论文部分内容阅读
摘要：经济增长迅速，人们对电力的需求也随着经济生活不断提高，而且对电能的质量要求也越来越高。电能质量监测技术更是当今电力系统领域的热门话题，为了更进一步改善电能质量，提高用电能质量，本文简单地阐述一下配电网电能质量在线监测系统的相关研究，供大家参考。
关键词：配电网；电能质量；在线监测；系统研究
作者简介：彭家从（1975-），男，浙江宁海人，宁海县供电局，工程师；王猛（1979-），男，湖北黄石人，宁海县供电局，工程师。（浙江 宁海
315600）
中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0106-02
Power distribution network是配电网英文名称，它是从输电网接受电能，然后通过配电设施就地分配各类用户的电力网。架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等是配电网组成部分，在电力网中起重要分配电能作用的网络就称为配电网。电压暂降和短时中断已成为现代电力系统中较重要的电能质量问题。而所谓的电能质量从严格意义上讲，就是衡量电能质量的主要指标，有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：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，包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降、中断及供电连续性等。
一、电能质量监测在国内外的发展现状
目前，我国已经逐步开展配电台区监测，作为配电的基础工作，但是受到个别原因的影响，像有些地方，其测试设备过于老化、陈旧，严重影响可用率，实用性较差，无法完成预期设定的效果。以多功能电度表为主的测量装置，在监测电压质量水平时采用了电压表测量；利用便携式测试仪器来测量谐波、电压波动及闪变，对变电所的每一级母线电压以及主变压器每一侧的谐波电流、电容器组的谐波电依次进行测量。无论任何一种监测手段或是管理模式，它都会有缺陷，对电网电能质量水平及实际系统运行状况无法及时进行了解，有明显的局限性，装置、系统实时监测能力较差，且功能单一仅限于电气元件运行参数的测量。
有些国家这方面的工作早已深入研究，韩国、日本、英国、美国、德国等国家也基本上投入应用中了。配网自动化，日本属这方面发展较早的国家，其配电线自动化达到了58％，德国在56％左右，韩国在45％左右，这些国家配电自动化的基本功能虽然少但适用，应用程度较高。“自动化孤岛”现象，是目前国内外配电自动化系统都普遍存在着一个较严重的问题，信息实现共享的程度较差，无法将数据来源统一。从当今的发展形势及存在问题来分析，以后的发展趋势必将利用网络化、集成化、通用化、实时性、开放式平台，灵活采用多种技术手段，面向对象式设计，并结合灵活输电、电网结构规划、需方管理等来实现。我们眼前的首要任务就是研制并开发出适合配电网络的智能化台区监测分析系统。
二、电能质量的测量方法
1.测量频率
电网频率是电能质量体系中的一个重要指标，国内外已经有了很多研究都是关于频率的测量，在现实生活中，较多的算法也被一一应用，成果较显著。以前测量的过程不仅时间长，而且误差大，后来利用DSP数字技术对频率进行测量，测量时间大大缩短，测量的精度也越来越高，深受欢迎。频率测量算法种类较多，以下三种算法是最主要的算法：第一是周期法：所谓的周期法，其实和零交法是同一个概念，频率主要通过测量信号波形，用过了零点间的时间宽度来计算的。该方法概念比较清晰，比较容易实现，不过实时性较差，因受到谐波、噪声、非周期分量的影响，实时性与测量精度有待提高。第二是解析法：它主要是通过对信号观模型，将待测量f或△f表示为样本值来进行数学变换显函数来估计，不过这种方法有一个至命的缺点，它的精度总体不会太准确。第三是误差最小化原理类算法：这种方法的各类非常多，其中包括最小二乘算法、最小绝对值近似法外，还有正交去调制法、离散卡尔曼滤波算法等。
2.测量电压的偏差
电压偏差用某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数来表示，是一种相对缓慢的稳态电压变动。当电力系统电压缓慢变化时，实际电压与系统标称电压之间就会产生一个差数，这就是电压允许偏差。当实际电压值与系统标称电压之差当电压变化率小于每秒1%时，可用有名值表示。
此公式中实际电压=实际测量电压，额定电压=系统的额定电压
3.测量三相电压不平衡
GB/15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中明确规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：当电网正常运行时，负序电压不平衡度要在2%以内，短时要在4%以内；对低压系统零序电压限值没有做出相关规定，但也要根据GB/T 12325相关要求操作。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为1.3%，短时在2.6%以内。
4.测量公用电网谐波
GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》中明确规定：6至220kV各级公用电网电压（相电压）总谐波畸变率0.38kV为5%，6至10kV为4%，35至66kV为3%，110kV为2%。用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是：0.38kV为2.6%，6至10kV为2.2%，3至66kV为1.9%，110kV为1.5%。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。
5.测量波动和闪变
GB/T 12326-2008《电能质量电压波动和闪变》中明确规定：电力系统公共连接点，在系统运行的较小方式下，要以一周（也就是168小时）为测量周期，所有长时间闪变值PLT满足：小于等于110kV，PLT等于1；大于110kV，PLT等于0.8。以及单个用户的相关规定。
三、配电网电能质量在线监测系统研究
1.电能质量有关硬件设计在线监测系统
独立的电源是TMS320F2812对片内的各个部件采用的供给方式：1.8V是内核采用的供电标准，3.3V是I/0和Flash编程采用供电标准，此标准可以将DSP的功耗大大减小。30MHz是系统采用外部分时钟输入，再经过PLL倍频处理后可达到150MHz的最高时钟频率。外部扩展存储空间XINTE的片选信号由CS1、CS2、CS6所表示，CS1是扩展CPLD中的外设寄存器，CS2是扩展FLASH存储器，CS6是扩展RAM存储器。RD为外扩存储空间的读写信号：D[15..0]，WR为外扩存储空间的读写信号：D[18..0]，是外扩存储空间的数据线和地址线。JTAG电路的表示信号有EMU1、EMDO、TCK、TDO、TDI、TRST、TMS。PWM1用来A/D芯片ADS8364提供的一种时钟信号，则为EVA（事件管理器）的通用定时器T1的PWM输出。T2PWM是用来定时启动A/D的转换，为T2的输出。F2812的外部中断是指INT１，当A/D之间完成转换时会到外中断INT1，然后外中断INT1继完成信号EOC，转换后的数据由DSP读取。F2812自带的两组SCI串口通信分别为RXA/TXA、RXB/TXB，是用来电平转换的，与MAX3232芯片同步进行。RXB/TXB用于RS485通信，电平转换时与MAX3485芯片同步进行。太网通信是用RTL8019表示，UBS通信控制芯片是用SL811HS表示。系统中外围电路逻辑控制芯片是用CPLD表示，它包括对A/D、MAX3232、MAX3485、RTL8019、SL811HS芯片以及LCD电路的片选控制功能，实现对外围电路的片选控制是它的主要作用。
图1所示为整体系统电路结构框图。
2.电能质量在线监测系统软件设计（中断服务程度设计）
主程序、中断服务程序是电能质量在线监测软件系统的组成部分。主程序的采用方式一般是无限循环方式，顾名思义无限循环就是不间断地一直循环，周而复始地循环重复运行，只有在外设中断源产生中断请求时才进入运行才能中断服务程度。A/D数据采样采用中断方式实现。在硬件设计上，为了连接ADS8364的三个HOLD引脚利用F2812的T2PWM输出信号来实现，A/D转换的启动信号在定时启动时有6个通道的转换，连接ADS8364的CLK引脚的是T1PWM输出信号，为ADS8364提供5MHz的时钟信号，ADS8364的转换完成信号EOC连接F2812的外部中断引脚INT1，当转换完成后触发外部中断LNT1。
中断采样程序在设计时同时采样了6个通道的信号，即三相电压信号和三相电流信号，在转换数据时必须经过这6个通道依次读取，然后将读取出来的数据分别存入F2812上对应的循环数据区，当F2812上循环数据区存满数据后再进行专业处理，获得重新接收的新数据再到循环数据区中。此程序图如图2所示。
四、结束语
在进行电能质量检测与分析基础上，系统将配电网的管理水平升了级，更提高了电能装置的利用率，大大降低了网损，升级了电能质量，为社会创造了更大的经济效益与技术效益。但是电能的质量是一个可持续发展的重要问题，现在电网越来越大，结构越发复杂，我们要不断努力，研究出更可行的办法，为电网事业的发展做出贡献。
参考文献：
[1]涂春鸣,盘宏斌,唐杰.企业配电网电能质量补偿系统的设计及应用[J].电网技术,2008,32(9):10-15．
[2]陈斌,张波,丘东元.电能质量检测系统数据高速采集和实时处理的协调优化分析及应用[J].电网技术,2006,30(2):91-96．
[3]黄攀,姚建刚,鲁栗.基于 WebGIS 的电能质量检测系统设计及应用[J].电网技术,2005,29(7):52-55．
[4]涂春鸣,罗安,汤赐.注入式混合型有源电力滤波器的控制算法[J]．中国电机工程学报,2008,28(24):52-58．
（责任编辑：麻剑飞）
关键词：配电网；电能质量；在线监测；系统研究
作者简介：彭家从（1975-），男，浙江宁海人，宁海县供电局，工程师；王猛（1979-），男，湖北黄石人，宁海县供电局，工程师。（浙江 宁海
315600）
中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0106-02
Power distribution network是配电网英文名称，它是从输电网接受电能，然后通过配电设施就地分配各类用户的电力网。架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等是配电网组成部分，在电力网中起重要分配电能作用的网络就称为配电网。电压暂降和短时中断已成为现代电力系统中较重要的电能质量问题。而所谓的电能质量从严格意义上讲，就是衡量电能质量的主要指标，有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：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，包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降、中断及供电连续性等。
一、电能质量监测在国内外的发展现状
目前，我国已经逐步开展配电台区监测，作为配电的基础工作，但是受到个别原因的影响，像有些地方，其测试设备过于老化、陈旧，严重影响可用率，实用性较差，无法完成预期设定的效果。以多功能电度表为主的测量装置，在监测电压质量水平时采用了电压表测量；利用便携式测试仪器来测量谐波、电压波动及闪变，对变电所的每一级母线电压以及主变压器每一侧的谐波电流、电容器组的谐波电依次进行测量。无论任何一种监测手段或是管理模式，它都会有缺陷，对电网电能质量水平及实际系统运行状况无法及时进行了解，有明显的局限性，装置、系统实时监测能力较差，且功能单一仅限于电气元件运行参数的测量。
有些国家这方面的工作早已深入研究，韩国、日本、英国、美国、德国等国家也基本上投入应用中了。配网自动化，日本属这方面发展较早的国家，其配电线自动化达到了58％，德国在56％左右，韩国在45％左右，这些国家配电自动化的基本功能虽然少但适用，应用程度较高。“自动化孤岛”现象，是目前国内外配电自动化系统都普遍存在着一个较严重的问题，信息实现共享的程度较差，无法将数据来源统一。从当今的发展形势及存在问题来分析，以后的发展趋势必将利用网络化、集成化、通用化、实时性、开放式平台，灵活采用多种技术手段，面向对象式设计，并结合灵活输电、电网结构规划、需方管理等来实现。我们眼前的首要任务就是研制并开发出适合配电网络的智能化台区监测分析系统。
二、电能质量的测量方法
1.测量频率
电网频率是电能质量体系中的一个重要指标，国内外已经有了很多研究都是关于频率的测量，在现实生活中，较多的算法也被一一应用，成果较显著。以前测量的过程不仅时间长，而且误差大，后来利用DSP数字技术对频率进行测量，测量时间大大缩短，测量的精度也越来越高，深受欢迎。频率测量算法种类较多，以下三种算法是最主要的算法：第一是周期法：所谓的周期法，其实和零交法是同一个概念，频率主要通过测量信号波形，用过了零点间的时间宽度来计算的。该方法概念比较清晰，比较容易实现，不过实时性较差，因受到谐波、噪声、非周期分量的影响，实时性与测量精度有待提高。第二是解析法：它主要是通过对信号观模型，将待测量f或△f表示为样本值来进行数学变换显函数来估计，不过这种方法有一个至命的缺点，它的精度总体不会太准确。第三是误差最小化原理类算法：这种方法的各类非常多，其中包括最小二乘算法、最小绝对值近似法外，还有正交去调制法、离散卡尔曼滤波算法等。
2.测量电压的偏差
电压偏差用某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数来表示，是一种相对缓慢的稳态电压变动。当电力系统电压缓慢变化时，实际电压与系统标称电压之间就会产生一个差数，这就是电压允许偏差。当实际电压值与系统标称电压之差当电压变化率小于每秒1%时，可用有名值表示。
此公式中实际电压=实际测量电压，额定电压=系统的额定电压
3.测量三相电压不平衡
GB/15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中明确规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：当电网正常运行时，负序电压不平衡度要在2%以内，短时要在4%以内；对低压系统零序电压限值没有做出相关规定，但也要根据GB/T 12325相关要求操作。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为1.3%，短时在2.6%以内。
4.测量公用电网谐波
GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》中明确规定：6至220kV各级公用电网电压（相电压）总谐波畸变率0.38kV为5%，6至10kV为4%，35至66kV为3%，110kV为2%。用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是：0.38kV为2.6%，6至10kV为2.2%，3至66kV为1.9%，110kV为1.5%。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。
5.测量波动和闪变
GB/T 12326-2008《电能质量电压波动和闪变》中明确规定：电力系统公共连接点，在系统运行的较小方式下，要以一周（也就是168小时）为测量周期，所有长时间闪变值PLT满足：小于等于110kV，PLT等于1；大于110kV，PLT等于0.8。以及单个用户的相关规定。
三、配电网电能质量在线监测系统研究
1.电能质量有关硬件设计在线监测系统
独立的电源是TMS320F2812对片内的各个部件采用的供给方式：1.8V是内核采用的供电标准，3.3V是I/0和Flash编程采用供电标准，此标准可以将DSP的功耗大大减小。30MHz是系统采用外部分时钟输入，再经过PLL倍频处理后可达到150MHz的最高时钟频率。外部扩展存储空间XINTE的片选信号由CS1、CS2、CS6所表示，CS1是扩展CPLD中的外设寄存器，CS2是扩展FLASH存储器，CS6是扩展RAM存储器。RD为外扩存储空间的读写信号：D[15..0]，WR为外扩存储空间的读写信号：D[18..0]，是外扩存储空间的数据线和地址线。JTAG电路的表示信号有EMU1、EMDO、TCK、TDO、TDI、TRST、TMS。PWM1用来A/D芯片ADS8364提供的一种时钟信号，则为EVA（事件管理器）的通用定时器T1的PWM输出。T2PWM是用来定时启动A/D的转换，为T2的输出。F2812的外部中断是指INT１，当A/D之间完成转换时会到外中断INT1，然后外中断INT1继完成信号EOC，转换后的数据由DSP读取。F2812自带的两组SCI串口通信分别为RXA/TXA、RXB/TXB，是用来电平转换的，与MAX3232芯片同步进行。RXB/TXB用于RS485通信，电平转换时与MAX3485芯片同步进行。太网通信是用RTL8019表示，UBS通信控制芯片是用SL811HS表示。系统中外围电路逻辑控制芯片是用CPLD表示，它包括对A/D、MAX3232、MAX3485、RTL8019、SL811HS芯片以及LCD电路的片选控制功能，实现对外围电路的片选控制是它的主要作用。
图1所示为整体系统电路结构框图。
2.电能质量在线监测系统软件设计（中断服务程度设计）
主程序、中断服务程序是电能质量在线监测软件系统的组成部分。主程序的采用方式一般是无限循环方式，顾名思义无限循环就是不间断地一直循环，周而复始地循环重复运行，只有在外设中断源产生中断请求时才进入运行才能中断服务程度。A/D数据采样采用中断方式实现。在硬件设计上，为了连接ADS8364的三个HOLD引脚利用F2812的T2PWM输出信号来实现，A/D转换的启动信号在定时启动时有6个通道的转换，连接ADS8364的CLK引脚的是T1PWM输出信号，为ADS8364提供5MHz的时钟信号，ADS8364的转换完成信号EOC连接F2812的外部中断引脚INT1，当转换完成后触发外部中断LNT1。
中断采样程序在设计时同时采样了6个通道的信号，即三相电压信号和三相电流信号，在转换数据时必须经过这6个通道依次读取，然后将读取出来的数据分别存入F2812上对应的循环数据区，当F2812上循环数据区存满数据后再进行专业处理，获得重新接收的新数据再到循环数据区中。此程序图如图2所示。
四、结束语
在进行电能质量检测与分析基础上，系统将配电网的管理水平升了级，更提高了电能装置的利用率，大大降低了网损，升级了电能质量，为社会创造了更大的经济效益与技术效益。但是电能的质量是一个可持续发展的重要问题，现在电网越来越大，结构越发复杂，我们要不断努力，研究出更可行的办法，为电网事业的发展做出贡献。
参考文献：
[1]涂春鸣,盘宏斌,唐杰.企业配电网电能质量补偿系统的设计及应用[J].电网技术,2008,32(9):10-15．
[2]陈斌,张波,丘东元.电能质量检测系统数据高速采集和实时处理的协调优化分析及应用[J].电网技术,2006,30(2):91-96．
[3]黄攀,姚建刚,鲁栗.基于 WebGIS 的电能质量检测系统设计及应用[J].电网技术,2005,29(7):52-55．
[4]涂春鸣,罗安,汤赐.注入式混合型有源电力滤波器的控制算法[J]．中国电机工程学报,2008,28(24):52-58．
（责任编辑：麻剑飞）