! 电能质量监测系统的研究与设计(2)

1.4.1 电能质量的研究方法

由于电能质量中非线性负荷及干扰产生的不确定性，传统方法在适用范围和准确度上都有很多缺陷。近年来随着数学及等学科领域中一些新学科、新理论的兴起，使得电能质量的研究方向向前迈进了一大步，同时也为电能质量的检测和改善提供了坚实的基础。电力系统的扰动根据其特征主要可以分暂态扰动和稳态扰动两大类，表1-4给出时域和变换域的电能质量常用分析方法[1]。。

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表

1-4 电能质量分析的基本方法

1.4.2 电能质量的测量仪器

目前，国内外电能质量监测装置种类非常繁多，根据监测方式的不同，电能质量监测分析设备可分为远程式、便携多功能式等谐波分析仪。国外的电能质量监测装置具有检测精度高、检测指标多、功能丰富等特点。而国内电能质量监测装置的性能与国外先进水平存在明显的差距，主要表现在精度低、功能少、可靠性差`。目前应用较成熟的几种仪器如表1-5所示。 [78]

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表

1-5 电能质量监测仪器

1.5 本文的主要工作

（1）通过阅读文献，了解电能质量分析的基本方法、基本原理。建立由监测终端和监测中心构成的监测系统。

（2）建立稳态电能质量问题谐波模型，编写C语言的FFT算法，进行FFT谐波分析，并计算谐波含量。并将该算法在DSP中实现。

（3）根据IEEE电磁现象和电能质量的分类，建立暂态扰动的模型，并利用db小波变换的方法、对暂态电能质量中的电压暂降、电压暂升、电压瞬时中断、电压脉冲、暂态谐振做6层分解，进行仿真并分析仿真结果。

（3）设计一个以DSP为核心的电能质量分析仪器，能够对电压电流进行数据采集、数据处理和分析，并将计算结果显示给用户。具体的功能有：

z 能够对0~120V电压信号、0~15A的电流信号进行正确的采集，处理。 z 能够正确计算6~1000Hz信号频率。

z 能够对信号进行谐波分析，谐波含量和波形畸变率的计算。

z 具有瞬态记录功能，能够记录连续20个点的采样值。

z 良好的人际界面，通过按键和液晶，使得用户能够测试需要的功能。

（4）设计电能质量监测中心软件，能够完成数据的软件滤波、数据处理、波形重现、和数据结果生成报表的功能。具体的功能有：

z 管理员登陆功能。

z 具有6阶巴特沃斯滤波和64点的FFT计算功能。

z 波形重现和数据结果报表生成的功能。

z 计算有效值、直流分量、谐波含量等功能。

（5）测试监测终端，给出测试结果，并对数据进行误差分析，给出技术指标。

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2 监测系统的设计和基本原理

2.1 监测系统的应用场合

根据电能质量监测系统应用场合的不同，本文设计一种由电能质量分析仪器和可以对数据进行独立电能质量分析和处理的软件组成监测系统。即由监测终端和监测中心组成的监测系统。

当用户需要单独对电力设备或者测试点进行电能质量分析时，比如电机的电量分析，利用电能质量分析仪器可完成相应的功能，当进行电能质量分析的场合不适于显示结果或者需要对区域性电能进行汇总时，比如变电站的电能质量监测，这时就需要将电能质量分析仪器的结果显示到监测中心，但是由于监测中心在处理速度、精度上都要优于监测终端，因而监测终端只需要完成数据的采集功能即可，然后将采集的数据直接上传至监测中心。这也给节省监测终端MCU的运行时间，使其能够准确的完成数据采集和传输的作用。

2.2 监测系统的设计

电能质量监测系统是由监测终端和监测中心组成，监测终端可以实现对测试点的电能质量进行分析，并将计算结果显示给用户，可以将采样数据上传至监测中心。监测中心的将上传的采样数据进行滤波平滑处理，然后利用算法对数据进行处理，并将计算结果显示出来，同时，监测中心可以将计算的结果生成报表，供相关技术人员参考[9~11]。

监测终端：监测终端用以监测电力系统的各种参数，包括电力系统基本参数：电压电流有效值、频率等，波形畸变率，谐波含量，负序和零序分量的幅值相角和不平衡度。具有事件记录、实时跟踪监测及和监测中心通讯等功能。具有友好的人机交互功能，服务于更高层的信息管理和分析系统。

监测中心：通过通讯端口接受由监测终端采集到的数据，并对其进行处理，利用软件实现对上传的各种电能质量信息进行统计、分析和处理，它的功能包括：完成对系统内所有监测终端的管理；对终端上传的数据进行分析、处理；实现长期数据存储和管理；自动生成各种电能质量图形和报表。

系统组成框图如图2-1所示：

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监测终端

图2-1 电能质量监测系统原理框图

2.3 基本电气信息量的计算方法

下面就分别对基本电量的分析方法和三相不平衡度的计算方法进行简单介绍。（1）电参数的计算

电能质量基本电量包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等参数，本文中着重对上面几个参数进行方法上的描述。根据电路理论的知识，分别写出其计算方法，然后利用离散化的方法，对其进行离散化处理，再推算出离散的数字信号时上述电量的计算公式[10]。

根据电路理论的知识，电压、电流的有效值和有功功率的计算公式[12]分别如式2-1、2-2、2-3所示：

Urms=

（2-1） i2(t)dt （2-2）

Irms

∫

华中科技大学硕士学位论文 1 P=∫u(t)i(t)dt （2-3） T0

式中u(t)、i(t)分别表示模拟电压、电流信号。Urms、Irms分别表示电压电流有效值. P

表示计算出的有功功率。

对电压电流信号进行离散化处理，并推出离散域的电压电流有效值和有功功率的计算公式[12]分别如式2-4、2-更多内容请访问久久建筑网
5、2-6所示： Urms=

Irms=

1 P=NT1N∑u(n)n=1N2 （2-4） 1Ni(n)2 （2-5） ∑Nn=1∑u(n)i(n) （2-6）

n=1N

式中u(n)、i(n)分别表示离散化后的电压电流信号。

根据电路理论，单相电压的视在功率、无功功率和功率因数的计算方法分别如式2-7、2-8、2-9所示：

S=UAIA （2-7） Q=S2?P2 （2-8） cos?=P （2-9） S

式中S表示视在功率、Q表示无功功率、cos?表示功率因数

（2）频率的检测方法

频率是影响电能质量的重要因素，它的稳定性是影响系统安全运行的重要因素，系统中所有的电气设备只有在额定频率下工作才能获得最好的可靠性和经济性。电力系统负荷的大小每时每刻在不断变动，电源出力及频率调节系统跟随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总是处于变动的状态中。因此，必须对运行频率规定允许的偏差，频率测试的准确性也显得格外重要。本文中的频率测试方法采用的是“T”法测频。

频率有许多测试方法，常见的有硬件测频法和软件测频法两大类[13~15]。

硬件测频法首先是将信号通过硬件过零检测电路将其由其它信号转换为方波信号，然后通过加稳压二极管等器件，使得其电平能够为后续电路所接受。常见的是利

华中科技大学硕士学位论文用微处理器的中断功能，通过测试信号的上升沿或者下降沿来触发中断，再配合计数器来实现，根据信号频率的高低又可分为“T法”测频和“M法”测频[14]。

“T法”测频基本原理是通过在一个信号周期内记录计数器的计数个数，然后用该计数个数乘以计数器的计数间隔，即可以算出周期，进而算的频率，常见于测低频的系统中，其运算式如式2-11所示：

T=NΔt （2-10） f=11 （2-11） =TNΔt

式中：T为信号周期，f为信号周期，N为单片机计数个数，Δt为计数间隔。

“M法”测频的基本原理是通过在一定的时间内记录信号脉冲的个数，然后利用该定时时间除以脉冲个数，即得到信号的周期，进而算的频率。常见于测高频信号的系统中，其运算式如式2-13所示： T0 （2-12） N

1N f== （2-13） TT0 T=

其中，T为信号周期，f为信号频率，T0为定时周期，N为计数个数。

软件测频法常见的是通过给定信号采样频率，固定采样点数，然后通过软件过零检测算法，计算出过零点，根据采样频率，计算出采样周期，并且计算出信号的周期，比较实用的也是应用在低频信号下，因为对于高频信号，过高的采样频率难以实现，而且微处理器的计算负担比较重。相对于硬件测频法，软件测频法是将信号过零检测用算法实现，牺牲了微处理器的处理速度，来补偿硬件的缺失，它的准确性直接与过零算法相关。目前常用的算法有三角法测频等。

2.4 稳态电能质量的分析方法

稳态电能分析的基本内容包括基本电量的计算、三相不平衡度的计算、电压波动和闪变的计算等。对稳态电能质量影响最大的是谐波，下面主要对谐波的分析方法进行介绍，对于三相不平衡度的计算方法作以介绍。

（1）谐波

谐波问题存在于电力系统已有多年，谐波对电力系统的安全、经济运行和用户设备及人身安全等都会造成危害，所以对谐波污染造成的危害影响必须加以限制，国家

华中科技大学硕士学位论文有关部门对电力系统谐波畸变的允许值和注入供电点及母线的谐波次数都做出了规定。目前很多专家学者对谐波的分析方法也展开了研究，应用最多的还是傅立叶算法，由于离散傅立叶变换有很重要的应用价值，因而本文中着重对快速傅立叶变换（FFT）的方法进行探究。除此之外，分析谐波的方法还有小波变换，短时傅立叶变换，对于非同步采样的信号，还有加窗傅立叶变换等方法[16]。