電壓暫降監(jiān)測裝置及其關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要提出了專用型電壓暫降監(jiān)測裝置的功能需求，以及基于STM32F4系列的ARM和FreeRTOS操作系統(tǒng)構(gòu)建的軟硬件方案；討論了時長優(yōu)先法、事件優(yōu)先法、事件特征優(yōu)先法3種暫降啟動及記錄策略的原理和流程，并對其各自優(yōu)缺點進行了分析比較；討論了電壓暫降單相啟動事件、多相啟動事件、重復(fù)啟動事件的數(shù)據(jù)文件記錄內(nèi)容和事件特征描述方法；還對發(fā)生電壓短時中斷與電壓暫升時的啟動識別和記錄進行了探討。0?引言電壓暫降俗稱“晃電”，屬于暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)。近年來，電網(wǎng)公司接到的用戶關(guān)于電壓暫降引起的生產(chǎn)中斷、設(shè)備損壞、產(chǎn)品減產(chǎn)或報廢等投訴越來越多，引起了各界高度關(guān)注。根據(jù)美國和歐盟的電能質(zhì)量項目統(tǒng)計，電壓暫降已經(jīng)成為造成用戶經(jīng)濟損失最大的電能質(zhì)量現(xiàn)象。一直以來，國內(nèi)沒有專門針對電壓暫降這一指標(biāo)進行獨立監(jiān)測的設(shè)備，而是利用電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，涵蓋對電壓暫降的測量，然而在實際使用中效果并不理想。一方面是由于設(shè)備在軟件算法上存在諸多不完善或不符合標(biāo)準(zhǔn)的問題，另外方面由于設(shè)備安裝復(fù)雜、造價高、通信量大等原因阻礙了電壓暫降監(jiān)測和管理工作的大面積推廣。本文旨在提出專用型電壓暫降監(jiān)測裝置的關(guān)鍵功能需求，對監(jiān)測裝置的整個軟硬件架構(gòu)設(shè)計，對監(jiān)測過程中的事件識別和記錄方法進行分析優(yōu)化，并對發(fā)生電壓暫降中的單相事件、多相事件、重復(fù)事件的文件涵蓋數(shù)據(jù)和特征描述進行討論。1?關(guān)鍵功能設(shè)計目前為止，國內(nèi)外還沒有相應(yīng)的電壓暫降監(jiān)測裝置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，文獻為唯一可以參考的標(biāo)準(zhǔn)。作為一個功能齊全的通用型監(jiān)測設(shè)備，應(yīng)該具備如下基本功能：1）事件觸發(fā)及數(shù)據(jù)記錄功能。裝置應(yīng)在電壓信號滿足電壓暫降的啟動門檻后，準(zhǔn)確啟動數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)文件不僅包括暫降持續(xù)的整個過程，還應(yīng)包括發(fā)生前、后的數(shù)據(jù)。為便于文件交換和處理，數(shù)據(jù)文件格式采用通用的Comtrade格式。2）參數(shù)設(shè)置功能。裝置應(yīng)能對電壓信號額定值、接線方式、電壓暫降啟動門檻、啟動返回系數(shù)、啟動判據(jù)投退、網(wǎng)絡(luò)端口配置、文件存儲等參數(shù)進行就地設(shè)置。3）實時顯示功能。裝置應(yīng)能就地對運行狀態(tài)、實時測量數(shù)據(jù)、歷史記錄信息、本地參數(shù)進行就地顯示。4）事件統(tǒng)計功能。裝置應(yīng)能對記錄的電壓暫降事件按照一定的篩選規(guī)則（如發(fā)生時刻、殘壓水平、持續(xù)時間等）進行統(tǒng)計，并輸出統(tǒng)計結(jié)果。5）報文輸出。在發(fā)生電壓暫降事件后，裝置能迅速將事件簡要報文輸出，內(nèi)容包括發(fā)生時刻、殘壓水平、持續(xù)時間、相別等。6）數(shù)據(jù)通信。裝置能通過通信接口實現(xiàn)與外圍計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，如RS485、網(wǎng)口、USB接口等。另外，考慮到現(xiàn)場施工安裝的便捷性，裝置的結(jié)構(gòu)宜緊湊、靈活。2?硬件框架設(shè)計和軟件平臺選擇2.1

硬件設(shè)計暫降監(jiān)測中的計算量相對較大，因此在設(shè)備研制需要高性能的微處理器。STM32F4系列ARM是ST（意法半導(dǎo)體）公司推出的高性能微控制器，其采用90nm的非易失存儲器（nonvolatilememory，NVM）工藝和自適應(yīng)實時存儲器加速器（AdaptiveReal-Time

MemoryAccelerator?，ART）。ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，將Cortext-M4的性能發(fā)揮到了極致。STM32F4系列微控制器集成了單周期數(shù)字信號處理（digitalsignalprocessing，DSP）指令和浮點單元（floatingpointunit，F(xiàn)PU），提升了計算能力，可以進行一些復(fù)雜的計算和控制。其內(nèi)置1Mbyte的FLASH、192Kbyte的SRAM、12位A/D、I/O接口、以太網(wǎng)控制器、USB控制器。此款微處理器性價比非常高，十分適合電壓暫降監(jiān)測裝置的實際需求。以此為核心，構(gòu)建微處理系統(tǒng)見圖1。

圖1硬件原理框圖

電壓信號取自監(jiān)測點二次側(cè)TV回路或者220V直接接入，經(jīng)隔離變換并濾波后輸入A/D；正常考慮三相電壓（每一相單獨采集）輸入即可。LCD可采用點陣式黑白液晶，可多行顯示漢字和字符，滿足正常的信息顯示；如果要求顯示波形數(shù)據(jù)，還可以采用點陣多的彩色顯示器（本設(shè)計中未采用）。鍵盤采用簡單的六鍵方式（上/下/左/右/確認(rèn)/取消），能夠滿足暫降定值、系統(tǒng)參數(shù)、事件信息調(diào)看的基本要求。I/O用于開關(guān)量輸入啟動（可選啟動方式的一種）和信號（事件啟動告警、裝置異常）接點輸出。存儲卡用于數(shù)據(jù)文件的記錄。2.2

軟件平臺選擇電壓暫降監(jiān)測裝置實時性要求比較高，需在暫降發(fā)生后3～10ms觸發(fā)波形記錄、分析識別故障相別和計算暫降深度；除此之外還有人機界面和網(wǎng)絡(luò)通信等功能需要實現(xiàn)。因此，必須為硬件平臺配置嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），以滿足軟件運行的可靠性和實時性。本方案RTOS采用源碼開放的FreeRTOS。該RTOS操作系統(tǒng)作為一款輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)調(diào)度、時間管理、任務(wù)同步、信號量、消息通信、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器等功能；整個軟件支撐平臺見圖2。圖2軟件平臺示意圖3?暫降啟動與記錄3.1

時長優(yōu)先法固定時長法流程見圖3。檢測到某相電壓信號超出設(shè)定限值后，判斷持續(xù)時間。當(dāng)滿足持續(xù)時間超過10ms，則立即開始記錄該相首次啟動特征參數(shù)（啟動時刻殘壓、持續(xù)時間），記錄完固定時間長度（如1min）的波形數(shù)據(jù)，即記為一次事件。圖3固定時長法流程圖本方法的計算量比較小，邏輯簡單，易于實現(xiàn)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果在1min內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次事件（如重合閘過程），統(tǒng)計為一次完整事件，并把最嚴(yán)重的那次特征記為整個事件的標(biāo)志。因此采用本方法，在記錄期內(nèi)本相別或其他相別連續(xù)發(fā)生暫降時，無法直接給出準(zhǔn)確的特征信息，必須要事后根據(jù)波形分析。另外如果固定時長過長，可能造成數(shù)據(jù)文件過大，內(nèi)含大量穩(wěn)態(tài)信息，給通信傳輸造成不必要的壓力；如果固定時長過短，又可能造成本應(yīng)計為一次事件的數(shù)據(jù)分割為多個事件，給事件的統(tǒng)計造成嚴(yán)重的偏差。3.2

事件優(yōu)先法事件優(yōu)先法流程見圖4。本方法在首次啟動記錄開始后，在整個記錄過程中仍持續(xù)計算判別是否有新的啟動事件。如沒有，當(dāng)本次事件結(jié)束后即完成本次記錄（適當(dāng)追加幾個周波數(shù)據(jù)）；如有新的啟動，則立即結(jié)束本次記錄，重新啟動新的事件記錄。圖4事件優(yōu)先法流程框圖本方法的記錄時間根據(jù)每次事件的長短而調(diào)整，有效利用存儲空間，啟動邏輯同樣比較簡單，便于實現(xiàn)，但在1min內(nèi)重復(fù)啟動時，數(shù)據(jù)文件數(shù)量過多，而且同樣會把本應(yīng)計為一次事件的數(shù)據(jù)分割為多個事件，給事件的統(tǒng)計和評價造成嚴(yán)重的偏差。此方法還可能在兩次事件間隔時間很短時，系統(tǒng)來不及處理而丟失數(shù)據(jù)記錄，這對事件分析是致命的。3.3

事件特征優(yōu)先法事件特征優(yōu)先法流程見圖5。同上述的事件優(yōu)先法一樣，本方法在首次啟動記錄開始后，在整個記錄過程中仍持續(xù)計算判別是否有新的啟動事件。如沒有，當(dāng)本次事件結(jié)束后即完成本次記錄（適當(dāng)追加幾個周波數(shù)據(jù)）。當(dāng)有新事件發(fā)生時，根據(jù)情況決定對事件特征是否進行修正。如所有事件均已返回，則本次數(shù)據(jù)記錄結(jié)束（適當(dāng)追加幾個周波數(shù)據(jù)）。由于暫態(tài)電能質(zhì)量事件的定義時長為1min，因此當(dāng)本次數(shù)據(jù)記錄時長超過1min時本次記錄結(jié)束。圖5事件特征綜合法流程框圖本方法消除了上述兩種方法的弊病，緊扣電壓暫降事件的特征定義，又不失記錄的靈活性，更符合對暫態(tài)事件的后續(xù)評價和統(tǒng)計，是比較理想的識別和記錄方法。4?數(shù)據(jù)文件與事件特征描述暫降監(jiān)測裝置的核心判據(jù)是各相相電壓的均方根值是否超出規(guī)定的限值，均方根值采用全波算法。裝置應(yīng)對單相啟動、多相啟動以及重復(fù)啟動時，把數(shù)據(jù)完整記錄，并將事件的特征按照統(tǒng)一的規(guī)范進行描述。4.1

單相啟動事件當(dāng)單相發(fā)生暫降事件時，裝置立即啟動數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)文件除涵蓋事件持續(xù)的整個過程，還包括事件發(fā)生前至少5個周波和結(jié)束后至少5個周波的數(shù)據(jù)，見圖6（a）、圖6（b）。圖6（a）中示意以電壓均方根有效值為描述對象，數(shù)據(jù)文件首尾各追加5個周波；圖6（b）為Comtrade數(shù)據(jù)文件通過第三方軟件打開后呈現(xiàn)的實際波形截圖（下同）。圖6事件特征為：啟動時刻2016-09-2913:52:00:922，本次殘壓13.49%，持續(xù)時間476.4ms，特征相別B相。圖6單相事件示意圖4.2

多相啟動事件當(dāng)多相同時發(fā)生暫降事件時，裝置把最先啟動相開始一直到最后返回相結(jié)束的整個過程作為一次事件，見圖7（a）、圖7（b）。中事件特征為：啟動時刻2017-10-1111:34:38:004，本次殘壓34.73%，持續(xù)時間1207.2ms，特征相別C。圖7多相事件示意圖4.3

重復(fù)啟動事件當(dāng)電力系統(tǒng)短時間內(nèi)發(fā)生多次電壓暫降（如發(fā)生永久性故障重合閘）時，以1min為時間窗口，將1min內(nèi)所有事件的數(shù)據(jù)放在一個數(shù)據(jù)文件中，并在統(tǒng)計中記為一次事件，見圖8（a）、圖8（b）。事件特征為：啟動時刻2016-10-1111:30:19:270，本次殘壓8.71%，持續(xù)時間97.2ms，特征相別C。圖8

重復(fù)事件示意圖5?電壓短時中斷與電壓暫升的處理在本文設(shè)計的電壓暫降監(jiān)測裝置中，不僅包括了電壓暫降的監(jiān)測，還包括了電壓短時中斷和電壓暫升的監(jiān)測。從標(biāo)準(zhǔn)定義上看，電壓短時中斷和電壓暫降區(qū)別在于殘壓值。因此本文前述討論的啟動識別、數(shù)據(jù)記錄和特征描述方法，同樣適用與電壓短時中斷事件。電壓暫升作為暫態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象，是當(dāng)電壓均方根值1.1～1.8p.u.，并在短暫持續(xù)10ms至1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。本文設(shè)計的暫降監(jiān)測裝置中，把電壓暫升的記錄功能作為一個可選項供用戶使用。單相、多相、連續(xù)暫升事件的邏輯和暫降的處理類似。由于電壓暫升普遍被認(rèn)為電壓暫降恢復(fù)過程中的一個現(xiàn)象，因此當(dāng)電壓暫降與電壓暫升事件同時發(fā)生時，可記為電壓暫降事件。6?應(yīng)用實例電壓暫降影響最大的是末端用戶或設(shè)備。電力用戶的監(jiān)測點宜放在公共連接點（pointofcommoncoupling，PCC）或敏感設(shè)備的供電入口側(cè)；而電網(wǎng)公司組建監(jiān)測網(wǎng)時，更傾向放在配電變壓器低壓母線側(cè)。本文研制的裝置在電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)均已得到了大規(guī)模的使用。圖9為某供電公司規(guī)?；惭b本裝置后在特定時間段電壓暫降的實際統(tǒng)計情況。