基于AM4377系统电压暂降监测装置的设计与实现_张爽.pdf

Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期自动化装置与设备Automation Devices Equipments基于 AM4377 系统电压暂降监测装置的设计与实现张爽1，田蓓1，梁剑1，程远楚2(1 国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川750011;2 武汉大学，湖北 武汉430072)摘要:为了满足电压暂降的分析与故障定位的需要，基于 AM4377 系统设计了一种电压暂降监测装置。介绍了其硬件构成，给出了一种基于同步采样与差值监测的电压暂降检测方法与具体实现过程。实例表明，所设计装置能实现电压暂降故障的快速检测和电压暂降特征量的准确计算，可用于电压暂降故障的实时监测与分析。关键词:AM4377 系统;电压暂降;同步测量;数据窗;差值检测;持续时间DOI:10 3969/j issn 1000 3886 2023 01 028 中图分类号 TM721 文献标志码 A 文章编号 1000 3886(2023)01 0096 03Design and Implementation of Voltage SagMonitoring Device Based on AM4377 SystemZhang Shuang1，Tian Bei1，Liang Jian1，Cheng Yuanchu2(1 Electric Power esearch Institute，State Grid Ningxia Electric Power Co，Ltd，Yinchuan Ningxia 750011，China;2 Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China)Abstract:In order to meet the needs of voltage sag analysis and fault location，a voltage sag monitoring device was designed based on theAM4377 system Its hardware composition was introduced A voltage sag detection method based on synchronous sampling anddifference monitoring and its specific implementation process were given The example shows that the rapid detection of voltage sagfaults and the accurate calculation of voltage sag characteristic quantities can be realized，and it can be used for real time monitoringand analysis of voltage sag faultsKeywords:AM4377 syetem;voltage sag;synchronous measurement;data window;difference detection;duration定稿日期:2021 10 26基金项目:宁夏回族自治区重点研发计划(2020BDE13034);国网宁夏电力有限公司科技项目(5229DK200046)0引言电能质量主要包括谐波、无功、不平衡和电压偏差等。电能质量问题不仅影响用电设备的安全及效益，还会影响电网的安全可靠运行，甚至造成严重的社会影响1。随着生产的高度自动化，高性能、高智能的自动化设备和新型电力电子设备得到了大量应用。而这些新型高精设备电压敏感性更强，因此对电能质量提出了更严格的要求2。在电能质量中，谐波问题受到了极大的关注，国内外学者针对电网中的谐波检测方法、谐波源辨识和谐波源的污染责任划分开展了大量的研究3。在电能质量问题中，另一个应重点关注的问题是电压暂降。据统计，由电压暂降造成的经济损失占全部电能质量问题所造成的经济损失的 70%90%4。对电压暂降的检测方法有诸多研究5 6，其主要方法包括有效值计算法、缺损电压法、峰值电压法和基于瞬时无功功率理论的 dq0 变换法、瞬时电压变换法以及短时傅里叶变换等。但有关电压暂降检测装置的设计与实现，较少有文献报导。为了满足电压暂降的分析与故障定位的需要，本文采用 AM4377 系统，设计开发了一种电压暂降监测装置。1监测装置硬件实现电压暂降监测装置首先是要实现对现场的电能参数进行实时采集，然后对采集数据进行快速处理，同时要完成与远程设备的通信。为了保证系统的实时性，选用了 AM4377 系统作为开发平台。AM4377 处理器基于 AM Cortex-A9 架构设计，主频可高达1 000 MHz，支持多种实时操作系统。可以满足高速数据采集与计算的需求。硬件系统总体方案如图 1 所示，其由 5 部分构成。图 1电压暂降监测装置硬件系统框图69Electrical Automation自动化装置与设备Automation Devices Equipments电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期(1)信号变换部分:如图 1 所示，来自三相电压互感器、三相电流互感器的电压与电流信号经隔离与变换后转换为相对应的电压信号送至 AM4377 芯片内 ADC 引脚进行采样。AM4377 内置有双12 位8 路ADCs(ADC0，ADC1)，采样速率达每秒867k。其中，ADC0 接电压信号，ADC1 接电流信号。此外，A 相电压信号经整形变为方波信号后送 AM4377 的 CAP 引脚。(2)信号采样与处理部分:由 AM4377 处理器完成。包括:测频与同步单元，由信号变换部分产生的方波电压送至AM4377 的 eCAP 引脚，由内部捕陷功能直接测量检测电压的频率。同时启动软件锁相环产生 128 倍频信号;数据采集部分，由 AM4377 内置的 ADC 完成，由内部锁相环产生的倍频信号启动，实现对被测信号每周 128 点的同步采样;电能参数计算，由Cortex-A9 处理器计算完成，主要完成的计算包括三相电压、三相电流的有效值、幅值与相位，三相电压与电流的谐波，各相的有功功率，无功功率与功率因数，以及各相电压的闪变情况。(3)网络通信部分:为方便进行暂降故障源的定位，需同时对多个测点的电压暂降进行检测，利用 AM4377 内部的 PU ICSS 子模块及 EtherNet/IP 协议实现了两路 TCP/IP 网络通信，其中一路通过工业无线路由器转为 4G/5G 无线网络通信。(4)时钟对时部分:利用内嵌式的 GPS/BDS 模块结合射频天线获取同步信号，然后以 1 pps 的秒脉冲信号发送至 AM4377的 GPIO 中断引脚实现时钟同步。(5)人机交互与报警部分:AM4377 内部集成 LCD 控制器，支持 24 位色深显示。在本系统中，扩展了彩色触摸屏，用于显示监测结果与记录的波形。当监测数据超过设置的报警值或出现电压暂降时，通过报警回路报警。2电压暂降监测方法国际电工委员会 IEC 给出的电压暂降的定义7:供电系统中某一点的工频电压有效值突然下降，并达到原额定值的 1%90%，而且在短暂的持续期10 60 ms 后回升为正常值。而美国电气和电子工程师协会 IEEE 的电压下降的范围为10%90%8。设电压暂降发生前的电压有效值为 U0，暂降发生后的电压有效值为 U1。对交流信号有:u0=2U0sin(t0+0)(1)u1=2U1sin(t1+1)(2)式中:为交流信号角频率;0与 1分别为信号的初相角;t0为 t1分别为检测信号的时刻。设 t1为 t0加一个信号周期，两者的初相角相同，瞬时信号差值 u=u1 u0与暂降发生时刻有关，其值为:u=2(U1 U0)sin(t)(3)为了快速对差值信号进行检测，本文采用如下算法:设每周采样点数为 M，当前采样点数为 i(i=0，M 1)。在AM4377 AM 中开辟一 2M 空间的数据窗，如图 2 所示。设数据窗的指针为 k(k=0，2M 1)。当前采样值为 Ui，记绝对值为 DUi，有:图 2暂降计算数据窗DUi=Ui(4)每采样一个数据，i+1，k+1，并以 k 为指针将计算的绝对值存入数据窗中。然后取出 DUi、DUi+M进行计算。(1)差值信号检测。Ui=DUi DUi+Mk=i(5)或者Ui=DUi+M DUiki(6)式中:Ui为当前检测数据的绝对值 DUi与前一周期同一采样点绝对值 DUi+M之差。(2)有效值计算。采用滑动平均值法求取采样点 k 前 M 个点的平均值。U=1MM1n=0DUkn，ifk n 0k n+M(7)根据正弦信号平均值与有效值的关系，计算当前周期信号的有效值:U=24U(8)(3)暂降现象检测。记前一个周期电压有效值为 UP。电压正常时，有:Ui=0和U UP=0(9)当发生电压暂降，根据电压暂降的定义，必有:Ui0 1或U UP0 1(10)式中:U 为当前检测到的电压有效值。采用差值方法进行检测，每采样 1 个数据就进行计算与判断，可在 1/M 个被测信号周期内检测出电压暂降现象。(4)暂降深度计算。根据电压暂降深度的定义:dvd=UUref(11)式中:dvd为电压暂降深度;U 为暂降发生后的电压有效值;Uref为额定电压有效值。(5)暂降持续时间计算。电压暂降发生与恢复时均会出现电压差值信号，并满足暂降检测式(10)。当差值信号为负，表明79Electrical Automation电气自动化 2023 年第 45 卷 第 1 期自动化装置与设备Automation Devices Equipments暂降出现，记录发生电压暂降的时间为 T1。当差值信号为正时，表明电压恢复，记录电压恢复的时间为 T2。由 T2与 T1的差值可得电压暂降持续时间 T。3监测实例为验证检测方法的正确性与装置设计的合理性，采用可编程电源分别模拟在电压信号的过零点和最大值处形成电压暂降，其中:C1暂降深度为 0 9 pu;C2暂降深度为 0 2 pu;T1暂降持续时间为 10 ms;T2暂降持续时间为 80 ms;A1表示相角为 0 时发生暂降;A2表示相角为 90 度时发生暂降。8 种组合条件下的监测结果如表 1 所示。表 1电压暂降监测结果试验条件最大差值电压/V暂降最小电压/p u检测延时/ms暂降持续时间/msC1T1A1010901250980C1T1A20109030001000C2T1A10802000161015Cv2T1A20802000001000C1T2A10108992508000C1T2A20108990008000C2T2A10802000168014C2T2A20802000008000可见能准确地测量暂降持续时间，最大误差不超过 0 2 ms。检测延时与暂降深度及暂降发生时刻有关。当暂降深度较小且暂降发生在电压过零点处时，检测延时最长为 2 5 ms。随着暂降深度的增加，检测延时减小。当暂降发生在交流电压峰值点处，检测延时为 0。由图 3 所示，C2T2A1下的检测过程波形可见，暂降深度的检测时间为 10 ms。4结束语本文基于 AM4377 系统设计开发了一种电压暂降监测装置，给出了电压暂降监测的方法与具体实现。通过同步采样与滑动数据窗进行差值计算，实现了电压暂降特征量的快速、准确监测。此装置可通过网络进行多测点的同步测量，可用于电压暂降故障的快速检测与分析。参考文献:1 肖湘宁，韩民晓，徐永海，等 电能质量分析与控制 M 北京:中国电力出版社，20042 NIELSEN J G，NEWMAN M Control and testing of adynamic volt-agerestorer(DV)at medium voltage levelJ IEEE Trans on Po