变电站电能质量监控系统设计论文_高丽

摘 要：电能质量数据是对电网治理的前提条件，同时对电能质量的监控系统的完善，故障分析能力的提高，监控范围的扩大是必要的的条件，关于配电网和变电站的电能质量监控问题具有焦点关注，因此本文研究变电站关键节点设备的多点检测技术的电能质量问题。基于DSP28335的基础，设计调节电路与电能质量参数。基与潮流谐波定位法，计算PQU 处的谐波功率极性，结合源侧多点检测值确定谐波的分布。建立了基于Modbus RTU协议的下位机和上位机通讯协议。

关键词：电能质量，监测，多点检测，Modbus，变电站

1 电能质量分析

1.1 谐波分析

随着矿热炉计算机技术、自动化技术、电力电子技术的飞速发展，不间断电源、变流装置以及可控硅整流电源在企业供配电系中大量使用，大大增加了供配电系统中的非线性负荷，从而引起供电电压波形畸变，给电网注入了大量谐波。

谐波对电力系统的影响主要为:使电力系统的无功功率损失;增加高压输电线路线损;引起继电保护装置误动等。对接入电力系统的设备的影响主要表现在:增大电能表等仪表的测量误差;使电机产生附加损耗、噪声、机械振动和谐波过电压等;变压器出现温升增加、出力下降，绝缘降低;对无线通信设备会产生电磁干扰。

1.2 电压波动问题

电压波动为电压方均根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。引起电压波动的原因有很多种，操作电气开关或系统发生短路故障等，但是，频繁并长时间电压波动是由冲击性波动负荷的工作状态变化引起的。波动性负荷功率因数低，无功变化量大，且功率变化时间很短，因此，在实际运行中，我们认为波动性负荷是引起供电电压波动的主要原因。

2 总体方案

为了满足多点测量的需要，本文应用多模块的应用设计，总体方案如图1所示。在DSP28335的基础之上，设计关于电压电流监测的调节电路。三相电压电流信号通过DSP自身的交直流转换端口收集信号。基于内部算法的计算分析得出电压、电流的谐波数据，分析电能质量的主要参数，例如：电流对称性，电压，总谐波含量，功率因数。电能质量计算结果连续写入指定的存储单元,通过Modbus RTU协议发送到上位机进行分析处理。

图1 总体方案图

3 软件设计

3.1 电能质量参数计算

关于变电站的衡量标准，普遍认为有电压平衡、电流平衡、功率因数、相位关系等。其中，最关键的是计算各谐波内容。采用FFT算法计算基波和主谐波含量在21次以下的情况。考虑到快速FFT计算完成信号全周期计算的要求，为了提高计算的实时性，降低离散FFT的计算复杂度，采用递归离散FFT算法。该算法的核心是每次使用最新的采样值进行计算。

若已知当前采样i之前的N个采样值，则对其进行递归推导，结合信号周期的特性可以得

5.1

5.2

由式可知，当FFT计算谐波含量时，只需要计算当前采样点，不需要同时计算N个采样点，从而减少了FFT的计算工作量。

3.2 电网同步信号采集

同步信号的采集是电能质量分析的基础。利用三相软件锁相原理，得到了电网的相位信息。根据坐标变换原理，当三相电压合成矢量大小不变时，其中的q轴分量U:在同步旋转坐标系中可以反映出d轴与电网电压U之间的相位关系。当Usq = 0时，电网电压。它和D轴是相的。通过控制Usq = 0，可以得到两者相同的相位。通过PI调节器得到0和u的差值。与参考频率。通过比较，通过积分得到锁相角B。其实现原理如图2所示

图2 电网同步信号设计

3.3 Modbus软件协议

硬件采用RS485网络建立主从多机通信系统，通过呼叫从机和应答从机进行通信。为了方便与力控等组态软件通信，下位机各模块采用Modbus RTU通信协议。通信协议中约定的格式如表1所示。

Modbus协议定义了主从设备的识别方法和指定的消息格式。考虑到计算的电能质量参数的准确性，数据通常为2字节。在通信协议中，需要定义每个电能质量参数的起始地址。为了防止通信错误，应用了CRC16检查。

表1 Modbus RTU通信协议格式

3.4多点检测与谐波源定位方法

电能质量检测的目的之一是确定谐波源，划分谐波责任。其谐波源可分为正向谐波源和反向谐波源。 Zs为某电能质量检测单元PQU的前效等效阻抗, Zc为其后向(用户侧)等效阻抗，故系统谐波阻抗Z=Zs+Zc=jX,X为总谐波电抗，PQU后向的谐波功率为:

　 4.3

式中，θ为Us超前电流I的相位，δ为系统侧与用户侧谐波源的相位差。当P出现正或负值时，表明谐波来自不同的方向。在确定谐波方向后，通过比较多点电能质量中谐波含量的值，可以进一步确定各谐波源的方向。

4 小结

为满足变电站等配网关键设备的电能质量监测要求，设计了基于DSP的下位机电能质量检测装置，应用迭代法FFT获取各次谐波参数，给出了电压相位同步跟踪的实现方法，利用Modbus RTU协议完成了基于RS485的多机多节点通信系统设计;在力控组态软件中实现了电能质量数据的采集与分析，为下一步服务于电网奠定了基础。

参考文献:

[1]张逸,林焱,吴丹岳.电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J].电力系统保护与控制，2015:43(2):138 -147.

[2]林海雪.电能质量指标的完善化及其展望[J].中国电机工程学报,2014:34(29) :5073 -5079.

论文作者:高丽

论文发表刊物:《中国电业》2019年9月18期

论文发表时间:2020/1/14

标签：谐波论文;  电能论文;  电压论文;  质量论文;  多点论文;  电网论文;  相位论文;  《中国电业》2019年9月18期论文;