电能质量监测系统的设计与研究_硕士学位论文(编辑修改稿)

电能质量监测系统的设计与研究_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

的复杂的供电系统，这些负载的非线性、冲 击性和不平衡性使得电网的供电 质量日趋恶化，造成诸多的稳态、暂态电能质 量问题，如浪涌干扰，高压尖峰干扰，电压跌落和骤变，电压的谐波影响，电 压波动，三相不平衡等，所有这些带来了许多新的问题，如电网中存在的大量 谐波电压和谐波电流会导致电机转子过热，导致系统元件产生附加谐波损耗， 降低用电设备的使用效率，缩短使用寿命；瞬变干扰引起计算机和单片机系统 的死机，还可能引起自动装置、继电保护装置误动作和工业生产电子控制装置 失灵，使重要的生产过程中断；功率因数降低导致损耗增加等等。 所有的这些 问题将会造成巨大的经济损失和生产事故，产生严重的安 全隐患。 基于以上各种因素，为了电力系统的安全运行，电力终端用户的安全用电， 以及达到电力设备的要求，更为了降低损耗，提高用电效率，研究能够在用户 设定的工作方式下（包括单项、三相三线和三相四线），对电网各项参量进行检 测，同时实现电能质量各项指标的测量和结果显示的电力系统综合测量装置， 进行电网监测和电能治理成为近年来电力行业研究的新热点。 只有充分的了解 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 电网的运行状况，及时地监测电网中的各个指标，对其分析、统计后，才能找 到问题的根源，分析其严重程度，从而得出处理的方法，进一步解决这些问题。 电力监测装置的国内外研究现状 电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和 发展的。 大量电力电子设备的使用是新技术的运用，同时也是电能质量恶化的 制造者和受害者。 近四十年来全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故已 达二十多起，每年电能质量扰动和电力环境污染引起的国民经济损失高达两千 亿元。 供电质量问题不仅对大型企业的正常运作影响较大，同时对重大活动的 安全供电影响较大。 我们需要监测分析电力系统动态和稳态两 大电能质量问题， 为预防和减少电能质量引起的故障，从统计数据方面提供采取措施的依据。 电力参数监测装置的发展经历了三个阶段 [1]： 第一代是指针式仪器，如模拟万用表、电压表、电流表等，这些仪器仪表 的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式、电热式等。 由于这类仪表本 身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性差，应 用场合有一定局限性，但由于其原理简单、坚固耐用、成本低廉，目前还在被 广泛使用； 第二代是数字式测量仪器，这类仪表的基本原理是将被测量的模拟信号通 过电子线路变为数字信号，进 行计算并显示出来。 这类仪器同指针式仪器相比， 精度有了很大提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。 但电子 线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。 第三代是智能仪器。 某些参考资料认为：所谓智能，意味着仪器中含有一 定的人工智能，即是利用电子线路代替人的一部分脑力劳动，然而至今智能仪 器中所具备的人工智能并不多。 这类仪器内部含有微处理器，通过微处理器来 控制数据的采集，并对数据进行处理。 因此能够用软件的方法实现信息的采集、 处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。 这类仪器的硬件基 础是采集技术和 输入输出技术，而软件基础在于数据的采样和处理方法。 国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量控制的研究正掀起高潮， 从所使用的理论到电能质量评价指标体系的建立，从全国性的电能质量普查、 监测到用户终端电气环境的定义，各种电能质量问题分析方法的提出，以及 “ 用 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 户电力技术 ” 等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。 1996 年， IEEE 决定将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议（ ICHPS）更名为电 力谐 波与电能质量学术会议（ ICHAP），讨论的主题包括利用先进的电能计量的分析 方法开发新型实用的电能计量装置，把电能质量提高到一个新的认识高度。 在 从事电能质量产品的企业中，美国的 FLUKE 公司和瑞士的 LEM 公司的产品在 全球都有广泛的应用。 在国内，目前电能质量中的某些问题已成为电工领域的前沿性课题，吸引 了许多高等院校和科研机构的一大批科技人员投入其中进行研究。 理论研究方 面，正致力于电能质量的界定方法和评估体系的建立、国家电能质量标准的完 善和电能质量分析相关算法的研究。 其中电能质量评价体 系的建立主要涉及电 能质量的定义、综合评价体系及其咋电力市场、智能建筑中的应用等方面； 20xx 年 4 月，经国家发改委批准组建的电力行业电能质量计柔性输电标准化技术委 员会，正进一步完善国家的电能质量标准体系；算法分析是电能质量研究的重 要内容，目前相关的算法研究主要致力于利用 FFT 算法、小波分析、窗函数等 工具，进行信号去噪、信号提取以及谐波分析等方面的处理。 在电能质量的监测及应用仪器的和设备的开发方面，国内正进入一个蓬勃 发展期，各种参数检测装置层出不穷。 硬件方面有基于 DSP 芯片、基于单片机 、 基于双 CPU 系统、基于 ARM 系统等；软件方面充分利用了 LabView 技术、 CAN 总线、 LONWORKS 总线、 Web 技术等实现在线监测；此外还有一些专门测量 电压闪变等暂态量的测量装置。 国内致力于电能质量产品研究的企业也很多。 国内广泛采用统计型电压表 监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺 乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别 对变电站的各级母线电压、主变压器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进 行测量，对大中型非线性负荷用 户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后 根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。 这种电 能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量误 差大、效率低等明显的局限性。 总体来看，国内对电能质量装置的研究起步晚，随着电力系统运行管理的 系统化、网络化、自动化和智能化，单一功能的电能质量监测仪已经不适合现 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 代化电能管理的需求。 综观国内目前采用的各种电能质量监测设备和手段，主 要存在以下 一些不足： 由于采用各种计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本提高； 设备配置的灵活性、通用性差，往往只能用于特定的操作环境； 远程通信能力有限，不易实现远程监控、数据共享和长期评估与预测； 对干扰的分析和故障的辨识能力有限，不具备智能分析功能，不能提供 给用户可直接用于决策的信息； 实时性差，时域分析手段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和 捕获。 论文研究的主要内容 本论文紧密结合导师的电力参数监测装置的实际开发项目，在借鉴同类装 置的基础上，研制和开发一种实用、完全脱 离仿真器、低成本的便携式电力参 数监测仪表，从测量装置的硬件设计、软件设计、算法分析等角度进行研究， 重点是对现有的 FFT 谐波分析算法进行研究和仿真，通过比较选择了合适的窗 函数和插值算法进行误差修正，有效的抑制频谱泄漏和栅栏效应。 论文的章节 安排如下： 第 1 章提出了论文的选题背景和意义，国内外电能质量问题和电力参数监 测装置的研究现状，介绍了论文的主要研究内容 第 2 章介绍了基本电参量和电能质量指标的定义及其测量原理和测量方法， 包括三相交流电压、电流、功率和功率因数的测量，电压偏差、频率及频率 偏 差的测量。 本节着重介绍了目前电力谐波的测量理论，包括快速傅里叶变换、 瞬时无功功率理论、小波变换等，通过对其的比较，选择快速傅里叶变换作为 本系统的谐波测量方法。 第 3 章作为本文的主要研究内容，介绍了基于傅里叶变换的谐波分析算法。 对按时间抽取（ DITFFT）的基 2FFT 算法的原理和特点进行了详细地分析，并 采用了一种针对电力参数采集中实序列输入的高效 FFT 算法。 采用 FFT 算法进 行谐波分析时伴随有频谱泄漏和栅栏效应的影响，本章对其产生原因进行理论 分析，并针对这些问题提出了一种基于加 窗插值的 FFT 算法，通过在 MATLAB 中的仿真验证，证明了算法的正确性。 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 4 章介绍了系统硬件的设计方法。 系统构建了 DSP+MCU 的硬件结构， 采用模块化的设计思路，将系统分为信号采集模块、信号处理模块、人机接口 模块的等多个功能模块，详细介绍了个模块的设计方法和电路原理图。 各模块 之间通过信息交换协调工作。 第 5 章介绍了基于 CCS 的系统软件设计方法。 为了实现系统的脱机运行， 设计了 DSP 的 Bootloader。 介绍了数据采集模块、数据处理模块的程序设计方 法和流程图。 重点介绍了 FFT 算法在 DSP 上的实现方法以及基于窗函数设计法 的低通 FIR 数字滤波器设计方法。 结论是对本论文的总结和展望。 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2章 电力参数的测量原理 电力系统基本电参量的测量主要包括：电流有效值、电压有效值、有功功 率、无功功率、视在功率、功率因数、频率等。 根据被采集信号的不同，数据 采集可分为直流采样和交流采样两大类。 直流采样是把交 流电压、电流信号转 化为 0~5V 的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但投资 较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用受到限制。 交流采样是把交流电压、电流信号转化为 +5V~5V（或 0~5V）的交流电压进行 采集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少，便于维护，其缺点是算法 复杂，精度难以提高，对 A/D 转换速度要求较高。 随着微机技术的发展，交流 采样以其优异的性能价格比，有逐步取代直流采样的趋势。 交流采样的应用范 围非常广泛，根据应用场合的不同，其算法也有很多 ，按其模型函数的不同， 大致可分为正弦模型算法、非正弦模型算法。 正弦模型算法主要有最大值算法、单点算法、半周期积分算法、两点算法、 导数算法、和快速三点算法。 其中，如果采集三相对称正弦信号，单点算法不 失为理想算法，对采样时刻没有要求，既准确有快捷，并且可以同时测量得到 电压、电流、有功功率和无功功率，但这种算法对采样信号要求较高，硬件较 为复杂；半周期积分算法的数据窗长度虽然要半个周期，但它的运算量非常小， 只涉及加减运算，另外它有一定的滤除高频分量的能力。 非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里叶及改 进的傅里叶算法、最小 二 乘 算法 （ Least error square algorithm） 卡尔曼滤波算 法 （ Kalman filter、 algorithm） 、小波变换算法等。 其中，有效值算法的计算精度与采样点数 N 和采 样的同步度有关，在系统允许的情况下，可以增加采样点数来提高运算精度。 该算法实时性好、简单，在不需要测量基波和各次谐波参数的情况下，可以选 用此方法；傅里叶及改进的傅里叶算法是目前应用最多的算法，可以一次算出 信号中所用的谐波，应用方便，已经才电力系统测量中得到了广泛的应用 ；小 波变换算法因其在时域频域都具有较好的分辨率，在电力系统测量中有很好的 研究价值 [2]。 考虑到数字信号处理在电力系统测量方面的优势以及 FFT 算法的成熟程 度，本文设计的电力参数测量模型及实时测量系统是基于改进的 FFT 算法，并 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 通过相应修正其测量误差，取得较好效果。 电能质量的五个主要指标为：电力系统谐波、电压波动和闪变、电压允许 偏差、电力系统频率允许偏差和三相电压允许不平衡度。 电能质量虽然只有五 个指标，但是 需要计算的量却很多。 这些量主要包括：三相电压、电流有效值； 电网的系统频率；电压、电流的各次谐波分量及谐波总畸变率；三相有功功率， 三相无功功率和三相视在功率；功率因数；各次谐波含有率；波形及波形因数； 电压、电流中的负序和正序分量；电压波动值 [3]。 在出现电压闪变的情况下， 对闪变性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的电压波形；三相电压不平衡系 数。 基本电参量的测量原理及方法 电力系统的电压、电流理想波形是标准的正弦波，正弦波供电能够减少铁 损并提高效率。 然而正弦波形只是一种理想状态，实际上是不可 能完全实现的。 对于一个畸变的非正弦周期函数，可以用傅里叶级数表示为： f (t ) A0 A1 cos(ω1t ϕ1 ) A2 cos(ω2t ϕ 2 ) ... An cos(ωn t ϕ n ) ... (21) 其中， 0 是直流分量， n 是周期分量的峰值； ϕn 是响应周期分量的初相角。 AA 由于电力系统中的非正弦周期波都是不规则的畸变波形，所以无法从函数解析 式转化为上式，进而获得谐波参数。 常用的方法是对该波形的连续时间信号进 行等间隔采样，并把采样值转化为 数字序列，借助相关算法进行谐波分析。 电力参数基本量主要包括：三相电流有效值、三相电压有效值、有功功率、 无功功率、视在功率、功率因数、频率等。 而根据被采集信号方法的不同，交 流电参量的采样测量方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。 直流采样法 是把交流电压、电流信号转化为直流。