前言

目前電能作為一種使用最為廣泛的能源，其電能質(zhì)量已經(jīng)成為供用雙方共同關(guān)注的問題。為了保障電能的質(zhì)量、改善和提高其供電水平，一方面人們采取各種技術(shù)措施抑制電能質(zhì)量的惡化或進(jìn)行負(fù)荷的調(diào)整和電網(wǎng)的改造；另一方面，人們?cè)陔娏ο到y(tǒng)的特殊點(diǎn)處裝設(shè)電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備來檢測(cè)電能質(zhì)量的各個(gè)參數(shù)。后一種方法隨著微處理技術(shù)的發(fā)展特別是近年來隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用已經(jīng)成為一大熱點(diǎn)。

如今，隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字處理技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的融合發(fā)展，用于電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)技術(shù)必然會(huì)走上設(shè)備智能化、電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和在線監(jiān)測(cè)相結(jié)合的道路?？梢赃@樣講，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)字化。網(wǎng)絡(luò)化、智能化和集成化是當(dāng)前和今后發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

在現(xiàn)實(shí)生活中，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展變電所實(shí)現(xiàn)光纖通信#給電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)。因此，人們完全可以利用少數(shù)幾根低價(jià)，（如兩線制）電纜連接各分布節(jié)點(diǎn)使接線的成本顯著下降，且方便了安裝和維護(hù)監(jiān)測(cè)雖然仍在被測(cè)信號(hào)源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，但通信網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號(hào)而不是模擬信號(hào)，這樣基本上不存在噪音干擾問題。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中可以通過WEB技術(shù)、分層、分級(jí)、分權(quán)限地對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行分析和管理。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過定時(shí)或召喚的方式將數(shù)據(jù)上傳到WEB服務(wù)器，通過設(shè)定不同的權(quán)限，從而使不同的人員訪問不同的數(shù)據(jù)，了解目前電網(wǎng)的電能質(zhì)量指標(biāo)。甚至可以把某些指標(biāo)上傳至Internet網(wǎng)，向外界公開。

GPRS是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，需要在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加一些節(jié)點(diǎn):網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)GGSN(GatewayGPRSSupportingNode)、服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)SGSN(ServingGPRSSupportingNode)。使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。GPRS具有覆蓋面廣、組網(wǎng)方便、成本低(可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，按流量計(jì)費(fèi))等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的GPRS無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一體，構(gòu)建了一種基于GPRS無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)系統(tǒng)分為監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩個(gè)部分:監(jiān)控中心主要由監(jiān)控中心站服務(wù)器、企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等設(shè)備組成；監(jiān)控分站主要由MSP430F149單片機(jī)及外圍電路(液晶顯示、鍵盤功能、A/D轉(zhuǎn)換)和GPRS無線通信模塊(G20)組成。監(jiān)控中心站與監(jiān)控分站之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程通信,實(shí)現(xiàn)了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控中心服務(wù)器基本功能:

(1)實(shí)時(shí)接收遠(yuǎn)程監(jiān)控分站采集的數(shù)據(jù)并分類保存；

(2)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控分站進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各分站的緊急報(bào)警進(jìn)行處理，對(duì)各分站進(jìn)行各項(xiàng)設(shè)置；

(3)管理數(shù)據(jù)庫，并能夠?qū)崟r(shí)顯示各監(jiān)控分站的情況，打印和備份數(shù)據(jù)。

企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)主要構(gòu)造了一個(gè)企業(yè)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò),可以根據(jù)各個(gè)部門所賦予的不同權(quán)限在企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)客戶端進(jìn)行對(duì)監(jiān)控中心服務(wù)器的訪問，在企業(yè)內(nèi)部隨時(shí)隨地的瀏覽或者查詢我們所需要的數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)所在權(quán)限發(fā)出一些相應(yīng)的控制指令。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供了一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可以不斷的接收和存儲(chǔ)來自監(jiān)控分站采集上來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，另一個(gè)很大的作用就是可以讓我們隨時(shí)查詢存儲(chǔ)在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總等，為對(duì)電網(wǎng)的控制提供依據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀硬件系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀在運(yùn)行過程中需要快速處理大量數(shù)據(jù)，定點(diǎn)型DSP處理數(shù)據(jù)時(shí)要時(shí)刻關(guān)注溢出的發(fā)生，它會(huì)耗費(fèi)程序空間與執(zhí)行時(shí)間，因此選用浮點(diǎn)型DSPTMS320C6713。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的功能框圖

在測(cè)量過程中，特別是在閃的測(cè)量過程中，大量的數(shù)據(jù)需要臨時(shí)存儲(chǔ)，因此系統(tǒng)擴(kuò)展了一片SDRAM存儲(chǔ)器。另外，為了方便與PC機(jī)通信，裝置配備了以太網(wǎng)、USB等接口。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)可編程邏輯器件XC95144實(shí)現(xiàn)IO口擴(kuò)展、地址譯碼、接口及時(shí)序匹配、輸入輸出信號(hào)緩沖等功能。

考慮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)的接線形式既有三相三線、又有三相四線以及單線等，本分析儀數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)為八通道輸入，即可以滿足Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc、U08個(gè)回路同時(shí)輸入。為降低造價(jià)，采用多路開關(guān)+ADC的結(jié)構(gòu)。ADC選用了兩片AD7665。AD7665是低功耗16位逐次逼近型ADC，其采樣速率最高可達(dá)570kHz，滿足每路信號(hào)需分析出50次諧波而不發(fā)生頻率混迭所要求的6.4kHz×4=25.6kHz。

N點(diǎn)DFT是在頻率區(qū)間[0，2π]上對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行N點(diǎn)等間隔采樣，而采樣點(diǎn)之間的頻譜函數(shù)值是不知道的。這就好像從（N＋1）個(gè)柵欄縫隙中觀看信號(hào)的頻譜情況，僅得到N個(gè)縫隙中看到的頻譜函數(shù)值。這種現(xiàn)象稱為柵欄效應(yīng)。在非同步采樣時(shí)，由于實(shí)際信號(hào)的各次諧波分量并不能正好落在頻率分辨點(diǎn)上，而是落在某2個(gè)頻率分辨點(diǎn)之間，因此通過DFT并不能直接得到各次諧波分量的準(zhǔn)確值，而只能以臨近的頻率分辨點(diǎn)的值來近似代替，因而產(chǎn)生了柵欄效應(yīng)。由于柵欄效應(yīng)，在進(jìn)行諧波分析時(shí)有可能漏掉（擋?。┐蟮念l率分量。本分析儀通過硬件測(cè)頻，跟蹤電網(wǎng)頻率，達(dá)到準(zhǔn)同步采樣；此外電網(wǎng)頻率也是電能質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)達(dá)到測(cè)量頻率指標(biāo)的效果。

測(cè)頻電路如圖3所示，通過施密特觸發(fā)器將正弦的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為矩形信號(hào)，在每次信號(hào)由負(fù)變?yōu)檎龝r(shí)觸發(fā)DSP定時(shí)器計(jì)時(shí)，從而得到信號(hào)的頻率。

圖3 測(cè)頻電路

3 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控分站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的交流電壓電流等信號(hào)進(jìn)行采集、處理并在LCD上實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果,工作過程中可通過鍵盤對(duì)有關(guān)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，然后通過GPRS模塊來完成和監(jiān)控中心的通信。當(dāng)監(jiān)控分站啟動(dòng)后，測(cè)控系統(tǒng)就按照預(yù)先制定的軟硬件流程工作，同時(shí)將GPRS模塊登陸到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，并和擁有固定IP地址的監(jiān)控中心連接，在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，始終保持這一連接不斷開，一旦斷開必須重新建立連接，保證GPRS模塊“永遠(yuǎn)在線”。當(dāng)要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，可以利用鍵盤和LCD對(duì)內(nèi)存中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和必要的修改。監(jiān)控中心以固定IP的形式接入到Internet網(wǎng)絡(luò)，然后通過GPRS網(wǎng)關(guān)連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控分站的通信。之后就可以對(duì)各個(gè)監(jiān)控分站進(jìn)行集中的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)視。并可監(jiān)控中心對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和存儲(chǔ)，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況做到全方位的監(jiān)控。

在本系統(tǒng)中，監(jiān)控分站主要完成以下功能:

(1)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)的電壓和電流信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并把采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。

(2)完成對(duì)LCD的輸出顯示和鍵盤的輸入命令及監(jiān)控中心的控制命令的執(zhí)行。

(3)與監(jiān)控中心的通信。

在本系統(tǒng)中下位機(jī)和監(jiān)控中心的通信是基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的，GPRS模塊選用的MOTOROLA公司的G20模塊。G20具有適應(yīng)環(huán)境的能力比較強(qiáng)，供電電壓范圍比較寬，電流消耗比較小等特點(diǎn)；它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，大大簡(jiǎn)化了通訊的難度，開發(fā)者不需要自己實(shí)現(xiàn)TCP的打包過程。監(jiān)控分站硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控分站硬件結(jié)構(gòu)圖

4 仿真分析

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的程序塊，這樣不僅便于程序的調(diào)試，而且有利于實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和程序的修改和移植。系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)I/O口設(shè)置模塊、人機(jī)外設(shè)驅(qū)動(dòng)管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信程序六個(gè)模塊組成。

本儀器采用IEC的閃變測(cè)量方法，其測(cè)試原理如圖5所示，框二到框四是對(duì)燈—眼—腦環(huán)節(jié)的模擬?？蚨M燈的作用，用平方檢測(cè)方法從工頻電壓波動(dòng)中解調(diào)出反映電壓波動(dòng)的調(diào)幅波；框三模擬人眼的頻率選擇特性；框四模擬人腦神經(jīng)對(duì)視覺反映的非線性和記憶效應(yīng)。

圖5 IEC閃變測(cè)試原理框圖

閃變測(cè)量原理框三中的帶通濾波器是由35Hz的低通濾波器和0.05Hz的高通濾波器組成，傳遞函數(shù)如下：

0.05Hz的高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

式中，ω=2π×0.05rad/s。

框二中的平方運(yùn)算產(chǎn)生很大的直流分量，使0.05Hz的高通濾波的結(jié)果很長時(shí)間才能收斂，如圖6所示。需要在0.05Hz高通濾波器之前濾去大部分直流分量，這里對(duì)高通濾波前的信號(hào)補(bǔ)償負(fù)的直流分量，直流大小為電網(wǎng)電壓有效值的平方，直流補(bǔ)償后效果如圖7所示。

圖6 含大量直流分量時(shí)高通濾波器的收斂時(shí)間

圖7 去直流后高通濾波器的收斂時(shí)間

人眼對(duì)不同頻率的電壓波動(dòng)敏感度是不一樣的，引入視感度系數(shù)K（f），IEC推薦的視感度系數(shù)為K(f)=產(chǎn)生同樣視感度的8.8Hz正弦電壓波動(dòng)ΔV/產(chǎn)生同樣視感度的f正弦電壓波動(dòng)ΔV。IEC推薦的視感度加權(quán)濾波器的傳遞函數(shù)是：

圖8 加權(quán)濾波器對(duì)K(f)的逼近

圖8可以看出在低頻端誤差較大，所以對(duì)IEC推薦的加權(quán)濾波器進(jìn)行修正，將k改為2.08，

ω3為2π×1.02，ω4=2π×23，此處修正并未改變典型環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)，只是修正了傳遞函數(shù)的轉(zhuǎn)折頻率，修正后的傳遞函數(shù)的bode圖如圖9所示。

圖9 修正后加權(quán)濾波器對(duì)K(f)的逼近

在仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)閃變測(cè)量離散化過程中，采樣頻率的提高并不能顯著提高瞬時(shí)視感度的精度，而且計(jì)算量會(huì)顯著增大。為了使AD不重復(fù)采樣，閃變計(jì)算中利用前面諧波分析時(shí)的采樣值，閃變計(jì)算中采樣頻率選定為640Hz，即AD采樣頻率的10%，只需要對(duì)AD采樣值每間隔9個(gè)取一個(gè)。