CN114280389A - 一种智能型电能质量监测终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种智能型电能质量监测终端，由相序方向校准单元、AD转换单元、采样频率调整单元、指标计算单元和数据存储上传单元五部分组成。相序方向校准单元对接入的电压、电流采样信号进行相序和方向的自动识别，校准后的电压、电流采样信号进入A/D转换单元，将连续模拟量信号转换为离散数字量信号。根据现场谐波特性，可以选择不同的采样频率，采样频率调整单元和A/D转换单元连接，直接控制A/D转换单元的采样频率大小。A/D转换单元输出的离散数字信号进入指标计算单元，进行基本电量指标(电压有效值、电流有效值、有功功率P、无功功率Q、视在功率S、功率因数等)和稳态电能质量指标(电压偏差、电压波动、谐波、闪变、频率偏差等)的计算，同时采用电压暂降、暂升快速检测算法，用以快速识别、记录、监测暂态电能质量指标。数据存储上传单元采用工业以太网+GPRS+大容量SD卡组合方案，实现高可靠数据存储、传输，当网络中断时，自动降低采样频率，保证更长的电能质量指标存储记录时间。
Description
技术领域
本发明公开了一种新型电能质量监测终端，特别是一种采样频率可调的电能质量监测终端，属于电网电能质量监测治理技术领域。
背景技术
近年来，随着现代电力工业的迅速发展，电力系统中投入了大量具有非线性、冲击性和波动性负荷，急剧改变了电网的负荷结构，导致电网中电压波形畸变、电压波动和三相不平衡等电能质量问题变得日益严重，严重影响着电力设备的安全经济运行。同时，随着信息技术的普及推广，大量对电能质量非常敏感的负荷，例如精密电子仪器、电子计算机等，在生产生活中扮演着越来越重要的角色，它们对电能质量的要求越来越高。因此，对电网电能质量进行在线监测，实时评估电能质量的各项指标，了解监测点的电能质量状况和趋势，从而为改善电网的电能质量提供依据是十分必要的。
目前，国内市场上电能质量监测终端普遍存在以下问题：①不具备自动校线功能，需要现场工作人员投入大量时间和精力研究接线的相序和方向，降低了工作效率；②采样频率固定，不能适应变化的现场需求，经常出现谐波次数高于电能质量监测终端最高频率，对重要的高次谐波无法监测的问题，或者现场谐波次数很低，而电能质量在线监测终端采样频率过高的问题，造成数据量过大问题，增大了系统和设备负担；③仅具备稳态电能质量指标监测功能，普遍缺乏暂态电能质量指标监测记录能力；④数据存储上传方式单一，对于监测点分散、环境恶劣的区域，不利于实现监测网络化。
发明内容
本发明提出一种智能型电能质量监测终端，由相序方向校准单元、AD转换单元、采样频率调整单元、指标计算单元和数据存储上传单元五部分组成。相序方向校准单元对接入的电压、电流信号进行相序和方向的自动识别，校准后的电压、电流信号进入A/D转换单元，将连续模拟量信号转换为离散数字量信号。根据现场谐波特性，可以选择不同的采样频率，采样频率调整单元和A/D转换单元连接，直接控制A/D转换单元的采样频率大小。A/D转换单元输出的离散数字信号进入指标计算单元，进行基本电量指标(电压有效值、电流有效值、有功功率P、无功功率Q、视在功率S、功率因数等)和稳态电能质量指标(电压偏差、电压波动、谐波、闪变、频率偏差等)的计算，同时采用电压暂降、中断、暂升快速检测算法，用以快速识别、记录、监测暂态电能质量指标。数据存储上传单元采用工业以太网+GPRS+大容量SD卡组合方案，实现高可靠数据存储、传输，当网络中断时，自动降低采样频率，保证更长的电能质量指标存储记录时间。
为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能型电能质量监测终端，由相序方向校准单元、AD转换单元、采样频率调整单元、指标计算单元和数据存储上传单元五部分组成。
一种智能型电能质量监测终端，其特征在于装置采用一种电压、电流接线相序、方向自动识别技术，具备手动校线/自动校线模式选择，输入信号为三路电压U1、U2、U3，三路电流I1、I2、I3，手动校线/自动校线模式选择开关，有功功率输入值、无功功率输入值。通过相序、方向的不同组合时有功功率、无功功率计算值与当前有功功率、无功功率实际值的比较完成电压电流接线的相序和方向的自动识别，减少了现场人工校线的工作量。
所述装置采样频率可调，对不同的监测点，分别设置不同的采样频率，对谐波电流次数低的场合设置较低的采样频率，对谐波电流次数高的场合设置较高的采样频率，既保证了数据监测的精确性，又避免了过大的数据量。
所述装置采用电压暂降、暂升快速检测算法流程，包括三相-两相坐标变换、标幺化处理、限值比较环节，实现了电压暂降、短时中断、电压暂升等暂态电能质量指标无延时监测。
所述装置首先将检测数据存放到设备本身的大容量SD卡上，并通过以太网上传到服务器，当以太网出现故障时，数据通过GPRS网络传输。当以太网和GPRS网络同时出现异常时，数据全部存储在SD卡内，此时，电能质量监测终端自动将采样频率降低，进而减低了单位时间内的电能质量数据存储量，从而最大限度延长存储记录时间，并保证电能质量监测终端数据始终为最新。
本发明的有益效果：本发明的目的是提出一种智能型电能质量监测终端，装置能够自动识别接线的相序、方向，减轻了现场接线工作量，具备采样频率自动调整功能，适合不同的测试现场要求。装置的快速检测算法能够保证电压暂降、暂升等暂态指标的检测速度，其存储、传输模式可以保证数据高效可靠保存并及时上传到服务器。
附图说明
图1为本发明智能型电能质量监测终端的结构框图；
图2为本发明智能型电能质量监测终端的电压电流相序方向自动识别回路。
图3为本发明智能型电能质量监测终端的采样回路工作流程示意图。
图4为本发明智能型电能质量监测终端的采样频率调整回路示意图。
图5为本发明智能型电能质量监测终端的电压暂降、暂升快速检测算法流程。
图6为本发明智能型电能质量监测终端的数据存储传输模式。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，是本实施例智能型电能质量监测终端的结构框图，由相序方向校准单元、 AD转换单元、采样频率调整单元、指标计算单元和数据存储上传单元五部分组成。
如图2所示，是本实施例智能型电能质量监测终端的电压电流相序方向自动识别回路。电能质量监测终端现场接入信号数量多，每次更换测试点需要投入大量时间和精力用于校核接线相序、方向的正确性，降低了工作效率。本实例采用一种电压、电流接线相序、方向自动识别技术，具备手动校线/自动校线单元，输入信号为三路电压U1、U2、U3，三路电流I1、 I2、I3，手动校线/自动校线模式选择开关，有功功率输入值、无功功率输入值。当模式选择开关K1接通VDD和手动校线端口时，校线单元进入手动校线模式，此时输入U1和输出Ua 直通，输入U2和输出Ub直通，输入U3和输出Uc直通，输入I1和输出Ia直通，输入I2 和输出Ib直通，输入I3和输出Ic直通。当模式选择开关K1接通VDD和自动校线端口时，校线单元进入自动校线模式，按如下步骤进行接线自动校准：
步骤1：校线单元首先设定为Ua＝U1、Ub＝U2、Uc＝U3、Ia＝I1、Ib＝I2、Ic＝I3。
步骤2：根据下式计算三相电压、电流的有效值。
式中，N为每周波采样点数，ua(n)、ub(n)、uc(n)、ia(n)、ib(n)、ic(n)分别为六组采样通道的离散采样值，n为采样序列点数。
步骤3：根据下式计算三相有功功率、无功功率。
步骤4：如果当前组合模式下计算的有功功率P、无功功率Q与输入的有功功率Ps、无功功率Qs偏差在5％以内，则当前校线结果是正确的，则使Ua＝U1、Ub＝U2、Uc＝U3、Ia＝I1、 Ib＝I2、Ic＝I3，校线完毕。
步骤5：如果当前组合模式下计算的有功功率P、无功功率Q与输入的有功功率Ps、无功功率Qs偏差大于5％，则当前校线结果是错误的，需继续进行其他电压、电流相序、方向的组合，重复步骤1～4，直至该组合模式下计算的有功功率P、无功功率Q与输入的有功功率Ps、无功功率Qs偏差减小到5％以内。
以U2接线反向为例进行说明，通过Ua＝U1、Ub＝-U2、Uc＝U3、Ia＝I1、Ib＝I2、Ic＝I3 的组合模式，即可得到正确的接线组合，完成接线自动识别和电能质量参数的正确测试，减少了现场人工校线的工作量。如果现场有功功率Ps、无功功率Qs数值过小，或者变动过快，则自动校线模式存在校线时间过长或无法正确校线的风险，此时可切换到手动校线模式，以适应不同的现场需求。
如图3所示，是本实施例智能型电能质量监测终端的采样回路工作流程示意图。接入电能质量监测终端的电压、电流信号是在一定频率范围内由基波和若干谐波分量合成的具有周期性和连续性模拟信号，通过模数转换器先将待测模拟量转换为离散化的数字信号，然后再进行分析计算。以一定的采样频率对连续模拟量进行采样得到一系列数据：X＝{X1、X2、 X3、......Xn}。模拟量是周期性的，必须按照奈奎斯特采样定律以两倍以上最高谐波频率对信号进行采集，得到的离散的采样数据就可以包含待检测信号最高分析频率范围内的特征。
不同现场谐波含量差异较大，如电弧炉、LF炉、矿热炉负荷谐波电流频谱以10次以内的低次谐波为主，谐波电流监测到2～10次即可；常见整流装置谐波电流频谱以5次、7次、11次、13次等6k±1次为主，谐波电流监测到2～25次即可；变频器、换流器等PWM脉宽调制设备的谐波电流频谱较高，谐波电流监测到40次，甚至50次，但该类型负荷数量相对较少，如果全网监测点全部按照2～50次谐波进行监测，将造成资源的浪费。本实施例电能质量监测终端的采样频率可调，对不同的监测点，分别设置不同的采样频率，对谐波电流次数低的场合设置较低的采样频率，对谐波电流次数高的场合设置较高的采样频率，既保证了数据监测的精确性，又避免了过大的数据量。
具体实现方式如下：计算机处理信号的长度是有限的，当把信号截断之后再利用FFT (快速傅里叶变换)来对信号进行频谱分析，如果截断信号包含的周期不是N△T(N为采样点数，△T为采样间隔时间)，容易产生信号频谱泄露现象。本实例采用硬件锁相环实现锁相倍频。
电压信号(本实例为Ua)先通过低通滤波器滤除高频分量，再经过过零比较器输出方波信号fi，然后通过鉴相环(PLL)和倍频电路，输出信号为fo，输出信号fo用于控制AD 采样，同时将fo接入分频器，分频器输出信号为fo/N接入鉴相器另一个输入。
鉴相器的两个输入信号分别为fi和fo/N，当两个信号的频率和相位相同时，鉴相器输出为0。当两信号的频率和相位不同时，鉴相器的输出就产生一个误差电压，控制鉴相器，使fi和fo/N的频率和相位绝对匹配，从而实现锁相倍频。通过反馈控制方式，来实现输出信号与输入信号相位差保持为恒定值，让输出信号的频率和相位跟踪输入信号的频率和相位。
分频器N的数值可调，相应的输出信号fo跟随变化。本实例中，当N＝32时，每周波采样32个点，采样频率为1.6kHz，可用于16次以下谐波监测；当N＝64时，每周波采样64 个点，采样频率为3.2kHz，可用于32次以下谐波监测；当N＝128时，每周波采样128个点，采样频率为6.4kHz，可用于64次以下谐波监测；当N＝256时，每周波采样256个点，采样频率为12.8kHz，可用于128次以下谐波监测。
如图4所示，是本实施例智能型电能质量监测终端的采样频率调整回路示意图。本实例锁相电路是由集成锁相环CD4046和计数器CD4040构成，单片集成芯片CD4046采用的是CMOS电路工艺，内部继承了两个相位比较器、线性放大器、压控振荡器和整形电路，具有电源电压范围宽、输入阻抗高、动态损耗小等优势。CD4040为12位二进制串行计数器，用作分频器。fi为的基波方波信号，fo为输出信号。
输出信号f0接入计数器CD4040的CLK端，CD4040输出端Q5、Q6、Q7、Q8通过拨码开关K2接入CD4046的BIN端，方波信号接入CD4046的AIN端。拨码开关K2选择不同的接通位置，即可改变分频器的分频系数，锁相环的输出将产生不同的频率倍数。本实例中，拨码开关K2与Q5、Q6、Q7和Q8相连，可分别产生32倍、64倍、128倍和256倍四种同步信号，从而产生不同的采样频率，适应不同的工程现场需求。
如图5所示，是本实施例智能型电能质量监测终端的电压暂降、暂升快速检测算法流程。电能质量暂态指标，如电压暂降、短时中断、电压暂升，持续时间较短，对电能质量监测终端的测量精度和实时性的要求一直比较高。
本实例采用的电压暂降快速检测算法分为三个步骤：
首先对测量得到的三相瞬时电压进行三相-两相坐标变换：
式中Ua为A相电压测量值，Ub为B相电压测量值，Uc为C相电压测量值。
然后对Uα和Uβ进行标幺化。
按下式计算得出瞬时电压幅值Upu(标幺值)：
当Upu≤0.9pu时，触发一次暂降检测，并将采样频率设置为12.8kHZ，由电能质量监测终端记录暂降发生前后设定时间段的数据，形成一次电压暂降事件及波形记录。记录完毕后，恢复采样频率，进行稳态电能质量指标监测。
当Upu≥1.1pu时，触发一次暂升检测，并将采样频率设置为12.8kHZ，由电能质量监测终端记录暂升发生前后设定时间段的数据，形成一次电压暂升事件及波形记录。记录完毕后，恢复采样频率，进行稳态电能质量指标监测。
如图6所示，是本实施例智能型电能质量监测终端的数据存储传输模式。电能质量远程在线监测系统采用多种通信方式确保该系统能够适应不同的应用环境，本实施例采用了工业以太网+GPRS+大容量SD卡的数据传输模型。
GPRS通讯是由几大运行商基于GSM网络来提供通讯服务的，不受地域条件限制，基本上覆盖了全国的绝大多数地区，4G集3G与WLAN于一体，能够以100Mbps以上的速度下载，比家用宽带ADSL快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。5G网络即第五代移动通信网络，是最新一代蜂窝移动通信技术。其性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。其主要优势在于，数据传输速率远高于以前的蜂窝网络，最高可达10Gbit/s，比4G快100倍。每个电能质量远程终端通信模块都拥有自身的地址，能够通过设定目标IP地址或者域名传输数据，应用方便，能够较好地满足远程在线电能质量监测系统不受地域、实时在线等要求。本实例电能质量监测终端选用了WG-8010GPRS DTU模块。
SD卡(Secure Digital Memory Card)是一种基于Flash的新一代存储器，具有体积小、容量大、数据传输快、移动灵活、安全性能好等优点，是许多便携式电子仪器理想的外部存储介质。SD通过读卡器可以方便的同PC机进行数据交换。在监测装置中加入SD卡的设计，能够方便的获得监测数据。
电能质量监测终端产生的数据首先存放到设备本身的大容量SD卡上，当存储卡数据存储容量达到总容量的1/3时，数据通过以太网上传到服务器，数据上传完毕后，本地数据自动清除；当以太网出现故障时，数据通过GPRS网络传输，数据上传完毕后，本地数据自动清除。当以太网和GPRS网络同时出现异常时，数据全部存储在SD卡内，此时，电能质量监测终端自动降低采样频率，同时减低单位时间内的电能质量数据存储量，从而最大限度延长存储记录时间。如采样频率从12.8kHz降低到1.6kHz时，存储时间将延长8倍。当SD 卡存储满时，新数据自动覆盖早期数据，从而保证电能质量监测终端数据始终为最新。
以上所述之具体实施方式为本发明一种智能型电能质量监测终端的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种智能型电能质量监测终端，由相序方向校准单元、AD转换单元、采样频率调整单元、指标计算单元和数据存储上传单元五部分组成。
2.如权利要求1所述的智能型电能质量监测终端，其特征在于装置采用一种电压、电流接线相序、方向自动识别技术，具备手动校线/自动校线模式选择，输入信号为三路电压U1、U2、U3，三路电流I1、I2、I3，手动校线/自动校线模式选择开关，有功功率输入值、无功功率输入值。通过相序、方向的不同组合时有功功率、无功功率计算值与当前有功功率、无功功率实际值的比较完成电压电流接线的相序和方向的自动识别，减少了现场人工校线的工作量。
3.如权利要求1所述的智能型电能质量监测终端，其特征在于采样频率可调，对不同的监测点，分别设置不同的采样频率，对谐波电流次数低的场合设置较低的采样频率，对谐波电流次数高的场合设置较高的采样频率，既保证了数据监测的精确性，又避免了过大的数据量。
4.如权利要求1所述的智能型电能质量监测终端，其特征在于采用电压暂降、暂升快速检测算法流程，包括三相-两相坐标变换、标幺化处理、限值比较环节，实现了电压暂降、短时中断、电压暂升等暂态电能质量指标无延时监测。
5.如权利要求1所述的智能型电能质量监测终端，其特征在于装置首先将检测数据存放到设备本身的大容量SD卡上，并通过以太网上传到服务器，当以太网出现故障时，数据通过GPRS网络传输。当以太网和GPRS网络同时出现异常时，数据全部存储在SD卡内，此时，电能质量监测终端自动将采样频率降低，进而减低了单位时间内的电能质量数据存储量，从而最大限度延长存储记录时间，并保证电能质量监测终端数据始终为最新。
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| CN117311300B (zh) * | 2023-11-29 | 2024-02-13 | 西安热工研究院有限公司 | 分散控制系统动态调整采样频率的方法、装置及电子设备 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220405 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |