! 电能质量监测系统的研究与设计(8)

华中科技大学硕士学位论文

5.2 基本电气参数测试结果

电参数的测量结果包括电压电流有效值。测试条件是在工频50Hz时，电压、电流幅值为可调的情况下的测试结果，所用的仪器是武汉豪迈公司的继保之心—2000。利用继保之心输出电压电流，所测试值均为单项测试结果，并绘制相关测试结果曲线图，计算出其误差并给出技术指标。

电流测试结果如表5-2和图5-1所示：

表5-2 电流测试结果

图5-1电流测试曲线图

华中科技大学硕士学位论文

电压测试结果如标5-2和图5-2所示：

表5-3 电压测试结果

图5-2 电压测试曲线图

利用多项式拟合方法对电压和电流的测试结果进行数据拟合，以便进行仪器的相关技术指标的计算。由图可知，电压电流的测试结果均近似为一条直线。则按直线拟

华中科技大学硕士学位论文

合后的电流拟合曲线如式5-6、电压拟合曲线如式5-7所示：

I1=1.0078I0?0.0025 (5-6) U1=0.9944U0+0.1305 (5-7) 式中I1、I0分别表示电流的拟合值和输入值，单位为A。U1 、U0分别表示电压的拟合值和输入值，单位为V。利用式2-4、2-5可以计算出实际测试值和拟合值之间的差值。求出其最大差值，用以计算线性度。

电参数测量误差分析：

引起电参数误差的原因主要有以下几个：

（1）来自系统的误差，各级信号调理电路不一定是非常精准的参数，他们的误差会叠加起来，由于AD转换芯片本身所带来的误差，比如不能保证完全整周期采样，在采样过程中出现几个采样坏点，这些都会导致电流采样的误差。

（2）来自传感器的误差，由于传感器本身具有幅频效应、随着电流增大转换的值会衰减等各种特性，使得在第一级的信号获取过程中就有不够准确的情况，这会给信号获取过程带来误差。

（3）来自数据计算和读数过程中的误差，由于前级采样部分出现的坏点和模数转换本身所具有的误差，以及信号获取过程中的误差，由于在计算和显示过程，需要乘以相应倍数，以将数据计算归至原始信号，这样就会使得在计算这一环节，这种误差会加大。

（4）读数过程也一样会带来误差，由于精度所限，只能读到小数点后第三位，在读书时数据的跳动会使得数据读取不稳等，这样在读数时尽量的保证数据的出现的准确性也是有误差的。

5.3 谐波测试结果

谐波的测试条件是利用继保之心—2000在工频50Hz时，给定电压幅值是220V，电流值为5A时的测试结果，利用继保之心的谐波测试功能，按照正弦波、三角波、方波的理论谐波含量，给定指定的谐波次数及谐波幅值，所得到的测试结果如下所示：

华中科技大学硕士学位论文

表5-1 谐波测试结果数据表

波形类别正弦波

1次谐波 3次谐波 5次谐波 9次谐波 11次谐波 13次谐波三角波

1次谐波 3次谐波 5次谐波 9次谐波 11次谐波 13次谐波方波

1次谐波 3次谐波 5次谐波 9次谐波 11次谐波 13次谐波谐波次数

理论谐波分量

（%） 100 0 0 0 0 0 100 11.11 4.00 1.23 0.83 0.59 100 33.33 20.00 11.11 9.09 7.69

测试谐波含量

（%） 100 0.145 0.101 0.054 0.045 0.039 100 10.964 3.833 1.141 0.798 0.537 100 32.944 19.807 10.882 8.956 7.987

谐波含量误差

（%） 0 0.145 0.101 0.054 0.045 0.039 0 0.146 0.167 0.089 0.032 0.053 0 0.386 0.193 0.228 0.134 0.297

谐波测试误差分析：造成谐波测试误差的原因主要分为系统误差、测试源的误差、方法误差和读数误差这几类。

（1）系统误差：该类误差主要来自于硬件系统设计过程中带来的误差，由于硬件过零检测电路中的干扰带来过零误差，导致系统频率波动，从而使得采样频率波动。采样点数也随着变化，导致给谐波计算带来误差。硬件锁相环的微小变动，同样会给采样频率带来误差。解决的办法是尽量选取精度比较高的器件，设计电路过程中应该考虑到布线所带来的干扰等。

（2）由于测试源和测试过程中的干扰带来的误差，同样会计算在谐波测试误差之内，解决的办法就是尽量选取屏蔽比较好的测试环境和精度比较高的源。

（3）测试方法带来的误差，本文中所采用的是同步跟踪采样的方法来计算谐波的，如果同步的微小干扰，会给采样带来若干坏点，这些坏点在计算谐波时会给FFT计算结果带来较大误差。解决的方法是可以考虑采用其他计算方法。

华中科技大学硕士学位论文

（4）读数带来的误差主要是由于读数刷屏过程，用户读到的数据也会影响精度。

5.4 仪器的相关技术指标

通过上述的测试环节，现给出仪器的相关技术指标。 ΔU×100%=0.11% （1）线性度：电压δU=UF?S

ΔI×100%=0.29% 电流δI=IF?S

（2）最大引用误差：电压γUm=ΔUUm

ΔI

Immm×100%=0.394% 电流γIm=×100%=0.926%

（3）仪器准确度等级度：电压αU=0.5级

电流αI=1级（4）仪器灵敏度：电压SU=

电流SI=dΔU≈U=0.9944 ΔU0dU0ΔId≈I=1.0078 ΔI0dI0

华中科技大学硕士学位论文

6 总结和展望

6.1 总结

电能质量问题种类较多，逐一谈论难度较大，本文着重针对电能质量的稳态电能问题和暂态问题进了研究，并在研究的基础上设计了由电能质量监测终端和监测中心组成的监测系统。

（1）通过阅读文献，本文在概念上将电能质量的监测系统，由传统的电能质量分析仪器，改为由独立的电能质量分析仪器构成的监测终端和由监测中心软件组成。这是由于传统的电能质量分析仪器只是针对于电力设备或独立的监测点进行分析的，当监测的场合不适于显示分析结果或者需要对区域性电能质量进行汇总分析时，单独的电能质量分析仪器就捉襟见肘了。这时需要由监测中心电能质量处理软件来实现相应的功能。本文即是在这样的一种设计思想上展开工作的。

（2）文中对电能质量的分析方法进行了研究，着重对影响电力系统安全运行的稳态谐波干扰和暂态电能扰动进行了分类和分析。通过由自己利用C语言编写的FFT算法，首先对谐波进行了建模仿真，得出正确的结论，然后在DSP中实现了该算法。这将为电能质量的监测终端的正确运行奠定基础。对于暂态电能质量问题的研究，主要是依赖于db2小波变换这一数学工具，对各种暂态电能扰动进行建模，并通过仿真分析，得出正确的结论。

（3）通过考察现代电能质量分析仪的设计过程，文中设计了以DSP为核心的具有独立分析和显示功能的电能质量监测终端，它具有传统的电能质量分析仪器的基本功能，能够完成对电压电流的正确采集，处理，谐波计算，频率计算等功能。同时，在硬件上设计了监测终端的通讯接口，由于处在初步设计阶段，只是设计了RS232串行通讯的方式，利用DSP将采集到的暂存于RAM缓冲区，然后将其数据上传至监测中心，在监测中心完成数据的滤波、谐波分析、有效值计算、功率计算等功能。

（4）本文设计的电能质量监测中心是以LABVIEW软件为核心来实现的，当监测终端不方便现场显示时或者需要对区域性的电能质量信息进行汇总时，监测中心是必不可少的部分，它能够独立对由监测终端采集到的数据进行处理和分析，并完成数据保存和波形重现的功能，可以将计算的结果生成excel格式的报表，方便于工作人员使用，相对于监测终端而言，它的功能更加完善，软件功能的增加和完善更加方便。

华中科技大学硕士学位论文

6.2 展望

尽管本文对电能质量监测的方法、设备进行了一些探究，但所设计的电能质量监测系统还需要有进一步完善，还有一些需要拓展的功能。

（1）由于目前小波算法在微处理器中实现还是有一定的难度，本文针对暂态电能主要做的是仿真工作，该项工作有待于以后再进一步研究中实现。

（2）电压波动和闪变。电压闪变是影响电能质量的重要因素，目前对电压波动的检测方法有：平方检波法、整流检波法、有效值检波法等，对于闪变的研究方法是基于IEC的闪变检测方法，将IEC推荐的“灯——眼——脑”模型。利用数字化实现方法，目前在这方面已经有很多论文已做过研究，但实现起来有一定难度，主要是因为短时闪变需要采样时间长，采集的点数过多，计算量大。最好的方法是利用监测中心产来对数据进行处理和闪变分析。这方面的工作需要在以后的工作中继续研究[48、49]。

（3）由于文中的通讯接口使用的串行通讯方式，它在通讯的速度、距离和可靠性上都存在着问题，对于电能质量监测系统的数据格式，目前IEEE推荐的方式是按PQDIF格式，在通讯方式上可以考虑采用网口通讯的方式，这将在速度上和移植性上都将大大的得到提高。该项工作有待于在以后研究中实现。

（4）其他未完成和功能欠缺的地方，由于能力有限，还有其他未完成和欠缺的地方，需要在以后的科研工作中进一步挖掘和实现。

华中科技大学硕士学位论文

致谢

本论文工作是在李开成教授的精心指导下完成的。在攻读硕士学位期间，无论在学业上，还是在生活上，李老师严谨求实的治学态度、渊博的知识、丰富的科研工作经验和对学生的严格要求使我受益匪浅。值此论文完成之际，谨向辛勤培养和教育我的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

感谢刘建峰、张明、娄振袖、潘峰博士、张夏阳、高云、易杨、李振兴、王新华、郝为翰、周勇、郭盼、宋强等硕士，感谢同实验室的其他同学，在学习、工作和生活上的无私帮助和关怀！

感谢家人长期以来给我的默默无私的支持、关心和鼓励,对于父母的养育之恩和长久的爱护关心！

最后，向所有曾经给予我帮助、支持、关心和鼓励的老师、同学、朋友表示诚挚的谢意！

陈龙龙二零零九年夏于华中科技大学

华中科技大学硕士学位论文

参考文献

[1] 程浩忠，艾芊，张志刚等.电能质量[M].北京：清华大学出版社.2006.