CN105116245B - 一种基于以太网的电能质量在线监测装置 - Google Patents

一种基于以太网的电能质量在线监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于以太网的电能质量在线监测装置，它包括电网1、数据采集子模块2、DSP分析子模块3、基本电参量协处理器4、工控机二级存储与控制子模块5、电能质量管理平台6，DSP分析子模块3将数据采集子模块2采集的电网电压和电流波形数据进行数学分析后得到电能质量指标数据，DSP分析子模块3同时还读取基本电参量协处理器4所得到的高精度基本电参量数据，连同电能质量指标数据一起实时地传输到工控机二级存储与控制子模块5，然后由电能质量管理平台6定时、周期性或人工的向工控机二级存储与控制子模块5召唤数据，电能质量管理平台6主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的统计和专家分析。本发明能够对电能质量状况进行实时、全面的监测分析，特别是谐波、间谐波、暂态扰动和闪变监控，提高准确性和实时性，改善频率分辨率。

Description

一种基于以太网的电能质量在线监测装置
技术领域
本发明涉及电能质量在线监测技术领域，特别是涉及一种基于以太网的电能质量在线监测装置。
背景技术
随着智能电网技术的发展与推广应用，用户侧分布式电源(如风能发电、光伏发电、生物质发电等)具有数量多、范围广、容量小、随机性和间歇性强的特点，其大规模应用给电网供电可靠性和配电系统电能质量带来很大影响。分布式电源的间歇性和随机性会引起配电网电压波动和闪变，导致一些符合节点的电压质量超标；分布式电源中不适当的逆变器控制策略会产生不平衡电压和谐波污染，对用户侧用电设备产生不良影响；分布式电源并网运行，会因安装地点、容量和介入方式不合理等因素，导致电网供电可靠性降低。电能质量在线监测装置是掌握电网供电质量的实际情况、改善电能质量的必不可少的工具。目前，市场上的电能质量在线监测装置主要存在以下不足：电能质量在线监测的准确性和实时性不足；数字通信能力有限，不能实现远程数据交换和共享等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种基于以太网的电能质量在线监测装置，它能够对电能质量状况进行实时、全面的监测分析，特别是间谐波、暂态事件和闪变监控，提高准确性和实时性，改善频率分辨率。
为了达到上目的，本发明的技术方案是这样的：一种基于以太网的电能质量在线监测装置，它包括电网1、数据采集子模块2、DSP分析子模块3、基本电参量协处理器4、工控机二级存储与控制子模块5、电能质量管理平台6，DSP分析子模块3将数据采集子模块2采集的电网电压和电流波形数据进行数学分析后得到电能质量指标数据，DSP分析子模块3同时还读取基本电参量协处理器4所得到的高精度基本电参量数据，连同电能质量指标数据一起实时地传输到工控机二级存储与控制子模块5，然后由电能质量管理平台6定时、周期性或人工的向工控机二级存储与控制子模块5召唤数据，电能质量管理平台6主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的统计和专家分析。本发明能够对电能质量状况进行实时、全面的监测分析，特别是谐波、间谐波、暂态扰动和闪变监控，提高准确性和实时性，改善频率分辨率。
其中间谐波的检测方法包括以下步骤：
A.用所述基本电参量协处理器4从采样电压信号中获得基波频率f0
B.根据基波频率f0，得到同步采样下的采样频率f′s＝n1f0和采样序列长度T′＝n2T0，按时间间隔t′s＝1/f′s对固定频率23.4375KHz采样得到的数据点进行拉格朗日插值调整，对调整之后每组采样序列进行DFT变换；
C.根据基波频率f0和采样序列长度T′提取出间谐波分量；
其中闪变检测方法包括以下步骤：
A.对输入的采样电压信号进行同步提取，得到电压闪变信号为u(t)＝A[1+mcosΩt]cos(ωt)，其中，A是工频载波电压的幅值；ω为工频载波电压的角频率；m为调幅波的电压幅值，Ω为调幅波的角频率；
B.将u(t)平方后得到:
C.由于信号中的|2ω-Ω|分量的存在，当调制波频率为15～25HZ时，其5次倍频分量被映射到0～25HZ之内，幅值变位基波分量的当调制波频率为21.76和18.24时其5次倍频分量恰巧被映射在8.8Hz上，此时将造成最大的误差，直接影响测量结果。如果将调制方波信号分解为各次正弦波信号之和，可以得到如下关系式：
可见，引入误差的|2ω-Ω|分量已经被消除
D.经过0.05HZ高通滤波器滤除直流分量：
式中，ω＝2π×0.05rad/s
E.经过35HZ六阶巴特沃思低通滤波器滤除工频及以上频率分量：
W(s)＝[1+b1(s/ωc)+b2(s/ωc)2+b3(s/ωc)3+b4(s/ωc)4+b5(s/ωc)5+b6(s/ωc)6]-1，
式中，ω＝2π×35rad/s，b1＝b5＝3.864，b2＝b4＝7.464，b3＝9.141，b6＝1，
得到电压波动分量A2v(t)≈mA2cosΩt；
F.经过视感度加权：
式中，k＝1.74802，λ＝2π×4.05981，ω1＝2π×9.15494，ω2＝2π×2.27979，ω3＝2π×1.22535，ω4＝2π×21.9，得到瞬时闪变视感度S(t)；
G.闪变评价常用的一个指标是短时间闪变值Pst，根据累计概率曲线CPF作出统计评价，实际中，通常采用5个规定值或百分值来计算Pst：
式中，5个规定值P0.1、P1、P3、P10、P50分别表示10min内CPF曲线上等于0.1％、1％、3％、10％、50％时间的S(t)值。
优选地，所述数据采集子模块2包括电压电流互感器7和模数转换模块7。
优选地，所述DSP分析子模块3采用DSP处理器TMS320F28335控制芯片。
优选地，所述电参量协处理器4采用专用计量芯片ATT7022E。
优选地，所述工控机二级存储与控制子模块5采用x86架构的工控机HSB-800I，操作系统采用linux或vxWorks。
优选地，所述工控机二级存储与控制子模块5采用linux或vxWorks嵌入式操作系统。
优选地，所述工控机二级存储与控制子模块5还包括还包括数据分析统计模块，显示模块和以太网通讯模块。
优选地，所述电能质量管理平台6采用PC机。
优选地，所述电能质量管理平台6还包括显示模块。
本发明的有益效果是：
1.结合以太网通信技术、微处理器技术和计算机技术，可对电网电能质量状况进行实时、全面、准确的监控分析，提高了准确性和实时性；
2.该固定频率采样与拉格朗日插值算法的结合可以在大幅度降低模数转换模块8成本的情况下实现高精度的原始序列采集；
3.该闪变检测方法消除了|2ω-Ω|频率分量的影响，具有更好的精度。
4.该基本电参量协处理器4的加入，在极大的减小DSP分析子模块3的计算负担的同时提高了基本电参量的的测量精度，特别是小信号以及电能量的精度，为谐波功率损耗评估提供了更准确的同步数据。
附图说明
图1为本发明的基于以太网的电能质量在线监测装置结构示框图；
图2为本发明的闪变检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种基于以太网的电能质量在线监测装置，它包括电网1、数据采集子模块2、DSP分析子模块3、基本电参量协处理器4、工控机二级存储与控制子模块5、电能质量管理平台6，DSP分析子模块3将数据采集子模块2采集的电网电压和电流波形数据进行数学分析后得到电能质量指标数据，DSP分析子模块3同时还读取基本电参量协处理器4所得到的高精度基本电参量数据，连同电能质量指标数据一起实时地传输到工控机二级存储与控制子模块5，然后由电能质量管理平台6定时、周期性或人工的向工控机二级存储与控制子模块5召唤数据，电能质量管理平台6主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的统计和专家分析，最后设计人机交互界面，管理在线电能质量分析与检测模块的工作，实时显示监控结果等。
所述电能质量管理平台6采用PC机。
优选地，所述电能质量管理平台6还包括显示模块。
所述电能质量在线监测装置主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的检测。
参见附图2，本发明还提出了一种闪变检测方法，包括以下步骤：
A.对输入的采样电压信号进行同步提取，得到电压闪变信号为u(t)＝A[1+mcosΩt]cos(ωt)，其中，A是工频载波电压的幅值；ω为工频载波电压的角频率；m为调幅波的电压幅值，Ω为调幅波的角频率；
B.将u(t)平方后得到:
C.由于信号中的|2ω-Ω|分量的存在，当调制波频率为15～25HZ时，其5次倍频分量被映射到0～25HZ之内，幅值变位基波分量的当调制波频率为21.76和18.24时其5次倍频分量恰巧被映射在8.8Hz上，此时将造成最大的误差，直接影响测量结果。如果将调制方波信号分解为各次正弦波信号之和，可以得到如下关系式：
可见，引入误差的|2ω-Ω|分量已经被消除
D.经过0.05HZ高通滤波器滤除直流分量：
式中，ω＝2π×0.05rad/s
E.经过35HZ六阶巴特沃思低通滤波器滤除工频及以上频率分量：
W(s)＝[1+b1(s/ωc)+b2(s/ωc)2+b3(s/ωc)3+b4(s/ωc)4+b5(s/ωc)5+b6(s/ωc)6]-1，
式中，ω＝2π×35rad/s，b1＝b5＝3.864，b2＝b4＝7.464，b3＝9.141，b6＝1，
得到电压波动分量A2v(t)≈mA2cosΩt；
F.经过视感度加权：
式中，k＝1.74802，λ＝2π×4.05981，ω1＝2π×9.15494，ω2＝2π×2.27979，ω3＝2π×1.22535，ω4＝2π×21.9，得到瞬时闪变视感度S(t)；
G.闪变评价常用的一个指标是短时间闪变值Pst，根据累计概率曲线CPF作出统计评价，实际中，通常采用5个规定值或百分值来计算Pst：
式中，5个规定值P0.1、P1、P3、P10、P50分别表示10min内CPF曲线上等于0.1％、1％、3％、10％、50％时间的S(t)值。
该闪变检测方法消除了|2ω-Ω|频率分量的影响，具有更好的精度。

Claims (10)

1.一种基于以太网的电能质量在线监测装置，它包括电网1、数据采集子模块2、DSP分析子模块3、基本电参量协处理器4、工控机二级存储与控制子模块5、电能质量管理平台6，其特征在于：数据采集子模块2的输入端连接电网1，数据采集子模块2的输出端连接DSP分析子模块3以及基本电参量协处理器4的输入端，DSP分析子模块3将采集的原始波形数据进行数学分析得到电能质量指标数据，同时读取基本电参量协处理器4的高精度基本电参量数据，整体打包后通过内部高速总线将数据实时地传输到工控机二级存储与控制子模块5，工控机二级存储与控制子模块5将数据进行初步分类统计后进行本地存储和界面呈现，电能质量管理平台6定时、周期性或人工的向工控机二级存储与控制子模块5召唤数据；电能质量管理平台6主要完成对谐波和间谐波、电压波动和闪变、幅频偏差、暂态扰动等指标的统计和专家分析；
所述基本电参量协处理器4采用专用计量芯片ATT7022E；
间谐波的检测方法包括以下步骤：
A.用所述基本电参量协处理器4从采样电压信号中获得基波频率f0；
B.根据基波频率f0，得到同步采样下的采样频率fs′＝n1f0和采样序列长度T′＝n2T0，按时间间隔ts′＝1/fs′对固定频率23.4375KHz采样得到的数据点进行拉格朗日插值调整，对调整之后每组采样序列进行DFT变换；
C.根据基波频率f0和采样序列长度T′提取出间谐波分量。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述数据采集子模块2包括电压电流互感器7和模数转换8。
3.根据权利要求1所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，闪变检测方法包括以下步骤：
A.对输入的采样电压信号进行同步提取，得到电压闪变信号为u(t)＝A[1+mcosΩt]cos(ωt)，其中，A是工频载波电压的幅值；ω为工频载波电压的角频率；m为调幅波的电压幅值，Ω为调幅波的角频率；
B.将u(t)平方后得到:
C.由于信号中的|2ω-Ω|分量的存在，当调制波频率为15～25HZ时，其5次倍频分量被映射到0～25HZ之内，幅值变位基波分量的当调制波频率为21.76和18.24时其5次倍频分量恰巧被映射在8.8Hz上，此时将造成最大的误差，直接影响测量结果；如果将调制方波信号分解为各次正弦波信号之和，可以得到如下关系式：
可见，引入误差的|2ω-Ω|分量已经被消除；
D.经过0.05HZ高通滤波器滤除直流分量：
式中，ω＝2π×0.05rad/s；
E.经过35HZ六阶巴特沃思低通滤波器滤除工频及以上频率分量：
W(s)＝[1+b1(s/ωc)+b2(s/ωc)2+b3(s/ωc)3+b4(s/ωc)4+b5(s/ωc)5+b6(s/ωc)6]1，式中，ω＝2π×35rad/s，b1＝b5＝3.864，b2＝b4＝7.464，b3＝9.141，b6＝1，得到电压波动分量A2v(t)≈mA2cosΩt；
F.经过视感度加权：
式中，k＝1.74802，λ＝2π×4.05981，ω1＝2π×9.15494，ω2＝2π×2.27979，ω3＝2π×1.22535，ω4＝2π×21.9，得到瞬时闪变视感度S(t)；
G.闪变评价常用的一个指标是短时间闪变值Pst，根据累计概率曲线CPF作出统计评价，实际中，通常采用5个规定值或百分值来计算Pst：
式中，5个规定值P0.1、P1、P3、P10、P50分别表示10min内CPF曲线上等于0.1％、1％、3％、10％、50％时间的S(t)值。
4.根据权利要求3所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，DSP分析子模块3采用DSP处理器TMS320F28335控制芯片。
5.根据权利要求4所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述DSP分析子模块3还包括供电电源。
6.根据权利要求1所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，工控机二级存储与控制子模块5采用x86架构的工控机HSB-800I。
7.根据权利要求6所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，工控机二级存储与控制子模块5还包括数统计模块，显示模块和以太网通讯模块。
8.根据权利要求7所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，工控机二级存储与控制子模块5还包括linux或vxWorks嵌入式操作系统。
9.根据权利要求8所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述电能质量管理平台6采用PC机。
10.根据权利要求9所述的一种基于以太网的电能质量在线监测装置，其特征在于，所述电能质量管理平台6包括显示模块。
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