低壓配電網(wǎng)三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：當(dāng)前我國(guó)低壓配電網(wǎng)大都采用三相四線制的接線方式為用戶供電，但由于用電負(fù)荷在各相的不均衡分配，我國(guó)低壓配電網(wǎng)長(zhǎng)期存在著三相不平衡等問題。再加上我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量的研究較國(guó)外起步的晚，處理電網(wǎng)故障問題的技術(shù)水平還不夠先進(jìn)。如果配電網(wǎng)突然發(fā)生嚴(yán)重的三相不平衡事故，將對(duì)輸電線路、電力系統(tǒng)器件和電力用戶產(chǎn)生極大的危害。因此現(xiàn)階段非常有必要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)地向供電部門提供電能質(zhì)量的波動(dòng)情況，才能夠準(zhǔn)確快速的制定合理的治理方案。本文基于DSP完成了三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用混合基FFT算法提取基波分量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照三相不平衡度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析計(jì)算，然后進(jìn)行了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仿真與調(diào)試。最后表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地對(duì)三相不平衡的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：低壓配電網(wǎng)；DSP；混合基FFT；三相不平衡中圖分類號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言電能在全球范圍內(nèi)已經(jīng)成為了應(yīng)用最為廣泛的清潔能源，伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，各類精密儀器的不斷涌現(xiàn)，全社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量的要求也逐步提高[1]。在電能質(zhì)量方面，電能質(zhì)量的主要指標(biāo)是電壓、頻率和波形。電能質(zhì)量問題可以理解為電壓、頻率和波形超出規(guī)定允許的幅度范圍而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)問題。主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)和閃變、三相不平衡、波形差等[2]。三相不平衡既然是衡量電能質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究就具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。三相不平衡主要定義為電力系統(tǒng)在運(yùn)行中三相電壓或三相電流的幅值超出了標(biāo)準(zhǔn)幅度規(guī)定的限度。接入電網(wǎng)的三相負(fù)荷的差異、三相負(fù)載不均勻分布、以及接入的單相負(fù)荷的功率遠(yuǎn)超其他兩相而導(dǎo)致的功率不均衡分配是三相不平衡產(chǎn)生的主要原因。接入城市電網(wǎng)和農(nóng)村電網(wǎng)中的三相負(fù)荷存在巨大差異，造成現(xiàn)今的由三相不平衡現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生而且?guī)淼膿p失不可估量。三相不平衡監(jiān)測(cè)裝置可以及時(shí)地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中三相不平衡度的波動(dòng)情況，一旦監(jiān)測(cè)到的結(jié)果超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)部門可以采取合理的治理措施。三相不平衡裝置的使用方法是將其安裝在電網(wǎng)中各個(gè)公共連接點(diǎn)和負(fù)荷波動(dòng)較大的點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、不間斷監(jiān)測(cè)，同步采集電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過對(duì)稱分量法等基礎(chǔ)算法，計(jì)算出電壓基波幅值，電流基波幅值等電氣量，再由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算得出三相電壓和三相電流不平衡度等電氣量，再通過合理的通訊方式將這些數(shù)據(jù)傳送至相關(guān)部門[3]。由監(jiān)測(cè)所反應(yīng)的數(shù)據(jù)可經(jīng)過相關(guān)部門的推算找到故障發(fā)生的關(guān)鍵點(diǎn)，及時(shí)地找到治理方法，也可以為供電部門的調(diào)度工作提供合理建議。三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電網(wǎng)治理中的地位越來越重要，因此需要加大對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究力度，本文研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)1.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心為硬件電路的設(shè)計(jì)，只有在硬件電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確無誤的情況下，才能進(jìn)一步完成對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。低壓配電網(wǎng)三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如下：三相電壓采集電路、三相電流采集電路、數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)以及顯示模塊的設(shè)計(jì)。低壓配電網(wǎng)三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是對(duì)三相電壓和三相電流的不平衡分析。但是在交流電中，三相電壓和三相電流信號(hào)均無法通過直接測(cè)量得到。因此，我們必須首先在低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中采集電壓和電流信號(hào)，然后將其處理為可以由DSP采集的信號(hào)。然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換在中央處理器中進(jìn)行混合基FFT算法計(jì)算，提取出有效的基波分量，再利用對(duì)稱分量法得出正序分量與負(fù)序分量，利用我國(guó)規(guī)定的三相不平衡度的標(biāo)準(zhǔn)算法算出三相電壓和三相電流的不平衡度[4]。最后將結(jié)果在顯示模塊上顯示出來以為相關(guān)部門及時(shí)掌握配電網(wǎng)低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡的情況。1.2信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)低壓配電網(wǎng)中常采用三相四線制，也就是電壓分為A、B、C、N四個(gè)信號(hào)。下圖為A相電壓采集電路：圖1A相電壓采集原理圖A相電流采集電路如圖：圖2A相電流采集原理圖1.3數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)處理模塊DSP芯片采用的是TMS320F28335，它具有高速計(jì)算能力、低功耗、高性能、高速度、強(qiáng)大的外部通信接口、便捷的A/D轉(zhuǎn)換、錯(cuò)誤率低、高效等優(yōu)點(diǎn)[5]。TMS320F28335最小系統(tǒng)電路包括供電電路（3.3V、1.8V）、晶振電路、復(fù)位電路和JTAG程序下載接口。電源電路采用的是線性穩(wěn)壓器AMS1117-1.8和AMS1117-3.3分別產(chǎn)生1.8V和3.3V電源。晶振采用30MHz無源晶振，DSP內(nèi)部經(jīng)過鎖相環(huán)電路產(chǎn)生150MHz的時(shí)鐘信號(hào)給整個(gè)系統(tǒng)使用[6]。復(fù)位使用的上拉加按鍵，按鍵按下之后產(chǎn)生低電平信號(hào)可以給DSP復(fù)位。1.4電源模塊的設(shè)計(jì)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，如果沒有電源電路向DSP能供電源的話DSP及其外設(shè)電路是無法正常工作運(yùn)行的，穩(wěn)定精確的電源是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的前提。因此，需要對(duì)電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且不同模塊電路使用的電源電路是不同的，要根據(jù)情況適當(dāng)選擇。在本系統(tǒng)中DSP及其外圍芯片使用3.3V電源，運(yùn)算放大器使用±12V電源，部分芯片使用5V電源。其中5V電源電路、±12V電源電路、3.3V電源電路分別如圖所示：圖35V電源電路圖圖4±12V電源電路圖圖53.3V電源電路圖2三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)2.1混合基FFT算法在DSP中的實(shí)現(xiàn)在混合基FFT運(yùn)算程序里分為三個(gè)大循環(huán)，首先輸入x(n)，第一個(gè)循環(huán)是將x(n)改寫成x(n1，n0)，即x(n)=x(r2n1+n0)=x(n1，n0)；第二個(gè)循環(huán)是把N個(gè)X1（k0，n0）乘以相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因子；第三個(gè)循環(huán)是做r2個(gè)r1點(diǎn)和做r1個(gè)r2點(diǎn)的DFT運(yùn)算，三個(gè)循環(huán)是嵌套在一起的，因此可以快速的進(jìn)行計(jì)算[7]。程序具體如下：圖6混合基FFT運(yùn)算程序2.2混合基FFT算法在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)在MATLAB中，我們?cè)O(shè)計(jì)的程序如下圖所示：圖7MATLAB仿真程序圖8MATLAB仿真圖上圖是對(duì)三相電壓信號(hào)采集的仿真結(jié)果，其中，ABC三相分別是黃綠紅三色表示。圖9MATLAB仿真圖上圖是A相的FFT運(yùn)算結(jié)果，三個(gè)圖分別是幅值、實(shí)部、虛部的分析結(jié)果。3結(jié)論隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，電能在人類社會(huì)中所起的作用越來越突出，電能現(xiàn)今已經(jīng)成為推動(dòng)整個(gè)社會(huì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，社?huì)各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娔苜|(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格。三相不平衡成為了檢驗(yàn)電能質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的一個(gè)重要因素。低壓配電網(wǎng)三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效的幫助相關(guān)部門監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)波動(dòng)情況，掌握三相不平衡度，電力相關(guān)部門會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的結(jié)果做出快速準(zhǔn)確的措施來減小三相不平衡現(xiàn)象帶來的危害，提高電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)的安全可靠的運(yùn)行。三相不平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景，并能夠不斷縮小與國(guó)外技術(shù)差異，本文具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)[1]同向前，王海燕，尹軍等．基于負(fù)荷功率的三相不平衡度的計(jì)算方法[J]．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，23(2)：24-30．[2]王代弟．配電網(wǎng)三相不平衡問題的分析與研究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