观测到的次数。
传统优化配置中目标函数为监测点数目：
对于电压暂降而言，MRA内发生的能引发该母线电压暂降的短路故障都应该触发该母线上的监测装置，而在监测域外发生的故障则不应该触发该母线上的监测装置。因而这种优化方法得到的监测装置配置依赖电压暂降阈值，并且由于目标函数单一传统的方法往往会得出多个可行方案，而无法给出最优方案。
为了说明传统优化配置方法的缺点，用传统方法对文献[13]中的13节点系统进行电压暂降监测点的配置，图2所示为三相短路故障时2种配置方案示意图。2种方案均可满足全网暂降可观测，但是传统方法无法给出哪一个方案更好。
根据对该系统短路计算所得的电压暂降幅值可知，图2(a）所示的方案中监测点13的可观测区域内，最大电压暂降幅值为0.89 p.u.（故障发生在节点8时）；图2(b）所示的方案中监测点12的最大电压暂降幅值为0.78p.u.（故障发生在节点6时）。由于在实际情况下暂降值会受到各种因素影响（如接地电阻等）而改变[7]，当节点8发生故障时，节点13的电压暂降计算值0.89 p.u.接近阈值0.9 p.u.，若实际值大于0.9 p.u.，则不会触发监测点13，而节点8又不在监测点7的MAR内，最终将导致节点8的故障无法被监测到。然而监测点12的观测域中最大电压暂降值0.78 p.u.远小于监测点13的0.89 p.u.，说明监测点12几乎不会因为实际暂降值的升高而无法监测到该点故障，因此图2(b）中的方案更加可靠。在本文所提出方法中将根据各个监测点MRA内的电压暂降幅值对监测点进行评估，并通过对目标函数的重新建立，实现配置方案的自主选择。
2.2 模糊边界可观测域建立
本文用一种模糊阈值来替代传统的严格阈值某监测点的MRA如图3所示，图3中严格的边界仅仅指出了哪些故障点在该母线的观测范围内，而图4中的模糊阈值不仅给出了监测点的MRA还给出了该区域内故障点的影响程度。
基于模糊阈值建立的模糊电压暂降可观测区域称为MMRA。每种故障建立一个对应的MMRA。MRA是有明确边界划分的，只有2个部分，元素值为0或1。而MMRA有3个部分，为I(In）、B(Boundaries）和O(Out），其中In是完全在监测区域的故障点，Boundaries是在模糊阈值区域的故障点，Out包括监测区域之外以及高于传统阈值的点。
为了说明模糊阈值的含义，上述14节点系统的监测点13的MMRA如图5所示。图中的区域1是监测点13明确的MRA，区域1内故障点引起的监测点13的电压暂降值小于等于0.8p.u.；区域2则是模糊边界域，区域2内故障点引起监测点13的电压暂降值范围为0.8～0.9p.u.。
3 优化模型的建立和算法实现
3.1 目标函数
传统的优化配置方法中通常通过监测点的数量来对比配置结果，没有考虑监测点的观测能力。本文通过运用MMRA，引入监测点观测指数D表示监测点的观测能力。D的大小由MRA内最小的电压暂降值、MRA内电压暂降平均值和MRA内最大的电压暂降值决定。
由2.1节的分析可知，MRA内的电压暂降值越低，该观测点越可靠，受外界干扰越小。因此，监测点的D越小，该点观测能力越好，越不容易忽视导致暂降幅值较大的故障点。
通过建立Mamdani模糊模型[14]计算得到每条母线（候选监测点）的D。一般情况下，监测点发生故障时所能检测到的最小电压暂降幅值均为0（假设故障发生在监测点时接地电阻为0），因此，本文中考虑电压暂降幅值最大值Umax和电压暂降平均值Uave作为输入变量，输出变量就是该监测点的观测指数D。
为了使输入输出量模糊化，本文中输入变量电压幅值最大值Umax和平均值Uave的模糊集采用MMRA中的集合分布：{I(In),B(Boundaries),O(Out）}；输出变量D的模糊集采用{TB（真大），WB（弱大），M（中等），WS（弱小），TS（真小）}。输入和输出的隶属度函数分别如图6、7所示，模糊规则表如表1所示。
上述模型是基于单一故障类型下建立的，综合考虑各种故障，取某母线在4种故障类型的模型下得到的D的平均值，即可得到该母线的综合观测指数Dgi，且Dgi越小，表示该母线MRA内的整体电压暂降值越低，则监测能力越好。
Sugeno模型[15]能够用较少的规则数描述给定的未知系统，而且其结论部分采用线性模型描述，这使复杂的输入以线性关系输出，因而本文用它来建立目标函数。以监测点个数为输入变量个数，观测指数为变量值，输出为各监测点观测指数的线性函数。该模型可以由1组If-Then的模糊规则来表述，每条规则代表1个线性子系统。假设共有K条模糊控制规则，其中第k条规则Rk可表述为：
模糊系统的输出量为每条规则的输出量的加权平均：
其中，K为规则数目；n为输入变量个数；Dg=[Dg1,Dg2…，Dgn]为n维的输入向量；为系统输出。
输入变量各母线观测指数的模糊集采用{B（大），M（中），S（小）}，输入隶属度函数如图8所示。
通过模糊控制系统的输出函数，可构造在系统有n个监测点时的优化目标函数为：
该目标函数为2项相乘的复合函数，可以同时反映当前配置方案的监测点个数和方案的好坏程度。从函数中可以看出，即使在监测点个数相同的情况下，不同配置的目标函数也不相同，而且目标函数越小该方案越好，从而可以得到最优方案。
3.2 约束条件
为了保证在任意故障类型下每个故障至少能被1个监测点观测到，建立全局可观测矩阵：
其中，3p、1p、2p和2pg分别表示三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路故障。
则该优化问题应满足以下约束条件：
其中，N为系统母线总数；F为故障点数。
3.3 基于BPSO算法的优化配置
电压暂降监测装置优化配置问题属于典型的离散型、非线性问题。与已有的优化设计模型，如整数线性规划法、遗传算法等相比，粒子群优化算法具有依赖的经验参数少、收敛速度快等优点，但是基本粒子群算法是解决连续性问题的有效方法，不适用于离散问题，因此，本文应用BPSO算法进行优化。
BPSO算法[13]最早由Kennedy和Eberhart在基本粒子群优化算法的基础上提出，该方法使得粒子群优化算法能够更好地解决离散组合优化问题。
BPSO算法中，粒子向量变为由0和1组成的二进制字符串，即粒子位置的搜索空间变为n维二进制空间。其速度的更新方法与基本粒子群优化算法相同，而位置更新公式变为：
其中，d+1为当前的迭代次数；ρ为0～1的随机数；vij(d+1）为本次迭代中更新后的速度。
由此可见，参数s在0～1间取值的概率取决于粒子速度的大小：若s的值接近于1，则s>ρ的概率也就越大，其粒子将更可能被选择为1；反之，若s接近于0，则粒子的位置更可能被选择为0。
为了避免BPSO算法易陷入局部最优的缺陷，本文引入自适应惯性权重。小的惯性因子ω′有利于延缓收敛速度，不会出现振荡现象，但是小的惯性因子将缩小搜索空间，容易陷入局部最优；而大的惯性因子可以使粒子的速度增大，增强全局的搜索能力，但容易导致过早收敛。因此，本优化问题中采用一种自适应权重选择法：
其中，minω′、maxω′分别为惯性权重ω′的下限和上限值，一般取值在（0,1）之间；fk为第k个粒子当前的适应度值；gkd为当前全局最优值；favg为所有个体适应度值的平均值。
BPSO算法中以式（9）给出的N维向量X为状态变量，即粒子群中每个粒子为一个二进制表示的N维向量，每个粒子表示一种配置方案。
本文所提出的电压暂降监测点优化配置流程如图9所示。
4 算例分析
本文对IEEE30节点系统进行电压暂降监测点的优化配置，IEEE30节点系统接线图如图10所示该系统包括6个电源、4台变压器、30条母线以及37条输电线路。
在电压暂降幅值计算中不能忽略发电机阻抗对短路分析的影响，发电机阻抗通过发电机出力和节点负载计算得到。为了保证优化配置的精度，在每条线路上以等间距取5个故障点作为虚拟故障点。监测装置候选安装点为系统内30条母线。
在MATLAB环境下对该系统进行仿真，BPSO算法中初始种群设为30，最大迭代次数为200次。
IEEE 30节点系统各母线监测指数如表2所示最佳的5个配置方案如表3所示。
从表3可以看出，5个最佳配置方案的监测点个数并不完全相同，前3个方案只需要安装2个监测装置，后2个方案需要3个监测装置。另外，前个方案只有1个监测点是不同的，即母线7、母线和母线6，从表2中可以看出，母线7、母线5和母线6的观测指数分别为0.365 0、0.419 5和0.421 8，因此，母线7具有更好的观测能力，方案1的目标函数值（即每个粒子的适应度值）也更小，方案1为最优方案。
为了直观地比较方案1和方案2，图11给出了2个方案中不同监测点母线7和母线5在三相短路故障下（由于MRA是在同一故障类型下形成的）的MMRA。
图11(a）和图11(b）所示分别为监测点母线7和母线5的MMRA。图中各区域含义与图5中相同，区域1内故障点引起监测点母线的电压暂降值小于等于0.8p.u.；区域2是模糊边界域，该区域内故障点引起监测点母线的电压暂降值范围为0.8～0.9 p.u.。从两图对比可以看出，图11(a）中分布于区域1的故障点明显多于图11(b），具体故障点分布情况和电压暂降幅值信息如表4所示，表中电压均为标幺值。
从表4可以看出，监测点母线7的MMRA内引起电压暂降的平均值较母线5的平均值小1.183p.u.，最大值也比母线5小。从MRA内引起暂降的故障点数量来看，监测点母线7在区域1内的故障点为62个（包括母线和线路上虚拟故障点），远远多于母线5的18个，即母线7的MRA内引起其电压暂降小于等于0.8p.u.的点集中并且数量很多，这些故障点易被监测，不容易被忽视；而监测点母线7在区域2内的故障点明显少于母线5，即模糊边界内大于0.8p.u的点较少，产生误判的机会也相对减少。根据2.1节的分析可知，监测装置安装在母线7较母线5有明显的优势。
此外，从表3中Sugeno模糊控制模型的输出值y赞可以看出，各个方案监测力度并不一定与监测点个数成正比。如方案1和方案4配置的监测点个数分别为2个和3个，而y赞分别为1.324 0和1.2293，即虽然方案1比方案4少了1个监测点，但方案4整体的监测效果比方案1要可靠。因此，在资金允许的情况下，方案4可以优先考虑。
5 结论