行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
以雙微處理器實現電力品質遠端即時監測系統(第 2 年)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-151-059-MY2 執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學電機工程系 計 畫 主 持 人 ： 陳明堂 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 公 開 資 訊 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢中 華 民 國 101 年 01 月 29 日
中 文 摘 要 ： 近年來高科技產業的快速發展，使精密儀器和自動化設備大 量增加。這些儀器和設備都需要仰良好的電力品質才能穩定 的運轉。不良的電力品質可能使其誤動作或遭受破壞，而影 響科技工廠的正常運作，造成鉅大的經濟損失。因此，發展 尖端監測系統，有效地掌握電力品質狀況，頗受學術界與工 業界之重視。本計劃擬改良電壓變動與電壓閃爍之各別數位 算式，並提出整合型演算法，以提升其即時檢測與辨識性 能。同時將先以虛擬儀表系統確認所提方法之可行性，再以 DSP 與 MSP430 之雙核心處理器為基礎，建構一電力品質分析 系統，並以 GPRS 無線通訊作為資料傳輸介面，實現電力品質 遠端監測。系統可實現電壓變動、電壓閃爍與諧波等項目的 數位式演算法，並進行監測與事件資料儲存。訊號處理單元 以電壓及電流探棒配合訊號準位調整電路做為訊號擷取模 組，再透過 DSP 中的類比對數位轉換(ADC)模組對訊號做轉 換，並且使用 LCD 顯示螢幕與鍵盤做為操作介面。量測到的 資料可儲存在 SD 卡中，或者透過 GPRS 模組傳送到遠端資料 庫，並發送事件簡訊給手機。最後，使用者可經由 JSP 動態 網頁或透過行動裝置上網查詢最新電力品質狀況。完成後的 系統原型機，經長時間實地測試後，從成果可證實本計劃所 發展之雙核心遠端監測系統具備可行性與實用性。 中文關鍵詞： 電力品質、整合式演算法、雙微處理器、GPRS、遠端監測 英 文 摘 要 ： This project is to develop digital algorithms for
measurements of voltage variation and flicker, and the feasibility of the algorithms will be first verified by a virtual instrument system. In addition to a power quality monitoring system was built with dual microprocessors (DSP and MSP430). Besides, GPRS wireless communication technology was employed for data transmission. The system can implement digital algorithms of voltage variation, flicker, harmonics, and other power quality indices. We use a voltage, a current probe, and a signal level transformation circuit to produce raw data acquisition module. Then, the voltage and current signal can be processed by the DSP with ADC modules, and the measurement results can be selected to display on an LCD screen by a mini-keyboard. The field power quality data can be stored in a SD card or transferred to a data base server through GPRS Communication, it can be also sent to a cell phone via GPRS module. Users can
realize the latest situation of power quality by browsing JSP web pages. The prototype was tested in laboratory, and the results validate the feasibility of the system.
英文關鍵詞： Power Quality, Integrated algorithm, Dual Microprocessors, GPRS, Remote Monitoring
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
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成果報告
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期中進度報告
期中進度報告
期中進度報告
以雙微處理器實現電力品質遠端即時監測系統
Implementation of a Real-Time Remote Power Quality Monitoring
System by Dual Microprocessors
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 98－2221－E－151－059
－MY2
執行期間： 98 年 8 月 1 日至 100 年 10 月 31 日
執行機構及系所：國立高雄應用科技大學
國立高雄應用科技大學
國立高雄應用科技大學
國立高雄應用科技大學
電機工程系
電機工程系
電機工程系
電機工程系
計畫主持人：陳明堂 教授
教授
教授
教授
共同主持人：
計畫參與人員：林哲民 韓琮竣 楊士儀 趙宏彰 呂秉霖
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：
□赴國外出差或研習心得報告
□赴大陸地區出差或研習心得報告
■出席國際學術會議心得報告
□國際合作研究計畫國外研究報告
處理方式：
除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，■一年□二年後可公開查詢
中 華 民 國 100 年 09 月 25 日
以雙微處理器實現電力品質遠端即時監測系統
摘要
近年來高科技產業的快速發展，使精密儀器和自動化設備大量增加。這些儀器和設備都需要 仰良好的電力品質才能穩定的運轉。不良的電力品質可能使其誤動作或遭受破壞，而影響科技工廠的 正常運作，造成鉅大的經濟損失。因此，發展尖端監測系統，有效地掌握電力品質狀況，頗受學術界 與工業界之重視。本計劃擬改良電壓變動與電壓閃爍之各別數位算式，並提出整合型演算法，以提升 其即時檢測與辨識性能。同時將先以虛擬儀表系統確認所提方法之可行性，再以 DSP 與 MSP430 之雙 核心處理器為基礎，建構一電力品質分析系統，並以 GPRS 無線通訊作為資料傳輸介面，實現電力品 質遠端監測。系統可實現電壓變動、電壓閃爍與諧波等項目的數位式演算法，並進行監測與事件資料 儲存。訊號處理單元以電壓及電流探棒配合訊號準位調整電路做為訊號擷取模組，再透過 DSP 中的類 比對數位轉換(ADC)模組對訊號做轉換，並且使用 LCD 顯示螢幕與鍵盤做為操作介面。量測到的資料 可儲存在 SD 卡中，或者透過 GPRS 模組傳送到遠端資料庫，並發送事件簡訊給手機。最後，使用者 可經由 JSP 動態網頁或透過行動裝置上網查詢最新電力品質狀況。完成後的系統原型機，經長時間實 地測試後，從成果可證實本計劃所發展之雙核心遠端監測系統具備可行性與實用性。 關鍵字 關鍵字 關鍵字 關鍵字：：：：電力品質、整合式演算法、雙微處理器、GPRS、遠端監測 IImplementation of a Real-Time Remote Power Quality Monitoring
System by Dual Microprocessors
ABSTRACT
This project is to develop digital algorithms for measurements of voltage variation and flicker, and the feasibility of the algorithms will be first verified by a virtual instrument system. In addition to a power quality monitoring system was built with dual microprocessors (DSP and MSP430). Besides, GPRS wireless communication technology was employed for data transmission. The system can implement digital algorithms of voltage variation, flicker, harmonics, and other power quality indices. We use a voltage, a current probe, and a signal level transformation circuit to produce raw data acquisition module. Then, the voltage and current signal can be processed by the DSP with ADC modules, and the measurement results can be selected to display on an LCD screen by a mini-keyboard. The field power quality data can be stored in a SD card or transferred to a data base server through GPRS Communication, it can be also sent to a cell phone via GPRS module. Users can realize the latest situation of power quality by browsing JSP web pages. The prototype was tested in laboratory, and the results validate the feasibility of the system.
Keywords: Power Quality, Integrated algorithm, Dual Microprocessors, GPRS, Remote Monitoring
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頁數 中文摘要 ... I 英文摘要 ... II 一 一 一 一、、、、前言前言前言前言 …... 1 二 二 二 二、、、、文獻探討文獻探討文獻探討文獻探討 ………... 1 三 三 三 三、、、、研究研究研究研究目的目的目的... 1 目的 四 四 四 四、、、、研究方法研究方法研究方法研究方法 ... 2 4.1 電壓變動和閃爍整合式演算法推演 ……….. 2 4.1.1 電壓變動檢測法 ... 2 4.1.2 電壓閃爍之量測 ... 5 4.1.3 電壓變動與閃爍演算法之整合... 6 4.2 儀測系統建構 ... 8 4.2.1 訊號處理單元 ... 8 4.2.2 資訊整合平台... 15 4.2.3 行動化通訊網路... 27 五 五 五 五、、、、結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論... 24 5.1 整合式演算法之模擬與驗證... 24 5.2 現場實測 ... 26 5.2.1 電壓變動 ... 26 5.2.2 電壓閃爍 ... 27 5.2.3 諧波 ... 27 5.2.4 電力參數 ... 28 5.3 資訊儲存與傳送測試 ... 28 5.3.1 指標儲存與傳輸格式 ... 28 5.3.2 現場資料儲存 ... 30 5.3.3 無線資料傳輸與事件簡訊... 31 5.4 伺服器與資料庫測試 ... 34 5.4.1 電力品質監測網頁 ... 34 5.4.2 線上指標走勢監測... 35 5.4.3 線上指標資料查詢 ... 39 5.4.4 長時間資料統計... 42 5.4.5 行動裝置查詢... 45 5.5 結論 ... 47 5.6 未來研究建議 ... 47 六 六 六 六、、、、參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻 ... 47 七 七 七 七、、、、附錄附錄附錄附錄... …51 III一、前言
隨著高科技產業的快速發展，許多精密的儀器和敏感性設備大量增加，而這些儀器和設備都需要 仰賴可靠、穩定的電力品質。但另一方面，由於電力電子技術不斷的進步，各種電能轉換器被廣泛地 使用，使得非線性負載的數量亦急遽增加，造成諧波（Harmonics）及電壓尖凸與凹陷（Spike& Notch） 等問題[1-3]。此外，電弧爐、電焊機、軋鋼電動機等大負載間歇運轉，因電流變化大而造成電壓閃爍 （Flicker）[4-6];而大負載 (如馬達)啟動及風暴引起的暫時性故障形成電壓變動（Voltage variation） [7-9]，使得電力品質擾動因素變得相當繁雜。其中，例如電壓變動可能導致設備當機等電力事件的發 生，可見不良的電力品質不僅會使設備損壞還可能造成鉅大的經濟損失，此外，電力品質在未來智慧 型電網中更是不可或缺的一環[10-14]。有鑑於此，世界各國相關單位、團體與電力公司皆為此制定了 規範與管制標準[15-19]。然而要有效改善電力品質問題，唯有以精確的量測，即時掌握系統中各種擾 動之特性，才能在第一時間給予需要的保護協調，達到即時的保護的功能。再加上適當的改善技術， 更可提升電力事件的處理與預防能力。
二、文獻探討
在電壓閃爍量測方面，大多採用數位式演算法[20-23]，其中又以快速傅立葉轉換(FFT)為基礎之算 式較為普遍[23-25]。電壓變動包含電壓驟降(Sag)、電壓驟升(Swell)與電壓中斷(Interruption)，其檢測方 法也大多採用數位方式，如離散小波轉換等[26-29]。實用上通常將電壓變動與電壓閃爍分開檢測，但 某些狀況中兩者往往伴隨著發生[1]。 另一方面，儀測系統通常具備高度運算速度[30-32]，用以實現相關指標演算法。另外監測系統還 需兼備穩定、多功能、體積小、低耗能以及低成本等特色[33-37]。為迎合前述要求，在儀測技術發展 上，硬體逐漸朝向雙核心系統架構[38-40]，以提升整體工作效率。此外，在監測上常常需要對歷史的 資料作分析與應用，固系統還必須擁有足夠的儲存單元，存放各項指標分析後的資訊[41-43]。另一方 面，伴隨各式各樣的通訊技術的發展，已有許多無線通訊工具被運用在現場饋線的遠端監測上，例如 GPRS、Zigbee 等廣域或區域網路，所以電力品質之儀測系統亦需具備遠端無線通訊功能[44-47]。三、研究目的
有鑑於上述各項理由，本計畫發展一電壓變動與電壓閃爍整合式數位演算法，在同時量測中，有 效地區分電壓變動與電壓閃爍。同時，以兩顆低價位微處理器 DSP 與 MSP430 為基礎建構一雙核心儀 測系統，並搭配 GPRS 無線傳輸模組，實現電力品質遠端監測系。其中 DSP 用來作訊號轉換與分析， 並實現各項電力品質指標的檢測;而 MSP430 則進行資料排列與儲存，並透過 GPRS 模組將遠端資料傳 輸至後端監測中心之資料庫，所發展之系統能夠使現場操作人員在監控中心之外，掌握各項電力品質 指標之即時狀況，有助於電力品質問題之改善與防範。四、研究方法
電壓變動和閃爍整合式演算法採用即時性電壓均方根值算式，在兩個原始信號取樣點間即可完成 演算。同時依據電壓變動與閃爍在電壓大小範圍上的區別，進行後續電壓變動或閃爍指標之計算與分 類。在訊號處理單元中，以電壓與電流探棒作為線上電壓及電流訊號擷取單元，透過 DSP 上的類比對 數位轉換(Analog-to- Digital Converter, ADC)模組進行訊號轉換後，再由前數位演算法實現各項電力品 質指標的計算，然後 DSP 計算所得資料暫存於雙口記憶體中供 MSP430 抓取。MSP430 為資訊整合平 台之核心，對資料進行儲存與排列，並透過 GPRS 無線模組傳輸到監控中心之資料庫中。監控中心之 監測平台以 MySQL 之資料設計軟體與 Tomcat 搭配 Java Server Page(JSP) 建構資料伺服器及動態網 頁，顯示電力品質指標即時訊息。另外透過用戶/伺服架構，使用者可以經由網路有效的查詢系統電力 品質情況。以上演算法推演及儀測系統建構，將分別詳敘於後。
4.1 電壓變動和閃爍整合式演算法推演
4.1.1 電壓變動檢測法 電壓變動檢測的目地，主要是由電壓均方根植之即時量測結果中，辦別電壓驟降、電壓驟升及電 壓中斷的發生。為即時量測電壓變動，本研究採用下列均方根值算式： k 2 k n n = k -N + 11
V =
v
N
∑
(1) k + 1 2 k + 1 n n = k - N + 21
V
=
v
N
∑
k 2 2 2 n k-N+1 k+1 n=k-N+11
=
(
v )-v
+v
N
∑
2 2 2 k k + 1 k + 1 -N1
=
N V + v
-v
N
(2) 其中 vn及 Vk分別代表第 n 個電壓取樣值及第 k 個電壓有效值，且 k≥N(一週期之取樣點數)。取樣波 形如圖 1 所示，以振幅為 155V，頻率 60Hz 之正弦波為例，每週取樣點數 N=128，取樣頻率算式如下：7680
128
1
60
1
1
1
=
×
=
=
s sT
f
Hz (3)圖 1 N=128 之典型電壓取樣波形 前述波形之電壓變動檢測法流程如圖 2 所示： (1) 設定檢測法所需的參數，例如取樣頻率等， (2) 第一週期電壓訊號的連續取樣、計算和儲存， (3) 將第一週的第一個取樣點(V1)及計算出來的電壓有效值 Vc(1) = V128，連同下一個週期的第一個取樣 點(V129)，代入(2)式計算 V129，其他 Vk之計算依此類推， (4) 每當一新有效值算出之後，即與規約值比較，判斷是否發生電壓變動事件(|△Vk|≥0.1pu)，在判斷 的同時，也將該點記錄並累加， (5) 檢查是否有變動事件資料需傳送，若需傳送，則在傳送完後，重新由第一週開始檢測， (6) 若沒有電壓變動事件發生，則繼續收集 128 個有效值加以平均，代表第二週期之有效值 Vc(2) ，其 他 Vc(i)之計算依此類推。 假如在 Vk收集的過程中，發現疑似電壓變動的事件，則進入圖 3 之電壓變動類別判斷流程： (1) 將檢測法主流程所計算出來的電壓有效值做分類，辨別電壓變動的種類， (2) 把發生變動的起始點和結束點記錄下來，依持續時間長度判別電壓變動的類型， (3) 若未達到短時間變動以上標準(持續 0.5 週期以上)則重新回到主流程；若發生電壓變動，則重新由 第一週開始， (4) 每當電壓變動事件被檢測出來後，立即將發生類型、持續時間、幅度、記錄之有效值及波形記錄於 SD 卡，並透過網路傳輸至資料庫。
圖 3 電壓變動類型辦別流程
4.1.2 電壓閃爍之量測
本研究以間接解調法進行電壓閃爍指標
∆
V
10的演算，其電壓閃爍之量測流程如圖 4 所示 :(1) 設定量測所需的參數，例如取樣頻率等， (2) 依(1)式計算得到 128 個週期之有效值，
(3) 針對前 128 組數據代入快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)演算，頻率解析度為
32
15
128
60
=
=
∆f
Hz (4) (4) 將快速傅立葉轉換演算後所得不同頻率閃爍成份的振幅代入(3)式計算∆
V
10之值， (5) 將∆
V
10及∆
V
n頻譜記錄於 SD 卡並透過網路傳輸至資料庫。圖 4 電壓閃爍量測流程 4.1.3 電壓變動與閃爍演算法之整合 因為電壓變動與閃爍經常相互伴隨著發生，為提升檢測效率，本計畫提出電壓變動和電壓閃爍整 合式演算法，演算法的流程如圖 5 所示: (1) 設定演算法所需的參數，例如取樣頻率等， (2) 第一週期電壓訊號的連續取樣、計算和儲存， (3) 將第一週的第一個取樣點及計算出來的電壓有效值 Vc(1) =V128，連同下一個週期的第一個取樣點， 代入(2)式計算 V129，其他 Vk之計算依此類推， (4) 每當一新有效值算出之後，即與規約值比較，判斷是否發生電壓變動事件(|△Vk|≥0.1pu)， (5) 若沒有電壓變動事件發生，則繼續收集 128 個有效值加以平均，代表第二週期之有效值 Vc(2)， (6) 如此持續 3600 週期(一分鐘)，取其前 128 個週期之有效值(即 Vc(1)至 Vc(128))做 FFT，計算出電壓 閃爍成份及等效指標值△V10，連續測得 60 個△V10之後加以平均及排序，得到△V10mean及△V10max。 假如在 Vk收集的過程中，發現疑似電壓變動的事件，則進入圖 3 之電壓變動類別判斷流程。
圖 5 電壓變動及閃爍整合式演算法流程 4.2 儀測系統建構 本計畫以雙核處理器為基礎，建構一俱備遠端無線傳輸的電力品質監測儀測系統，在此架構下， 針對電力品質中的電壓變動、電壓閃爍、諧波進行儀測功能設計。因為除了電力訊號的分析外，仍須 對資料進行顯示、排列、儲存與傳輸，單使用一顆微控制器不只量測功能受到限制，更會嚴重影響整 個系統的工作效率，故本研究選擇雙核心架構，用以提升系統運作的效能。而系統架構如圖 6 所示可 分為三大部分，分別為(1)訊號處理單元，(2)資訊整合平台，(3)行動化通訊網路。訊號處理單元用以 擷取電力訊號，進行各項電力品質指標分析，並將結果顯示於 LCD 及存入雙口記憶體中。資訊整合平 台隨後將資料取出排列，並儲存於 SD 卡內。最後透過 GPRS 無線模組將資料傳輸到後端的行動化通訊 網路，使用者可透過網路，查詢電力品質即時狀況。若有緊急事件，也可透過簡訊通知，讓工程人員 在第一時間掌握電力訊號干擾的種類，做必要的處理。配合系統軟硬體之建構，將在下列各節詳加描 述。
圖 6 儀測系統硬體架構圖 4.2.1 訊號處理單元 訊號處理單元包含電壓及電流探棒、訊號準位調整電路、數位訊號處理器(DSP)、LCD 顯示器、 與鍵盤，主要工作為訊號的擷取、轉換、與各項電力品質指標的計算，並且搭配 LCD 螢幕與鍵盤，提 供監測模式與對象選擇介面。圖 7 為監測模式架構，其中自動化監測模式可對監測之指標做即時的量 測分析與記錄。監測時若發生電力品質事件，可在事件結束後顯示於 LCD 螢幕上，並將記錄之資料存 入雙口記憶體中。使用者若想要了解系統目前的電力品質情況，則選擇即時監測模式，在此模式下， 只要透過鍵盤的選擇，便可即時更新電力品質情形。訊號處理單元軟及硬體組成之進一步說明如後。 圖 7 訊號處理單元之操作模式 4.2.1.1 前置信號擷取介面 前置信號擷取介面包含電壓及電流探棒與信號準位調整電路。因 DSP 中 ADC 模組可接受的輸入 範圍在 0V 至 3.3V，故需先透過電壓及電流探棒將訊號衰減，後再經由訊號準位調整電路，將訊號控 制在前述可接受的範圍，使 DSP 之 ADC 可以正常的取樣。表 1 及表 2 分別為電流探棒與電壓探棒規 格，其中電壓衰減倍率為 200 倍，電流轉換因素為 1A/10mV。圖 8 為訊號準位調整電路，其中運算放 大器的型號為 TL084，主要規格為: (1) 電源供應：±15V， (2) 輸入電壓：±15V， (3) 電壓大小增益之頻寬：200 kHz。
表 1 電流探棒規格
Dimensions: (L x W x H) 231 x 36 x 67 mm
Type B: BNC-plug
Product Specifications: Transformer ratio: 100 mV/A - 10 mV/A
Measurement range A/AC: 0.05 - 100 A
Output voltage: Max. 1 V
Base accuracy: 3 %
Opening range of current clamps: 12.5 mm
Power supply: 9 V battery pack
Overvoltage category: CAT IV 300 V
Weight: 330 g
表 2 電壓探棒規格
FEATURE Economic（1300V）
Band Width 25MHz
Max Input Range（AC-p-p） 20mV～1300V
Attenuator Selection x20,x50,x200
Input Impedance（Differential R/C） 4MΩ 1.7PF
Input R（Each Input R/C） 2MΩ 3.4PF
4.2.1.2 訊號轉換與運算
本研究採用德州儀器(TI)公司的數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP) TMS320LF2407A 作 為訊號轉換與運算核心，其詳細規格如下[60]：
(1)
指令週期時間：25 ns (40MIPS)，(2)
工作電壓：3.3V，(3)
程式記憶體：32K words (16bits)，(4)
資料記憶體：DRAM_544 words、SRAM_2K words，(5)
Boot ROM：SCI/SPI Boot loader，(6)
事件管理者(EVA 與 EVB)模組包含以下功能：2 個 16bit 一般功能計時器，6 個 16bit 脈波寬度調變(PWM)通道，3 個外部事件時間標記的捕捉器，看門狗(Watch Dog)計時模組，
(7)
類比/數位轉換器：16 個 10bit 通道，轉換時間 500ns，(8)
串列傳輸界面(SCI)模組：用於 UART 連線，(9)
串列周邊界面(SPI)模組：可設定 16bit 傳輸，(10)
鎖相迴路
(PLL)
：可控制時脈的倍頻，
(11)
可程式化雙向之通用
I/O PIN
：
41
支，
(12)
外部中斷：
5
個
(
電源驅動保護、
Reset
、
NMI
、
2
個遮罩中斷
)
，
(13)
電源管理者：3 種省電工作模式，控制周邊電路的省電管理，(14)
即時 JTAG 模擬功能：IEEE 1149.1 標準。 DSP 控制周邊電路的程式控制流程如圖 9 所示，詳細步驟如下: (1) 初始 DSP 內部記憶體位址與 IO 腳位， (2) 傳送更新旗標至雙口記憶體指定位址， (3) 等待 MSP430 傳送初始化完成旗標， (4) 若 MSP430 還未初始化完成，重複讀取雙口記憶體等待完成旗標， (5) 系統初始完成後將監測模式選單顯示於 LCD，供使用者選擇， (6) 選擇模式後，顯示監測項目選單，等待使用者選取， (7) 進行訊號擷取並執行電力品質指標運算， (8) 將結果顯示於 LCD 上， (9) 將資料存入雙口記憶體， (10) 是否更換監測項目，若“是”則回到步驟(6)， (11) 是否更換監測模式，若“是”則回到步驟(5)， (12) 是否結束電力品質監測，若“是”則回到(7)。圖 9 DSP 工作流程 4.2.1.3 周邊電路 為了讓現場的操作人員能方便得知系統電力品質情形與選擇監測模式，故在訊號處理單元中加入 了 LCD 顯示器，並搭配鍵盤，提供使用者操作的介面。其中 LCD 顯示器分為以下三種： (1) 文字型 LCD，可分別顯示中文和英文兩種，最常見是顯示英文文字，其解析度有 16×2、16×4、20×2、 20×4、24×4 等， (2) 繪圖型 LCD，純粹顯示圖形，其解析度有 122×32、128×64、128×128、240×128 等， (3) 繪圖文字混合 LCD，可以顯示文字與圖形，其解析度有 240×128、320×240 等。 本研究所使用的 LCD 顯示器為繪圖文字型，其型號為 WG240128A，內建 8KB 的 SDRAM，解 析度為 240×128 點。由於可同時顯示文字與圖形，使得設計者能更方便規劃畫面格式。此外 LCD 顯示 器的中包含了控制匯流排及資料匯流排，透過固定的時序控制流程，讓 DSP 與 LCD 做好雙向溝通的 連結，正常顯示資料畫面。當使用者欲得知之電力品質指標資料時，DSP 即發出信號通知 LCD，告知 有資料要顯示。LCD 會先檢查可否接收資料，如果可以則會傳送旗標信號給 DSP。圖 10 為資料詳細 寫入流程： (1) 檢查狀態是否允許寫入， (2) 若可以，則傳送低位元組位址， (3) 檢查狀態是否允許寫入，
(4) 若可，則傳送高位元組位址， (5) 檢查狀態是否允許寫入， (6) 若可以，則送 24H 指令告知 LCD 位址指標設定已完成， (7) 檢查狀態是否允許寫入， (8) 寫入欲顯示的資料到設定之位址，並於 LCD 上顯示， (9) 檢查狀態是否允許寫入，送 C0H 指令告知 LCD 此資料已寫入完成。 圖 10 LCD 資料寫入流程 此外，控制匯流排採雙向溝通模式，但是 DSP 的工作電壓範圍為 0V 至 3.3V，而 LCD 的工作電 壓為 0V 至 5V。若 LCD 直接連接 DSP 就會造成 5 伏特電壓對 3.3 伏特電壓充電，充電電流將造成兩 者電路元件的損毀。故本研究採用德州儀器(TI)的電位轉換晶片 SN74LVC4245A 解決電位轉換問題， 圖 11 為其腳位配置情形，由圖中可見晶片兩邊分為 5 伏特的 Port A 及 3.3 伏特的 Port B，籍由 DSP 給
予 DIR 腳位的狀態，控制不同電位的轉換。當 DIR 腳位為低電位(L)則 Port B 資料流向 Port A，當 DIR 腳位為高電位(H)則 Port A 資料流向 Port B，詳細動作情形如表 3 所示。 圖 11 電位轉換晶片接腳 表 3 電位轉換晶片的電位轉換狀態 輸入 轉換動作 OE DIR L L Port B 資料流向 Port A L H Port A 資料流向 Port B 4.2.2 資訊整合平台 此單元以微處理器 MSP430 為核心，用以處理來至訊號處理單元所的資料。資料由雙口記憶體中 取出後，依照規定的格式存入 SD 卡中，再透過 RS232 通訊介面控制 GPRS 模組，將資料傳送到後端 資料庫，同時發送事件簡訊給使用者手機。此單元之組成及操控將在下列各小節加以描述。 4.2.2.1 雙口記憶體
雙口記憶體(Dual Port RAM, DPRAM)相對於傳統的並列通訊和串列通訊模組而言，不僅擁有更高 的通信率，其抗干擾性更佳。除此之外，待交換的資料可暫存於其中，這意味著不需占用微處理器儲 存空間，同時又能加強微處理器的工作效率，是一個數據共享的合適選擇。本研究採用 CYPRESS 公 司所製造的 8K×8bit 雙口記憶體 CY7C144AV 作為數據共享裝置，其存取速率可高達 25ns，工作電壓 為 3.3V，與雙微處理器的工作電壓相同。圖 12 為 CY7C144AV 功能方塊圖，由圖中可觀察到雙口記 憶體具有兩組對稱的資料線與控制線，可以同時存取不同的位址，其存取動作如表 4 所示。而雙口記 憶體在使用上只允許對同一位址做讀取的動作，若是對相同位址同時做寫入或是相同位址同時被讀取 與寫入時，將會產生錯誤。為了避免這樣的情況發生，可透過 BUSY 進行判決。當一端正在寫入時會 透過 BUSY 腳位對另一方發出等待信號，待工作完成後才由另一方開始寫入或讀取資料。另外微處理 器在程式設計上，亦需更新資料處理後的旗標，以確保資料通信間的可靠性。圖 13 為雙口記憶體寫入 與讀取流程。
圖 12 CY7C144AV 雙口記憶體功能方塊圖 表 4 CY7C144AV 讀寫狀態表 左或右端口 R/W CE OE D0~D7 L L X 數據輸入 H L L 數據輸出 (a) (b) 圖 13 雙口記憶體讀寫流程，(a)讀出數據，(b)寫入數據
4.2.2.2 混合信號微控器 本研究選用德州儀器(TI)的微處理器 MSP430F449 為資訊整合平台的核心，此微處理器之主要特色 在於低耗能與高執行速度，其他詳細規格如下[61]：
(1)
RISC 核心處理器：16 位元，指令週期時間僅需 125 ns，(2)
工作電壓：1.8 至 3.6 伏特，(3)
程式記憶體：60 KB，(4)
資料記憶體：2048B，(5)
功率消耗：一般模式下工作電流僅有 280µA，省電模式下工作電流僅有 1.1µA，(6)
省電模式：5 種(待機恢復工作時間小於 6µs)，(7)
類比/數位轉換器：8 個 12bit 通道，轉換時間小於 10µs，(8)
基本計時器：可做 8bit 計時/計數，(9)
計時器 A：8~16bit 計時/計數器，含 3 組抓取/比較暫存器，(10)
計時器 B：8~16bit 計時/計數器，含 7 組抓取 /比較暫存器，(11)
鎖相迴路(PLL)：可控制時脈的倍頻，(12)
外部中斷：Port 1 及 Port 2 共 16 支，(13)
看門狗計時器：防止當機 ，(14)
硬體乘法器：提拱高速的乘加運算之能力，(15)
可程式化雙向之通用 I/O PIN：48 支，(16)
USART：2 組，含 SPI 模式及 UART 模式，(17)
LCD 驅動介面：支援多達 160 段之 LCD ，(18)
JTAG 實體模擬模組：支援開發程式燒錄與程式除錯。 在資料處理方面，圖 14 為工作流程， (1) 初始化 MSP430 內部記憶體與 IO 腳位， (2) 重複讀取雙口記憶體，等待 DSP 傳送初始化旗標， (3) 開始初始化 SD 卡與 GPRS 模組， (4) 傳送 MSP430、SD 卡與 GPRS 初始化完成旗標至雙口記憶體， (5) 重複讀取雙口記憶，等待 DSP 完成分析，並傳送資料傳輸旗標， (6) 讀取雙口記憶體中來自訊號處理單元傳輸之各項指標資料， (7) 依照不同指標型態，進行資料格式排列， (8) 將資料存入 SD 卡中， (9) 開始 GPRS 傳輸與事件簡訊發送， (10) 回到步驟(5)，等待下一次資料處理。圖 14 MSP430 工作流程 4.2.2.3 資料儲存單元 本單元使用 PANASONIC、TOSHIBA 與 SANDISK 共同研製的 SD 卡作為資料儲存模組，它具有 相容性高、體積小、易於攜帶及價格低廉的特點，其操作有 SD 及 SPI 兩種模式，本單元選擇 SPI 模式。 因為 MSP430 可以透過 USART 模組用此模式分別定義其對應腳位，來進行資料的讀寫。圖 15 所示為 SD 卡的初始化流程， (1) 定義 SD 卡腳位 SIMO、SOMI、CLK 及 CS， (2) SPI 介面初始化， (3) CS 腳位設置低電位，使 SD 卡致能， (4) 發送命令 CMD 0，告知 SD 卡由 SD 模式切換至 SPI 模式， (5) 等待 SD 卡回應， (6) 得到回應否，得到回應則進行下一步，否則持續等待回應， (7) CS 腳位設置高電位，使 SD 卡禁能。
開始 CS腳位設置低電位 結束 回應正確? 是 否 定義SD卡腳位功能 SPI介面初始化 發送命令CMD 0 等待SD卡給予回應 CS腳位設置高電位 圖 15 SD 卡初始化流程 資料寫入則如圖 16 所示，詳細步驟如下： (1) 設置 Block 長度， (2) CS 腳位設置低電位，使 SD 卡致能， (3) 發送資料寫入命令 CMD 24，告知資料欲寫入， (4) 等待回應， (5) 確定回應是否正確，“是”往步驟(7)，“否”往步驟(6)， (6) 設置寫入命令傳回錯誤，往步驟(10)， (7) 開始傳送資料， (8) 資料是否傳送完，“是”則往下一步進行，“否”則持續傳送， (9) 設置寫入命令傳回成功，CS 腳位設置高電位，使 SD 卡禁能。 最後資料讀出流程如圖 17 所示，各步驟說明如下： (1) 設置 Block 長度， (2) CS 腳位設置低電位，使 SD 卡致能， (3) 發送讀出命令 CMD 17，告知欲讀出資料， (4) 等待回應， (5) 確定回應正確否? “是”往步驟(7)，“否”往步驟(6)，
(6) 設置讀出命令傳回錯誤，往步驟(10)， (7) 開始接收資料， (8) 資料是否接收完，“是”則往下一步進行，“否”則持續傳送， (9) 設置讀出命令傳回成功， (10) CS 腳位設置高電位，使 SD 卡禁能。 圖 16 SD 卡資料寫入流程
圖 17 SD 卡資料讀出流程
4.2.2.4 GPRS 遠端通訊模組
本研究採用 AMOD 公司的 GPRS 模組 ACM8060 進行無線傳輸，其特性如下: (1) 頻率: GSM 850/ GSM900/GSM1800 /GSM1900 四頻，
(2) 最大射頻功率: GSM850/EGSM900 Class4 (2W)，GSM1800 GSM 1900 Class1 (1W) ， (3) 接收靈敏度: <-106dBm， (4) 工作溫度: -30°C～+85°C， (5) 供電電壓: 3.4V～4.5V (推薦 4.0V)， (6) 漏電電流: <0.1mA， (7) 協議:支持 GSM/GPRS Phase2/2+， (8) AT 命令: GSM 標準 AT 命令，V.25 AT 命令，及 AMOD 定義的 AT 命令， (9) 通訊介面:2 組 UART 介面， (10) SIM 卡介面: 標準 SIM 卡介面(3V/1.8V)， (11) 音訊介面: 2 路類比音訊輸入/輸出介面， (12) GSC 射頻連接器: 50Ω 射頻天線連接器， (13) 語音通信: 支援 FR, EFR, HR 和 AMR 語音轉碼器，支持免提操作和回聲消除， (14) SMS 短信: 支持 MO 和 MT，支援點對點短消息社區廣播 支援 TEXT 和 PDU 模式，支援 TEXT 和 PDU 模式，
(15) GPRS 資料傳輸: GPRS CLASS 10，編碼方案 CS 1, CS 2, CS3, CS 4，最大傳送速率: 85.6Kbit/s， 支持 PBCCH，內建 TCP/IP 協議，支持多槽、ACK 回應、大容量記憶體緩存。 在資料無線傳輸與接收方面，本研究使用目前常見的 Socket 網路應用程式介面，分為用戶端(Client) 與伺服端(Server)。圖 18 為 Socket 應用操控流程，其中用戶端各步驟說明如下: (1) 建立用戶端 Socket 介面， (2) 連接指定伺服端(需指定主機 IP 位址與通訊埠)， (3) 建立連線後，便開始資料傳輸與接收， (4) 關閉 Socket 連線。 而伺服端的流程說明如下: (1) 建立伺服端 Socket 介面， (2) 設定伺服端 IP 位址與通訊埠， (3) 等待用戶端之連線， (4) 建立連線，並開始資料傳輸與接收， (5) 關閉 Socket 連線。 圖 18 Socket 應用程式操控流程 前述GPRS模組可利用AT Command(如表5)建立Socket連線，控制資料傳輸與事件簡訊發送。在 MSP430與GPRS之間，通訊介面使用RS232傳輸，其串列傳輸速率為115.2KBit/s，數據位元為8 bits，停 止位為1。溝通流程如圖19，說明如下: (1) 設定UART串列傳輸速率，
(2) 設置UART接收中斷， (3) 是否進行資料傳輸， (4) MSP430對GPRS下達AT Command， (5) 進入UART接收中斷副程式， (6) 依照回傳值判斷指令是否正確，若“否”則回到步驟(4)， (7) Socket連線是否建立，若“否”則回到步驟(4) (8) 開始資料傳輸， (9) 判斷是否接收完畢，若“否”則回到步驟(7)， (10) 是否進行下一筆資料傳輸，若“是”則回到步驟(4)， (11) 結束GPRS連線。 表 5 GPRS 模組 AT Command 指令集 指令 註解 功能正常的回應
AT+CPIN? 確認 SIM 卡狀態 +CPIN: READY
AT+CSQ 檢查信號狀態 +CSQ: 5,99 AT+CREG? 檢查網路註冊狀況 OK ATE0 關閉回應 OK AT+AIPDCONT= "INTERNET" 連接 Internet AT+AIPA=1 連接到分配的 IP +AIPA:1,xxx.xxx.xxx.xx x,5 AT+AIPO=1,,"xxx. xxx.xxx.xx",10000,0 開啟套接字 1，連接到指 定的 IP +AIPO:1,0,"xxx.xxx.xxx. xx",12000,1 AT+AIPW=1,”414 243” 資料傳送 OK AT+AIPC=1 關閉套接字 1 +AIPC: 1 AT+AIPA=0 切斷連線 +AIPA: 0,307 AT+CMGF=1 啟用短訊模式 OK AT+CMGS="09xxxxxxx x" 設置接收號碼 >
圖19 MSP430與GPRS模組溝通流程 4.2.3 行動化通訊網路 為達成完全的監測，儀測端須克服時間與空間上的限制，讓操作人員即使不在現場也能得知最新 的資訊，故本單元結合資料庫、網路伺服器與 JSP 動態網頁將資料即時於網頁上更新，使用者只要透 過網際網路連上監測網頁，便可查詢各項指標的走勢與歷史資料。以下各小節將詳細介紹網路平台的 建構。 4.2.3.1 用戶及伺服器系統 伺服器是提供用戶在網路上作資料存取服務的平台，對簡單的服務而言，每個請求都是單一的資 料包，伺服器在接受用戶在網路上的請求後，會回傳另一個資料包作為回應。最簡單的用戶與伺服器 互動模型如圖 20 所示。多種伺服器可以提供相同服務，而且可以在一台或多台電腦上執行，伺服器與 用戶互動模式如下： (1) 伺服器在互動之前開始啟動，且持續不斷地接收請求，並傳送相對回應。用戶則可在任何時刻對 伺服器發出請求，並等待回應。 (2) 伺服器在一個公認的埠號下等待請求，而此埠號已被它所提供服務保留。用戶會指定一個任意的、 未使用的和未保留的埠來通訊。
(a)
(b)
圖 20 用戶與伺服器互動模型，(a)用戶傳送請求至伺服器，(b)伺服器回應回傳
在本研究中，我們所選擇的伺服器平台為 Tomcat，它源自 Apache 軟體基金會 Jakarta 專案的 Java Server Page (JSP) Container 與 Web 伺服器。Tomcat 的優點包括：
(1) 記憶體需求低，
(2) 能在任何支援 JDK 的系統上執行， (3) 開放免費的程式碼，
(4) 能夠回覆由 HTTP 所提出的請求。
此外，Tomcat 不僅提供靜態的 HTML 網頁，同時也提供了 Java Servlet 與 JSP 的技術，回應使用 者的動態要求。其執行動態網頁的速度快速，可以將即時產生的結果回傳至用戶的瀏覽器，使得用戶 可以迅速掌握最新資訊，因此為 Web 伺服器中相當合適的選擇。 4.2.3.2 資料庫系統 資料庫是一個電子化的資料保存系統，將資料儲存在相對應的表單中，以方便對資料做增加、刪 除、修改與查詢等處理。其最大特色在於可以對特定的資料型態，有較好的搜尋及排序的演算法，可 以減少重複性，保持資料的一致性、安全性、及完整性。因此透過資料庫管理，它具有下列優點： (1) 可依不同的使用者，訂定存取資料的權限，共享資料， (2) 所有的資料庫存取都以相同方式(資料存取標準)完成， (3) 依照資料庫中表格定義內容之限制，以及資料驗證等規則，存取格式化資料，
(4) 使用標準的資料查詢語言 SQL(Structured Query Language ) 提昇資料存取性及回應能力， (5) 資料易保存、安全性高、備份容易。
MSP430 微控器將儀測端所處理後之數據資料，依固定格式送入資料庫後，用戶可以透過伺服器 取得資料庫之數據資料，讓使用者與資料庫之溝通，能有效的管理與應用，以達到系統的完整性及可
靠性。前述使用者與伺服器資料庫溝通過程如圖 21 所示。目前常見的資料庫管理系統有 Oracle、 Microsoft SQL Server、IBM DB2、MySQL 等。本計畫採用 MySQL 作為資料庫系統，因為它具備以下 之優點：
(1) 取得容易，且在一般用途上免費，
(2) 可在多種平台上使用，目前支援平台有 Linux、Windows、Sun Solaris、FreeBSD、MacOS X 及 AIX 等， (3) 安裝容易，使用簡單， (4) 適用一般中小型數量用戶。 圖 21 使用者與伺服器資料庫溝通過程
五、結果與討論
5.1 整合式演算法之模擬與驗證 為驗證前述算式與演算法，初步以人工方式，在電壓調變波形中，加入幾種短時間電壓變動波形， 經 MATLAB 程式模擬。圖 22 是模擬之結合電壓驟降、驟升和中斷及閃爍訊號，其經演算法測試結果 如圖 23 所示， 圖中之取樣頻率為 7680HZ，波形振幅單位為 V，有效值數字代表 pu 大小。由圖中可 見結果符合理論值 。 圖 22 混合型電壓變動及閃爍之信號波形Sag Happen between 0.246354~0.51875(s) Sag Duration = 0.158333(s)
Swell Happen between 0.0302083~0.186979(s) Swell Duration = 0.156771(s)
Interruption Happen between 0.390234~0.504297(s) Interruption Duration = 0.114063(s) delta_V10 = 2.1164(V) 圖 23 混合型電壓變動及閃爍信號有效值變動曲線及持續時間檢測結果 經 MATLAB 模擬後，再以 LabVIEW 所建構之虛擬儀表進一步來實現整合式演算法，並應用於實 際訊號的量測，圖 24 為即時電壓變動事件監測介面，當模擬狀況符合電壓變動的範圍時，虛擬儀表會 自動從閃爍量測切換到電壓變動的擷取及分析計算，並在面板上顯示電壓變動之波形、走勢、類型、 開始時間、結束時間以及持續時間等，以方便現場人員能夠迅速掌握電壓變動事件的進展，由圖中可 見在 2008 年 5 月 12 日晚上 9 點 40 分 32 秒發生電驟降(sag) ，電壓大小約為 95V，從 16046.42 秒到 16048.57 秒，持續了 2.15 秒。圖 25 為即時電壓閃爍量測，虛擬儀表面板中即時電壓閃爍波形，可即 時觀測目前時間電壓波形中閃爍的狀況。等效 10Hz 閃爍成份及頻率走勢：由虛擬面板中∆V10走勢圖， 可得知每分鐘之∆V10的值，藉此可掌握∆V10之走向，以了解監測電壓閃爍程度及時間長短。由模擬與 虛擬儀表量測實際訊號的結果可知本計畫所提出的算式與整合性演算法具可行性，並將在下一小節以 數位訊號處理器(DSP)實現。 圖 24 典型虛擬儀表之即時電壓變動事件監測結果 Swell Start Point：232
Swell End Point：1436 Sag Start Point：1892 Sag End Point：3984 Interruption Start Point：2997 Interruption End Point：3873
圖 25 為即時電壓閃爍量測 5.2 現場實測 監測系統原型完成後，在實驗室量測實際電力饋線電力品質指標，以印證其可行性與實用性。量 測成果將分成訊號處理單元、資料儲存與傳輸、監測平台的顯示，與行動裝置之監測頁面等項目。 由於電壓變動為隨機事件，故在本計畫中以調整交流自耦變壓器之輸出來模擬。在閃爍、諧波、 與電力參數方面則以冷氣機饋線為監測對象，觀察運作時各項參數的變化。圖 26 為訊號處理單元在開 始量測前選擇監測模式畫面，其中項目 1 為交談互動模式，項目 2 為自動化監測模式。在選完模式後， 即進入功能選單，可分為電壓變動與閃爍、諧波、與電力參數，各項監測結果將由 5.2.1 節至 5.2.4 節 加以說明。 圖 26 監測模式選擇畫面 5.2.1 電壓變動 以交流自耦變壓器模擬電力饋線時，先用 PM100 電力分析儀量測自耦變壓器的輸出電壓並記錄欲 產生之變動幅度，之後以手動方式調整輸出電壓並進行量測，結果如圖 27 所示，由圖中可知變動類型 為驟降，幅度為 71.7%，持續時間為 0.092 秒。另外在畫面右側同時顯示目前操作模式、SD 卡、及網 路功能狀態。
圖 27 電壓變動監測畫面與電壓驟降量測結果 5.2.2 電壓閃爍 圖 28 為電壓閃爍現場監測畫面，內容包含電壓有效值，閃爍成份(
∆V
10)，以及電壓閃爍頻譜。其 中頻譜畫面之縱軸為幅度，以百分比方式呈現，每格為 5%；橫軸為階數，每格為 5 階。由圖 28 可知， 電壓有效值為 219.70V，∆V
10為 0.29%，故閃爍頻譜顯示正常。 圖 28 電壓閃爍現場監測畫面 5.2.3 諧波 圖 29 為諧波監測畫面，顯示項目包含電壓有效值 (Vrms)、電流有效值 (Irms)、電壓總諧波失真 因數(THD
V)、電流總需量波失真(TDDI)、電壓頻譜，及電流頻譜。圖中上方為電壓頻譜，下方為電 流頻譜，縱軸為頻譜之幅度，以百分比方式呈現，每格為 50%，橫軸為頻譜之階數，每格為 5 階，因 畫面限制最多可顯示至 48 階。由圖 29 可知電壓有效值為 216.31V，電流有效值為 11.79A，THDV為 2.12%，TDDI為 12.77%。圖 29 諧波監測畫面 5.2.4 電力參數 圖 30 為電力參數監測畫面，其內容包含電壓有效值 (Vrms)、電流有效值(Irms)、視在功率(S)、實 功率(P)、虛功率(Q)、功率因數(PF)。由圖 30 可知電壓有效值為 216.80V，電流有效值為 12.08A，視 在功率為 2617.90VA，實功率為 2322.61W，虛功率為 1207.84VAR，功率因數為 0.89。 圖 30 電力參數監測畫面 5.3 資訊儲存與傳送測試 5.3.1 指標儲存與傳輸格式 資料在儲存與傳輸時需依照一定格式進行排列，以方便後續的管理與應用。本研究中各項電力品 質指標的排列方式如圖 31 至圖 34 所示，由圖中可得知各指標皆具備四項基本欄位包括量測時間、使 用者、量測地點及系統頻率等。在基本項目後面為各項指標之量測資料。
圖 31 單筆電壓變動資料格式
圖 32 單筆電壓閃爍資料格式
圖 34 單筆電力參數資料格式 5.3.2 現場資料儲存 若在量測器上選擇資料儲存，則所量測到的資料將會儲存到 SD 卡中。之後透過讀卡機便可讀取 其中之資料，結果如圖 35 至圖 38 所示。儲存之各項指標可經由記事本開啟，經核對結果與現場量測 之資料無異，且儲存格式與原先設定相符。由此可知本研究所選用之儲存單元可正確的記錄各項電力 品質指標與其詳細資料。 圖 35 SD 卡所記錄的電壓變動資料 圖 36 SD 卡所記錄的電壓閃爍資料
圖 37 SD 卡所記錄的諧波資料 圖 38 SD 卡所記錄的電力參數資料 5.3.3 無線資料傳輸與事件簡訊 資料儲存後，可透過 GPRS 模組，以無線傳輸方式上傳至監控中心之資料庫。在傳輸過程中的延 遲時間與資料量大小，可使用軟體測試的方式得知。表 6 為各項指標傳輸測試結果與收費之統計，其 中電壓變動的資料量與傳輸時間依變動持續時間而定，故不加以量測。在 GPRS 傳輸費用方面，採用 中華電信月租 183 方案，以封包數量為收費依據，單筆封包為 0.005 元。而圖 39 至圖 42 為資料庫中 從 GPRS 模組接收到之資料，比對前述資料的格式可知每筆資料皆存入相對應的欄位並且與原始資料 相符。
表 6 各項電力指標資料封包傳輸與收費之統計 資料類別 電壓閃爍 諧波 電力參數 傳輸時間(s) 4.51 8.35 4.12 封包數量 10 20 10 總資料量(bytes) 949 1910 529 單筆傳輸費用 0.05 元 0.1 元 0.05 元 圖 39 資料庫中電壓變動資料 圖 40 資料庫中電壓閃爍資料 圖 41 資料庫中諧波資料 圖 42 資料庫中電力參數資料
此外進行資料在進行排列的時候，會檢查訊號處理單元所監測的電力品質指標是否超過標準，若 超過則會透過 GPRS 模組傳送事件簡訊至用戶手機。圖 43 至 45 為手機收到的事件通知簡訊，其中電 壓變動的類別代號 1 代表電壓驟降(其他 2 為電壓驟升，3 為中斷)。以上結果可知 GPRS 不但可以正確 的將現場端資料傳輸至後端資料庫中，亦可發送簡訊即時通知工作人員或用戶電力品質相關資訊。 圖 43 電壓變動事件簡訊 圖 44 電壓閃爍事件簡訊 圖 45 諧波事件簡訊
5.4 伺服器與資料庫測試 5.4.1 電力品質監測網頁
經由上一小節確認資料庫所接收之資料無誤後，接著進行伺服器網站的資料處理與應用。當資料 庫的內容更新後，便會被取出顯示於網路伺服器動態網頁上。使用者隨時可上網觀看最新電力品質資 訊，圖 47 為監測網頁的架構，圖 46 網頁的首頁，由圖中可見，使用者可選擇觀察電力品質指標走勢 (Trend Monitoring)或歷史資料查詢(Data Search)。當使用者點選後，左側會出現如圖 48 所示之各項電 力品質指標選項。
圖 46 電力品質監測網站架構
圖 48 監測中心監測網站功能網頁畫面 5.4.2 線上指標走勢監測 為驗證長時間走勢量測功能，本研究以實驗室冷氣機 220V 專用饋線為對象，其電力品質經一個 星期的量測，各項指標測試結果如下: 1. 電壓閃爍指標走勢:圖 49 所示為每一分鐘更新一次知結果，圖中可見電壓有效值 Vrms及
∆V
10之走 勢。橫座標為時間，間隔 5 分鐘，共 1 小時;縱座標為幅度。∆V
10動態圖示中包含 0.45%的最大門 檻線。透過指標走勢圖可以得知，每小時∆V
10之走向，圖中顯示該筆電壓閃爍∆V
10均在 0.35 以下。 2. 諧波資料:每 5 分鐘更新一次知結果如圖 50 所示，包含電壓總諧波失真因數、電流總諧波失真因數、 電壓有效值及電流有效值之走勢。其橫座標為時間，間隔 30 分鐘共 4 小時，縱座標為幅度。電壓 諧波最大門檻線為 5%，而 TDDi最大門檻線可由系統隨量測負載設定。透過指標走勢圖可以得知 12 小時之 Vrms, Irms,THD
V,TDDi的值變化，藉此瞭解冷氣機運作之情形。由 Irms 可以觀察當室 內溫度達要求時會出現待機(無運轉)的情形，而對照 TDDi 可發現在待機的狀態下容易出現較小的 值，其他時間則顯示正常運轉。整體的諧波走勢來看，可以知道 THDv大約 2%以下，而 TDDi約在 10%左右。 3. 電力參數資料:每 5 分鐘更新一次知結果如圖 51 所示，包含電壓電流有效值 Vrms、視在功率 S、實 功率 P、虛功率 Q、功率因數之走勢 PF。其橫座標為時間，間隔 20 分中共 2 小時，縱座標為幅度。 透過指標走勢圖可以得知 2 小時內各項電力參數的值，從圖中可觀察到待機時幾乎沒有電流;同時， P, Q, S, PF 皆呈現下降。此時 Q 比 P 的量還高，PF 也相對下降。在正常運作的情形下，可以大概知 道電壓有效值約 218V，電流有效值約 12.5A，實功率約 2400W，虛功率約 1200VAR，視在功率約 2600VA，功率因數約 0.85。(a)
(b)
(a)
(b)
(c)
(d)
(a) (b) (c) (b) (e) (f) 圖 51 電力參數指標走勢監測結果，(a) Vrms，(b) Irms，(c) S，(d) P，(e) Q，(f )PF 5.4.3 線上指標資料查詢 在電力品質網站首頁點選“Data Search”之後便可查詢各項指標的歷史資料，畫面左側有各項指標 的選項。圖 52 至 55 為各項指標查詢結果，在每項指標資料查詢的頁面中皆會顯示目前最新的 10 筆資 料，其格式同樣按照原先資料排列的設定，包含時間、地點、使用者、系統頻率與各項電力品質指標 資訊。若在指標走勢圖中察覺異狀可在搜尋空格中鍵入時間點，進一步詳細檢閱資料。另外，由於各 項指標的完整資料量較為龐大，例如電壓變動的異常電壓有效值及異常波形，電壓閃爍的電壓頻譜， 以及諧波的電壓電流頻譜等，可透過單筆查詢取得完整資訊，如圖 56 至圖 58 所示。
圖 52 電壓變動指標資料查詢網頁
圖 54 諧波指標資料查詢網頁
圖 56 單筆電壓變動查詢結果
圖 58 單筆諧波查詢結果 5.4.4 長時間資料統計 線上監測頁面，除了走勢圖形與資料查詢之外，亦包含各項指標的基本統計資料，其結果如下: (1) 電壓變動:圖 59 為電壓變動在一星期內的資料統計結果，其中包含電壓的最大值、最小值與平均 值，此外亦統計電壓變動事件發生的次數與最大的變動幅度與最大持續時間。 (2) 電壓閃爍:圖 60 為電壓閃爍資料統計頁面，其中包含電壓有效值與
∆V
10之最大最小與平均值。 (3) 諧波:圖 61 為諧波資料統計頁面，其中包含電壓、電流、THD
V、TDDi之最大、最小、與平均值。 電流有效值與 TDDi為冷氣機運轉時之統計資料。 (4) 電力參數:如圖 62 所示，包含 V，I，P，Q，S，PF，皆為冷氣運轉狀態下之資料統計。 圖 59 電壓變動資料統計畫面圖 60 電壓閃爍資料統計畫面
圖 62 電力參數資料統計畫面 5.4.5 行動裝置查詢 在行動裝置的行動化通訊網路方面，使用者可利用手機與 PDA 等上網，這些資訊通同樣分為指 標走勢與歷史資料的查詢。圖 63 為各項指標走勢在手機上的顯示情況，而圖 64 至為各項指標資料查 詢結果。由圖中可知行動裝置同樣可以正確的觀察訊號處理單元所上傳的電力品質資訊。 (a) (c) (b) (d) 圖 63 手機監測諧波走勢網頁，(a) THDv，(b) Vrms，(c) TDDi，(d) Irms
(a) (c) (b) (d) 圖 64 手機查詢各項指標資料網頁，(a)電壓變動資料查詢，(b)閃爍資料查詢，(c)諧波資料查詢，(d)電 力參數資料查詢 5.5 結論 伴隨科技的發展，電力品質越受重視。不良的電力品質將會造成重大的經濟損失，甚至威脅人身 安全。而要預防電力品質事件的發生，需仰賴精確與方便的儀測系統有效的監測各項電力品質擾動因 數，以進行責任之確定，並針對各種擾動源採改善措施。為達到以上目標，本研究選用低價位之通用 雙微處理器搭配 GPRS 無線傳輸模組，建構一多功能電力品質無線遠端監測系統。其中雙核心架構能夠 將電力訊號即時分析與運算，並將大量的資料儲存於 SD 卡中。而 GPRS 除了能發送事件簡訊外，更能 將資料傳輸到後端監測中心之資料庫。最後藉由網路用戶/伺服平台，將現場端最新的資料顯示於網頁 上。所獲得的重要成果如下：
(1) 電力品質量測法方面: 模擬結果顯示 LabVIEW 圖控式語言撰寫的整合式電壓變動與閃爍演算法， 可以有效的分辨及計算電壓變動與閃爍的事件。 (2) 訊號處理單元：經由實際量測後可知，DSP 能夠正確的轉換電力訊號，並且計算各項電力品質指標， 其結果也能顯示在 LCD 上。另雙口記憶體也能正常的與 MSP430 進行資料的交換。 (3) 資訊整合平台方面：MSP430 除了正確的抓取現場量測器所分析的資料外，也能將資料按照一定格 式儲存於 SD 卡中，並且透過 GPRS 模組，將資料以無線傳輸方式傳送至資料庫中。此外亦可發送事 件簡訊至使用者手機。 (4) 行動化通訊網路方面：資料庫能有效的儲存現場電力品質資料，也能經由用戶/伺服平台讓使用者 透過網路連線，觀察電力品質指標的變化，若發現異狀時，亦能查閱歷史資料進行後續的分析。 5.6 未來研究建議 本計畫建構之電力品質無線遠端監測系統，已具備電壓變動、電壓閃爍、諧波與電力參數量測功 能。但為了增加系統的完整性與實用性，未來可朝下列方向進行更一步的發展: (1) 目前無線通訊技術蓬勃發展，各式各樣的無線通訊工具正廣泛的被用於不同的用途上，本計畫使用 GPRS 做為傳輸介面，在未來發展上，可考慮速度較快速的 3G 甚至是 3.5G 行動網路，或是選擇不 需收費的區域網路介面，如 Zigbee、WiFi 等， (2) 在現場量測器方面，DSP 與 MSP430 為本系統之雙核心，然而目前微處理器的運算速度逐漸提高， 但相對之下價格卻是越來越低廉，故在未來可選用較更低成本的微處理器建構電力品質監測儀， (3) 鑑於智慧電網的快速發展，其中先進讀表系統被視為智慧電表的基礎，另外電力品質也是未來電網 所關注的一環，而本計畫提出的系統架構在未來可應用於先進讀表系統中，使得電力品質監測儀器 更具多元、豐富、與實用性。
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七
七
七
七、
、
、附錄
、
附錄
附錄
附錄
本計劃已發表之論文如下：
1. M.T. Chen, C.W. Lu and C.M. Lin, "Implementation of a integrated algorithm for voltage variation and flicker measurements", Proceedings of IEEE Conference on Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2010, p.p.1467-1471. 2. 陳明堂陳明堂陳明堂陳明堂,呂振文,韓琮竣,楊士儀,"以雙微處理器實現電力品質遠端即時監測系統",中華民國第三十一 屆電力工程研討會,99 年 12 月, pp. 1363-1367. 3. 韓琮竣，以雙微處理器實現電力品質遠端即時監控系統，國立高雄應用科技大學碩士論文，99年7 月。 4. 楊士儀，電力品質無線遠端監測系統之實現，國立高雄應用科技大學碩士論文，100年7月。 5. M.T. Chen, S.J. Hsiao, C.W. Lu, C.M. Lin, and C.J. Han, “Implementation of a Internet-based Power
Quality Monitoring System by Dual Microprocessors,” Proceedings of 2011 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA2011), Sep. 2011, pp.497-501.
