HND09E3H電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計和應(yīng)用

摘要：本文介紹了HND09E3H電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計原理以及該產(chǎn)品在配電系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵字：電能質(zhì)量分析儀；諧波；消諧；波形畸變；ARM；DSP

隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)荷，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業(yè)交流變換器的廣泛應(yīng)用，引起了電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變，威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。在國家一些重要項目的建設(shè)中電網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)測顯得尤為重要，作為目前功能完整，體積較小的96型HND09E3H電能質(zhì)量分析儀對電能質(zhì)量檢測、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用。

應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)：

為了對上述電網(wǎng)諧波危害進(jìn)行相應(yīng)的度量、評估和考核，南京海恩德電氣有限公司研發(fā)了基于DSP＋ARM7模塊化設(shè)計方案的高端電能質(zhì)量分析產(chǎn)品HND09E3H。

該產(chǎn)品采用當(dāng)今世界流行的高檔電能標(biāo)設(shè)計方案：DSP+MCU的實現(xiàn)方法，將DSP的高速數(shù)字信號處理功能和高檔MCU（ARM）完善的管理、通訊、豐富的接口功能相結(jié)合。基本工作原理如下：

圖1硬件設(shè)計原理框圖

互感器將來自電網(wǎng)的電壓、電流信號實時送到表內(nèi)16位高速Sigma-DelTa AD進(jìn)行6個通道電力信號的同步采樣，AD轉(zhuǎn)換完成之后把數(shù)據(jù)傳送給DSP進(jìn)行各種復(fù)雜的數(shù)值運算，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)運算，DSP完成整表的計算功能，具體包括所有電力參數(shù)的測量、有功、無功、視在電能的計量等工作；完成之后DSP把相應(yīng)的計算數(shù)據(jù)和ARM7進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，ARM7主要完成液晶顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計存儲、外部通訊、菜單鍵盤操作、DI/DO量的輸入控制等工作。

A/D采用的是ADI公司推出的AD73360L芯片，內(nèi)帶6個獨立通道的16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用Sigma-Delta轉(zhuǎn)換原理，具有良好的抗混疊性能。AD73360的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出接口是同步串口（SPORT口）,DSP采用的是ADSP 219x芯片，同樣具有相同SPORT接口，使用起來非常的方便，免去了IO口模擬帶來的一系列煩惱。

ARM7采用的是NXP的LPC2138，該芯片功能強大，外圍端口資源豐富，內(nèi)部RAM最大可以達(dá)到32K，運行速度可達(dá)60M，帶有多通道的32位定時器，多路PWM輸出資源，多個SCI、SPI、IIC接口；IO口可以承受5V電壓輸入；內(nèi)部還帶有多種運行功耗模式。

該表軟件分為兩部分，其一是DSP的相關(guān)程序流程代碼，這部分代碼按功能上分主要是以下幾塊：分為AD采樣控制、串口數(shù)據(jù)傳輸、大量復(fù)雜的數(shù)值運算（包括傅氏變換）、能量累計、電能質(zhì)量分析、電能脈沖輸出等幾個部分；其二是ARM7中的相關(guān)程序流程，主要包括：液晶顯示、按鍵處理、數(shù)字通訊、開關(guān)量輸入輸出功能的實現(xiàn)以及部分事件記錄功能的實現(xiàn)；在編程語言的選擇上，DSP部分采用C語言和匯編語言混合編程，為了保證系統(tǒng)良好的實時性，以匯編語言為主，C語言作整個程序框架進(jìn)程調(diào)度，既保證了程序的易讀性，也兼顧了系統(tǒng)良好的實時性。ARM7的程序是基于uc/OS-II操作系統(tǒng)平臺開發(fā)的，程序簡單易讀，可移植性較好，便于產(chǎn)品的后續(xù)升級工作。整個系統(tǒng)的軟件大致要完成3個部分的工作：系統(tǒng)的初始化代碼、uc/OS-II操作系統(tǒng)移植、應(yīng)用任務(wù)的編寫。

算法描述

基于上述的模塊化設(shè)計理念，充分考慮了數(shù)字信號處理器的強大的數(shù)值計算功能，讓其完成了所有的計算變換等功能；具體包括電壓、電流有效值、有功、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功、無功、視在電能的累計、電能質(zhì)量指標(biāo)的計算?？紤]到常規(guī)電參量的計算公式比較常見，這里就不再贅述了，著重把電能質(zhì)量指標(biāo)的計算方法描述一下：電能質(zhì)量方面的計算，具體包括：２－３１次諧波分析，電壓波峰系數(shù)，電話波形因子，電流Ｋ系數(shù)，三相電壓、電流不平衡度，電壓、電流正序、負(fù)序、零序分析，電壓偏差、頻率偏差。

電能質(zhì)量的相關(guān)指標(biāo)如下：

A．諧波（GB/T 14549）；

電壓的２－３１次諧波分析主要是采用DSP的FFT算法來實現(xiàn)，得到的基波分量和諧波分量分別為U1,U2…Uh;各次諧波含有率的計算公式如下：

；             ；

電流的２－３１次諧波分析與之類似；

圖2 電網(wǎng)諧波波形及諧波棒圖

B．不平衡度（GB/T 15543）

電壓不平衡包括每相信號的幅度和三相之間的角度不平衡，具體計算參照下述公式：

電流不平衡的計算方法和電流一致。

圖3 三相不平衡波形

C．頻率偏差（GB/T 15945）

頻率偏差即系統(tǒng)頻率的實際值和標(biāo)稱值之差。電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為±0.2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到±0.5Hz。用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動不得超過±0.2Hz，根據(jù)沖擊負(fù)荷性質(zhì)和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當(dāng)變動限值，但應(yīng)保證近區(qū)電力網(wǎng)、發(fā)電機組和用戶的安全，穩(wěn)定運行以及正常供電。

D. 電壓偏差（GB/T 12325）

35KV及以上供電電壓正，負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的10％。

10KV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7％。220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7％，-10％。

    

                圖4 電壓變化

此外在電力系統(tǒng)實際運行過程中，還有一些參數(shù)會間接的反映出電網(wǎng)波形的實際情形，比如電壓波峰系數(shù)、電壓電話波形因子和電流K系數(shù)（前面兩個主要是衡量電壓波形畸變帶來的影響、第三個主要是衡量電流波形畸變帶來的變化）。

電壓波峰系數(shù)的計算如下：

電話波形因子：

電流Ｋ系數(shù)：

實現(xiàn)功能及性能：

HND09E3H實現(xiàn)了以下功能：

1、高精度測量常規(guī)的三相交流電量，如三相相電壓、線電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等；

2、專業(yè)的四象限電能（包括吸收有功電能、釋放有功電能、感性無功電能、容性無功電能）高精度計量；可分8個時段三種費率計量本月、上月、上上月以及總的有功電能；

3、全面的測量電壓電流2－31次諧波分量及THD、電流K系數(shù)、電壓波峰系數(shù)、電話波形因子及三相電壓電流不平衡度等，用戶可以方便的對供電電網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行分析；

4、具有4路開關(guān)量輸入、2路開關(guān)量輸出、一路485接口Modbus協(xié)議的通訊接口，充分滿足電力自動化遙控遙測需求。

該產(chǎn)品已經(jīng)通過CE論證并成功出口到英國和西班牙，詳細(xì)效果見下圖。

圖5 出口OEM儀表外觀

應(yīng)用案例

某市的奧體中心場館，有5個變電所供電。5個變電所的所有電力數(shù)顯示儀表均選用海恩德的HND系列的產(chǎn)品。下面就以該場管地下5個變電所中的1#變電所舉例：1#所由一個0.4kV低壓配電站系統(tǒng)，由2個受電柜、2個應(yīng)急進(jìn)線柜、1個母聯(lián)柜、4個補償柜，155個饋出柜組成。饋出柜負(fù)載具體可分為：展覽用電、照明用電、空調(diào)風(fēng)機用電、動力用電和消防用電。配電系統(tǒng)中采用了LED等節(jié)能光源、大功率變頻中央空調(diào)、展覽用電等大量非線性用電設(shè)備，雖然降低了實際的功耗，以實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，但是這些設(shè)備都是電力系統(tǒng)諧波的主要來源；這些設(shè)備即使供給它們理想的正弦波電壓，取用的電流也是非線性的，即有諧波電流存在。這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流注入電力系統(tǒng)中，使系統(tǒng)各處電壓產(chǎn)生諧波分量。這些設(shè)備單個容量不大，但基數(shù)很大且散布于各處，電力部門又難以治理。假如這些設(shè)備的電流諧波含量過大，則會對該場館電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。HND09E3H多功能電能質(zhì)量分析儀表在現(xiàn)場使用之后，用戶除了可以通過該儀表了解所有常規(guī)電參數(shù)之外，可以了解該場館現(xiàn)場各種電力設(shè)備投運前、后相關(guān)系統(tǒng)的電力質(zhì)量水平及其變化對有關(guān)設(shè)備的影響，方便電力質(zhì)量故障診斷和異常的原因測量，為大型公建的穩(wěn)定運行提供實時數(shù)據(jù)。

1、現(xiàn)場設(shè)備層采集所需實時監(jiān)測的電參量：

現(xiàn)場設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要是由智能儀表組成（此項目中主要為HND09E3H電力質(zhì)量分析儀），向數(shù)據(jù)中心上傳存儲的參數(shù)。該場館項目中，例如主進(jìn)線回路的三相電流、三相電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)及頻率；電容補償回路的功率因數(shù)、有功、無功功率；聯(lián)絡(luò)回路的三相電壓、電流；普通低壓出線回路的三相電流、功率；重要低壓出線回路的三相電流、有功、無功功率、電壓和電流的2－31次諧波、諧波畸變率（THDi、THDu）等電參量；

2、網(wǎng)絡(luò)通訊層實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸：

在現(xiàn)場設(shè)備(如HND09E3H)中采集到的電參量，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)信息的交換和共享，并將數(shù)據(jù)提供給總變監(jiān)控系統(tǒng)。同時，轉(zhuǎn)達(dá)上位機對現(xiàn)場設(shè)備的各種控制命令。

3、站控管理層以最直觀方便的形式反映現(xiàn)場各個運行狀態(tài)：

站控管理層針對監(jiān)測系統(tǒng)的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部門。監(jiān)測系統(tǒng)軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息計算、分析與處理，以報表及圖文方式直觀地體現(xiàn)各種電參量信息及系統(tǒng)運行以來的具有參考價值的歷史數(shù)據(jù)，如諧波數(shù)據(jù)、棒圖及曲線，電力能耗的日、月、年報表，日志報表等等。

結(jié)束語

南京海恩德電氣有限公司的HND09E3H可以實時監(jiān)測饋出負(fù)荷的負(fù)載特性，監(jiān)測電力質(zhì)量參數(shù)，對諧波等參數(shù)進(jìn)行實時分析，便于上位機系統(tǒng)實時監(jiān)控電力系統(tǒng)運行狀況、諧波污染程度，給場館維護(hù)工程師提供可靠真實數(shù)據(jù)，以便他們及時采取合理的應(yīng)對措施，為實現(xiàn)綠色環(huán)保的配電保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

1)《電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南》，  中國標(biāo)準(zhǔn)出版社

2）《數(shù)字信號處理原理及其MatLab實現(xiàn)》，  電子工業(yè)出版社

3）《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》，  中國電力出版社

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