全过程监测软件对电能质量发挥着重要的作用

电能质量与国民经济的各个部门和人民日常生活有着密切的关系和重要意义。电能作为一种商品，具有它本身的特殊性，电能的生产和消费必须同时进行，且电能的生产、传输和使用设备必须紧密地连接在同一电网上。因此，作为电力部门的产品——电能的质量，不仅与电力部门有关，而且与成千上万的电力用户有关。

电能的质量，通常以供电电压的频率、偏移、波动、闪变、间断、塌陷、尖峰、谐波畸变、三相不平衡度和高频干扰等项指标来表征。电能的质量，不仅取决于发电、输电和供电系统本身，现代工业化的迅速发展，接入公用电网的半导体换流器和非线性负荷，也会明显地干扰或降低配电网中的电能质量。要保证公用电网中电能的质量，必须由电力生产部门和接入电网中的广大电力用户来共同努力。为了保障供用电双方的合法权益，保证电网的安全运行，维护电气安全使用环境，必须加强电能质量的监测管理。

连续收集、记录、存储电能质量的信息，可以帮助供电公司在规划中正确地改善供用电系统的基础结构，提高系统运行的稳定性以及合理地扩大系统的容量和确定投资水平。

供电公司和工业用户都已建立起相当规模的供用电基础结构和设施，当供用电系统发生故障或被损坏，需要更换的情况下，无论供电公司或工业用户都要承担巨大的经济损失。

随着现代科学技术的发展，电能质量监测的新技术——全过程监测的出现，使电能质量监测的意义赋予了新的内容。通过全部时间内连续的跟踪监测，建立起表征电能质量的，真正有用的数据库，在供配电系统和用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，以便在毁灭性打击之前，提醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。

1全过程监测

1.1全过程监测的必要性

已有的电能质量监测仪品种虽然较多，但所记录的数据只能是局部和片面的，真正有用的信息往往难于捕获到。例如，1997年7月2日夜，天津某公司大型电弧炉配套用的静态无功补偿装置(下称静补)发生TCR电抗器闪络和三次滤波器烧毁个别电容器的故障。7月20日晨，该套静补装置又发生了更大的故障，该公司被迫停产，停产期间产值损失达4亿5百万元。事故后华北电力科学研究院迅速派员参与研究分析，提出了静补装置在修复期间保证电弧炉能迅速恢复生产的具体措施。经过3个月的运行，证明所采取的措施正确有效。静补装置虽已恢复正常运行，但在事故中毁坏严重，事故原因至今不明。如果进行电能质量全过程监测，把有用的信息记录下来，经过综合、对比和分析，在这些配用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，及时调整系统的运行状态和提前检修，有可能避免这两次事故的发生。

要把监测电能质量的各种仪器同时安装在一起使用，不仅费用昂贵，而且在时间和空间上也是有困难的。本文提出的全过程监测新技术，可以解决这一问题。全过程监测仪能够提供电能质量全方位各种参数的综合测量，与以往各种形式的监测仪相比，所需费用较低。另外，全过程监测仪能不断自行调节门槛阈值电平，以便使记录事件的捕获速率与存储器容量相匹配，实现全过程监测和记录。

1.2全过程监测仪的主要特征

1.2.1测量宽度

全过程监测仪具有测量电能质量全面指标的能力，其中包括，电压和电流有效值、阻抗，与电力消耗有关的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、位移因数、最大需量、电能以及电压偏移、电压频率。对于暂态干扰能够监测下列3种事件：

Ⅰ类事件：在0.5 ms～10 ms之间的电压瞬变;Ⅱ类事件：在10 ms～2 s之间的电压干扰; Ⅲ类事件：大于2 s的有效值电压事件，如下陷、隆起和中断等。

全过程监测仪还能监测三相电压不平衡、电压波动和闪变，系统中接地回路电流、母线电压和线路电流的各次谐波分量幅值和相位，总谐波畸变率(THD)和谐波功率流向。

1.2.2测量深度

全过程监测仪采用高速数字信号处理器，在每一个基波周期中可以测量各种有效值以及基于同一周期的其他各项参数，逐周期地测量，连续记录存储，不丢失数据。对于电压和电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、最大需求功率、真功率因数、位移功率因数、总失真度，三相不平衡度、频率、波动和闪变等参数，可获得长时间累积图。所记录的数据，主要以电子文件方式输出(包括文本形式和图象形式)，故而提供了以各种有效途径交流信息的机会。全过程监测仪可方便地以电力容差曲线为背景作出各种事件的记录。工作人员可以快速而且容易地按事件发生的时间或性质，在已记录的图象中找出所要的事件。全过程监测仪具有监测参数阈值的自适应功能，门槛电平可根据事件活动出现的几率不断地自行调整，无需工作人员干预，即可保证监测仪在监测期间能捕捉到最需要的事件。数据的收集和分析，报告的编写可以由全过程监测仪的轮询软件等来完成。

全过程监测仪所获得的数据，可以形成各种参数指标的、完整的数据库。通过将过去的数据与现在的数据进行比较，可预见事故可能发生的时间，对已变质的供用电设备状况预先报警，在设备损坏之前，进行调整和检修，即预防检修。

2系统结构

在已有的配电站设计中，用于开关柜的安装式仪表传统设计只提供电能消耗和有效值的参数，没有表征电能质量或谐波的表计。现有的便携式电能质量监测仪，虽然测量仪器与计算机的外围设备(如键盘、磁盘驱动器和CRT等)结合起来了，但没能成功地利用目前遍布于国家机关、企事业单位、金融和商业系统的个人计算机(PC)网的特点，来简化数据的传输、整理、分析，以及报告的编写。电能质量全过程监测仪能综合监测电能质量的各方面指标，而且紧密地与个人计算机相连接，充分利用现有计算机网的作用，可以经济方便地安装在供电公司的变电站或者用户配电站中。用以太网能够连接安装在供电区和用户基地上的关键位置的各台监测仪。如果监测仪安装在较远的现场，可以通过电话线和调制解调器来通讯联系。全过程监测仪的原理方框图如图1所示。

每台监测仪具有4个电压测量通道和5个电流测量通道。4个电压通道可以监测母线三相电压和中性点电压;5个电流通道可以监测线路三相电流、中线及地线的电流。如图1中所示，被测信号被衰减后，经滤波器分离为高于3.4 kHz的高频分量和低于3.4 kHz的低频分量。在低频信号通道中，为保证每个周期中正好提供128个采样点，使用一个同步脉冲发生电路产生采样同步脉冲，以6.4 kHz的频率，送至各个通道中的采样—保持电路和A/D转换器。被测信号经采样—保持后进行14位的模数转换(ADC)。数字化的被测信号被送进数字信号处理器(DSP)进行快速付立叶变换(FFT)，在100μs中计算出63次谐波分量的幅值和相位。每一个基波周期中反复进行这个过程，低频信号通道最高能测信号峰值1 000V，具有90 mV的分辨率。其他的参数，例如电压和电流的有效值、有功功率、视在功率、无功功率、真功率因数、位移功率因数、总畸变率等，均在每一个周期中同时算出。被记录的这些参数以一个周期的分辨率提供了长时间的累积图。按周期累积起来的数据可以清楚地显示出一个周期的最大值和最小值，以及该时间段中的平均值。同时还可算出三相不平衡度、电压偏差率、电压波动和闪变。在高频分量的通道中，被测信号进入一个10位、4 MHz的高速模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。该通道主要用于瞬变高速脉冲的捕获，可测量的最大信号电压峰值为8.4 kV，分辨率为12 V。

该监测仪主板上使用一个386微处理器和一个387协处理器，带有4 MBRAM。另外内置一个540 MB硬盘驱动器，用于存储记录下来的数据。监测仪备有一个并行口和一个串行口，所存储的数据可以经过以太网或电话线下载到个人计算机。在监测仪中，所记录存储的各类数据，已经作了各种必要的整理，因此下载的时间短。基于Windows应用软件驻留在个人计算机中，可以随时控制数据下载。通过操作软件键，工作人员可方便地观察所记录的事件波形，谐波频谱，对于电压和电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、最大需求量、功率因数以及总失真度、三相不平衡度、系统频率和闪变等，可以观察其长时间(一日、一周或一月)的累积图。

监测仪记录存储的电能质量事件的详细内容取决于采样和A/D转换的速率。对于供配电系统中功率因数补偿电容器的合闸和开断瞬变过程的记录，低频分量通道中6.4 kHz的采样速率较为合适。对于发生在设备内部的由电机和其他负载的投入和切断所引起的高速脉冲，可采用高频分量通道中具有4 MHz的高速采样速率，捕获低于250 ns宽度脉冲的具体形状，可以帮助用户诊断脉冲产生的原因，从而选择适当的解决方法。