电能质量监测装置

1.1综述

      理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，而随着电力电子技术的发展，直流输电、大功率单相整流技术在工业部门和用电设备上被广泛应用，如大功率可控硅器件、开关电源、变频调速等，这些典型非线性负荷将从电网吸入或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变，使电网波形受到污染，供电质量恶化，附加损失增加，传输能力下降，成为影响电能质量的重要因素。

       在电网中，三相负荷不平衡、电力系统谐振接地等会产生负序，大功率整流和非线性设备等会产生谐波。负序和谐波严重影响了供电质量，它们首先影响了电力设备安全运行。谐波可能引起谐振，谐振高压加在电容器两端，因为高次谐波对电容器阻抗很小，所以电容器易过负荷而击穿；高次谐波电流流入变压器，铁芯损耗增加；高次谐波电流流入电动机，不仅铁芯损耗增加，而且使转子发生振动，严重影响加工质量；高次谐波使保护设备误动作，使系统损失加大；高次谐波使电力系统发生电压谐振，在线路上引起过电压，会击穿设备绝缘。负序和谐波对发电机不仅有热效应，产生局部发热，而且会使发电机组产生振动，并伴有噪音，严重威胁机组的安全稳定运行。

       RH-E6000 电能质量监测装置采用先进的32位ARM处理器，是具有高速采样、计算、分析、统计、通讯和显示等功能相结合的电能质量监测设备。可实时监测电网的高达63次的谐波含有率、谐波总畸变率、三相电压不平衡度、闪变、电压偏差、电压波动、频率、各次谐波有功功率、无功功率、真功率因数、相移功率因数、真有效值、正负序等电能质量指标。

      支持IEC61850、IEC60870-5-103通信规约标准通信，实现与变电站自动化系统和保护信息管理系统接口；提供符合IEC61850要求的设备描述文件（ICD文件），支持IEC61850定义的有关网络服务。支持MMS层GOOSE功能，能够满足各种配置的变电站需求。

1.2 电能质量的内容

      从不同角度看，关注或表征电能质量问题会有不同的观点。从供电角度看，电能质量是指供应电力的参数符合标准和供电可靠性的程度；从用电设备生产商的角度看，电能质量是指对设备所要求的电能特性；从用户角度看，电能质量是指一切会引起用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、电流及频率的异常扰动，电能质量用于表征电能品质的优劣程度，包括电压质量与频率质量两部分。其中，电压质量又分为幅值与波形质量两方面，通常以电压偏差、电压波动与闪变、负序电压系数（三相电压不平衡度）等指标来衡量电压幅值，以电压正弦波畸变率来衡量波形质量。频率质量则以频率偏差来衡量。电压质量问题又可分为稳态与暂态两类：稳态扰动包括电压偏差、三相不平衡、闪变以及谐波问题；暂态扰动包括暂态过电压、电压骤降、电压骤升以及供电瞬时中断问题。从发生的频度以及对用电设备的危害程度来看，现代电能质量问题主要是电压骤降、谐波、电压不平衡以及闪变。

1.3 RH-E6000 电能质量监测装置功能特点

      RH-E6000 电能质量监测装置，是我公司在研究总结国内外电能质量监测装置特点和实践经验基础上，严格按照国家颁布的相关技术标准，自主设计开发的新一代嵌入式电能质量在线监测产品。

1.3.1装置特点

装置硬件平台具有如下主要特点：

1） 采用ST 公司32 位ARM 为核心，具有强大的数据处理能力和逻辑、控制能力，核心硬件处于国内先进水平；

2） 采用国际先进的嵌入式实时操作系统作为软件平台，全部软件采用高级语言编程，保证了系统的高可靠性和高移植性；

3） 数据采集通道采用单通道单A/D 设计，通道独享一个16 位并行A/D，完全同步采样，精度更高、速度更快；

4） 采用大多CPU结构，通道独享一个32位的ARM,保证电能质量测量数据的实时性和准确性。

5） 大容量的存储空间，满足电能质量监测装置对数据存储的要求，实时数据掉电不丢失；

6） 采用锁相环技术，防止了在电力系统频率变化时对监测指标的影响，防止了频率”泄漏”；

7） 采用外部GPS 同步采样技术，保证了同一变电站内或不同变电站内监测装置的同步采样；（选配）

8） 配置了冗余的、独立的双100M 工业以太网，还选配有RS-232/485 通讯接口，可选择多种通讯方式与远方管理中心交互数据；

9） 采用了四层印刷电路板（PCB）和SMT 工艺、继电保护装置常用的”背插式”结构；

10）支持IEC61850建模功具，减少工程调试量；

1.3.2装置功能

RH-E6000 电能质量监测装置，除具有常规的电能质量稳态指标的监测外，还对电能质量的暂态扰动，主要是电压的骤升、骤降进行监测和记录，具有较强的实用性。装置主要具有以下功能：

1） 基本测量量

电网频率；电压、电流有效值；总的有功、无功功率、功率因数。

2） 基本监测指标

a) 三相基波电压、电流有效值，基波功率、功率因数、相位等；

b) 电压偏差；

c) 频率偏差；

d) 三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、负序电压、电流；

e) 谐波（2～63次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波含有率、幅值、相位；

各次谐波的有功、无功功率等；

3） 高级监测指标

a) 间谐波；

b) 电压波动、闪变；

c) 电压骤升、骤降、短时中断；

4） 设置功能

可对装置硬件时钟进行设置，对监测参数进行设置、修改和查看，并设有密码保护。

5） 记录存储功能

可对基本监测指标和高级监测指标实时保存，统计时间间隔可设置，3Min数据（保存最大值、最小值、平均值、95％概率大值中的一项）在装置上最长保存时间为 1 年以上，之后按”先进先出”原则更新。

6） 统计功能

装置具有对主要监测指标的在线统计功能，可统计一个时间段内监测指标的最大值、最小值、平均值、95％概率大值等。

7） 通讯功能

装置提供多种通讯接口方式，可实现监测数据的实时传输或定时提取存储记录，可通过工业以太网接口与远方电能质量管理中心通讯，也可通过RS232接口，以Modem或GPRS方式与远方通讯。支持IEC61850、IEC60870-5-103通信规约标准通信(订货时声明通讯方式)。

8） GPS 对时功能

装置具有GPS硬对时接口，可以接受IRIG-B码对时或者秒脉冲对时信号，保持与远方管理中心的时钟一致。（选配功能）

9） 事件触发录波功能

可根据客户要求设定事件触发条件（手动或自动），记录事件触发前、后实时数据并保存，并保存有事件日志以供查询。

1.4 系统应用方案

1.4.1 配置当地监测管理层方案

如图1 所示。该方案适用于分散式电能质量监测仪和需要当地显示的监测的变电站，整个系统构架与现有成熟的变电站自动化系统的构架完全相同，整个网络分为采集单元、数据处理单元两个部分。数据处理单元收集采集单元数据，通过以太网将数据传送至当地监控系统。用户可通过上级监测层和当地监控系统进行管理。

第二章主要技术指标

2.1工作电源

交流：220V±10%；50Hz±0.5Hz；谐波畸变率不大于15％

直流：220V±10%，纹波系数不大于5%

2.2电流信号输入

输入方式：电流互感器输入；

额定值In：5A/1A；

测量范围：AC 200mA～5A或AC 50mA～1A；

功率消耗：不大于0.5VA/路；

过载能力：1.2In 连续工作；

           2In 允许1s。

2.3电压信号输入

输入方式：电压互感器输入；

额定值Un：57.7V/100V；(400V电压需订货时说明)

测量范围：AC 0.5V～120V；  

功率消耗：不大于0.5VA/路；

过载能力：1.3Un 连续工作；

           1.4 Un 允许1s。

输入阻抗：大于100kΩ。

2.4开关量输入

工作电压：AC220V/DC30V；

输入方式：空接点或有源接点；

隔离方式：光电隔离，隔离电压2500V。

2.5 监测指标精度

1） 电压、电流：0.2%；

2） 功率、功率因数：0.5%；

3） 频率偏差：0.01Hz；

4） 电压偏差：0.2%；

5） 三相电压不平衡：0.2%；

6） 三相电流不平衡：0.1%；

7） 谐波：符合GB/T 14549-1993 中附录D 中的A 级要求；

8） 间谐波：参照/T 14549-1993 附录D 中对谐波要求的A 级；

9） 闪变：5％；

10） 电压波动：5％。

2.6 通讯接口

1） 以太网

接口速率：10/100M 自适应；

接口类型：100Base—T；

支持TCP/IP。

2） RS232接口

接口速率：RS232——300～115200bps，带隔离。

2.7 GPS 对时接口

装置接口：GPS硬对时，IRIG-B码对时或者秒脉冲对时信号。（订货时请声明）

2.8 执行标准

Ø  《GB/T 15945-2008电能质量 电力系统频率允许偏差》

Ø  《GB 12325-2008电能质量 供电电压允许偏差》

Ø  《GB/T 15543-2008电能质量 三相电压允许不平衡度》

Ø  《GB/T 18481-2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压》

Ø  《GB/T 14549-93电能质量 公用电网谐波》

Ø  《GB 12326-2008电能质量 电压波动与闪变》

Ø  《GB 24337-2009电能质量公用电网间谐波》

Ø  《电能质量测试分析仪检定规程》

Ø  《GB/T 19862-2005电能质量监测设备通用要求》

【注】如上述相关标准修订或修改，产品将执行现行最新标准

2.9 环境

正常工作温度：-10℃～+40℃；

相对湿度:5％～95％；

大气压力：86kPa～106kPa；

海拔：可达3000 米；

防护等级：IP50。

第三章机械结构及电气安装

3.1电气设备开孔尺寸图 

外形及尺寸：宽*高*深（281*180*242）单位：mm

第四章装置功能

4.1数据采集

32位高速ARM负责数据采集，采样率为25.6KHz，即每周波采样512点。核心器件A/D转换芯片采用16位、同步采样A/D转换器件，具有转换精度高，转换速度快，同步采样等优点。同时，为防止由于频率偏离额定值时造成测量误差，装置采用硬件锁相环技术，频率自动跟踪，实时调整采样间隔，以防止频率“泄漏”。

4.2电压偏差

电压偏差的定义（GB/T12325－2008）

产品精度

        电压测量误差：±0.2％；

电压偏差误差：±0.2%。

4.3频率偏差

频率偏差的定义（GB/T15945－2008）

指标精度

频率测量误差：±0.01Hz。

4.4电压、电流不平衡度

电压、电流不平衡度的定义

指标精度

电压不平衡度误差：±0.2%；

电流不平衡度误差：±1%。

4.5谐波监测

谐波定义

谐波（Harmonic）即对周期性的变化量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于1的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。

装置对电压、电流采样值进行FFT分解，可以得到各次谐波分量，由于采取了频率自动跟踪补偿，消除了频率“泄漏”，防止了基波频率偏离额定值情况下造成的测量误差。

采样窗口等的要求应满足IEC 61000-4-30 :2003的要求，每次采样窗口为不重叠的10个周波，以3秒为一个基本记录周期，测量结果即分析数据为3秒内6组等间隔采样的均方根值

谐波准确度：A级

级别	被测量	条件	最大允许误差	相角误差
A	电压	Uh≥1%UN	5%Uh	≤±5° 或h×±1
		Uh＜1%UN	0.05%UN
	电流	Ih≥3％IN	5%Ih	≤±5° 或h×±1
		Ih＜3％IN	0.15%IN

表中1．Un为标称电压，Uh为谐波电压测量量；In为额定电流，Ih为谐波电流测量量。

2．A级仪器频率测量范围为0～2500Hz，用于较精确的测量，仪器的相角测量误差小于等于±5°或±1×h°

4.6间谐波监测

间谐波的定义

间谐波是指非整数倍基波频率的谐波，这类谐波可以是离散频谱的或连续频谱的。

——间谐波的监测取值方法仍依据GB/T 14549-93针对谐波的取值方法进行，即一个基本记录周期为3秒钟；

谐波准确度：A级

4.7电压波动和闪变

电力系统的电压波动和闪变主要是由具有冲击性功率的负荷引起的, 如变频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和轧钢机等。这些非线性、不平衡冲击性负荷在生产过程中有功和无功功率随机或周期性的大幅度变动, 当其波动电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降, 导致同一电网上其它用户电压以相同的频率波动。这种电压幅值在一定范围内(通常为额定值的90%～110%) 有规律或随机地变化, 称为电压波动。

电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作, 如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、使白炽灯光发生闪烁等等。由于一般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯, 为此, 选择人对白炽灯照度波动的主观视感, 即“闪变”, 作为衡量电压波动危害程度的评价指标。

①   闪变觉察律F(％)

“闪变”作为电压波动引起的人眼对灯闪的主观感受，不仅与电压波动的大小有关，还与波动的频率、波形、灯具的性能和人的视感等因素有关。 为描述闪变对人视觉的影响程度，IEC推荐采用不同波形、频度、幅值的调幅波及工频电压作为载波向工频230V、60W白炽灯供电照明。经观察者抽样(>500人)调查，闪变觉察律F(％)的统计公式为：

    F=(C+D)/(A+B+C+D)×l00％                               (4-2)

    式中A ——没有觉察的人数；

        B——略有觉察的人数；

        C——有明显觉察的人数；

        D——不能忍受的人数

②   瞬时视感度st

电压波动引起照度波动对人的主观视觉反应称为瞬时闪变视感度st。通常以闪变觉察率为50%，作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即定义为st＝1觉察单位。与st＝1觉察单位相对应的各频率电压波动值％，是研究闪变的实验依据。

③   视感度系数Kf

人脑神经对照度变化需要有最低的记忆时间，高于某一频率的照度波动普通人便觉察不到，闪变是经过灯一眼一脑环节反映人对照度的主观视感，引入视感度系数Kf可以更为本质地描述灯一眼一脑环节的频率特性。

IEC推荐的视感度系数是：

Kf＝产生同样视感度的8.8Hz正弦电压波动／产生同样视感度的f Hz正弦电压波动

④   短时间闪变严重度和长时间闪变严重度

对于电弧炉等随机变化负荷的电压波动，不仅要检查其最大电压波动，还要在足够长时间观察电压波动的统计特件。（统计时间为10min）是描述短时间闪变的统计值，（统计时间为2h）为描述长时间闪变的统计值。

按国标要求，短时闪变的一个记录周期为10分钟，长时闪变为2小时。

指标精度

电压波动测量误差： ±5%；

闪变测量误差： ±5%。

4.8暂态扰动的监测

暂态扰动包括暂态过电压、电压骤降、瞬态过电压以及电压短时中断问题。

电压骤降是指工频条件下电压均方根值减小到到 10％至 90％，持续时间为10ms至1 min的短时间电压波动现象。

电压暂升 在电力系统某一点的电压突然骤然到1.1～1.8p.u，持续时间通常在10ms～1min。

电压短时中段是指供电电压消失一段时间(电压降到0.1p.u.以下)，一般不超过几分钟。短时中断可以认为是100%幅值的电压暂降。

对上述电能质量暂态扰动，装置可以实现如下功能：

实时监测电压瞬时值，在发生扰动时，经过特定的检测算法，判断出扰动，并给出扰动发生的时刻，扰动的幅度，扰动的相位变化，扰动持续时间等信息；

判断出扰动后，立即启动波形捕捉功能，即录波功能，波形记录应包括事件触发前、后的波形，录波格式可整定；录波长度可整定，触发前不少于5个周波，触发后不少于5个周波。

4.9谐波源检测

造成系统电压正弦波形的畸变，产生高次谐波的设备和负荷，称为谐波源。一切非线性的设备和负荷都是谐波源。当前谐波源主要有三大类：

1） 铁磁饱和型：如变压器、电抗器等铁芯设备的激磁电流，主要谐波为3、5、7次。

2） 电子开关型：如整流器、逆变器等各种电力电子设备，其交流侧电流波形呈开关切合和换相特性，特征谐波和与脉动数p有关，h＝kp±1，k=1,2,3…，Ih/I1≤1/h。

3） 电弧型：如电弧炉，其谐波电流具有很大的随机性，主要谐波为2、3、4、5、7次。

谐波源检测的主要目标是确定谐波源是来自用户侧还是系统侧。谐波源检测是非常有实用意义的一个应用，但也是一件比较困难的工作，现有的很多方法或方案都存在诸多问题，如理论上有缺陷、无法实用化等。本装置综合已有检测方法的优缺点，采取了新的算法，对谐波源的检测进行了有益的探索，该方案还有待于在实践中进一步检验。