第 1 章 緒 論

1.1 研究?jī)?nèi)容的提出

隨著社會(huì)的發(fā)展，用電量的需求不斷增加，各種各樣的電力設(shè)備也頻繁接入電網(wǎng)系統(tǒng)，隨之而來(lái)出現(xiàn)了越來(lái)越多的電能質(zhì)量問(wèn)題，在此背景下電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)運(yùn)而生，旨在為電力故障的診斷提供依據(jù)。為滿足工廠、大型商場(chǎng)、學(xué)校等重點(diǎn)用電大客戶對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需求，本課題提出了一種電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端裝置的研制。課題設(shè)計(jì)方案為在用電大客戶的多個(gè)重要供電節(jié)點(diǎn)部署電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端裝置，各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)終端同步采集；監(jiān)測(cè)終端可本地存儲(chǔ)電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)，同時(shí)將電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口上傳至監(jiān)測(cè)主站的數(shù)據(jù)管理中心；數(shù)據(jù)管理中心通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)、不間斷監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，如諧波、間諧波、電壓不平衡、過(guò)電壓和欠電壓等，以及電壓瞬變、電壓閃變、電壓驟升、驟降等暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，并能夠完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和狀態(tài)回放。通過(guò)上述方案實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)、有效監(jiān)測(cè)，為電力故障的診斷和電能質(zhì)量的改善提供依據(jù)。

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1.2 論文研究背景和意義
在當(dāng)今電氣時(shí)代，電能作為一種重要的能源被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步不可或缺的力量，更是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展程度的主要標(biāo)志。理想狀態(tài)下電網(wǎng)中的三相電壓、電流應(yīng)該是 50Hz 標(biāo)準(zhǔn)正弦波，且呈幅值相等，相位相差 120o的對(duì)稱狀態(tài)[1]。但是，由于非線性、非對(duì)稱的電力設(shè)備接入電網(wǎng)，如電弧爐、軋鋼機(jī)、電力電子設(shè)備、鐵路電氣化設(shè)備等，以及非人為因素的影響，電網(wǎng)波形產(chǎn)生畸變，電網(wǎng)不能在理想狀態(tài)下運(yùn)行，這樣便產(chǎn)生了電能質(zhì)量問(wèn)題[2-3]。根據(jù)產(chǎn)生原因及不同特征，可將電能質(zhì)量問(wèn)題分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。其中，穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變化比較平穩(wěn)，而暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題持續(xù)時(shí)間短，變化劇烈[4]。
電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)了嚴(yán)重的危害，首先，電能質(zhì)量不穩(wěn)定會(huì)加快電網(wǎng)中電氣設(shè)備的老化甚至損壞；其次，電壓和電流突變極易燒毀用電設(shè)備；而且，長(zhǎng)時(shí)間的斷電會(huì)中斷企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度，降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。因此，電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響公民的生活質(zhì)量。據(jù) 2014 年中國(guó)電力報(bào)的一篇報(bào)道，歐洲聯(lián)盟在 2007 年進(jìn)行了一次調(diào)研，由于電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失僅歐洲25 個(gè)國(guó)家一年就高達(dá) 1500 億歐元；2010 年，據(jù)上海市電能質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性調(diào)查計(jì)算顯示，電能質(zhì)量問(wèn)題在中國(guó)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失已超過(guò) 1200 億美元[5]。中國(guó)作為快速發(fā)展中國(guó)家，用電量和其增長(zhǎng)速度不斷增大，產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越多，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失也越來(lái)越大，因此，電能質(zhì)量問(wèn)題亟待解決。

良好的電能質(zhì)量不僅能夠保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少各種危害和經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益；而且，解決電能質(zhì)量問(wèn)題，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，能夠起到節(jié)約能源的作用，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益，這在當(dāng)今能源緊缺的時(shí)代背景下顯得尤為重要。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置旨在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓、電流、頻率等基本參數(shù)，分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題，為電力故障的診斷和改善電網(wǎng)電能質(zhì)量提供依據(jù)，盡可能小的減少電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和其它危害。綜上所述，研制電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置意義重大。

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第 2 章 電能質(zhì)量問(wèn)題和檢測(cè)方法

2.1 基本電能質(zhì)量參數(shù)
（1）電網(wǎng)頻率

在我國(guó)，電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)頻率是 50Hz，但電網(wǎng)實(shí)際工作頻率會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)頻率有所偏差，因此需要測(cè)量出電網(wǎng)實(shí)際頻率。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 15945-2008 電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率偏差》介紹了電網(wǎng)頻率的測(cè)量方法，電網(wǎng)基波頻率為每次取 1s、3s或 10s 間隔內(nèi)計(jì)數(shù)到的整數(shù)周期與整數(shù)周期累計(jì)時(shí)間之比，如有 1s、3s 或 10s時(shí)鐘重疊的單個(gè)周期，應(yīng)丟棄。測(cè)量時(shí)，測(cè)量時(shí)間間隔不能重疊，每 1s、3s 或10s 間隔應(yīng)在 1s、3s 或 10s 時(shí)鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)[19]。

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2.2 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和檢測(cè)方法
穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題是由于電網(wǎng)中出現(xiàn)連續(xù)的電力擾動(dòng)引起的，一般持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，多以電壓和電流的波形畸變?yōu)橹饕卣�，期間電壓和電流的變化比較緩慢[22]，包括頻率偏差、電壓偏差、三相電壓不平衡和諧波等。
電網(wǎng)中的有效頻率為 50Hz 工頻頻率，但是由于非線性電氣設(shè)備在施加標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)電壓后電流不再是 50Hz 工頻頻率，這些電氣設(shè)備接入電網(wǎng)后便使電網(wǎng)中電壓波形發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了公網(wǎng)諧波。對(duì)周期性電網(wǎng)電壓信號(hào)做付立葉級(jí)數(shù)變換，變換后的信號(hào)頻率等于工頻頻率的分量為基波分量，電網(wǎng)基波分量的頻率為50Hz，信號(hào)頻率是基波頻率整數(shù)倍的分量為諧波分量，此整數(shù)倍數(shù)即諧波次數(shù)。
電壓驟升、驟降以電壓幅值變化、持續(xù)時(shí)間相位跳變?yōu)樵u(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。電壓驟升是指電網(wǎng)中由于大容量負(fù)載突然停止工作、單項(xiàng)電壓接地等電力故障造成的電壓突然上升，持續(xù)時(shí)間約為 0.01-60s，之后電壓恢復(fù)正常值，期間電壓有效值上升為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的 110%-180%。電壓驟降是指電網(wǎng)中由于突然增加了大容量負(fù)載、雷擊等惡劣天氣影響等原因造成的電壓突然下降，其持續(xù)時(shí)間為 0.5 至 30 個(gè)電網(wǎng)周期，之后電壓恢復(fù)正常值，期間電壓有效值上升為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的 10%-90%[29-30]。
如今，越多的復(fù)雜電子設(shè)備不斷得到應(yīng)用，這些電子設(shè)備對(duì)電壓驟升、驟降比較敏感，短時(shí)間的電壓驟升、驟降可引起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)紊亂、調(diào)速設(shè)備跳閘、可編程邏輯控制器（PLC）和可調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置誤操作等危害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。檢測(cè)電壓驟升、驟降的方法有：有效值檢測(cè)方法、峰峰值檢測(cè)方法和基波分量檢測(cè)方法，檢測(cè)時(shí)間應(yīng)至少為半個(gè)工頻周期[31]。

IEEE 將電壓中斷定義為電網(wǎng)中電壓方均根值降低至系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的 10%以下，可分為短時(shí)電壓中斷和長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷，其中小于 1min 的電壓中斷稱為短時(shí)電壓中斷，時(shí)間在 1min 以上的電壓中斷則為長(zhǎng)時(shí)間電壓中斷。電力系統(tǒng)故障中以短時(shí)電壓中斷最為常見(jiàn)，短時(shí)電壓中斷一般能通過(guò)各種控制裝置自動(dòng)恢復(fù)，監(jiān)測(cè)短時(shí)電壓中斷時(shí)應(yīng)監(jiān)測(cè)所在時(shí)間內(nèi)的電壓中斷頻次等，并要統(tǒng)計(jì)出中斷頻次和中斷時(shí)間之間的關(guān)系[32]。

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第 3 章 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)...............................14
3.1 在線監(jiān)測(cè)式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的組成 .....................................14
3.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端裝置整體架構(gòu) .............................................15
第 4 章 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)..................................................17
4.1 供電電路的設(shè)計(jì) ................................................................17
4.2 霍爾傳感器的選擇 .............................................................18
第 5 章 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)..................................................34
5.1 軟件整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)模式.........................................................34

5.2 數(shù)據(jù)通信部分軟件設(shè)計(jì)........................................................35

第 6 章 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本章對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行測(cè)試，包括各模塊的分開(kāi)測(cè)試和監(jiān)測(cè)終端的整體測(cè)試，給出具體測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端工作的可靠性。

6.1 傳感器及低通濾波放大電路的測(cè)試

監(jiān)測(cè)終端傳感器及低通濾波放大電路如圖 6.1 所示。低通濾波電路作為采集前置電路至關(guān)重要，它能濾除輸入信號(hào)中不需要的高次諧波，保證信號(hào)的質(zhì)量，使 A/D 轉(zhuǎn)換電路采集到精度更高的信號(hào)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)了 RC 低通濾波及兩級(jí)放大電路，放大倍數(shù)可調(diào)，截止頻率為 2.5kHz。圖 6.2 為用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的電路波特率圖，在截止頻率為2.5kHz時(shí)，放大倍數(shù)約為27dB，頻率為 14kHz 時(shí)，放大倍數(shù)約為 0dB。

控制 AD7656 完成 A/D 轉(zhuǎn)換最重要的是 AD7656 的控制時(shí)序，轉(zhuǎn)換過(guò)程中涉及的時(shí)序信號(hào)有轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)CONVST、輸出繁忙信號(hào)BUSY、讀取信號(hào)RD、片選信號(hào) CS（在讀取過(guò)程中可令片選信號(hào)始終置低）和復(fù)位信號(hào) RESET。圖 6.5給出了利用示波表測(cè)試的采集板并行接口時(shí)序信號(hào)，CONVST 信號(hào)由 GPS 模塊通過(guò)鎖相環(huán)倍頻得到，其頻率為 50kHz；BUSY 信號(hào)緊隨 CONVST 信號(hào)有一個(gè) 3μs 的高電平，其表示 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間；在 BUSY 信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶笫?RD 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果信號(hào)，其為六個(gè) 600ns 低電平讀取脈沖；在讀取完成之后，并且在下一個(gè)CONVST 信號(hào)之前，是一個(gè) 100ns 的 RESET 信號(hào)，，可見(jiàn)，圖 6.5 測(cè)試信號(hào)與圖4.15 “AD7656 并行接口時(shí)序圖”一致。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)軟件參數(shù)設(shè)置界面如圖 6.7 所示，由于 USB-1612M 監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性高，可將 USB-1612M 的監(jiān)測(cè)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。為了使對(duì)比結(jié)果更加可靠，兩套裝置使用相同的監(jiān)測(cè)軟件，并設(shè)置相同的測(cè)試參數(shù)；而且使用相同的霍爾電壓傳感器和前置電路。

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第 7 章 全文總結(jié)

7.1 研究工作總結(jié)
電能作為用途最廣、最清潔的二次能源，是各行各業(yè)都離不開(kāi)的發(fā)展支柱，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要作用。隨著工業(yè)社會(huì)的不斷發(fā)展，國(guó)家不僅對(duì)電能的產(chǎn)量需求不斷增大，而且對(duì)電能質(zhì)量的要求也不斷提高�；谏鲜霰尘埃瑢�(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決電能質(zhì)量問(wèn)題有著重要意義，因此，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置有著廣闊的研究前景。目前，國(guó)內(nèi)外研制的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置種類繁多，也為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的研制打下了良好的基礎(chǔ)。本文借助虛擬儀器的思想，通過(guò)設(shè)計(jì)高精度同步采集模塊，利用 LabVIEW 編寫上位機(jī)軟件，研制了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，采集精度高，工作性能穩(wěn)定的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端裝置�，F(xiàn)對(duì)本文做如下總結(jié)：
（1）介紹了穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，并且參照《電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》闡述了穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的測(cè)量方法，了解上述內(nèi)容是研制電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的基礎(chǔ)。
（2）設(shè)計(jì)了專門針對(duì)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的高精度 A/D 采集模塊，該采集模塊具有六通道雙極性模擬輸入，六個(gè)通道能夠同步采集，采樣率最大可達(dá) 200KHz，分辨率為 16bit，采用并口數(shù)據(jù)輸出。
（3）針對(duì)解決電力故障產(chǎn)生的來(lái)源和次序問(wèn)題，設(shè)計(jì)了高精度 GPS 同步模塊。利用 GPS 接收機(jī)輸出的高精度 10KHz 同步信號(hào)，通過(guò)鎖相環(huán)倍頻技術(shù)，生成滿足電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端采樣率的高精度 A/D 同步采集信號(hào)。

（4）利用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)了一套電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置上位機(jī)軟件。該上位機(jī)軟件能夠?qū)崟r(shí)顯示監(jiān)測(cè)電壓和電流波形，計(jì)算基本的電能質(zhì)量問(wèn)題；而且，將電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，節(jié)省存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)時(shí)間間隔可調(diào)，當(dāng)硬盤存滿后以先進(jìn)先出的方式刷新；最后，上位機(jī)軟件將電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)以共享變量的形式通過(guò)網(wǎng)口實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測(cè)主站。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：145871