摘 要:现代社会的快速发展，使越来越多的低压用户开始关注电能质量问题。而到目前为止，实际应用中的电能质量监测主要是基于系统侧来考虑的，监测节点主要选在变电站以及关键用户接入点处。本文分析了与低压用户密切相关的各项电能质量指标，指出从墙上电源插座采集电压信号，对低压用户而言，就可以完全掌握其电能质量状况，在此基础上提出了基于低压用户侧的电能质量监测的思路，探讨了相关的网络结构和关键技术方法。
关键词: 电能质量; 电能质量监测; 以太网; 低压用户
1引言
电力系统中，电能质量问题同时存在于输电系统与配电系统，输电系统可靠性高，发生故障的概率比较低，大部分的故障、异常现象出现在配电系统。电能质量问题与用户设备密切相关，IEEE技术协调委员会给出的“power quality”的技术定义为：“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统适合该设备正常工作”［1］。因此，实际供电系统中，电能质量危害主要体现在与用户密切相关的配电系统以及低压网络（400V）中，如电压跌落问题引起的设备误跳闸；短时断电现象造成计算机服务器数据丢失；谐波问题引起用户设备不正常发热等。
以前，关注电能质量问题的主要是系统工程师以及相关的技术人员，电能质量监测主要是基于系统侧来考虑的［2］［3］，分布于各个变电站和关键用户接入点处的电能质量监测单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个电网的电能质量分析。电力部门可以为其本身及其关键用户提供监测数据，这对于整个电网电能质量水平的监测分析，谐波污染源的定位，电压质量的持续监测都有很大的益处。
然而随着社会的快速发展和电力市场机制的不断完善，越来越多的低压用户开始关注电能质量问题，比如：IT行业公司关心其计算机系统能否正常工作（若电压幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s，其系统有可能紊乱）［4］。因此有必要从低压用户的角度，来重新认识电能质量监测的相关技术。本文在分析了与低压用户密切相关的各项电能质量指标的基础上，探讨了基于低压用户侧的电能质量监测的技术方法和网络结构。
2基于低压用户侧的电能质量监测技术分析
2.1低压用户监测指标分析
电能质量问题可分为电压质量和电流质量两部分。实际供电过程中，系统可以控制的仅为用户电压，无法控制用户汲取的电流量。因此与用户密切相关的电能质量指标主要为电压指标，如：电压波动，闪变，电压跌落，骤升，短时断电等。电流质量问题主要为谐波问题，它在一定程度上也可以在电压谐波中得到反映。因此对于低压用户而言，从墙上电源插座（单相或三相）引入输入量，仅仅采集相关的电压信号，就可以完整的描叙实际电能质量状况。对单相两芯插座，三相电能质量问题如：三相不平衡和三相谐波等问题，得不到很好的监测。但是对普通低压用户而言，它面向的主要为单相电力系统，三相电能质量问题对其影响不大。而针对三相电动机等三相负荷，墙上三相电源插座可以很好的提供三相相电压信号输入。下面详细的分析与低压用户相关的电压质量指标和监测方法。
2.1.1电压谐波分析
采样信号经快速傅立叶变换（FFT），可以得到各次谐波分量的实部Ur(k)、虚部Ui(k)，然后利用公式（1）、（2）、（3），就可以得到各次谐波电压幅值Uk、相角θk以及总谐波畸变率THD
2.1.2电压波动和闪变的测量
由2000年国标修订版《电能质量 电压波动和闪变》（GB123262000），电压波动可以采用以下指标来衡量：
式中，Umax、Umin为工频电压调幅波的相邻两个极值电压（均方根值）。
闪变不仅与电压波动的大小有关，而且与波动频度、波形、照明灯具的形式和参数（电压、功率等）有关，此外还和人的视感灵敏性有关。由于人的视感有一定的记忆效应，对于闪变影响的评定必须取足够长的时间，因此2000年国标修订版参考国际电工委员会（IEC）标准，规定了短时间闪变值Pst（10分钟统计）和长时间闪变值Plt（2小时统计）两项指标，这与1990年版国标采用的10Hz等效闪变值（ΔV10）有较大的不同，具体的定义如下：
式中，P0.1、P1、P3、P10、P50分别为10min内瞬时闪变视感度S(t)超过0.1%、1%、3%、10%、50%时间的觉察单位值。
式中，n为Plt测量时间段内所包含的Pst个数，在2小时期间内，每隔10分钟测一次，可得n=12。
2.1.3频率的精确测量
在采样速率较高的前提下，经过相邻两个采样点的正弦曲线，可以用线性关系近似表示，因此频率的测量可以采用以下的方法［5］：
采样数值经过去噪处理以后，通过一个45Hz-55Hz的窄带数字滤波器，保证采样数值过零点的唯一性，然后通过插值求波形过零点的时刻来求得采样信号的周期值。
如图1,A0、A1；An、An+1分别为两个相邻负斜率过零点前后的采样值，TS为一个采样周期。T0、T1；Tn、Tn+1分别为A0、A1；An、An+1采样时刻距自身相邻过零点时刻的时间。当采样周期足够短时，A0和A1间的正弦曲线可近似为直线，则
观察图1，两个正斜率过零点间共有N次采样，则该信号的频率为
2.1.4暂态电压指标测量
暂态电压指标测量主要包括：电压跌落，电压骤升，短时断电以及暂态过电压的统计分析等。
对于短时断电，只需精确统计电压幅值为零（或低于某一极小值）的持续时间（ΔT）即可。根据电压跌落、电压骤升的特点，通过计算电压幅值偏移、持续时间和可能相伴出现的相位跳变，最能反映其危害程度。
由文献［6］，以单相电源为参考电压构造一个虚拟的三相系统，以A相为例，首先将Ua延时60°得Uc，由Ub=Ua-Uc算出Ub。
然后将三相电压变换到dq轴：
将变换后d，q分量电压中的直流成分Uda和Uqa提取出来，则可得
当计算跌落电压幅值时，可以采用整周期监测；当检测凹陷起止时刻时，为了提高精度，应当采用半周期检测。
对于暂态过电压的测量，根据国家新颁布的电能质量国标《电能质量 暂时过电压和瞬态过电压》（GB/T18481-2001）的要求，应当提供短时录波功能，并且测量暂态波形过电压峰值Umax。
2.1.5供电可靠性的统计
本系统是针对低压用户侧的电能质量监测，同时它也可以统计用户的断电时间（ΔT），完成对供电可靠性的监测。
2.1.6三相不平衡度的监测计算
三相不平衡度的监测以计算系统中的负序分量与正序分量的比值来表示。对交流采样后得到的数据进行数字处理得到各相基波电压，然后根据对称分量法分别求出负序、正序基波电压
，即可求得ε。
2.2电能质量监测网络结构分析
在实际应用中，对低压用户而言，客户端电能质量监测单元可以假想为一个黑匣子，如图2所示，它具有的仅仅是一端输入和一端输出。输入可以直接从墙上的低压电源插座采集电压信号，输出为一个以太网接口和(或)一个RS232接口，这样对用户而言，只需插上电源插座，然后就可以通过以太网查看监测数据和分析结果，或者通过RS232串口总线实现点对点的本地监测。
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