2024年1月17日发(作者：)
基于异步采样的在线电能质量监测仪
韦向敏;赵春宇
【摘 要】传统的电能质量监测设备一般使用锁相环来实现同步采样,但是在频率阶跃、频率斜升和噪声比较大的情况下,锁相环会发生失锁现象,而异步采样又难以获取谐波信号.为了解决这一难题,提出了一种准同步采样算法,并设计了基于异步采样的在线电能质量监测系统.实际运行表明该设备对非平稳随机电网信号参数的准确监测,能避免同步采样中由于锁相环失锁带来的监测不稳定等问题.%PLL was used
by traditional power parameter monitor to realize synchronous sampling,
but PLL might lose of lock when grid signal had rapid frequency jump and
high-level noise while asynchronous sampling made harmonic parameters
hard to achieve. To solve the problem, a quisi-synchronous algorithm was
proposed and an asynchronous sampling-based power quality monitor
was designed. The practical operation shows that the system is able to
measure non-stationary grid signal parameters accurately, which solved
the problem of synchronous sampling-based monitoring unstable caused
by the loss of lock of PLL.
【期刊名称】《电气自动化》
【年(卷),期】2011(033)003
【总页数】3页(P23-25)
【关键词】异步采样;电能质量监测;锁相环
【作 者】韦向敏;赵春宇
【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240
【正文语种】中 文
【中图分类】TM744
0 引言
目前由电能质量问题引发的电网事故和纠纷呈上升趋势，电能质量的监测管理显得日益重要［1］。传统的电能质量监测仪(PQM)一般基于同步采样，虽然实现同步的技术已有很多，但比较实用的主要有锁相环技术。在信号比较平稳时，锁相环能够很好的实现同步，但是当被测电网信号的频率阶跃、频率斜升和噪声比较大的情况下，往往难以跟踪被测信号，即发生了失锁现象，此时将难以获取正确的参数，而此时的信号往往是最具研究价值的。上一代产品［2］在实际使用过程中就遇到了这样的难题。如果系统采用异步采样，固定采样率，将从根源上避免这一现象，但是基波和谐波参数将难以获取。离散傅里叶变换(DFT或FFT)是IEC标准61000－4－7推荐的谐波检测方法。异步采样中，由于电网信号的波动性，采样频率很难恰好是被测信号基波周期的整数倍，会产生泄露效应和栅栏效应，使计算出的参数(即频率、幅值和相位)不准确，无法满足测量精度要求［3］。本文提出一种准同步采样算法，先将异步采样数据调整为准同步数据，再通过DFT获取电网谐波参数。该算法和设备已通过测试，并将投入生产和使用。
1 监测参数和系统设计总体方案
电能质量参数种类繁多，就实际的电力系统，不加区分地研究所有电能质量现象是没有必要的。结合我国电网运行和电力电能质量监测系统发展的实际需要，该电能质量监测仪的所测参数有频率、电压电流有效值、三相不平衡度、谐波、闪变、电
压波动和电压暂降、暂升、短时中断，具体定义和规定可参见国家标准。频率和谐波的测量将在准同步采样算法部分详细介绍，其他参数的测量方法和上一代产品类似，可参见文献［2］，这里不做赘述。
监测系统的构架框图如图1所示。电网信号属于高电压、大电流信号，不适合直接做模数转换，所以需要信号调理电路，一般由互感器和放大器组成，将其调整为合适量值再进行模数转换。由于瞬变的持续时间很短［4］，一般的模数转换器难以捕捉，需要专门的检测电路，这里采用硬件比较器。由于需要的数据运算量比较大，需要用DSP来完成。
图1 监测系统的构架框图
DSP凭借强大的数据处理能力，负责收集和处理采样数据和瞬变信息，计算电能质量参数，并将波形和参数数据传送给ARM。ARM模块主要负责对DSP进行参数设置和管理统计数据，并可以把数据文件通过以太网传递给上位机，或者接受上位机的控制来修改参数值，同时该监测仪可以存储一周左右的数据在CF卡上。值得注意的是，在A/D和DSP之间、DSP和ARM之间都需要缓冲区，避免频繁中断DSP，影响DSP的计算效率。
2 准同步采样算法
我国工频电网信号的频率标称值为50Hz，允许的最大偏差为0.5Hz，要测量到50次谐波，根据Nyquist采样定理，采样率必须不小于5kHz，IEC标准规定参与一次FFT运算的信号长度为基波周期的10倍，同时考虑到FFT运算要求参与运算的采样点数为2的整次幂，选定固定采样频率为10240Hz，参与一次FFT运算的采样点数为2048个点。
由于电网信号的波动性，异步采样的2048个点对应的时间长度不能保证是电网信号基波周期的整数倍，直接对其使用FFT分析将产生严重的频谱泄漏问题，包括长范围泄露和短范围泄露，从而导致计算的谐波参数往往是有很大误差的。为了减
小泄漏，常用的改进算法有加窗FFT算法［5］。此类算法的核心是通过加窗来减少长范围泄露，通过插值来减小短范围泄露。在已有的大部分加窗算法中，一般需要求解关于谐波频率的高阶方程，求解比较困难，复杂度高，计算周期长，不适合通过硬件DSP来实现实时监测。
根据国家标准，PQM测量的基波频率的范围是45Hz～55Hz，2048个异步采样点不能保证恰好采样到了十个基波周期长度。当电网中基频低于50Hz时，此2048个采样点包含不到10个基波周期的信息;当高于50Hz时，则多于10个基波周期的信息，而国家标准中规定每个采样点均必须参与运算，所以多余的数据必须保留到下一次继续参与运算。为此，需要建立可存放4096个采样点数据的数据池。本文提出的准同步采样算法的思想如图2所示。首先通过对2048个异步采样点作FFT运算寻找基频，根据获取的基频设定新的准同步采样率，再异步数据作低通滤波，只保留基波成分，通过搜索法寻找基波过零点作为准同步数据的第一点，然后按准同步采样率对异步数据进行插值，依次调整出2048个准同步采样点，再进行FFT运算，得到谐波参数。插值过的数据需及时清出，剩下的搬移到数据池的前端，新采集的数据则加入到队列末端。
图2 准同步采样软件流程图
正确获取基频是谐波测量的前提，也是算法的核心。直接对异步数据进行FFT运算得到的频谱信息存在很大的泄露问题，不能直接用来测量被测信号基波和谐波，但是基波大部分信息仍存在于对应位置和邻近的谱线中。电网中基频是未知的，难以直接确定基频谱线位置，但是根据实际电网中的基波成分大于谐波成分，所以基波的大部分信息存在于最高谱线和周围的两到三根谱线中。这里采用多项式逼近法来寻找基波频率。为减小泄漏，在对池中前2048个异步采样点进行FFT运算前需加窗。假设频谱最大值是X(k)，附近两根谱线的幅值分别为X(k－1)和X(k+1)，由于本文采用的是汉宁窗，对应的基频计算公式为
其中
其中N为进行FFT的点数，即2048，fs是异步采样率，式(2)为根据切比雪夫最佳近似理论求得的，具体求解过程可参文献［6］。该算法相比需要求解高阶方程的方法，复杂度低，计算周期短。实验结果表明，三根谱线求取基波频率能够满足精度要求，具体结果及分析将在下一部分给出。这里值得注意的细节是DSP数据的精度设置。比如汉宁窗的表达式如下
其中i=0，1，2，…，2047，N 为一次处理的十个周期的数据，即2048。余弦值接近1时，就会出现相似数相减，如果数据精度不够高，将会造成很大的误差，实践证明，将窗函数设置为单精度数会造成很大误差，因此应设置为双精度数。
找到基波频率后，需要计算出新的准同步采样频率和采样周期，周期和频率互为倒数关系，周期的计算公式为
然后对异步采样数据进行低通滤波，再通过搜索法寻找基波过零点，从过零点开始按照新的准同步采样频率依次调整异步采样点为准同步采样点。因为异步采样率比较高，使用线性插值即可满足要求，这里采用算法简单，操作性强的牛顿二次插值。
用嵌入式硬件设备实现准同步化要比用MATLAB仿真要考虑到更多的问题。对于在线电能质量监测设备，实时性非常重要，算法必须要在规定时间内完成所有的操作，必须考虑对算法进行优化。比如需要大量乘法运算的卷积来实现滤波对于DSP来讲是不可取的，具体表现为在下一组采样数据缓冲区满对DSP发出中断时算法还没有结束，新的数据会冲掉没有来得及运算的数据，导致数据池中不再是连续采样点，从而导致仿真有效的算法在实际操作中失效，如果通过FFT来实现卷
积，则可节省大量时间。
准同步采样算法避开了复杂耗时的迭代运算，适合DSP实现，算法简单，精度高，可操作性强，便于实现实时监测。
3 实测数据与分析
仪器测试所用的基准源是由北京北研兴电力仪表有限责任公司生产的BY2086三相精密谐波源。本文的侧重点在于用准同步算法检测基波和谐波，其他参数的测试效果可参考上一代产品的文献［2］。表中同时给出了FLuke 1760三相电能质量测试仪的实测结果，以便进行对照。
GB/T 19862－2005中要求监测设备频率测量范围是45Hz－55Hz，偏差应小于0.01Hz，由表1中可以看出本文介绍的检测设备的偏差在小数点后第三位，完全满足国家标准的要求，并且精度稍好于Fluke 1760。
表1 基频测量数据?
表2 谐波测量数据(50Hz)
国家标准GB/T 19862－2005A级标准规定在谐波电压超过标称电压1%时，允许误差为谐波电压的5%，在谐波电流超过标称电流的3%时，允许误差为谐波电流的5%。由于篇幅的限制，表2只列出了二、三次谐波的测试结果，结果表明该设备能够满足国家标准对谐波电压电流的测量要求，并比Fluke 1760精度更好。多次测试表明，电压电流基波的幅值，谐波的次数、基偶性和幅值对测量结果基本没有太大的影响。只有在加入噪声时会产生多一点的泄漏，误差稍大一点，但仍在国家标准要求的范围内。
4 结束语
提出了一种准同步算法，设计了基于异步采样的电能质量监测系统，解决了同步采样中锁相环失锁导致的无法正确测量电能质量参数，和异步采样难以获取谐波参数的双重难题，从而取得有效地实时监测电能质量的目的。
参考文献
［1］ 黄丽丽.电能质量监测和监测仪器讲座［J］.仪表技术，2005，12(6):64－66.
［2］ 柴保明，赵春宇.在线电能质量监测系统［J］.电子测量技术，2008，31(7):128－131.
［3］ 罗德林，唐朝晖.电力系统谐波检测方法的研究现状及其发展［J］.国外电子测量技术，2006，25(4):6－8.
［4］ 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册［S］.北京:中国电力出版社，2001.
［5］ 李 敏，卢林菊.现代电力系统谐波检测方法［J］.国外电子测量技术，2007，26(11):15－17.
［6］ Wu J，Zhao W.A simple interpolation algorithm for measuring
multifrequency signal based on DFT［J］.ement，2009，42(2):332－327.
