CN103454530A - 电能质量监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电能质量监测装置及其监测方法，该装置包括电压互感器、电流互感器、预处理模块、微处理器、存储器以及通信模块，其中：预处理模块、存储器以及通信模块分别连接至微处理器，电压互感器和电流互感器分别用于采集用电设备的运行参数并分别连接至所述预处理模块的对应接口以建立模拟信号的传输通道，预处理模块对前述运行参数进行预处理并将数据存储在一缓冲存储器内，微处理器与缓冲存储器联系并调用电能质量分析程序对缓冲存储器内的基本电力参数进行电能质量分析。本发明的装置和方法即可独立使用时可实时在线监测用户电网电能质量，又可组网使用，保证系统对电能质量的深入分析。

Description

电能质量监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及电力仪表技术领域，具体而言涉及一种电能质量监测装置及其监测方法。

背景技术

    由于现代工业技术飞速发展，各种非线性负荷在各种工业领域广泛使用，导致大量高次谐波注入电网，致使电网电能质量恶化，严重影响对电能质量敏感的自动控制设备的稳定运行。实行电能质量全面管理，保证电网电能质量，可以降低电力用户因保障自动化设备稳定运行而增加的电源保障设备的投入，降低电力用户的运营成本，然而现有电能质量监测仪表只能进行简单的数据处理，所采集的海量数据均需通过网络传输给电能质量管理系统进行集中处理，不但对电能质量管理系统的硬件配置提出了极高的要求，还要求极高的网络传输速度，降低了电能质量监测的实时性和响应速度。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明旨在提供一种改进的电能质量监测装置及其监测方法，独立使用时可实时在线监测用户电网电能质量，在和上位机连接或组网使用时，正常情况下只传输电能质量动态分析图表，降低了数据传输量和上位机或系统的数据处理量，当电能质量出现问题可将问题时间段的电力参数传输给上位机或系统，保证系统对电能质量的深入分析。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种电能质量监测装置，包括电压互感器、电流互感器、预处理模块、微处理器、存储器以及通信模块，其中：预处理模块、存储器以及通信模块分别连接至微处理器，电压互感器和电流互感器分别用于采集用电设备的运行参数并分别连接至所述预处理模块的对应接口以建立模拟信号的传输通道，预处理模块对前述运行参数进行预处理并将数据存储在一缓冲存储器内，微处理器与缓冲存储器联系并调用电能质量分析程序对缓冲存储器内的基本电力参数进行电能质量分析。

进一步，所述预处理模块包括鉴相电路、模数转换电路、数据缓存区、接口电路以及子处理器，其中：鉴相电路用于对传感器组采集的三相电压信号、三相电流信号以及对应相的电压电流信号进行鉴相处理，获得三相电压相位差、三相电流相位差、各相电压电流相位差信号；模数转换电路用于对前述三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号转换为数字信号；子处理器控制前述数字信号通过接口电路传输至数据缓冲区并进行基础数据分析，并将分析结果存入数据缓冲区，基础数据分析包括：根据电压电流相位差信号计算各相功率因数及总功率因数；采用过零计数法计算各相电压电流频率以及频差；根据电压电流信号、电压电流相位差信号计算各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率；根据三相电流信号和零线电流信号采用平衡法计算漏电流；计算各相有功功率当前负荷率；根据有功功率、无功功率采用数值积分方法计算当前有功电量和无功电量。

进一步，所述电能质量分析过程包括相电压分析、线电压分析、相电流分析、电流谐波分析以及电压谐波分析，其中：

相电压分析：计算相电压偏差和三相电压不平衡度；

线电压分析：计算线电压偏差和三相线电压不平衡度；

相电流分析：计算三相电流不平衡度；

电流谐波分析：计算谐波电流奇次总畸变率、偶次总畸变率、各相2-31次谐波电流含有率：

电压谐波分析：计算电压基波有效值、谐波电压总畸变率、奇次谐波总畸变率、偶次谐波总畸变率、各相2-31次谐波含有率；

所述电力参数包括三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号、各相功率因数及总功率因数、各相电压电流频率以及频差、各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率、漏电流、各相有功功率当前负荷率、当前有功电量和无功电量。

进一步，所述微处理器控制将电能质量分析结果存入存储器中的电能质量分析数据库内，并对分析结果进行可视化处理，生成动态可视化图表，存入存储器中的可视化图表库内。

进一步，所述装置还包括一显示模块，连接至微处理器，用于以可视化方式将分析结果表征出来。

进一步，所述通信模块包括无线通信子模块、现场总线接口模块以及互联网接口模块中的至少一种，用于实现与外部装置或网络的信息通信。

为实现上述目的，本发明的另一方面还包括一应用上述电能质量监测装置实现电能质量监测的方法，包括以下步骤：

电压互感器和电流互感器分别采集用电设备的运行参数并将其传输至预处理模块；

预处理模块对采集的运行参数进行鉴相、模数转换和基础数据分析，并将转换后的数字信号和数据分析结果存储在一缓冲存储器内；以及

微处理器与缓冲存储器联系并调用电能质量分析程序对缓冲存储器内的基本电力参数进行电能质量分析。

进一步，所述微处理器还控制将电能质量分析结果存入存储器中的电能质量分析数据库内，并对分析结果进行可视化处理，生成动态可视化图表，存入存储器中的可视化图表库内。

进一步，所述微处理器还控制一显示模块以可视化方式将分析结果表征出来。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于通过模块化设计和分级式数据处理，提供电能质量监测的有效性和效率，并且本发明提供的电能质量监测装置在独立使用时可实时在线监测用户电网电能质量，在和上位机连接或组网使用时，正常情况下只传输电能质量动态分析图表，降低了数据传输量和上位机或系统的数据处理量，当电能质量出现问题可将问题时间段的电力参数传输给上位机或系统，保证系统对电能质量的深入分析。

附图说明

图1为本发明较优实施例的电能质量监测的结构示意图。

图2为电能质量分析的流程示图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1所示，根据本发明的较优实施例，电能质量监测装置包括电压互感器1、电流互感器2、预处理模块3、微处理器4、存储器5以及通信模块6，其中：预处理模块3、存储器5以及通信模块6分别连接至微处理器4，电压互感器1和电流互感器2分别用于采集用电设备的运行参数并分别连接至所述预处理模块3的对应接口以建立模拟信号的传输通道，预处理模块3对前述运行参数进行预处理并将数据存储在一缓冲存储器内，微处理器4与缓冲存储器联系并调用电能质量分析程序对缓冲存储器内的基本电力参数进行电能质量分析。

电压互感器1和电流互感器2与预处理模块3连接，预处理模块3通过总线与微处理器4连接，微处理器4的一端与预处理模块3连接，一端与存储器5连接，一端与通信模块6，一端与显示模块7连接。

预处理模块3包括鉴相电路、模数转换电路、数据缓存区、接口电路以及子处理器，其中：鉴相电路用于对传感器组采集的三相电压信号、三相电流信号以及对应相的电压电流信号进行鉴相处理，获得三相电压相位差、三相电流相位差、各相电压电流相位差信号；模数转换电路用于对前述三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号转换为数字信号；子处理器控制前述数字信号通过接口电路传输至数据缓冲区并进行基础数据分析，并将分析结果存入数据缓冲区，基础数据分析包括：根据电压电流相位差信号计算各相功率因数及总功率因数；采用过零计数法计算各相电压电流频率以及频差；根据电压电流信号、电压电流相位差信号计算各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率；根据三相电流信号和零线电流信号采用平衡法计算漏电流；计算各相有功功率当前负荷率；根据有功功率、无功功率采用数值积分方法计算当前有功电量和无功电量。

电能质量分析过程包括相电压分析、线电压分析、相电流分析、电流谐波分析以及电压谐波分析，其中：

相电压分析：计算相电压偏差和三相电压不平衡度；

线电压分析：计算线电压偏差和三相线电压不平衡度；

相电流分析：计算三相电流不平衡度；

电流谐波分析：计算谐波电流奇次总畸变率、偶次总畸变率、各相2-31次谐波电流含有率：

电压谐波分析：计算电压基波有效值、谐波电压总畸变率、奇次谐波总畸变率、偶次谐波总畸变率、各相2-31次谐波含有率；

所述电力参数包括三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号、各相功率因数及总功率因数、各相电压电流频率以及频差、各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率、漏电流、各相有功功率当前负荷率、当前有功电量和无功电量。

优选地，微处理器4控制将电能质量分析结果存入存储器5中的电能质量分析数据库内，并对分析结果进行可视化处理，生成动态可视化图表，存入存储器中的可视化图表库内。

优选地，电能质量监测装置还包括一显示模块7，连接至微处理器4，用于以可视化方式将分析结果表征出来。

优选地，通信模块6包括无线通信子模块、现场总线接口模块以及互联网接口模块中的至少一种，用于实现与外部装置或网络的信息通信。

电能质量监测装置进行电能监测分析的过程包括以下步骤：电压互感器和电流互感器分别采集用电设备的运行参数并将其传输至预处理模块；预处理模块对采集的运行参数进行鉴相、模数转换和基础数据分析，并将转换后的数字信号和数据分析结果存储在一缓冲存储器内；以及微处理器与缓冲存储器联系并调用电能质量分析程序对缓冲存储器内的基本电力参数进行电能质量分析。

参考图并结合图2所示的流程图，具体地，工作时其执行以下步骤：

1、电压互感器1和电流互感器2的模拟量信号传输给预处理模块3；

2、预处理模块3对电压信号和电流信号进行预处理；

流程2所述预处理，包括以下处理步骤：

2.1）鉴相处理：预处理模块3中的鉴相电路分别对三相电压信号、三相电流信号以及对应相的电压电流信号进行鉴相处理，获得三相电压相位差、三相电流相位差、各相电压电流相位差信号；

2.2）模数转换：预处理模块3的模数转换器将三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号转换为数字量信号，并通过预处理模块中接口电路传输给预处理模块的子处理器；

2.3）数据基本分析：预处理模块3的子处理器接收模数转换器传输的数据后，将其存入预处理模块中的缓冲存储器，并进行数据分析；

步骤2.3所述数据分析包括：根据电压电流相位差信号计算各相功率因数及总功率因数；采用过零计数法计算各相电压电流频率以及频差；根据电压电流信号、电压电流相位差信号计算各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率；根据三相电流信号和零线电流信号采用平衡法计算漏电流；计算各相有功功率当前负荷率；根据有功功率、无功功率采用数值积分方法计算当前有功电量和无功电量。

2.4）数据存储：预处理模块3中的子处理器将计算结果存入预处理模块3中的缓冲存储器；

3、微处理器4与预处理模块3联系，将缓冲存储器内的数据存入存储器5中的基本电力参数数据库，并调用电能质量分析程序对基本电力参数进行电能质量分析；

步骤3所述电能质量分析包括以下内容：

4.1）相电压分析：计算相电压偏差和三相电压不平衡度；

4.2）线电压分析：计算线电压偏差和三相线电压不平衡度；

4.3）相电流分析：计算三相电流不平衡度；

4.4）电流谐波分析：计算谐波电流奇次总畸变率、偶次总畸变率、各相2-31次谐波电流含有率：

4.5）电压谐波分析：计算电压基波有效值、谐波电压总畸变率、奇次谐波总畸变率、偶次谐波总畸变率、各相2-31次谐波含有率；

所述电力参数包括三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号、各相功率因数及总功率因数、各相电压电流频率以及频差、各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率、漏电流、各相有功功率当前负荷率、当前有功电量和无功电量。

4、微处理器控制将计算结果存入存储器中的电能质量分析数据库中，并对分析结果进行可视化处理，生成动态可视化图表，存入可视化图表库；

5、微处理器4通过显示模块将电能质量分析结果以可视化方式，例如图表方式显示出来，供用户监控；

6、用户可通过网络或计算机与电能质量监测仪连接，通过通信模块读取存储器中的基本电力参数、电能质量分析数据和电能质量分析动态图表。

综上所述，本发明的有益效果在于通过模块化设计和分级式数据处理，提供电能质量监测的有效性和效率，并且本发明提供的电能质量监测装置在独立使用时可实时在线监测用户电网电能质量，在和上位机连接或组网使用时，正常情况下只传输电能质量动态分析图表，降低了数据传输量和上位机或系统的数据处理量，当电能质量出现问题可将问题时间段的电力参数传输给上位机或系统，保证系统对电能质量的深入分析。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种电能质量监测装置，其特征在于，包括电压互感器、电流互感器、预处理模块、微处理器、存储器以及通信模块，其中：预处理模块、存储器以及通信模块分别连接至微处理器，电压互感器和电流互感器分别用于采集用电设备的运行参数并分别连接至所述预处理模块的对应接口以建立模拟信号的传输通道，预处理模块对前述运行参数进行预处理并将数据存储在一缓冲存储器内，微处理器与缓冲存储器联系并调用电能质量分析程序对缓冲存储器内的基本电力参数进行电能质量分析。

2.根据权利要求1所述的电能质量监测装置，其特征在于，所述预处理模块包括鉴相电路、模数转换电路、数据缓存区、接口电路以及子处理器，其中：鉴相电路用于对传感器组采集的三相电压信号、三相电流信号以及对应相的电压电流信号进行鉴相处理，获得三相电压相位差、三相电流相位差、各相电压电流相位差信号；模数转换电路用于对前述三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号转换为数字信号；子处理器控制前述数字信号通过接口电路传输至数据缓冲区并进行基础数据分析，并将分析结果存入数据缓冲区，基础数据分析包括：根据电压电流相位差信号计算各相功率因数及总功率因数；采用过零计数法计算各相电压电流频率以及频差；根据电压电流信号、电压电流相位差信号计算各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率；根据三相电流信号和零线电流信号采用平衡法计算漏电流；计算各相有功功率当前负荷率；根据有功功率、无功功率采用数值积分方法计算当前有功电量和无功电量。

3.根据权利要求2所述的电能质量监测装置，其特征在于，所述电能质量分析过程包括相电压分析、线电压分析、相电流分析、电流谐波分析以及电压谐波分析，其中：

相电压分析：计算相电压偏差和三相电压不平衡度；

线电压分析：计算线电压偏差和三相线电压不平衡度；

相电流分析：计算三相电流不平衡度；

电流谐波分析：计算谐波电流奇次总畸变率、偶次总畸变率、各相2-31次谐波电流含有率：

电压谐波分析：计算电压基波有效值、谐波电压总畸变率、奇次谐波总畸变率、偶次谐波总畸变率、各相2-31次谐波含有率；

所述电力参数包括三相电压信号、三相电流信号、三相电压相位差信号、三相电流相位差信号、各相电压电流相位差信号、各相功率因数及总功率因数、各相电压电流频率以及频差、各相有功功率、无功功率以及总有功功率、总无功功率、漏电流、各相有功功率当前负荷率、当前有功电量和无功电量。

4.根据权利要求3所述的电能质量监测装置，其特征在于，所述微处理器控制将电能质量分析结果存入存储器中的电能质量分析数据库内，并对分析结果进行可视化处理，生成动态可视化图表，存入存储器中的可视化图表库内。

5.根据权利要求4所述的电能质量监测装置，其特征在于，所述电能质量监测装置还包括一显示模块，连接至微处理器，用于以可视化方式将分析结果表征出来。

6.根据权利要求1所述的电能质量监测装置，其特征在于，所述通信模块包括无线通信子模块、现场总线接口模块以及互联网接口模块中的至少一种，用于实现与外部装置或网络的信息通信。

7.一种应用权利要求1-6中任意一项所述的电能质量监测装置实现电能质量监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

电压互感器和电流互感器分别采集用电设备的运行参数并将其传输至预处理模块；

预处理模块对采集的运行参数进行鉴相、模数转换和基础数据分析，并将转换后的数字信号和数据分析结果存储在一缓冲存储器内；以及

微处理器与缓冲存储器联系并调用电能质量分析程序对缓冲存储器内的基本电力参数进行电能质量分析。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述微处理器还控制将电能质量分析结果存入存储器中的电能质量分析数据库内，并对分析结果进行可视化处理，生成动态可视化图表，存入存储器中的可视化图表库内。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微处理器还控制一显示模块以可视化方式将分析结果表征出来。

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