电能质量监测终端装置的研制
第 1 章 绪 论
随着社会的发展，用电量的需求不断增加，各种各样的电力设备也频繁接入电网系统，随之而来出现了越来越多的电能质量问题，在此背景下电能质量监测装置应运而生，旨在为电力故障的诊断提供依据。为满足工厂、大型商场、学校等重点用电大客户对电能质量监测的需求，本课题提出了一种电能质量监测终端装置的研制。课题设计方案为在用电大客户的多个重要供电节点部署电能质量监测终端装置，各节点监测终端同步采集；监测终端可本地存储电能质量原始数据，同时将电能质量原始数据通过网口上传至监测主站的数据管理中心；数据管理中心通过数据分析实时、不间断监测电网的稳态电能质量问题，如谐波、间谐波、电压不平衡、过电压和欠电压等，以及电压瞬变、电压闪变、电压骤升、骤降等暂态电能质量问题，并能够完成数据存储和状态回放。通过上述方案实现对电网状态的实时、有效监测，为电力故障的诊断和电能质量的改善提供依据。
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在当今电气时代，电能作为一种重要的能源被广泛应用于各个领域，是国民经济发展和社会进步不可或缺的力量，更是衡量一个国家发展程度的主要标志。理想状态下电网中的三相电压、电流应该是 50Hz 标准正弦波，且呈幅值相等，相位相差 120o的对称状态[1]。但是，由于非线性、非对称的电力设备接入电网，如电弧炉、轧钢机、电力电子设备、铁路电气化设备等，以及非人为因素的影响，电网波形产生畸变，电网不能在理想状态下运行，这样便产生了电能质量问题[2-3]。根据产生原因及不同特征，可将电能质量问题分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。其中，稳态电能质量问题持续时间长，变化比较平稳，而暂态电能质量问题持续时间短，变化剧烈[4]。
电能质量问题带来了严重的危害，首先，电能质量不稳定会加快电网中电气设备的老化甚至损坏；其次，电压和电流突变极易烧毁用电设备；而且，长时间的断电会中断企业生产进度，降低企业经济效益。因此，电能质量问题带来了巨大的经济损失，严重影响公民的生活质量。据 2014 年中国电力报的一篇报道，欧洲联盟在 2007 年进行了一次调研，由于电能质量问题带来的经济损失仅欧洲25 个国家一年就高达 1500 亿欧元；2010 年，据上海市电能质量经济性调查计算显示，电能质量问题在中国带来的经济损失已超过 1200 亿美元[5]。中国作为快速发展中国家，用电量和其增长速度不断增大，产生的电能质量问题也越来越多，由此带来的经济损失也越来越大，因此，电能质量问题亟待解决。
良好的电能质量不仅能够保障电网安全稳定运行，减少各种危害和经济损失，产生良好的经济效益；而且，解决电能质量问题，提高电网功率因数，能够起到节约能源的作用，产生良好的社会效益，这在当今能源紧缺的时代背景下显得尤为重要。电能质量监测装置旨在实时监测电网电压、电流、频率等基本参数，分析电网运行状态，及时发现电能质量问题，为电力故障的诊断和改善电网电能质量提供依据，尽可能小的减少电能质量问题带来的经济损失和其它危害。综上所述，研制电能质量监测装置意义重大。
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第 2 章 电能质量问题和检测方法
（1）电网频率
在我国，电网标准频率是 50Hz，但电网实际工作频率会与标准频率有所偏差，因此需要测量出电网实际频率。国家标准《GB/T 15945-2008 电能质量 电力系统频率偏差》介绍了电网频率的测量方法，电网基波频率为每次取 1s、3s或 10s 间隔内计数到的整数周期与整数周期累计时间之比，如有 1s、3s 或 10s时钟重叠的单个周期，应丢弃。测量时，测量时间间隔不能重叠，每 1s、3s 或10s 间隔应在 1s、3s 或 10s 时钟开始计时[19]。
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稳态电能质量问题是由于电网中出现连续的电力扰动引起的，一般持续的时间比较长，多以电压和电流的波形畸变为主要特征，期间电压和电流的变化比较缓慢[22]，包括频率偏差、电压偏差、三相电压不平衡和谐波等。
电网中的有效频率为 50Hz 工频频率，但是由于非线性电气设备在施加标准电网电压后电流不再是 50Hz 工频频率，这些电气设备接入电网后便使电网中电压波形发生畸变，便产生了公网谐波。对周期性电网电压信号做付立叶级数变换，变换后的信号频率等于工频频率的分量为基波分量，电网基波分量的频率为50Hz，信号频率是基波频率整数倍的分量为谐波分量，此整数倍数即谐波次数。
电压骤升、骤降以电压幅值变化、持续时间相位跳变为评测标准。电压骤升是指电网中由于大容量负载突然停止工作、单项电压接地等电力故障造成的电压突然上升，持续时间约为 0.01-60s，之后电压恢复正常值，期间电压有效值上升为系统标称电压的 110%-180%。电压骤降是指电网中由于突然增加了大容量负载、雷击等恶劣天气影响等原因造成的电压突然下降，其持续时间为 0.5 至 30 个电网周期，之后电压恢复正常值，期间电压有效值上升为系统标称电压的 10%-90%[29-30]。
如今，越多的复杂电子设备不断得到应用，这些电子设备对电压骤升、骤降比较敏感，短时间的电压骤升、骤降可引起计算机系统紊乱、调速设备跳闸、可编程逻辑控制器（PLC）和可调速驱动装置误操作等危害，造成严重的经济损失。检测电压骤升、骤降的方法有：有效值检测方法、峰峰值检测方法和基波分量检测方法，检测时间应至少为半个工频周期[31]。
IEEE 将电压中断定义为电网中电压方均根值降低至系统标称电压的 10%以下，可分为短时电压中断和长时间电压中断，其中小于 1min 的电压中断称为短时电压中断，时间在 1min 以上的电压中断则为长时间电压中断。电力系统故障中以短时电压中断最为常见，短时电压中断一般能通过各种控制装置自动恢复，监测短时电压中断时应监测所在时间内的电压中断频次等，并要统计出中断频次和中断时间之间的关系[32]。
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3.1 在线监测式电能质量监测装置的组成 .....................................14
3.2 电能质量监测终端装置整体架构 .............................................15
第 4 章 电能质量监测终端硬件设计..................................................17
4.1 供电电路的设计 ................................................................17
4.2 霍尔传感器的选择 .............................................................18
第 5 章 电能质量监测终端软件设计..................................................34
5.1 软件整体结构和设计模式.........................................................34
5.2 数据通信部分软件设计........................................................35
第 6 章 电能质量监测终端测试与实验结果
本章对电能质量监测终端进行测试，包括各模块的分开测试和监测终端的整体测试，给出具体测试结果，验证电能质量监测终端工作的可靠性。
监测终端传感器及低通滤波放大电路如图 6.1 所示。低通滤波电路作为采集前置电路至关重要，它能滤除输入信号中不需要的高次谐波，保证信号的质量，使 A/D 转换电路采集到精度更高的信号。电能质量监测终端信号调理模块设计了 RC 低通滤波及两级放大电路，放大倍数可调，截止频率为 2.5kHz。图 6.2 为用网络分析仪测试的电路波特率图，在截止频率为2.5kHz时，放大倍数约为27dB，频率为 14kHz 时，放大倍数约为 0dB。
电能质量监测软件参数设置界面如图 6.7 所示，由于 USB-1612M 监测结果可靠性高，可将 USB-1612M 的监测结果作为标准监测指标进行对比。为了使对比结果更加可靠，两套装置使用相同的监测软件，并设置相同的测试参数；而且使用相同的霍尔电压传感器和前置电路。
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第 7 章 全文总结
电能作为用途最广、最清洁的二次能源，是各行各业都离不开的发展支柱，对国民经济的发展有着重要作用。随着工业社会的不断发展，国家不仅对电能的产量需求不断增大，而且对电能质量的要求也不断提高。基于上述背景，实时监测电能质量，及时发现和解决电能质量问题有着重要意义，因此，电能质量监测装置有着广阔的研究前景。目前，国内外研制的电能质量监测装置种类繁多，也为电能质量监测装置的研制打下了良好的基础。本文借助虚拟仪器的思想，通过设计高精度同步采集模块，利用 LabVIEW 编写上位机软件，研制了一套结构简单，成本低，采集精度高，工作性能稳定的电能质量监测终端装置。现对本文做如下总结：
（1）介绍了稳态和暂态电能质量问题，并且参照《电能质量国家标准》阐述了稳态和暂态电能质量问题的测量方法，了解上述内容是研制电能质量监测装置的基础。
（2）设计了专门针对电力系统监测的高精度 A/D 采集模块，该采集模块具有六通道双极性模拟输入，六个通道能够同步采集，采样率最大可达 200KHz，分辨率为 16bit，采用并口数据输出。
（3）针对解决电力故障产生的来源和次序问题，设计了高精度 GPS 同步模块。利用 GPS 接收机输出的高精度 10KHz 同步信号，通过锁相环倍频技术，生成满足电能质量监测终端采样率的高精度 A/D 同步采集信号。
（4）利用 LabVIEW 开发了一套电能质量监测装置上位机软件。该上位机软件能够实时显示监测电压和电流波形，计算基本的电能质量问题；而且，将电能质量原始数据以二进制文件的形式进行存储，节省存储空间，存储时间间隔可调，当硬盘存满后以先进先出的方式刷新；最后，上位机软件将电能质量原始数据以共享变量的形式通过网口实时传输至监测主站。
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参考文献（略）
本文编号：145871
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/shuzhibaogao/145871.html
