新型電能通信傳輸檢測設備

李玉鑫，王德全，吳紹武，王正齊

（1.南京工程學院，江蘇南京 211167；2.淮安市國家電網供電公司變電檢修室，江蘇淮安 223200）

目前，對于繼電保護裝置跳閘檢測，還是主要依靠在測試裝置錢開關上接入檢測裝置并且無法準確檢測出電網諧波分量，其中電網諧波能夠讓電力線路在傳輸的時候電能利用率大大下降，讓用電設備和電氣保護設備產生振動噪音還有大量的熱能浪費，并使其壽命急劇縮短，直至發生設備的用電故障或損毀[1-3]。

根據以上情況，提出了一種通過模擬電路的方法測量出口的動作情況，采用新型采樣電路和隔離電路對電網側電路進行時間測量，最終結果以OLED面板顯示出來。測量手段更加快捷方便，但是模擬電路設計十分復雜，并且數據顯示較為單一[4]，該文在此基礎上進行改進，并將其數據可視化。

1 電能質量檢測設計論證

根據要求設計系統方案，整體框架如圖1 所示。

圖1 整體框架

此方案由環境溫濕度傳感器、降壓電路、電網側運行檢測模塊、SIM900A 通信模塊、OLED128 顯示模塊、交互按鈕模塊等組成。將高壓電網側運行檢測的電能質量傳輸到用戶側APP 端。方便及時采集電路數據，并能夠實時檢測電能質量，當發現數據異常時能夠主動發送信號傳輸給繼電保護裝置。

2 電網側信號采集處理裝置

2.1 電網側硬件電路設計

在設計電網側信號處理單元時設計了一套新型方案通過抗干擾鐵硅鋁磁電感環在不拆卸電路的情況下進行安裝不需要停電安裝，擁有極大的安裝便攜性，減少了安全隱患。其中抗干擾鐵硅鋁磁電感環采集到的信號傳輸到圖2 所示的信號采樣電路中，則可直接將高壓交流接入到采樣電路中。

圖2 采集電路

2.2 MCU選擇

該方案選擇了MSP430F5529 這款MCU，它有著低功耗、運算數據快等優點。還可以直接連接SIM900A 模塊實現信號的實時傳輸[5]。SIM900A 含有TLL 電平串口和RS-232 電平串口，可以提供包括語音、短信和GPRS 數據傳輸的一些功能[6]?？梢栽谳^低的功耗和發熱之下地實現信號的上行和下行。其中SIM900A 內嵌了TCP/IP 協議,并可以使用UART 異步串口與MSP430 主機MCU 通信,這使得GPRS 子模塊和MSP30 主MPU 之間的連接十分簡單可靠便捷[7]。

2.3 數據存儲和通信模塊

利用MSP430 的SPI 接口，在通信過程中的傳輸速率可達到18 kb/s，每秒傳輸的數據最大可超過2 MByte[8]。為了對電能檢測參數有效地存儲，在系統中沒用采用傳統的TF 存儲卡進行存儲，而是采用了上位機云端存儲數據，可以將采集并處理好的數據實時傳輸到云端系統，這樣方便用戶查找定時定點的時刻的樣本數據，同時也避免了傳統SD 卡傳輸速度慢，工作過程中容易發熱導致系統數據丟失，大大提升了用戶側的可靠性。在運行時，利用0.96 寸OLED 實時傳液晶屏，屏幕的體積小，但是具有較高的屏幕分辨率，能夠將需要顯示的數據清晰有效實時地展現出來[9]。

2.4 算法分析驗證

FFT 目前在電力系統繼電保護諧波分量計算分析等領域有著較大的優勢。但是使用FFT 會隨機出現柵欄效應、頻譜混疊和頻率泄露等現象，影響檢測結果的準確性[10]。針對以上的問題，經過一系列算法改進優化算法對此提出一種優化方案。

首先通過信號發生器輸出頻率為50 Hz、賦值為12 V 的正弦波，輸出波形如圖3 所示。

圖3 采樣波形

由采樣定理可知，采樣頻率要至少大于輸入信號頻率的兩倍，所以需要將單片機中時鐘模塊進行相對的超頻，然后加快對信號的采樣速度。失真的測量最常見的技術指標有諧波失真（HD）、總諧波失真（THD）、總諧波失真加噪聲（THD＋N）和互調失真（IMD）。信號的失真度定義為所有諧波能量之和比上基波能量的結果平方的根。當信號中的干擾可以做到忽略不計的時候，失真度可由下列公式計算得出：

基波功率P1可由頻譜幅值U1進行簡單計算得到。因此可寫成如下公式：

根據上述以及設計方案，輸入信號的采樣頻率為48 kHz，FFT 的采樣點為8 192，所以FFT 的頻率分辨率：信號采樣頻率/FFT 采樣點=48 kHz/8 192=5.859 375，約等于6，也就是FFT 的頻率誤差可能在6個頻率點左右，足夠滿足當前對設備的要求，從而滿足對電網側的保護。

將信號發生電路數據導入電腦中，對其波形通過軟件Matlab 進行驗證分析，可得到在不同頻率下諧波干擾的大小如圖4 所示。

圖4 THD能量圖

其中，為了方便示圖將該方案中設計采樣功率通過折算顯示為分貝形式，在該方案中選擇的次諧波數量為50，在實際電網應用中只需進行5～10 次的諧波分量進行對比就可以了，再經過采樣FFT 算法驗證可得如圖5 所示的頻譜圖。

圖5 頻譜圖分析

對于頻譜圖中的0 點，即FFT 分析中的第1 個點，對應的就是時域中直流分量，也就是0 次諧波，即0 乘5.859 375 為0，所以時域中頻率為0 對于頻譜圖中的9 點，即FFT 的第10 個點，對應的就是信號中的主頻（基頻），一次諧波，9 乘5.859 375 得到52.734 375，所以對應時域中頻率為52.73 Hz 的正弦分量。

頻域中幅值和時域中幅值連接起來的變量是FFT 的采樣點：對于直流分量頻域幅值的大小可根據時域幅值以及FFT 采樣點取值的積可得到。而正弦分量頻域幅值對于直流分量頻域幅值的一半。根據以上可計算的出頻譜對應點與直流分量幅值以及對應頻率的關系如表1 所示。

表1 頻譜對應點與直流分量對應關系

由此可設計出采樣范圍0～750 Hz 的諧波分量，足夠滿足電網側用戶需求。

將上述所對應關系嵌套在C 語言函數中，調用FFT 函數，寫入指針FFT_data,并傳輸到顯示模塊中去，當采樣測得頻率過高或者系統出錯時，可通過通訊模塊發出警報，并增加整流器以及電容投入從而保護電路不受影響。

2.5 設備檢測程序設計

此設備MCU 一共有兩個時鐘，不同的時鐘頻率對應不同的電壓：1.8 V(0～8 MHz)、2.0 V(0～12 MHz)、2.2 V(0～20 MHz)、2.4 V(0～25 MHz)，即要提高系統的采樣精度，相對應地就要對時鐘進行超頻[11]。還有一種是直接配置寄存器來實現，此方法一般情況下直接升到最高核心電壓。該設備一共有16 個通道可供選擇。單片機內部一共有三個電壓可供選擇，分別是1.5、2.5 以及3.3 V，單片機的采樣電壓不允許超過參考電壓，采集到的電壓的放大倍數如式（3）：

根據上述參考公式，ADC 采集電壓必須小于參考電壓，如果超過參考電壓，輸出只能到最大參考電壓，可能燒壞單片機。

在卷積定理指導下，利用數字計算機快速地算出復變換的算法稱為快速傅里葉變換算法(FFT)[12]。FFT 的基本原理是把一段DFT 數據分開采集成為簡易的DFT 數據。按照抽取方式的不同可分為DITFFT（按時間抽?。┖虳IF-FFT（按頻率抽?。┧惴?。該設備采用了按時間抽取的算法，將采樣頻率定為50 ms，再多次測量采樣到的信號產生的諧波[13]。當場系統諧波分量異常時，可通過通信模塊向用戶側APP 發射諧波異常信號，及時做出應對，從而降低對電網的影響。通過便攜的電力監測設備可將多個用戶側的電力設備整合起來，將信息公開化透明化，不僅方便了用戶，同時也減少了繼電保護設備的投入[14]。

3 方案論證

根據上述方案搭建如圖1 所示系統。在圖2 采集電路后加上如圖6 所示隔離驅動電路。從上述圖中進行仿真可得到如圖7 所示信號，最高電圧等級不超過5 V 的輸出信號，此信號可直接傳輸到MCU中去，代入2.5 節中的四個級別可采集到電壓大小，并根據縮放比例計算出電網側電壓的大小，再由顯示模塊輸出，最終代入到調用函數，可得到當前采集到的諧波分量。其中可增加判斷函數，當連續時刻超過當前系統承受值時，可通過傳輸模塊向系統發送警報。

圖6 隔離電路

圖7 采集電路輸出波形

將信號輸入到MCU 中去可從OLED 顯示模塊得到如圖8 所示基礎的采集信息。

圖8 顯示模塊采集信息以及通信模塊

將上述所采樣到的電信號經過MCU 進行處理，接著通過按鍵切換OLED 顯示屏可得到此信號處理分析后的一次、三次以及五次諧波分量含有率如圖9 所示。

圖9 一次、三次、五次諧波分量含有率

4 結束語

該文提出了一種新型的電能質量分析與采集設備，融合當前5G 大環境背景下信息傳輸與共享[15]，將電能質量快速進行采集與分析，經過大量數據進行分析后加入神經網絡算法，可以生成用戶側的用電報告，再通過傳輸模塊傳輸到主變電站中。由此可以方便地判斷出何時為高峰期，何時為低峰期，再通過電網側儲能優化，保障電力運行的穩定。配電網作為支撐社會發展的重要系統，其運行的安全性、穩定性將影響人們的生活、工作質量[16-20]。