CN101354419A - 无间隔电能质量在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种电能质量监测装置，尤其涉及到一种无间隔电能质量在线监测装置。其包括：1)多处理器协处理机制系统结构设计；2)“硬件有效值突变检测触发单元”进一步强化暂态电能质量数据处理能力，利用“硬件有效值突变检测单元”检测电网电压有效值突变信号，在正常情况下，单元功能电路无信号输出，CPU系统保留采用数据，当单元模块有信号输出，“信号检测单元”向CPU请求“暂态电能质量事件处理”，通过准确的事件判断模块，大大节省CPU运行时间，有效提高系统的可靠性和保证处理事件的准确性。其有益效果是：电能质量事件数据分析处理全面；电能质量事件处理的准确度大大提高；实现系统电能质量数据无间隔处理能力。

Description

无间隔电能质量在线监测装置

技术领域

本发明涉及到一种电能质量监测装置，尤其涉及到一种无间隔电能质量在线监测装置。

背景技术

由于现代化工业高速发展，电能源已经成为目前人类最重要的能源之一；非线性负荷的普遍应用，大量谐波注入电网，用户负载的非线性、冲击性、不平衡的用电特性，致使电网系统电能质量不断恶化。加强电网系统的电能质量综合管理，监管电网系统的健康运行，为社会可持续发展提供一个高效、环保、安全的电力能源环境，是电网系统管理者和建设者近年来的重心工作。出于电能质量系统的海量数据量和电能质量数据分析处理的海量工作量，以及电网系统管理者和建设者对电能质量监测系统更全、更高、更难的技术要求，单机普通的电能质量监测处理系统已经不能满足现有需求的技术要求；随着电网系统发电、输电、配电以及用电等各个环节的不断复杂，中间环节产生的电能质量寄生信息也在不断的复杂，如谐波次数不断升高，间谐波对系统的负面影响也在不断提升；电能质量在线监测处理功能也在不断要求向更高、更精、更细方面发展；经研究比对表明，目前大多数的电能质量监测装置都存在着处理数据功能单一、处理数据精度一般、处理实时电能质量数据的覆盖面小，漏处理电能质量数据窗口大等不足之处；甚至目前很少有全覆盖面的实时电能质量数据处理装置。

同行业电能质量监测技术发展情况概述：

1、第一代电能质量监测技术情况

1.1技术特点

我们国家对电能质量问题认识比西方发达国家落后近30年的差距，相关电能质量项目的技术产品应用都比较落后，当初我们国内的工业加工主要是一些技术水平低、制造工艺水平落后，生产制造的产品主要属于粗糙、简单的工业产品；生产制造上述产品对电力能源可靠度要求也一般。零散的对电能质量监测也仅限于偶尔采用一般的“电能质量分析仪器仪表”做抽查而已。

1.2应用情况以及存在的问题

●对电能质量监测及应用处于初级阶段；

●各行业对电能质量带来的问题及危害还认识不够；

●各地区电力局一般利用便携式“电能质量分析仪”对某些变电所或直接污染源进行测试，测试时间短，发现问题的几率小。

2、目前，我国电能质量在线监测程度不高，电能质量监测及控制技术应用处在起步阶段

2.1发展状况

由于现代化工业高速发展，电能源已经成为目前人类最重要的能源之一；非线性负荷的普遍应用，大量谐波注入电网，用户负载的非线性、冲击性、不平衡的用电特性，致使电网系统电能质量不断恶化。

同时随着我国工业技术的不断提高和相应的一些高技术国外公司在我国内地投资办厂，电能源的质量问题已经影响到正常的工业技术发展；一些高端精加工产业领域，需要安全、稳定、可靠以及高质量的“精细”电源，我国原有的开放式管理造成的“粗电”电源已经不能满足现有工业企业的应用与发展。

随着上述情况的变化和发展，电能质量技术应用包括“监测”和“综合治理”也逐步得到重视和开始发展。随着对电能质量问题研究的不断深入，电能质量问题有以下特点：

●电能质量动态性：

电能源从发电到生产应用是一个整体系统，其变化始终出于动态平衡状态，并且随电网结构和负荷的改变而不断变化；不同时刻，不同地点，电能质量指标往往是不同的。所以电能质量始终处在动态变化中。

●电能质量相关性：

电能不能大量存储，发、输、配以及应用同时进行，所以相关的设备产生电能质量问题会影响到其他在线设备。

●电能质量传播：

电能传播速度快，电气污染波及面积大，某处的电能质量问题会大大的降低相连系统的电能质量。

●电能质量潜在性：

电能质量扰动复杂多变，事故诱发条件复杂，隐患不知清。

●电能质量复杂性：

电能质量是多个指标作用于同一系统，综合给出评价电能质量的综合指标比较困难。

●电能质量整体性：

保证电能质量需要发、输、配、用的各级管理多方努力，不是一方力所能及的事。

2.2电能质量监测技术应用情况以及存在的问题

2.2.1技术特点

●电能质量监测向在线监测方向发展：

目前常用的“电能质量在线监测装置”系统结构如图1所示，电能质量在线监测装置一般主要以16位的DSP为主要数据处理器，处理数据比较快，数据测量精度较好；

●具备远程通讯网络管理功能：

电能质量在线监测装置有通讯网络接口，可以和远程综合自动化管理系统组成网络化管理，集数据采集、分析、报表管理与一体；

2.2.2技术缺点及存在的问题

●不适合对复杂的电能质量数据处理：

电能质量在线监测装置内部处理器一般主要以16位的DSP/单片机为主要数据处理器，无法实现较为复杂的电能质量数据处理，从电能质量数据特性来看，电能质量数据属于“海量”数据库，低规格的处理架构实现复杂数据处理技术难度比较大；

●不适合暂态电能质量数据处理：

以简单规格的16/32位的DSP/单片机组成的电能质量在线监测装置只适合稳态性质的电能质量数据处理，为了满足稳态电能质量数据处理能力，电能质量在线监测装置数据处理只能采取放大处理数据间隔的办法；如先对一个周波数据采集，然后对提取的数据做电能质量数据分析，处理一个周边的电能质量数据需要5～10以上电网周波的周期时间才能完成(一相电压/电流采用目前最快的FFT处理需要2ms，1路电能质量监测包括3相电压3相电流，对所有的采集量完成FFT变换就需要近15～20ms的时间周期，其它电能质量相关的处理、统计等同样需要占用大量的CPU时间)；处理下一组数据只能对第5～10周波以后的数据处理，处理器只能对这之间的窗口数据无法处理。可能一些重要的暂态性质的电能质量数据就隐含在这些“空穴”间隔，将都得不到有效处理。造成不能全方面的监测处理系统电能质量数据。

如“电涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、频率偏移、持续低电压、瞬时断电、电压凸起”等暂态电能质量事件对用电设备的杀伤力和危害程度要远远大于稳态电能质量事件。加强暂态电能质量事件监测处理，对电能质量在线监测系统尤为重要。

有大“空穴”间隔的电能质量数据处理系统数据分布图如图2所示，在图中，对影印部分电网数据周期实施了电能质量监测处理工作，空白部分电网周期的数据系统无工作时间，错失的无处理数据信息区。

●网络系统速度慢，很难满足现有“海量”数量量的电能质量数据信息现有的电能质量在线监测装置外配置的通讯接口一般为RS485或通过串口转接以太网口的通讯接口，通讯系统功效低，电能质量在线监测系统与现有的电能质量管理系统数据共享能力不足，严重制约了电能质量综合工程工作进展，不能满足现有的技术要求。数据处理实时性不强

现有的电能质量在线监测装置采用放大“空穴”间隔的电能质量数据处理模式，存在着对系统中大量的数据信息丢弃，依据电能质量数据变化的随机性和动态性变化情况，对大量的电能质量数据不能做到实时性监测。

●监测结果缺乏判决依据

电能质量在线监测装置处理存在比较大的未处理数据“空穴”，不能真实全面反映电能质量变化趋势，所以难以准确的评价系统现有的电能质量综合技术指标。

基于上述现有电能质量在线监测装置技术的不足之处，本发明人设计了本发明“无间隔电能质量在线监测装置”。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足所要解决的技术问题是：提供一种实现系统电能质量数据无间隔处理能力的无间隔电能质量在线监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

无间隔电能质量在线监测装置设计采用以下方法：

1.1多处理器协处理机制系统结构设计

在该系统中，“电能质量数据处理CPU1、2、3”分别完成不同通道的电能质量数据处理，在同一时刻系统内各CPU并行处理各通道电能质量数据，电能质量数据处理CPU的90％任务实现电能质量数据采样处理，10％的任务向“通讯管理数据存储CPU”传输数据。有效提高对系统的电能质量数据处理能力。“通讯管理数据存储CPU”主要完成系统电能质量数据的存储、网络通讯以及其它辅助功能。该系统采用10/100M以太网通讯处理，使系统数据通讯传输无瓶颈。

对影印部分电网数据周期实施了电能质量监测处理工作，系统处理电能质量数据无“空穴”遗漏周期区间，多处理器协处理机制系统的电能质量在线监测装置不仅可以适用于稳态电能质量数据分析处理，全覆盖的数据处理能力特别适合对暂态性质的电能质量数据处理。

1.2“硬件有效值突变检测触发单元”进一步强化暂态电能质量数据处理能力

硬件有效值突变检测触发单元属于外部硬件电路对有效暂态电能质量事件通过监测有效值突变信号向电能质量数据处理CPU产生触发信号，通知电能质量数据处理CPU对当前采集数据分析处理；当电网数据处于平稳状态时，有效值突变检测触发单元不会产生触发信号，电能质量数据处理CPU只对系统采集数据做常规数据分析处理，有效提高CPU的运行效率。

利用“硬件有效值突变检测单元”检测电网电压有效值突变信号，在正常情况下，单元功能电路无信号输出，CPU系统保留采用数据，但不做无谓的“暂态事件”处理；当单元模块有信号输出，“信号检测单元”向CPU请求“暂态电能质量事件处理”。“暂态电能质量事件处理”软件模块功能复杂，程序执行将耗费大量的CPU时间，通过外部准确的事件判断模块，大大节省CPU运行时间，有效提高系统的可靠性和保证处理事件的准确性。

本发明无间隔电能质量在线监测装置的有益效果是：

a)电能质量事件数据分析处理全面：本发明可以处理包括以下电能质量事件信息，谐波分析、间谐波分析、系统电压合格率统计分析、瞬时供电断电统计分析、瞬时冲击脉冲事件录波、电压骤升骤降事件录波、变频器可控硅负载造成的电压波形切痕事件录波、三相不平衡度统计分析、电压波动与闪变事件统计分析、RMS值突变事件录波记录等。

b)电能质量事件处理的准确度大大提高：本发明采用多片最新TI公司32位DSP处理器设计，数据采集转换采用多通道同步16位A/D转换器，电压电流异常事件触发加密采样每周波可达1024个点；可以对电网系统中大于50us的瞬时冲击脉冲实现存储录波分析；每种瞬时电能质量事件触发记录功能由外部硬件有效值突变检测触发单元和内部软件判别相结合的录波分析模式，大大节省的数据处理CPU的占用时间，提高对电能质量事件处理的及时性和准确性。

c)实现系统电能质量数据无间隔处理能力：新的电能质量在线监测装置系统采用多片最新TI公司32位DSP处理器设计，其中电能质量数据分析处理由3片同规格CPU协处理完成，3个CPU分别负担部分电能质量数据分析处理工作量，保证实时电能质量数据的无间隔处理能力，有利于将电能质量数据分析处理能力向高、精、全方面扩充。从目前实际测试的情况来看，单片32位的DSP处理器很难在统一周期内完成综合的电能质量数据分析处理能力，只能采用放大间隔的数据处理方式实现系统测试功能，这样难免会丢失部分有价值的电能质量数据信息，CPU的超负荷运行降低了系统的稳定性和可靠性，也直接会影响到对系统电能质量事件判断的精准性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是目前常用的“电能质量在线监测装置”系统结构图；

图2是有大“空穴”间隔的电能质量数据处理系统数据分布图；

图3是本发明多处理器协处理机制系统组成结构图；

图4是本发明无“空穴”间隔全覆盖电能质量数据处理系统数据分布；

图5是本发明“硬件有效值突变检测单元”的暂态电能质量事件处理模块功能框图

具体实施方式

参照图3至图5，本发明是这样实施的：

在图3中，“电能质量数据处理CPU1、2、3”分别完成不同通道的电能质量数据处理，在同一时刻系统内各CPU并行处理各通道电能质量数据，电能质量数据处理CPU的90％任务实现电能质量数据采样处理，10％的任务向“通讯管理数据存储CPU”传输数据。有效提高对系统的电能质量数据处理能力。“通讯管理数据存储CPU”主要完成系统电能质量数据的存储、网络通讯以及其它辅助功能。该系统采用10/100M以太网通讯处理，使系统数据通讯传输无瓶颈。

在图4中，对影印部分电网数据周期实施了电能质量监测处理工作，系统处理电能质量数据无“空穴”遗漏周期区间，多处理器协处理机制系统的电能质量在线监测装置不仅可以适用于稳态电能质量数据分析处理，全覆盖的数据处理能力特别适合对暂态性质的电能质量数据处理。

在图5中，利用“硬件有效值突变检测单元”检测电网电压有效值突变信号，在正常情况下，单元功能电路无信号输出，CPU系统保留采用数据，但不做无谓的“暂态事件”处理；当单元模块有信号输出，“信号检测单元”向CPU请求“暂态电能质量事件处理”。“暂态电能质量事件处理”软件模块功能复杂，程序执行将耗费大量的CPU时间，通过外部准确的事件判断模块，大大节省CPU运行时间，有效提高系统的可靠性和保证处理事件的准确性。

以上所述，仅是本发明无间隔电能质量在线监测装置的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1、一种无间隔电能质量在线监测装置，包括通讯管理数据存储CPU、数据采集转换模块和电能质量数据分析模块，还包括有通讯网络接口，其和远程综合自动化管理系统组成网络化管理，集数据采集、分析、报表管理于一体，本发明的特征在于：其采用32位DSP处理器作为电能质量数据处理CPU，所述的电能质量数据分析模块由3片DSP处理器协处理完成，3片DSP处理器分别负担部分电能质量数据分析处理工作量，保证实时电能质量数据的无间隔处理能力，负责电能质量数据处理的3个DSP处理器分别完成不同通道的电能质量数据处理，在同一时刻系统内各DSP处理器并行处理各通道电能质量数据，电能质量数据处理的3片DSP处理器90％任务实现电能质量数据采样处理，10％的任务向通讯管理数据存储CPU传输数据，通讯管理数据存储CPU用于完成系统电能质量数据的存储、网络通讯以及辅助功能。

2、根据权利要求1所述的无间隔电能质量在线监测装置，其特征在于所述的数据采集转换模块采用多通道同步16位A/D转换器，电压电流异常事件触发加密采样每周波达1024个点；可对电网系统中大于50us的瞬时冲击脉冲实现存储录波分析；每种瞬时电能质量事件触发记录功能由外部硬件有效值突变检测触发单元和内部软件判别相结合的录波分析模式，缩短数据处理CPU的占用时间，提高对电能质量事件处理的及时性和准确性，所述的硬件有效值突变检测触发单元属于外部硬件电路对有效暂态电能质量事件通过监测有效值突变信号向电能质量数据处理CPU产生触发信号，通知电能质量数据处理CPU对当前采集数据分析处理；当电网数据处于平稳状态时，有效值突变检测触发单元不会产生触发信号，电能质量数据处理CPU只对系统采集数据做常规数据分析处理，有效提高电能质量数据处理CPU的运行效率；利用“硬件有效值突变检测单元”检测电网电压有效值突变信号，在正常情况下，单元功能电路无信号输出，电能质量数据处理CPU系统保留采用数据，不做无谓的“暂态事件”处理；当单元模块有信号输出，“信号检测单元”向电能质量数据处理CPU请求“暂态电能质量事件处理”；通过外部准确的事件判断模块，节省电能质量数据处理CPU运行时间，提高系统的可靠性和保证处理事件的准确性。

3、根据权利要求1所述的无间隔电能质量在线监测装置，其特征在于所述的网络通讯采用10/100M以太网通讯处理。

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