CN105223452A - 实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪和方法，涉及电能质量监测仪领域。该监测仪包括顺次连接的信号采集装置、信号处理装置、***控制装置和工控机。使用时，信号采集装置将电网信号的A相电压波形经二阶滤波后形成正弦波信号，通过过零比较将正弦波信号变成方波信号；信号处理装置根据去除毛刺干扰后的方波信号的周期，将采样频率调节至与外部频率同步后进行采样和处理；***控制装置进行数据分析得到电能质量技术参数；工控机根据电能质量分析统计，生成电能质量报表，并根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位。本发明不但能有效提高电能质量参数的测量准确性，而且还能实现电能质量污染源的定位。

Description

实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪和方法

技术领域

本发明涉及电能质量监测仪领域，具体来讲是一种实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪和方法。

背景技术

随着经济的发展和工业化程度的不断提高、电网建设规模也日益复杂和庞大，电力网负荷急剧增加。特别是近年来大量非线性、冲击性负荷的接入，将产生大量的谐波注入电力***，影响全网电力，造成电网电压波动及闪变，从而使得电网电能质量严重下降，并诱发各种电力***事故，使电力***面临日益严重的“污染”。电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面的权益，优良的电能质量对保证电网和广大用户电气设备的安全可靠运行，保障国民经济各行各业的正常生产和产品质量以及提高人民生活质量都具有重要意义。

为了能够对电能质量实行长期实时监测，从而达到对全网电能质量水平的全面把握，为电能质量的综合治理提供基础数据，在变电站内逐步装设电能质量在线监测装置显得十分必要。此外，在对可能由电能质量问题引起的电网或设备故障的分析也需要实时电能质量数据的支持。电网电能质量在线监测***的建设和功能完善，将逐步丰富对全网电能质量的认识，切实了解全网电能质量水平，为电能质量的综合治理打下坚实的基础。

传统的电能质量监测仪功能简单，一般采用单CPU，测量精度不高，且在基波频率发生变化的时候相关电能质量参数测量不准确，即CPU采样速率不能跟随外面网频变化，这就造成频谱泄露测量不准确等问题。

除此之外，传统的电能质量监测仪只是对监测点的电能质量的各参数进行实时监测并对相关历史数据进行分析统计，最终生成电能质量各监测参数的报表。但对引起电能质量问题的污染源无法自动定位，需要人工对各个监测点的监测历史数据进行查看和分析对比，然后才能初步判断出污染源，这就造成大量人力物力的浪费。同时，由于人工根据分散的电能质量监测点判断电能质量污染源，其准确性受人员技术水平限制，再加上电能质量污染源定位本身是专业性很强的工作。这就难免会出现对电能质量污染源判断分析失误，造成定位不准确的问题，严重时甚至会导致电能质量治理点的位置选择失误，从而造成供电企业的经济损失。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪和方法，不但能有效提高电能质量参数的测量准确性，而且还能实现电能质量污染源的定位。

为达到以上目的，本发明提供一种实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪，包括顺次连接的信号采集装置、信号处理装置、***控制装置和工控机；

信号采集装置用于：将电网信号的A相电压波形经过二阶滤波后形成正弦波信号，通过过零比较将正弦波信号变成方波信号；将方波信号进行电平转换和去毛刺、去抖动处理后输入到信号处理装置；

信号处理装置用于：在方波信号的每次上升沿期间进入中断，根据连续两次中断所记录的内部脉冲数，计算得出外部电网的网频频率；将信号处理装置的采样频率调节至与外部电网的网频频率同步后，进行同步采样和暂态数据分析处理，并将采样的稳态波形数据发送至***控制装置；

***控制装置用于：对稳态波形数据进行数据分析得到电能质量技术参数，并将电能质量技术参数发送至工控机；

工控机用于：对所有电能质量技术参数进行电能质量分析统计；根据电能质量分析统计，生成各种电能质量报表；从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，电能质量污染源包括谐波/间谐波污染源、波动闪变污染源、电压骤升骤降污染源、电压三相不平衡污染源、电压偏差污染源、频率偏差污染源。

在上述技术方案的基础上，所述信号采集装置包括电压电流互感器、有源滤波放大器、过零比较器、复杂可编程逻辑器件CPLD芯片和模数转换器；电压电流互感器的输入端与电网信号连接，输出端分别与有源滤波放大器的输入端、过零比较器的输入端连接；过零比较器的输出端与CPLD芯片的输入端连接；有源滤波放大器的输出端、CPLD芯片的控制模数转换IO均与模数转换器的输入端连接；模数转换器的输出端与信号处理装置连接。

在上述技术方案的基础上，若工控机初次运行，所述所有电能质量技术参数为当前电能质量技术参数；若工控机非初次运行，所述所有电能质量技术参数为当前电能质量技术参数和整个运行时间段保存的历史电能质量技术参数。

在上述技术方案的基础上，所述信号处理装置还连接有用于保存采样数据的扩展存储器，以及用于信号处理装置的在线仿真和程序下载的JTAG仿真接口。

在上述技术方案的基础上，所述***控制装置还连接有用于实现人机对话操作的LCD接口、键盘接口。

本发明还提供一种基于上述监测仪的实现电能质量监测及污染源定位的方法，包括以下步骤：

S1：信号采集装置接收各监测点的电网信号；将电网信号的A相电压波形经过二阶滤波后形成正弦波信号，通过过零比较将正弦波信号变成方波信号；将方波信号进行电平转换和去毛刺、去抖动处理后输入到信号处理装置，转入S2；

S2：信号处理装置在方波信号的每次上升沿期间进入中断，根据连续两次中断所记录的内部脉冲数，计算得出外部电网的网频频率；将信号处理装置的采样频率调节至与外部电网的网频频率同步后，进行同步采样和暂态数据分析处理，并将采样的稳态波形数据发送至***控制装置，转入S3；

S3：***控制装置对稳态波形数据进行数据分析得到电能质量技术参数，并将电能质量技术参数发送至工控机，转入S4；

S4：工控机对所有电能质量技术参数进行电能质量分析统计；根据电能质量分析统计，生成各种电能质量报表；从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，其中，电能质量污染源包括谐波/间谐波污染源、波动闪变污染源、电压骤升骤降污染源、电压三相不平衡污染源、电压偏差污染源、频率偏差污染源。

在上述技术方案的基础上，S4中所述从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，具体包括以下步骤：

S401：从电能质量分析统计中选取电能质量谐波/间谐波指标参数，判断电能质量谐波/间谐波指标参数是否超标，若否，直接转入S402；若是，进入谐波/间谐波污染源的定位判断：计算出每条回路中2～50次谐波范围内的电阻非线性度DR和电抗非线性度DX，计算公式为：

$DR=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{M}{\Σ}}{\left|Rh/R1-1\right|}^2/N-1}$

$DX=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{M}{\Σ}}{\left|Xh/X1-1\right|}^2/N-1}$

上述公式中，R1为基波电阻，Rh为第h次基波电阻，h为2≤h≤50的正整数，N为谐波的总次数50，X1为基波电抗，Xh为第h此基波电抗；

当电阻非线性度DR和电抗非线性度DX趋近于0时，说明该回路负荷为线性负荷，不会产生谐波，则该回路不是谐波/间谐波污染源；当电阻非线性度DR和电抗非线性度DX均大于3时，说明该回路负荷为非线性负荷，则该回路是谐波/间谐波污染源，转入S402；

S402：从电能质量分析统计中选取电能质量闪变指标参数，判断电能质量闪变指标参数是否超标，若否，直接转入S403；若是，进入波动闪变污染源的定位判断：计算每条回路中负荷单独接入时的闪变值，判断每条回路中负荷单独接入时的闪变值是否超标，若是，则该回路是波动闪变污染源，转入S403；若否，则该回路不是波动闪变污染源，转入S403；

S403：从电能质量分析统计中选取电能质量电压骤升骤降指标参数，判断电能质量电压骤升骤降指标参数中是否存在电压骤升骤降中断暂态信息，若不存在，直接转入S404；若存在，进入电压骤升骤降污染源的定位判断：判断***电压在发生骤升骤降时每条回路对应的前后3-5周波电流是否为同步变化，若是，则该回路不是电压骤升骤降污染源，转入S404；若否，则该回路是电压骤升骤降污染源，转入S404；

S404：从电能质量分析统计中选取电能质量电压三相不平衡指标参数，判断电能质量电压三相不平衡指标参数是否超标，若否，直接转入S405；若是，进入电压三相不平衡污染源的定位判断：分析每条回路的三相电流的值和三相电流不平衡度，若回路的一相或两相的负荷电流值大于满负荷运行电流的90％，且三相电流不平衡度大于60％，则判断该回路是电压三相不平衡污染源，转入S405；

S405：从电能质量分析统计中选取电能质量电压偏差指标参数，判断电能质量电压偏差指标参数是否超标，若否，直接转入S406；若是，进入电压偏差污染源的定位判断：判断每条回路是否存在视在功率S超过***额定容量或负荷功率因数低于额定值的情况，若存在，则该回路是电压偏差污染源，转入S406；若不存在，则该回路不是电压偏差污染源，转入S406；

S406：从电能质量分析统计中选取电能质量电压频率指标参数，判断电能质量电压频率指标参数是否超标，若否，直接结束；若是，进入频率偏差污染源的定位判断：判断每条回路是否存在有功功率P、视在功率S超出对应额定容量的情况或实际运行电流为额定电流的95％且电流波动性大的情况，若存在，则该回路是频率偏差污染源；若不存在，则该回路不是频率偏差污染源，结束。

在上述技术方案的基础上，S402中所述计算每条回路中负荷单独接入时的闪变值，具体包括以下步骤：

S402a：计算出每条回路的电压波动曲线U(t)、电流波动曲线I(t)，转入S402b；

S402b：将计算得到的电压波动曲线U(t)、电流波动曲线I(t)带入瞬时视在功率S(t)的计算公式，得到电压浮角和电流浮角S(t)的计算公式为：

式中ω为电角度，t为瞬时时间，转入S402c；

S402c：根据电压浮角和电流浮角推导出负荷采用阻抗模型：ZL＝R+JX，其中，R为电阻，JX为电抗，转入S402d；

S402d：设***电压为Us，***短路容量为Sd，则根据负荷采用阻抗模型推导出***阻抗Zs＝Us2/Sd，转入S402e；

S402e：根据电阻R、电抗JX、***阻抗Zs和***电压Us，计算出负荷单独接入时的公共连接点电压Ud，计算公式为：Ud＝[(R+JX)/(Zs+R+JX)]×Us，转入S402f；

S402f：根据负荷单独接入时的公共连接点电压Ud，计算出每条回路中负荷单独接入时的闪变值，结束。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的电能质量监测仪中设置有信号处理装置，该信号处理装置能在通过正弦转方波电路转换后的反映网频周期的方波信号的每次上升沿期间进入中断，根据连续两次中断所记录的内部脉冲数，计算得出外部电网的网频频率；通过该网频频率调节信号处理装置的采样定时器的初始值，使得信号处理装置的采样频率与外部电网的网频频率同步，避免发生频谱泄露。本发明的采样频率能在网频波动时跟随外网网频变化，实现采样频率同步，解决了现有技术中单CPU采样频率不能跟随外网网频变化的问题，从而提高了电能质量参数的测量准确性。

(2)本发明的电电能质量监测仪不但可以满足电能质量监测的一般用户和国网公司的通用电能质量监测的要求(如历史数据分析统计，电能质量报表生成等功能)，同时还具备电能质量污染源定位功能，能准确区别电能质量污染源和非污染源。该电能质量监测仪的污染源定位功能包括谐波/间谐波污染源、波动闪变污染源、电压骤升骤降污染源、电压三相不平衡污染源、电压偏差污染源、频率偏差污染源等六种污染源的定位。使用本电能质量监测仪，用户可以准确发现电能质量污染源，不但为供电***和电力用户提供有效的电能质量综合管理，而且有效避免了电能质量污染源的大范围传播，提高了电网供电质量，同时节约了大量人力物力，提高了供电企业和电力用户的经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例中实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪的结构框图；

图2是本发明实施例中实现电能质量监测及污染源定位的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪，包括顺次连接的信号采集装置、信号处理装置、***控制装置和工控机；

信号采集装置用于：将电网信号的A相电压波形经过二阶滤波后形成良好的正弦波信号，通过过零比较将正弦波信号变成方波信号；将方波信号进行电平转换和去毛刺、去抖动处理后输入到信号处理装置。

其中，信号采集装置包括用于接收电网信号的电压电流互感器、用于实现二阶滤波的有源滤波放大器、用于将正弦波信号变成方波信号的过零比较器、用于实现电平转换和去毛刺、去抖动处理的CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)芯片和用于将模拟电网信号转换成数字信号的模数转换器；电压电流互感器的输入端与电网信号连接，输出端分别与有源滤波放大器的输入端、过零比较器的输入端连接；过零比较器的输出端与CPLD芯片的输入端连接；有源滤波放大器的输出端、CPLD芯片的控制模数转换IO均与模数转换器的输入端连接；模数转换器的输出端与信号处理装置连接。

信号处理装置用于：在方波信号的每次上升沿期间进入中断，根据连续两次中断所记录的内部脉冲数，计算得出外部电网的网频频率；将信号处理装置的采样频率调节至与外部电网的网频频率同步后，进行同步采样和暂态数据分析处理，并将采样的稳态波形数据发送至***控制装置。

其中，信号处理装置还与扩展存储器、JTAG仿真接口连接，扩展存储器用于保存采样数据(包括临时采样数据和电压短暂态的录波数据)；JTAG仿真接口连接用于实现信号处理装置的在线仿真和程序下载。并且，信号处理装置通过双口RAM将稳态数据发送至***控制装置。

***控制装置用于：对稳态波形数据进行数据分析得到电能质量技术参数，并将电能质量技术参数发送至工控机。

其中，***控制装置还与用于实现人机对话操作的LCD接口、键盘接口连接。并且，***控制装置通过RS485接口或者RJ45接口将电能质量技术参数发送至工控机。

工控机用于：对所有电能质量技术参数进行电能质量分析统计；根据电能质量分析统计，以绘制历史曲线的方式生成各种电能质量报表(所生成的电能质量报表能为电能质量综合管理和电能质量的治理工作提供科学的决策依据和技术支持)；并从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，电能质量污染源包括谐波/间谐波污染源、波动闪变污染源、电压骤升骤降污染源、电压三相不平衡污染源、电压偏差污染源、频率偏差污染源。

其中，若工控机初次运行，所述所有电能质量技术参数为当前电能质量技术参数；若工控机非初次运行，所述所有电能质量技术参数为当前电能质量技术参数和整个运行时间段保存的历史电能质量技术参数。

参见图2所示，本发明实施例还提供一种基于上述监测仪的实现电能质量监测及污染源定位的方法，包括以下步骤：

S1：信号采集装置接收各监测点的电网信号；将电网信号的A相电压波形经过二阶滤波后形成正弦波信号，通过过零比较将正弦波信号变成方波信号；将方波信号进行电平转换和去毛刺、去抖动处理后输入到信号处理装置，转入S2。

S2：信号处理装置在方波信号的每次上升沿期间进入中断，根据连续两次中断所记录的内部脉冲数，计算得出外部电网的网频频率；通过调节信号处理装置的采样定时器的初始值，将信号处理装置的采样频率调节至与外部电网的网频频率同步后，进行同步采样和暂态数据分析处理，并将采样的稳态波形数据发送至***控制装置，转入S3。

S3：***控制装置对稳态波形数据进行数据分析得到电能质量技术参数，并将电能质量技术参数发送至工控机，转入S4。

S4：工控机对所有电能质量技术参数进行电能质量分析统计；根据电能质量分析统计，以绘制历史曲线的方式生成各种电能质量报表；从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断；其中，电能质量超标参数为电能质量指标参数超标后的参数，电能质量指标参数包括电能质量谐波/间谐波指标参数、电能质量闪变指标参数、电能质量电压骤升骤降指标参数、电能质量电压三相不平衡指标参数、电能质量电压偏差指标参数和电能质量电压频率指标参数；电能质量污染源包括谐波/间谐波污染源、波动闪变污染源、电压骤升骤降污染源、电压三相不平衡污染源、电压偏差污染源、频率偏差污染源。

实际操作时，S4中所述从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，具体包括以下步骤：

S401：从电能质量分析统计中选取电能质量谐波/间谐波指标参数，判断电能质量谐波/间谐波指标参数是否超标(超过已设定的对应标准值，标准值根据不同电压等级的国标值来确定)，若否，直接转入S402；若是，进入谐波/间谐波污染源的定位判断：计算出每条回路中2～50次谐波范围内的电阻非线性度DR和电抗非线性度DX，计算公式为：

$DR=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{M}{\Σ}}{\left|Rh/R1\right|}^2/N-1}$

$DX=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{M}{\Σ}}{\left|Xh/X1-1\right|}^2/N-1}$

公式中，R1为基波电阻，Rh为第h次基波电阻，h为2≤h≤50的正整数，N为谐波的总次数50，X1为基波电抗，Xh为第h此基波电抗；

当电阻非线性度DR和电抗非线性度DX趋近于0时，说明该回路负荷为线性负荷，不会产生谐波，则判断该回路不是非谐波/间谐波污染源；当电阻非线性度DR和电抗非线性度DX均大于3时，说明该回路负荷为非线性负荷，则判断该回路是谐波/间谐波污染源，转入S402。

S402：从电能质量分析统计中选取电能质量闪变指标参数，判断电能质量闪变指标参数是否超超标(超过已设定的对应标准值，标准值根据不同电压等级的国标值来确定)，若否，直接转入S403；若是，进入波动闪变污染源的定位判断：计算每条回路中负荷单独接入时的闪变值，判断每条回路中负荷单独接入时的闪变值是否超标，若是，则该回路是波动闪变污染源，转入S403；若否，则该回路不是波动闪变污染源，转入S403。

其中，S402中计算每条回路中负荷单独接入时的闪变值，具体包括以下步骤：

S402a：计算出每条回路的电压波动曲线U(t)、电流波动曲线I(t)，转入S402b；

S402b：将计算得到的电压波动曲线U(t)、电流波动曲线I(t)带入瞬时视在功率S(t)的计算公式，得到电压浮角和电流浮角瞬时视在功率S(t)的计算公式为：

式中ω为电角度，t为瞬时时间，转入S402c；

S402c：根据电压浮角和电流浮角推导出负荷采用阻抗模型：ZL＝R+JX，其中，R为电阻，JX为电抗，转入S402d；

S402d：设***电压为Us，***短路容量为Sd，则根据负荷采用阻抗模型推导出***阻抗Zs＝Us2/Sd，转入S402e；

S402e：根据电阻R、电抗JX、***阻抗Zs和***电压Us，计算出负荷单独接入时的公共连接点电压Ud，计算公式为：Ud＝[(R+JX)/(Zs+R+JX)]×Us，转入S402f；

S402f：根据负荷单独接入时的公共连接点电压Ud，计算出每条回路中负荷单独接入时的闪变值。

S403：从电能质量分析统计中选取电能质量电压骤升骤降指标参数，判断电能质量电压骤升骤降指标参数中是否存在电压骤升骤降中断暂态信息，若不存在，直接转入S404；若存在，进入电压骤升骤降污染源的定位判断：判断***电压在发生骤升骤降时每条回路对应的前后3-5周波电流是否为同步变化(即电压电流为同步增大或同步减小)，若是，则该回路不是电压骤升骤降污染源，转入S404；若否，则该回路是电压骤升骤降污染源，转入S404。

S404：从电能质量分析统计中选取电能质量电压三相不平衡指标参数，判断电能质量电压三相不平衡指标参数是否超标(超过已设定的对应标准值，标准值根据不同电压等级的国标值来确定)，若否，直接转入S405；若是，进入电压三相不平衡污染源的定位判断：分析每条回路的三相电流的值和三相电流不平衡度，若回路的一相或两相的负荷电流值大于满负荷运行电流的90％，且三相电流不平衡度大于相应标准值的60％，则判断该回路是电压三相不平衡污染源(否则，则不是电压三相不平衡污染源)，转入S405。

S405：从电能质量分析统计中选取电能质量电压偏差指标参数，判断电能质量电压偏差指标参数是否超标(超过已设定的对应标准值，标准值根据不同电压等级的国标值来确定)，若否，直接转入S406；若是，进入电压偏差污染源的定位判断：判断每条回路是否存在视在功率S超过***额定容量或负荷功率因数低于额定值的情况(额定值根据具体负荷特征情况来设定)，若存在，则该回路是电压偏差污染源，转入S406；若不存在，则该回路不是电压偏差污染源，转入S406。

S406：从电能质量分析统计中选取电能质量电压频率指标参数，判断电能质量电压频率指标参数是否超标(超过已设定的对应标准值，标准值根据不同电压等级的国标值来确定)，若否，直接结束；若是，进入频率偏差污染源的定位判断：判断每条回路是否存在有功功率P、视在功率S超出对应额定容量的情况或实际运行电流为额定电流的95％且电流波动性大的情况，若存在，则该回路是频率偏差污染源；若不存在，则该回路不是频率偏差污染源，结束。

为了更好的理解本发明，下面对六种污染源定位的原理及依据进行详细分析：

(1)谐波/间谐波污染源的定位：在存在谐波污染的电网中，单独依据畸变的电压波形和电流波形并不能判断某个负荷是造成谐波的污染源，例如在公网本身有谐波污染的情况下，恒阻抗的电压电流波形都是畸变的，当基波电压加在恒定阻抗的负载上时，其电流也是基波频率，负荷上不会产生谐波电流。当负荷是非线性负荷时候，负荷产生的电流与施加的电压波形不同，形成了畸变的谐波电流，畸变电流将在线路阻抗上产生电压降，导致公共连接点上的电压畸变。因此可以根据负荷阻抗的线性度来判断负荷是否是谐波源。

(2)波动闪变污染源的定位：当负荷功率波动时候，负荷电流在***阻抗上的压降就会跟着波动，从而导致公共连接点上的电压的波动，进而引起电压闪变。然而，公共连接点上的电压波动时恒定负荷的电流也是波动的，因此，单纯监测公共连接点上的电压不能判断出干扰源的来源。而负荷波动是电压波动的直接原因，波动闪变污染源的检测实际上就是波动负荷的鉴别，因此，可根据负荷单独接入时候的闪变值是否超标来判断出该负荷是否为波动闪变污染源。

(3)电压骤升骤降污染源的定位：电压骤升骤降对用户设备正常运行危害是很大的，随着计算机，各类微处理器和可调速驱动器在自动化领域应用不断扩展，几十个毫秒的电压骤升骤降会导致生产的中断或者加工出的产品不合格对用户造成巨大经济损失。电压骤升骤降在业界一直被认为是影响设备正常运行和使用寿命的最严重的暂态电能质量问题，但由于电压骤升骤降一般所持续的时间短，其信号难以捕捉，所以该定位一直是一个难题。

根据建立的数学模型Ug＝Us-Is*Rs，ΔUs＝ΔIs*Rs，(公式中，Ug为公共连接点电压，Is为***电流，Rs为***电阻，Us为***电压，ΔUs为公共连接点电压变化量，ΔIs为***电流变化量)可知：当负载电流增大的时候***电流跟着增大，负载电流减小的时候***电流跟着减小。因此，可以根据电压骤升骤降事件发生的时候对应时间的电流变化趋势来进行电压骤升骤降污染源的判断，即判断***电压在发生骤升骤降时各回路对应的前后几周波电流是否为同步变化，若是，则此回路不是电压骤升骤降污染源；若否，则此回路是电压骤升骤降污染源。

(4)电压三相不平衡污染源的定位：电压三相不平衡污染源的判断就是分析每条线路三相电流的值和三相电流的三相不平衡度。具体来说，需分析每条回路的三相电流的值和三相电流不平衡度，如果某条回路的三相电流不平衡度很大，且一相或两相的负荷电流值大于单相满负荷运行电流的90％，则判断该回路为电压三相不平衡污染源。但是，需说明的是，当某条线路三相负荷电流较小时，即使电流三相不平衡度较大，或者三相负荷电流较大但三相电流不平衡度较小时，依然判断该回路不是电压三相不平衡污染源。

(5)电压偏差污染源的定位：造成电压偏差较大的主要原因是视在功率超过***额定容量或者负荷功率因数偏低造成的***出力能力不够等因数导致。因此，可通过判断每条回路是否存在视在功率超过***额定容量或负荷功率因数低于额定值的情况，来判断是否为电压偏差污染源。若存在，则判断该回路是电压偏差污染源；若不存在，则判断该回路不是电压偏差污染源。

(6)频率偏差污染源的定位：造成***频率偏差主要是***有功出力与负荷有功功率不平衡造成的(特别是负荷超出***容量运行)。因此，可通过判断每条回路是否存在有功功率P、视在功率S超出对应额定容量的情况或实际运行电流为额定电流的95％且电流波动性大的情况，来判断是否为频率偏差污染源。若存在，则判断该回路是频率偏差污染源；若不存在，则判断该回路不是频率偏差污染源。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪，其特征在于：包括顺次连接的信号采集装置、信号处理装置、***控制装置和工控机；

信号采集装置用于：将电网信号的A相电压波形经过二阶滤波后形成正弦波信号，通过过零比较将正弦波信号变成方波信号；将方波信号进行电平转换和去毛刺、去抖动处理后输入到信号处理装置；

信号处理装置用于：在方波信号的每次上升沿期间进入中断，根据连续两次中断所记录的内部脉冲数，计算得出外部电网的网频频率；将信号处理装置的采样频率调节至与外部电网的网频频率同步后，进行同步采样和暂态数据分析处理，并将采样的稳态波形数据发送至***控制装置；

***控制装置用于：对稳态波形数据进行数据分析得到电能质量技术参数，并将电能质量技术参数发送至工控机；

工控机用于：对所有电能质量技术参数进行电能质量分析统计；根据电能质量分析统计，生成各种电能质量报表；从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，电能质量污染源包括谐波/间谐波污染源、波动闪变污染源、电压骤升骤降污染源、电压三相不平衡污染源、电压偏差污染源、频率偏差污染源。

2.如权利要求1所述的实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪，其特征在于：所述信号采集装置包括电压电流互感器、有源滤波放大器、过零比较器、复杂可编程逻辑器件CPLD芯片和模数转换器；电压电流互感器的输入端与电网信号连接，输出端分别与有源滤波放大器的输入端、过零比较器的输入端连接；过零比较器的输出端与CPLD芯片的输入端连接；有源滤波放大器的输出端、CPLD芯片的控制模数转换IO均与模数转换器的输入端连接；模数转换器的输出端与信号处理装置连接。

3.如权利要求1所述的实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪，其特征在于：若工控机初次运行，所述所有电能质量技术参数为当前电能质量技术参数；若工控机非初次运行，所述所有电能质量技术参数为当前电能质量技术参数和整个运行时间段保存的历史电能质量技术参数。

4.如权利要求1至3中任一项所述的实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪，其特征在于：所述信号处理装置还连接有用于保存采样数据的扩展存储器，以及用于信号处理装置的在线仿真和程序下载的JTAG仿真接口。

5.如权利要求1至3中任一项所述的实现电能质量监测及污染源定位的电能质量监测仪，其特征在于：所述***控制装置还连接有用于实现人机对话操作的LCD接口、键盘接口。

6.一种基于权利要求1至5中任一项所述监测仪的实现电能质量监测及污染源定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：信号采集装置接收各监测点的电网信号；将电网信号的A相电压波形经过二阶滤波后形成正弦波信号，通过过零比较将正弦波信号变成方波信号；将方波信号进行电平转换和去毛刺、去抖动处理后输入到信号处理装置，转入S2；

S2：信号处理装置在方波信号的每次上升沿期间进入中断，根据连续两次中断所记录的内部脉冲数，计算得出外部电网的网频频率；将信号处理装置的采样频率调节至与外部电网的网频频率同步后，进行同步采样和暂态数据分析处理，并将采样的稳态波形数据发送至***控制装置，转入S3；

S3：***控制装置对稳态波形数据进行数据分析得到电能质量技术参数，并将电能质量技术参数发送至工控机，转入S4；

S4：工控机对所有电能质量技术参数进行电能质量分析统计；根据电能质量分析统计，生成各种电能质量报表；从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，其中，电能质量污染源包括谐波/间谐波污染源、波动闪变污染源、电压骤升骤降污染源、电压三相不平衡污染源、电压偏差污染源、频率偏差污染源。

7.如权利要求6所述的实现电能质量监测及污染源定位的方法，其特征在于：S4中所述从电能质量分析统计中得到电能质量超标参数，根据电能质量超标参数对电能质量污染源进行定位判断，具体包括以下步骤：

S401：从电能质量分析统计中选取电能质量谐波/间谐波指标参数，判断电能质量谐波/间谐波指标参数是否超标，若否，直接转入S402；若是，进入谐波/间谐波污染源的定位判断：计算出每条回路中2～50次谐波范围内的电阻非线性度DR和电抗非线性度DX，计算公式为：

$DR=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{N}{\Σ}}{\left|Rh/R1-1\right|}^2/N-1}$

$DX=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{N}{\Σ}}{\left|X_h/X_{1-1}\right|}^2/N-1}$

上述公式中，R1为基波电阻，Rh为第h次基波电阻，h为2≤h≤50的正整数，N为谐波的总次数50，X1为基波电抗，Xh为第h此基波电抗；

当电阻非线性度DR和电抗非线性度DX趋近于0时，说明该回路负荷为线性负荷，不会产生谐波，则该回路不是谐波/间谐波污染源；当电阻非线性度DR和电抗非线性度DX均大于3时，说明该回路负荷为非线性负荷，则该回路是谐波/间谐波污染源，转入S402；

S402：从电能质量分析统计中选取电能质量闪变指标参数，判断电能质量闪变指标参数是否超标，若否，直接转入S403；若是，进入波动闪变污染源的定位判断：计算每条回路中负荷单独接入时的闪变值，判断每条回路中负荷单独接入时的闪变值是否超标，若是，则该回路是波动闪变污染源，转入S403；若否，则该回路不是波动闪变污染源，转入S403；

S403：从电能质量分析统计中选取电能质量电压骤升骤降指标参数，判断电能质量电压骤升骤降指标参数中是否存在电压骤升骤降中断暂态信息，若不存在，直接转入S404；若存在，进入电压骤升骤降污染源的定位判断：判断***电压在发生骤升骤降时每条回路对应的前后3-5周波电流是否为同步变化，若是，则该回路不是电压骤升骤降污染源，转入S404；若否，则该回路是电压骤升骤降污染源，转入S404；

S404：从电能质量分析统计中选取电能质量电压三相不平衡指标参数，判断电能质量电压三相不平衡指标参数是否超标，若否，直接转入S405；若是，进入电压三相不平衡污染源的定位判断：分析每条回路的三相电流的值和三相电流不平衡度，若回路的一相或两相的负荷电流值大于满负荷运行电流的90％，且三相电流不平衡度大于60％，则判断该回路是电压三相不平衡污染源，转入S405；

S405：从电能质量分析统计中选取电能质量电压偏差指标参数，判断电能质量电压偏差指标参数是否超标，若否，直接转入S406；若是，进入电压偏差污染源的定位判断：判断每条回路是否存在视在功率S超过***额定容量或负荷功率因数低于额定值的情况，若存在，则该回路是电压偏差污染源，转入S406；若不存在，则该回路不是电压偏差污染源，转入S406；

S406：从电能质量分析统计中选取电能质量电压频率指标参数，判断电能质量电压频率指标参数是否超标，若否，直接结束；若是，进入频率偏差污染源的定位判断：判断每条回路是否存在有功功率P、视在功率S超出对应额定容量的情况或实际运行电流为额定电流的95％且电流波动性大的情况，若存在，则该回路是频率偏差污染源；若不存在，则该回路不是频率偏差污染源，结束。

8.如权利要求7所述的实现电能质量监测及污染源定位的方法，其特征在于：S402中所述计算每条回路中负荷单独接入时的闪变值，具体包括以下步骤：

S402a：计算出每条回路的电压波动曲线U(t)、电流波动曲线I(t)，转入S402b；

S402b：将计算得到的电压波动曲线U(t)、电流波动曲线I(t)带入瞬时视在功率S(t)的计算公式，得到电压浮角和电流浮角S(t)的计算公式为：

式中ω为电角度，t为瞬时时间，转入S402c；

S402c：根据电压浮角和电流浮角推导出负荷采用阻抗模型：ZL＝R+JX，其中，R为电阻，JX为电抗，转入S402d；

S402d：设***电压为Us，***短路容量为Sd，则根据负荷采用阻抗模型推导出***阻抗Zs＝Us2/Sd，转入S402e；

S402e：根据电阻R、电抗JX、***阻抗Zs和***电压Us，计算出负荷单独接入时的公共连接点电压Ud，计算公式为：Ud＝[(R+JX)/(Zs+R+JX)]×Us，转入S402f；

S402f：根据负荷单独接入时的公共连接点电压Ud，计算出每条回路中负荷单独接入时的闪变值，结束。