在线会议
论坛
专题
工控直播
新闻中心
子站
技术
社区
本文系统梳理了电力监测设备的工作原理与工程实践，为工程师定制高性能设备提供了设计指南控制工程网版权所有，以便更好地适配自动化与控制应用场景需求。
图片由AI生成
虽然市面上现有的电力计量设备/模块可能已有适用于您的自动化与控制应用，但您也可能需要定制化的方案以更好地满足客户的需求。了解电力监测设备（PMD）的结构，能够帮助优秀工程师优化设计，打造出更完善的PMD，使其适配自动化与控制应用，满足分布式能源场景的需求。
PMD的工作原理
那么，什么是PMD？简单来说，它是一种能够测量三相电网电气参数（电压、电流、功率）的电子设备/仪器。谁需要这样的设备？任何工业企业都可能需要测量这些参数/功率以满足自身需求，例如检测（并避免）功率因数过低的情况。如果贵司生产电动机或发电机，这类PMD装置可以与您的产品配套使用。更先进的电力监测模块还可以用作接地故障继电器，甚至作为将发电机接入公共电网的同步装置。
基本的PMD需要测量三相电网的相电压和相电流，并将这些数据提供给用户。为了测量并处理如此高的电压和电流值，通常需要使用合适的变压器。变压器将测量的参数降至适合处理的程度，同时将危险的高压系统与电子仪器（以及现场人员）隔离开来。
图1显示了一个具有三个电压互感器（PT）和三个电流互感器（CT）的三相四线（WYE）系统的原理图。图1所示的配置适用于监测三相电机等负载/设备的电压、电流及功率（功率因数）。若再增加一个CT，还能测量中性线电流，从而检测负载是否存在接地故障（漏电）——因为正常情况下流入与流出负载的总电流必须为零。
▲图1：三相四线制（WYE）系统示意图，包含三个电压互感器和三个电流互感器。图片来源：CE
对于功率更大的三相负载，通常采用三角形（delta ）接法，这意味着不使用中性线（N），甚至在您的PMD中可能根本不存在该接入点。这种情况下可采用如图2所示的“二瓦特表法”进行测量CONTROL ENGINEERING China版权所有，其中以B相（2线）作为"公共相"。
▲图2：三相三线制系统示意图，包含两个电压互感器和两个电流互感器。
虽然采用两个PT和两个CT的二瓦特表法是监测各类负载功耗的理想方案，但该方法无法检测电流泄漏（接地故障）。只需在公共线L2上增设第三个CT，并通过计算三相线路电流之和，即可实现对接地故障的监测。
对于三相电力系统监测，还有哪些实用功能？您可以考虑计算三相电压的直流分量。但在图1和图2所示的接法中，由于PT的原边与副边绕组完全隔离，系统无法检测到三相电源的直流偏移——此时读数将恒为零。不过，若采用无PT设计的PMD方案，直流电压监测功能就显得至关重要。
图3展示了一种简化电路原理图，可直接采样全部三条线电压（以及在WYE接法中可测量的中性线电压Vn），而无需使用任何PT。当然，所有电压信号必须通过合适的电阻网络进行降压处理。这里所说的“合适”的电阻，并非仅满足比例要求（如1000:1），而是必须具备高精度特性，尤其是要具有极低的温度系数（单位为ppm/℃，即每摄氏度百万分之一）。因为在PMD设备完成组装并通过测试后，终究需要进行校准标定，所以电阻的绝对精度可能不如其温度稳定性重要。图3中带开关的电压表代表一个集成多路复用器的模数转换器（A/D），这种配置是多通道信号扫描/数字化的标准实现方式。
▲图3：三相电压及中性线电压的直接采样方案，该配置采用多通道扫描与数字化的标准架构。
那么如何实现直接电压测量？由于这些电压信号本质上都是"浮空"的——即三相电网的地电位并未与PMD的地线连接，那么它将如何工作？答案其实很简单：虽然所有地线在物理上相互连接，但任意两个接地点之间可能存在不同的相对电位差。
具体实施时，首先需要计算该（远程）三相电网的直流偏移量。对于WYE接法，只需采样中性线电压Vn即可。采集n个采样值后，不采用RMS算法，而是直接求算术平均值（总和除以n）即可得到voff基准值。需要特别说明的是，该数值并非以V为单位，而是保持采样值的原始量纲——即计数单位或比特值（因此未使用大写V表示电压）。那么转换后的VCOM电压值（即voff值换算为实际电压）可能达到多大？若PMD与被测负载（如三相电机）距离较近，不同地线之间的电位差通常极小，最大差异一般不超过数伏特量级。然而在雷暴等极端天气情况下，这个电压值可能会瞬间飙升至数百伏特。因此，无论是否采用PT，都必须为设备配置合适的浪涌抑制措施。
PMD的电压和电流采样要点
首要问题是采样点数如何确定？目前存在多种方案。首先，采样必须覆盖至少一个（或多个）完整电源周期。因此PMD设备需具备电力周期起始点检测能力，例如通过监测A相电压的过零点来实现。连续两个过零点，即可确定半个电源周期的时长。例如www.cechina.cn，在北美电网中，每两次过零点之间的间隔应为1/60秒；欧洲电网则为1/50秒。但需注意：电网频率可能存在微小波动，因此不能依赖这些固定常数，必须进行实时测量。
接下来需要确定计算公式中采用的被测变量采样点数。虽然增加采样点数通常能提高计算精度，但实际应用中每周期100个采样点已能满足需求——考虑到二进制计算的优势，选择128个采样点往往是更优方案。
一旦获取所有被测变量的采样值并进行存储后，即可进行下一步处理。但需注意，由于零交叉检测存在固有波动、A/D本身精度受限等因素，最终得到的电压、电流及功率结果可能带有轻微噪声。为提升数据质量，建议对计算结果进行移动窗口滤波处理（例如设置8个周期的滤波窗口）。
若采用另一种方案：先连续采集8个周期的样本再进行集中处理，同样能实现相当的滤波效果，且能显著减少实时计算量。不过该方法需要为每个测量变量存储1024个采样值，且结果更新频率最高只能达到8个周期一次。具体方案选择需根据您或客户的需求来确定。
您的处理器应具备在两个存储区交替保存数字化采样数据的能力。当正在处理第一个存储区的采样数据时，新采集的采样数据应同步存入第二个存储区，如此循环往复。这种双缓冲机制至关重要，因为全部采样点/通道的总处理时间可能长达半个电源周期（约10毫秒），而采样过程必须保持绝对连续不间断。
各通道的采样时序安排具有决定性意义。系统需要采集最多4路电压通道和4路电流通道的信号，同时还可能需要周期性地采集其它参数（如基准电压）以实现定期校准功能。为确保功率计算的精确性，必须保证电压通道与对应电流通道的采样严格同步——任何微小的时间偏移都可能被误判为特定相位的电压-电流相位差。建议采用双A/D架构，实现对电压/电流对应通道的同步采样。
但需要注意的是，即便是相电压（及相电流）之间的采样，也必须确保不会引入额外的相位偏移。显然，我们不会为每个通道单独配置A/D，而是采用单A/D转换器配合模拟多路复用器进行顺序采样。这种采样方式不可避免地会产生时序偏移，且随着采样通道数的增加，累积偏移量会持续增大。能否消除这种时序（实质上是相位）偏移？答案是肯定的——但需要在数据处理前进行插值运算。
图4直观展示了这种插值的必要性。当然，并非所有采样点都需要插值处理。例如在计算单相电压RMS时无需插值，但有些计算则必须对所有采样点进行精确的时序校正。为简化说明，图4仅展示了三相电压的4通道采样示意图（第4通道未给出）。模拟多路复用器会持续切换连接，按照图示顺序将各监测通道依次接入A/D转换器。显然，vbi、vci（及后续未显示的采样点）的采集时间必然滞后于vai采样点。为避免数据处理误差，我们必须获知这些采样点在理想同步时的理论值。通过选定特定通道数（如4、8等），插值计算可以高效地完成——只需进行数次右移运算（任何处理器，尤其是数字信号处理器都能快速执行）。
▲图4：采样时间（相位）偏移示意图（为简化起见，未显示第四通道）。
最后需要权衡的是：投入复杂插值运算是否值得？若不采用插值，会引入多大误差？图5与图6的对比结果www.cechina.cn，给出了明确答案。虽然误差幅度尚未达到“灾难性”程度，但其影响已清晰可辨。PMD模拟器通过从一个完整的功率周期中采样128个数据点（使用8个扫描通道）来计算这些结果。这意味着任何两个相邻通道之间的相位差大约为一个完整周期（360˚）的千分之一。如果仅使用4个通道（图5），误差将大约是当前值的两倍。
▲图5：采用插值算法的PMD仿真结果示意图。
▲图6：未采用插值算法的PMD仿真结果示意图。
PMD的扩展功能：功率需量和总电能计量
除了掌握三相电力系统基本参数的计算方法，还有两项对用户极具价值的高级功能：功率需量和总电能计量。
功率需量是指监测负载在特定时间周期（如15分钟）内平均消耗的总功率/有功功率消耗。PMD可持续计算并存储该时段内的最大功率值。这一数据对供电部门至关重要，可帮助其准确掌握用户的峰值用电需求。
总电能计量是指在监测时间内累计的总功率。您可以累积并上报总消耗电能、总有功电能或两者兼而有之。虽然这些信息不能用于计费目的（因为您的PMD必须经过相关认证才能用于计费），但对用户来说仍然是有用的信息。
所有报警信息都应在特定参数偏离（或恢复至）“正常”范围持续一定时间后才上报（及清除）。不应上报任何瞬时检测到的异常情况，因为这可能是由多种因素导致的虚假“误报”。应允许用户自行设置报警阈值和“去抖动”时间。
所有这些参数都可以同时在两个不同的三相电网上进行监测/测量。为什么要这样做？试想一下，如果您的PMD需要支持外部三相发电机并入公共电网，那么显然需要同时监测两个电网，因为只有当两个电网的所有关键参数完全一致时，发电机才能安全并网。
那么，这些重要参数具体指什么？首先是ANSI 32逆功率保护功能/报警。该报警基于对发电机的反向电流检测，即检测到发电功率低于额定值的情况。最重要的一个新增功能是ANSI 25，该功能用于发电机与公共电网的连接。若发电机与主系统连接不当，可能导致升压变压器损坏，以及发电机组任何部件的损伤。
只有在不存在任何ANSI报警且所有ANSI 25条件均满足的情况下，外部发电机方可并入公共电网。具体如何实现？图7展示了该系统的基本原理示意图。这是一个相对复杂的多参数控制系统，其中PMD发挥着关键作用。
▲图7：用于外部发电机并网的PMD设计示意图。
电力监测挑战与工程实践
需要强调的是CONTROL ENGINEERING China版权所有，与所有工程任务一样，电力监测技术始终存在优化空间。这种改进,既可能体现在硬件层面，也可能通过软件升级实现。例如www.cechina.cn，在硬件方面，现代数字信号处理器（DSP）已能轻松实现双电网监测。这类处理器采用单指令多数据（SIMD）架构，允许用户代码同时对两组独立数据进行处理。对于某些简单应用场景，集成式PMD或许已能满足需求。
而在软件方面，现代PMD仍有诸多值得探索的方向。例如www.cechina.cn，您的PMD系统可增加三相电能质量监测功能。具体指什么？由于电机、变压器等用电设备，本质上具有非线性特性（即其阻抗呈现非线性特征），流经这些设备的电流会发生畸变。
同样的畸变现象也会出现在次级电压中。如何检测这种变压器畸变？若您熟悉傅里叶变换原理，答案便显而易见——通过快速傅里叶变换算法（FFT）对监测变量（电压、电流）进行频谱分析，即可相对容易地实现电能质量评估。当从电源周期采集128个采样点时，系统最多可计算出64个谐波分量（实际包含1个直流分量和63个谐波分量），这些参数完整反映了被测变量的质量特征。虽然市场上有设备可校正此类畸变，但必须明确知道：具体需要修正哪个谐波分量？以及修正幅度应为多少？
若您从事PMD软件/固件的设计，采用仿真技术作为开发的起点可以显著提升设计效率。本文采用的仿真系统由两大核心模块构成：第一个是图形用户界面（GUI）应用，它支持用户选择仿真模式及用于仿真和后续处理的所有相关参数。它接收和展示所报告的参数。第二个应用实际上是一个模拟器，其本质是一个三相信号发生器，更重要的是集成了完整的信号处理算法。该模块采用纯C语言开发，这种架构设计使其能够无缝移植至任何数字信号处理器（DSP）或其它处理器平台。两个模块通过标准网络套接字进行通信——这一设计可为最终PMD设备的实现奠定基础，因为实际设备同样需要建立与用户终端及其它设备的通信链路。
关键概念：
■ 理解PMD的概念、工作原理、技术挑战及工程实践。
■ 掌握PMD的电压/电流采样要点以及特色功能，包括需求计量与总电能计算。
思考一下：
在电力监测中，您是否正确应用了最佳实践方法？
2026具身智能机器人电子制造应用研讨会.jpg)
福禄克六大“法宝”帮您搞定过程仪表校准难题
中控时间序列大模型TPT免费有奖体验
爱德克SE2L进阶版安全激光扫描仪有奖预约演示
剑维软件电子半导体行业白皮书有奖下载
