北極星電力軟件網(wǎng)訊:電能質(zhì)量與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和人民日常生活有著密切的關(guān)系和重要意義。電能作為一種商品，具有它本身的特殊性，電能的生產(chǎn)和消費(fèi)必須同時(shí)進(jìn)行，且電能的生產(chǎn)、傳輸和使用設(shè)備必須緊密地連接在同一電網(wǎng)上。因此，作為電力部門的產(chǎn)品——電能的質(zhì)量，不僅與電力部門有關(guān)，而且與成千上萬(wàn)的電力用戶有關(guān)。

電能的質(zhì)量，通常以供電電壓的頻率、偏移、波動(dòng)、閃變、間斷、塌陷、尖峰、諧波畸變、三相不平衡度和高頻干擾等項(xiàng)指標(biāo)來(lái)表征。電能的質(zhì)量，不僅取決于發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng)本身，現(xiàn)代工業(yè)化的迅速發(fā)展，接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷，也會(huì)明顯地干擾或降低配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。要保證公用電網(wǎng)中電能的質(zhì)量，必須由電力生產(chǎn)部門和接入電網(wǎng)中的廣大電力用戶來(lái)共同努力。為了保障供用電雙方的合法權(quán)益，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，維護(hù)電氣安全使用環(huán)境，必須加強(qiáng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)管理。

連續(xù)收集、記錄、存儲(chǔ)電能質(zhì)量的信息，可以幫助供電公司在規(guī)劃中正確地改善供用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及合理地?cái)U(kuò)大系統(tǒng)的容量和確定投資水平。

供電公司和工業(yè)用戶都已建立起相當(dāng)規(guī)模的供用電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和設(shè)施，當(dāng)供用電系統(tǒng)發(fā)生故障或被損壞，需要更換的情況下，無(wú)論供電公司或工業(yè)用戶都要承擔(dān)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的新技術(shù)——全過(guò)程監(jiān)測(cè)的出現(xiàn)，使電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的意義賦予了新的內(nèi)容。通過(guò)全部時(shí)間內(nèi)連續(xù)的跟蹤監(jiān)測(cè)，建立起表征電能質(zhì)量的，真正有用的數(shù)據(jù)庫(kù)，在供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備運(yùn)行失效之前，捕獲到其早期的故障信息，以便在毀滅性打擊之前，提醒人們對(duì)供、用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和預(yù)防檢修。

1全過(guò)程監(jiān)測(cè)

1.1全過(guò)程監(jiān)測(cè)的必要性

已有的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀品種雖然較多，但所記錄的數(shù)據(jù)只能是局部和片面的，真正有用的信息往往難于捕獲到。例如，1997年7月2日夜，天津某公司大型電弧爐配套用的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(下稱靜補(bǔ))發(fā)生TCR電抗器閃絡(luò)和三次濾波器燒毀個(gè)別電容器的故障。7月20日晨，該套靜補(bǔ)裝置又發(fā)生了更大的故障，該公司被迫停產(chǎn)，停產(chǎn)期間產(chǎn)值損失達(dá)4億5百萬(wàn)元。事故后華北電力科學(xué)研究院迅速派員參與研究分析，提出了靜補(bǔ)裝置在修復(fù)期間保證電弧爐能迅速恢復(fù)生產(chǎn)的具體措施。經(jīng)過(guò)3個(gè)月的運(yùn)行，證明所采取的措施正確有效。靜補(bǔ)裝置雖已恢復(fù)正常運(yùn)行，但在事故中毀壞嚴(yán)重，事故原因至今不明。如果進(jìn)行電能質(zhì)量全過(guò)程監(jiān)測(cè)，把有用的信息記錄下來(lái)，經(jīng)過(guò)綜合、對(duì)比和分析，在這些配用電設(shè)備運(yùn)行失效之前，捕獲到其早期的故障信息，及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和提前檢修，有可能避免這兩次事故的發(fā)生。

要把監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的各種儀器同時(shí)安裝在一起使用，不僅費(fèi)用昂貴，而且在時(shí)間和空間上也是有困難的。本文提出的全過(guò)程監(jiān)測(cè)新技術(shù)，可以解決這一問(wèn)題。全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀能夠提供電能質(zhì)量全方位各種參數(shù)的綜合測(cè)量，與以往各種形式的監(jiān)測(cè)儀相比，所需費(fèi)用較低。另外，全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀能不斷自行調(diào)節(jié)門檻閾值電平，以便使記錄事件的捕獲速率與存儲(chǔ)器容量相匹配，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程監(jiān)測(cè)和記錄。

1.2全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀的主要特征

1.2.1測(cè)量寬度

全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀具有測(cè)量電能質(zhì)量全面指標(biāo)的能力，其中包括，電壓和電流有效值、阻抗，與電力消耗有關(guān)的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、位移因數(shù)、最大需量、電能以及電壓偏移、電壓頻率。對(duì)于暫態(tài)干擾能夠監(jiān)測(cè)下列3種事件：

Ⅰ類事件：在0.5 ms～10 ms之間的電壓瞬變;Ⅱ類事件：在10 ms～2 s之間的電壓干擾; Ⅲ類事件：大于2 s的有效值電壓事件，如下陷、隆起和中斷等。

全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀還能監(jiān)測(cè)三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變，系統(tǒng)中接地回路電流、母線電壓和線路電流的各次諧波分量幅值和相位，總諧波畸變率(THD)和諧波功率流向。

1.2.2測(cè)量深度

全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀采用高速數(shù)字信號(hào)處理器，在每一個(gè)基波周期中可以測(cè)量各種有效值以及基于同一周期的其他各項(xiàng)參數(shù)，逐周期地測(cè)量，連續(xù)記錄存儲(chǔ)，不丟失數(shù)據(jù)。對(duì)于電壓和電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、最大需求功率、真功率因數(shù)、位移功率因數(shù)、總失真度，三相不平衡度、頻率、波動(dòng)和閃變等參數(shù)，可獲得長(zhǎng)時(shí)間累積圖。所記錄的數(shù)據(jù)，主要以電子文件方式輸出(包括文本形式和圖象形式)，故而提供了以各種有效途徑交流信息的機(jī)會(huì)。全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀可方便地以電力容差曲線為背景作出各種事件的記錄。工作人員可以快速而且容易地按事件發(fā)生的時(shí)間或性質(zhì)，在已記錄的圖象中找出所要的事件。全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀具有監(jiān)測(cè)參數(shù)閾值的自適應(yīng)功能，門檻電平可根據(jù)事件活動(dòng)出現(xiàn)的幾率不斷地自行調(diào)整，無(wú)需工作人員干預(yù)，即可保證監(jiān)測(cè)儀在監(jiān)測(cè)期間能捕捉到最需要的事件。數(shù)據(jù)的收集和分析，報(bào)告的編寫可以由全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀的輪詢軟件等來(lái)完成。

全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀所獲得的數(shù)據(jù)，可以形成各種參數(shù)指標(biāo)的、完整的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)將過(guò)去的數(shù)據(jù)與現(xiàn)在的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可預(yù)見(jiàn)事故可能發(fā)生的時(shí)間，對(duì)已變質(zhì)的供用電設(shè)備狀況預(yù)先報(bào)警，在設(shè)備損壞之前，進(jìn)行調(diào)整和檢修，即預(yù)防檢修。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在已有的配電站設(shè)計(jì)中，用于開(kāi)關(guān)柜的安裝式儀表傳統(tǒng)設(shè)計(jì)只提供電能消耗和有效值的參數(shù)，沒(méi)有表征電能質(zhì)量或諧波的表計(jì)。現(xiàn)有的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，雖然測(cè)量?jī)x器與計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備(如鍵盤、磁盤驅(qū)動(dòng)器和CRT等)結(jié)合起來(lái)了，但沒(méi)能成功地利用目前遍布于國(guó)家機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、金融和商業(yè)系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)網(wǎng)的特點(diǎn)，來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的傳輸、整理、分析，以及報(bào)告的編寫。電能質(zhì)量全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀能綜合監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的各方面指標(biāo)，而且緊密地與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連接，充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)的作用，可以經(jīng)濟(jì)方便地安裝在供電公司的變電站或者用戶配電站中。用以太網(wǎng)能夠連接安裝在供電區(qū)和用戶基地上的關(guān)鍵位置的各臺(tái)監(jiān)測(cè)儀。如果監(jiān)測(cè)儀安裝在較遠(yuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，可以通過(guò)電話線和調(diào)制解調(diào)器來(lái)通訊聯(lián)系。全過(guò)程監(jiān)測(cè)儀的原理方框圖如圖1所示。

每臺(tái)監(jiān)測(cè)儀具有4個(gè)電壓測(cè)量通道和5個(gè)電流測(cè)量通道。4個(gè)電壓通道可以監(jiān)測(cè)母線三相電壓和中性點(diǎn)電壓;5個(gè)電流通道可以監(jiān)測(cè)線路三相電流、中線及地線的電流。如圖1中所示，被測(cè)信號(hào)被衰減后，經(jīng)濾波器分離為高于3.4 kHz的高頻分量和低于3.4 kHz的低頻分量。在低頻信號(hào)通道中，為保證每個(gè)周期中正好提供128個(gè)采樣點(diǎn)，使用一個(gè)同步脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生采樣同步脈沖，以6.4 kHz的頻率，送至各個(gè)通道中的采樣—保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器。被測(cè)信號(hào)經(jīng)采樣—保持后進(jìn)行14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)。數(shù)字化的被測(cè)信號(hào)被送進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行快速付立葉變換(FFT)，在100μs中計(jì)算出63次諧波分量的幅值和相位。每一個(gè)基波周期中反復(fù)進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，低頻信號(hào)通道最高能測(cè)信號(hào)峰值1 000V，具有90 mV的分辨率。其他的參數(shù)，例如電壓和電流的有效值、有功功率、視在功率、無(wú)功功率、真功率因數(shù)、位移功率因數(shù)、總畸變率等，均在每一個(gè)周期中同時(shí)算出。被記錄的這些參數(shù)以一個(gè)周期的分辨率提供了長(zhǎng)時(shí)間的累積圖。按周期累積起來(lái)的數(shù)據(jù)可以清楚地顯示出一個(gè)周期的最大值和最小值，以及該時(shí)間段中的平均值。同時(shí)還可算出三相不平衡度、電壓偏差率、電壓波動(dòng)和閃變。在高頻分量的通道中，被測(cè)信號(hào)進(jìn)入一個(gè)10位、4 MHz的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該通道主要用于瞬變高速脈沖的捕獲，可測(cè)量的最大信號(hào)電壓峰值為8.4 kV，分辨率為12 V。

該監(jiān)測(cè)儀主板上使用一個(gè)386微處理器和一個(gè)387協(xié)處理器，帶有4 MBRAM。另外內(nèi)置一個(gè)540 MB硬盤驅(qū)動(dòng)器，用于存儲(chǔ)記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)儀備有一個(gè)并行口和一個(gè)串行口，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)或電話線下載到個(gè)人計(jì)算機(jī)。在監(jiān)測(cè)儀中，所記錄存儲(chǔ)的各類數(shù)據(jù)，已經(jīng)作了各種必要的整理，因此下載的時(shí)間短。基于Windows應(yīng)用軟件駐留在個(gè)人計(jì)算機(jī)中，可以隨時(shí)控制數(shù)據(jù)下載。通過(guò)操作軟件鍵，工作人員可方便地觀察所記錄的事件波形，諧波頻譜，對(duì)于電壓和電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、最大需求量、功率因數(shù)以及總失真度、三相不平衡度、系統(tǒng)頻率和閃變等，可以觀察其長(zhǎng)時(shí)間(一日、一周或一月)的累積圖。

監(jiān)測(cè)儀記錄存儲(chǔ)的電能質(zhì)量事件的詳細(xì)內(nèi)容取決于采樣和A/D轉(zhuǎn)換的速率。對(duì)于供配電系統(tǒng)中功率因數(shù)補(bǔ)償電容器的合閘和開(kāi)斷瞬變過(guò)程的記錄，低頻分量通道中6.4 kHz的采樣速率較為合適。對(duì)于發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部的由電機(jī)和其他負(fù)載的投入和切斷所引起的高速脈沖，可采用高頻分量通道中具有4 MHz的高速采樣速率，捕獲低于250 ns寬度脈沖的具體形狀，可以幫助用戶診斷脈沖產(chǎn)生的原因，從而選擇適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。