直流供电系统电能质量实时监测装置的研究与设计

0 引言

近年来, 电力电子设备的应用领域越来越广, 电能质量问题引起了各国电力工作者的高度重视。各类冲击负荷、非线性负荷容量的不断发展, 使得电网中电能质量问题越来越严重;特别是对高耗能直流供电系统行业的电能质量提出了更高的要求。电能质量分析仪作为对电网及工业现场等进行检测及分析的专用便携式产品, 得到了飞速的发展。但它价格通常比较昂贵, 且不能实现长期的在线监测, 不能与上位机PC机实时通信, 使用户无法实时了解直流供电系统的电能质量状况。

因此, 本文设计了一种基于以太网通信的直流供电系统电能质量实时监测装置, 实现电源交流网侧电能质量实时监测及谐波分析等, 可以实时评估直流供电系统的电能质量运行情况, 为有载调压开关档位及触发角调节控制、谐波抑制、无功功率补偿等措施的实施提供依据。

1 直流供电系统电能质量实时监测装置总体拓扑结构

直流供电系统电能质量实时监测系统拓扑结构如图1所示。直流供电系统主要由三部分构成:调压及整流变压器、整流柜以及直流负荷。本装置在电源交流网侧设置一自主研发电能质量实时监测终端, 对交流网侧的三相电压及电流6路信号进行同步数据采样, 并定时将采样数据通过以太网上传至上位机系统, 由上位机电能质量实时监测平台软件实现电能质量运算、谐波分析、数据存储以及电能质量参数实时图表显示等功能。

2 电能质量实时监测终端设计

电能质量实时监测终端硬件原理如图2所示。三相电压及电流信号经过电压及电流互感器进入信号调理电路, 最后进入A/D转换芯片;单片机实现A/D转换芯片的启动、A/D转换结果的读取与存储。其中, 单片机选择8位低价高性能STC89C51单片机;A/D转换芯片选用TI公司的可6通道同步信号采集的16位高精度模数转换芯片ADS8364;通信模块采用上海卓岚公司的ZLSN3000 (串口转以太网模块) , 实现与前置机软件的数据交互。

33上上位位机机电电能能质质量量实实时时监监测测平平台台软软件件设设计计

上上位位机机电电能能质质量量实实时时监监测测平平台台软软件件功功能能如如图图33所所示示。。其其主主要要包包括括前前置置机机通通信信模模块块、、电电能能质质量量分分析析模模块块、、波波形形显显示示模模块块、、历历史史数数据据管管理理等等功功能能模模块块。。

3.1 前置机通信模块

前置机通信模块作为实时监测终端与上位机系统的通信桥梁, 主要实现对终端上传采样数据的读取与存储。上位机系统作为TCP服务器监听终端信息;终端设为TCP客户端, 定时将采样数据通过串口转以太网模块上传至前置机。前置机通信软件的工作流程如图4所示。首先, 系统进行初始化工作, 为终端上传的三相电压、电流数据以及电能质量算法分析后的参数数据开辟相应的数据缓冲区;然后将前置机系统设置为TCP服务器, 并建立监听Socket, 当接收到终端的TCP连接请求时, 会立即与终端建立TCP连接, 并读取终端上传的数据包, 根据自主设计的通信协议对数据包进行解析, 最终将解析的三相电压、电流数据保存到相应的数据缓冲区中, 接下来重复以上工作。

3.2 电能质量算法分析模块

电能质量算法分析模块将前置机通信模块读取并存储的三相电压及电流数据代入电能质量分析算法, 最终将计算结果保存到数据缓冲区中供电能质量显示模块数据表显示调用。电能质量算法公式目前应用较为普遍, 这里就不做过多赘述了。

3.3 电能质量参数显示模块

该模块显示的参数主要包括三相电压及电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、三相谐波电压、电流畸变率、三相电压、电流不平衡度、50次以内三相谐波电压、电流幅值及相位等。

3.4 波形显示模块

该模块主要实现三相电压及电流波形、基波向量图、三相谐波电压柱状图、三相谐波电流柱状图的显示。软件功能上主要包括数据缓冲区中三相电压及电流数据的读取模块、基波及谐波参数的读取模块以及图形与数据接口模块。

4 结束语

直流供电系统电能质量实时监测装置具有成本低, 能长期在线监测, 并能与上位机PC机实时通信的特点, 可以轻松捕捉故障现场的电源质量问题, 使用户实时了解到直流供电系统的电能质量状况, 为电气设备的稳定运行提供可靠的数据依据。

摘要：针对当前电能质量分析设备价格昂贵且无法实现长期在线监测的现状, 设计了一种基于以太网通信的直流供电系统电能质量实时监测装置。该装置可实现对直流供电系统交流网侧的三相电压及电流数据的实时采样, 并定时将采样数据通过以太网上传至上位机电能质量实时监测系统, 由上位机系统实现交流网侧的电能质量及谐波分析, 最终通过图表的形式实时显示给用户。使用户实时了解到直流供电系统的电能质量状况, 为电气设备的稳定运行提供可靠的数据依据。

关键词：直流供电系统,电能质量监测,以太网通信

参考文献

[1] 刘忏斌, 冯公伟, 崔督普, 等.硅整流所电力设计[M].北京:冶金工业出版社, 1983.

[2] 郭谋发.配电网自动化技术[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[3] 任春丽, 唐求.电能质量远程监测管理系统[J].仪表技术与传感器, 2011 (3) :44-46.

[4] 王玲, 徐柏榆, 李玎, 等.电能质量监测装置全自动校准系统设计与应用[J].电测与仪表, 2014, 51 (1) :95-100.

[5] 张逸, 林焱, 吴丹岳.电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J].电力系统保护与控制, 2015, 43 (2) :138-147.