基于宽带电力载波的电能质量监测系统的设计与实现 .pdf

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1、总第 4 9卷第 5 5 9期 2 0 1 2年第 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I n s t r u m e nt a t i o n Vo1 4 9 No 5 5 9 J u 1 2 0 1 2 基于宽带电力载波的电能质量监测系统的设计与实现 孙增友 ， 李依潼 ， 吉海强2 ( 1 东北电力大学 信息工程学院， 吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2 新疆 电力公 司超 高压公 司， 新疆 阜康 8 3 1 5 0 0 ) 摘要 ： 电能质量正确的传输 、 检测 、 评估和分类是对电网评估 的关键。本文设计了基于宽

2、带电力线载波的电能质 量监测系统， 阐述了宽带电力线载波传输的基本原理， 完成了各相关部分的软硬件设计， 并对某冷轧厂的电能 质量进行测量 ， 实测结果表明， 该监测系统测量准确度高 ， 可靠性好。 关键词 ： 电能质量 ； 宽带电力线载波； 监测系统； 测试 中图分类号 ： T M9 3 3 ， T N 9 1 5 8 5 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 7 6 0 4 P o we r Qu a l i t y Mo n i t o r i n g S y s t e m De s i g n a n d I m

3、p l e me n t a t i o n B a s e d o n t h e Br o a d ba n d Po we r Ca r r i e r S UN Z e n g - y o u ，L I Yi - t o n g ， J I Ha i - q i a n g ( 1 I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， N o r t h e a s t Di a n l i Un i v e r s i t y， J i l i n 1 3 2 0 1 2，J i l i n，C h i n a 2 X i n J i a n g

4、e l e c t r i c p o w e r c o m p a n y u l t r a h i g h p r e s s u r e c o m p a n y ， F u k a n g 8 3 1 5 0 0 ， X i n j i a n g ，C h i n a ) Abs t r ac t ：Co r r e c t t r a n s mi s s i o n， d e t e c t i o n，e v a l u a t i o n a nd c l a s s i fic a t i o n o f p o we r qu a l i t y a r e t h

5、 e k e y s t o e v a l ua t e po we r g r i d Th i s pa pe r d e s i g n s a p o we r q u a l i t y mo ni t o r i n g s y s t e m b a s e d o n br o a d ba n d po we r l i n e c a r r i e r I t e x p o u n d s t h e b a s i c t r a n s mi s s i o n p r i n c i p l e o f b r o a d b a n d p o we r l

6、i n e c o mmu n i c a t i o n a n d fi n i s h e s t h e d e s i g n o f h a r d wa r e a n d s o f t wa r e r e l a t e d p a ns a nd me a s u r e s t he p o we r q ua l i t y o f o ne c o l d r o l l e d s t e e l f a c t o r y Th e a c t ua l t e s t i n g r e s ul t s s h o w t ha t t he mo n i

7、t o r i n g s y s t e m ha s hi g h me a s ur e me n t a n d g o o d r e l i a b i l i t y Ke y wo r ds ：po we r q u a l i t y，BPL，mo ni t o r i n g s y s t e m ，t e s t 0引 言 电能质量是指关系到供 电、 用电及其设备正常运 行的电压 、 电流的各种指标偏离规定范围的程度。由 于实际负载是动态 、 非线性 、 不对称的 ， 从而引起供 电 电压波形 的不稳定性 、 非正弦性 、 不对称性及电压频 率 的变化 ， 这就是所谓的

8、电能质量问题 一 。由于负载 变化将引起 电压畸变和失衡 ， 会影响到企业 的正常生 产 ， 因此建立电能质量监测系统 ， 对电能质量正确的 传输 、 检测和分类具有重要的研究价值。 宽带 电力线载波( B P L ) 是 智能电网发展 中提出 的新概念 ， 克服了无线通信可靠性差 ， 光纤成本高的 缺点 ， 频带通 常为2 3 0 MHz ， 传输速率可达2 5 Mb i t s ， 使用电网中现有的网络作为构架， 无需另外铺设通信 信道 ， 节约成本 ， 可实现庞大数据稳定可靠的双 向实 时传输 。基于B P L 的优势 ， 本文设计了电能质量在线 监测系统 ， 利用B P L 进行电能质

9、量数据 的远程测量和 传输 。 一7 6 1 电能质量监测系统的总体设计 1 1 系统 工作原 理 基于宽带电力线载波的电能质量监测系统如图1 所示 ， 由电能质量数据采集设备 、 检测设备 、 传输线路 和终端接收设备组成。主要完成四部分功能： 电能质 量数据采集 、 电能质量数据检测 、 电能质量数据实时 传输 、 终端数据监测。系统各部分功能说 明如下 ： ( 1 ) 电能质量数据采集 数据采集功能主要对 电压电流谐波 、三相不对 称 、 功率 、 频率偏差 、 电压波动和闪变 、 电压暂升暂降 及噪声等数据进行采集 。电压电流采集模块通过传 感器将 电压 电流信号送入A D 采样电路

10、，根据设置的 采样间隔， 由F P G A 实现逻辑控制功能。 ( 2 ) 电能质量数据检测 经A D 转换后的信号送 I D S P 处理单元 ， 对数据 进行计算及处理。为满足系统需要 ， 选用3 2 位总线的 T MS 3 2 0 C 6 7 1 3 ， 具有8 个处理单元 ， 单指令执行周期仅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第 4 9卷第 5 5 9期 2 0 1 2年第 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n Vo 1 4 9 No 5

11、59 J ui 2 0 1 2 电 压 采 集 模 块 传 感 器 H A 。 采 样 - q 显 示 模 块 l D S P 亟 数 据 L- J A R M 处理 9 2 0 0 0 单元 电 流 采 集 模 块 H 竺 A D = 键 盘 模 块 l ： 电 能 质 量 采 集 ： ： 电 能 质 量 检 测 ： 图1 电能质量监测 系统结构图 Fi g 1 P o we r q u a l i t y mo n i t o r i n g s y s t e m s t r u c t u r e 为5 n s ， 可以保证足够高的采样率 ， 完成 电能质量参数 的计算及数据的传输与通

12、信 。 ( 3 ) 电能质量数据实时传输 由于D S P 不能长期保存运算结果 ， 需要将数据传 到上位机 中保存 ， 因此选用AR M9 2 0 0 控制器 ， 实现计 算后数据的存储 、 实时显示及上位机通讯功能 。本系 统采用宽带电力载波传输数据， 将采集到的信息正交 频分复用调制后 ， 经耦合放大注入 电力线 ， 由电力线 送入终端设备， 从而实现电能质量的实时传输。 ( 4 ) 终端数据监测 系统 中的监测装置可 以有多台 ，装有相应 的软 件 ， 电能质量数据到达监测终端后 ， 远程实现电网参 E PROM 数和波形 的显示 、 分析和电能质量的评估与统计等。 1 2 宽带电力线载

13、波技术 宽 带 电力 载 波 Mo d e m原 理如 图2 所示 ，采 用 I n t e l l o n 公 司的基 于O F D M的I N T 5 1 3 0 芯 片 ，可 实现 1 4 Mb i t s 的数据传输 。 原理如下 ： 由E 2 P R O M存储各模 块的控制命令和初始化命令。首先 ， 将R S 2 3 2 传来 的 数据经U S B 接 口进入U S B 控制器 ，在其控制下将数据 送人I N T 5 1 3 0 收发器 ， 完成数据的编码调制 ， 然后通过 I N T 1 0 0 0 ，映射转换为适合在电力线传输的O F D M 信 号 ， 再由滤波缓 冲对信号进

14、行处理 ， 最后 ， 通过耦合设 备加载到电力线上 。 增 益 H 蓑 H 耦 合 电 路 H 驱 动 及 滤 波 器l l 电力线 图 2 宽带电力线载波 Mo d e m原理框 图 Fi g 2 Br o a d b a n d p o we r l i n e c a r r i e r Mo d e m pr i n c i p l e d i a g r a m 1 - 3 I NT 5 1 3 0 电力线收 发 器 I N T 5 1 3 0 芯片是一种MA C P H Y电力线收发器 ， 包 括接 口块 、 P o w e r P a c k e t MA C 块、 P o w

15、e r P a c k e t P HY 块 。 这些功能块通过MI I 接 口、 G P S I 接 口、 J T A G 接 口、 A F E 接 口与外 围电路相连 ，如图3 所示 。通过MI I 接 口或 G P S I 接 口， I N T 5 1 3 0 和MA C 控制单元进行通信 ，模拟 前 置 电路 A F E具 有 并 行 接 口和 增 益 控 制 接 口 ， I N T 5 1 3 0 通过并行接 口与I N T 1 0 0 0 集成转换器相连 ， 通 过增益控制接 口， I N T 5 1 3 0 与增益 电路连接 。同时 ， I N T 5 1 3 0 集成了媒体接人

16、控制MA C 和电力线物理层技 术P HY，可在噪声环境的下 ，提供 1 4 Mb i t s 的传输速 率。经过D S P 计算的数据 ， 在I N T 5 1 3 0 内信号处理后 ， 变成适合在电力线上传输的O F D M码元 ， 这些码元能 够克服信道的时变性和频率选择性衰落， 保证数据的 可靠传输 。 2 系统软件设计 为测试该系统的性能 ， 笔者对系统的软件进行设 计 ， 主程序流程图如图4 所示 ， 完成电能质量数据的采 集 、 处理 、 分析和评估 。 本系统的电能质量数据传输是 通过宽带 电力线载波实现的。 传输流程图如图5 所示。 3 数据测试与分析 3 1 测试 地 点及

17、 仪 器选择 为验证基 于B P L 的电能质量在线监测系统 的性 能及监测效果 ，选取某冷轧厂变电所 1 0 k V 母线段进 行测试， 电压信号取 自 二次接线端子， 电流信号取 自C T X次 回路接 线端子 ， s v c ： b 偿装置 投入正常生 产 ， 基准短路容量 1 0 0 O 0 M V A， 最小短路容量4 5 2 0 0 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第 4 9卷第 5 5 9期 2 0 1 2年第 7期 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r ume n

18、 t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 9 J u 1 2 0 1 2 图3 I N T 5 1 3 0 功 能示意 图 Fi g 3 I NT5 1 3 0 f un c t i o n s c h e me s 图4 主程序 流程 图 F i g 4 Th e ma i n p r o g r a m flo w c ha r t MV A。 实 验 所 选 用 的 测 试 仪 器 为 L E M ( 莱 姆 ) P Q P T 1 0 0 0 谐波分析仪 ，可以测量2 5 0 次电压电流 谐波 、 闪变 、 三相不平衡度 、 频率偏差 、 功率 因数等电 能质量情况 。

19、 3 2测试数 据 图5 宽带电力线载波传输数据流程 Fi g 5 Br o a d b a n d po we r l i n e c a r r i e r t r a n s mi s s i o n d a t a flo w 执行标准参照国标 ： G B T 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公 用电网谐波 、 G B T 1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动 和闪变 、 G B T 1 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压允许偏 差 、 G B T 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平 衡度 嘲 。具体的测试数据如表1 、 2 、 3

20、所示。 表l 2 1 1 次谐波电压畸 变数据 T a b 1 2 -1 1 t i me s ha r mo n i c v o l t a g e d i s t o r t i o n d a t a 一7 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第 4 9卷第 5 5 9期 2 0 1 2年第 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 9 J u1 2 0 1 2 表2 2 1 1 次谐波电流畸变数据 Ta b

21、 2 2 l l t i me s h a r mo ni c c ur r e n t d i s t o r t i o n d a t a 表3 频率、 功率因数、 三相不平衡度及 电压闪变数据 T a b 3 F r e q u e n c y，p o w e r f a c t o r ，u n b a l a n c e d t h r e e - p h a s e d e g r e e s a n d v o l t a g e fl i c k e r d a t a 3 3买测数 据分 析 测试数据表明， 基于宽带 电力线载波的电能质量 监测系统可以良好的监测电能质量的各

22、种参数 ， 传输 性能 良好 ， 不仅能对电能质量进行监测 、 分析和统计 ， 同时也能够为宽带 电力线载波 中数据传输受谐波污 染等问题提供数据参考。 4 结束语 本文提出一种基 于宽带电力线载波 的电能质量 实时监测系统 ， 它能有效的利用现有的电力线进行高 速传输， 具有其它通信方式无法比拟的优势。 同时， 对 系统进行设计 ，探讨 了电能质量监测的具体方案 ， 并 进行 了传输实验，测量几种常见的电能质量数据 ， 实 测数据的分析表明， 该系统完全可以满足电能质量监 测的要求 ， 具有理论研究和指导实践的重要意义。 参 考 文 献 1 李加升 电能质量扰动及其 在线监测装置 的设计 阴

23、 电力系统 保 护与控制 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 8 ) ： 6 9 7 2 2 刘海 昌 电能质量远程监测 系统的设计与 实现 J 1 电力 系统保护 与控制 ， 2 0 0 9， 3 7 ( 1 3 ) ： 1 0 9 1 1 1 3 白嗥 宽 带 电 力 线 载 波 通 讯 和 智 能 电 网 h n p ： w e n k u b a l d u c o rn v i e w e 5 e 5 e 5 71 0l f 6 9 e 3 1 4 33 2 9 4 e 7 h t m1 f 4 陈国磊电能质量监测高速数 据采集系统 的设计 和实现 J 1 电力 系统保护 与控制

24、 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 3 ) ： 6 9 7 2 5 赵天恩 跻身未来的电力线通信 ( 四)宽带P L C 的W O F D M 实现 电力系统 自动化 ， 2 0 0 3 ， 2 7 ( 7 ) ： 7 7 8 0 Z HAO T i a n- e n P r e d i c t i v e s c h e me s f o r f u t u r e p o we r l i n e c o mmu n i c a t i o n p a r t f o u r r e a l i z a t i o n o f b r o a d b a n d P L C u s i

25、n g W O F D M J A u t o ma t i o n o f E l e c t r icP o w e r S y s t e ms ， 2 0 0 3 ， 2 7 ( 7 ) ： 7 7 8 0 6 侯 丽华基 于电力载波 的电能质量监 测系统 lJ 】 微计算机 信息 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 2 ) ： 1 2 0 1 2 3 HOU L i h u a El e c t r i c e n e r g y q u a l i t y mo n i t o r s y s t e m b a s e d o n e l e c t r i c p o w e r c a r r i e r 【 J 1 Mi c r o c o mp u t e r i n f o r ma t i o n ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 2 ) ： 1 2 0 -1 2 3 作者简 介： I ，从事继电保护工作 。 6 3 c o n 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 22 3 ( 王艳丽编发 ) 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m