特殊用户电能质量监测系统的数据处理技术

　　摘　要：针对特殊用户电能质量监测问题，提出了基于数据预处理、分析时间间隔的合理选择和生成日统计文件的数据处理方法。根据IEC国家标准在下位机中设定有效测量时间，然后在监测系统中按指定格式读取监测点采集数据文件，采用主从文件形式的数据管理和数据查询模式，通过组合式报表生成技术完成各类电能质量报表的打印。所提出技术已用在威远钢铁有限公司变电站电能质量监测。
　　关键词：电能质量；监测系统；数据采样；数据处理

　　Abstract: For the monitoring problem of power quality for particular customer, t his paper puts forward a new data processing method based on data pre-processing , reasonable choice of time interval for analysis and generating daily statistic al file. According to IEC international standard, it is effective to get clear a nd explicit graphs and quickly generate different statistical reports in monitor ing center by reading the data file of monitoring spot in accordance with appoin ted format in monitoring system, using the master-slave file management of PQM, dispatching list database querying and dynamic formwork-based reporting combinat ion. The technique presented has been used in PQM of substation of Weyuan Steel Limited Company.
　　Key words: power quality; monitoring system; data sampling; data processing

引言

　　电能质量监测PQM（Power Quality Monitoring）是用户与电力部门共同的需要。有扰动负 荷的用户通过PQM来了解自己向电网排放的电力污染是否超过国家标准，所采用的控制手段是否 有效；有敏感负荷的用户需要PQM了解供电质量是否会损坏敏感设备或产品质量；电力部门通过PQM来监测扰动负荷的电力污染向电网的排放情况，从而保证电力系统的可靠运行、供电质量，同时，川威钢铁公司为了清楚了解本系统用电中的电能质量问题，满足电力部门对电能质量考核的需要，开发出一套电能质量监测系统，能够监测国家标准所规定的各项电能质量指标，并提供PQM数据管理功能。在开发该系统时，使用了Microsoft公司的VB6.0作为开发工具。VB6 .0作为可视化通用编程工具，一直以其可视化程度高、开发简单快捷而著称，可视化编程环境的“所见即所得”功能，使界面设计变得容易，从而让编程更加轻松。

1 电能质量监测系统的构成
　　电能质量监测系统主要由电能质量监测的下位机（即监测仪）、上位机（即用户操作所用的计算机）以及应用软件系统组成。如图1所示。

1.1下位机组成
　　1）数据采集部分：包括数据的采样和计算。
　　2）数据处理部分：计算处理各种电能质量指标数据，包括频率、电压不平衡度、电压波动与闪变、电压偏差、负序电流、谐波含有率等。
　　3）通信传输部分：包括下位机内部数据传送（主要是与DSP通信）和与上位机之间的通信传输（主要是通过MODEM和以太网）。
1.2上位机组成
　　上位机由PC机作数据操作平台。任何装有操作软件并备有MODEM的PC机都能胜任。主要功能如下：
　　1）与下位机之间的数据通信与传送。
　　2）接收各个监测点的下位机的电能质量数据，并进行分析统计，形成文件、报表及曲线，显示数据和图形（如频谱图、趋势图、曲线图、散点图、向量图等）。
　　3）数据文件管理系统，系统管理各个监测点数据文件。
1.3PQM的基本要求
　　表1列出了PQM的基本要求，首先要考虑6个国家标准对电能质量的要求。另外，对于敏感负荷和超敏感负荷的用户，可能需要监测电压骤升（降）等短时电能质量扰动问题。

2 下位机的数据处理及计算方法

2.1数据流程
　　从监测仪启动开始，就开始了对监测点数据的采样、分析、处理，然后生成监测点一天的采集数据文件，图2给出了监测仪在一小时内的数据流程。
2.2数据预处理
　　由于在现场实测信号中，不仅包含由基波及各次谐波叠加而成的合成信号，而且还包含噪声信号，噪声信号的存在会大大影响电能质量的测量精度，这样在谐波分析、信号频率的确定等方面会有很大的误差。采用FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换）原理进行数据的实时处理。在实际应用中要得到准确的FFT运算结果，必须满足Nyquist采样定理的要求，防止频谱混叠的发生，而且根据FFT算法的要求，采样点应均匀分布在一个信号周期内，即应当实现严格的同步采样，否则就会引起信号的频谱泄漏，带来很大的测量误差，特别是对高频分量，计算出来的值就没有可信性。因此，需要对采样值进行数字信号预处理，以减少误差。在整个过程中，采用了软件同步采样法。目前常用的同步采样方法主要分为硬件同步和软件同步两大类。硬件同步方法是一种预防式方法，主要采用锁相环电路来实现跟踪信号频率的变换，从而实时调整采样速率，实现同步采样，但是其硬件结构比较复杂，在测量较大的畸变波形时误差较大。软件同步方法是一种补偿式方法，主要采用准同步采样、加窗、加窗－插值等技术，来补偿和减少误差。当采样数值经去噪处理后，通过一个45 Hz～55 Hz的窄带滤波器，保证采样数值过零点的唯一性，然后通过软件同步求得采样信号的周期值，以得到与工频信号同步的采样频率，进而控制对原始数据的线性插值。最后，对插值所得数据进行FFT变换得到谐波的幅值和相位。

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2.3各电能质量指标的计算方法
　　采样信号经FFT得到各次谐波分量的实部u_r(k)、虚部u_i(k)，然后通过公式计算各电气量（以电压为例）。
　　1) 幅值U_k、相角θ_k、谐波电压含有率HRU_k及总谐波畸变率THD_U的计算公式分别为：
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　　在PQM中，有效值通常取3 s均方根值，并且一个工作日的95%概率值作为评估标准。
　　2) 电压波动、闪变的监测计算。
　　电压波动d的计算公式为：
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式中：U_max，U_min为工频电压调幅波的相邻两个极值电压（均方根值）。
　　电压闪变不仅与电压波动的大小有关，而且与波动的频率以及人的视感等有关。首先测出电压变动的幅值和频率，由此推算闪变的觉察单位S:
　
式中: d（f）是频率为f的电压变动。K（f）是视感度系数。R（f）是波形系数。
　
　　在确定不同时段的S值后，用统计的方法，计算短时闪变P_st：
　
式中: P_0.1、P₁、P₃、P₁₀、P₅₀分别是10 min测量时间内0.1%、1%、3%、10%、50%时间的闪变值S。
　　并且计算2 h的长时闪变值P_lt：
　
　　3 )三相不平衡度的监测计算。
　　三相不平衡度ε的