电能质量监测系统的设计实现和车载应用详解

针对城轨车辆电压电流功率等监测的应用需求，吉隆坡中车维保有限公司的研究人员宋杰，在2020年第11期《电气技术》杂志上撰文，设计了一种由嵌入式电能质量检测设备和数据处理模块组成的电能质量监测系统。

检测设备集成了变压整流模块和霍尔电流传感器，实现交流电压和电流的实时检测；检测设备可采用液晶显示屏模块实时显示电压、电流、功率等参数；检测设备通过通用异步收发传输器和安全数字存储卡分别实现测量数据的实时输出和实时记录。

本文给出了基于离散傅里叶变换算法的谐波分析理论推导。结合对检测设备输出的三相电压数据，以空调柜三相电压监控继电器模块测试为例，本文介绍了基于离散傅里叶变换算法的谐波检测方法。

应用案例表明，通过定制化设计，该电能质量监测系统满足了应用需求，可在电压不高于三相400V的交流检测环境中应用。

在工业现场和实验应用中，需要对电源或线路电能质量、电源稳定性进行监测和记录，对故障线路进行故障分析、排查和处理等。万用表、电流表、示波器等可在一定程度满足应用需求，但均有其使用限制，例如万用表和电流表只能实现部分电气参数的实时测量，无法进行记录；示波器由于输入端为共地接口，难以满足同时测试多路交流电压的要求。专业厂商的专业电能质量记录仪可满足电能质量检测需求，但价格高昂，难以满足特定应用要求或定制化需求，例如车载运行记录等。

在车载应用时，需要长时间记录部件的用电或供电情况，例如，连续记录城轨车辆上电后车载空调运行的用电数据，以确定空调断路器故障；实时连续记录车载电机的用电情况，以预防车辆运行过程中可能的轴承固死等故障。

车载系统异常或故障原因主要涉及非线性负载、电容器投切、大功率负载运行和起停、设备因素等。对于电能质量的测量，主要涉及表征电能及其特征的主要参数，包括电压、电流、频率、功率、谐波、电压波动、三相不平衡等。

1系统设计

结合实际应用需求，设计了一种由嵌入式电能质量检测设备和数据处理模块组成的电能质量监测系统。检测设备实现电能参数的实时检测、记录和输出、处理和显示，以及进行异常检测。数据处理模块对记录和输出的检测数据进行进一步的数学处理，运用一定的算法，实现电能相关表征参数数据的计算和输出，以及进行异常分析。

1.1检测设备设计

检测设备的核心采用集成了多种通用接口的嵌入式处理器。检测设备通过高速模数转换模块实现电压电流数据的实时采集；采用集成显示存储的液晶显示屏（liquidcrystaldisplay，LCD）模块显示系统信息和参数信息；采用安全数字存储卡（securedigitalmemorycard，SD）存储测试数据；采用通用异步收发传输器（universalasynchronousreceiverandtransmitter，UART）实时输出检测数据。

该处理器通过串行外设接口（serialperipheralinterface，SPI）与LCD显示模块的通信，通过SD主控制器采用1位模式（1-bitmode）实现SD存储模块访问，采用输入输出接口（input/output，IO）实现按键输入功能和有机发光二极管（organiclightemittingdiode，OLED）状态显示功能。检测设备功能框图如图1所示。

图1检测设备功能框图

1.2电压检测和电流传感器

电压检测部分采用变压整流的方式将中高压交流电变换为易于安全测量的低压电。系统应用环境为AC400V及以下，故采用变压器实现从AC400V至交流低压（例如AC24V）的电压变换。

本设计中，变压器的电压测试数据如下：①数据1，一次侧AC242.22V，二次侧14.22V；②数据2，一次侧AC415.8V，二次侧24.48V。因此，可确定变压系数约为17.0。变压器的测试参数一次侧电阻276.0Ω，二次侧电阻1.1Ω。

考虑到尽量保障测试数据的完整性和不失真，并且便于后续算法处理，因此，采用桥式整流电路对变换后的AC24V电压进行整流，并采用分压电路使被测信号符合嵌入式处理器模拟量输入接口的要求。交流电压转换电路如图2所示。对于三相电压的同时检测，需同时采用3个图2所示的电路，可以采用相电压检测或线电压检测的方式连接，前者需要采用共地连接。

图2交流电压转换电路

基于图2的分压参数和变压器的测试参数，考虑到嵌入式处理器模拟量输入接口的电压范围［0V，VREF］，其中VREF［1.0V，3.3～0.6V］，在忽略整流电路误差影响情况下，可计算出检测设备的电压测量范围［0V，657.33V］，该最大测量电压大于三相系统标称电压（AC220V/380V）的最大线电压值537.32V。该设备电压检测范围符合本系统的应用要求。对于更大范围电压的检测，可通过调整分压电阻和更换变压器实现。

检测设备电流检测采用开合式悬挂安装、非接触式的霍尔开合电流传感器。该电流传感器通过测量磁通量的方式确定被测对象的电流，并以模拟电压输出的形式表征被测电流的大小。对于模拟电压输入不符合嵌入式处理器模拟量输入接口电压范围时，可采用图2所示的分压电路，参照驱动电流大小，确定合适的分压电阻值，实现电平的转换。

电流传感器的量程需符合被测系统或设备的电流等级。检测设备采用的霍尔电流传感器参数如下：供电电压+5V，额定模拟量输出为2.5±0.625V，电流消耗小于40mA，精度1%，线性度1%，响应时间小于3s；输入电流测量范围可选，从±20A到±500A。

1.3数据处理模块

系统数据处理模块可分为两部分，分别是检测设备数据处理部分和电脑及软件（上位机）数据处理部分。检测设备实时测量被测对象的电压和/或电流，并对所测量的数据进行实时处理分析，例如计算线路的线/相功率；检测设备采用LCD显示模块实时动态显示被测对象的电压、电流和功率等。检测设备通过UART接口实时输出测量数据至上位机或采用SD存储卡记录测量数据。

检测设备输出或SD存储卡记录的测量数据在导入电脑（上位机）后，可对测试数据进行进一步的处理分析，例如功率计算、谐波分析、故障检测等。采用离线方式对检测设备输出或SD存储卡记录的测量数据进行处理，实现系统功率计算，判断电压波动、三相不平衡等异常状况，并采用离散傅里叶变换（discreteFouriertransform，DFT）等算法实现谐波分析等，进而从整体上实现全面的被测线路电能质量分析。

2检测设备实现

2.1电压和电流检测接口

检测设备将电压传感器（变压器）集成于检测设备控制盒内，采用1500V绝缘电压等级的表笔线缆或线卡线缆，表笔或线卡连接被测设备，线缆通过线缆插孔连接变压器。电压测量时，被测量信号经过从表笔或线卡到变压器再到整流分压电路的测量线路进入嵌入式处理器的模数转换接口。电压测量线路如图3所示。

图3电压测量线路

为了保障测试准确度和方便数据处理，检测设备采集频率较高，以保障检测的数据为同一时刻的电压和电流信息。

电能质量检测设备接口板如图4所示，接口板提供电流传感器接口和变压器接口，并集成了整流及分压模块；接口板提供SD存储接口，并具有功能配置接口。

图4电能质量检测设备接口板

2.2SD存储模块

检测设备采用SD存储卡存储数据。嵌入式处理器通过SD主控制器接口连接SD存储卡，采用1位模式实现SD存储卡数据的读取和写入，实现测试数据及参数的实时存储。SD存储卡与处理器连接的物理信号由VCC、GND、CLK、CMD和DATA组成。

检测设备采用FatFS文件系统对SD存储卡进行块读写，提高操作效率。由于软件实现中未采用实时嵌入式操作系统，检测设备采用循环方式轮询采样四个模拟输入接口的数据，在一个采样周期内全部四个接口采样完成后再统一将数据及其时间戳存储在SD存储卡或通过UART打印输出。当某个模拟输入接口无输入信号时，检测设备也进行采样。通过应用以上多种策略，保障了每个数据间隔时间的一致性。

为了避免大文件处理，检测设备采用多个文件顺序存储采样数据，具体如下：

1）文件分为数据文件和索引文件，数据文件用于存储数据，索引文件用于指示设备目前已操作的文件；最简单的索引文件内容为存储当前操作的数据文件名或序号。

2）顺序命名每个数据文件名称，例如：TD000001，TD000002。

3）每个数据文件存储确定数目的数据，例如，2048行数据，每行4个采样数据；数据之间采用“；”分割，行末换行。

4）当数据文件中数据存储满后，按命名顺序新建另一文件，并在该文件中存储数据；同时，更新索引文件内容。对于设备重新起动后开始的数据采集，先读取索引文件内容，按命名顺序确定新文件名并新建新文件；之后，采用新建的文件存储数据。

参照平台软件开发包中的SD存储卡操作程序，检测设备可实现16GB容量SD存储卡读写，但不支持64GB容量。以C中描述内容为例，每个数据文件大小为36KB，索引文件大小可忽略，则16GB容量SD存储卡可存储约466033个数据文件。若以周期1ms采集并存储四个模拟输入接口的数据，则16GB容量SD存储卡可连续存储265h的监测数据。

2.3检测设备实现

检测设备采用集成CC3200处理器的CC3200-LAUNCHXL平台作为主控模块；采用LCD模块实现LCD显示功能；采用BoosterPackTM标准扩展头接口实现电能质量检测接口板、LCD模块与平台的连接。

在线监测应用时，检测设备可采用电脑USB接口供电。在该方式下，可通过USB接口直接获取检测设备打印的测试数据或计算结果。车载离线应用情况下，一般采用开关电源将车载电源转换为检测设备需要的+5.0V或+3.3V电源。通过定制化设计，可实现多个电压、多个电流、或电压电流组合方式数据的同时实时检测，检测设备如图5所示。

3谐波分析理论（略）

系统采用DFT实现信号从时域到频域的变换，获取信号的频谱信息，进而在频域上对信号进行进一步分析。理论计算中，以标准正弦波为例。检测设备测量的数据为整流后的波形，如图6所示。

图5检测设备

图6标准正弦波

如图6中所示波形，对一个周期内的信号连续取样N点。DFT的时间序列和频率序列的周期都是N。经公式计算，即在交流被测信号点对称的情况下，对信号半个周期采样，便可获取全周期的频域信号。进一步，可认为在该情形下采用半波整流的方式也可实现谐波分析。

4系统应用

4.1测试及分析

在某城轨车辆运用过程中，出现空调三相电压监控继电器模块频繁故障问题。基于供应商沟通意见、故障调研分析、故障信息统计结果、空调柜供电线路分析，初步判断故障可能是由于设备投切过程中较大瞬态电流或浪涌电压冲击引起，需要监测车辆（空调）起动后连续时间（15min、30min等）内故障空调柜内空调三相电压监控继电器的电压。空调柜空调三相电压监控继电器模块如图7所示。

经测试，空调电源频率50Hz，线路相电压有效值225V，线电压有效值387V，在1.2节中所计算的电压测量范围内。因此，理论和实际均表明，该检测设备完全满足本案例测试要求。针对不同的测试需求和计算要求，可通过设置检测设备的采样频率，实现具体的实际应用需求。

例如，采样周期为1ms时，每周期约采集20个点；采样周期为278s时，每周期约采集72个点。后者，可以更好地保留被测信号的特征，易于提高测试准确度和计算精度。图8所示为设备测试的空调柜空调三相电压监控继电器模块相电压（1ms）和线电压（278s）的测试数据波形。

图7空调三相电压监控继电器模块

图8继电器模块的电压测试数据波形

图8给出了工频信号在不同采样周期（频率）下的两个周期的相电压和线电压。从图8可看出，相比于1ms采集周期的数据波形，278s采集周期的数据能更准确地反映实际信号。在278s采样周期下，使用笔记本电脑（LenovoP470）通过USB串口获取检测设备打印数据时，存在采集数据存储过程中间断性丢失约2个周期的采样数据的情况；当采用高性能的台式电脑（ThinkCentreM710t）获取采集数据时，可以避免采集数据丢失情况。

所测试的电压最大值与实际值误差约为-15V（以Fluke万用表为参考）。考虑到整流二极管所带来的分压误差情况，优化检测设备参数和算法，可实现更为准确的测量。

在测试过程中注意到，该空调柜为三相三线制，三相电压监控继电器模块未有地线接入。当采用本检测设备测量单线电压时（检测设备地线接入屏柜地），立即引起空调三相电压监控继电器模块动作和空气开关自动断开现象；当采用万用表测量单点时（万用表地线接入屏柜地），未出现该现象。

在本例测试中，引入了实际地，由于虚拟地与实际地有电压差，检测设备接入后就引起较大的瞬态电流或浪涌电压，漏电保护设备检测到电流变化或浪涌电压触发供电电路断开。

在本例测试中，由于本检测设备引入地线时，引起较大的瞬态电流或浪涌电压，与车载空调三相电压监控继电器频繁故障现象一致，更进一步明确了故障可能是由于空调设备运用过程中状态变换、负载不均衡或设备投切过程中的较大瞬态电流或浪涌电压冲击引起。

4.2谐波分析

基于测量的交流电压数据，采用DFT进行谐波分析。本例中数据采样周期为1ms时，以整流后测量的电压数据和基于整流后的数据恢复的全周期电压数据为样本，分别进行32个采样点的DFT变换。图9所示为全周期交流信号的DFT。

图9全周期交流信号的DFT

从图9可知，1～4倍基波频率（2fs/N，fs=1/1ms=1kHz，N=32）的谐波分量为谐波的主要组成，其他频率谐波分量基本可忽略；考虑到实际应用情况，对于所测的较为理想的交流信号，可认为50Hz处谐波分量最大，100Hz谐波分量次之，其他频率谐波分量基本可忽略。

从图9（a）和图9（b）可知，基于整流后的数据进行DFT变换，直流分量幅度很大；从图9（c）和图9（d）可知，基于恢复的数据进行DFT变换，直流分量幅度相对变小。

图10半周期交流信号及DFT

图10为半周期交流信号的DFT。从图中可看出，半周期交流信号与全周期交流信号的DFT结果高度相似。

以上分析的被测电压具有较少的直流分量；对于理想的交流电压，可认为无直流分量。实际应用中，系统或多或少会受到直流分量影响。由于本检测设备电压传感端应用了变压器，因此，直流电压分量将被滤除。若需检测系统的直流分量，需对电流传感器采集的电流数据进行谐波分析。通过第3节中DFT公式，可知直流分量在频域中体现在X（0）处。

基于以上理论推导和计算分析，在实际应用中，对于检测设备采用的全波整流分压采样电路，忽略整流环节电压损失的情况下，在一定程度上，可采用对整流后的数据进行DFT变换的方式或采用半周期交流信号DFT变换的方式来进行被测交流电压的谐波检测。

5结论

本文设计实现的电能质量监测系统实现了电压、电流等参数的实时检测、记录和显示，可在电压不高于三相400V的交流检测环境中应用。本文以空调三相电压测试数据为例，详细描述了基于DFT的谐波检测方法。基于检测设备输出或记录的监测数据，系统可以实现离线方式下的全面电能质量分析。

在采用集成了更多路模拟输入接口的嵌入式处理器时，可实现多路三相系统电压、电流等参数的同时监测。在采用更高性能处理器的情况下，可将离线的数据处理功能和系统算法集成到嵌入式处理模块内，实现电能质量在终端的实时分析和显示，这也为后续工作指明了方向。
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