分布式长时在线电能质量录波器的设计

引言

电能质量是保证电网内设备正常运行的基础[1]-[4]，传统电能质量录波器工作方式大多为独立工作的阈值触发式录波器，在着一系列的问题[5] ，且大多基于工控机平台集中布置[6]存在体积大成本高记录不准确等问题，也不利于分散监控电网各节点状态。而在当前我国建设坚强智能电网[7]-[8]要求随时掌握电网分布各节点的运行状态，并在电能质量发生时准确定位和记录，并且录波器平台具有高可靠性，可通过互联网络与服务器通信，交换数据。

本文讨论了在线型电能质量录波器的设计，以TI 公司高性能TMS320C6416 DSP 与XILINX 公司XC4VSX25 FPGA 器件为核心设计主控板，配合通信、存储、采集、人机接口等板卡，组成了小型化低成本可长期在线监测，升级维护经济方便的电能质量录波器系统。本系统可分布配置与电网输配电节点，通过以太网与中心服务器监交换数据，监控电网运行参数[13][15]。

1 长时在线式数字录波器系统结构

1.1 系统总体功能

目前电网电能质量录波检测技术向可靠性高，抗干扰能力强，长时在线记录，具备大容量存储空间，高压缩比数据压缩功能，多功能网络化智能化等方向发展。本文设计的电能质量数字录波器系统，具备电能质量数据采集、压缩、存储、导出、多功能网络化通信、长时在线分布式监测等功能。

为本系统的功能示意图，整个系统分为下位机、上位机、网络应用数据库三部分，本文阐述下位机相关方案与技术。下位机负责数据采集、处理存储与导出，电网电能质量信号[11] [12]（三路电压，三路电流）通过TV63-400V/5V 型电压互感器与TA25E41-40A/3.5V 电流互感器变换为0~5V 以内的交流电压信号，经调理电路隔离驱动之后进行数据采集和处理。处理后的数据存储在非易失存储器内，可以选配点阵液晶模块同步显示。电能质量数据亦可由以太网、USB 等通讯接口传输至上位计算机，或由SD 卡和U 盘现场导出，供用户分析。由于采用数据压缩算法，大幅压缩数据，实现长时在线录波功能，并且通过以太网连接构成分布式录波器监测网络，满足智能电网对于配电网整体运行状态监控的要求。

1.2 系统硬件结构

根据本系统应用环境和整体性能要求设备整体电压电流精度0.2%，采样率为每周波1024 点。根据精度和数据压缩算法的计算量，本项目选定高性能DSP TMS320C6416TGLZ和FPGA XC4VSX25 器件作为系统的核心器件进行数据采集和处理，其整体硬件结构如所示。为了便于样机调试与产品升级，本系统按照功能[13]主要分为六部分：信号调理与模数转换模块、数据处理模块、数据存储模块、人机接口模块、通信接口模块、电源模块，每一个功能模块亦为独立的硬件板卡。采用这种功能模块化设计思想，将系统硬件设计为可方便拆卸升级的功能模块提高了产品开发和日后升级的便利性和经济性。

模数转换器选用ADI 公司生产的AD7656。该器件内置六路16 位逐次逼近(SAR)型同步ADC 单元，最高采样速度每秒250K，拥有串并两用数据口，并可通过读写内部寄存器，对其采样方式进行编程。AD7656 精度、速度、通道数均满足要求，设置其数据传输方式为16 位并行数据接口，由FPGA 控制AD7656 采样数据，六路数据依次读出并存储于FPGA内部乒乓RAM 中，供DSP 调用处理，处理结果存储于板载FLASH 芯片组内，芯片组选用四片单片4G Bytes 容量的HY27UK08BGFM 型FLASH 完成数据存储功能。

2 基于电能质量信号特征的数据压缩算法

2.1 数据压缩算法设计

电能质量信号在大部分时间为正常非故障波形，其理想电压波形为规律的50HZ 正弦波。即便发生电能质量事件，暂态电能质量事件持续时间比较短，数据量不大，而稳态电能质量事件在信号形式上也都是相对稳定的周期信号。电能质量信号的周期性特征，使得可以用处于稳态的周期信号的一个波形数据来替代描述其他的周波，这样就为数据压缩提供了可能。

设 A、B 为两个相邻的电压波形，分别对A、B 两个波在20ms 时长内采样，采得两帧数据，之后对两组数据进行处理，设：

将 C 值与预设ΔU 值相比较，如果两个波形均是正常波形，则其结果会很小甚至趋近于0，这种情况下只记录第一帧数据，其他数据帧只计录个数即可。

如果某时刻电能质量故障出现，那么在其前后相邻时刻的信号波形发生变化，C 大于ΔU ，这样启动无损记录程序，将电能质量故障波形完整采样记录至存储器内。

如此往复工作，大部分正常的或者是稳态异常的无意义数据就不会占用大量宝贵的存储器空间，虽然是有损压缩但是可以解决压缩比和计算量之间的矛盾。

2.2 数据存储协议设计

故障录波数据按照故障时间逐条存储，每条故障记录占用25KB 存储空间，如所示，每条故障录波记录共包括5 部分，其中起始时刻为系统检测到波形变化的时间，由经GPS校正的DS1307 芯片提供时间基准，故障起始时刻亦为检索故障数据的标志。

由于我国三相四线制输配电网电能质量监测需要三路相电压与三路线电流，故系统配置六路模拟量采样通道。单路波形个数A，B 均占用4Bytes 存储空间，用于记录电能质量信号波形变化前后稳定状态的周波数。其4Bytes 容量共可记录4294967296 个20ms 周波，如果电网信号为稳态不变，则其容量可连续记录数百天周波数。单路波形数据A，B 为存储电能质量事件发生时刻前后变化波形的数据空间，由于数据采样精度为16bits，采样率为1024点/周波，所以每个周波占用2K Bytes，共4K Bytes。上述皆为单路采样通道存储数据量，整个系统含6 路模拟采样通道，故故障录波记录存储空间需求为单路乘以系统采样通道数6。

本系统共配置四片单片4G Byte 的FLASH 存储器芯片，其内部采用FAT 文件系统管理存储空间，格式化屏蔽掉存储器芯片坏块之后可用存储空间约为15.6G Bytes，按照每条数据25K Bytes 的数据量计算，整个系统存储空间可记录60 余万条故障数据。假设每天发生电能质量事件1000 件，录波器可以准确捕捉全部波形变化数据，则理论上录波器可连续在线记录时长为300 天，接近一年。

3 系统软件框架结构

TMS320C6416 上电之后初始化芯片及外设，之后启动采集模块进行数据采集，采集数据存入缓存，缓存采用乒乓RAM 形式工作，采集满两个周波40ms 的数据之后由DSP 读取RAM中数据，将前后周波进行逐点比对，如果C值小于预设ΔU 则判断前后一致则只存储第一帧有效数据，其余周波数据不直接存储，只记录波形个数；如果波形对比判定前后帧波形不一致则判定为电能质量故障波形，对数据直接存储。为DSP 工作整体流程图。

采样获得的电能质量数据除作为录波压缩判决依据，还由其计算得到电能质量相关参数。数据由兵乓RAM 中读取之后进行FFT 变换[19]，得出信号频谱与波形数据计算谐波与频偏，之后结果由液晶显示。而电网三相线电压、三相线电流、三相不平衡度、电压闪变等等参数由文献[21]- [31]推荐典型方法计算出结果，并亦由液晶模块显示。具体的电网参数计算及显示流程见。

4 系统实验

录波实验环境使用台湾茂盛公司生产的CHR61705 型三相交流可编程电源定量产生典型电能质量故障信号。该电源可编程实现的电压波动、电压暂降、电压暂升、电压中断、频偏、三相不平衡、电压冲击等等电能质量综合变化的数据。

为编程实现的电压切痕的实测波形，为系统记录的电压切痕波形，对比两图波形表明系统可以准确捕获记录电能质量信号波形的变化。

对采样数据采用2.1节阐述的压缩算法处理，根据不同的ΔU 值的选取，可得约数十至一百比一的压缩比。

5 结论

本文探索了基于电能质量信号特征的数据压缩算法并将其应用于电能质量录波器系统，证明其算法思路可行，但是其压缩比并不固定，既非常依赖电网品质，又依赖ΔU 值的选取，在ΔU 值很小且电网品质较差的情况下，其压缩比较低。