电能质量智能在线监测系统设计

时间：2024-07-28

季书文，杨文忠

(1.新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司，乌鲁木齐830025;2.新疆机电职业技术学院，乌鲁木齐830011)

1 引言

电能是一种电力部门向电力用户提供的由发、供、用三方面共同保证质量的特殊商品，与其它商品一样，应该保证其质量。随着工业化进程的高速发展，越来越多大功率、超大功率非线性负载和各类不同功率的电子设备投入使用，造成电力系统的严重污染，也影响到了电力用户的用电质量。近代科技进步促进了生产过程的自动化和智能化，对电能质量也提出了更高更新的要求。计算机等用电设备对系统干扰更加敏感，对电能质量的要求更高:高可靠性、高暂态稳定性、高可控性［1］。如一个计算中心失去电源2s就可能破坏几十小时的数据处理结果或造成上百万元的经济损失。而在大型机器制造厂，0.1s的电压暂降就有可能造成异常的生产状况和质量破坏。

为了更加严格有效的监管和治理各种大功率工业负载、非线性负载和电子设备对电力系统造成的各类污染，为电力用户提供高质量、高可靠性的供电服务，近年来，电力系统对配电网中的电能质量在线监测越来越关注，已成为智能电器研究的一个热门课题。

基于微处理器的智能系统具有强大的检测功能和通信功能，因而利用智能电器实现电能质量监测是很合适的方案，也是当前中低压智能电器的一个发展方向。

首先介绍了电能质量问题的内容和监控目的，随后介绍了一种基于智能电器的电能质量监测器的设计方案。

2 电能质量问题的内容及监控器的设计要求

电能质量问题可以分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。稳态电能质量问题主要包括电压波动、闪变及谐波等;暂态电能质量问题主要包括短时电压波动(分为电压凸起、电压凹陷和电压间断)和电磁暂态(分为脉冲暂态和振荡暂态)［2］。这些扰动如果不能及时监测和有效控制，会影响电网的运行并对用户端造成严重影响。

电压跌落或瞬间间断，会使异步电动机减速或停转，而当电压恢复时又会造成巨大的冲击电流;致使电磁式控制电器误动作或使计算机系统的数据丢失。

而电网中的高次谐波会使电源设备过热并降低用电设备的功率因数，谐波电压会造成绝缘电缆的介质击穿，使遥控设备误操作并造成计量误差。

三相电压不平衡会造成异步电机中三相绕组不平衡，使电流最大的一相绕组过热。

针对以上电能质量问题，电能质量在线监测器的设计应当具备以下功能:

(1)对三相电压、电流的实时监测。根据对电压、电流信号采样的结果i，实时计算电压、电流的有效值、三相电压、电流的不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数等，并进行稳态的谐波分析。

(2)实现时间记录、故障报警和故障波形跟踪记忆的功能。

(3)分析监测结果，提取电能质量的评估信息，为用户提供决策。

(4)通过通信网络传送监测到的工作现场电能质量信息，向更高层的企业信息分析和管理系统提供服务。

(5)就地实时显示监测和分析结果，以便现场操作人员及时了解电网的运行状况，在出现异常时能迅速做出决策。

为了实现上述目的，要求该系统具有以下性能:①满足实时性需求，必须具备很高的运行速度;②支持大计算量和复杂算法，必须具备强大的数字信号处理能力;③系统功能覆盖了从底层任务执行到高层应用，需要有足够的系统资源;④具备远程通信能力，为了实现人机交互，还必须具有键盘输入和信息显示能力［3］。

3 监测器的硬件设计

监测器硬件整体结构图如图1所示。

图1 电能质量监测器硬件整体结构图

硬件整体结构采用按功能划分模块，各模块相对独立的设计原则。按照被测电压、电流从输入、被处理并根据处理结果实现显示、操作、数据通信等功能的流程，监测器硬件分为模拟量输入通道、数据处理与控制、开关量输出、人机交互、通信和电源6个模块。

各模块的功能和选型方案如下:

(1)数据处理与控制模块

用于完成对各种模拟量的采集控制、计算、显示和通信等功能，是电能质量监测器的核心，实质上是一个微型计算机系统。由于电能质量监测器对运算速度要求较高，处理器件选用DSP芯片TMS320LF2407A。

(2)模拟量输入通道

实现电能质量监测器的电压和电流型号的采集功能。考虑到支持三相四线制或者三相三线制的母线，加之还可能需要测量到中线电压、中线电流，以及接地保护电流，因此需选择具有8路以上模拟通道的A/D转换器。这里选择MAX125 8路14位A/D转换器，完成数据采集功能。

(3)开关量输入输出模块

为方便使用中遇到的一些开关控制，装置要具有继电器驱动功能。这要求装置具备多路开关输入/输出通道，这里主要通过DSP的I/O来实现。

(4)通信模块

电能质量监测器要能服务于更高层的企业信息分析和管理系统，需要配置通信模块与相应的网络连接，为这些系统提供必要的数据。本监控器要求具备RS-422接口，通信协议采用自定义协议。

(5)人机交互模块

人机交互是装置设计中的重要部分，装置的管理、测量分析结果、报警和事件记录的显示等都要通过人机交互来完成。功能强大、操作简单的人机交互模式也是智能电器发展的一项基本要求。显示器采用128×64的图形点阵式LCD，键盘为3×3布置，通过软件实现菜单式的人机交互模式。

(6)其它硬件资源配置

监测器还需要配置其它硬件资源。包括系统监控复位(Watchdog)，实时时钟(Real-Time Clock)，非易失性RAM或可在线读/写的串行 EEPROM。此外，为满足DSP程序和处理算法的要求，还需要为功率代码和数据分别配置32×16KB以上的ROM和32×16KB以上的RAM。

4 监测器软件设计

系统选择嵌入式系统软件的设计模式，即基于实时多任务操作系统的设计思想进行软件开发。根据对任务处理的分析，确定采用占先式任务调度机制的实时任务操作系统。考虑到监测器的硬件配置、使用的处理器性能及设计成本等因素，选择源代码开放的μC/OS-Ⅱ作为软件的开发和运行平台。

4.1 操作系统的设计

μC/OS-Ⅱ内核在综合性能上接近VxWorks的Wind内核，具有实时性好、可靠性高、功能完备、可维护性好等优点，而且其源代码开放，可以免费使用，但是直接作为软件的运行平台，还需要根据监测器中处理器的性能和硬件资源，对其内核进行裁剪和移植。

(1)裁剪

裁剪的目的是在满足功能要求的前提下，减少μC/OS-Ⅱ占用的CPU和存储资源。裁剪包括3方面的内容。①删除μC/OS-Ⅱ源码中监测器不用的变量和函数，以及相关函数中不实用的语句;②减少任务切换的状态数目;③减少μC/OS-Ⅱ的程序、数据和堆栈占用的内存空间，将其可调度的任务数压缩到16个，以便节省μC/OS-Ⅱ自身运行时占用的硬件资源。

裁剪后的 μC/OS-Ⅱ代码只占用2.6KB的ROM空间，运行时占用的CPU资源减少了30%，不但保证了所设计的监控器硬件资源能支持由μC/OS-Ⅱ调度的软件可靠运行，满足装置的功能需求，而且大幅提高了整个装置的实时性。

(2)移植

所谓移植，就是使μC/OS-Ⅱ的实时内核能在某个微处理器或者控制器上运行。为了方便移植，μC/OS-Ⅱ的大部分代码都用C语言编写，但读/写处理器寄存器和堆栈操作的代码只能用汇编语言编写，所以那些与处理器相关的代码需要用C语言和汇编语言混合编写。这样，移植时只要对代码中涉及具体硬件的部分稍作修改，就可将μC/OS-Ⅱ用于选定的处理器。