段成刚，欧阳森，宋政湘，陈德桂，王建华
（西安交通大学，陕西省 西安市 710049）
摘 要：详细介绍了电能质量监测的最新发展趋势。从在线监测﹑实时分析和网络化的角度，通过一种用于低压配电系统的电能质量监测仪的设计实例，提出了一种基于数字信号处理的嵌入式实时系统硬件平台的解决方案。这种新型设计符合电能质量监测的最新发展要求，和已有设计相比，在性能、体积和成本上也更有优势，更适合大量安装在现场，作为永久性监测设备的设计方案。
关键词：电能质量监测；实时系统；数字信号处理
1 引言
近年来，电能质量问题引起人们的普遍关注。电能质量问题不仅仅关系到用电设备运行的可靠性和安全性，而且还关系到供用电市场的规范化。它的产生可能来源于供电方的输配电系统，也可能来源于用户端的不合理用电，还可能来源于雷电等自然现象。只有对电能质量进行有效地监测才会对问题的产生和影响有清楚的认识，这样才能为电能质量的改善﹑供用电双方的协调和供用电市场的规范提供真实依据，以便采取有效的解决措施。
电能质量监测仪（Power Quality Monitor，PQM）的传统设计大多采用工业计算机配备数据采集卡来实现电能质量的数据采集和分析，主要针对稳态指标进行监测，系统的实时性难以保证，智能化和网络化水平也不高。一方面是由于人们对电能质量的认识水平还没有达到一定的高度，另一方面也受到当时技术条件的限制。目前电能质量监测设备主要存在以下一些不足[1]：①由于采用各种计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本偏高；②设备配置的灵活性﹑通用性差，往往只能用于特定的操作环境；③远程通信能力有限，不易实现远程监控﹑数据共享和长期评估及预测；④对干扰的分类和故障的辨识能力有限，不具备智能分析功能，不能提供给用户可直接用于决策的信息；⑤实时性差，时频分析手段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获能力；⑥现场设备不具备实时分析能力，大量采样数据都要传送给专门的分析工具去处理，导致对现场设备的存储容量要求很大。
设备本身的不足不仅影响现场监测，也影响整个系统的功能，如现场设备的实时性不好，对瞬时扰动的识别能力差等，都会影响系统对问题的快速反应能力﹑电能质量评估能力和决策分析能力。面对这些问题，需要新的思路和办法来解决。
随着集成电路技术和计算机技术的飞速发展，网络技术和嵌入式实时系统技术日益成熟和完善，已经被引入到电能质量监测领域，传统的设计方法也逐渐被摒弃。文献[1]（意大利）提出了一种基于WEB的电能质量监测系统的设计实例，并且采用小波变换技术作为分析手段，整个系统的设计基本上顺应了目前的发展方向，但文献[1]中主要介绍了系统的体系结构和小波变换技术的应用，未对现场的实时监测设备做具体介绍。文献[2]（美国）提出了一种基于数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）的实时系统解决方案，该方案采用DSP和PC机的双处理器结构，DSP处理实时任务，PC机用于和用户交互，解决了电能质量监测的实时性问题，但还没有达到智能化和网络化的程度，而且PC机的采用加大了设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安装在现场。本文对此进行了深入地研究，详细介绍了电能质量监测的最新发展趋势，并从在线监测﹑实时分析和网络化的角度，通过一种用于低压配电系统的PQM的设计实例，提出了一种基于DSP的嵌入式实时系统硬件平台的解决方案。
2 电能质量监测的发展趋势
随着电能质量对国民经济的影响逐渐加大和人们对电能质量研究的逐步深入，人们对电能质量关注的焦点已不仅仅是电压﹑频率和谐波等各种稳态指标，还包括影响电能质量的实时信息，如瞬时扰动和暂态谐波等，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结果，以利于对电能质量问题做出决策，如要求系统能够进行故障辨识﹑干扰源识别﹑故障预测和信息共享等。如今电子技术和网络技术的飞速发展使得这种需求的实现成为可能。电能质量监测系统正在朝着在线监测﹑实时分析﹑网络化和智能化的方向发展，系统体系结构如图1所示。
从设备的角度考虑，目前电能质量监测的发展趋势倾向于采用永久性的固定设备对现场数据进行在线监测。对设备的具体要求可以概括为：
（1）设备要能满足实时性要求，具备对电网问题的快速捕获能力。
（2）在分析手段上要能够对采样数据预处理，比如小波去噪，能对数据实时分析，对瞬时和稳态干扰性事件进行跟踪和预分类，这样可以降低对存储容量的要求，同时为现场的实时监控提供更快速、更有价值的评估和决策信息。
（3）要具备强大的通信能力，能方便集成到企业信息管理系统中和互联网上，以便于为电能质量的深入分析﹑事件统计﹑长期评估和预测提供可靠数据。
（4）在功能上要具备配置的灵活性，以适应电力系统的不同应用场合。
（5）在成本上要适合于大量安装到现场。
从系统的角度考虑 ，文献[3][4]都提到了智能电能质量监测系统的概念，但对此尚未有明确定义。文献[3]给出了智能系统的功能模型和应用领域，文献[4]给出了智能系统的基本特征，这代表了电能质量监测系统发展的最新方向。综合以上论述，可以归纳出智能系统除了具备传统的监测功能外，在功能和技术上更加强调： ① 各种信息的提取﹑收集﹑分类和管理； ② 分析手段的智能化，如小波变换技术﹑神经网络技术﹑模式识别技术和专家系统的应用； ③ 电网运行性能和条件的自动评估； ④ 为用户提供决策支持； ⑤ 对问题能够进行预测。
综上，电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求，同时也表明这一应用领域的研究需要多种技术的相互融合和各个领域专家的密切合作。
从目前的情况看，为了适应这一新的发展趋势，对于固定电能质量监测设备的研制而言，需要综合考虑成本和性能。这是因为目前开发出来的监测设备在成本上和性能上都有不足。专用电能质量分析设备功能虽强，但成本偏高，不适合大量应用的场合；手持式和便携式设备毕竟是一种临时的故障诊断﹑排错和评估设备，而且实时性指标也不一定满足要求。本文就是以这种需求为前提，提出了一种基于DSP的嵌入式实时系统硬件平台的解决方案。和文献[2]中所提的DSP和PC机的双CPU系统比较，本文方案由于没有采用PC机，所以有明显的成本优势，在网络化方面，相对于文献[2]中的方案也有更多的考虑。文献[5]是国内提出的一种基于双CPU的主从式结构，由于设计时间比较早，采用比较早的TMS32010型DSP，性能上已经落后，系统的设计也没有考虑到远程通信，分析手段也只局限于采用FFT进行稳态谐波分析，同时在设计上也没有提出实时性要求；本文的设计以电能质量监测发展的最新趋势为出发点，采用先进的技术手段，与文献[5]方法相比，单机性能更高，系统功能更全面，它除服务于现场外，还服务于企业级的电能质量分析与管理系统，还能服务于将来的智能系统。
3 PQM系统设计
3.1 系统功能
这是一个用于低压配电系统PQM的设计实例，设备安装到现场，长期执行电能质量的在线监测任务。设备具有以下功能：
（1）对三相电压﹑电流信号实时跟踪，实时计算电压有效值﹑电流有效值﹑电压电流三相不平衡度﹑有功功率﹑无功功率﹑视在功率﹑频率﹑功率因数和分析稳态谐波。
（2）对采样数据采用小波去噪技术预处理，并通过小波变换技术捕捉瞬时干扰和暂态谐波，且能对干扰性事件预分类。
（3）具有事件记录﹑故障报警和故障波形跟踪记忆功能。
（4）具有从分析结果中提取相关信息，能对电能质量做出评估，为用户提供决策信息的功能。
（5）能对多路开关信号实时监测和控制，以实现各种继电保护功能。
（6）具有远程通信功能，服务于更高层的企业信息分析和管理系统。
（7）具有友好的人机交互功能，能使用户对电网的运行状况快速洞察，迅速决策。
3.2 系统设计
根据系统的功能，系统设计重点解决的问题应该是实时性问题。系统要处理的任务种类繁多，既有周期性任务（数据采样、各种计算等），又有突发性任务（通信﹑人机交互等），尤其是小波算法的应用对系统资源的消耗很大，同时还要保证系统的实时性，这种情况下不仅要求处理设备本身具有很高的速度和处理能力，而且还要具有实时任务调度能力，最后还要考虑到成本。如今普遍流行的嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。因此在设计上应首选嵌入式系统。对此，本文采用了基于双CPU结构的嵌入式实时系统的解决办法，如图2所示。
双CPU采用DSP和MCU（Microprogrammed Control Unit）相结合的办法，二者采用主从结构（MCU为主机，DSP为从机）通过双口RAM实现数据交换和协同工作。这款DSP属于TI公司新推出的C2000系列，可以外接30MHz晶振，指令速度为3×107条/s，单周期指令执行时间为33ns，采用改进型的哈佛结构﹑4级流水线技术和专门的16位硬件乘法器，因此该型号DSP具有相当快的处理速度，适合处理大运算量的实时任务。同时DSP内部集成的大量系统资源，可以降低系统的设计成本。MCU采用ATMEL公司的AT89C55WD，用来分担部分实时性要求不高的系统任务，如系统配置管理﹑人机交互﹑通信等。任务分配模型如图3所示。
在通信方面，设备具有RS422和CAN两种设备网接口和一个RS232接口，设备网接口可以让设备集成到企业级的电能质量分析与管理系统中，RS232接口可以和台式机或笔记本电脑实现点对点的通信，方便维护人员进行现场设备维护和故障诊断。
这种由两个处理器对系统任务并行处理的方式，能更有效地发挥DSP的功效和MCU的特长，这无疑是高性能低成本的系统。同时这种结构又可以保证系统资源有一定程度的冗余，易于今后系统功能的升级和改进。上面介绍了实时硬件系统的设计，为了实现实时任务的调度，软件上必须结合嵌入式实时多任务操作系统，来设计真正意义上的嵌入式实时系统，这一部分的工作还有待进一步的深入研究。
4 结束语
本文关于电能质量监测发展趋势的介绍表明了今后研究工作的重点，文中提出的方案虽用于低压智能配电系统中的电能质量监测系统，但从电能质量监测的角度看，它具有普遍意义，对电力系统的其他应用场合也同样适用。
参考文献
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[4] McEachern A. Roles of intelligent systems in power quality monitoring ：past, present and future[C]. Power Engineering Society Summer Meeting. Vancouver, British Columbia, canada, 2001: 1103-1105.
[5] 宋俊寿，颜凤琴（Song Junshou, Yan Fengqin）. 新型多功能三相电能质量监测管理系统（A multifunctional three-phase electric energy quality measurement and management system）[J]. 电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），1996，20(4): 12-15.
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