何金定1，肖先勇1，蒋文林2
(1.四川大学，四川成都610065；
2.攀枝花学院，四川攀枝花617000)
摘 要：在电能质量监测系统中，由于数据量很大，数据处理技术是决定监测系统性能的重要因素，对当前电能质量监测数据处理方法的不同，提出了基于数据预处理、分析时间间隔的合理选择和生成日统计文件的数据处理方法。根据IEC国际标准在下位机中设定有效测量时间，然后在监测系统中按指定格式读取监测点采集数据文件，在上位机中得到了清晰、明了的图形并能快速生成各类统计报表。通过这种数据处理方法，使整套电能质量监测系统达到工程实用的水平。
关键词：电能质量；监测系统；数据采样；数据处理
Abstract: As currently there are various data processing methods in power qualit y monitoring system, this paper puts forward a new data processing method based o n data pre-processing, reasonable choice of time interval for analysis and gener ating daily statistical file. According to IEC international standard, it is eff ective to get clear and explicit graphs and quickly generate different statistic al reports in controlling center by adopting the effective measuring time in col lecting apparatus and reading the data file of monitoring spot in accordance wit h appointed format in monitoring system. With this method of data processing, th e whole monitoring system of power quality can beeffectivelied applied to practi cal project.
Key words: power quality； monitoring system； data sampling； d ata processing
随着社会的进步和发展，电能质量问题已经成为当今电力学科领域内的重大课题。一方面，随着非线性负荷的不断增加，造成电能质量问题的各种因素不断增长，如电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备上的广泛应用，包括大功率整流装置在电气化 铁道的应用等；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及供电可靠性的要求越来越高。
为了清楚了解系统中的电能质量问题，作者所在课题组成功地开发了一套电能质量监测系统，达到了能够监测电能质量各项指标运行情况的水平，并已投入实际电力系统运行。在开发该系统时，使用了Microsoft公司的VB6.0作为开发工具。VB6.0作为可视化通用编程工具，一直以其可视化程度高、开发简单快捷而著称，可视化编程环境的“所见即所得”功能，使界面设计变得容易，从而让编程更加轻松。
1电能质量监测系统的构成
电能质量监测系统主要由电能质量监测的下位机（即监测仪）、上位机（即用户操作所用的计算机）以及应用软件系统组成。
1.1下位机系统的构成
1)数据采集部分，包括数据的采样和计算。
2)数据处理，将采集的数据变换格式，并计算处理各种电能质量指标数据，包括频率、电压、电流、电压不平衡度、电压波动与闪变、电压偏差、负序电流、谐波含有率等。
3)数据通信传输部分，包括下位机内部数据通信传输（主要是与DSP通信）和与上位机之间 的通信传输（主要是通过MODEM和网络通信）。
1.2上位机系统的构成
1)通信传输部分，与下位机间的数据通信与传输。
2)采集电网各下位机的电能质量数据，进行分析统计，形成文件、报表及曲线，显示数据和图形（如频谱图、趋势图、曲线图、散点图、向量图等）。
3)数据文件管理系统，主要是系统管理监测点数据文件。
图1显示了整个监测系统的软件构成。
2下位机系统中的数据流程及数据预处理
2.1数据流程
从监测仪启动开始，就开始了对监测点数据的采样、分析、处理，然后生成监测点一天的采集数据文件，图2给出了监测仪在一小时内的数据流程。
2.2数据预处理
由于在现场实测信号中，不仅包含由基波及各次谐波叠加而成的合成信号，而且还包含噪声信号，噪声信号的存在会大大影响电能质量的测量精度，这样在谐波分析、信号频率的确定等方面会有很大的误差。考虑到下位机硬件DSP在FFT（FFT是一种基于对非周期信号的周期延拓后进行的变换）的方便性，采用FFT原理进行数据的实时处理。在实际应用中要得到准确的FFT运算结果，必须满足Nyquist采样定理的要求，防止频谱混叠的发生，而且根据FFT算法的要求，采样点应均匀分布在一个信号周期内，即应当实现严格的同步采样，否则就会引起信号的频谱泄漏，带来很大的测量误差，特别是对高频分量，计算出来的值就没有可信性。因此，需要对采样值进行数字信号预处理，以减少误差。图3给出了整个数据预处理流程。
如图3所示，在整个过程中，采用了软件同步采样法。目前常用的同步采样方法主要分为硬件同步和软件同步两大类。硬件同步方法是一种预防式方法，主要采用锁相环电路来实现跟踪信号频率的变换，从而实时调整采样速率，实现同步采样，但是其硬件结构比较复杂，可靠性不高，在测量较大的畸变波形时误差较大。软件同步方法是一种补偿式方法，主要采用准同步采样、加窗、加窗－插值等技术，来补偿和减少误差。当采样数值经去噪处理后，通过一个45 Hz～55 Hz的窄带滤波器，保证采样数值过零点的唯一性，然后通过软件同步求得采样信号的周期值，以得到与工频信号同步的采样频率，进而控制对原始数据的线性插值。最后，对插值所得数据进行FFT变换得到谐波的幅值和相位。
3趋势图分析时间间隔的选择
电能质量监测系统，是根据中国颁布的电能质量五项国家标准，同时参考IEC 1000-4 -7国际标准以及发达国家电能质量的监测和管理经验而设计、研发的，并同时具有网络化管理的功能。该系统的应用对象主要是电力部门的各级配电网、变电所、电厂以及各种大中型企业、用电大户，或对用电质量有特殊要求的用户。它可以实现电能质量长期、不间断的监测和分析。
建立监测点的目的是为了能够真实反映系统在该点存在的电能质量问题，从监测仪中所获得的采集文件中的各项数据越详细越好。根据IEC国际标准，在下位机中的采集文件是按3 s时间间隔所采样生成的，这个时间间隔在IEC中理解为有效测量时间。但是根据这个按 3 s所生成的数据文件进行图形分析时，由于数据量较大（按一天24 h计算，每3 s生成一次采样数据，那么对应于某一项指标，一天就有24×60×20=28800个数据），这样所作出的趋势图等势必会混成一团，不能清楚地反映整个趋势变化。
根据一天的实测数据（取自100 MVA直流电弧炉用户的母线150 kV），在表1中对比了几种时 间间隔所得到的3次、5次和7次谐波电压和谐波电流的最大值和95%概率大值。从表1中可以明显地看见3 s、30 s以及1 min这三种时间间隔所获得的谐波电压和谐波电流的各项数据仅有微小差别，而2 min时间间隔则与3 s时间间隔所得的各项数据相差较大。
4监测点日统计文件的生成
如前所述，监测点采集数据文件是按IEC国际标准3 s采样时间所生成的，此数据文件是用户 每次使用监测系统都需要的，从而导致用户每次使用时（如查看统计报表等）都要从这个较大的数据文件中读取各项数据，这样的直接后果是用户使用时由于数据处理量过大而使系统运行速度太慢。
为了解决上述问题，采用了生成了一个日统计文件的处理方式。由于统计报表所需的是各项 电能质量指标的统计值，即各项指标的最大值、最小值、平均值、95%概率大值等，因此，根据监测点的采集数据文件计算出各项指标的统计值，然后生成一个日统计文件。
5结束语
电能质量问题日益倍受关注，电能质量监测的数据文件处理方法也是各种各样的。系统提出 开放式电能质量监测系统中的数据处理方法，根据IEC国际标准设定监测仪中数据采样时间，并给出下位机的一天数据流程图及数据预处理流程，并为了在上位机中查看趋势图等图形的时候，能够看到形象、直观的图形，在监测软件中对采集数据文件进行了处理，使监测软件能够在保证真实反映系统运行的电能质量问题的前提下，能够确保其实用性。
通过采用生成一个日统计文件方式，大大减少了上位机系统运行时的数据处理量，从而提高 了系统的运行速度，最终达到实用的目的。文中的电能质量监测系统在四川省某电业局实际运行后，证明能够真实地反映该电网电能质量真实情况，说明本系统具有实用价值。
参考文献
［1］励刚，尤海波，陈陈. 面向对象技术在电力系统中的应用［J］ . 微型计算机应用，1988.
［2］吴竞昌. 供电系统谐波［M］. 北京：中国电力出版社.
