自動化系列

                      WF-EM 電能質量檢測裝置

                      型號:WF-EM

                      規格:

                      產品簡介: 我公司研制的WF-EM II電能質量裝置,采用DSP+ARM9為核心, DSP具有極強的數據處理能力用來完成數據的采集與計算,核心硬件處于國內先進水平。 ARM9用來進行數據的統計、顯示、存儲、按鍵、通訊和報警跳閘功能。采用WINCE5.0嵌入式實時操作系統作為軟件平臺,全部軟件采用高級語言編程,保證了系統的高可靠性和高移植性。 數據采集部分采用8通道、同步采樣的16位高速A/D轉換器,采集精度高,實測精度達到電能質量監測指標國家標準的要求;

                      一、產品簡介

                      1、電能質量的概述

                      近年來,隨著我國電力事業的迅猛發展,電力系統的規模日益擴大,以往電能緊缺的問題已經逐步解決,但與此同時,有關電能質量的問題卻日益緊迫地擺在了我們的面前。電能質量的問題成為了現在電力行業面臨的緊迫課題。

                      隨著電力電子技術廣泛應用和電弧爐等沖擊負荷以及電力機車等拖動負荷的日益增多,對于電力行業來說,要保持滿足用戶要求的電能質量變得越來越困難。電力電子技術的廣泛應用,在技術和經濟上帶來了一系列方便和效益的同時,也使電網諧波的含量大量增加。電網諧波污染的日益嚴重,導致了電氣設備的壽命縮短,網損加大,增加了電網發生諧振的可能性,使繼電保護和自動裝置不能正常動作或操作,導致儀表指示和電度計量不準以及計算機和通信受干擾等一系列重要問題。電弧爐等大功率沖激負荷除了會造成嚴重的諧波污染之外,還是電壓波動和閃變的重要原因。電力機車等大功率的牽引負荷會造成三相不平衡。

                      有關電能質量問題的研究已經引起了各國電力工作者的高度重視。我國開始對電能質量的研究的時間不長,但也取得了一定的進展,正在向國際標準靠攏。國家技術監督局相繼頒布了涉及電能質量八個方面的國家標準:

                      《電能質量 公用電網諧波》 GB/T1454993;

                      《電能質量 電壓波動和閃變》 GB/T 123262008;

                      《電能質量 三相電壓不平衡度》     GB/T155432008;

                      《電能質量 供電電壓偏差》     GB/T123252008;

                      《電能質量 電力系統頻率偏差》     GB/T159452008;

                      《電能質量 暫時過電壓和瞬態過電壓》 GB/T184812001;

                      《電能質量  監測設備通用要求》              GB/T 198622005

                      《電能質量 公用電網間諧波》                 GB/T24337-2009。

                          要解決面臨的電能質量問題,就離不開對電網電能質量參量的監測。電能質量監測分為非在線監測和在線監測兩種方式,非在線監測采用便攜式測試儀,不定期對所關注的某些點進行測試,這種方式投資小、較靈活,但存在明顯的局限性,如:實時性不強、監測指標少、缺乏決策判斷的依據、工作量大、效率低等。

                      當人們認識到了這一點后,開始試行在線監測方式,當然,由于計算機網絡技術的發展,也使在線監測技術的實現成為可能。

                      1993年至1995年間,美國電力研究院EPRIThe Electric Power Research Institute)針對全美24種不同供電企業的277個監測點進行了數據收集和統計分析,研究系統性能如何監測、特殊的電能質量問題如何監測、為提高供電的服務質量如何監測等等,這個研究成果成為美國開展電能質量監測的指導方針。隨后,EPRI又針對不同的數據采集源研究制定電能質量數據交換格式PQDIFPOWER QUALITY DATA INTERCHANGE FOMAT),該格式被IEEE采納并將其作為標準來制定,目前,某些制造廠家已采用了這種PQDIF標準格式。

                      相比較而言,國外的監測設備以及電能質量管理技術要領先于國內。隨著電力行業系統運行管理的系統化、網絡化、自動化和智能化,通訊網絡和因特網技術的日益成熟發展和普及,出現了三網合一的趨勢。功能單一的電力系統測量儀表已經不適應現代化電能管理的需要。。因此開發一種新型的、通用性好、應用范圍廣的電能質量監測裝置,集測量和通訊等功能于一體,能有效的進行電能質量監測,對于保證電力系統運行的安全性、經濟性和可靠性都具有重要的意義。

                      2、WF-EM II電能質量在線監測裝置的特點

                      我公司研制的WF-EM II電能質量裝置,采用DSP+ARM9為核心, DSP具有極強的數據處理能力用來完成數據的采集與計算,核心硬件。

                      ARM9用來進行數據的統計、顯示、存儲、按鍵、通訊和報警跳閘功能。采用WINCE5.0嵌入式實時操作系統作為軟件平臺,全部軟件采用高級語言編程,保證了系統的可靠性和移植性。

                      數據采集部分采用8通道、同步采樣的16位高速A/D轉換器,采集精度高,實測精度達到電能質量監測指標國家標準的要求;

                      大容量的存儲空間,滿足電能質量監測裝置對數據存儲的要求,可保存一年以上的歷史數據掉電不丟失。

                      采用了硬件鎖相環技術,頻率自動跟蹤,防止了在電力系統頻率變化時對監測指標的影響,防止了頻率“泄漏”。

                      強大的通訊接口,裝置配置了工業以太網,通訊速率高達100Mbps,還配置有RS232C、RS485、USB通訊接口,可選擇多種通訊方式與遠方管理中心交互數據;

                      核心硬件采用四層印刷電路板(PCB)工藝和SMT工藝,硬件可靠性和電磁兼容能力達到國內,達到了國標對電能質量監測裝置的EMC的要求。

                      在監測功能方面,裝置除具有常規的電能質量穩態指標的監測外,還對電能質量的暫態擾動,主要是電壓的驟升、驟降進行監測和記錄,具有較強的實用性。

                      3、裝置的主要功能

                      基本監測指標:

                      電網頻率、三相基波電壓、電流有效值,基波有功功率、無功功率、功率因數、相位等;

                      電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度、負序電壓、電流;

                      諧波(250次):包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波含有率、幅值、相位。

                      高級監測指標:

                      間諧波、電壓波動、閃變,電壓驟升、驟降、短時中斷、暫時過電壓、瞬態過電壓。

                      顯示功能:

                      裝置面板上帶有大屏幕LCD顯示器,實時顯示電能質量監測指標的數據。

                      設置功能:可對裝置基本參數、越限參數進行設置、修改和查看,并設有密碼保護。

                      記錄存儲功能:

                      裝置內置SD卡(容量可選)可對基本監測指標和高級監測指標實時保存,保存時間可設置,實時數據在裝置上最長保存時間為一年,之后按“先進先出”原則更新。

                      統計功能:

                      裝置具有對主要監測指標的在線統計功能,可統計一個時間段內監測指標的最大值、最小值、平均值、95%概率大值等。

                      通訊功能:

                      裝置提供多種通訊接口方式,實現監測數據的實時傳輸或定時提取存儲記錄,可通過工業以太網接口與遠方電能質量管理中心通訊,也可通過RS232C/RS485接口,以GPRS方式(定制)與遠方通訊。

                      GPS對時功能:

                      監測裝置具備B碼對時功能及GPS脈沖對時功能??杀3峙c遠方管理中心的時鐘一致。

                      事件觸發錄波功能:

                      可根據客戶要求設定事件觸發條件(手動或自動),記錄事件觸發前、后實時數據并保存,并保存有事件日志以供查詢。 

                      4、電能質量監測裝置測量方法

                      1〕數據采集

                      TI公司32位高速DSP負責數據采集,采樣率為25.6KHz,即每周波采樣512點。核心器件A/D轉換芯片采用16位、8通道、同步采樣A/D轉換器件,具有轉換精度高,轉換速度快,同步采樣等優點。同時,為防止由于頻率偏離額定值時造成測量誤差,裝置采用硬件鎖相環技術,頻率自動跟蹤,實時調整采樣間隔,以防止頻率“泄漏”。

                      2〕電壓偏差

                      電壓偏差的定義(GB/T123252008


                      3〕頻率偏差

                      頻率偏差的定義(GB/T15945-2008


                      4〕電壓、電流不平衡度

                      電壓、電流不平衡度的定義

                      指三相電力系統中三相不平衡的程度,用電壓或電流負序分量與正序分量的方均根值百分比表示。

                      5〕諧波監測

                      諧波定義

                      諧波(Harmonic)即對周期性的變化量進行傅里葉級數分解,得到頻率為大于1的整數倍基波頻率的分量,它是由電網中非線性負荷而產生的。

                      裝置對電壓、電流采樣值進行FFT分解,可以得到各次諧波分量,由于采取了頻率自動跟蹤補償,消除了頻率“泄漏”,防止了基波頻率偏離額定值情況下造成的測量誤差。

                      采樣窗口等的要求應滿足IEC 61000-4-30 :2003的要求,每次采樣窗口為不重疊的10個周波,以3秒為一個基本記錄周期,測量結果即分析數據為3秒內6組等間隔采樣的均方根值

                      6〕間諧波監測

                      間諧波的定義和產生原因

                      問諧波是指非整數倍基波頻率的諧波,這類諧波可以是離散頻譜的或連續頻譜的。

                      間諧波的測量

                      根據國標《電能質量監測設備通用要求》的規定,裝置對間諧波的測量采用標準IEC 61000-4-30(7)規定,即:對工頻50Hz系統,采樣時間取10個周波(200ms)

                      ——間諧波的監測取值方法仍依據GB/T 14549-93針對諧波的取值方法進行,即一個基本記錄周期為3秒鐘;

                      7〕電壓波動和閃變

                      電力系統的電壓波動和閃變主要是由具有沖擊性功率的負荷引起的, 如變頻調速裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和軋鋼機等。這些非線性、不平衡沖擊性負荷在生產過程中有功和無功功率隨機或周期性的大幅度變動, 當其波動電流流過供電線路阻抗時產生變動的壓降, 導致同一電網上其它用戶電壓以相同的頻率波動。這種電壓幅值在一定范圍內(通常為額定值的90%~110%) 有規律或隨機地變化, 稱為電壓波動。

                      電壓波動通常會引起許多電工設備不能正常工作, 如影響電視畫面質量、使電動機轉速脈動、使電子儀器工作失常、使白熾燈光發生閃爍等等。由于一般用電設備對電壓波動的敏感度遠低于白熾燈, 為此, 選擇人對白熾燈照度波動的主觀視感, 即“閃變”, 作為衡量電壓波動危害程度的評價指標。

                      電壓波動

                      ① 閃變覺察律F(%)

                      “閃變”作為電壓波動引起的人眼對燈閃的主觀感受,不僅與電壓波動的大小有關,還與波動的頻率、波形、燈具的性能和人的視感等因素有關。 為描述閃變對人視覺的影響程度,IEC推薦采用不同波形、頻度、幅值的調幅波及工頻電壓作為載波向工頻230V、60W白熾燈供電照明。經觀察者抽樣(>500)調查,閃變覺察律F(%)的統計公式為:

                          F=(C+D)/(A+B+C+D)×l00%                              (4-2)

                          式中——沒有覺察的人數;

                              B——略有覺察的人數;

                              C——有明顯覺察的人數;

                              D——不能忍受的人數

                      ② 瞬時視感度st

                      電壓波動引起照度波動對人的主觀視覺反應稱為瞬時閃變視感度st。通常以閃變覺察率為50%,作為瞬時閃變視感度的衡量單位,即定義為st1覺察單位。與st1覺察單位相對應的各頻率電壓波動值%,是研究閃變的實驗依據。

                      ③ 視感度系數Kf

                      人腦神經對照度變化需要有最低的記憶時間,高于某一頻率的照度波動普通人便覺察不到,閃變是經過燈一眼一腦環節反映人對照度的主觀視感,引入視感度系數Kf可以更為本質地描述燈一眼一腦環節的頻率特性。

                      IEC推薦的視感度系數是:

                      Kf=產生同樣視感度的8.8Hz正弦電壓波動/產生同樣視感度的f Hz正弦電壓波動


                            按國標要求,短時閃變的一個記錄周期為10分鐘,長時閃變為2小時。

                      8〕暫態擾動的監測

                      暫態擾動包括暫態過電壓、電壓驟降、瞬態過電壓以及電壓短時中斷問題。

                      電壓驟降是指工頻條件下電壓均方根值減小到 10%至 90%,持續時間為10ms1 min的短時間電壓波動現象。

                      電壓暫升 在電力系統某一點的電壓突然驟然到1.11.8p.u,持續時間通常在10ms1min。

                      電壓短時中段是指供電電壓消失一段時間(電壓降到0.1p.u.以下),一般不超過幾分鐘。短時中斷可以認為是100%幅值的電壓暫降。

                      暫態過電壓是指在給定安裝點上持續時間較長的不衰減或弱衰減的(以工頻或其一定的倍數、分數)振蕩的過電壓。

                      瞬態過電壓是指持續時間數毫秒或更短,通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓。它可以疊加于暫時過電壓上。

                      對上述電能質量暫態擾動,裝置可以實現如下功能:

                      實時監測電壓瞬時值,在發生擾動時,經過特定的檢測算法,判斷出擾動,并給出擾動發生的時刻,擾動的幅度,擾動的相位變化,擾動持續時間等信息;

                      判斷出擾動后,立即啟動波形捕捉功能,即錄波功能,波形記錄應包括事件觸發前、后的波形,錄波格式可整定;錄波長度可整定,觸發前不少于5個周波,觸發后不少于5個周波。

                      5、主要技術指標

                      1) 基波電壓誤差:±0.2% 

                      電壓偏差誤差:±0.2%

                      2) 基波電流誤差:±0.5% 

                      3) 頻率偏差誤差:±0.01Hz 

                      頻率測量范圍:45Hz~65Hz

                      4) 三相不平衡度:電壓不平衡度絕對誤差0.2%

                      電流不平衡度絕對誤差1%

                      電壓、電流各序分量0.5%

                      5) 電壓波動測量誤差: ±5%

                      閃變測量誤差: ±5%

                      6) 諧波準確度:A

                      級別

                      被測量

                      條件

                      最大允許誤差

                      相角誤差

                      A

                      電壓

                      Uh1%UN

                      5%Uh

                      ≤±5°

                      h×±1

                      Uh1%UN

                      0.05%UN

                      電流

                      Ih3IN

                      5%Ih

                      ≤±5°

                      h×±1

                      Ih3IN

                      0.15%IN

                      表中 1Un為標稱電壓,Uh為諧波電壓測量量;In為額定電流,Ih為諧波電流測量量。

                      2A級儀器頻率測量范圍為02500Hz,用于較精確的測量,儀器的相角測量誤差小于等于±5°或±1×h°

                      7) 間諧波:要求同諧波; 

                      6、電氣性能及其它技術指標

                      1〕工作電源

                          交流:220V±10% ;50Hz±0.5Hz;諧波畸變率不大于15%

                      或直流:220V±10%,紋波系數不大于5%

                      2〕電流信號輸入

                      輸入方式:電流互感器輸入;

                      額定值In5A/1A;

                      測量范圍:AC 10mA~6A;

                      功率消耗:不大于0.5VA/路;

                      過載能力:1.2In 連續工作;

                        2In 允許1s。

                      3〕電壓信號輸入

                      輸入方式:電壓互感器輸入;

                      額定值Un57.7V/100V;

                      測量范圍:AC 0.5V~120V;

                      功率消耗:不大于0.5VA/路;

                      過載能力:1.3Un 連續工作;

                        1.4 Un 允許1s。

                          輸入阻抗:大于100kΩ。

                      4〕開關量輸入

                      工作電壓: AC220V/DC30V;

                      輸入方式:空接點或有源接點;

                      隔離方式:光電隔離,隔離電壓2500V。

                      5〕安全性能

                      ? 絕緣強度

                      裝置能承受有效值為2500V、頻率為50Hz、歷時1min 的絕緣強度試驗,而無擊穿和閃絡現象。

                      ? 絕緣電阻

                      用開路電壓為500V 的兆歐表測量裝置的絕緣電阻值,正常試驗大氣條件下各等級的各回路絕緣電阻不小于20MΩ。

                      ?沖擊電壓 

                      在正常試驗大氣條件下,裝置的電源輸入回路、交流輸入回路、輸出觸點回路對地以 

                      及回路之間能承受1.2/50μs 的標準雷電波的短時沖擊電壓試驗,開路試驗電壓6kV。 

                      ?耐濕熱性能 

                      裝置應能承受GB/T 2423.9-2001規定的恒定濕熱試驗。試驗溫度+40℃±2℃、相對濕度(93±3)%,試驗時間為48小時,在試驗結束前2小時內,用500V直流兆歐表,測量各外引帶電回路部分外露非帶電金屬部分及外殼之間、以及電氣上無聯系的各回路之間的絕緣電阻應不小于1.5MΩ;介質耐壓強度不低于表1規定的介質強度試驗電壓幅值的75%。 

                      6〕電磁兼容性能 

                      ?靜電放電抗擾度 

                      通過GB/T 17626.2-1998規定的嚴酷等級為IV級的靜電放電抗擾度試驗。 

                      ?射頻電磁場輻射抗擾度 

                      通過GB/T 17626.3-1998規定的嚴酷等級為III級的射頻電磁場輻射抗擾度試驗。 

                      ?快速瞬變脈沖群抗擾度 

                      通過GB/T 17626.4-1998規定的嚴酷等級為IV級的快速瞬變脈沖群抗擾度試驗。 

                      ?脈沖群抗擾度 

                      通過GB/T 17626.12-1998規定頻率為100kHz和1MHz嚴酷等級為III級的脈沖群抗擾度試驗。 

                      ?浪涌(沖擊)抗擾度 

                      通過GB/T 17626.5-1998規定1.2/50us嚴酷等級為III級的浪涌抗擾度試驗。 

                      7〕機械性能 

                      ?振動 

                      裝置能承受 GB/T 11287-2000 中3.2.1及3.2.2規定的嚴酷等級為I級的振動耐久能力試驗。 

                      ?沖擊 

                      裝置能承受GB/T14537-1993中4.2.1及4.2.2規定的嚴酷等級為I級的沖擊響應試驗。 

                      ?碰撞 

                      裝置能承受GB/T14537-93中4.3規定的嚴酷等級為I級的碰撞試驗。 

                      7、使用環境 

                      正常工作溫度:-10℃~+55

                      極限工作溫度:-20℃~+65

                      相對濕度:5%~95

                      大氣壓力:86kPa106kPa

                      海拔:≤3000 

                      防護等級:IP50

                      二、產品的使用

                      WF-EM II裝置面板配置有5.7〞大屏幕的LCD顯示器,分辨率達320*240,可以圖形方式顯示電能質量數據;同時面板上設有四個LED信號燈,可作為電源、運行、通訊和電能質量指標越限時的告警信號指示;面板上還設有六個操作鍵作為人機操作的接口,通過按鍵操作,可在LCD上進行查看、修改、設置等操作。


                       WF-EM II 電能質量在線監測裝置圖

                      1、面板及結構說明 

                      本機面板見上圖,分別說明如下: 

                      “電源”指示燈:本機供電正常,該指示燈常亮; 

                      “工作”指示燈:工作狀態指示燈,本機正常工作,該指示燈閃爍; 

                       “通訊”指示燈:通訊狀態指示燈,通訊時該指示燈閃爍; 

                      “報警”指示燈:越限報警時該指示燈亮; 

                       “上翻”和“下翻”鍵:操作此鍵使光標移動或電壓項電流項顯示切換;

                       “遞增”和“遞減”鍵:在修改參數時操作此鍵使光標選中項遞增或遞減或上下翻屏;

                      “返回”鍵:操作人員通過此鍵可從任何界面返回到上級菜單或系統主菜單。

                      “確認”鍵:在系統主菜單選擇中可以通過確認鍵進入子菜單或選擇相應的功能,

                      2、投運及操作

                      2.1   將儀器安裝到系統中,細檢查并確認裝置接線無誤后,接通電源給本裝置上電,裝置面板上“電源”指示燈亮,隨后WF-EM II開始啟動工作,數秒鐘后系統進入操作主菜單。如圖2所示:設備正常運行,裝置面板上“運行”指示燈閃爍。

                      圖2  主菜單界面

                      2.2   進入主菜單后,用“上翻”和“下翻”鍵,或“遞增”和“遞減”鍵可選擇菜單項, 用“確認”鍵可進入選擇的菜單項。

                      2.3   在主菜單界面,選擇“基本數據”,按“確認”鍵可進入菜單,可以查看實時基本數據,如圖3所示。

                      圖3   基本數據界面

                      基本數據界面參數意義如下:

                      PHA ——A相     PHB —— B相      PHC —— C相      

                      ——電壓       I——電流           Du ——電壓變動    &——電壓偏差

                      Pst—短時閃變    Plt ——長時閃變     ——有功功率     Cosφ——功率因數

                      Q——無功功率   Freq——頻率         Un——零線電壓     In——零線電流

                      2.4   按“返回”鍵返回主菜單界面,選擇“波形數據”、 按“確認”鍵進入查看,見圖4。

                      4  電壓波形數據

                      進入波形數據界面后,第一行顯示電壓、電流,可用“遞增”或“遞減”鍵在電壓與電流間切查看,電流波形顯示同電壓波形顯示。按“返回”鍵可返回主菜單界面。

                      實線表示A相,長虛線表示B相,短虛線表示C相。相角以A相電壓為參考,A相電壓定義為0.0°,B相電壓和A相電壓差240°,C 相電壓和A相電壓差120°。電流相角以同相電壓相角為參考基準,A相電流相角表示A相電流與A相電壓相角相差多少度,B相電流相角表示B相電流與B相電壓相角相差多少度,C相電流相角表示C相電流與C相電壓相角相差多少度。


                      2.5   在主菜單界面選擇“諧波數據”、按“確認”進入,見下圖6、圖7

                      6諧波電壓數據

                                             圖7諧波電流數據

                      每頁顯示10次諧波數據,用“上翻”或“下翻”鍵進行翻頁,可顯示10~20次、21~30次、31~40次、41~50次諧波數據。

                      THDU為電壓諧波總畸變率,THDI為電流諧波總畸變率,HR**為各次諧波。從左向右依次為A相、B相、C相、N相。

                      其中電壓各次諧波為百分含量,電流各次諧波為有效值。

                      按“遞增”或“遞減”鍵鍵可在電壓電流間切換。

                      按“返回”鍵即可退出至主菜單界面。

                      2.6   在主菜單界面選擇“間諧波”、按“確認”進入,見下圖8、圖9

                      電壓間諧波

                      電壓間諧波

                      同“諧波數據”每頁顯示10次諧波數據,用“上翻”或“下翻”鍵進行翻頁查看,按“遞增”或“遞減”鍵鍵可在電壓電流間切換,按“返回”鍵即可退出至主菜單界面。


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