低压配电网三相不平衡监测系统的设计与调试运行

2023-10-18孟庆宇

科学技术创新 2023年24期

孟庆宇

（吉林省金冠电气股份有限公司，吉林长春）

三相电压不平衡与电网谐波、电压闪变等是造成电能质量下降的常见因素。为了提高供电质量，电力公司必须要密切监测配电网中的三相不平衡度。在智慧电网广泛普及的背景下，设计和应用一种适用于低压配电网，并且能够满足动态监测、结果准确等要求的三相不平衡监测系统，对提高电能质量、降低负载过载等方面有良好效果。

1 三相不平衡监测系统的硬件设计

1.1 系统的硬件结构

本文设计的三相不平衡检测系统硬件部分主要包括信号调理模块、数模转换模块、数据处理模块以及无线通信模块4 部分。三相电压信号（U）经过限流电阻后转化成电流信号，然后经过电压互感器（PT）及其辅助电路的处理，使电流信号重新变为幅值较小的电压信号。对该电压信号进行抗混叠滤波处理以及交直流转换处理后，得到能够被数模转换器（ADS8364）识别电压信号。三相电流信号（I）经过第一级电流互感器（CT）后转化为幅值较小的电流，再通过第二级CT 及其辅助电路，以及抗混叠滤波电路等处理后，成为能够被ADS8364 识别的电压信号。ADS8364 将采样数据进行数模转换后，把模拟信号转换成数字信号，并发送至数据处理模块（TMS320F2812），完成数据计算、分析后得出三相不平衡度。利用无线通信模块（EM310）将三相不平衡度发送给数据中心，从而实现对低压配电网三相不平衡度情况的实时监测。该监测系统的硬件组成如图1 所示。

图1 三相不平衡监测系统的硬件架构

1.2 信号调理模块的设计

考虑到低压配电网中的电压、电流信号无法直接输入到数模转换器中，因此在本系统中设计了信号条例模块，该模块的核心元件是电压互感器（PT）和电流互感器（CT）。这里以SPT204A 型电压互感器为例，概述信号调理模块的设计思路。SPT204A 的电气参数见表1。

表1 SPT204A 的电气参数

电压信号从JP4 接口分两路传入，其中一路直接连接SPT204A 的1 号串口，另一路在串联1 个限流电阻后连接SPT204A 的3 号串口，其目的是保证电压互感器的输入信号为额定电流。在SPT204A 的副边侧设计一个运算放大电路，将电流信号转换成电压信号。通过改变限流电阻的组织，可以调节输出电压信号的峰值，确保经过调理后的电压信号能够被数模转换器正常识别[1]。本文选用的SPT204A 电压互感器具有精度高、密封性好等特点，可以满足多种场合的信号调理要求。

抗混叠滤波电路和交直流转换电路也是信号调理模块的重要组成部分，前者可用于抑制、消除电网中的高次谐波，设计二阶低通抗混叠滤波电路实现该功能；后者则是将幅值较小的交流电压信号转换成单极性直流信号，以便于ADS8364 能够准确识别。

1.3 数据处理模块的设计

数据处理模块的核心设备是DSP 处理器，可以对ADS8364 转换后的数据进行计算与分析。鉴于前端采集到的数据量较大，要求DSP 处理器具有极快的运算速度，本文选用TI 公司研发的TMS320F2812 定点型DSP，每秒运算次数可达8000 万次。该处理器CPU 主频为180 MHz，时钟周期8.2 ns，内置16 位256KB 的Flash 以及16 位32KB 的RAM，拥有12 个通信接口，可满足串行通信、局域网通信、外部存储等数据传输需要。DSP 处理器的工作电压为3.3 V，而三相不平衡监测装置中其他电子元件（如ADS8364 等）的工作电压为5 V，为了防止DSP 处理器发生过压损坏情况，本文在数据处理模块中设计了稳压电路，该电路的核心零件是LM1085 稳压芯片，可以将输入的5.0 V 电压降低为3.3 V 电压，稳压电路结构如图2 所示。

图2 3.3 V 稳压电路

DSP 处理器的常用复位方式有2 种，即软件复位、硬件复位。本文选择了可靠性更高的硬件复位。装置上电后，判断电容两端是否为“高电平”，如果判断为“是”，则装置上电并完成自动复位；如果装置出现死机情况无法完成自动复位，可采用手动按键复位[2]。

1.4 无线通信模块的设计

三相不平衡监测装置在运行时，前端数据采集装置与数模转换设备、数据处理设备之间频繁进行通信，通信状况的好坏是决定该装置性能的一个关键因素。鉴于低压配电网中监测点的分布零散，有线通信会导致成本的增加，因此本文在设计通信模块时选择了通信速度不低于20 KB/s 的GPRS 无线通信。在硬件方面，选用了华为公司研发的EM310 作为通信装置，其优点是内置TCP/IP 协议栈，无需另外编写TCP/IP 协议；可以利用485 接口直接与MCU 等进行通信，降低了开发难度。GPRS 的通讯原理如图3 所示。

图3 GPRS 通讯原理

基于EM310 的GPRS 组网方案有多种，例如以固定IP 方式入网、以动态IP+DNS 方式入网，以及以APN 专线方式入网等。本文基于通信可靠性、经济性价比等方面考虑，选择了以固定公网IP 的方式将本地服务器接入Internet，实现监测装置与服务器之间的无线通信。

2 三相不平衡监测系统的软件设计

2.1 无线通信模块的驱动程序设计

该程序可实现两项功能：其一是初始化EM310，并在本地服务器与EM310 之间建立通信；其二是检测到服务器断开链接，或者是数据未成功发送时，使设备复位，并尝试在设备与服务器之间再次建立通信。直到通信建立，自动结束本次程序[3]。这里以DSP处理器与EM310 之间的通信为例，驱动该程序设计如下：

开放DSP 内置SCI 串行通信接口，利用该接口让DSP 处理器与EM310 建立连接。配置SCI，将波特率设置为9600，中断级别设置为5，使能FIFO 接收中断。SCI 配置完毕后，复位EM310 并取消回显，将数据模式设置为“不进行压缩转换”。成功激活PDP 后，使TCP/IP 协议栈初始化，完成与目标IP 的链接，等待接收数据。当接收到数据后，首先识别数据类型，如果为整型则将其转换成字符型。例如接收数据为“1234”，则转换为“0x31,0x32,0x33,0x34”。然后发送至本地服务器，在服务器上动态执行一个判断语句“是否发送成功”，默认刷新时间为10 ms。如果判断结果为“是”，则结束本次通信，并继续等待接收新的数据；如果判断结果为“否”，则重新复位EM310。

2.2 数模转换模块的驱动程序设计

本文设计的数模转换驱动程序如图4 所示。

图4 数模转换流程

利用DSP 处理器内置的GPIO 口向ADS8364 发送一个复位信号；在接收该信号后，事件管理器（EVA）为ADS8364 提供时钟脉冲，利用CPU 定时器终端为ADS8364 提供采样脉冲。将前端采集的模拟信号成功转化为数字信号后，将EOC 引脚的状态从“高电平”转换为“低电平”，同时触发DSP 处理器的外部中断（由0 变为1），并运行中断处理子程序，正常读取数字信号。每当采样数据达到一周波后，DSP 处理器会暂时中止对外输出采样脉冲[4]。同时ADS8364 的数模转换也会暂停，此时进入到数据处理程序，由DSP处理器对数据进行计算分析。

2.3 数据处理程序设计

数据处理程序的主要任务是在读取一周波转换数据后，将数据还原成实际大小，然后使用快速傅里叶变换（FFT）对该周波数据进行计算，得到三相幅值相角。使用对称分量法处理三相幅值相角，得到三相不平衡度，并在监测装置的显示器上呈现出来。

3 三相不平衡监测系统的调试运行

3.1 监测方法

在实验室环境中对上文设计的三相不平衡监测系统进行调试运行，测试装置的安装效果如图5 所示。配电变压器采用三相四线制的方式经过低压配电柜向直流屏供电，当直流屏处于充电状态时开始测试，在低压配地柜的输出线上设置监测点，采集三相电压、三相电流等信号进行计算，并利用GPRS 无线通信模块将计算结果传输至数据中心[5]。

图5 监测装置连接

3.2 测试结果

三相不平衡监测装置的计算结果显示，10 kV 低压配电网中三相电压中，B 相电压最高，C 相次之，A相最低。综合对比来看，B 相电压值波动明显，而A 相和C 相电压较为稳定。在实验进行10 s 后，B 相电压幅值有明显下降，此时三相电压的差值较之前有所降低，说明此时三相电压的不平衡度有减小趋势。当B相电压值升高后，三相电压的差值也进一步增加，三相电压不平衡度上升。当D 相电流幅值为0.6 A 时，C相电流幅值约为1.5 A，不平衡度约为30%。由此可见，本文设计的三相不平衡装置能够准确反映电力系统中三相不平衡情况，为低压配电网的运行维护提供了依据。