低壓配電網(wǎng)三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試運行

孟慶宇

（吉林省金冠電氣股份有限公司，吉林 長春）

三相電壓不平衡與電網(wǎng)諧波、電壓閃變等是造成電能質(zhì)量下降的常見因素。為了提高供電質(zhì)量，電力公司必須要密切監(jiān)測配電網(wǎng)中的三相不平衡度。在智慧電網(wǎng)廣泛普及的背景下，設(shè)計和應(yīng)用一種適用于低壓配電網(wǎng)，并且能夠滿足動態(tài)監(jiān)測、結(jié)果準(zhǔn)確等要求的三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)，對提高電能質(zhì)量、降低負(fù)載過載等方面有良好效果。

1 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的三相不平衡檢測系統(tǒng)硬件部分主要包括信號調(diào)理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及無線通信模塊4 部分。三相電壓信號（U）經(jīng)過限流電阻后轉(zhuǎn)化成電流信號，然后經(jīng)過電壓互感器（PT）及其輔助電路的處理，使電流信號重新變?yōu)榉递^小的電壓信號。對該電壓信號進(jìn)行抗混疊濾波處理以及交直流轉(zhuǎn)換處理后，得到能夠被數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADS8364）識別電壓信號。三相電流信號（I）經(jīng)過第一級電流互感器（CT）后轉(zhuǎn)化為幅值較小的電流，再通過第二級CT 及其輔助電路，以及抗混疊濾波電路等處理后，成為能夠被ADS8364 識別的電壓信號。ADS8364 將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊（TMS320F2812），完成數(shù)據(jù)計算、分析后得出三相不平衡度。利用無線通信模塊（EM310）將三相不平衡度發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，從而實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)三相不平衡度情況的實時監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成如圖1 所示。

圖1 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

1.2 信號調(diào)理模塊的設(shè)計

考慮到低壓配電網(wǎng)中的電壓、電流信號無法直接輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，因此在本系統(tǒng)中設(shè)計了信號條例模塊，該模塊的核心元件是電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）。這里以SPT204A 型電壓互感器為例，概述信號調(diào)理模塊的設(shè)計思路。SPT204A 的電氣參數(shù)見表1。

表1 SPT204A 的電氣參數(shù)

電壓信號從JP4 接口分兩路傳入，其中一路直接連接SPT204A 的1 號串口，另一路在串聯(lián)1 個限流電阻后連接SPT204A 的3 號串口，其目的是保證電壓互感器的輸入信號為額定電流。在SPT204A 的副邊側(cè)設(shè)計一個運算放大電路，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。通過改變限流電阻的組織，可以調(diào)節(jié)輸出電壓信號的峰值，確保經(jīng)過調(diào)理后的電壓信號能夠被數(shù)模轉(zhuǎn)換器正常識別[1]。本文選用的SPT204A 電壓互感器具有精度高、密封性好等特點，可以滿足多種場合的信號調(diào)理要求。

抗混疊濾波電路和交直流轉(zhuǎn)換電路也是信號調(diào)理模塊的重要組成部分，前者可用于抑制、消除電網(wǎng)中的高次諧波，設(shè)計二階低通抗混疊濾波電路實現(xiàn)該功能；后者則是將幅值較小的交流電壓信號轉(zhuǎn)換成單極性直流信號，以便于ADS8364 能夠準(zhǔn)確識別。

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)處理模塊的核心設(shè)備是DSP 處理器，可以對ADS8364 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與分析。鑒于前端采集到的數(shù)據(jù)量較大，要求DSP 處理器具有極快的運算速度，本文選用TI 公司研發(fā)的TMS320F2812 定點型DSP，每秒運算次數(shù)可達(dá)8000 萬次。該處理器CPU 主頻為180 MHz，時鐘周期8.2 ns，內(nèi)置16 位256KB 的Flash 以及16 位32KB 的RAM，擁有12 個通信接口，可滿足串行通信、局域網(wǎng)通信、外部存儲等數(shù)據(jù)傳輸需要。DSP 處理器的工作電壓為3.3 V，而三相不平衡監(jiān)測裝置中其他電子元件（如ADS8364 等）的工作電壓為5 V，為了防止DSP 處理器發(fā)生過壓損壞情況，本文在數(shù)據(jù)處理模塊中設(shè)計了穩(wěn)壓電路，該電路的核心零件是LM1085 穩(wěn)壓芯片，可以將輸入的5.0 V 電壓降低為3.3 V 電壓，穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 3.3 V 穩(wěn)壓電路

DSP 處理器的常用復(fù)位方式有2 種，即軟件復(fù)位、硬件復(fù)位。本文選擇了可靠性更高的硬件復(fù)位。裝置上電后，判斷電容兩端是否為“高電平”，如果判斷為“是”，則裝置上電并完成自動復(fù)位；如果裝置出現(xiàn)死機(jī)情況無法完成自動復(fù)位，可采用手動按鍵復(fù)位[2]。

1.4 無線通信模塊的設(shè)計

三相不平衡監(jiān)測裝置在運行時，前端數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備之間頻繁進(jìn)行通信，通信狀況的好壞是決定該裝置性能的一個關(guān)鍵因素。鑒于低壓配電網(wǎng)中監(jiān)測點的分布零散，有線通信會導(dǎo)致成本的增加，因此本文在設(shè)計通信模塊時選擇了通信速度不低于20 KB/s 的GPRS 無線通信。在硬件方面，選用了華為公司研發(fā)的EM310 作為通信裝置，其優(yōu)點是內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，無需另外編寫TCP/IP 協(xié)議；可以利用485 接口直接與MCU 等進(jìn)行通信，降低了開發(fā)難度。GPRS 的通訊原理如圖3 所示。

圖3 GPRS 通訊原理

基于EM310 的GPRS 組網(wǎng)方案有多種，例如以固定IP 方式入網(wǎng)、以動態(tài)IP+DNS 方式入網(wǎng)，以及以APN 專線方式入網(wǎng)等。本文基于通信可靠性、經(jīng)濟(jì)性價比等方面考慮，選擇了以固定公網(wǎng)IP 的方式將本地服務(wù)器接入Internet，實現(xiàn)監(jiān)測裝置與服務(wù)器之間的無線通信。

2 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 無線通信模塊的驅(qū)動程序設(shè)計

該程序可實現(xiàn)兩項功能：其一是初始化EM310，并在本地服務(wù)器與EM310 之間建立通信；其二是檢測到服務(wù)器斷開鏈接，或者是數(shù)據(jù)未成功發(fā)送時，使設(shè)備復(fù)位，并嘗試在設(shè)備與服務(wù)器之間再次建立通信。直到通信建立，自動結(jié)束本次程序[3]。這里以DSP處理器與EM310 之間的通信為例，驅(qū)動該程序設(shè)計如下：

開放DSP 內(nèi)置SCI 串行通信接口，利用該接口讓DSP 處理器與EM310 建立連接。配置SCI，將波特率設(shè)置為9600，中斷級別設(shè)置為5，使能FIFO 接收中斷。SCI 配置完畢后，復(fù)位EM310 并取消回顯，將數(shù)據(jù)模式設(shè)置為“不進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)換”。成功激活PDP 后，使TCP/IP 協(xié)議棧初始化，完成與目標(biāo)IP 的鏈接，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先識別數(shù)據(jù)類型，如果為整型則將其轉(zhuǎn)換成字符型。例如接收數(shù)據(jù)為“1234”，則轉(zhuǎn)換為“0x31,0x32,0x33,0x34”。然后發(fā)送至本地服務(wù)器，在服務(wù)器上動態(tài)執(zhí)行一個判斷語句“是否發(fā)送成功”，默認(rèn)刷新時間為10 ms。如果判斷結(jié)果為“是”，則結(jié)束本次通信，并繼續(xù)等待接收新的數(shù)據(jù)；如果判斷結(jié)果為“否”，則重新復(fù)位EM310。

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的驅(qū)動程序設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序如圖4 所示。

圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換流程

利用DSP 處理器內(nèi)置的GPIO 口向ADS8364 發(fā)送一個復(fù)位信號；在接收該信號后，事件管理器（EVA）為ADS8364 提供時鐘脈沖，利用CPU 定時器終端為ADS8364 提供采樣脈沖。將前端采集的模擬信號成功轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，將EOC 引腳的狀態(tài)從“高電平”轉(zhuǎn)換為“低電平”，同時觸發(fā)DSP 處理器的外部中斷（由0 變?yōu)?），并運行中斷處理子程序，正常讀取數(shù)字信號。每當(dāng)采樣數(shù)據(jù)達(dá)到一周波后，DSP 處理器會暫時中止對外輸出采樣脈沖[4]。同時ADS8364 的數(shù)模轉(zhuǎn)換也會暫停，此時進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理程序，由DSP處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析。

2.3 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

數(shù)據(jù)處理程序的主要任務(wù)是在讀取一周波轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)還原成實際大小，然后使用快速傅里葉變換（FFT）對該周波數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到三相幅值相角。使用對稱分量法處理三相幅值相角，得到三相不平衡度，并在監(jiān)測裝置的顯示器上呈現(xiàn)出來。

3 三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試運行

3.1 監(jiān)測方法

在實驗室環(huán)境中對上文設(shè)計的三相不平衡監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試運行，測試裝置的安裝效果如圖5 所示。配電變壓器采用三相四線制的方式經(jīng)過低壓配電柜向直流屏供電，當(dāng)直流屏處于充電狀態(tài)時開始測試，在低壓配地柜的輸出線上設(shè)置監(jiān)測點，采集三相電壓、三相電流等信號進(jìn)行計算，并利用GPRS 無線通信模塊將計算結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)中心[5]。

圖5 監(jiān)測裝置連接

3.2 測試結(jié)果

三相不平衡監(jiān)測裝置的計算結(jié)果顯示，10 kV 低壓配電網(wǎng)中三相電壓中，B 相電壓最高，C 相次之，A相最低。綜合對比來看，B 相電壓值波動明顯，而A 相和C 相電壓較為穩(wěn)定。在實驗進(jìn)行10 s 后，B 相電壓幅值有明顯下降，此時三相電壓的差值較之前有所降低，說明此時三相電壓的不平衡度有減小趨勢。當(dāng)B相電壓值升高后，三相電壓的差值也進(jìn)一步增加，三相電壓不平衡度上升。當(dāng)D 相電流幅值為0.6 A 時，C相電流幅值約為1.5 A，不平衡度約為30%。由此可見，本文設(shè)計的三相不平衡裝置能夠準(zhǔn)確反映電力系統(tǒng)中三相不平衡情況，為低壓配電網(wǎng)的運行維護(hù)提供了依據(jù)。

結(jié)束語

智慧電網(wǎng)的成熟發(fā)展，為電能質(zhì)量監(jiān)測提供了技術(shù)支持。對于低壓配電網(wǎng)中常見的三相不平衡問題，本文設(shè)計了一種由信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理塊等組成的監(jiān)測系統(tǒng)，從調(diào)試運行效果來看能夠及時、準(zhǔn)確地識別低壓配電網(wǎng)中存在的三相不平衡問題，對提高電能質(zhì)量起到了積極作用。