浅析电力系统谐波测量网络仪表的研制

浅析电力系统谐波测量网络仪表的研制

郑岳

广东电网有限责任公司惠州供电局郑岳

摘要：伴随着电力电子技术的飞速发展，其被广泛的应用到了电力网络中，然而，电力系统中的谐波问题却不可忽视。在工业生产现场中，应用到的多种电子设备对于电网上出现的谐波都非常敏感，若是处理不当很容易影响正常生产。因此，电网中的谐波必须被实时监测起来。本文主要介绍了一款应用于监测谐波的仪表的研制方法。

关键词：谐波分析；电网监测；现场总线；硬件设计；软件设计在电力系统正常运行期间，理想状况是可以为用户提供稳定的供电电压以及频率。

[1]然而，在实际生活生产期间，电力系统运行中的负荷是在不断变化的，供电电压和频率也在实时变化，不可能一成不变。[2]实际中的供电电压波形并不是理想中的正弦波，而是会稍微偏离一些，这种现象就是谐波的产生。

[3]通常在工业生产中提到的谐波是指供电频率为正常频率的整数倍的高次正弦分量，也被叫做高次谐波。出现谐波的原因也是因为工业生产中应用的电气设备存在非线性的阻抗性，工作期间产生非线性的负荷，进而向电源反射出高次的谐波，导致电力质量下降。[4]谐波的产生会为电力系统带来诸多不良影响，因此，在实际工业生产中应当对谐波进行快速准确的检测分析。

[5]一、谐波测量网络仪表研制的意义当代工业企业生产期间，应用了大量的由计算机控制的精密电子设备，这些设备的使用能够有效提升企业的生产效率并大大减低了能源损耗。[6]然而，该类型的电气电子设备对于电力系统中必然会出现的谐波比较敏感，会受到极大的干扰，同时本身也会产生谐波。为了保证这类设备的正常运行，工业企业的正常生产，用户必须对电网信号进行实时监测。同时，电力公司也应当实时监测各个用户的用电状况，对于经常大量产生谐波的用户进行警告或惩罚。所以，需要一个电能质量检测设备对电网进行实时监测，发生问题要及时发出警报。目前，自动化工业生产中应用的主要是现场总线技术，分布式控制系统为工业数字通信提供了网络基础，因此，实时监测谐波用的仪表可以与工业生产现场的总线网络联合起来，完成谐波监测和实时通信。

二、谐波测量网络仪表设计（一）硬件设计1.主要功能设计工业生产中需要的谐波测量用网络仪表应该是一款数字仪表，能过实时监测电力系统的各项参数，并将实时信息传递给上位机完成处理显示以及储存等功能。具体的功能应该包括：测量功能，作为仪表，最基础的功能就是测量功能，该仪表应该能实时测量电力系统中的各项参数，如线电压、频率、功率因数、电能、谐波畸变率等等；设定功能，不同的电网和不同的工业生产系统中的现场总线并不完全相同，所以，仪表安装到网络中以后要根据实时状况设定相应的参数，如电流报警值、CT变比、通信地址等等；报警功能，该仪表是监测用的仪表，当系统中的参数达到报警值以后，仪表应当及时报警，避免电气电子设备被损坏；显示功能，仪表需要测量多种参数，不能完全显示出来，因此应当在显示模块中设计和按键配合的数据显示；通信功能，仪表监测的数据要及时输送到监控的计算机中，根据不同的要求设计不同的通信地址；存储功能，仪表断电后，应当保持最新的数据，保留设定好的参数，重新充电后能够正常读取信息，并继续积累电能。

2.总体设计如图1所示，该仪表的总体硬件结构框图如下。

图1硬件结构框图总体来看，仪表的硬件结构可以分为四个部分，主控制器、输入模块、开关电源以及输出模块，各个模块负责不同的功能。

主控制器。主控制器采用嵌入式的微控制器作为核心，可以将输入的电压电流进行转换，并按照设计好的算法完成计算，最后将结果通过显示器显示出来。

输入模块。输入模块一般有两种接线方式，分别是三相三线以及三相四线，主要包括电压、电流信号调理电路，频率捕捉电路，基准电压电路。其中，调理电路中采用的是电压互感器和电流互感器，可以将输出信号进行调理送到微控制器中；频率捕捉电路可以将电压通过电压比较器进行调理，将交流信号转变成方波信号。

输出模块。输出模块可以根据生产现场的实际总线网络设计成三种不同的方式，通信功能由单片机与SPI的串行接口和主控制器相连，能够将监测到的实时参数传送到微控制器处，经由芯片传递给上位机界面。同时，输出模块也能接受来自上位机的指令，传递给主控制器等待处理。

开关电源。开关电源能够输出三组电压，包括+5V一组和±15V两组直流电压，可以为其它模块提供电源。

三软件设计1.总体设计本系统进行数据采样必须保证实时，所以采用汇编语言编写系统软件。该系统中的软件任务主要就是完成电力系统中各项参数的采集、处理、通信以及显示，其中主要的是采集以及处理，必须保证仪表精度。所以，程序编写可以采用中断方式进行编写。另外，为了保证微控制器能够将监测数据及时传递到上位机中，还要增加SPI通信程序。程序编写中的难点是怎样分配优先级，下面具体介绍。

2.主程序设计如图2所示，为该软件系统的主程序流程图。主程序是一个循环程序，可以无限循环，主要功能包括：系统初始化、键盘扫描。

3.中断嵌套设计若是微控制器发出的中断程序没有返回，另一个优先级较高的中断源又发出了请求，那么微控制器便可以中断当前的程序，相应新请求，执行完新程序以后继续原来的服务，这就是中断嵌套，可以有效保证CPU能够优先解决更主要的问题。

图2主程序流程图4.SPI通信程序设计SPI通信在微控制器以及单片机上完成，共有两种工作方式，包括查询方式以及中断方式。其中，查询方式可以将主程序修改的通信信息传递给单片机；中断方式可以接受来自单片机上的指令。

5.频率捕捉程序设计捕捉定时器的核心是计数器，工作期间可以分辨比较频率，记录当前的运行值，事件发生的具体时刻。

6.定时采样程序设计定时采样采取固定的间隔，若是输入信号发生了偏差，那么计算结果便会出现误差，同时谐波计算也会受到比较严重的影响。所以，进行定时采样时，要通过自适应调整采样时间，保证采样间隔能够参考实际信号周期调整。

7.谐波计算程序设计采样结束后，还需要将采集到的数据进行计算，该仪表采用的是傅里叶变换算法。

四、谐波测量网络仪表调试以及数据测量当仪表的硬件系统和电路以及软件程序都设计完成以后，还要对系统进行测试，检测各项功能是否达到设计要求，测量结果的精确度是否符合设计标准，若是发现问题，要及时分析调整，找出系统软硬件原因，重新修改，直到满足设计要求，才能正式投入使用。

结语：伴随着国民经济的飞速发展，电能作为全世界最基本的能源，人们对于其质量有了更高的要求。在工业生产中，各种高精度的电气电子设备的应用会受到谐波的影响。将谐波测量网络仪表应用到工业生产现场中以后，数字化的通信网络得以形成，为安全、稳定、高效的工业生产提供了保障。

参考文献：[1]宋志刚.电力系统谐波测量网络仪表的研制[D].山东大学，2008.[2]张绍峰.基于DSP的电力系统谐波测量装置的研制[D].中国农业大学，2002.[3]曾喆昭，文卉，王耀南.一种高精度的电力系统谐波智能分析方法[J].中国电机工程学报，2006（10）.[4]董新彪.电力系统谐波检测方法的研究[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2013（01）.[5]张旭东，李广超，代瑞，王国栋.基于神经网络的电力系统谐波测量方法研究[J].技术与创新管理，2013（03）.[6]张林利，王广柱.一种基于人工神经网络的谐波测量新方法[J].电力系统及其自动化学报，2004（02）