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摘 要：直接影響用戶的電能質(zhì)量問題主要出現(xiàn)在配電系統(tǒng)和低壓側(cè)，而目前的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于中高壓系統(tǒng)側(cè)來考慮的或者是簡單的手持式監(jiān)測儀，均不能滿足普通用戶的監(jiān)測要求。本文分析了與普通用戶密切相關的電能質(zhì)量指標，指出從墻上電源插座采集電壓信號，就可以完全掌握普通用戶的電能質(zhì)量狀況，在此基礎上提出了基于普通用戶側(cè)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的思路，探討了相關的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和關鍵技術方法。
關鍵詞：電能質(zhì)量監(jiān)測；網(wǎng)絡；普通用戶
0 引言
電能質(zhì)量監(jiān)測是獲得電能質(zhì)量信息的直接途徑。以前，關注電能質(zhì)量問題的主要是系統(tǒng)工程師以及相關的技術人員，然而隨著社會的快速發(fā)展，越來越多的低壓普通用戶開始關注電能質(zhì)量問題，如：IT行業(yè)公司關心其計算機服務器能否正常工作(若電壓幅值下降大于10％，持續(xù)時間大于0.1 s，其系統(tǒng)有可能紊亂)，而且直接影響用戶的電能質(zhì)量問題主要出現(xiàn)在配電系統(tǒng)和低壓側(cè)[1]，因此有必要從普通用戶的角度，來重新認識電能質(zhì)量監(jiān)測的相關技術和裝置。
目前的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置主要分兩大類：分布式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)以及手持式電能質(zhì)量監(jiān)測儀。前者主要是基于系統(tǒng)側(cè)來考慮，分布于各個變電站和關鍵用戶接入點處的電能質(zhì)量監(jiān)測單元通過通信網(wǎng)絡連接成一個有機的整體，共同完成整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析[2,3]。這種監(jiān)測方式功能完備，可以完成整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量各項指標分析、諧波污染源的定位、暫態(tài)電壓質(zhì)量持續(xù)監(jiān)測等功能，但是成本高，缺乏靈活性。手持式電能質(zhì)量監(jiān)測儀，如萊姆(LEM)、福祿克(FLUKE)等系列儀表，它們操作靈活方便，可以實時監(jiān)測電能質(zhì)量各項指標，但是無法完成數(shù)據(jù)的橫向比較以及統(tǒng)計性指標的分析，特別是對暫態(tài)電能質(zhì)量指標的統(tǒng)計，不能滿足測量要求，必須發(fā)展新的監(jiān)測技術。
本文分析了與普通用戶密切相關的電能質(zhì)量指標，在兼顧測量靈活性和功能完備性的基礎上，提出了基于網(wǎng)絡的普通用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測儀的思路，探討了相關的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和關鍵技術方法。
1 電能質(zhì)量監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)分析
電能質(zhì)量問題可以分為電壓質(zhì)量問題和電流質(zhì)量問題兩部分。實際供電過程中，系統(tǒng)可以控制的僅僅為用戶電壓，無法控制用戶汲取的電流量。因此與用戶密切相關的電能質(zhì)量指標主要為電壓指標，如：電壓波動、閃變、電壓跌落、驟升、短時斷電等。電流質(zhì)量問題主要為諧波問題，它在一定程度上也可以在電壓諧波中得到反映。因此對于普通用戶而言，從墻上電源插座引入輸入量，僅僅采集相關的電壓信號，就可以完整的描敘其電能質(zhì)量狀況。
在實際應用中，對用戶而言，電能質(zhì)量監(jiān)測儀可以假想為一個黑匣子，如圖 1，它具有的僅僅是一端輸入和一端輸出。輸入可以直接從墻上的普通電源插座采集電壓信號，輸出為一個以太網(wǎng)口和(或)一個RS232接口。這樣，用戶只需插上電源插座，然后就可以通過以太網(wǎng)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，或者通過RS232串口總線實現(xiàn)點對點的本地監(jiān)測。這種監(jiān)測方式操作靈活方便，而且采用這種方式組成的監(jiān)測網(wǎng)是一種完全分布式的監(jiān)測系統(tǒng)，可以很好的完成不同監(jiān)測點的數(shù)據(jù)橫向比較以及統(tǒng)計性指標的分析。
2 基于用戶側(cè)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析
2.1 點對點監(jiān)測方式
點對點監(jiān)測包括兩種方式：采用RS232串口總線實現(xiàn)點對點的本地數(shù)據(jù)傳輸以及基于以太網(wǎng)通信的遠程點對點監(jiān)測。
采用RS232 串口總線實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)監(jiān)測，適合現(xiàn)場的數(shù)據(jù)觀察。它成本低，僅僅需要一臺筆記本電腦或PC機與監(jiān)測單元相連，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，而且靈活方便，只要墻上有電源的地方就可以監(jiān)測。數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計由安裝在筆記本電腦或PC機的上層軟件包完成，它可以完成對本監(jiān)測點實時、歷史數(shù)據(jù)的存儲和處理，但是缺乏不同監(jiān)測點間數(shù)據(jù)的橫向分析。
基于以太網(wǎng)通信的遠程點對點監(jiān)測，與基于RS232串口數(shù)據(jù)通信的點對點監(jiān)測類似，它們的數(shù)據(jù)處理方式相同，只不過是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌��；谝蕴W(wǎng)通信的點對點監(jiān)測更適合于遠方數(shù)據(jù)監(jiān)測，但是這種方式對網(wǎng)絡的依賴性比較高，在以太網(wǎng)未普及的地方，這種方式的成本將大大的增加。
2.2 分布式以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)
利用現(xiàn)有以太網(wǎng)(因特網(wǎng))的豐富資源，組建以太網(wǎng)分布式監(jiān)測系統(tǒng)是一種低成本、高可靠性、快捷的技術方案�；诳蛻�/服務器模式的分布式以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)遠方數(shù)據(jù)監(jiān)測，而且可以借助電能質(zhì)量分析服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，實現(xiàn)較高層次的數(shù)據(jù)分析和存儲，系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。
在以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)方式下，客戶端監(jiān)測單元軟件主要響應遠程服務器的命令，將帶有時間標簽的采樣數(shù)據(jù)進行壓縮后上載到遠程服務器端。
服務器系統(tǒng)包括主站控制服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和運算分析服務器。主站控制服務器提供WWW方式的頁面瀏覽服務，可進行用戶實時數(shù)據(jù)顯示、用戶信息查詢以及反饋分析結(jié)果給用戶。實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫服務器。各種計算軟件包在運算分析服務器中運行，它通過訪問數(shù)據(jù)庫服務器，獲得設計數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)，并將計算結(jié)果反饋給主站控制服務器。
3 電能質(zhì)量監(jiān)測儀硬件設計要求
如圖1，電能質(zhì)量監(jiān)測儀內(nèi)部主要由四部分組成：輸入調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡通訊模塊、以及電源模塊。
3.1 輸入調(diào)理模塊
輸入調(diào)理模塊的關鍵技術在于對220V電壓信號的精確采集。傳統(tǒng)的電壓傳感器采用電磁型互感器，其設計時僅僅考慮精確傳遞50HZ的標準正弦波，因此電磁型互感器二次側(cè)很難真實反應一次側(cè)待測電壓電能質(zhì)量指標。
基于霍爾原理的霍爾電壓傳感器克服了電磁型互感器只適用于50HZ工頻測量的缺點，它具有如下的特點[4]：
a. 可測量任意波形的電壓，可以對瞬態(tài)峰值參數(shù)進行精確的測量；
b. 精度高，在工作區(qū)內(nèi)優(yōu)于1％，而普通互感器精度一般為3％～5％；
c. 線性度優(yōu)于0.1％；
d. 動態(tài)性能好，響應時間小于1μs，普通互感器的動態(tài)響應時間一般為10～20μs；
e. 工作頻帶寬，可在0～100kHz內(nèi)線性工作；
f. 過載能力強，可靠性高，不會因此發(fā)生爆炸或燒毀；
g. 尺寸小，重量輕，易于安裝。
如圖3，霍爾電壓傳感器只需外接正負直流電源，被測電壓母線只需接于原邊端子，然后在副邊端再作一些簡單的連接即可完成主電路與控制電路的隔離檢測，電路設計非常簡單。
3.2 數(shù)據(jù)處理模塊
為了精確測量電網(wǎng)中高次諧波值以及對暫態(tài)電能質(zhì)量指標進行實時測量，必須保證較高的采樣頻率，在擾動發(fā)生過程中(如：陡波前瞬態(tài)過電壓)采樣頻率要求達到兆級。傳統(tǒng)的51、80C196等單片機的指令周期最多能夠達到160ns，一條指令執(zhí)行時間最短為1μs，很難滿足數(shù)據(jù)處理的要求。
數(shù)字信號處理(DSP)技術的快速發(fā)展，為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理提供了理想的方案。高性能的數(shù)字信號處理器采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，指令運行采用流水線結(jié)構(gòu)，其指令周期可以達到20～30ns，可以保證足夠高的采樣率，從而實現(xiàn)了高精度的同步數(shù)據(jù)采集處理。
電力系統(tǒng)中高次諧波以及暫態(tài)電能質(zhì)量指標的測量對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的要求非常高。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，如果采用12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，僅僅因為AD轉(zhuǎn)換精度不夠，對15次諧波而言至少會引起1.67％的誤差，而且在實際諧波測量中我們一般測到30次諧波以上，這樣產(chǎn)生的誤差影響會更大，高次諧波測量數(shù)據(jù)將沒有可信性。因此電能質(zhì)量監(jiān)測儀中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率至少應保證為14位以上。
此外，在數(shù)據(jù)處理模塊中，必須具有大容量數(shù)據(jù)存儲器(如Flash)、掉電不丟失數(shù)據(jù)RAM以及時鐘芯片(如DS12887)等，保證實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲記憶以及墻上插座斷電狀態(tài)下供電可靠性指標的監(jiān)測。
3.3 網(wǎng)絡通訊模塊
網(wǎng)絡通訊模塊主要實現(xiàn)RS232通訊和以太網(wǎng)通訊兩部分功能。這兩種通訊方式可以組合使用也可以單選其一。RS232通訊是傳統(tǒng)的串口通訊方式，它設計簡單、應用普及、成本低，在這里就不詳細介紹。
目前，利用現(xiàn)有以太網(wǎng)(因特網(wǎng))的豐富資源，組建以太網(wǎng)分布式測控系統(tǒng)是一種低成本、高可靠性、快捷的技術方案，組建以太網(wǎng)分布式測控系統(tǒng)的關鍵設備是以太網(wǎng)測控網(wǎng)關。結(jié)合本套系統(tǒng)的特點，它的組成方式可以采用以下兩種方式：
第一種是利用單片機驅(qū)動以太網(wǎng)接口芯片組成以太網(wǎng)測控網(wǎng)關。這種組合方式可以分為兩種情況[5，6]：單片機直接驅(qū)動以太網(wǎng)接口芯片(如UM9003、RTL8019、RTL8029、DM9008等)和單片機驅(qū)動以太網(wǎng)卡(如ISA總線網(wǎng)卡RTL8019AS、NOVEIL公司的NE2000網(wǎng)卡等)。它們的實質(zhì)是一樣的，只不過是單片機與以太網(wǎng)控制器接口方式不同罷了。采用這種方式靈活性很強、成本低，但是開發(fā)周期較長、需要程序員較好的掌握網(wǎng)絡接口和TCP/IP等相關的通訊協(xié)議。
第二種是直接利用單片機驅(qū)動硬件協(xié)議棧芯片或者采用帶有硬件協(xié)議棧功能的高級單片機，然后通過內(nèi)置Modem來連接Internet。典型應用有武漢力源公司開發(fā)的網(wǎng)絡接口芯片webship PS2000以及PSM2000ACD網(wǎng)絡模塊、S7600ATCP/IP硬件協(xié)議棧芯片、UBICOM公司生產(chǎn)的SX系列單片機SX52BD100等等[7，8]。這種方式采用硬件實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，大大的降低了軟件編程的難度，但是這種方案仍然具有開發(fā)周期較長、成本較高的難度。
在基于網(wǎng)絡的用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，低成本、使用靈活是它普及的前提，因此結(jié)合本套系統(tǒng)的特點，網(wǎng)絡通訊模塊的設計中建議使用第一種以太網(wǎng)網(wǎng)關組成方式，采用一片DSP芯片作為數(shù)據(jù)處理的主CPU，它可以直接驅(qū)動以太網(wǎng)接口芯片，也可以采用一片普通單片機(如51系列等)通過雙口RAM與DSP實時通訊，然后由單片機來驅(qū)動以太網(wǎng)接口芯片，如圖4所示。隨著電子技術的快速發(fā)展，硬件協(xié)議棧芯片或者嵌入硬件協(xié)議棧功能的高級單片機技術的成熟和普及，采用第二種以太網(wǎng)網(wǎng)關組成方式將是未來的發(fā)展方向。
3.4 電源模塊
正常情況下，基于網(wǎng)絡的用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測儀，從墻上的電源插座采集電壓信號，同時也輸入220V交流電源，為整個裝置的電源模塊供電。在突然斷電的情況下，電能質(zhì)量監(jiān)測儀的工作性質(zhì)決定其必須正常工作。
因此，在本系統(tǒng)中，我們作了如下的設計：正常的情況下，電源模塊由220V交流電源供電；在突然斷電的情況下，監(jiān)測系統(tǒng)由電池繼續(xù)供電，同時監(jiān)測儀進入低耗狀態(tài)，僅僅進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和存儲，并不對外通訊；同時為了保證監(jiān)測儀在電壓跌落時可靠的工作，在數(shù)據(jù)處理模塊電源入口處，增加大容量電容進行暫態(tài)電壓支撐。
4 上層軟件設計分析
基于網(wǎng)絡的用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測儀上層軟件，不僅要能夠完成大量快速的數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計，同時還應具有友好的人機交互能力。在這里主要討論，支持點對點數(shù)據(jù)監(jiān)測的PC機上層軟件包，具體的來將，它應當具有以下四部分功能：
a. 實時數(shù)據(jù)顯示
實時顯示電壓信號頻譜圖，以及基波幅值、諧波幅值、諧波總畸變率、頻率、電壓波動值、短期閃變值、長期閃變值、暫態(tài)過電壓峰值等指數(shù)。
b. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
計算指定時段的報表數(shù)據(jù)，如：諧波的復平均值、諧波最大值等；統(tǒng)計分析相關數(shù)據(jù)的概率分布曲線和參數(shù)，如：電壓跌落和供電可靠性的統(tǒng)計指數(shù)值等。
c. 波形辨識功能
對監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用小波分析、二次變換、傅立葉變換、有效值檢測以及人工智能等技術，完成擾動的智能辨識分類、諧波源的檢測與定位等功能，給用戶電能質(zhì)量指標惡化提供合理的解釋和指導。
d. 數(shù)據(jù)記錄功能
完成不同時段監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理分類，提供故障錄波功能，以及歷史數(shù)據(jù)的查詢功能。
5 結(jié)論
本文分析了與普通用戶密切相關的電能質(zhì)量指標，指出從普通的墻上電源插座采集電壓信號，就可以完全掌握用戶的電能質(zhì)量狀況。在此基礎上提出了基于網(wǎng)絡的用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測儀的思路，探討了監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)和關鍵技術方法。這種監(jiān)測方式靈活，采用以太網(wǎng)方式組成的監(jiān)測網(wǎng)是一種完全分布式的監(jiān)測系統(tǒng)，它適應現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測發(fā)展的新方向。但是這種監(jiān)測裝置的使用和普及將會受到相關電力政策的影響，比如電力市場的發(fā)展水平以及社會和電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量監(jiān)測的認可等。
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