实现工程级网络型电能质量分析仪设计

一、项目概述

电能质量定义为导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差。电能质量监测系统是保证电力系统安全可靠和经济优质运行的技术支撑。随着市场经济和电器设备的发展，电能质量受到供电企业和电力用户的共同关注。供电企业可对不同的电能质量划分等级、分别定价；用户可根据设备及生产工艺选择不同质量的电能。因此电能质量分析仪成为热点产品。
 
目前产品多表现为单独的电能质量检测仪器，只能用于某时某地的检测，分析预测及智能性不强。随着数字信号处理理论及器件的发展，对电能参数进行深入分析成为可能，网络技术为远程定位、时钟同步等功能提供了低成本的实现方法。
 
本项目利用AT32UC3A0512实现了广域电网的层次化电能质量检测系统，对供电企业和用户都有重要的意义。系统由两部分组成：一是独立的电能质量分析仪，区别于目前的产品提高了分析检测指标，并增加了功率因数补偿功能，可降低用户的成本。二是实现了电能质量分析仪的局域网接口，可用于用户的多点随时检测。
 
二、需求分析

2.1 功能要求

整个系统由监控总站、监控终端三部分组成。系统比较庞大，实现了主要功能。
 

图1：系统架构

 
2.2 性能要求

本项目基于EAT32UC3A0512的AVR EVK1100设计实现了层次化电能质量检测仪。首先是本地电能质量监测仪，能测量电力线的电压偏差、闪变、不平衡度、谐波、频率、无功功率等电能质量参数，并实现了功率因数的自动补偿；其次利用AT32UC3A0512的MAC功能实现了局域网内的网络互联，重点是IP地址的自动获取、设备和服务的广播及发现等，通过分析网络中不同监测点的参数实现故障的定位；具有技术先进行和功能实用性。
 
三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

图2：系统整体原理框图

 
在EVK100上实现层次化电能质量检测仪，主要扩展电网接口板。基本原理如下图所示。另外增加的功率因数补偿功能从硬件上需要增加电力电容切换接口板，其原理如下所示。

图3：电网接口板硬件结构框图

图4：电容切换原理图

 
3.2 硬件平台选用及资源配置

EVK1100是一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统。它配备一系列丰富的外设、内存，可充分开发AVR32设备的全部潜能。支持AT32UC3A、以太网端口、传感器（光照、温度、电位器）、4x20蓝色LCD（PWM变频背光）、JTAG连接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。本设计充分挖掘EVK1100的基本功能，并结合了最新的技术发展，主要体现在：
 
1、利用网络接口实现远程连接。
2、利用USB接口实现了采集数据的存贮功能。
3、利用串口连接PC实现设备控制和调试控制。
4、利用模拟量和数字量实现电网检测等功能。
 
遗憾的是模块本身配置的显示功能不够强大，只能显示文本信息。若能配置高端显示模块可实现波形显示、现实模拟等功能，更具有使用价值。但基于EVK1100模块可通过网络在计算机上实现这些功能。

3.3系统软件架构

整个软件从功能上分为两部分：一是本地电能质量分析仪的功能，二是网络应用。
 
电能质量参数的测量。采用准同步采样和时间累积平均的方法计算参数。省掉了采样的同步环节，增加采样点和采样周期数再进行数值积分运算就可获得采样信号平均值的高准确度估计，可得到很好的结果。功率计算中瞬时乘积包含有二次谐波项，如果电压电流通道存在失调值，乘积中还有基波分量，这些都可以归为干扰信号，基波项的幅值一般很小，但二次谐波项的幅值是电压电流幅值相乘比较大。使用数值积分方法会存在截断误差，且增大了误差变化范围。因此在功率通道中，乘积之后首先经过一个二阶低通滤波器使高次谐波分量幅值大大减小，且不改变各次谐波的周期，而对于直流分量即需要提取的数值没有影响。滤波输出包含各次谐波功率，因此这种滤波器设计符合全功率测量。低通滤波器的指标为：通带边缘频率10Hz，通带波动系数0.001，阻带边缘频率90Hz，衰减系数0.3。
 
网络应用方面，EVK1000本身有以太网接口，并且其DEMO程序中有http协议的实现代码，可以修改利用。
 
3.4 系统软件流程

图5：本地测量程序运行流程图

 
3.4 系统预计实现结果

1、实现本地电能质量测量，实现国标中的参数测量。
2、实现功率因数的自动补偿。
3、实现网络连接，通过网络测量电能质量参数。

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