图1 原理方框图
每台监测仪具有4个电压测量通道和5个电流测量通道。4个电压通道可以监测母线三相电压和中性点电压；5个电流通道可以监测线路三相电流、中线及地线的电流。如图1中所示，被测信号被衰减后，经滤波器分离为高于3.4 kHz的高频分量和低于3.4 kHz的低频分量。在低频信号通道中，为保证每个周期中正好提供128个采样点，使用一个同步脉冲发生电路产生采样同步脉冲，以6.4 kHz的频率，送至各个通道中的采样—保持电路和A／D转换器。被测信号经采样—保持后进行14位的模数转换(ADC)。数字化的被测信号被送进数字信号处理器(DSP)进行快速付立叶变换(FFT)，在100 μs中计算出63次谐波分量的幅值和相位。每一个基波周期中反复进行这个过程，低频信号通道最高能测信号峰值1 000 V，具有90 mV的分辨率。其他的参数，例如电压和电流的有效值、有功功率、视在功率、无功功率、真功率因数、位移功率因数、总畸变率等，均在每一个周期中同时算出。被记录的这些参数以一个周期的分辨率提供了长时间的累积图。按周期累积起来的数据可以清楚地显示出一个周期的最大值和最小值，以及该时间段中的平均值。同时还可算出三相不平衡度、电压偏差率、电压波动和闪变。在高频分量的通道中，被测信号进入一个10位、4 MHz的高速模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。该通道主要用于瞬变高速脉冲的捕获，可测量的最大信号电压峰值为8.4 kV，分辨率为12 V。
该监测仪主板上使用一个386微处理器和一个387协处理器，带有4 MB RAM。另外内置一个540 MB硬盘驱动器，用于存储记录下来的数据。监测仪备有一个并行口和一个串行口，所存储的数据可以经过以太网或电话线下载到个人计算机。在监测仪中，所记录存储的各类数据，已经作了各种必要的整理，因此下载的时间短。基于Windows应用软件驻留在个人计算机中，可以随时控制数据下载。通过操作软件键，工作人员可方便地观察所记录的事件波形，谐波频谱，对于电压和电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、最大需求量、功率因数以及总失真度、三相不平衡度、系统频率和闪变等，可以观察其长时间(一日、一周或一月)的累积图。
监测仪记录存储的电能质量事件的详细内容取决于采样和A／D转换的速率。对于供配电系统中功率因数补偿电容器的合闸和开断瞬变过程的记录，低频分量通道中6.4 kHz的采样速率较为合适。对于发生在设备内部的由电机和其他负载的投入和切断所引起的高速脉冲，可采用高频分量通道中具有4 MHz的高速采样速率，捕获低于250 ns宽度脉冲的具体形状，可以帮助用户诊断脉冲产生的原因，从而选择适当的解决方法。
3 自适应门槛阈值
已往的监测仪，通常要求设置一个门槛电平来捕获那些突发性的事件。能否捕捉到事件的累积量以及电能质量信息的细节，取决于门槛阈值的设置。如果门槛设置得太低，监测仪将因超出存储容量或记录纸用完而停止监测。如果门槛设置得太高，监测仪不能捕获到有用的数据而失去作用。为正确处理这个问题，IEEE标准 P1159中提出了如何合理确定门槛的问题：首先记录起初的20个事件，或者用30 min的时间来观察事件的活动。通过重新设置门槛阈值，使监测仪达到在每30 min中有一个事件被捕获的速率。这种方法存在的问题是，操作人员必须在现场观察事件的活动，通过人工干预，使得监测仪有限的存储容量能捕获到有用的数据；当操作人员离开现场时，环境条件发生变化，其设置的门槛电平可能不适用，而记录不到有用的数据。全过程监测仪具有自适应门槛阈值的功能，其软件可以探测事故捕获的速率，然后根据监测周期的长短而自行调节门槛阈值。全过程监测仪是通过逐个周期地记录真有效值来捕获事件，操作人员不用预置门槛，由软件自行设置一个初始值，如果在两个完整基波周期中真有效值变化超过初始设置值时，监测仪记录下全部的采样点，一直到在两个基波整周期以上真有效值变化稳定地低于初始设置值时，监测仪才逐周期地连续记录每一周期的有效值。在两次瞬变之间的稳态事件，有一个有效值幅度(垂直轴)和时间宽度(水平轴)，这两个量值可以在以电力容差曲线为背景的画面中表示出来，如图2所示。
图2 稳态事件及瞬态事件记录图象
在瞬变过程中所采集的全部采样点(构成了交流波形的资料)与在稳态过程中所记录的每一周期的有效值，由软件安排连接在一起，可以提供处在两个瞬变事件中间的稳态事件的图象。为便于观察，瞬变事件的记录波形可以进一步细化，在时间轴上可以扩展，如图3所示。
图3 脉冲事件记录图象及其细化展开图
全过程监测仪通过软件可在电力容差曲线的背景中，直接画出各种事件的图形。由于监测仪必须始终跟踪稳态和瞬变两种事件，因此，监测仪具有可程控的门槛阈值，根据瞬变事件的活动速率，不断修正或自行调整门槛电平。该监测仪每个通道可以启动记录1 500个捕获的事件，对于三相电压信号和电流信号，以及中线和地线，总计有13 500个事件的数据或图象被存储。如果进入门槛的事件活动速率上升，在监测时间尚未结束之前，会引起存储器溢出，这时，软件将会把门槛电平提高0.125 V增量；如果事件活动速率下降，软件将会把门槛电平下降0.125 V增量。在整个监测期间，监测仪会不断地自行调整捕获事件的速率，以便与存储器的容量相匹配。自适应门槛阈值的功能，可以防止监测仪处于高灵敏活动状态，避免在噪声驱动下动作；可以保证监测仪在其监测周期中完成最有用数据和最严重事件的捕获。在整个监测期间不需要人工干预，消除了人工设置门槛带来的问题。
4 预防检修
信息技术工业委员会(ITIC)已经提出一种新的电力容差曲线，这种曲线描述了一些电力、电子设备，如计算机、照明系统、配电设备、机器人和半导体换流设备等对安全运行的供电要求。以电力容差曲线为背景，全面绘出所记录的稳态事件和瞬变事件的图象，提供了一种能快速方便地检查电力系统或电子设备是否处于所希望的容限之内的方法。全过程监测可以提供系统中初期出现问题的信息，容许采取预防的措施——预防检修。用于电力系统的变电站、配电系统，重要数据中心和用电部门，将能保证系统运行的稳定性和可靠性。对于一座工厂或一座变电站，可以在关键的位置上装设全过程监测仪，监测一周或一个月。当监测周期完成时，数据下载并存储起来，监测仪被复位，并进行另一次为期一周或一个月的监测。每一次完整的电能质量监测数据以文本方式被存入档案，经过一年收集的数据库，可以给工程技术人员提供变电站或工厂连续运行的详细历史资料，为他们进行电气结构的维修、改进、升级和增容等提供正确的依据。预防检修建立在连续运行的基础上，监测仪连续跟随监测，并将其收集到的数据库周期性地进行比较。通过连续跟踪电力状况的变化，可以发现一些新的或恶化了的情况。周与周或月与月的比较所记录的事件和数据库，能得到事故初期的信息，如某些事件活动速率增加、事件的幅度超常或出现新型的事件记录，由此可指出系统潜在的问题。
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