CN112394248A - 电能质量测量装置、系统和方法 - Google Patents

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CN112394248A CN202011312776.9A CN202011312776A CN112394248A CN 112394248 A CN112394248 A CN 112394248A CN 202011312776 A CN202011312776 A CN 202011312776A CN 112394248 A CN112394248 A CN 112394248A
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田兵
韩利群
袁路路
陈海倩
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Abstract

本申请涉及一种电能质量测量装置、系统和方法。所述装置包括：电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块；电压传感器，用于采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器；模数转换器，用于对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号传输至处理器；处理器，用于对数字信号进行分析，得到电能质量；无线通信模块，用于通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。采用本装置能够适配多种应用场景，是一种可检测高压信号电能质量和低压信号电能质量的通用设备，并且通过无线通信方式传输监测数据，方便客户通过数据管理设备进行访问，提升了电能质量测量装置的数据交互和共享性能。

Description

电能质量测量装置、系统和方法
技术领域
本申请涉及电力技术领域，特别是涉及一种电能质量测量装置、系统和方法。
背景技术
在电力系统中，电能质量是评估供电水平的重要指标，可在配电房侧或用户使用侧进行电能质量监测，保障用电服务。
现有的电能质量监测系统根据使用场景可分为两类：1是安装于配电房侧的电能质量监测设备，用于检测高压信号的电能质量；2是安装于各个用户使用侧的电能质量监测设备，用于检测低压信号的电能质量。
而现有的两类不同场景使用的监测设备不可通用，并且，现有的监测设备的数据交互和共享性能较差。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够测量电能质量的电能质量测量装置、系统和方法。
第一方面，本申请提供一种电能质量测量装置，电能质量测量装置包括：电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块；
电压传感器，用于采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器；
模数转换器，用于对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号传输至处理器；
处理器，用于对数字信号进行分析，得到电能质量；
无线通信模块，用于通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。
在一个实施例中，电能质量测量装置还包括：分别与电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块连接的电源模块。
在一个实施例中，处理器，用于对数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
处理器，用于对数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到电能质量。
在一个实施例中，其特征在于，电能质量测量装置还包括：壳体，电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块均设置于壳体内部。
在一个实施例中，电能质量测量装置还包括：设置于壳体表面的指示灯，指示灯与处理器连接；
处理器，还用于根据电能质量测量装置的运行状态控制指示灯的工作状态。
在一个实施例中，无线通信模块，还用于接收外部设备发送的配置信息，并将配置信息传输给处理器；
处理器，还用于根据配置信息分别对电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块的运行参数进行配置。
第二方面，本申请提供一种电能质量测量系统，包括：数据管理设备和第一方面中的电能质量测量装置。
第三方面，本申请提供一种电能质量测量方法，应用于第一方面的电能质量测量装置，方法包括：
采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号；
对低电压信号进行模数转换，得到数字信号；
对数字信号进行分析，得到电能质量；
通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。
在一个实施例中，对数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
对数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到电能质量。
在一个实施例中，待检测电压信号包括三相电路输出的三相电压信号，对数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
对三相电压信号中的一相或两相电压信号对应的数字信号进行分析，得到电能质量。
上述电能质量测量装置、系统和方法，通过电压传感器采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器，模数转换器对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号传输至处理器，处理器用于对数字信号进行分析，得到电能质量，无线通信模块，用于通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。由于选用高精度的电压传感器可以同时兼具处理待检测电压信号可以为10kV电压经电压互感器输出的二次电压信号，即额定线电压100V，相电压57.7V的电压信号，或者是380V三相电的电压信号，即额定线电压380V，相电压220V的电压信号，并输出对应的低电压信号，经模数转换器转换为数字信号供处理器分析计算，并得出电能质量的不同指标数值，并将数据发送至无线传输模块由无线网络发送至数据管理设备。该电能质量测量装置可以适配多种应用场景，是一种可检测高压信号电能质量和低压信号电能质量的通用设备，同时由于监测数据通过无线通信方式传输，其现场部署方便，并且将数据存储在数据管理设备，方便客户通过数据管理设备访问，提升了电能质量测量装置的数据交互和共享性能。
附图说明
图1为一个实施例中电能质量测量装置的结构框图；
图2为另一个实施例中电能质量测量装置的结构框图；
图2a为一个实施例中电压闪变检测的模拟框图；
图3为一个实施例中电能质量测量装置的壳体图；
图4为另一个实施例中电能质量测量装置的壳体图；
图5为一个实施例中电能质量测量系统框图；
图6为一个实施例中电能质量测量方法流程图；
图7为一个实施例中电能质量测量装置结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
目前，电能质量是评估供电水平的重要指标，其重点是电压电能质量，包括电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、电压波动、电压闪变。对于配电网侧和用户侧，电能质量关系工业用户产品质量，是供电服务纠纷追责的基础。因此，可在配电房侧或用户关键设备侧进行电能质量监测，保障用电服务。现有的电能质量测量设备不可同时实现10kV电压信号和0.4kV电压信号的检测，且监测设备数据均通过有线的方式传输，或不具备外部传输的接口，仅能通过本地显示屏展示；与此同时，用户侧的电能质量测量装置不具备电压波动和电压闪变的监测功能。基于此，本申请以下的实施例提供了一种电能质量测量装置可以解决上述技术问题。以下对本申请的实施例进行具体说明。
图1为本申请一个实施例提供的电能质量测量装置的框图，如图1所示，该装置包括：电压传感器11，模数转换器12，处理器13和无线通信模块14；
电压传感器11，用于采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器；
模数转换器12，用于对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号传输至处理器；
处理器13，用于对数字信号进行分析，得到电能质量；
无线通信模块14，用于通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。
在本申请实施例中，电压传感器可以为高精度三相交流电压变送器、A1单路直流电压高精度变送器、A1双路直流电压高精度变送器、A41单相交流电压变送器、A42三相交流电压变送器、A43单相交流电压变送器、D32单相交流电压变送器等，在此不加以限制。电压传感器用于采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器。
其中，电压传感器用于采集的待检测电压信号可以为10kV电压经电压互感器输出的二次电压信号，即额定线电压100V，相电压57.7V的电压信号，或者是380V三相电的电压信号，即额定线电压380V，相电压220V的电压信号；也可以为相电压220V的单相电压信号或两组相电压220V的双相电压信号，在此不加以限制。
电压传感器11将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器。由于模数装换器仅可接受0-5V的电压信号，为了满足模数转换器的应用条件，可以通过电压转换器将待检测电压信号转换为模数转换器可进行处理的0-5V的电压信号。例如，若待检测电压信号为10kV电压经电压互感器输出的二次电压信号，即额定线电压100V，相电压57.7V的电压信号，电压传感器将待检测电压100V转换为2V的低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器；若待检测电压为380V三相电的电压信号，电压传感器将待检测电压380V转换为5V的低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器。
在本申请实例中，模数转换器，用于对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号传输至处理器。模数转换器可以为并联型模数转换器、逐次比较型模数转换器、间接模数转换器、双积分性模数转换器等，在此不加以限制。模数转换器接收到电压传感器发送的0-5V电压后，将0-5V的模拟电压信号转换为对应的数字信号，并将转换后的数字信号传输至处理器。
在本申请实施例中，处理器用于对数字信号进行分析，得到电能质量。处理器可以采用微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)芯片实现，也可以采用DSP(Digital SignalProcessing)芯片实现，或者，也可以采用现场可编程逻辑门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)芯片等，本申请实施例中不加以限制。
其中，电能质量是指电力系统中电能的质量。衡量电能质量的主要指标有导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其具体指标包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。
其中，处理器用于对数字信号进行分析，得到电能质量，以处理器为微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)芯片为例，微控制单元通过接收模数转换器发送的数字信号，并根据该数字信号分别计算电能质量的频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、波形畸变(谐波)等具体指标数值。
可选地，处理器还可以具备设备配置、模块控制等功能。可以通过外接的计算机设备对处理器发送设备参数配置指令或模块控制指令，从而处理器进行设备参数配置或进行模块控制。
示例的，外接计算机设备发出设备参数配置指令，当处理器接收到设备参数配置指令后，可以控制电压转换器将接入的待检测电压转换为对应的低电压信号。例如，若待检测电压信号为额定线电压100V，相电压57.7V的电压信号，则控制电压转换器将额定线电压为100V的电压，转换为2V的低电压；或者当待检测电压信号为额定线电压380V，相电压220V的电压信号，则控制电压转换器将相电压220V的电压转换为5V的低电压。
示例的，外接计算机设备发出模块控制指令，当处理器接收到模块控制指令后，可以控制模数转换器选择对应的电压档位，进行模数转换。其中，对应的电压档位应与经电压转换器转换后的低电压信号对应。
在本申请实施例中，无线通信模块，用于通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。其中，无线通信模块用于接收处理器分析计算得出的电能质量数据，并将电能质量数据通过无线网络传输至数据管理设备。其中，数据管理设备可以是本地数据管理设备，也可以是云端。同时，无线通信模块还可以接受外接设备发送的控制参数设置数据，并将控制参数设置数据发送至处理器。
本申请实施例提供的电能质量测量装置包括电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块。电压传感器采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器，模数转换器对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号传输至处理器，处理器对数字信号进行分析，得到电能质量，并发送至无线通信模块，无线通信模块利用无线网络将电能质量发送至数据管理设备。由于电压传感器可以对待检测电压信号进行低压处理，不论待检测电压信号是高压信号还是低压信号，经过该低压转换处理后，都能经模数转换器转换为数字信号供处理器分析计算，并得出电能质量的不同指标数值，并将数据发送至无线传输模块由无线网络发送至数据管理设备。该电能质量测量装置可以适配多种应用场景，是一种可检测高压信号电能质量和低压信号电能质量的通用设备，同时由于监测数据通过无线通信方式传输，其现场部署方便，并且将数据存储在数据管理设备，方便客户通过数据管理设备访问，提升了电能质量监测装置的数据交互性能和共享性能。
在上述实施例的基础上，本申请还提供一种电能质量测量装置，如图2所示，该电能质量测量装置还包括：分别与电压传感器21、模数转换器22、处理器23和无线通信模块24连接的电源模块25。
其中，电源模块是可以是通过连接外部电源为电能检测装置中电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块进行供电的模块；也可以是为电能检测装置中电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块进行供电的干电池、铅蓄电池和锂电池等，在此不加以限制。
在本实施例中，电能质量测量装置还包括：分别与电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块连接的电源模块。由于电源模块通过连接外部电源为电能检测装置中电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块进行供电，使得电能质量测量装置可以正常工作。
前述实施例中的电能质量测量装置均包括处理器，在此以一个实施例对处理器对数字信号进行分析，得到电能质量进一步说明。该处理器，用于对数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
处理器，用于对数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到电能质量。
在本申请实施例中，处理器用于对数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到电能质量。
其中，对数字信号进行电压偏差计算可通过以下方式进行计算：可以以10个周期的波形序列数据作为测量时间窗口，在实际计算中以序列点数计算(采样率/5个点)，连续测量多个时间窗口有效值的平均值，最终计算待检测电压的偏差值。
其中有效值的计算方法为以整波的均根值作为最小计算单位来表示，经采样离散化后公式如下：
Figure BDA0002790331300000091
其中，U为待检测电压的数字信号的有效值，N为每个周期的采样点数；Uk为待检测电压的瞬时采样值。
计算得到待检测电压的有效值后，可以通过对比计算得到待检测电压偏差，公式为：
Figure BDA0002790331300000092
电压偏差测量时遵循10个周波的测量时间窗原则，并且保持连续采样。根据检测时段T的不同(3s、1min、10min、2h)，输出对应的待检测电压有效值UT：
Figure BDA0002790331300000093
Figure BDA0002790331300000094
其中Un为监测时间内第n个10周波的有效值，M为检测时间内10周波的个数，Uk为采样序列中第k个采样值，m为10周波内的采样点数。
其中，频率偏差的定义就是将系统频率的测量值与标称值做差得到的差值。频率偏差的计算公式如下：Δf＝fre-fN，其中，Δf为待检测电压的频率偏差，fre为实际测量得到的频率值，fN为系统标称频率为50Hz。本实施例采用基于IEC61000-4-30的频率测量方法，计算间隔为10s，即读数每s10刷新一次。公式如下：
Figure BDA0002790331300000095
用10s内的待检测电压完整周期的个数n除以待检测电压完整的周期时间T。其中测量的要求是：测量的时间间隔之间没有重叠；在每个绝对10s时刻开始测量；测量评估前，应对信号进行滤波，排除谐波和间谐波带来的影响。我国国家标准GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》规定如下：正常频率偏差限值为±2.0Hz；当电力系统容量较小时可以放宽到±5.0Hz。
其中，电力系统一般以三相系统方式供电，当各相电路由于故障或者负荷分配不均时，就会导致三相不平衡的情况。电力系统的接线方式通常也分为三相三线制和三相四线制两种方式，所以衡量不平衡的方式也为两种，即为负序不平衡度和零序不平衡度。从敏感设备的受影响情况来看，基于线电压工作的三相旋转设备对电压不平衡的抗干扰能力较差，所以对负序不平衡度的研究是非常重要的。
三相不平衡度的衡量方法一般采用的是对称分量法，即用基波的负序分量方均根值与正序分量方均根值的百分比表示。首先计算出三相电压的正序U1、负序U2、零序U0分量，计算的基础是三相电压的幅值和相位。按照以下公式计算不平衡度：
Figure BDA0002790331300000101
相量及其序分量的关系式如下：
Figure BDA0002790331300000102
式中，A1、A2、A0分别为相量的零序分量、正序分量和负序分量；A、B、C代表待检测电压的三相电压；其中：
Figure BDA0002790331300000103
国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》规定了不平衡度的允许值：(1)电网正常运行情况，负序电压不平衡度不超过2％，短时间不超过4％；(2)接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般不超过1.3％，短时间不超过2.6％。根据连接点附近负荷状况以及邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允许值可以适当变动，但要满足(1)的要求。
其中，各次谐波计算的基础是傅里叶变换，通过处理器的计算资源完成待检测电压的波形序列的傅里叶变换计算，计算至第49次谐波，傅里叶变换将得到各次谐波的幅值和相位。记基波为U1，第h次谐波电压的方均根值为Uh，第h次谐波的电压含有率HRUh为：
Figure BDA0002790331300000104
待检测电压的谐波电压含量UH为：
Figure BDA0002790331300000105
待检测电压总谐波畸变率THDH为：
Figure BDA0002790331300000106
其中，电压波动是指电压幅值不超过0.9～1.1的随机变动或有规则的波动，是一种稳态现象。电压波动通过电压方均根值曲线U(t)描述，电压变动d和电压变动频度r可以计算得到。其中，
Figure BDA0002790331300000111
ΔU为待检测电压方均根值曲线上相邻两个极值电压之差；UN为系统标称电压。
其中，闪变是人眼对灯光亮度变化所引起刺激的不稳定感，即人对亮度变化的不适感。闪变并没有明确的物理意义，作为电能质量的指标之一，其反映了电压波动对人们生活质量的影响。闪变严重度的限值标准要求为，每周的95％的时间内，由电压波动导致的长时间闪变严重度Pst≤1。
电压闪变的检测可以由IEC推荐的闪变仪的灯-眼-脑环节的模拟来完成，如图2a所示，框1将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发生标准的调制波的电压作仪器自检用。框2起模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波荡中解调出反映电压波动的调幅波。闪变仪要求对2倍工频(100Hz)的衰减在90dB的数量级，这个衰减作用要由平方检测滤波器和模拟人眼频率选择特性的加权滤波器完成。六阶巴特沃兹低通滤波器的截止频率为35Hz，另外，由截止频率为0.05Hz的一阶高通滤波器抑制直流分量。框3模拟人眼的频率选择特性。IEC/UIE推荐的传递函数，实质上是用传递函数K(s)逼近觉察率为50％的视感度曲线。K(s)以乘积形式表述，乘积的前一项对应二阶带通滤波，再乘以含有一个零点和两个极点的后一项所对应的补偿环节，即
Figure BDA0002790331300000112
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。框4模拟人脑神经对视觉反映和记忆效应。为反映光照度暂态变化的能见度，增加平方和积分两个滤波功能。闪变信号的平方，模拟非线性的眼-脑觉察过程；闪变信号的平滑平均，模拟人脑的记忆效应，其积分功能由一阶RC低通滤波器来实现，其传递函数的时间常数为300ms。框5为闪变的统计分析，即根据框4输出的S(t)进行在线统计分析或将其输出录波做离线统计分析求得并输出短时待检测电压闪变值Pst。通常求解过程为：将输出S(t)恒速采样(采样频率不小于50Hz且要远大于35Hz)，得到一段时间(至少10min)内的S(t)离散值，然后利用5个规定值计算。
Figure BDA0002790331300000121
波动和闪变的计算间隔为10min和2h。
在本实施例中，处理器用于对数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到电能质量。由于处理器不仅可以对接收到的数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理，同时在用户侧的监测装置也增加了检测电压波动和电压闪变的功能，提高了电能质量监测装置的性能。
上述实施例对电能质量测量装置的内部结构进行了说明，在实际使用中，需要对电能质量测量装置的内部结构进行保护，必然需要一种壳体将其封闭保护。如图3所示，在一个实施例中，电能质量测量装置还包括：壳体31，电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块均设置于壳体内部。
在本申请实施例中，电能质量测量装置还包括：壳体，电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块均设置于壳体内部。其中，壳体可以是由一种绝缘塑料制作的壳体，还可以是由液体光敏树脂材料或者低密度聚乙烯(LDPE)材料制作的壳体，在此不加以限制。
其中，如图3所示，壳体上还可以包括预留的输入电源插孔、待检测输入电压插孔、接地点孔和局域通信电线等。
其中，输入电源插孔用于连接外接电源装置，待检测输入电压插孔用于连接待检测电压的输送电线，接地点孔用于将该装置进行接地，局域通信电线用于接收无线信号。
在本实施例中，电能质量测量装置还包括壳体，电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块均设置于壳体内部。由于壳体将电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块保护起来，可以保证电能检测装置的安全，使其正常工作，同时具有局域通信电线可以接收无线信号。
在一个实施例中，如图4所示，电能质量测量装置还包括：设置于壳体41表面的指示灯，指示灯与处理器连接；
处理器，还用于根据电能质量测量装置的运行状态控制指示灯的工作状态。
在本申请实施例中，电能质量测量装置还包括设置于壳体表面的指示灯，指示灯与处理器连接。其中，处理器，还用于根据电能质量测量装置的运行状态控制指示灯的工作状态。可以为当电能质量测量装置正常工作时，处理器控制指示灯保持常亮，当电能质量测量装置工作中出现异常，则处理器控制指示灯进行闪烁，当电能质量测量装置未开启工作时，指示灯保持熄灭；也可以是电能质量测量装置正常工作时，处理器控制指示灯进行闪烁，当电能质量测量装置工作中出现异常，则处理器控制指示灯熄灭，在此不加以限制。
在本实施例中，电能质量测量装置还包括设置于壳体表面的指示灯，指示灯与处理器连接。其中，处理器还用于根据电能质量测量装置的运行状态控制指示灯的工作状态。通过处理器控制指示灯的工作状态，可以直观地对电能质量监测装置的运行状态进行观察，若出现异常可以及时的处理。
上述实施例对电能质量测量装置进行了说明，同时在对电能质量进行测量时还可以通过一个电能质量测量系统进行数据的交互，如图5所示，在一个实施例中，提供了一种电能质量测量系统，包括：数据管理设备51和电能质量测量装置52。
在本申请实施例中，电能质量测量系统包括：数据管理设备和电能质量测量装置。其中，数据管理设备与电能质量测量装置通过无线通信的方式进行数据的交互，电能质量测量装置将电能质量数据传送给数据管理设备，数据管理设备将接收的电能质量数据进行存储或上传至云端。
其中，电能质量测量装置包括电压传感器521，模数转换器522，处理器523和无线通信模块524。电压传感器用于采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器；模数转换器用于对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号传输至处理器；处理器用于对数字信号进行分析，得到电能质量；无线通信模块，用于通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。由于选用高精度的电压传感器可以同时兼具处理待检测电压信号可以为10kV电压经电压互感器输出的二次电压信号，即额定线电压100V，相电压57.7V的电压信号，或者是380V三相电的电压信号，即额定线电压380V，相电压220V的电压信号，并输出对应的低电压信号，经模数转换器转换为数字信号供处理器分析计算，并得出电能质量的不同指标数值，并将数据发送至无线传输模块由无线网络发送至数据管理设备。
在本实施例中，电能质量测量系统包括：数据管理设备和电能质量测量装置。数据管理设备与电能质量测量装置通过无线通信的方式进行数据的交互，方便客户通过数据管理设备获取电能质量数据，提升了电能质量测量装置的数据交互和共享性能。
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种电能质量测量方法，以该方法应用于图1-图4中的相位角度检测装置为例进行说明，包括以下步骤：
S601，采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号。
具体地，将10kV电压经电压互感器输出的二次电压信号，即额定线电压100V，相电压57.7V的电压信号，或者是380V三相电的电压信号，即额定线电压380V，相电压220V的电压信号传输至电压传感器中。由于模数装换器仅可接受0-5V的电压信号，为了满足模数转换器的应用条件，可以通过电压转换器将待检测电压转换为模数转换器可进行模数转换的的0-5V的电压信号。例如，若待检测电压信号为10kV电压经电压互感器输出的二次电压信号，即额定线电压100V，相电压57.7V的电压信号，电压传感器将待检测电压100V转换为2V的低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器；若待检测电压为380V三相电的电压信号，即额定线电压380V，相电压220V的电压信号，电压传感器将待检测电压220V转换为5V的低电压信号，并将低电压信号传输至模数转换器。
S602，对低电压信号进行模数转换，得到数字信号。
具体地，模数转换器接收到电压传感器发送的0-5V电压后，将0-5V的模拟电压信号转换为对应的数字信号，并将转换后的数字信号传输至处理器。
S603，对数字信号进行分析，得到电能质量。
具体地，处理器通过接收模数转换器发送的数字信号并根据该数字信号分别计算电能质量的频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、波形畸变(谐波)等具体指标数值，得到电能质量。
S604，通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。
具体地，可以将电能质量的具体指标数值打包通过无线网络一次性发送至数据管理设备；或者将电能质量的具体指标数值分别通过我先网络发送至数据管理设备。
本申请实施例提供的电能质量测量方法，通过采集待检测电压信号，并将待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，对低电压信号进行模数转换，得到数字信号，对数字信号进行分析，得到电能质量，通过无线网络将电能质量发送至数据管理设备。由于电压传感器可以对待检测电压信号进行低压处理，不论待检测电压信号是高压信号还是低压信号，经过该低压转换处理后，都能经模数转换器转换为数字信号供处理器分析计算，并得出电能质量的不同指标数值，并将数据发送至无线传输模块由无线网络发送至数据管理设备。该电能质量测量装置可以适配多种应用场景，是一种可检测高压信号电能质量和低压信号电能质量的通用设备，并且由于监测数据通过无线通信方式传输，其现场部署方便，并且将数据存储在数据管理设备，方便客户通过数据管理设备访问，提升了电能质量监测装置的数据交互性能和共享性能。
上述实施例对电能质量测量方法进行了说明，现以一个实施例对步骤S603对数字信号进行分析，得到电能质量进一步说明，对数字信号进行分析，得到电能质量包括：
对数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到电能质量。
具体地，当处理器接收到模数转换器发送的数字信号后，可以通过以下方式进行计算电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理。其中，进行电压偏差计算，可以以10个周期的波形序列数据作为测量时间窗口，在实际计算中以序列点数计算(采样率/5个点)，连续测量多个时间窗口有效值的平均值，最终计算待检测电压的偏差值。
其中有效值的计算方法为以整波的均根值作为最小计算单位来表示，经采样离散化后公式如下：
Figure BDA0002790331300000161
其中，U为待检测电压的数字信号的有效值，N为每个周期的采样点数；Uk为待检测电压的瞬时采样值。
计算得到待检测电压的有效值后，可以通过对比计算得到待检测电压偏差，公式为：
Figure BDA0002790331300000162
电压偏差测量时遵循10个周波的测量时间窗原则，并且保持连续采样。根据检测时段T的不同(3s、1min、10min、2h)，输出对应的待检测电压有效值UT：
Figure BDA0002790331300000163
Figure BDA0002790331300000164
其中Un为监测时间内第n个10周波的有效值，M为检测时间内10周波的个数，Uk为采样序列中第k个采样值，m为10周波内的采样点数。
其中，频率偏差的定义就是将系统频率的测量值与标称值做差得到的值。频率偏差的计算公式如下：Δf＝fre-fN，其中，Δf为待检测电压的频率偏差，fre为实际测量得到的频率值，fN为系统标称频率为50Hz。本实施例采用基于IEC61000-4-30的频率测量方法，计算间隔为10s，即读数每s10刷新一次。公式如下：
Figure BDA0002790331300000165
用10s内的待检测电压完整周期的个数n除以待检测电压完整的周期时间T。其中测量的要求是：测量的时间间隔之间没有重叠；在每个绝对10s时刻开始测量；测量评估前，应对信号进行滤波，排除谐波和间谐波带来的影响。我国国家标准GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》规定如下：正常频率偏差限值为±2.0Hz；当电力系统容量较小时可以放宽到±5.0Hz。
其中，电力系统一般以三相系统方式供电，当各相电路由于故障或者负荷分配不均时，就会导致三相不平衡的情况。电力系统的接线方式通常也分为三相三线制和三相四线制两种方式，所以衡量不平衡的方式也为两种，即为负序不平衡度和零序不平衡度。从敏感设备的受影响情况来看，基于线电压工作的三相旋转设备对电压不平衡的抗干扰能力较差，所以对负序不平衡度的研究是非常重要的。
三相不平衡度的衡量方法一般采用的是对称分量法，即用基波的负序分量方均根值与正序分量方均根值的百分比表示。首先计算出三相电压的正序U1、负序U2、零序U0分量，计算的基础是三相电压的幅值和相位。按照以下公式计算不平衡度：
Figure BDA0002790331300000171
相量及其序分量的关系式如下：
Figure BDA0002790331300000172
式中，A1、A2、A0分别为相量的零序分量、正序分量和负序分量；A、B、C代表待检测电压的三相电压；其中：
Figure BDA0002790331300000173
国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》规定了不平衡度的允许值：(1)电网正常运行情况，负序电压不平衡度不超过2％，短时间不超过4％；(2)接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般不超过1.3％，短时间不超过2.6％。根据连接点附近负荷状况以及邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允许值可以适当变动，但要满足(1)的要求。
其中，各次谐波计算的基础是傅里叶变换，通过处理器的计算资源完成待检测电压的波形序列的傅里叶变换计算，计算至第49次谐波，傅里叶变换将得到各次谐波的幅值和相位。记基波为U1，第h次谐波电压的方均根值为Uh，第h次谐波的电压含有率HRUh为：
Figure BDA0002790331300000181
待检测电压的谐波电压含量UH为：
Figure BDA0002790331300000182
待检测电压总谐波畸变率THDH为：
Figure BDA0002790331300000183
其中，电压波动是指电压幅值不超过0.9～1.1的随机变动或有规则的波动，是一种稳态现象。电压波动通过电压方均根值曲线U(t)描述，电压变动d和电压变动频度r可以计算得到。其中，
Figure BDA0002790331300000184
ΔU为待检测电压方均根值曲线上相邻两个极值电压之差；UN为系统标称电压。
其中，闪变是人眼对灯光亮度变化所引起刺激的不稳定感，即人对亮度变化的不适感。闪变并没有明确的物理意义，作为电能质量的指标之一，其反映了电压波动对人们生活质量的影响。闪变严重度的限值标准要求为，每周的95％的时间内，由电压波动导致的长时间闪变严重度Pst≤1。
电压闪变的检测可以由IEC推荐的闪变仪的灯-眼-脑环节的模拟来完成，如图2a所示，框1将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发生标准的调制波的电压作仪器自检用。框2起模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波荡中解调出反映电压波动的调幅波。闪变仪要求对2倍工频(100Hz)的衰减在90dB的数量级，这个衰减作用要由平方检测滤波器和模拟人眼频率选择特性的加权滤波器完成。六阶巴特沃兹低通滤波器的截止频率为35Hz，另外，由截止频率为0.05Hz的一阶高通滤波器抑制直流分量。框3模拟人眼的频率选择特性。IEC/UIE推荐的传递函数，实质上是用传递函数K(s)逼近觉察率为50％的视感度曲线。K(s)以乘积形式表述，乘积的前一项对应二阶带通滤波，再乘以含有一个零点和两个极点的后一项所对应的补偿环节，即
Figure BDA0002790331300000191
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。框4模拟人脑神经对视觉反映和记忆效应。为反映光照度暂态变化的能见度，增加平方和积分两个滤波功能。闪变信号的平方，模拟非线性的眼-脑觉察过程；闪变信号的平滑平均，模拟人脑的记忆效应，其积分功能由一阶RC低通滤波器来实现，其传递函数的时间常数为300ms。框5为闪变的统计分析，即根据框4输出的S(t)进行在线统计分析或将其输出录波做离线统计分析求得并输出短时待检测电压闪变值Pst。通常求解过程为：将输出S(t)恒速采样(采样频率不小于50Hz且要远大于35Hz)，得到一段时间(至少10min)内的S(t)离散值，然后利用5个规定值计算。
Figure BDA0002790331300000192
波动和闪变的计算间隔为10min和2h。
在本实施例中，通过对数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到电能质量。由于处理器不仅可以对接收到的数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理，同时在用户侧的监测装置也增加了检测电压波动和电压闪变的功能，提高了电能质量监测装置的性能。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，待检测电压信号包括三相电路输出的三相电压信号，对数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
对三相电压信号中的一相或两相电压信号对应的数字信号进行分析，得到电能质量。
具体地，在如图7所示电能质量测量装置中，可以对三相电压信号中的一相或两相电压信号对应的数字信号进行分析，得到电能质量时，可以对仅接入A相电压传感器的电压或接入A、B两相电压传感器的电压，进行模数转换生成数字信号，并传输至处理其中进行电能质量计算，此时无需计算三相不平衡度这个电能质量指标。
在本实施例中，通过对三相电压信号中的一相或两相电压信号对应的数字信号进行分析，得到电能质量。由于不仅可以对三相电压信号进行分析得到电能质量，也可以仅对三相电压信号中的一相或两相电压信号对应的数字信号进行分析，得到电能质量，可以使得电能质量测量方法计算电能质量更加准确。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电能质量测量装置，其特征在于，所述电能质量测量装置包括：电压传感器、模数转换器、处理器和无线通信模块；
所述电压传感器，用于采集待检测电压信号，并将所述待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号，并将所述低电压信号传输至所述模数转换器；
所述模数转换器，用于对所述低电压信号进行模数转换，得到数字信号，并将所述数字信号传输至所述处理器；
所述处理器，用于对所述数字信号进行分析，得到电能质量；
所述无线通信模块，用于通过无线网络将所述电能质量发送至数据管理设备。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电能质量测量装置还包括：分别与所述电压传感器、所述模数转换器、所述处理器和所述无线通信模块连接的电源模块。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述处理器，用于对所述数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
所述处理器，用于对所述数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到所述电能质量。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电能质量测量装置还包括：壳体，所述电压传感器、所述模数转换器、所述处理器和所述无线通信模块均设置于所述壳体内部。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电能质量测量装置还包括：设置与所述壳体表面的指示灯，所述指示灯与所述处理器连接；
所述处理器，还用于根据电能质量测量装置的运行状态控制所述指示灯的工作状态。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述无线通信模块，还用于接收外部设备发送的配置信息，并将所述配置信息传输给所述处理器；
所述处理器，还用于根据所述配置信息分别对所述电压传感器、模数转换器、所述处理器和所述无线通信模块的运行参数进行配置。
7.一种电能质量测量系统，其特征在于，包括：数据管理设备和权利要求1-6任一项所述的电能质量测量装置。
8.一种电能质量测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一项所述的电能质量测量装置，所述方法包括：
采集待检测电压信号，并将所述待检测电压信号进行低压转换处理，得到低电压信号；
对所述低电压信号进行模数转换，得到数字信号；
对所述数字信号进行分析，得到电能质量；
通过无线网络将所述电能质量发送至数据管理设备。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对所述数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
对所述数字信号进行电压偏差计算、频率偏差计算、三相不平衡处理、谐波处理、电压波动处理、电压闪变处理中的至少一个，得到所述电能质量。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述待检测电压信号包括三相电路输出的三相电压信号，所述对所述数字信号进行分析，得到电能质量，包括：
对所述三相电压信号中的一相或两相电压信号对应的数字信号进行分析，得到电能质量。
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