电能质量在线监测装置

4.1 前言

随着我国国民经济的蓬勃发展，电力负荷急剧加大，特别是电力电子转流设备、电气化铁路、电弧炉等等冲击性和非线性负荷容量的不断增长，使得电力系统的电能质量日益恶化。使得电网发生波形畸变、电压波动与闪变和三相不平衡等电能质量问题情况日趋严重。从而引起变压器过热、网损增加、计量仪表误差、通讯干扰，不但使得供用电设备本身安全性降低，而且严重威胁着电力系统的安全和经济运行。为了保护电力系统的运行安全，目前各国都十分重视电能质量的管理，并制定了相关标准。我国也已先后颁布了涉及电能质量六个方面的国家标准，有关部门也制定了相应的«电能质量管理办法»。

●《电能质量公用电网谐波》 GB/T14549—93；

●《电能质量电压波动和闪变》 GB/12326—2000；

●《电能质量三相电压允许不平衡度》 GB/T15543—95；

●《电能质量供电电压允许批偏差》 GB/T12325—90；

●《电能质量电力系统频率允许偏差》 GB/T15945—95；

《变电站谐波在线监测装置》是一台高性能的多功能电能质量测试分析仪器，它采用DSP+ARM+CPLD 内核，5.7”大屏幕液晶(320×240点阵)显示屏，使结构更紧凑，功能更强大。适用于220KV、110KV和35KV变电站、电厂及用电大户。

4.2 电能质量在线监测系统的组成

电能质量在线监测系统主要有现场监测层，通讯传输层和数据管理层组成，系统拓扑结构见图1。组网方式有网线、光纤、无线三种模式。

4.2.1现场监测层

现场安装各类电能及电能质量监测设备，要求具有通讯功能。本方案采用的是科盟电子自主研发的KM-2000监测装置，其主要功能：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO，RS485通讯接口、Modbus协议。

4.2.2 通讯传输层

为了将监测层设备采集的数据传送到服务器而负责数据通讯传输的设备，主要有通讯管理机、串口服务器、网络交换机等。数据采集终端通过串口与监测层设备通讯，读取其中数据，并进行初步分析、整理，将数据保存在本地SD卡中，之后将数据传输给无线通讯模块。无线通讯模块采用射频技术，在现场组成无线局域网络，将各点数据采集终端整理的数据收集并传输到后台服务器，也可用网线或光纤的方式传输数据。

4.2.3 数据管理层

对采集数据进行存储、解析及应用的过程，包括服务器架设、各种软件的应用。

网络拓扑图

4.3 KM-2000监测装置功能

基本监测指标：

电网频率、三相基波电压、电流有效值，基波有功功率、无功功率、功率因数、相位等；

电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、负序电压、电流；

谐波（2～50次）：包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波含有率、幅值、相位。

高级监测指标：

间谐波、电压波动、闪变，电压骤升、骤降、短时中断、暂时过电压、瞬态过电压。

显示功能：

装置面板上带有大屏幕LCD显示器，实时显示电能质量监测指标的数据。

设置功能：可对装置基本参数、越限参数进行设置、修改和查看，并设有密码保护。

记录存储功能：

装置内置SD卡（容量可选）可对基本监测指标和高级监测指标实时保存，保存时间可设置，实时数据在装置上最长保存时间为一年，之后按“先进先出”原则更新。

统计功能：

装置具有对主要监测指标的在线统计功能，可统计一个时间段内监测指标的最大值、最小值、平均值、95％概率大值等。

通讯功能：

装置提供多种通讯接口方式，实现监测数据的实时传输或定时提取存储记录，可通过工业以太网接口与远方电能质量管理中心通讯，也可通过RS232C/RS485接口，以GPRS方式（定制）与远方通讯。

GPS对时功能：

监测装置具备B码对时功能及GPS脉冲对时功能。可保持与远方管理中心的时钟一致。

事件触发录波功能：

可根据客户要求设定事件触发条件（手动或自动），记录事件触发前、后实时数据并保存，并保存有事件日志以供查询。

4.4 KM-2000监测装置特点

我公司研制的CXRD-DZ2000电能质量装置，采用DSP+ARM9为核心，DSP具有极强的数据处理能力用来完成数据的采集与计算，核心硬件处于国内先进水平。

ARM9用来进行数据的统计、显示、存储、按键、通讯和报警跳闸功能。采用WINCE5.0嵌入式实时操作系统作为软件平台，全部软件采用高级语言编程，保证了系统的高可靠性和高移植性。

数据采集部分采用8通道、同步采样的16位高速A/D转换器，采集精度高，实测精度达到电能质量监测指标国家标准的要求；

大容量的存储空间，满足电能质量监测装置对数据存储的要求，可保存一年以上的历史数据掉电不丢失。

采用了硬件锁相环技术，频率自动跟踪，防止了在电力系统频率变化时对监测指标的影响，防止了频率“泄漏”。

强大的通讯接口，装置配置了工业以太网，通讯速率高达100Mbps，还配置有RS232C、RS485、USB通讯接口，可选择多种通讯方式与远方管理中心交互数据；

核心硬件采用四层印刷电路板（PCB）工艺和SMT工艺，硬件可靠性和电磁兼容能力达到国内先进水平，达到了国标对电能质量监测装置的EMC的要求。

在监测功能方面，装置除具有常规的电能质量稳态指标的监测外，还对电能质量的暂态扰动，主要是电压的骤升、骤降进行监测和记录，具有较强的实用性。

4.5 KM-2000监测装置测量方法

1〕数据采集

TI公司32位高速DSP负责数据采集，采样率为25.6KHz，即每周波采样512点。核心器件A/D转换芯片采用16位、8通道、同步采样A/D转换器件，具有转换精度高，转换速