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摘 要：详细阐述了应用DSP器件研制的数字式电能质量在线终端的硬件/软件构成、技术指标、主要功能等，并对电能质量监测系统的功能做了简要介绍。WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
关键词：电能质量；谐波；不平衡度；在线监测WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
Digital On-line Electric Energy Quality Monitor Terminalplcjs.技.术_网
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Abstract：This paper carefully describes the application of DSP accessories in developing the hardware, software configuration, technical indices, main functions and other features of DSP-based digital monitoring terminal for quality of electric energy. And the functions of the quality monitoring system for electric energy are also briefly introduced.WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
Keywords：electric energy；harmonics；unbalancedness；on-line monitorWWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
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电能质量在线监测设备是电网电能质量监督检测网络最基本也是最主要的设备，目前市场上销售和使用的国内外生产的电能质量部分指标(如谐波、不平衡度等)的监测设备，大都不能完全适应我国电网电能质量监督管理的实际需求。河北省南部电网在1996年开始陆续安装谐波在线监测装置，初期的装置在数据存储、数据传输和后台统计分析的功能方面都存在较多的问题。为适应电能质量监督日益发展的需要，根据几年的运行经验和体会，开发研制了数字式电能质量在线监测终端。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
新型的数字电能质量在线监测装置具有按国标要求采集电能质量各项参数、在线长时间工作的可靠性高、现场操作方便实用、可与中心站通讯等功能；同时，还可长时间记录、存储数据且读取数据方便。该装置采用与国外最新产品同等的DSP数字信号处理器和高速多路AD同采技术，在数据处理与显示存储上采用PC104工控机，功能强、便于操作与软件升级。WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
1 功能与构成 WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
电网电能质量监测系统由电能质量监测终端、中心站及分析软件组成。WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
1.1 电能质量监测终端plcjs.技.术_网
输入三相电压100V、三相电流5A或1A进行数据信号处理，采用FFT计算出各次谐波电压、电流的幅值及相角。计算不平衡电压、电流，计算三相电压、电流、电压合格率、频率、有功功率、无功功率及功率因数等技术数据并显示。负责数据的处理、存储以及与中心站之间的通讯连接和数据传输，形成变电站报表。WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
电能质量监测终端的主要功能如下。WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
a.输入信号为TV、TA二次侧三相电压(100V)、三相电流(5A或1A)。WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
b.带有公话MODEM接口，可以在中心站方便地拨号连接接收数据。P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
c.大屏幕(320×240)背光LCD图形显示。P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
d.中文图形(频谱图、波形图、曲线图、向量图)操作界面。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
e.终端可存储超过一年的数据，存储数据为3min或5min一组数据包。WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
f.带有局域网连接接口，可用笔记本电脑在现场抄录数据。WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
g.多参数综合测量，实时定点报警，可设定参数值、参数报警状态。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
h.谐波电压、电流，负序电压、电流超限报警出口继电器。WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
1.2 中心站及分析软件WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
中心站通过调制解调器或网络接受处理器的数据，进行统计分析，形成文件、报表及曲线，并可显示数据和图形(如频谱图、波形图、曲线图、向量图等)。它可以管理多台电能质量监测终端，对收集到的数据进行分析与处理，可以对某一时段或某一事件过程时段的电能质量进行分析、形成报表，自动形成日、月和年报表，自动找出谐波含有率超标的时段与线路，计算电压合格率与供电可靠性。WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
中心站为客户机——服务器方式，数据存放在服务器的数据库中，可以方便地调用与查询。WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
2 主要技术指标WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
2.1 测量项目WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
该装置采用(220±15%)Vac或[(220 +10%)～(220-15%)]Vdc 电源，可测量的项目包括：电压、电流、频率，电压合格率，有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，电压不平衡度、电流不平衡度， 谐波电压、谐波电流(至31/50次或更高)、谐波相位、谐波功率、畸变率等。WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
2.2 测量精度WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
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电压测量：±0.2%WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
电流测量:±0.2%WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
电压不平衡度测量误差：≤0.2%W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
电流不平衡度测量误差：≤1%WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
频率测量：47～53 Hz，精度为±0.01Hz(50Hz)WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
信号转换精度：14bit WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
采样频率：8kHz/通道P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
3 电能质量监测终端软/硬件构成WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
电能质量监测终端的硬件由 TA/TV及信号预处理、DSP处理器、PC104 工控机、PC104与DSP并行通讯ISA总线并行扩展、调制解调器、LCD显示器(VGA单色带背光)、网络适配器、电源等构成。WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
电能质量监测终端的软件由DSP软件和PC104软件构成。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
3.1 DSP软件plcjs.技.术_网
3.1.1 DSP原理plcjs.技.术_网
监测终端采用TI公司的320C2XX系列的TMS320F240芯片，考虑到该芯片内部存储容量有限，在DSP部分扩展了高速SRAM和EEPROM。系统最终设计需要在每个工频周期内采集1024个点(6路同采)，需要进行1 024点的6路基2 FFT变换计算，并传送至PC104处理单元，这样就需要较快的时钟频率，在本装置中DSP的内部时钟近40MHz。plcjs.技.术_网
在DSP处理部分外扩了快速的14bit 高精度AD变换器，该AD变换器可以进行6路同时采样，为准确计算有功、无功功率、正/负序提供了保证。WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
3.1.2 DSP 的构成与功能WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
a.数据采集部分，包括频率的采样与计算，AD变换器的6路同时采样。"WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
b.数据处理，将采集的数据变换格式。WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
c.FFT变换计算。W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
d.数据传送，将DSP的数据传输至PC104。WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
3.1.3 输入和运算 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
输入三相电压、电流，测频率，1024或512点AD转换(其中AD采用双6路同采高速AD变换器)，经FFT变换，计算方均根值后，上传数据。根据需要，在数据传送时，只传输31或61次谐波或更高次谐波。P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
进行FFT运算，每0.5s取31次(或61次)谐波，每3s取6次计算方均根值，公式为：plcjs.技.术_网
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式中 Uhk——3s内第k次测得的h次谐波方均根值。P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
3.1.4 数据传送WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
按每0.5s上位机给定的脉冲，每3s上传一次数据。以31次谐波为例，每组数据如下。WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
a.频率f。WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
各次谐波分为实部、虚部，以Ua的相位为基准相位。WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
3.2 PC104部分WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
PC104工控板采用了集成度较高的PCM-3336板，该板带有软盘和硬盘接口，可以直接驱动320×240的LCD单色显示器，2路RS232C串行接口，1路打印机并行接口，可以直接带键盘和普通显示器。该板的BIO设计可以连接高达15 G的硬盘，为方便使用并确保可靠性，硬盘采用电子盘或笔记本硬盘。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
工控板有WATCH-DOG功能，工作不正常时，自动复位。P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
PC104板负责数据的处理、存储、显示，电能质量监测终端与中心站之间的通讯连接及数据传输，形成变电站报表。向DSP发0.5 s脉冲，收集DSP数据。WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
3.2.1 PC104的软件构成WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
a.计算处理各种数据，包括电压、电流、有功、无功、正负序、电压不平衡度、电压合格率、谐波含有率等。P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
b.以图形方式在LCD上显示电压、电流基波及各次谐波的幅值、相角，电压、电流的矢量图，电压电流波形。WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
c.通讯传输功能，包括与DSP的通讯、与MODEM的通讯和网络通讯。W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
d.参数输入，包括电压电流变比、电压上下限、谐波含有率的超限设置等。WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
3.2.2 接收DSP数据WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
从DSP接收的数据为暂存数据，有频率 、三相电压、三相电流及对应的正负零序分量及各次谐波分量(分实部、虚部，共2×3×64个数据)。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
3.2.3 谐波与不平衡度指标的计算WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
谐波与不平衡度相关指标的计算依据GB/T 14549-1993 《电能质量公用电网谐波》、GB/T 15543-1995 《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，具体公式如下。WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
3.2.3.1 谐波计算(每读一组数据计算一次)WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
a.第h次谐波电压含有率WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
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式中 Uh——第h次谐波电压(方均根值)；WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
U1——基波电压(方均根值)。plcjs.技.术_网
b.第h次谐波电流含有率WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
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式中 Ih——第h次谐波电流(方均根值)；WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
I1——基波电流(方均根值)。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
c.谐波电压含量——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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f.电流总谐波畸变率WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
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g.第h次谐波功率、相位WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
3.2.3.2 谐波最大值和概率值的计算WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
a.谐波最大值(各次值及总畸变率)的计算WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
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b.95%概率值的计算WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
计算测量时段内各相实测值的95%概率值和其中最大一相的值，并存储。WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
3.2.3.3 谐波超限报警P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
3.2.3.4 电压、电流不平衡度WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
计算电压、电流不平衡度(每3s读一组数据计算一次)，计算电压、电流不平衡度95%概率值。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
a.取不平衡度最大值WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
b. 95%概率值。计算测量时段(统计周期)内的95%概率值。WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
3.2.3.5 不平衡度超限报警P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
测量值与允许值比较，判断是否超限，若超限即发出报警。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
3.2.4 电压合格率WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
3.2.4.1 计算电压(每3s读一组数据计算一次)WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
计算超上限率、超下限率，统计超上限累加时间、超下限累加时间；计算电压合格率；存储上月和当月、前一日和当日的记录数据；记录最大值，最小值和平均值。WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
能设定监测电压的额定值和限值。电压质量监测统计时间以min为单位，取1min的电压平均值为一个统计单元。WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
实时显示被监测电压，刷新周期为2s。WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
3.2.4.2 计算电压合格率WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
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3.2.5 频率WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
采用过零检测电路和DSP捕获功能，精确测量整周波的宽度，从而计算出频率。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
3.2.6 显示WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
图形与汉字方式显示电压/电流波形、电压/电流矢量图、电压/电流基波和谐波的幅值、相角，各次谐波的幅值、相角分为数字显示和棒图加角度指针显示。WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
3.3 PC104与DSP通讯的ISA并行扩展单元 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
为方便地进行DSP与PC间的通讯，扩展了带有中断的并行接口，占用PC104的外设地址和中断，该并行通讯为8位双向可联络(中断)通讯。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
3.4 MODEM与局域网通讯管理 plcjs.技.术_网
MODEM连接至RS232C串行接口，另行扩展了几根控制线，对MODEM实时监测与控制以确保MODEM长时间通讯正常。 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
扩展的网卡允许LAN网络方式通讯。 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
4 结论P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
a.电能质量监测终端可以实时准确地对电网的供电和用电状况进行监测，尤其是可随时掌握谐波的超标情况，掌握不对称度与电压合格率的情况，为供电和用电企业提供了方便的监测设备。P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
b.电能质量监测终端具有采样频率高、测量精确、运算速度快等特点，其测量指标满足电能质量国家标准的要求。WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
c.电能质量监测终端的中文和图形显示界面，使用户使用更加方便和直观。WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
d.电能质量监测终端采用DSP和PC104工控板设计，技术先进，准确度高，可以方便地对DSP和PC104进行软件维护与升级。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
e.电能质量监测终端在区域电网和省网或联合电网中可组成电能质量监测网络，并通过专用的中心站软件，实现大量历史数据的统计分析，形成各种统计报表，绘制谐波频谱图和各种指标的分布图，为电能质量的监督提供了先进的手段。WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
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