阅读说明：本技术 一种分布式发电电能质量在线监测系统 (Distributed power generation electric energy quality on-line monitoring system ) 是由 张倩 张延迟 李鹏飞 宋悦琳 于 2019-03-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种分布式发电电能质量在线监测系统,包括相互连接的ATT7022E芯片(1)、STM32F103ZE芯片(2),ATT7022E芯片(1)采集电压和电流,STM32F103ZE芯片(2)进行数据处理、存储和通信。与现有技术相比,本发明在功能健全的基础上,提高了实时性和准确性,且具有体积小、性价比高、处理速度快的特点。(The invention relates to a distributed power generation electric energy quality online monitoring system which comprises an ATT7022E chip (1) and an STM32F103ZE chip (2) which are connected with each other, wherein the ATT7022E chip (1) acquires voltage and current, and the STM32F103ZE chip (2) performs data processing, storage and communication. Compared with the prior art, the invention improves the real-time performance and the accuracy on the basis of sound functions, and has the characteristics of small volume, high cost performance and high processing speed.)

一种分布式发电电能质量在线监测系统

技术领域

本发明涉及电能质量在线监测和数据分析领域，尤其是涉及一种分布式发电电能质量在线监测装置。

背景技术

分布式发电技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向，但是分布式发电会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波污染等电能质量问题。保证电能质量的关键在于能否精确地检测电网的异常，故电能质量监测装置是电能质量管理的主要设备之一。

目前，国内外对电能质量的监测方式主要有三种：(1)单点“快照”监测方式：使用便携式仪器即时监测选定点的电压、电流变化，掌握电压偏差、谐波、闪变、电压不平衡等稳态电能质量水平；(2)时间“趋势”方式。使用流动安装的电能质量监测装置，监测记录一段时间(1星期或1个月)内的电能质量变化，应用后台分析软件，对监测时间段内电能质量变化进行分析统计，给出这段时间内电能质量变化规律和趋势。(3)系统监测方式。在若干系统选定点安装在线监测装置，通过通信网与电能质量分析主站通信，实时监测系统电能质量状态，对系统内电能质量变化进行分析统计，给出电能质量变化的历史趋势。而在线式电能质量监测装置主要有基于DSP+MCU的分布式实时电能质量监测装置和由工业控制计算机+数据采集卡实现的电能质量监测分析装置两种结构。

传统的电力数据采集装置存在芯片功能单一、存储空间小、软件程序算法复杂、实时性差、精度不够、效率低等缺点。其中，(1)使用DSP+MCU模式的分布式电能质量监测装置虽然功能全面，处理和分析数据的速度较快，但保存的数据量不大，不能对大量实时数据进行统计分析，需要由上位机来完成，更不能长时间地保留重要的历史数据，不能进行深入的远程测试和分析，统计分析功能不足。(2)由工业控制计算机+数据采集卡实现的电能质量监测装置对系统的实时性难以保证，智能化和网络化的水平化也不高。

随着售电侧改革的深入和售电市场的放开，售电公司的数量以及参与市场交易的形式不断增加，急需售电侧用户端的电能质量监测系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于售电侧用户端的分布式发电电能质量在线监测系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分布式发电电能质量在线监测系统，包括相互连接的ATT7022E芯片、STM32F103ZE芯片，ATT7022E芯片采集电压和电流，STM32F103ZE芯片进行数据处理、存储和通信。

所述的ATT7022E芯片和STM32F103ZE芯片通过SPI接口连接。

所述的STM32F103ZE芯片采用CAN总线或GPRS通信模块与上位机通信。

所述的STM32F103ZE芯片连接具有SPI接口的网络芯片DM9051，或通过CANWIFI-200T转换器将CAN总线转换成WIFI通信，从而实现以太网通信。

所述的STM32F103ZE芯片连有4G容量的SD卡，所述的SD卡中存储以时间作为文件名的电能参数文件。

所述的STM32F103ZE芯片连有DS1307时钟芯片。

所述的STM32F103ZE芯片连有显示器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明兼容多种通信方式，如CAN总线和GPRS通信，搭配DM9051芯片或通过CANWIFI-200T转换器可以添加以太网功能，在网络环境不佳的状况下，可将有效数据实时存储于SD卡中，且采用4G容量的SD卡存储，存储空间大。

(2)本发明可以捕捉故障现场的谐波、电压波动、闪变、功率和三相不平衡等常见的电能质量问题，还可以监测断路器的状态，对电力数据的波形进行存储，为电网提供电能质量方面的性能评估和治理决策。

(3)结合DS1307时钟芯片，以时间作为文件名进行储存，更有利于清晰地记录电压骤降、电流骤降、过压欠压等暂态事件，同时记录的时间信息可用于电能的计量。

(4)STM32F103ZE芯片连接显示器，可实时显示电力数据。

(5)在功能健全的基础上，本发明提高了实时性和准确性，且具有体积小、性价比高、处理速度快的特点，更适用于分布式能源的电能质量监测或微电网的电能质量监测。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为以太网结构示意图；

附图标记：

1为ATT7022E芯片；2为STM32F103ZE芯片；3为DS1307时钟芯片；4为SD卡；5为显示器；6为CAN总线；7为GPRS通信模块；8为CANWIFI-200T转换器；9为WLAN；10为CAN网络；11为用户设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本发明包括电能计量ATT7022E芯片1、STM32F103ZE芯片2，其系统结构示意图如图1所示。其中，ATT7022E芯片1进行数据采集，采集到的数据通过SPI接口与外部STM32F103ZE芯片2连接进行计量与校标参数，STM32F103ZE芯片2主要完成数据处理、存储和通信，通信模块可通过CAN总线6和GPRS通信模块7与上位机或其他装置进行通信，所有数据通过与STM32F103ZE芯片2连接的显示器5实时显示。

ATT7022E芯片1是多功能高精度三相电能专用计量芯片，其强大的测量功能，完全满足国家电网对智能电表实时性、准确性、存储容量等各方面要求，再加上STM32F103ZE芯片2高速数据处理能力、超低的功耗和丰富的片上资源，大大节约了硬件投资，非常有利于推广。

电能具有以下质量指标：

1.电压偏差计算

电压偏差用某点的实际电压有效值U与电网电压标称值(电网额定电压有效值)U_N之差相对于电网电压标称值的百分数表示：

2.电压、电流有效值的计算

电压有效值：

其中，N为采样点数，U_n表示电压的各点采样值。

电流有效值：

其中，I_n表示电流的各点采样值。

视在功率：

S＝U×I (4)

有功功率：

P＝S×cos(φ_|U|-φ_|I|) (5)

其中，φ_|U|为电压相位，φ_|I|为电流相位。

无功功率：

功率因数：

λ＝cos(φ_|U|-φ_|I|) (7)

3.各谐波含有率及总畸变率的算法分析

根据FFT算法要求，在1个周期内的采样点数是2n，而定频采样的1个周期内的采样点数M并不能是2n，为了满足FFT算法的需要，软件将测得的周期重新计算采样间隔τ＝T/N，再对1个周期内的M个数据等间隔线性插值成N＝2n等效数据，采样信号经FFT得到各次谐波分量的实部u_r(k)、虚部u_i(k)，然后计算各电气量。

谐波分量幅值：

谐波分量相角：

θ_k＝arctan[u_i(k)/u_r(k)] (9)

谐波电压含有率：

HRU_k＝U_k/U₁×100％ (10)

其中，U₁为基波电压幅值。

电压谐波总畸变率：

其中，U₂，U₃…U_k为各次谐波电压幅值。

电流谐波总畸变率：

其中，I₂，I₃…I_k为各次谐波电流幅值。

4.电压波动和闪动的监测计算

电压波U_t的计算公式：

其中，U_max、U_min为工频电压调幅波的相邻两个极值电压，U_N为标称电压。

电压闪变与电压波动的频率以及人的视感都有关系，而人眼对频率是10Hz的电压波动最为敏感，这种刺激的不适感应该用一段时间的平均值来衡量，国际标准为1min。因此，电压闪变的强度为：

其中，

是电压调幅波中频率为f的正弦分量的视感度加权系数；ΔV_f是电压调幅波中频率为f的正弦分量1min均方根平均值，以额定电压的百分数表示。

5.三相不平衡监测计算

用计算机系统中的负序分量与正序分量的方均根百分比来表示三相不平衡度ε的监测。对交流采样后得到的数据进行数字处理得到A相、B相、C相对应的基波电压U_a，U_b，U_c，再根据对称分量法分别得到负序和正序的基波电压，两者方均根百分比即为ε。

附实验数据如下：

参照国家标准《GB/T19862-2005电能质量监测设备通用要求》，所研制的电能质量监测装置必须具有如下功能：(1)高精度A/D采集功能(2)网口数据传输功能(3)GPS同步功能(4)数据储存功能(5)基本参数计算功能(6)人机界面功能。

结合电能质量监测装置上述功能，针对装置监测指标精度、同步采集精度、网口数据传输速度等关键参数，本发明预期技术指标如表1所示。

经实验验证，本发明可以精准测量各相电压、电流、有功功率、功率因数等，有功测量误差等级满足0.1s，无功测量误差等级满足1级。表2为本发明的实际测量值，可以看出结果基本能够达到预期技术指标。(已知电表基准值和各相电压有效值为220V，各相电流为2.5A，各相有功功率为550W，功率因数为1，无功功率为0var)。

表1电能质量监测装置预期技术指标

装置指标	指标范围	指标精度
			监测电压(V)	220-220kV	1％
监测电流(A)	0-400	1％
			监测频率(Hz)	50-60	0.01
监测相位		0.01
			谐波次数	50
GPS同步精度		10μs
			网口速度		10M/S

表2电能质量测量值

随着电力体制改革的发展，分布式能源和储能装置的大力发展和售电公司的数量增加，分布式发电可为一些用户提供一种独立的选择，使其更能适应易变的电力市场，本发明主要适用于分布式发电系统及配电网等，具有广阔的市场前景。电能质量在线监测装置的应用市场已经从电网和大型电气设备转移到售电侧的用户端，目前，大多数电能质量监测装置在实际应用中或多或少存在功能单一、存储空间小、不具备网络功能、价格昂贵、不易大量安装在现场进行多点监测等问题，本发明很好地解决了这个问题，本电能质量在线监测装置运用在售电侧用户端及分布式能源领域，在功能健全的基础上，提高了实时性，扩大了数据存储容量，体积小性价比高，并且具备多种通信方式，更适用于分布式能源的电能质量监测或微电网的电能质量监测。

本发明STMF103ZE芯片2采用4G容量的SD卡来存储数据记录，快速便捷，结合DS1307时钟芯片3，以时间作为文件名进行储存，更有利于清晰地记录电压骤降、电流骤降、过压欠压等暂态事件，同时记录下来的时间信息也能为电能的计量提供了有力的依据。

本发明的支持多种数据的网络通信方式(1)CAN总线6：STMF103ZE芯片2可以通过CAN总线6完成和上位机的通信功能；(2)GPRS通信模块7：同时，GPRS通信模块7也支持SMS业务，可以作为备用方案，当GPRS通信模块7故障时，可启动短信通道通信；(3)以太网通信：1)CAN总线6转换为以太网：对于远程和跨区域通信监控，最好是将CAN总线6转换成以太网来做数据集中传输，还可以避免重复布线和干扰问题。CANWIFI-200T转换器8就能将CAN总线6转换成WIFI形式，接入以太网后可以由远程上位机接收数据，如图2所示。2)以太网控制：本发明使用的STM32F103ZE芯片2，虽然不具备以太网接口，但是配合具有SPI接口的网络芯片DM9051(QFN-32)，就可以添加以太网功能，并经实测网络传播速度速度可达290kb/s，网络连接稳定。如若在网络环境不佳的状况下，也可采用SD卡存储方式，将有效数据实时存储保存，稍后人工读取。

本发明可以捕捉故障现场的谐波、电压波动、闪变、功率和三相不平衡等常见的电能质量问题，还可以监测断路器的状态，对电力数据的波形进行存储，为电网提供电能质量方面的性能评估和治理决策。