基于modbus的变电站多点电能质量监测-马文亮.pdf

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1、基于Modbus的变电站多点电能质量监测 115基于Modbus的变电站多点电能质量监测马文亮1，谭兴国2，杜少通2(1国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏南京211102；2河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454003)摘要：变电站及其所在配网的电能质量监测与责任定位区分问题引起各方广泛关注，旨在研究变电站中关键节点设备处电能质量多点检测技术。基于DSP28335设计了电能质量参数采集和调理电路，设计了主要电能质量参数计算方法，实现了对电压和电流谐波、不平衡度、功率因数等参数提取。结合检测数据，对电能质量问题进行分析和预警，并基于谐波功率潮流定位方法，通过计算电能质量检测点PQU

2、处谐波功率极性，判断谐波源方向，再结合源侧多点检测数值，确定谐波分布情况。设计了基于ModbusRTU协议的上下位机通信协议，借助力控组态软件建立上位机电能质量监测与评估软件。关键词：电能质量；监测；多点检测；Modbus；组态软件中图分类号：TM932 文献标识码：A 文章编号：10008829(2017)12011504Multi-Point Power Quality Monitoring of Substation Based on ModbusMA Wenlian91，TAN Xinggu02，DU Shaoton92(1Maintenance Branch，State Grid J

3、iangsu Elecrtic Power Co，Ltd，Nanjing 21 1 102，China；2School of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)Abstract：The power quality monitoring and the division of the responsibility of the substation and distributionnetworks are widely concernedTo study

4、the multipoint detection technology of power quality in the key nodeequipment of the substation，based on DSP28335，a power qualit)r parameter acquisition and conditioning cir-cuit is designed，as well as the calculation methods of the main power quality parametersThe parameters suchas voltage and curr

5、ent harmonicsimbalante and power factor are extractedCombined witl the test data，thepower quality problems are analyzed and forecastedBased on the harmonic power flow localization metlodthedirection of the harmonic source is judged by calculating the polarity of harmonic power of PQU，and then thehar

6、monic distribution is determined by the source side multipoint PQU detection valueThe communicationprotocol based on Modbus RTU protocol is designed，and the power quality monitoring and evaluation softwareof host computer is established by means of ForceControl softwareKey words：power quality；monito

7、ring；multipoint detection；Modbus；configuration software变电站所在的配网电能质量监测在电力系统中广受重视，电网部门以此为依据保证电网可靠运行，同时监测用户向电网排放污染情况；一些电能质量敏感企业可借此了解电网供电质量，研判其对敏感设备的影响；对电网污染较大的企业则可以监测其向电网排污达标情况，检验其补偿设备是否有效；同时该设备保存收稿日期：20170823基金项目：国家电网江苏检修公司2017科研项目(SGJSJX00YJJSl71703362)；河南省高等学校重点科研项目(16A470009)作者简介：马文亮(1978一)，男，硕士，工程

8、师，主要研究方向为变电站运行维护。的客观数据，也可以作为电网与客户发生争端时的评判依据1。纠。目前电能质量监测设备向着智能化的方向发展，笔者根据变电站中电能质量监测的实际需求，设计了以DSP28335为核心的电能质量监测硬件电路，包括传感器和变送调理、AD转换电路等。设计了软件锁相和谐波分离算法，基于Modbus RTU协议设计了下位机通信软件，借助力控组态软件完成了上位机监测软件设计。1 电能质量监测方案11 总体方案为便于多点测量的需要，方案采用模块化的设计万方数据116 测控技术2017年第36卷第12期思路，总体方案如图1所示。以DSP28335为控制核心，设计电压和电流检测和调理电路

9、，借助DSP自身的AD转换端口完成三相电压和电流信号的采集，经内部算法处理，得到各次电压和电流谐波数据，并可分析电压、电流对称度、功率因素、总谐波含量等典型电能质量参数。将电能质量计算结果连续写入指定存储单元，再通过Modbus RTU协议送到上位机分析处理。12硬件电路设计电能质量测试仪的硬件电路设计中，以多路交流电压电流变换与调理电路设计最为关键。121调理电路设计对于交流模拟电压和电流的检测，一般先将高压大电流模拟信号转换为低压小电流交流信号，再经AD电压互孚垂圈霍毁爿堡壁量F剥堕垂龛孤墨=攫网I一 存储器显示图1系统总体框图转换装置转化为数字量进行计算。对于交流信号的处理，可采用双极性

10、AD转换芯片，如AD574等；从简化硬件电路角度直接使用DSP自带12位AD转换端口，但由于其只能接收单极性电压信号，因此需要设计调理电路将双极性信号变换为单极性信号，如图2所示。图2 电压变送和调理电路图2中输入电压信号经电阻R。，转换为mA级电流信号，在电压互感器(5 mA：5 mA)副边经采样电阻R。：转换为低电压模拟信号。调理电路中，为抑制共模干扰，电压互感器输出采用差动方式输出到后级放大器，经其变换到AD转换器容许的范围之内。此时第一级U。，的输出与输入电压的关系为蜘一等RA_66 (1)122多机通信接口设计考虑到多点电能质量采集的要求，各点电能质量采集应通过多机通信系统上传到上位

11、机。本文设计了RS485接口电路，可完成多个监测终端的远距离信息采集，如图3所示。上位机通信通过USB连接计算机，Fr232R可将USB转换为1TrL电平，再经SP481转换为RS485电平用于连接多个下位机。其中b3232R具有内部可编程的UART控制器，波特率从18 bits3 Mbits可调。本电路中将可编程IO的CBUS3和CBUS4引脚配置成SP481的数据发送(TXDEN)与接收(PWREN)使能引脚。CBUS0和CBUSI则配置为数据收发状态端，外接LED用以指示数据收发状态。13软件设计131 电能质量参数计算变电所中的电能质量指标主要包括电压和电流中的各次主要谐波含量、电压平

12、衡度、电流平衡度、功率因数、相位关系等。其中最为关键的是计算各次谐波VCC J VCC TXD RXD 2 l筹。A 7D_USBDM RXDD USBDP瓦两 4 I占fGN占PGND 而VCCIO丽CT隈ST SP48lC71。RESE兰DS二兰ROSCISBPOR 豇 D3 Vt10nFVCC。0SC0 1“ 蒜lR3A 470Q16 D4 iT 3V30UT cCBBuUsS? RYI Fn 2 5 门 UR3B 470n 哆 ，门亍又丽GRE亡N哆REDc8= =c9 涨CB4SCBU iPWREN47uF拦万方数据基于Modbus的变电站多点电能质量监测 117含量。J。采用FFr

13、算法计算基波及21次以下主要谐波含量。考虑到快速FFT计算要求对信号进行完整的整周期计算，为了提升其计算的实时性，减少离散FFT计算量，采用递归离散FFr算法。该算法的核心是每次均采用最新采样值计算。一个周期为r、角频率为甜的周期信号X(t)，若对其进行离散采样，每个周期采样点数为，采样周期为r，则周期信号可表示为并。(詹r)=A。cos(ntokr)+B。sin(nxokr)，N-IA。=青X(mr)cos(noJmr) r2、，N-IB。=青x(m_r)sin(ntomr)由于计算过程中要求从固定起始点m=0开始，再对其后的一1个数据同时参与运算，故对于瞬时谐波分析的实时性略差。若已知当前

14、采样i之前的个采样值，则，-二A。(i)=青x(mr)cos(noJmr)，) 二(3)B。(i)=青x(mJ)sin(ntomr)对其进行递归推导，结合信号周期的特性可以得到： A。(i)：A。(i1)+兰上2丛!三二二坌丛。=；尘_!二L捌”r4、曰。(i)：Bn(H)+出堕L坐出捌一算法计算的过程中，需要先设置一个容量为的存储区，初始值为零。每个采样周期根据采样值所处位置进行数据更新。从式(4)可见，FFT计算谐波含量时，只需对当前采样点进行计算，而无需个采样点一起计算，从而减少FFr计算工作量。132电网同步信号采集电网同步信号的采集是电能质量分析的基础，借助三相软件锁相原理获得电网相

15、位信息口。根据坐标变换的原理，三相电压合成矢量口。的大小不变时，同步旋转坐标系下的H，的口轴分量M。可以反映出d轴和电网电压“，的相位关系。当tt，。=0时，电网电压H，和d轴同相。通过控制tt。=0可以实现两者的同相位。将零与M。做差后，经PI调节器得到与基准频率比较后，经过积分，得到锁相相位角0。其实现原理如图4所示。13。3 Modbus软件协议硬件采用RS485网络建立主从式多机通信系统，通过主机呼叫从机，从机应答方式进行通信。为了便于与力控等组态软件进行通信，下位机各模块均采用Modbus RTU通信协议。通信协议中约定的格式如表1所示。J和L声 Ud+q 彩dq之二k7 U”图4电

16、网同步信号计算表l Modbus RTU通信协议格式Modbus协议定义了主从设备识别方法和规定的报文格式M。J。考虑到计算的电能质量参数精度，数据一般采用2字节，在通信协议中要明确各电能质量参数的起始地址。为防止通信出错，应用CRCl6校验。134 多点检测与谐波源定位方法电能质量检测的目的之一是为了定位谐波源以及划分谐波责任。文献8一文献10中提出了很多种谐波定位方法，包括基于谐波功率潮流方向和谐波阻抗的检测方法等，以图5为例。PQU(a)沲、 | 僻卜前向 后向(b)(c J图5谐波功率方向定位原理图5中，黑块即为电能质量检测单元PQU，其谐波源可分为前向和后向；图5(b)中z，为某PQ

17、U的前向(电源侧)等效阻抗，z。为其后向(用户侧)等效阻抗；故图5(c)中系统谐波阻抗Z=互+Z。=jX，X为总谐波电抗；则图5(c)中PQU后向的谐波功率为p=以Icos0=以玑sirr3X (5)式中，0为以超前电流川|勺相位；占为系统侧与用户测谐波源相位差。当P出现正负值时，说明谐波来自不同侧。确定谐波方向后，可以再通过多点电能质量中谐波含量的数值大小比较，进一步确定各谐波源的方向。仍以图5(a)为例，首先通过计算PQu处谐波功率正万方数据118 测控技术2017年第36卷第12期负值，确定谐波源方向；若谐波源确定为后向，则进一步比较PQu和PQu的谐波含量多少，确定各次谐波的主要分布。

18、2结果验证21 同步信号检测结果图6为本装置计算电网同步信号的结果。其中以。为电网A相电压，为相位角，玑为根据计算得到的电网A项基波信号。可见能实现对电网相位的准确跟踪。co(5vN)jl。八八4。(sv,NIU鬟o5V，袼)t(20ms格)图6 电网旧步信号检测22上位机组态监控软件为了能够在上位机实时监控变电站各关键节点的电能质量信息，建立了三相二极管不控整流实验平台，制作特定谐波污染，用于验证监测效果。图7为A相电流电能质量中谐波含量检测结果。图7 A相电流谐波测量图8为通过本装置测量的各主要电能质量参数，可以通过设定参数阈值，对超范围的参数进行报警指示，借助对多节点参数的分析，还可以对

19、主要电能质量污染源进行有效定位。擤a-9_。s_-目m1_-_口_。一一；th-l目i- tf*t tit_l E圣tnt$。tEtt#i# t-t_禳 警矗鹱k鬻盏鉴、攀攫k嗽缫j登i漂；鼍l絮雨j盯；研鄹!矿了+Ffil一i =t；， 睢醛牡 i#自a硎qj 04# 日；“* n。I 崾!； !“ _1躔T；。， +#牡 rWSq删i r， =日i蚺 # 。t1、!m礓i一、【 u日疆j 啪i H 耻t月 ，H 1jE-+1，! 4l!：#! ?H Eit i 1州，+：t州o“拍4r ，。qtiSit 、n ti“。!日喁!?h ：，罹鼍舞产广器一 ii鬻h；1孕嚣o；一；导焉卜；f一一

20、*n*#b， *_ H_ m#t，“一0 。a 21 kYbA： t bj 1。 5Plg+一 ，+一一 L 一舭 o m * “!_ _1 -1 “褂： R一 ： *_妻世 M 1t ：堤i：5ti+ 一 。 b。 “+。 ， h。 “一n Jl 4 ： m。im k - h-HA黼L 、 t“ = Jo !FE：1 ix tL E L+ mL L 一二L th=蛋墨撞，生箍CE，一_一I 上 一 一。 ：二二：二二!二m iFv H m c 日”mI F ，蜘 ：c 一：-濉斛H m + X： i、图8各主要电能质量参数记录3 结束语为满足变电站等配网关键设备的电能质量监测要求，设计了基于

21、DSP的下位机电能质量检测装置，应用迭代法FFT获取各次谐波参数，给出了电压相位同步跟踪的实现方法，利用Modbus RTU协议完成了基于RS485的多机多节点通信系统设计；在力控组态软件中实现了电能质量数据的采集与分析，为下一步服务于电网奠定了基础。参考文献：1 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)：1381472 林海雪电能质量指标的完善化及其展望J中国电机工程学报，2014，34(29)：507350793杨新华，雷洋洋，吴丽珍，等交流型微网指定次电压谐波主动补偿策略J电网与清洁能源，2015，3l(5)：2l一264李彩林，惠梓

22、舟，蔡儒军，等三相四线制有源电力滤波器指定次数谐波控制策略J电测与仪表，2017，54(3)：83885琚兴宝，徐至新，邹建龙，等基于DSP的三相软件锁相环设计J通信电源技术，2004，21(5)：146 陈可伟，张金成，王钰，等基于MODBUS协议的无线传感器网络网关设计J测控技术，2016，35(2)：991037 高旭彬基于MSP430单片机的Modbus协议软件设计方法J工矿自动化，2013，39(4)：87908周林，张凤，栗秋华，等配电网中谐波源定位方法综述J高电压技术，2007，33(5)：1031089 杨源，臧天磊，何正友一种谐波阻抗未知条件下的谐波源定位方法J电网技术，2014，38(1)：22222610j 艾永乐，郑建云基于谐波有功功率贡献量的主谐波源定位J电力系统保护与控制，2015，43(7)：1622口万方数据