智能配电网电能质量实时在线监测识别系统设计

次谐波，其在配电网中的谐波含有率的百分比可
以利用该谐波分量电压有效值 Uh 与系统基波分
量的有效值 U1 比值的百分数进行表示，即
HHRUh
=
Uh U1
× 100%
( 1)
式中 UHRUh———配电网系统中的 h 次谐波电压
含有率
配电网系统电压总畸变率为各次谐波分量有
效值的平方和的平方根与系统基波分量有效值间 的百分比。其表达式为
Uda = 槡3Usag cos α
式中
Uqa = － 槡3Usag sin α
( 5)
Uda( Uqa) ———配电网系统瞬时电压在 d 坐标
系( q 坐标系) 上的直流分量
α———瞬时 电 压 跌 落 过 程 中 的 相 位
跳变角
当电能在线监测识别系统采集到配电网系统
瞬时电压 d-q 坐标的直流分量值时，就能通过式
扈 斐( 1980—) ，男，从事配电线路及用电工作。
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·智能配电系统·
低压电器( 2012No． 3)
电力电子技术、计算机多任务同步分析处理 技术、现场总线控制技术，以及虚拟仪器技术等在 配电网系统中应用的不断完善，使得动态电能质 量数据信息采集、远程传输及集中智能化分析处 理等技术手段应用到配电网电能供用电自动管理 成为可能。在智能配电网动态电能质量监测系统 设计中，要求监控系统能够对区域配电网的谐波、 闪变及电压跌落等影响电能质量的动态指标进行 连续、实时、动态跟踪监测，进行智能运算分析和 调控，并实现供配电企业与电力用户间动态电能 质量监测数据的发布共享［2-4］。因此，结合配电网 动态电能监测的主要特征参量，构筑集特征变量 数据采集、测量分析及控制通信发布等功能为一 体的动态电能质量实时在线监测识别系统，对于 提高供电电能质量和电力企业需求侧智能营销服 务水平，保障配电网安全、可靠、节能、经济、智能、 高效运行等，具有非常重要的意义。
关键词: 智能配电网; 动态电能质量; 监测识别系统; DSP; ARM 中图分类号: TM 933． 4 文献标志码: B 文章编号: 1001-5531( 2012) 03-0024-05
冯 翔 ( 1979—) ， 男，工 程 师，研 究 方 向为 配 电 自 动 化、 输配电及用电智能 配电网。
( 4)
Usag ———配电网中某分支点发生电压跌落
后的稳定有效值
Uref ———该分支节点发生电压跌落前的正 常允许电压有效值
常规的电 压 跌 落 计 算 分 析 包 括 有 效 值 计 算
法、峰值电压法及分支节点基波分量法等。但上
述方法均基于跌落前后的特征变量，分析计算过
程存在一定延时性，不能为在线监测识别系统提
同电压等级配电网，其冲击负荷引起系统电压波
动允许值也有所不同。通常，按照配电网系统额
定电压的百分数进行限定，即对于不同电压等级
配电网系统而言，其允许电压波动百分点为10 kV
及以下为 2． 5 个; 35 ～ 110 kV 为 2． 0 个; 220 kV及
以上为 1． 6 个。
1． 3 电压跌落分量
1 配电网动态电能质量监测识别特 征参量
1． 1 谐波分量
配电网中大量非线性负荷电气设备的广泛使
用，必然会在系统中产生不同频率和幅值的运行
电压和电流，导致配电网基波电压和电流发生畸
变。这些不同频率和幅值的正弦波就成为配电网
谐波。通常，采用配电网中各次谐波含量和谐波 总量大小来衡量系统的畸变程度［5］。对于一个 h
( 5) 计算出电压跌落有效值和跌落过程中的相位
跳变角。
2 电能质量在线实时监测识别系统
结构
通过电能质量在线实时监测识别系统，将智 能配电网系统中重要监测点的电能数据信息通过 Internet 网络传输通道自动远程传送到配电网电
能质量控制管理中心，由系统后台数据库分析平 台集中分析计算和管理监测结果数据，形成直观 的图表等文件储存起来［7-9］。电力企业中各级相 关部门可通过对应的应用子系统，按照统一接口 规约对电能监测数据库进行点对点访问，实现电 能监测识别数据在标准协约应用子系统中的互通 共享功能。电能质量在线实时监测识别系统设计 结构如图 1 所示。
供实时电压跌落特征数据信息，从而降低了电能
智能监测系统运算分析的实时、可靠性。为了提
高电能在线监测识别系统运算分析的实时、可靠
性，文中采用系统瞬时电压 d-q 坐标分析法，并结
合低通滤波技术，获得系统电压在 d-q 坐标系中
的直流分量，分别为
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低压电器( 2012No． 3)
·智能配电系统·
Key words: intelligent distribution network; dynamic electrical energy quality; detection and identification system; DSP; ARM
0引言
随着工业控制领域向非线性、大规模、网络集 成化等控制方向发展，以集成电子元器件为控制 核心的控制系统对配电网系统动态电能供应质量 提出了更高的要求。系统中大型整流设备、变频 调速设备等非线性负荷容量的不断增多，对配电 网供电电能质量造成严重的污染，严重影响电力 企业供电电能综合服务质量水平。因此，采取先 进的技术措施，构筑完善的动态电能实时在线监 控和控制系统，成为供配电系统改善配电网供电
由于配电网系统中电力用户较为分散，如果 以电力用户单元作为监控点构筑电能质量监测识 别系统，整个系统将变得十分复杂，且所需采集到 的特征电参量数据信息十分繁多，很难实现对监 测数据的实时、动态分析，同时繁杂的数据也不便 相关调度人员制订实时、可靠的调度和运行计划 策略。因此，为了提高系统监测计算分析的实时、 可 靠性，以配电网中的变配电台 区 和重 要 电 力 用
图 1 电能质量在线实时监测识别系统设计结构
户作为监测点进行系统构筑。电能质量监测中心 通过 Internet 网接入变配电台区和重点监测谐波 用户的电能质量实时监测数据信息，及时了解配 电网的运行工况，通过 Internet 网向监测点发布 实时电价信息、用电量以及停电检修等用电信息， 提高电能营销智能、人性化服务水平。
电压跌落是指配电网系统中某分支点由于冲
击负荷等原因，导致工频电压有效值突然降低到
系统额定电压的 10% ～ 90% ，并随之在系统内部
自调节拖动下在 10 ～ 18 ms 短暂范围内恢复到系 统正常供电 状 态［6］。配 电 网 电 压 跌 落 幅 值通 常
用电压跌落深度指标表示。其表达式为
式中
Mf = Usag / Uref
低压电器( 2012No． 3)
·智能配电系统·
智能配电网电能质量实时在线 监测识别系统设计
冯 翔1 ，扈 斐2 ( 1．宁夏电力公司 吴忠供电局，宁夏 吴忠 751100;
2．宁夏石嘴山供电局，宁夏 石嘴山，753200)
摘 要: 介绍了动态电能质量监测识别过程中的谐波、电压波动和闪变、电压跌落 三个特征分量，构筑了以变配电台区和重点监测谐波用户作为监控点的配电网电能质 量实时在线监测识别系统。试验数据表明，所建立的动态电能质量实时在线监测识别 系统能够准确反映智能配电网电能质量的状况，满足智能配电网系统电能质量监测控 制需求。该系统可以为管理人员提供有针对性的数据信息，有效改善智能配电网电能 质量，提高电力企业电能营销综合服务水平和经济效益。
电能质量的 有 效 措 施［1］。常 规 的 供 电电能 参 数 检测控制系统主要以单片机、DSP 数据信号处理 器作为系统核心控制处理单元，没有有机结合配 电网系统的其他特征参量进行统一检测分析，功 能较为单一，只能实现对配电网中某些监控点的 供电电能质量的静态检测和分析。其在数据分析 准确性、可靠性、可扩容性，以及多设备、多参量动 态监测分析等方面均很难满足现代智能配电网电 能实时在线监测识别的需求，尤其是系统上、下位 机间的通信可靠性、冗余性、容错性分析等方面， 已成为配电网动态电能质量监测分析的瓶颈。
ห้องสมุดไป่ตู้
∞
槡Σ TTHDU =
U2h h = 2 × 100% U1
( 2)
同理，配电网中各次谐波电流含有率和系统
电流总畸变率与式( 1) 和式( 2) 相同，只是将其谐
波电压分量换成对应谐波电流分量即可。
1． 2 电压波动和闪变分量
配电网中，需求侧电力负荷容量的波动特性
必然会引起系统电压发生波动。通常利用电压波
3 系统监控单元节点设计
配电网系统中各监控终端节点均按冗余设计 原则，构筑 ARM + DSP 双 CPU 主、从处理系统方 案，其具体逻辑组成结构如图 2 所示。
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3． 1 监控终端单元节点硬件设计 图 2 中，DSP 数据处理单元模块主要负责对
监测和监控点供电电能模拟数据的采集，并进行 初步压缩处理; ARM 随机存取存储器单元模块主 要负责接收来自 DSP 模块向上传输的电能质量 数据信息，经网络传输进入到系统后台数据运算 分析和储存模块，动态监测系统运算处理速度的 快慢，以满足监控终端数据信息现场采集处理的 实时性要求。由于监控终端单元节点需要采集和 处理大量的电能质量原始数据信息，故 DSP 模块 选用 32 bit TMS320LF2407 定点处理器; 模数转换
在监控单元控制器和电能质量监管中心间， 可采用 TCP / IP 协议完成所采集到的电能质量数 据的传递和人机交互及上位机动态监控管理等功 能。监控终端与电能质量监管中心间网络系统软 件工作流程如图 3 所示。
Design of Real-Time Online Detection and Identification System of Electrical Energy Quality in Intelligent Power Distribution Network
FENG Xiang ( 1． Ningxia Wuzhong Electric Power Supply Bureau，Wuzhong 751100，China;
·智能配电系统·
低压电器( 2012No． 3)
图 2 监控单元节点系统组成方案
模块选用 AD73600 高性能 A / D 模块; 随机存取 存储器单元 ARM 部分主要集成了 AT91RM9200 微处理器、32 M 的 SDRAM 同步动态随机存储器 及 16 M 的 Flash 闪速存储器; 配置 RTL8201 网络 设备器通信网络接口。 3． 2 监控终端单元节点软件设计
2． Ningxia Shizuishan District Supply Bureau，Shizuishan 753200，China)
Abstract: The power distribution network voltage fluctuation and flicker，voltage sag，harmonies feature components were introduced，and a detection and identification system which uses the power distribution and key monitoring harmonic user as the monitoring and control points was built up． The examination results show that the detection and identification system can reflect intelligent power distribution network's electrical energy quality condition． This system can improve the electrical energy quality service level and enhance the economic efficiency．
动指标 d 来衡量配电网电压波动大小和快慢。其
表达式为
式中
d = Umax － Umin × 100%
( 3)
UN
Umax ，Umin ———配电网中电压方均根值曲线
上相邻两个极值电压的最大
值和最小值
UN ———配电网系统额定电压 配电网闪变分量是电压波动导致照明灯具灯
光发生闪烁，对人视觉产生直观的影响。对于不