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相關(guān)專(zhuān)題：
摘 要：直接影響用戶(hù)的電能質(zhì)量問(wèn)題主要出現(xiàn)在配電系統(tǒng)和低壓側(cè)，而目前的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是基于中高壓系統(tǒng)側(cè)來(lái)考慮的或者是簡(jiǎn)單的手持式監(jiān)測(cè)儀，均不能滿(mǎn)足普通用戶(hù)的監(jiān)測(cè)要求。本文分析了與普通用戶(hù)密切相關(guān)的電能質(zhì)量指標(biāo)，指出從墻上電源插座采集電壓信號(hào)，就可以完全掌握普通用戶(hù)的電能質(zhì)量狀況，在此基礎(chǔ)上提出了基于普通用戶(hù)側(cè)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的思路，探討了相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)方法。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)；普通用戶(hù)
0 引言
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是獲得電能質(zhì)量信息的直接途徑。以前，關(guān)注電能質(zhì)量問(wèn)題的主要是系統(tǒng)工程師以及相關(guān)的技術(shù)人員，然而隨著社會(huì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的低壓普通用戶(hù)開(kāi)始關(guān)注電能質(zhì)量問(wèn)題，如：IT行業(yè)公司關(guān)心其計(jì)算機(jī)服務(wù)器能否正常工作(若電壓幅值下降大于10％，持續(xù)時(shí)間大于0.1 s，其系統(tǒng)有可能紊亂)，而且直接影響用戶(hù)的電能質(zhì)量問(wèn)題主要出現(xiàn)在配電系統(tǒng)和低壓側(cè)[1]，因此有必要從普通用戶(hù)的角度，來(lái)重新認(rèn)識(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的相關(guān)技術(shù)和裝置。
目前的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置主要分兩大類(lèi)：分布式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及手持式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀。前者主要是基于系統(tǒng)側(cè)來(lái)考慮，分布于各個(gè)變電站和關(guān)鍵用戶(hù)接入點(diǎn)處的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)有機(jī)的整體，共同完成整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析[2,3]。這種監(jiān)測(cè)方式功能完備，可以完成整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)分析、諧波污染源的定位、暫態(tài)電壓質(zhì)量持續(xù)監(jiān)測(cè)等功能，但是成本高，缺乏靈活性。手持式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，如萊姆(LEM)、福祿克(FLUKE)等系列儀表，它們操作靈活方便，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)，但是無(wú)法完成數(shù)據(jù)的橫向比較以及統(tǒng)計(jì)性指標(biāo)的分析，特別是對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，不能滿(mǎn)足測(cè)量要求，必須發(fā)展新的監(jiān)測(cè)技術(shù)。
本文分析了與普通用戶(hù)密切相關(guān)的電能質(zhì)量指標(biāo)，在兼顧測(cè)量靈活性和功能完備性的基礎(chǔ)上，提出了基于網(wǎng)絡(luò)的普通用戶(hù)側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的思路，探討了相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)方法。
1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)分析
電能質(zhì)量問(wèn)題可以分為電壓質(zhì)量問(wèn)題和電流質(zhì)量問(wèn)題兩部分。實(shí)際供電過(guò)程中，系統(tǒng)可以控制的僅僅為用戶(hù)電壓，無(wú)法控制用戶(hù)汲取的電流量。因此與用戶(hù)密切相關(guān)的電能質(zhì)量指標(biāo)主要為電壓指標(biāo)，如：電壓波動(dòng)、閃變、電壓跌落、驟升、短時(shí)斷電等。電流質(zhì)量問(wèn)題主要為諧波問(wèn)題，它在一定程度上也可以在電壓諧波中得到反映。因此對(duì)于普通用戶(hù)而言，從墻上電源插座引入輸入量，僅僅采集相關(guān)的電壓信號(hào)，就可以完整的描敘其電能質(zhì)量狀況。
在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)用戶(hù)而言，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀可以假想為一個(gè)黑匣子，如圖 1，它具有的僅僅是一端輸入和一端輸出。輸入可以直接從墻上的普通電源插座采集電壓信號(hào)，輸出為一個(gè)以太網(wǎng)口和(或)一個(gè)RS232接口。這樣，用戶(hù)只需插上電源插座，然后就可以通過(guò)以太網(wǎng)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，或者通過(guò)RS232串口總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的本地監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)方式操作靈活方便，而且采用這種方式組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)是一種完全分布式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以很好的完成不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)橫向比較以及統(tǒng)計(jì)性指標(biāo)的分析。
2 基于用戶(hù)側(cè)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析
2.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)包括兩種方式：采用RS232串口總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的本地?cái)?shù)據(jù)傳輸以及基于以太網(wǎng)通信的遠(yuǎn)程點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)。
采用RS232 串口總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，適合現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)觀(guān)察。它成本低，僅僅需要一臺(tái)筆記本電腦或PC機(jī)與監(jiān)測(cè)單元相連，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，而且靈活方便，只要墻上有電源的地方就可以監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)由安裝在筆記本電腦或PC機(jī)的上層軟件包完成，它可以完成對(duì)本監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，但是缺乏不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的橫向分析。
基于以太網(wǎng)通信的遠(yuǎn)程點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，與基于RS232串口數(shù)據(jù)通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)類(lèi)似，它們的數(shù)據(jù)處理方式相同，只不過(guò)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌��；谝蕴W(wǎng)通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)更適合于遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，但是這種方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)性比較高，在以太網(wǎng)未普及的地方，這種方式的成本將大大的增加。
2.2 分布式以太網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
利用現(xiàn)有以太網(wǎng)(因特網(wǎng))的豐富資源，組建以太網(wǎng)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種低成本、高可靠性、快捷的技術(shù)方案。基于客戶(hù)/服務(wù)器模式的分布式以太網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，而且可以借助電能質(zhì)量分析服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)較高層次的數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。
在以太網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方式下，客戶(hù)端監(jiān)測(cè)單元軟件主要響應(yīng)遠(yuǎn)程服務(wù)器的命令，將帶有時(shí)間標(biāo)簽的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后上載到遠(yuǎn)程服務(wù)器端。
服務(wù)器系統(tǒng)包括主站控制服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和運(yùn)算分析服務(wù)器。主站控制服務(wù)器提供WWW方式的頁(yè)面瀏覽服務(wù)，可進(jìn)行用戶(hù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、用戶(hù)信息查詢(xún)以及反饋分析結(jié)果給用戶(hù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。各種計(jì)算軟件包在運(yùn)算分析服務(wù)器中運(yùn)行，它通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，獲得設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將計(jì)算結(jié)果反饋給主站控制服務(wù)器。
3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)要求
如圖1，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀內(nèi)部主要由四部分組成：輸入調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、以及電源模塊。
3.1 輸入調(diào)理模塊
輸入調(diào)理模塊的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)220V電壓信號(hào)的精確采集。傳統(tǒng)的電壓傳感器采用電磁型互感器，其設(shè)計(jì)時(shí)僅僅考慮精確傳遞50HZ的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，因此電磁型互感器二次側(cè)很難真實(shí)反應(yīng)一次側(cè)待測(cè)電壓電能質(zhì)量指標(biāo)。
基于霍爾原理的霍爾電壓傳感器克服了電磁型互感器只適用于50HZ工頻測(cè)量的缺點(diǎn)，它具有如下的特點(diǎn)[4]：
a. 可測(cè)量任意波形的電壓，可以對(duì)瞬態(tài)峰值參數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)量；
b. 精度高，在工作區(qū)內(nèi)優(yōu)于1％，而普通互感器精度一般為3％～5％；
c. 線(xiàn)性度優(yōu)于0.1％；
d. 動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，普通互感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般為10～20μs；
e. 工作頻帶寬，可在0～100kHz內(nèi)線(xiàn)性工作；
f. 過(guò)載能力強(qiáng)，可靠性高，不會(huì)因此發(fā)生爆炸或燒毀；
g. 尺寸小，重量輕，易于安裝。
如圖3，霍爾電壓傳感器只需外接正負(fù)直流電源，被測(cè)電壓母線(xiàn)只需接于原邊端子，然后在副邊端再作一些簡(jiǎn)單的連接即可完成主電路與控制電路的隔離檢測(cè)，電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。
3.2 數(shù)據(jù)處理模塊
為了精確測(cè)量電網(wǎng)中高次諧波值以及對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，必須保證較高的采樣頻率，在擾動(dòng)發(fā)生過(guò)程中(如：陡波前瞬態(tài)過(guò)電壓)采樣頻率要求達(dá)到兆級(jí)。傳統(tǒng)的51、80C196等單片機(jī)的指令周期最多能夠達(dá)到160ns，一條指令執(zhí)行時(shí)間最短為1μs，很難滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理的要求。
數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)的快速發(fā)展，為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理提供了理想的方案。高性能的數(shù)字信號(hào)處理器采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，指令運(yùn)行采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，其指令周期可以達(dá)到20～30ns，可以保證足夠高的采樣率，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的同步數(shù)據(jù)采集處理。
電力系統(tǒng)中高次諧波以及暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的要求非常高。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如果采用12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，僅僅因?yàn)锳D轉(zhuǎn)換精度不夠，對(duì)15次諧波而言至少會(huì)引起1.67％的誤差，而且在實(shí)際諧波測(cè)量中我們一般測(cè)到30次諧波以上，這樣產(chǎn)生的誤差影響會(huì)更大，高次諧波測(cè)量數(shù)據(jù)將沒(méi)有可信性。因此電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率至少應(yīng)保證為14位以上。
此外，在數(shù)據(jù)處理模塊中，必須具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(如Flash)、掉電不丟失數(shù)據(jù)RAM以及時(shí)鐘芯片(如DS12887)等，保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記憶以及墻上插座斷電狀態(tài)下供電可靠性指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。
3.3 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊
網(wǎng)絡(luò)通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)RS232通訊和以太網(wǎng)通訊兩部分功能。這兩種通訊方式可以組合使用也可以單選其一。RS232通訊是傳統(tǒng)的串口通訊方式，它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、應(yīng)用普及、成本低，在這里就不詳細(xì)介紹。
目前，利用現(xiàn)有以太網(wǎng)(因特網(wǎng))的豐富資源，組建以太網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)是一種低成本、高可靠性、快捷的技術(shù)方案，組建以太網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是以太網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)。結(jié)合本套系統(tǒng)的特點(diǎn)，它的組成方式可以采用以下兩種方式：
第一種是利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口芯片組成以太網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)。這種組合方式可以分為兩種情況[5，6]：?jiǎn)纹瑱C(jī)直接驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口芯片(如UM9003、RTL8019、RTL8029、DM9008等)和單片機(jī)驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)卡(如ISA總線(xiàn)網(wǎng)卡RTL8019AS、NOVEIL公司的NE2000網(wǎng)卡等)。它們的實(shí)質(zhì)是一樣的，只不過(guò)是單片機(jī)與以太網(wǎng)控制器接口方式不同罷了。采用這種方式靈活性很強(qiáng)、成本低，但是開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)、需要程序員較好的掌握網(wǎng)絡(luò)接口和TCP/IP等相關(guān)的通訊協(xié)議。
第二種是直接利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件協(xié)議棧芯片或者采用帶有硬件協(xié)議棧功能的高級(jí)單片機(jī)，然后通過(guò)內(nèi)置Modem來(lái)連接Internet。典型應(yīng)用有武漢力源公司開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)接口芯片webship PS2000以及PSM2000ACD網(wǎng)絡(luò)模塊、S7600ATCP/IP硬件協(xié)議棧芯片、UBICOM公司生產(chǎn)的SX系列單片機(jī)SX52BD100等等[7，8]。這種方式采用硬件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，大大的降低了軟件編程的難度，但是這種方案仍然具有開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)、成本較高的難度。
在基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，低成本、使用靈活是它普及的前提，因此結(jié)合本套系統(tǒng)的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的設(shè)計(jì)中建議使用第一種以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成方式，采用一片DSP芯片作為數(shù)據(jù)處理的主CPU，它可以直接驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口芯片，也可以采用一片普通單片機(jī)(如51系列等)通過(guò)雙口RAM與DSP實(shí)時(shí)通訊，然后由單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口芯片，如圖4所示。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，硬件協(xié)議棧芯片或者嵌入硬件協(xié)議棧功能的高級(jí)單片機(jī)技術(shù)的成熟和普及，采用第二種以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成方式將是未來(lái)的發(fā)展方向。
3.4 電源模塊
正常情況下，基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，從墻上的電源插座采集電壓信號(hào)，同時(shí)也輸入220V交流電源，為整個(gè)裝置的電源模塊供電。在突然斷電的情況下，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的工作性質(zhì)決定其必須正常工作。
因此，在本系統(tǒng)中，我們作了如下的設(shè)計(jì)：正常的情況下，電源模塊由220V交流電源供電；在突然斷電的情況下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電池繼續(xù)供電，同時(shí)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)入低耗狀態(tài)，僅僅進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，并不對(duì)外通訊；同時(shí)為了保證監(jiān)測(cè)儀在電壓跌落時(shí)可靠的工作，在數(shù)據(jù)處理模塊電源入口處，增加大容量電容進(jìn)行暫態(tài)電壓支撐。
4 上層軟件設(shè)計(jì)分析
基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀上層軟件，不僅要能夠完成大量快速的數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)具有友好的人機(jī)交互能力。在這里主要討論，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的PC機(jī)上層軟件包，具體的來(lái)將，它應(yīng)當(dāng)具有以下四部分功能：
a. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示
實(shí)時(shí)顯示電壓信號(hào)頻譜圖，以及基波幅值、諧波幅值、諧波總畸變率、頻率、電壓波動(dòng)值、短期閃變值、長(zhǎng)期閃變值、暫態(tài)過(guò)電壓峰值等指數(shù)。
b. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
計(jì)算指定時(shí)段的報(bào)表數(shù)據(jù)，如：諧波的復(fù)平均值、諧波最大值等；統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)的概率分布曲線(xiàn)和參數(shù)，如：電壓跌落和供電可靠性的統(tǒng)計(jì)指數(shù)值等。
c. 波形辨識(shí)功能
對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用小波分析、二次變換、傅立葉變換、有效值檢測(cè)以及人工智能等技術(shù)，完成擾動(dòng)的智能辨識(shí)分類(lèi)、諧波源的檢測(cè)與定位等功能，給用戶(hù)電能質(zhì)量指標(biāo)惡化提供合理的解釋和指導(dǎo)。
d. 數(shù)據(jù)記錄功能
完成不同時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理分類(lèi)，提供故障錄波功能，以及歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)功能。
5 結(jié)論
本文分析了與普通用戶(hù)密切相關(guān)的電能質(zhì)量指標(biāo)，指出從普通的墻上電源插座采集電壓信號(hào)，就可以完全掌握用戶(hù)的電能質(zhì)量狀況。在此基礎(chǔ)上提出了基于網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的思路，探討了監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)方法。這種監(jiān)測(cè)方式靈活，采用以太網(wǎng)方式組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)是一種完全分布式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它適應(yīng)現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)發(fā)展的新方向。但是這種監(jiān)測(cè)裝置的使用和普及將會(huì)受到相關(guān)電力政策的影響，比如電力市場(chǎng)的發(fā)展水平以及社會(huì)和電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的認(rèn)可等。
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Xu Huajie , Ming Jian . Realization of websever and network protocol stack based on SX Microprocessor Control Unit . Microcontrollers & Embedded Systems , 2001 , Vol.1 , No.11 , 5－9
摘自 北極星電技術(shù)網(wǎng)
