电能质量监测系统的变采样速率方法研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 3.02MB 55 页 15积分

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电能质量监测系统的变采样速率

方法研究

摘要

在国家倡导智能电网的今天，工业和生活对于电能质量要求的提高，电网

安全和可靠性日益被人们所重视。但是随着现代电器设备的使用，大量的电力电

子负荷的接入，这些负荷往往带有非线性和冲击性的特征，产生大量谐波严重

影响了电力系统的安全稳定运行。另外，大规模分布式能源并网对电能质量造成

不利影响。因而，提高电能质量成为输配电技术中急需解决的问题。

本文以电力能效管理为基础，详细研究了电能质量信息采集与处理这一内

容。第一部分，本文概述了电力系统中电能质量问题的背景，介绍了电能质量监

测系统的发展历程，较为全面地论述了电能质量问题的现状。同时阐述了电网谐

波的概念、产生及其危害，并从相关标准入手，研究了电能质量监测的各种分析

方法。第二部分，针对采样点与处理点不吻合，采样准确度不够高这一采样问题

提出了变速率采样这一新的算法。介绍了变采样速率的原理、数学模型，并通过

搭建该方法的 MATLAB 模型，验证了其方法的可行性和正确性。第三部分研究

了一种基于 TMS320F2812 的电能质量监测系统硬件电路，研究了各个模块之间

的硬件结构，以及变采样速率的软件设计流程，另外为了实现这一算法，通过

采用 LabVIEW 软件技术设计了一个谐波监测系统，为样机研制打下坚实的基础。

研究生期间的主要工作：本文作者发表(录用)2 篇论文，其中 1篇收录于

CSCD 库，1篇收录于 SCD 库，在校期间参与过电力能效管理系统的故障诊断

项目。从 2014 年3月份开始至今在中国电子科技集团第 50 研究所上海协同公司

实习，参与电能质量监测系统的研发。

关键词：智能电网谐波电能质量监测变采样速率 DSP

ABSTRACT

With nation advocating smart grid and the requirements of power quality becoming

more important in the field of industry and life, people is paying more and more

attention to security and reliability of grid. But with the using of modern electrical

equipment and a lot of power electronic load accessing to the power grids, there are

some problems. These loads are often with nonlinear and impact characteristics,

resulting in producing a large number of harmonics, which seriously affect the safety

and stable operation of the power systems. In addition, large-scale distributed energy

and network technology has negative effects on power quality. As a result, to improve

the technology in the transmission and distribution of power quality becomes an urgent

problem.

In this paper, after investigation of collection and processing of information in the

power quality in detail, it does some research based on energy-efficient power

management system. In the first part of the paper, it expounds the background of the

problems about power quality in the power system. And it introduces the development

of power quality monitoring system and has a more comprehensive discussion of the

status quo of power quality problems. Also it explained the concept, producing and

harm of harmonic, and based on the relevant standards, it studies a variety of analytical

methods to monitoring the power quality. In the second part of this paper, according to

the problem, which is the sampling point does not coincide with the handling point and

sampling accuracy is not high enough, this paper proposed a new algorithm, which

called a variable-rate sampling method. Both theoretical analysis and simulation with

MATLAB results justify the feasibility and validity of new algorithms. In the third part

of this paper, it studies the hardware structure of power quality monitoring system,

based on TMS320F2812 hardware, including various hardware modules and the

software design process of variable sampling rate method. In addition, in order to

achieve this algorithm, it designs a harmonic monitoring system by using LabVIEW

software technology, laying a solid foundation for development of testing machine.

Works during the graduate student: published two papers, one is in CSCD, the other

is in SCD, and participated in the research project. Since March 2014 up to now, I

worked as an intern in CETC-50 Shanghai XieTong Company, and participated in the

research and development of power quality detection system.

Key word: Power Quality, Harmonic, Power Quality Monitoring

System ,Variable sampling rate，DSP

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论......................................................................................................................1
1  课题背景及研究意义........................................................................................1
2 电力能效管理系统的发展.................................................................................2
2.1 能源的概念与节能的意义......................................................................2
2.2 电力能效测评系统..................................................................................2
3 国内外研究的发展与现状.................................................................................3
3.1 国外电能质量的研究概况......................................................................3
3.2 国内电能质量的研究概况......................................................................4
4 电能质量的分析方法.........................................................................................4
5 本课题的研究内容和主要工作.........................................................................7
第二章 谐波......................................................................................................................9
1 谐波的基本概念.................................................................................................9
1.1 谐波的相关定义......................................................................................9
1.2 谐波的危害............................................................................................11
2 谐波的检测方法...............................................................................................12
3 谐波检测在 MATLAB 上的仿真实现............................................................14
第三章 变采样速率算法的研究....................................................................................15
1 快速傅里叶变换...............................................................................................15
2 信号采样...........................................................................................................17
2.1 数据采样的基本概念............................................................................17
2.2 采样定理及傅里叶采样的条件............................................................18
2.3 传统补零方式........................................................................................20
3 变采样速率算法的原理...................................................................................21
3.1 数学模型................................................................................................21
3.2 采样点的选取........................................................................................26
3.3 仿真模型................................................................................................26
4 本章小结...........................................................................................................28
第四章 带谐波监测的电能质量监测系统....................................................................29
1 电能质量监测系统的系统构成.......................................................................29
2 电能质量监测系统的硬件系统介绍...............................................................30
2.1 信号调理电路........................................................................................31
2.2 电压采集电路........................................................................................33
2.3 电流采集电路........................................................................................34
2.4 锁相环电路............................................................................................35
2.5 液晶接口电路........................................................................................37
3 变采样速率方法的软件实现...........................................................................38
3.1 数据采集子程序....................................................................................39
3.2 数据处理子程序....................................................................................40

3.3 数据存储子程序....................................................................................42
4 基于 LabVIEW 技术的谐波监测系统............................................................43
4.1 LabVIEW 简介.......................................................................................43
4.2 谐波监测系统的设计步骤及整体结构................................................43
4.3 谐波监测系统界面................................................................................44
5 本章小结...........................................................................................................47
第五章 智能电网与电能质量........................................................................................48
1 智能电网研究背景...........................................................................................48
2 智能电网关键技术概况...................................................................................48
2.1 智能电网通信网技术............................................................................48
2.2 用电信息采集管理系统........................................................................49
第六章 总结与展望........................................................................................................52
1 本文总结...........................................................................................................52
2 展望...................................................................................................................52
参考文献.........................................................................................................................54

第一章绪论

第一章主要写了课题背景和研究意义，国内外发展研究综述，电能质量的分

析方法以及本课题的研究内容和主要工作。

1.1 课题背景及研究意义

随着科技的飞速进步，能源与电网构成出现新的变化趋势，为人们的生活带

来便利的同时，也引起了电能质量事故频发，这些电能质量问题引起了国家的高

度关注。开展有效地电能质量监测与治理己经成为国家战略发展中十分重要的部

分，因此，我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）》中[1]，

明确将“电能质量监测和治理技术”列为能源重点领域研究内容。

改善电能质量，不仅可以保障电网经济稳定运行，同时对于电力设备的经济

安全运行，对于产品性能、科技研究都有着积极的意义。电能质量对国民经济的总

体效益直接相关。其实，早期人们已经开始重视电能质量问题，只是之前人们的

关注点主要在电压水平和电网频率上。自20 世纪 80 年代以来，随着新型电力设备

迅速发展，它们对于电能质量的要求也不断提高，电能质量才逐渐转变为电力企

业和用户共同关心的问题。当前电能质量中存在某些问题已成为电气领域的前瞻

性课题，吸引了大批高等院校和科研院所的电力科技工作者投入其中，并从事开

拓性或开发性工作[2]。

如今在美国每年因为电能质量而造成的损失已经超过260 亿美元。从某种意

义上来说，电能质量的好坏已直接关系着国民经济的总体效益，电能质量的监测

与治理刻不容缓。电能质量监测在电力设计、事故分析、电网经济运行、电能质量治

理等方面具有重要的作用；电能质量治理符合智能电网的发展需求和人们对电能

质量要求日益提高的要求，均具有广阔的市场空间[3]。2011 年中国电能质量市场规

模达到 80 亿。“十二五”期间我国电能质量市场有望保持每年12%-20%速度增长

至2015 年，规模将超过120 亿人民币，到2017 年，市场规模将超过190 亿元。由

于我国尚处于电能质量产品应用的初级，电能质量监测与治理设备面临较好的市

场前景。能效测评系统通过采集用电数据、检测用电数据、对比电力参数与国家标

准之间的差异，从而诊断分析工厂、企业以及高校等单位的电能质量情况，从而

提出相关治理措施，达到提高用电质量的功能。该系统充分发挥其优势，在供电、

发电、用电每个环节全方面的监测，在各个领域都有很大的前景。

1.2电力能效管理系统的发展

1.2.1 能源的概念与节能的意义

目前地球上存在的可以利用的能源，根据来源不同，有三种：第一种为月球

和太阳等等天体与地球之间引力产生的能量，如潮汐能就是以月球引力为主产生

的一种海洋能。第二种是我们平时所用的风能、水能、以及由煤炭石油天然气素等

上海理工大学硕士学位论文

燃料所含有的热能。第三种是地球本身的能源，如地下蒸汽、地下热水等以热能形

式储存于地球壳体内部的地热能，以及埋藏在地球上的铀、镀等等原子能，即我

们所说的核能。在自然界赋存着多种多样的资源，往往变现为不同的形式，我们

在生活中通常见到的比如电能和机械能等等，为我们的生活生产提供了便捷和生

产力。简而言之，能量的来源就叫能源。节能即节约能源的简称。节能如下两个方

面的意义：（1）节能具有公益性。与能源开发不同，节能涉及到许许多多的行业

1980 年以前，人们只注重减少污染的排放，1980 年以后，关于提高能源利用效率。

关注环保的科学性和技术含量。(2)节能需要效率和效益并重。节能既要讲求效率，

也要讲求效益。讲求效率就是要提高能源利用效率，在完成同样生产量的情况下

减低能源消耗量。讲求效益就是减少经济成本支出。只要既省钱又节能才能使能能

效市场可持续运作，否则无法提高人们节能的主动性。

1.2.2 电力能效测评系统

提高电能质量、提升系统整体用电效率、改善用电环境己经上升为国家的重要

政策之一。既要大力推动节能减排能力建设工程，也要积极推广节能减排市场强

化电力需求侧管理，加快建立电能管理服务平台，充分运用电力负荷管理系统，

完善鼓励电网企业积极参与电力需求侧管理的考核与奖惩机制[4]。于是，各种提高

电能质量的技术和设备，迎来了重要的发展机遇,而电力能效测评的研究，是国内

外电力行业中节能减排技术的一个研究热点。

电力能效测评以数字化、网络化技术手段,通过对不同的用电设备配置计量装

置和数据采集装置,对用电数据进行实时地采集，并将数据远程传输给控制中心，

实现对各个环节的电能使用在线监测、动态分析、事故预警和故障记录分析功能。

根据能效分析和成本分析，制定谐波治理、无功补偿、变频调速等节能改造方案，

采用高效节能设备、淘汰落后耗电设备。

根据中国电力科学研究院的资料，上个世纪 20 年代，德国、日本等政府支持

的第三方能效测评机构开展工作，实行能效审计师制度，通过能效监测，进行系

统评估，根据成本控制，提出工程化的节能改造方案，并进行改造效果进行监测

本世纪初，随着对电能质量问题的深入研究，国内也出现了专门从事电力能效测

评的机构。2001 年，中国电力科学研究院依托中德合作项目“节能与电力现代

化”成立电动机效率检测实验室(中心)。2010 年，中国电力科学研究院成立了电

力能效测评中心，整合了电能效测试、节能技术和电力需求侧管理技术，加速了

国内电力能效测评与监测工作的工程化、实用化进程。

目前,国内电力能效测评的主要针对单台设备进行，对供电系统或者用户用电

系统的监测和评估开展比较少。在供电系统的能效监测和管理，优化电能管理模

式方面，国内外都缺乏有效的技术手段。而国内实际生产中，高效能的电气设备

使用效率处于比较低的水平，系统节能降耗的空间巨大。

现有能效测评技术已经取得了很多喜人的成果，但是在节能减排的具体方案

和远程通信等方面还存在一些不足,需要进一步提高性能。近年以来，由于技术和

资金的考虑，我国电力能效监测与评估的工作进展缓慢,还没有大规模的推广。

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摘要：

电能质量监测系统的变采样速率方法研究摘要在国家倡导智能电网的今天，工业和生活对于电能质量要求的提高，电网安全和可靠性日益被人们所重视。但是随着现代电器设备的使用，大量的电力电子负荷的接入，这些负荷往往带有非线性和冲击性的特征，产生大量谐波严重影响了电力系统的安全稳定运行。另外，大规模分布式能源并网对电能质量造成不利影响。因而，提高电能质量成为输配电技术中急需解决的问题。本文以电力能效管理为基础，详细研究了电能质量信息采集与处理这一内容。第一部分，本文概述了电力系统中电能质量问题的背景，介绍了电能质量监测系统的发展历程，较为全面地论述了电能质量问题的现状。同时阐述了电网谐波的概念、产生及其危害，...

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