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，人們在電力系統(tǒng)的特殊點處裝設(shè)電能質(zhì)量檢測設(shè)備來檢測電能質(zhì)量的各個參數(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。

如今，隨著計算機(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)測技術(shù)必然會走上設(shè)備智能化、電網(wǎng)自動化技術(shù)、計算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和在線監(jiān)測相結(jié)合的道路?？梢赃@樣講，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測設(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)展的熱點和重點。

在現(xiàn)實生活中，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展變電所實現(xiàn)光纖通信#給電能質(zhì)量監(jiān)測網(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，（如兩線制）電纜連接各分布節(jié)點使接線的成本顯著下降，且方便了安裝和維護(hù)監(jiān)測雖然仍在被測信號源節(jié)點進(jìn)行，但通信網(wǎng)絡(luò)中傳送的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號而不是模擬信號，這樣基本上不存在噪音干擾問題。同時，在網(wǎng)絡(luò)中可以通過WEB技術(shù)、分層、分級、分權(quán)限地對電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行分析和管理。各監(jiān)測點通過定時或召喚的方式將數(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)實現(xiàn)的，需要在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加一些節(jié)點:網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點GGSN(GatewayGPRSSupportingNode)、服務(wù)GPRS支持節(jié)點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)，按流量計費)等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)構(gòu)成特點

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的GPRS無線通信技術(shù)、計算機(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)測系統(tǒng)平臺系統(tǒng)分為監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控分站兩個部分: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)實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程通信,實現(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)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控中心服務(wù)器基本功能:

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

(2)對遠(yuǎn)程監(jiān)控分站進(jìn)行監(jiān)控，對各分站的緊急報警進(jìn)行處理，對各分站進(jìn)行各項設(shè)置；

(3)管理數(shù)據(jù)庫，并能夠?qū)崟r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)造了一個企業(yè)內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò),可以根據(jù)各個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)行對監(jiān)控中心服務(wù)器的訪問，在企業(yè)內(nèi)部隨時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)器提供了一個強大的數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫，可以不斷的接收和存儲來自監(jiān)控分站采集上來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，另一個很大的作用就是可以讓我們隨時查詢存儲在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總等，為對電網(wǎng)的控制提供依據(jù)。

2 硬件設(shè)計

電能質(zhì)量監(jiān)測儀硬件系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。電能質(zhì)量監(jiān)測儀在運行過程中需要快速處理大量數(shù)據(jù)，定點型DSP處理數(shù)據(jù)時要時刻關(guān)注溢出的發(fā)生，它會耗費程序空間與執(zhí)行時間，因此選用浮點型DSPTMS320C6713。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測儀的功能框圖

在測量過程中，特別是在閃的測量過程中，大量的數(shù)據(jù)需要臨時存儲，因此系統(tǒng)擴(kuò)展了一片SDRAM存儲器。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)計了一個可編程邏輯器件XC95144實現(xiàn)IO口擴(kuò)展、地址譯碼、接口及時序匹配、輸入輸出信號緩沖等功能。

考慮現(xiàn)場測量時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)計為八通道輸入，即可以滿足Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc、U08個回路同時輸入。為降低造價，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DFT是在頻率區(qū)間[0，2π]上對信號的頻譜進(jìn)行N點等間隔采樣，而采樣點之間的頻譜函數(shù)值是不知道的。這就好像從（N＋1）個柵欄縫隙中觀看信號的頻譜情況，僅得到N個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，由于實際信號的各次諧波分量并不能正好落在頻率分辨點上，而是落在某2個頻率分辨點之間，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)行諧波分析時有可能漏掉（擋?。┐蟮念l率分量。本分析儀通過硬件測頻，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)量的一項指標(biāo)，同時達(dá)到測量頻率指標(biāo)的效果。

測頻電路如圖3所示，通過施密特觸發(fā)器將正弦的電壓信號轉(zhuǎn)換為矩形信號，在每次信號由負(fù)變?yōu)檎龝r觸發(fā)DSP定時器計時，從而得到信號的頻率。

圖3 測頻電路

3 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控分站對現(xiàn)場的交流電壓電流等信號進(jìn)行采集、處理并在LCD上實時顯示測試結(jié)果,工作過程中可通過鍵盤對有關(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)控分站啟動后，測控系統(tǒng)就按照預(yù)先制定的軟硬件流程工作，同時將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)場操作時，可以利用鍵盤和LCD對內(nèi)存中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試和必要的修改。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，從而實現(xiàn)與監(jiān)控分站的通信。之后就可以對各個監(jiān)控分站進(jìn)行集中的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)視。并可監(jiān)控中心對系統(tǒng)運行中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和存儲，從而對整個系統(tǒng)的運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)實時采集現(xiàn)場電網(wǎng)的電壓和電流信號，對信號進(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，供電電壓范圍比較寬，電流消耗比較小等特點；它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，大大簡化了通訊的難度，開發(fā)者不需要自己實現(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，將每個功能模塊設(shè)計為獨立的程序塊，這樣不僅便于程序的調(diào)試，而且有利于實現(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模塊組成。

本儀器采用IEC的閃變測量方法，其測試原理如圖5所示，框二到框四是對燈—眼—腦環(huán)節(jié)的模擬?？蚨M燈的作用，用平方檢測方法從工頻電壓波動中解調(diào)出反映電壓波動的調(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)對視覺反映的非線性和記憶效應(yīng)。

圖5 IEC閃變測試原理框圖

閃變測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，這里對高通濾波前的信號補償負(fù)的直流分量，直流大小為電網(wǎng)電壓有效值的平方，直流補償后效果如圖7所示。

圖6 含大量直流分量時高通濾波器的收斂時間

圖7 去直流后高通濾波器的收斂時間

人眼對不同頻率的電壓波動敏感度是不一樣的，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ΔV/產(chǎn)生同樣視感度的f正弦電壓波動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K(f)的逼近

圖8可以看出在低頻端誤差較大，所以對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K(f)的逼近

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