! 电能质量监测系统的研究与设计

华中科技大学

硕士学位论文

电能质量监测系统的研究与设计

姓名：陈龙龙

申请学位级别：硕士专业：电气信息检测技术指导教师：李开成

20090531

华中科技大学硕士学位论文

摘 要

随着工业技术水平的日益提高，越来越多的设备对电能质量的要求变得更高，而电力系统的非线性负荷，电力电子设备等对电能质量的污染也日趋严重，为了保证确保电网的安全运行，保证供用电双方的合法权益，需要有效监测电网电能质量。本文在总结电能质量监测方法、监测设备的基础上，对电能质量的研究方法进行了探究，并设计了由电能质量监测终端和电能质量监测中心组成的监测系统。

首先，文中对电能质量产生的原因，有关国际国内标准进行了论述。对电能质量的分析方法进行了研究。将电能质量问题分为稳态和暂态两类，对于稳态电能质量问题，利用快速傅立叶变换变换（FFT）的方法进行了建模仿真，并将该算法在DSP微处理器中实现。对于暂态电能质量问题，利用db小波变换的方法对5种暂态电能扰动进行了建模仿真，并分析小波变换后的结果。

其次，文中设计了以DSP为核心的电能质量监测终端，能够完成数据采集、分析处理、有效值的计算、谐波含量的计算、频率的测量等功能，具有良好的人机接口界面。考虑到有些应用场合中不适于显示分析结果或者需要对区域电能质量进行汇总的，设计了串口通讯接口，将监测终端采集的数据直接上传至监测中心，在监测中心进行处理并完成相应功能。

再次，文中设计了以LABVIEW为平台的监测中心，它是一个运行在计算机上的软件，具有管理员身份登录系统，能够将由监测终端上传的数据进行分析，处理，完成波形重现和数据保存的功能，并将电能质量分析结果生成报表，提供给工程技术人员，作为进一步分析的依据。

最后，对该系统进行了数据测试和误差分析，给出了监测终端的技术指标。实验证明本文所设计的监测终端能够完成电能质量分析的基本功能，所设计的电能质量监测软件能够完成所要求的功能。

关键词：电能质量 监测系统 FFT 小波变换 I

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Abstract

With the development of industrial technology, more and more equipment need higher power quality, however, many non-linear loads, power electronic equipment, so the power quality monitoring becomes extremely important. The article described the relative monitoring theory, methods, equipment in such a background. Based on reading of a lot of literature, the power quality monitoring terminal and monitoring center were designed.

First of all, the causes, solution, international and domestic standards of power quality problems are discussed in this article. The power quality problems were divided into two categories of steady-state and transient, for steady-state power quality problems, the Fast Fourier Transform (FFT) method was used to analyzed, and it was achieved in the DSP microprocessor. For the transient power quality problems, the method of wavelet transform was used to analyzed, and then the simulation diagram were provided.

Secondly, on the basis of above-mentioned aspects, an independent analysis of power quality monitoring device was designed, which used the DSP as the core, set of data collection, data processing, results displaying as a whole. By configuring the monitoring terminal, it could use in different occasions. When used to analyze the power quality of power equipments, it was a testing device, it could provide the calculate results to users. When it was used for region meta-analysis of power quality, it was only used to collect data, and then upload the data through the buffer to the monitoring center, where the collected-data was processed.

Thirdly, the monitoring center was designed, which use the LABVIEW software as its platform, it only could log on as an administrator, it was able to process the data uploaded by the monitoring terminal. It also has the function of displaying wave, saving data, which facilitate the off-line analysis, last, analysis reports were generated to provide to engineering and technical personnel, as a basis for further analysis.

Finally, The system testing data and error analysis were provided, the finished work, unfinished work .In the design, experiments were designed to test the monitor terminal and software which could complete the required functions.

Keywords: Power quality, Monitoring system, FFT, Wavelet transform II

独创性声明

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日期： 年 月 日

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1 绪 论

1.1 电能质量概述

现代社会中，随着各种设备技术水平的提高，对电能质量的要求也越来越高，理想状态下，电能信号是标准的正弦波，但由于系统中的发电机、变压器、输电线路和其他多种设备的非线性和不对称性，以及运行操作、外来干扰等原因，这种理想状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的问题。电能质量问题的存在对电力系统的正常运行和人们的日常工作生活都会造成威胁。因而对电能质量的监测和治理显得尤为重要，本文就是在这样的背景下展开讨论的，主要针对电能质量监测的方法和监测系统展开分析讨论。

电能的研究方法目前在理论上也已经有较为广泛的研究，对于稳态电能质量，快速傅立叶变换是一种较好的研究方法，目前在该领域的研究也已经取得较多成果。对于暂态电能质量的研究方法也有多种，由于小波变换方法有诸多优点，在暂态电能质量领域也有了较多成果。

对于电能质量的测试仪器方面，国内国外已经有比较成熟的测试仪器，随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，功能单一的电力系统测量仪表已经不适应现代化电能管理的需要。我国的电力检测仪表有待于进一步研制并完善其功能。

电能质量的监测，不论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的问题。研制一种新型实用的集监测、通信等功能于一体，有效地进行电能质量检测，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性具有重要意义。

1.2 电能质量的标准

1.2.1 电能质量的国际标准

IEEE将电磁系统中典型的暂态现象进行了特征分类[1]，主要列出了暂态和瞬态扰动现象，根据扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等，对电磁现象和电能质量进行了分类，如表1-1所示。

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表1-1 IEEE关于电磁现象和电能质量的分类

几种常见的暂态电能质量问题的波形示意图[1]如图1-1所示。

图1-1 电能质量种类特征

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1.2.2 电能质量的国家标准

我国颁布的电能质量标准有：《供电电压允许偏差》、《电压允许波动与闪变》、《公用电网谐波》、《三相电压允许不平衡度》、《电力系统频率允许偏差》[2~6]。表1-2给出部分我国的电能质量的标准。

表

1-2 电能质量国家标准

华中科技大学硕士学位论文 1.3 电能质量监测的目的和意义

电能是关乎国家民生的重要能源，虽然给我们的日常生活及工业生产带来很多好处，但是由于电能的自身特性，它是不能被存储的一种能量形式，电能的状态处于变动的状态，为了保证电能处于一个动态的平衡状态，则供方和需方的电能处于一种对等的状态。但实际情况常常并非如此，因而对电能质量进行监测有着重要意义。

（1） 由于电力系统的冲击性负荷、整流器件、或者系统故障状态等的存在，使得电能并非是原先应有的状态运行，这将给系统的用户造成很大的损失，因此对电能质量的监测是必要的。

（2） 在电能逐渐走向市场化运行的情况下，供需双方的电能情况直接会影响到电能的竞价问题，因而对电能的高质量监测是极其重要的。

（3） 用户产品在实际测试过程中，出厂之前需要对其做一些实验，只有通过国家规定的电能条件的产品才有资格上市销售，因而在对这类产品进行实际检测过程中的电能质量分析仪器也是需要的。

（4） 对区域电能进行监测和电能会变动的场合进行监测，对这些场合的电能质量进行监测，能够对该区域的电能质量状况进行评估，如果出现异常状态，则很大程度上会出系统的故障，为及时检修提供了依据。

1.4 电能质量的研究现状

随着电力科学的逐步发展，国内外对电能质量问题也有颇多的研究，主要有理论研究上的研究方法探究，一些有实力的厂家也在开始做仪器，下面就从理论研究和相关仪器设备两方面对电能质量研究状况进行叙述。

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