电力系统及其自动化 《电气自动化）２ｏｌ１年第３３卷第３期 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 基于异步采样的在线电能质量监测仪 韦向敏赵春宇 （上海交通大学电子信息与电气工程学院。上海２００２４０） 摘要：传统的电能质量监测设备一般使用锁相环来实现同步采样，但是在频率阶跃、频率斜升和噪声比较大的情况下，锁相环会发生 失锁现象，而异步采样又难以获取谐波信号。为了解决这一难题，提出了一种准同步采样算法，并设计了基于异步采样的在线 电能质量监测系统。实际运行表明该设备对非平稳随机电网信号参数的准确监测，能避免同步采样中由于锁相环失锁带来的 监测不稳定等问题。 ． 关键词：异步采样电能质量监测锁相环 ［中图分类号］ＴＭ７４４［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１１）０３—００２３—０３ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｓａｍｐｌｉｎｇ・－ｂａｓｅｄ Ｏｎｌｉｎｅ Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒ Ｗｅｉ Ｘｉａｎｇｍｉｎ Ｚｈａｏ Ｃｈｕｎｙｕ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＬＬ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｂｙ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ。ｂｕｔ ＰＬＬ ｍｉｇｈｔ ｌｏｓｅ ｏｆ ｌｏｃｋ ｗｈｅｎ ｓｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｈａｄ ｒａｐｉｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｊｕｍｐ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｌｅｖｅｌ ｎｏｉｓｅ ｗｈｉｌｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｍａｄｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｒｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ－ａ ｑｕｉｓｉ－ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ａｎ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ—ｂａｓｅｄ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒ ＷａＳ ｄｅｓｉｎｇｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｎｏｎ—ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｄ ｓｉｇｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ－ｂａｓｅｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｌｏｃｋ ｏｆ ＰＬＬ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒ ＰＬＬ Ｏ 引 言 和电压暂降、暂升、短时中断，具体定义和规定可参见国家标准。 目前由电能质量问题引发的电网事故和纠纷呈上升趋势，电 频率和谐波的测量将在准同步采样算法部分详细介绍，其他参数 能质量的监测管理显得Ｅｔ益重要…。传统的电能质量监测仪 的测量方法和上一代产品类似，可参见文献［２］，这里不做赘述。 （ＰＱＭ）一般基于同步采样，虽然实现同步的技术已有很多，但比 监测系统的构架框图如图１所示。电网信号属于高电压、大 较实用的主要有锁相环技术。在信号比较平稳时，锁相环能够很 电流信号，不适合直接做模数转换，所以需要信号调理电路，一般 好的实现同步，但是当被测电网信号的频率阶跃、频率斜升和噪 由互感器和放大器组成，将其调整为合适量值再进行模数转换。 声比较大的情况下，往往难以跟踪被测信号，即发生了失锁现象， 由于瞬变的持续时间很短＿４ ，一般的模数转换器难以捕捉，需要 此时将难以获取正确的参数，而此时的信号往往是最具研究价值 专门的检测电路，这里采用硬件比较器。由于需要的数据运算量 的。上一代产品 在实际使用过程中就遇到了这样的难题。如 比较大，需要用ＤＳＰ来完成。 果系统采用异步采样，固定采样率，将从根源上避免这一现象，但 是基波和谐波参数将难以获取。离散傅里叶变换（ＤＦｒ或ｒｒｒ） 是ＩＥＣ标准６１０００—４—７推荐的谐波检测方法。异步采样中，由 于电网信号的波动性，采样频率很难恰好是被测信号基波周期的 整数倍，会产生泄露效应和栅栏效应，使计算出的参数（即频率、 幅值和相位）不准确，无法满足测量精度要求 。本文提出一种 图１监测系统的构架框图 准同步采样算法，先将异步采样数据调整为准同步数据，再通过 ＤＳＰ凭借强大的数据处理能力，负责收集和处理采样数据和 ＤＦＩ＇获取电网谐波参数。该算法和设备已通过测试，并将投入生 瞬变信息，计算电能质量参数，并将波形和参数数据传送给 产和使用。 ＡＲＭ。ＡＲＭ模块主要负责对ＤＳＰ进行参数设置和管理统计数 ｌ监测参数和系统设计总体方案 据，并可以把数据文件通过以太网传递给上位机，或者接受上位 电能质量参数种类繁多，就实际的电力系统，不加区分地研 机的控制来修改参数值，同时该监测仪可以存储一周左右的数据 究所有电能质量现象是没有必要的。结合我国电网运行和电力 在ＣＦ卡上。值得注意的是，在Ａ／Ｄ和ＤＳＰ之间、ＤＳＰ和ＡＲＭ之 电能质量监测系统发展的实际需要，该电能质量监测仪的所测参 间都需要缓冲区，避免频繁中断ＤＳＰ，影响ＤＳＰ的计算效率。 数有频率、电压电流有效值、三相不平衡度、谐波、闪变、电压波动 ２准同步采样算法 我国工频电网信号的频率标称值为５０Ｈｚ，允许的最大偏差 收稿日期：２０１０—１１—２４ 为０．５Ｈｚ，要测量到５０次谐波，根据Ｎｙｑｕｉｓｔ采样定理，采样率必 《电气自动化）２０１１年第３３卷第３期 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙ ｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 须不小于５ｋＨｚ，ＩＥＣ标准规定参与一次ＦＦｆＩ＇运算的信号长度为 基波周期的１０倍，同时考虑到ＦＦＴ运算要求参与运算的采样点 数为２的整次幂，选定固定采样频率为１０２４０Ｈｚ，参与一次Ｆ胛 运算的采样点数为２０４８个点。 由于电网信号的波动性，异步采样的２０４８个点对应的时间 长度不能保证是电网信号基波周期的整数倍，直接对其使用ＦＦｒ 其中 Ｆｒｅｑｂ＝（ｋ—Ａ）Ｎ／Ｚ ＿（１） Ａ ０．６６６６４２／３—０．０７３７３ ＋０．０１５１２３ｆｌ５—０．００２４８６ｆｆ （２） 卢＝ （３） 其中Ⅳ为进行ＦＦＴ的点数，即２０４８， 是异步采样率，式（２）为根 分析将产生严重的频谱泄漏问题，包括长范围泄露和短范围泄 露，从而导致计算的谐波参数往往是有很大误差的。为了减小泄 漏，常用的改进算法有加窗ＦＦｒ算法 Ｊ。此类算法的核心是通 过加窗来减少长范围泄露，通过插值来减小短范围泄露。在已有 的大部分加窗算法中，一般需要求解关于谐波频率的高阶方程， 据切比雪夫最佳近似理论求得的，具体求解过程可参文献［６］。 该算法相比需要求解高阶方程的方法，复杂度低，计算周期短。 实验结果表明，三根谱线求取基波频率能够满足精度要求，具体 结果及分析将在下一部分给出。这里值得注意的细节是ＤＳＰ数 据的精度设置。比如汉宁窗的表达式如下 ｗｉｎ＿求解比较困难，复杂度高，计算周期长，不适合通过硬件ＤＳＰ来 实现实时监测。 ｒｂａｎ（ ）＝０．５—０．５ｃｏｓ（２￣ｒｉ／Ｎ） （４） 其中ｉ＝０，１，２，…，２０４７，Ｎ为一次处理的十个周期的数据，即 根据国家标准，ＰＱＭ测量的基波频率的范围是４５Ｈｚ～５５Ｈｚ， ２０４８。余弦值接近１时，就会出现相似数相减，如果数据精度不 够高，将会造成很大的误差，实践证明，将窗函数设置为单精度数 会造成很大误差，因此应设置为双精度数。 找到基波频率后，需要计算出新的准同步采样频率和采样周 ２０４８个异步采样点不能保证恰好采样到了十个基波周期长度。 当电网中基频低于５０Ｈｚ时，此２０４８个采样点包含不到１０个基 波周期的信息；当高于５０Ｈｚ时，则多于１Ｏ个基波周期的信息，而 国家标准中规定每个采样点均必须参与运算，所以多余的数据必 须保留到下一次继续参与运算。为此，需要建立可存放４０９６个 采样点数据的数据池。本文提出的准同步采样算法的思想如图 期，周期和频率互为倒数关系，周期的计算公式为 ＿ａａｊ＝１０／（２０４８Ｆｒｅｑ＿ｂ） （５） 然后对异步采样数据进行低通滤波，再通过搜索法寻找基波过零 点，从过零点开始按照新的准同步采样频率依次调整异步采样点 ２所示。首先通过对２０４８个异步采样点作ＦＦＴ运算寻找基频， 根据获取的基频设定新的准同步采样率，再异步数据作低通滤 波，只保留基波成分，通过搜索法寻找基波过零点作为准同步数 据的第一点，然后按准同步 为准同步采样点。因为异步采样率比较高，使用线性插值即可满 足要求，这里采用算法简单，操作性强的牛顿二次插值。 用嵌入式硬件设备实现准同步化要比用ＭＡＴＬＡＢ仿真要考 虑到更多的问题。对于在线电能质量监测设备，实时性非常重要， 算法必须要在规定时间内完成所有的操作，必须考虑对算法进行 采样率对异步数据进行插 值，依次调整出２０４８个准同 步采样点，再进行ＦＦＴ运算， 得到谐波参数。插值过的数 据需及时清出，剩下的搬移 到数据池的前端，新采集的 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．ｊｌ ．．．．．．．．．．．一 加新数据到数据池 优化。比如需要大量乘法运算的卷积来实现滤波对于ＤＳＰ来讲是 对池中前２０４８个采样点进行加窗ＦＦＴ 不可取的，具体表现为在下一组采样数据缓冲区满对ＤＳＰ发出中 断时算法还没有结束，新的数据会冲掉没有来得及运算的数据，导 搜索最大谱线 致数据池中不再是连续采样点，从而导致仿真有效的算法在实际 操作中失效，如果通过ｆｗ来实现卷积，则可节省大量时间。 准同步采样算法避开了复杂耗时的迭代运算，适合ＤＳＰ实 现，算法简单，精度高，可操作性强，便于实现实时监测。 数据则加入到队列末端。 正确获取基频是谐波测 多项式逼近法求基波 量的前提，也是算法的核心。 直接对异步数据进行ＦＦｒ运 算得到的频谱信息存在很大 的泄露问题，不能直接用来 测量被测信号基波和谐波， 对采样点进行加窗低通滤波 寻找过零点 ３实测数据与分析 仪器测试所用的基准源是由北京北研兴电力仪表有限责任 公司生产的ＢＹ２０８６三相精密谐波源。本文的侧重点在于用准 同步算法检测基波和谐波，其他参数的测试效果可参考上一代产 品的文献 。表中同时给出了ＦＬｕｋｅ １７６０三相电能质量测试仪 的实测结果，以便进行对照。 依次插值出２０４８个准同步点 但是基波大部分信息仍存在 于对应位置和邻近的谱线 中。电网中基频是未知的， 、＼量大三 ，／ ｆ中断出 １１：３ ＧＢ／Ｔ １９８６２—２００５中要求监测设备频率测量范围是４５Ｈｚ一 ５５Ｈｚ，偏差应小于０．０１Ｈｚ，由表１中可以看出本文介绍的检测设 难以直接确定基频谱线位 置，但是根据实际电网中的 图２准同步采样软件流程图 基波成分大于谐波成分，所 备的偏差在小数点后第三位，完全满足国家标准的要求，并且精 度稍好于Ｆｌｕｋｅ １７６０。 表１基频测量数据 以基波的大部分信息存在于最高谱线和周围的两到三根谱线中。 这里采用多项式逼近法来寻找基波频率。为减小泄漏，在对池中 前２０４８个异步采样点进行ＦＦｒ运算前需加窗。假设频谱最大值 是Ｘ（ｋ），附近两根谱线的幅值分别为 （ｋ一１）和Ｘ（ｋ＋１），由于 本文采用的是汉宁窗，对应的基频计算公式为 ２４ ＥｌｅｃｔｒｉｃａＪ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｖｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 《电气自动化｝２０１１年第３３卷第３期 表２谐波测量数据（５０Ｈｚ） 测系统，解决了同步采样中锁相环失锁导致的无法正确测量电能 质量参数，和异步采样难以获取谐波参数的双重难题，从而取得 有效地实时监测电能质量的目的。 参６４—６６． 考文献 ［１］黄丽丽．电能质量监测和监测仪器讲座［Ｊ］．仪表技术，２００５，１２（６）： ［２］柴保明，赵春宇．在线电能质量监测系统［Ｊ］．电子测量技术，２００８， ３１（７）：１２８—１３１． 国家标准ＧＢ／Ｔ １９８６２—２００５Ａ级标准规定在谐波电压超过 标称电压１％时，允许误差为谐波电压的５％，在谐波电流超过标 ［３］罗德林，唐朝晖．电力系统谐波检测方法的研究现状及其发展［Ｊ］． 国外电子测量技术，２００６，２５（４）：６—８． ［４］全国电压电流等级和频率标准化技术委员会．电压电流频率和电能 称电流的３％时，允许误差为谐波电流的５％。由于篇幅的限制， 表２只列出了二、三次谐波的测试结果，结果表明该设备能够满 质量国家标准应用手册［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２００１． ［５］李敏，卢林菊．现代电力系统谐波检测方法［Ｊ］．国外电子测量技 足国家标准对谐波电压电流的测量要求，并比Ｆｌｕｋｅ １７６０精度更 术，２００７，２６（１１）：１５—１７． 好。多次测试表明，电压电流基波的幅值，谐波的次数、基偶性和 ［６］Ｗｕ Ｊ，Ｚｈａｏ Ｗ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｕｌｔｉ－ 幅值对测量结果基本没有太大的影响。只有在加入噪声时会产 ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＦＴ［Ｊ］．ＥＬＳＥＶＩＥＲ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２００９，４２ 生多一点的泄漏，误差稍大一点，但仍在国家标准要求的范围内。 （２）：３３２—３２７． ４结束语 【作者简介】 韦向敏（１９８６一），女，研究方向为电测量。 赵春宇 提出了一种准同步算法，设计了基于异步采样的电能质量监 （１９７１一），男，副教授，研究方向为现场总线系统及电测量。 （上接第１９页） ＷｉｎＣＣ作为一款优秀的上位组态软件，功能强大，运行稳定。 上位机在ＷｉｎＣＣ的全局 尤其是由于其与Ｓｉｅｍｅｎｓ的ＴＩＡ（Ｔｏｔａｌｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）产 脚本中需要实现响应，同时驱 品家族一脉相承，在前期调试时，利用Ｓｔｅｐ７在计算机内做软件 动标签打印，相关程序如下 新的铝垛运行到称重工位，生产 线其他互锁条件？ 浞 仿真器，可以大大缩短现场调试的时间。当然在组态过程中也发 ｉｆ （ＧｅｔＴａｇＢｉｔ（” 现ＷｉｎＣＣ在部分设计细节上还有待改进： ｍｌＴ００１”）＝＝１）／／是否满足 （１）在许多组态软件都直接支持流动属性设置的同时，ＷｉｎＣＣ 称重数据的读取条件 仍然没有对该功能做到良好的支持，增加了组态人员的工作量 ｛ｉ＝ＧｅｔＴａｇＷｏｒｄ（”一 （２）界面要求设计为英俄双语，而ＷｉｎＣＣ对俄文在界面中 ＩＷＯ”）；／／读取称重数据 的显示支持较好，但是在报警信号设置时却很不方便，必须想一 ＳｅｔＴａｇＢｉｔ（”ｍ１７００２”， ＜ 些特殊办法，不是很方便 １）；／／结束ＰＬＣ程序中相关位 是ｉ （３）ＷｉｎＣＣ的Ｃ脚本不能实现对Ｅｘｃｅｌ文件的操作，而ＶＢＳ脚 的保持状态 ＳｅｔＴａｇＷｏｒｄ（”ｆｏｒｖｂ２”， 的表示现场满足称重数据ｉ状态的值处手保持状态 卖取 ｌＩ 本不能实现报表打印，使组态人员为了实现一个连续的动作，不得不 建立中间变量并在两个脚本编写环境中切换，程序设计时较繁琐。 ｉ）；／／为标签打印准备 目前国际先进的铸造机生产线在对上位组态功能的应用方 ＲＰＴＪｏｂＰｒｉｎｔ（”００Ｐｒｉｎｔ 面已十分丰富，哈铝锭铸造机的上位组态工程还应该有许多可以 Ｊｏｂ００１”）；／／实现标签打印 继续提升的空间。今后铝锭铸造机上位组态工程的研究方向应 ｉｆ（ＧｅｔＴａｇＢｉｔ（”ｖｂ— 是Ｊｒ 该是与现场ＨＩＭ在功能上的部分重叠且相互补充，同时进一步 ｓｓｔａｒｔ’’、＝０）／／ 结束表示现场滞屋私重爨帮 取状态ｌ的值的保持状态称台下降 ｌ ， 增强对现场故障诊断的能力，并继续为上级管理层的高效工作及 ｛ＳｅｔＴａｇＷｏｒｄ（”ｖｂ— 整个生产线的可靠运行服务。 ｓｓｔａｒｔ”，１）；｝ ｝ 触发ＶＢＳ 参考文献 中的脚本动作，使实现数据记 ［１］ＷｉｎＣＣ ６．０ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．Ｇｅｒｍａｎｙ．Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｌｔｄ．，２００７． 录功能 图３配合在线称重功能 ［２］西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团［Ｍ］．深入浅出西门子 报表界面将给用户提供 的ＰＬＣ程序流程图 ＷｉｎＣＣ Ｖ６（第二版）［Ｍ］．北京：北京航天航空大学出版社，２００４． ［３］ｓ７一ＰＬＣ￣Ｍ Ｖ５．３［Ｍ］．Ｇｅｒｍａｎｙ．Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｌｔｄ．，２００６． 在线称重数据浏览、标签打印使能控制及相关年、月、日报表的查 ［４］Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｗｉｔｈ ＳＴＥＰ ７［Ｍ］．Ｇｅｒｍａｎｙ．Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｌｔｄ．，２００６． 询与打印功能。 ［５］崔坚．西门子工业网络通信指南［Ｍ］．ｊＥ京：机械工业出版社，２００５． ２实践认知总结 【作者简介】 冯小林（１９７４一），男，陕西榆林人，讲师，主要研究方向为 哈铝锭铸造机的上位组态作为控制系统的一个有机组成部 自动化系统工程和计算机集成制造系统及智能自动化系统的理论与应用 分，拓宽了操作人员的视野，增强了系统故障诊断的能力，提高了 研究。 毛海杰（１９７８一），女，内蒙赤峰人，讲师，主要研究方向为工业过 该自动化生产线的整体水平，在现场发挥了积极作用。 程监控与故障诊断。 Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ２５
