電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究碩士學(xué)位論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 的了解1哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文電網(wǎng)的運行狀況，及時地監(jiān)測電網(wǎng)中的各個指標，對其分析、統(tǒng)計后，才能找到問題的根源，分析其嚴重程度，從而得出處理的方法，進一步解決這些問題。 電力監(jiān)測裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電能質(zhì)量的標準和技術(shù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和用戶需求的變化而變化和發(fā)展的。大量電力電子設(shè)備的使用是新技術(shù)的運用，同時也是電能質(zhì)量惡化的制造者和受害者。近四十年來全球范圍內(nèi)因電能質(zhì)量而引起的重大電力事故已達二十多起，每年電能質(zhì)量擾動和電力環(huán)境污染引起的國民經(jīng)濟損失高達兩千億元。供電質(zhì)量問題不僅對大型企業(yè)的正常運作影響較大，同時對重大活動的安全供電影響較大。我們需要監(jiān)測分析電力系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩大電能質(zhì)量問題，為預(yù)防和減少電能質(zhì)量引起的故障，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)方面提供采取措施的依據(jù)。電力參數(shù)監(jiān)測裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段[1]：第一代是指針式儀器，如模擬萬用表、電壓表、電流表等，這些儀器儀表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動式、感應(yīng)式、靜電式、電熱式等。由于這類儀表本身的機械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，一般精度較低，穩(wěn)定性差，應(yīng)用場合有一定局限性，但由于其原理簡單、堅固耐用、成本低廉，目前還在被廣泛使用；第二代是數(shù)字式測量儀器，這類儀表的基本原理是將被測量的模擬信號通過電子線路變?yōu)閿?shù)字信號，進行計算并顯示出來。這類儀器同指針式儀器相比，精度有了很大提高，能直觀讀取測量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。但電子線路比較復(fù)雜，不能自動適應(yīng)測量環(huán)境的變化，而且儀器的校準復(fù)雜。第三代是智能儀器。某些參考資料認為：所謂智能，意味著儀器中含有一定的人工智能，即是利用電子線路代替人的一部分腦力勞動，然而至今智能儀器中所具備的人工智能并不多。這類儀器內(nèi)部含有微處理器，通過微處理器來控制數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進行處理。因此能夠用軟件的方法實現(xiàn)信息的采集、處理和存儲，大大簡化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。這類儀器的硬件基礎(chǔ)是采集技術(shù)和輸入輸出技術(shù)，而軟件基礎(chǔ)在于數(shù)據(jù)的采樣和處理方法。國外對電能質(zhì)量研究起步較早，目前有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究正掀起高潮，從所使用的理論到電能質(zhì)量評價指標體系的建立，從全國性的電能質(zhì)量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣環(huán)境的定義，各種電能質(zhì)量問題分析方法的提出，以及“用2哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文戶電力技術(shù)”等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)正深入進行。1996 年，IEEE 決定將每兩年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會議（ICHPS）更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議（ICHAP），討論的主題包括利用先進的電能計量的分析方法開發(fā)新型實用的電能計量裝置，把電能質(zhì)量提高到一個新的認識高度。在從事電能質(zhì)量產(chǎn)品的企業(yè)中，美國的 FLUKE 公司和瑞士的 LEM 公司的產(chǎn)品在全球都有廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)，目前電能質(zhì)量中的某些問題已成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，吸引了許多高等院校和科研機構(gòu)的一大批科技人員投入其中進行研究。理論研究方面，正致力于電能質(zhì)量的界定方法和評估體系的建立、國家電能質(zhì)量標準的完善和電能質(zhì)量分析相關(guān)算法的研究。其中電能質(zhì)量評價體系的建立主要涉及電能質(zhì)量的定義、綜合評價體系及其咋電力市場、智能建筑中的應(yīng)用等方面；2006年 4 月，經(jīng)國家發(fā)改委批準組建的電力行業(yè)電能質(zhì)量計柔性輸電標準化技術(shù)委員會，正進一步完善國家的電能質(zhì)量標準體系；算法分析是電能質(zhì)量研究的重要內(nèi)容，目前相關(guān)的算法研究主要致力于利用 FFT 算法、小波分析、窗函數(shù)等工具，進行信號去噪、信號提取以及諧波分析等方面的處理。在電能質(zhì)量的監(jiān)測及應(yīng)用儀器的和設(shè)備的開發(fā)方面，國內(nèi)正進入一個蓬勃發(fā)展期，各種參數(shù)檢測裝置層出不窮。硬件方面有基于 DSP 芯片、基于單片機、基于雙 CPU 系統(tǒng)、基于 ARM 系統(tǒng)等；軟件方面充分利用了 LabView 技術(shù)、CAN總線、LONWORKS 總線、Web 技術(shù)等實現(xiàn)在線監(jiān)測；此外還有一些專門測量電壓閃變等暫態(tài)量的測量裝置。國內(nèi)致力于電能質(zhì)量產(chǎn)品研究的企業(yè)也很多。國內(nèi)廣泛采用統(tǒng)計型電壓表監(jiān)測電壓質(zhì)量水平，這些電壓監(jiān)測儀只能監(jiān)測電壓合格率，需要人工抄表，缺乏統(tǒng)計分析功能，而諧波和電壓波動、閃變的測量則用便攜式測量儀器，分別對變電站的各級母線電壓、主變壓器各側(cè)的諧波電流、電容器組的諧波電流進行測量，對大中型非線性負荷用戶和電廠以及低壓配電網(wǎng)電流進行測量，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行匯總、統(tǒng)計分析，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進行評估。這種電能質(zhì)量監(jiān)測手段和管理模式存在著實時性差、測量指標少、工作量大、測量誤差大、效率低等明顯的局限性。總體來看，國內(nèi)對電能質(zhì)量裝置的研究起步晚，隨著電力系統(tǒng)運行管理的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化，單一功能的電能質(zhì)量監(jiān)測儀已經(jīng)不適合現(xiàn)3哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文代化電能管理的需求。綜觀國內(nèi)目前采用的各種電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備和手段，主要存在以下一些不足：由于采用各種計算機作為現(xiàn)場監(jiān)測分析工具，導(dǎo)致設(shè)備成本提高；設(shè)備配置的靈活性、通用性差，往往只能用于特定的操作環(huán)境；遠程通信能力有限，不易實現(xiàn)遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享和長期評估與預(yù)測；對干擾的分析和故障的辨識能力有限，不具備智能分析功能，不能提供給用戶可直接用于決策的信息；實時性差，時域分析手段落后，不具備對瞬時擾動和暫態(tài)諧波的跟蹤和捕獲。 論文研究的主要內(nèi)容本論文緊密結(jié)合導(dǎo)師的電力參數(shù)監(jiān)測裝置的實際開發(fā)項目，在借鑒同類裝置的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)一種實用、完全脫離仿真器、低成本的便攜式電力參數(shù)監(jiān)測儀表，從測量裝置的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、算法分析等角度進行研究，重點是對現(xiàn)有的 FFT 諧波分析算法進行研究和仿真，通過比較選擇了合適的窗函數(shù)和插值算法進行誤差修正，有效的抑制頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。論文的章節(jié)安排如下：第 1 章提出了論文的選題背景和意義，國內(nèi)外電能質(zhì)量問題和電力參數(shù)監(jiān)測裝置的研究現(xiàn)狀，介紹了論文的主要研究內(nèi)容第 2 章介紹了基本電參量和電能質(zhì)量指標的定義及其測量原理和測量方法，包括三相交流電壓、電流、功率和功率因數(shù)的測量，電壓偏差、頻率及頻率偏差的測量。本節(jié)著重介紹了目前電力諧波的測量理論，包括快速傅里葉變換、瞬時無功功率理論、小波變換等，通過對其的比較，選擇快速傅里葉變換作為本系統(tǒng)的諧波測量方法。第 3 章作為本文的主要研究內(nèi)容，介紹了基于傅里葉變換的諧波分析算法。對按時間抽取（DITFFT）的基2FFT 算法的原理和特點進行了詳細地分析，并采用了一種針對電力參數(shù)采集中實序列輸入的高效 FFT 算法。采用 FFT 算法進行諧波分析時伴隨有頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)的影響，本章對其產(chǎn)生原因進行理論分析，并針對這些問題提出了一種基于加窗插值的 FFT 算法，通過在 MATLAB中的仿真驗證，證明了算法的正確性。4哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第 4 章介紹了系統(tǒng)硬件的設(shè)計方法。系統(tǒng)構(gòu)建了 DSP+MCU 的硬件結(jié)構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計思路，將系統(tǒng)分為信號采集模塊、信號處理模塊、人機接口模塊的等多個功能模塊，詳細介紹了個模塊的設(shè)計方法和電路原理圖。各模塊之間通過信息交換協(xié)調(diào)工作。第 5 章介紹了基于 CCS 的系統(tǒng)軟件設(shè)計方法。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的脫機運行，設(shè)計了 DSP 的 Bootloader。介紹了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊的程序設(shè)計方法和流程圖。重點介紹了 FFT 算法在 DSP 上的實現(xiàn)方法以及基于窗函數(shù)設(shè)計法的低通 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計方法。結(jié)論是對本論文的總結(jié)和展望。5哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 電力參數(shù)的測量原理電力系統(tǒng)基本電參量的測量主要包括：電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。根據(jù)被采集信號的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直流采樣是把交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)化為 0~5V 的直流電壓，這種方法的主要優(yōu)點是算法簡單，便于濾波，但投資較大，維護復(fù)雜，無法實現(xiàn)實時信號采集，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。交流采樣是把交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)化為+5V~5V（或 0~5V）的交流電壓進行采集，主要優(yōu)點是實時性好，相位失真小，投資少，便于維護，其缺點是算法復(fù)雜，精度難以提高，對 A/D 轉(zhuǎn)換速度要求較高。隨著微機技術(shù)的發(fā)展，交流采樣以其優(yōu)異的性能價格比，有逐步取代直流采樣的趨勢。交流采樣的應(yīng)用范圍非常廣泛，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，其算法也有很多，按其模型函數(shù)的不同，大致可分為正弦模型算法、非正弦模型算法。正弦模型算法主要有最大值算法、單點算法、半周期積分算法、兩點算法、導(dǎo)數(shù)算法、和快速三點算法。其中，如果采集三相對稱正弦信號，單點算法不失為理想算法，對采樣時刻沒有要求，既準確有快捷，并且可以同時測量得到電壓、電流、有功功率和無功功率，但這種算法對采樣信號要求較高，硬件較為復(fù)雜；半周期積分算法的數(shù)據(jù)窗長度雖然要半個周期，但它的運算量非常小，只涉及加減運算，另外它有一定的濾除高頻分量的能力。非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里葉及改進的傅里葉算法、最小二 乘 算法 （ Least error square algorithm） 卡爾曼濾波算 法 （ Kalman filter、algorithm）、小波變換算法等。其中，有效值算法的計算精度與采樣點數(shù) N 和采樣的同步度有關(guān)，在系統(tǒng)允許的情況下，可以增加采樣點數(shù)來提高運算精度。該算法實時性好、簡單，在不需要測量基波和各次諧波參數(shù)的情況下，可以選用此方法；傅里葉及改進的傅里葉算法是目前應(yīng)用最多的算法，可以一次算出信號中所用的諧波，應(yīng)用方便，已經(jīng)才電力系統(tǒng)測量中得到了廣泛的應(yīng)用；小波變換算法因其在時域頻域都具有較好的分辨率，在電力系統(tǒng)測量中有很好的研究價值[2]?？紤]到數(shù)字信號處理在電力系統(tǒng)測量方面的優(yōu)勢以及 FFT 算法的成熟程度，本文設(shè)計的電力參數(shù)測量模型及實時測量系統(tǒng)是基于改進的 FFT 算法，并6哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文通過相應(yīng)修正其測量誤差，取得較好效果。電能質(zhì)量的五個主要指標為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動和閃變、電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差和三相電壓允許不平衡度。電能質(zhì)量雖然只有五個指標，但是需要計算的量卻很多。這些量主要包括：三相電壓、電流有效值；電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率；電壓、電流的各次諧波分量及諧波總畸變率；三相有功功率，三相無功功率和三相視在功率；功率因數(shù)；各次諧波含有率；波形及波形因數(shù)；電壓、電流中的負序和正序分量；電壓波動值[3]。在出現(xiàn)電壓閃變的情況下，對閃變性質(zhì)進行分析，并記錄閃變暫態(tài)過程中的電壓波形；三相電壓不平衡系數(shù)。 基本電參量的測量原理及方法電力系統(tǒng)的電壓、電流理想波形是標準的正弦波，正弦波供電能夠減少鐵損并提高效率。然而正弦波形只是一種理想狀態(tài)，實際上是不可能完全實現(xiàn)的。對于一個畸變的非正弦周期函數(shù)，可以用傅里葉級數(shù)表示為：f (t ) = A0 + A1 cos(ω1t + ?1 ) + A2 cos(ω2t + ? 2 ) + ... + An cos(ωn t + ? n ) + ...(21)其中， 0 是直流分量， n 是周期分量的峰值；?n 是響應(yīng)周期分量的初相角。AA由于電力系統(tǒng)中的非正弦周期波都是不規(guī)則的畸變波形，所以無法從函數(shù)解析式轉(zhuǎn)化為上式，進而獲得諧波參數(shù)。常用的方法是對該波形的連續(xù)時間信號進行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)化為數(shù)字序列，借助相關(guān)算法進行諧波分析。電力參數(shù)基本量主要包括：三相電流有效值、三相電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。而根據(jù)被采集信號方法的不同，交流電參量的采樣測量方法主要有兩種：直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法是把交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)化為直流電壓，采樣經(jīng)過整流后的直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值，這種方法的主要優(yōu)點是算法簡單，便于濾波。但直流采樣法存在一些問題：測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大；此外，用直流采樣法測量工頻電壓、電流是通過測量平均值來求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時，平均值與有效值之間的關(guān)系將發(fā)生變化，給計算結(jié)果帶來誤差。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，必須采用交流采樣技術(shù)。交流采樣技術(shù)是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進行采樣，再按一定算法7哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文進行數(shù)值處理，從而獲得被測信號信息的方法。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，即要求采樣頻率為被采樣信號頻譜中最高頻率的兩倍以上，這就要求硬件處理電路能夠提供較高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。目前，高速單片機、DSP 及高速 A/D 的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強有力的硬件支持[4]。 三相交流電壓電流有效值的測量對于周期為 T 的工頻信號來說，不論其波形是否為正弦，通過對電壓電流在一周期內(nèi)均勻采樣 N 點，得到離散采樣序列 i(n)、u(n)。當(dāng)滿足采樣定理時離散采樣序列 i(n)、u(n)將包含工頻交流信號中有關(guān)電參量的信息，由數(shù)值積分理論可計算出工頻交流電信號的電參量。交流電壓、交流電流有效值公式： 1U= T∫T0 1u (t )dt I = T2∫T0i 2 (t )dt(22)若對交流電壓信號在一周期內(nèi)均勻采樣 N 點，只要 N 足夠大，且選取適當(dāng)，將式(22)離散化后，以一周期內(nèi)的采樣序列來代替連續(xù)變化的電壓值。根據(jù)數(shù)值積分中的矩形算法，有： 1 N ?1 2U= ∑ un ?T T n =0 1 N ?1 2I= ∑ in ?T T