CN109946545A - 一种多功能电能质量分析方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能电能质量分析系统包括采集单元：用于采集电网电源的三相电压和三相电流信号；处理单元：用于根据采集的所述三相电压和三相电流进行处理计算，获取三相电压和三相电流的测量值，以及根据获取的测量值，进行电能质量分析；采集单元电路连接处理单元，处理单元连接存储单元，所述存储单元：用于存储采集数据以及计算分析得到的数据；本发明系统通过硬件模块与程序设计对电能进行多方面分析，提高测量精度，提高测量实时性提高系统可靠性，以获得更为精确有效的电能质量分析结果。本发明还提供了基于该系统实现的多功能电能质量分析方法。

Description

一种多功能电能质量分析方法和系统

技术领域

本发明属于电能分析技术领域，具体而言，是一种多功能电能质量分析方法。

背景技术

由于电能质量问题的日益突出，对电能质量问题的研究日趋严重，电能做为一种商品，要求质量。

对电能质量问题的分析是电能质量问题解决的一个重要环节，只有对所存在的电能质量问题进行正确的分析，才能够清楚电能质量问题的特性，从而采取相应的措施来解决这一电能问题。

电能质量指标主要包括：电压偏差、电压波动与闪变、电网谐波以及三相不平衡等；这些年来，基于数字技术的各种分析方法已经在电能质量领域中得到了广泛的应用，这种技术主要可分为时域仿真法、频域分析法、交换域分析法。但这些方法都只是关于电能质量的某个指标的分析研究，而实际上，人们想要从总体上对电能质量有一个清楚的衡量，因而，需要对电能质量进行综合分析。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种多功能电能质量分析方法，能够辅助电力用户清晰的了解其设备工作的电网，如在配电网侧监控工作电压、电流。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种多功能电能质量分析方法，包括

采集电网电源的三相电压和三相电流信号，并进行测量；

根据测量数据计算电能分析基本量；

根据所述基本量进行电能质量分析。

其中所述电能质量分析包括谐波含量分析、三相不平衡分析、模拟带通带阻以及小波变换中的一种或几种。

进一步的，上述的多功能电能质量分析方法中：

对三相电压、三相电流信号测量后，按照计算公式计算：

其中U为电压有效值，N为1个采样周期内的采样点数，u(n)为第n个采样时间间隔的电压采样瞬时值；

电流有效值I的计算公式为：

其中N为1个采样周期内的采样点数，i(n)为第n个采样时间间隔的电流采样瞬时值。

进一步的，上述的多功能电能质量分析方法中：

所述依据测量数据计算电能分析基本量包括：

按照如下公式计算：

其中：P为三相有功功率；Q为三相无功功率；S为三相视在功率；为功率因数。

进一步的，上述的多功能电能质量分析方法中：

所述根据获得的基本量结果，进行电能质量分析包括谐波含量分析和三相不平衡分析。

本发明还提供了一种多功能电能质量分析系统，包括

采集单元：用于采集电网电源的三相电压和三相电流信号，并进行测量；

处理单元：用于根据测量数据计算电能分析基本量以及根据所述基本量进行电能质量分析；采集单元电路连接处理单元，处理单元连接存储单元；

所述存储单元：用于存储采集数据以及计算过程中产生的数据。

输入单元：用于输入参数或指令信号；

显示单元：用于处理和计算过程中的数据显示。

进一步的，上述的多功能电能质量分析系统中：

所述存储单元存储有程序，程序被处理单元运行时执行如下步骤：

D1.接收三相电压、三相电流的测量结果并计算电能分析基本量：

接收采集单元提供的三相电压、三相电流的测量结果后，计算公式为：

其中U为电压有效值，N为1个采样周期内的采样点数，u(n)为第n个采样时间间隔的电压采样瞬时值；

电流有效值I的计算公式为：

其中N为1个采样周期内的采样点数，i(n)为第n个采样时间间隔的电流采样瞬时值；

基本量计算还包括按照如下公式计算：

其中：P为三相有功功率；Q为三相无功功率；S为三相视在功率；为功率因数；

D2.据获得的上述基本量结果，进行电能质量分析；电能质量分析包括谐波含量分析和三相不平衡分析。

进一步的，上述的多功能电能质量分析系统中：

采集单元和处理单元之间设有采样单元，采集单元用于对通过采集单元采集的三路模拟电压、三路模拟电流信号进行同步采样，并将AD转换结果传输至处理单元进行处理、计算和分析。

进一步的，上述的多功能电能质量分析系统中：

采样单元包括信号调理电路和过零检测电路以及AD转换电路，信号调理电路输入端连接电流传感器和电压互感器，信号调理电路输出端分别连接过零检测电路以及AD转换电路；过零检测电路和AD转换电路连接至处理单元；。

进一步的，上述的多功能电能质量分析系统中：

所述处理单元包括DSP模块和CPLD模块；DSP模块连接所述所述采样单元、存储单元、显示单元，还连接有通信单元；所述CPLD模块连接所述DSP模块、采样单元以及输入单元。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供的多功能电能质量分析系统，通过硬件模块与程序设计对电能进行多方面指标分析，提高测量精度，提高测量实时性提高系统可靠性，以获得更为精确有效的电能质量分析结果，用于供电部门对生产的电能进行监视和检测，以保证提供电力用户合格的电能，如变电所出线端监控供电质量；还能够帮助电力用户清晰的了解其设备工作所处的电网，如在电机三相电源处监控工作电压、电流等。

附图说明

图1是本发明多功能电能质量分析系统的结构框图；

图2是图1中所示处理单元的DSP模块与CPLD模块的一个具体实施例示意图；

图3是图1中所示电压互感器的一个具体实施例示意图；

图4是图1中所示电压互感器的另一个具体实施例示意图；

图5是图1中所示电流传感器的一个具体实施例示意图；

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，以助于理解本发明的内容。

一种多功能电能质量分析方法，包括

S1.采集电网电源的三相电压和三相电流信号，并进行测量；

S2.根据测量数据计算电能分析基本量；

S3.根据所述基本量进行电能质量分析。

(发电厂或变电所)电网电源向外辐射送电，监控该处出线端电能质量，采集电网电源的输出信号并测量、计算；其中，对三相电压、三相电流的测量后，计算公式为：

其中U为电压有效值，N为1个采样周期内的采样点数，u(n)为第n个采样时间间隔的电压采样瞬时值。

步骤S1.采集信号过程中，本发明对电网被测量交流电的瞬时值进行采样，实时性较好，相位失真；采样时，在一个信号周期内对相电压、电流等时间间隔准确采样N个采样点数；(1)式根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号。

本发明中，(1)式由电压有效值公式：变换而来，该式中U为电压有效值；T为采样周期；u(t)为t时刻电压瞬时值；将该式离散化，以周期内有限个采样电压数字量来代替周期内连续变化的函数值，则获得本发明这种以周期和采样瞬时值的计算表达式，便于测量计算且利于获得较精确的计算结果，继而利于电能质量分析。

同理，电流有效值I的计算公式为：

其中N为1个采样周期内的采样点数，i(n)为第n个采样时间间隔的电流采样瞬时值。

步骤S2.依据测量数据计算电能分析基本量过程中：基本量包括上述电压有效值、电流有效值，还包括三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率、功率因数等。

基本量按照如下公式计算：

其中：P为三相有功功率；Q为三相无功功率；S为三相视在功率；为功率因数；这些计算结果用于谐波含量分析计算以分析电能质量。

本发明方法步骤S3.中，据获得的上述结果，进行下面的多方面电能质量分析。

具体的，步骤S31.所述电能质量分析包括谐波含量分析：谐波含量会增加电网相关设备损耗以及影响继电保护可靠性(引发误动作等)以及影响通信设备的通信质量以及安全等等；本发明通过对谐波含量分析获得分析结果，以便于进行相应的保障措施，保证电能质量。

本发明在谐波含量分析过程中对于稳态谐波采用FFT算法，也可以采用模拟带通带阻方法进行分析，对于暂态谐波采用小波变换进行分析，其中利用FFT算法计算上述三相电压、三相电流、功率等各次谐波幅值和相角，继而求出总谐波畸变率、谐波功率等等为本领域成熟技术，此处不再赘述。

或者本发明在谐波含量分析过程中还可以采用模拟带通带阻方法以及小波变换等方式计算。

由于一般FFT算法存在严重的频谱泄露和频谱混叠现象，从而使检测出谐波的幅值、相角和频率都存在着较大误差，造成测量误差大、检测精度低的问题。为避免这些问题，本发明实施时，电网采样数据经过AD转换电路前设置防混叠滤波器防止频谱混叠，同时本发明通过同步采样以及算法修正方式防止频谱泄漏。

步骤S32.电能质量分析中还包括三相不平衡分析，三相不平衡分析采用对称分量法：把该三相量分解为三组对称的正序、负序、零序分量，并以负序分量与正序分量之比作为三相电压不对称度：

对电网被测三相电压、三相电流信号进行滤波，得到相应电压和电流的基频分量；

通过对称分量计算出三相电压及三相电流的负序分量和正序分量；其中利用被测电压及电流计算正序分量和负序分量为本领域成熟技术，此处不再赘述；

按照下式计算：

电压不对称度ε_u＝(U₁/U₂)×100％；电流不对称度ε_i＝(I₁/I₂)×100％；

U₁、I₁分别为电压、电流正序分量的有效值，U₂、I₂分别为电压、电流负序分量的有效值。

本发明电能质量分析方法对电网三相电压、电流信号进行采样测量，获取较为精确的计算结果以在谐波含量分析以及三相不平衡的分析等多方面指标电能质量分析时得到更为可靠的分析结果。

另一方面，本发明还提供了多功能电能质量分析系统，如图1所示包括

采集单元：用于采集电网电源的三相电压和三相电流信号，并进行测量；

处理单元：用于根据测量数据计算电能分析基本量以及根据所述基本量进行电能质量分析；采集单元电路连接处理单元，处理单元连接存储单元；

所述存储单元：用于存储采集数据以及计算过程中产生的数据。

输入单元：用于输入参数或指令信号；

显示单元：用于处理和计算过程中的数据显示。

其中，采集单元包括电压互感器和电流传感器，分别采集所述三相电压和三相电流信号，本发明实施例中所述电压互感器优选采用电流型电压互感器TV16E，被测电源J4经限流电阻R1输入，如图2所示；或者如图3所示的利用AD620芯片实现电压采集；电压互感器TV16E最高工作频率为20KHz，输入电流≤2.5mA，输出电流≤2.5mA(变比1：1)，副方取样电阻参考值为400欧姆，抗电强度为3500V AC/1min，一次最高检测电压为2000V AC，最大不失真输出电压为1V，相移<30’。所述电流传感器优选为TBC-A02系列霍尔电流传感器，连接电网电源出线端接口CON2，如图5所示的，其能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流，测量范围广，其额定输入电流20A，额定输出电压4V，误差约1％，失调电压20mV，线性度0.1FS，线性度好，输出电压范围0～4V。电压互感器和电流传感器用于三路模拟量的采集，测量范围广，精度高，抗干扰能力较强，测量可靠性高。

采集单元和处理单元之间设有采样单元，采集单元用于对通过采集单元采集的三路模拟电压、三路模拟电流信号进行同步采样，并将AD转换结果传输至处理单元进行处理、计算和分析。

采样单元包括信号调理电路和过零检测电路以及AD转换电路，信号调理电路输入端连接电流传感器和电压互感器，信号调理电路输出端分别连接过零检测电路以及AD转换电路；过零检测电路和AD转换电路连接至处理单元。

具体的，采集单元传输的采集信号经过信号调理电路处理后，分别发送至过零检测电路和AD转换电路中进行处理，处理后的结果发送至处理单元。

结合图2，所述处理单元包括DSP模块和CPLD模块，通过DSP的软硬件资源非进行实时信号处理，再配合CPLD的逻辑控制实现仪器的智能化；其中DSP模块采用TMS320LF2812芯片，其为32位高性能DSP(哈佛结构)，最高工作频率150MHZ，128K字×16位的Flash，128K字×16位的ROM，用于L0和L1两块4K字16的单存取RAM，H0一块8K字16的SARAM和M0、M1两块1K字16的SARAM；CPLD模块优选采用EPM7032AE芯片，逻辑门数600门，I/O口36，最大计数频率227.3MHZ。DSP模块连接有存储器、通信单元以及显示单元，通信单元优选为RS485芯片以与上位机通信，所述显示单元优选为LCD显示器；CPLD模块上连接有键盘。

具体实施时，采集单元采集三相电压、三相电流的模拟信号传输至采样单元，采样时，在一个信号周期T内对一相电压、电流等时间间隔准确采样N点数并存储，经过AD转换电路转换为数字量，输送至处理单元，三相全部采样、传输完毕，在处理单元进行数据的计算、分析。数据处理期间，通过LCD显示器进行显示。通过键盘表示、输入参数、指令信号。采样期间，由DSP模块的捕获单元CAP自过零检测电路传输的信号中捕获信号的上升沿过零点，从而测得该传输的信号的频率，并由CPLD模块构成数字锁相环输出采样信号至采样单元，使采样脉冲频率与被测信号周期的变化同步。

存储单元还存储有程序，程序被处理单元运行时，按照如下步骤计算、分析；

D1.接收三相电压、三相电流的测量结果并计算电能分析基本量：

接收采集单元提供的三相电压、三相电流的测量结果后，计算公式为：

其中U为电压有效值，N为1个采样周期内的采样点数，u(n)为第n个采样时间间隔的电压采样瞬时值。

本发明对电网被测量交流电的瞬时值进行采样，实时性较好，相位失真；采样时，在一个信号周期内对相电压、电流等时间间隔准确采样N个采样点数；(1)式根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号。

电流有效值I的计算公式为：

其中N为1个采样周期内的采样点数，i(n)为第n个采样时间间隔的电流采样瞬时值。

D1.依据测量数据计算电能分析基本量过程中：基本量包括上述电压有效值、电流有效值，还包括三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率、功率因数等。

基本量按照如下公式计算：

其中：P为三相有功功率；Q为三相无功功率；S为三相视在功率；为功率因数；这些计算结果用于谐波含量分析计算以分析电能质量。

D2.据获得的上述基本量结果，进行电能质量分析。

具体的，所述电能质量分析包括谐波含量分析，在谐波含量分析过程中对于稳态谐波采用FFT算法，也可以采用模拟带通带阻方法进行分析，对于暂态谐波采用小波变换进行分析，其中利用FFT算法计算上述三相电压、三相电流、功率等各次谐波幅值和相角，继而求出总谐波畸变率、谐波功率等等为本领域成熟技术，此处不再赘述。

或者本发明在谐波含量分析过程中还可以采用模拟带通带阻方法以及小波变换等方式计算。

所述电能质量分析中还包括三相不平衡分析，三相不平衡分析采用对称分量法：把该三相量分解为三组对称的正序、负序、零序分量，并以负序分量与正序分量之比作为三相电压不对称度：

对电网被测三相电压、三相电流信号进行滤波，得到相应电压和电流的基频分量；

通过对称分量计算出三相电压及三相电流的负序分量和正序分量；其中利用被测电压及电流计算正序分量和负序分量为本领域成熟技术，此处不再赘述；

按照下式计算：

电压不对称度ε_u＝(U₁/U₂)×100％；电流不对称度ε_i＝(I₁/I₂)×100％；

U₁、I₁分别为电压、电流正序分量的有效值，U₂、I₂分别为电压、电流负序分量的有效值。

本发明提供的多功能电能质量分析系统，通过硬件模块与程序设计对电能进行多方面指标(功能)分析，提高测量精度，提高测量实时性，提高系统可靠性，以获得更为精确有效的电能质量分析结果，用于供电部门对生产的电能进行监视和检测，以保证提供电力用户合格的电能，如变电所出线端监控供电质量；还能够帮助电力用户清晰的了解其设备工作所处的电网，如在电机三相电源处监控工作电压、电流等。

本发明的实现和本文中提供的所有功能操作可以用数字电子电路、或者用软件程序、固件或硬件，包括本说明书及其结构等同方案中所公开的结构、或者其中的一个或多个的组合来实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多功能电能质量分析方法，其特征在于：包括

采集电网电源的三相电压和三相电流信号，并进行测量；

根据测量数据计算电能分析基本量；

根据所述基本量进行电能质量分析。

其中所述电能质量分析包括谐波含量分析、三相不平衡分析、模拟带通带阻以及小波变换中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的多功能电能质量分析方法，其特征在于：

对三相电压、三相电流信号测量后，按照计算公式计算：

其中U为电压有效值，N为1个采样周期内的采样点数，u(n)为第n个采样时间间隔的电压采样瞬时值；

电流有效值I的计算公式为：

其中N为1个采样周期内的采样点数，i(n)为第n个采样时间间隔的电流采样瞬时值。

3.根据权利要求2所述的多功能电能质量分析方法，其特征在于：

所述依据测量数据计算电能分析基本量包括：

按照如下公式计算：

其中：P为三相有功功率；Q为三相无功功率；S为三相视在功率；为功率因数。

4.根据权利要求1所述的多功能电能质量分析方法，其特征在于：所述根据获得的基本量结果，进行电能质量分析包括谐波含量分析和三相不平衡分析。

5.一种多功能电能质量分析系统，其特征在于：包括

采集单元：用于采集电网电源的三相电压和三相电流信号，并进行测量；

处理单元：用于根据测量数据计算电能分析基本量以及根据所述基本量进行电能质量分析；采集单元电路连接处理单元，处理单元连接存储单元；

所述存储单元：用于存储采集数据以及计算过程中产生的数据。

输入单元：用于输入参数或指令信号；

显示单元：用于处理和计算过程中的数据显示。

6.根据权利要求5所述的多功能电能质量分析系统，其特征在于：

所述存储单元存储有程序，程序被处理单元运行时执行如下步骤：

D1.接收三相电压、三相电流的测量结果并计算电能分析基本量：

接收采集单元提供的三相电压、三相电流的测量结果后，计算公式为：

其中U为电压有效值，N为1个采样周期内的采样点数，u(n)为第n个采样时间间隔的电压采样瞬时值；

电流有效值I的计算公式为：

其中N为1个采样周期内的采样点数，i(n)为第n个采样时间间隔的电流采样瞬时值；

基本量计算还包括按照如下公式计算：

其中：P为三相有功功率；Q为三相无功功率；S为三相视在功率；为功率因数；

D2.据获得的上述基本量结果，进行电能质量分析；电能质量分析包括谐波含量分析和三相不平衡分析。

7.根据权利要求5或6所述的多功能电能质量分析系统，其特征在于：

采集单元和处理单元之间设有采样单元，采集单元用于对通过采集单元采集的三路模拟电压、三路模拟电流信号进行同步采样，并将AD转换结果传输至处理单元进行处理、计算和分析。

8.根据权利要求7所述的多功能电能质量分析系统，其特征在于：

采样单元包括信号调理电路和过零检测电路以及AD转换电路，信号调理电路输入端连接电流传感器和电压互感器，信号调理电路输出端分别连接过零检测电路以及AD转换电路；过零检测电路和AD转换电路连接至处理单元；。

9.根据权利要求8所述的多功能电能质量分析系统，其特征在于：

所述处理单元包括DSP模块和CPLD模块；DSP模块连接所述所述采样单元、存储单元、显示单元，还连接有通信单元；所述CPLD模块连接所述DSP模块、采样单元以及输入单元。