电能质量监测开题报告 - 图文

本科毕业设计开题报告

题

目：电能质量监测

题 目 1、研究目的和意义 电能质量监测 来源 工程实际 近年来，随着科学技术的快速发展，大量非线性负荷、非对称性及冲击性用电设备如变频调速装置、电弧炉、轧机、感应加热炉等的出现，使电网中产生大量谐波干扰、电压波动与闪变，严重影响电网电能的质量。而以微处理器为核心的高智能化电子设备、精密仪器等新兴负荷对各种电磁干扰极为敏感，从而对电网电能质量的要求越来越高，致使电能质量问题不断深化。为了维护用户和电力部门的合法利益，保证电网的安全运行，净化电气环境，加强电力系统电能质量的监测和管理显得非常必要。 2、电能质量监测发展情况及发展趋势 一、国外发展现状 当前随着发达的国家不断加大对电能质量问题研究的深度，人们与越来越认识到电能质量的本质和特点，继而也获得了一些成果。国际上对电能质量的研究是从电磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC )学科入手的。所谓电力系统的电磁兼容性，指的是电力电力系统的每一个电器设备应在其所处的电磁环境中能正常工作，并减少其对系统的干扰。从其本质上来说，电能质量问题也就是电磁兼容性问题，因此国内外电力工作者为了次目标投入了大量时间和精力。 全球各国在电能质量方面不断加强研究，也得出了一些理论与经验，主要做了两方面的工作：一方面，为了抑制电能质量的不断恶化，努力减小事故发生率，采取多种可能的技术措施；另一方面，将一些专门的电能质量监测装置装设在电力系统中的某些特殊节点，使一些电能质量方面存在的问题被及时、准确地检测出来。现在有三种电能质量的检测方式被国内外所认同： (1)专门的测量：即针对各类补偿设备或干扰性负荷。根据其对电能质量的影响程度从而决定是否可以投入运行。 (2)定期或不定期检测：即针对一般电能质量干扰源。分别用于电网的定期检查和一些特殊用户或设备的电能质量问题。 (3)在线监测：即连续监测、全过程监测或日常监测⑷。是指必须按照电能质量标准，对电能质量五大指标的连续跟踪监测。

在电能质量研究方面，国外起步较早，已建立了相应的研究方法和体系，单随着电能在更多方面的应用，对电能质量的研究还在不断深化中。1996年，电力谐波国际学术会议（IcHPS)被IEEE更名为电力谐波与电能质量学术会议(ICHQP),以便于全球电力工作者更好的研究电能质量问题。 二、国内发展现状 相较国外，国内在电能质量研究上还处于起步阶段，电能质量检测系统设计和装置的研制较国外都比较落后，很多技术还需要依赖于国外。目前，国内对电能质量检测还停留在第二阶段----定期或不定期检测阶段，而要真正的做到提高电能质量，在线监测是必须的手段。实时监测是保证电能质量的必要时条件，只有做到对电网电能质量的实时监测，才能从根本上掌握影响电能质量的根源，从根本上改进供、用电环境，提高供、用电效率。 在现有的国内电能质量检测系统中，有线通讯模式占有主导地位，例如：数据釆集模块与数据处理模块的通讯；大多数工业自动化设备的通讯模式选用现场总线（如总线RS485、CAN等）。传统远距离通信方式包括有线电缆、电力载波、光纤、公网等，有线通讯方式顾名思义即数据传输采用电缆等有线媒介，因此而带来的安装、维护等问题也是电力设计人员不愿见到的。无线传感网络的应用有力的弥补了有线网络存在的不足之处，灵活安装的特点，决定了其良好的市场应用价值。本文在研究电能质量的基础上，提出了一种基于**技术的电能质量检测系统设计方案，将检测节点的电能质量扰动类型、信号等参数实时地传输至无线传感网络的路由节点，通过路由节点将数据上传送至远程监控中心，从而实现监控中心远程的对检测节点电网电能质量的准确、实时检测，为电力系统的系统管理、维护和检修提供了张实的依据。 三、目前电能质量检测还存在的问题和发展趋势 1.谐波检测的问题 从电能被广泛应用至今，谐波问题就一直在困扰着电力工作者，谐波是一系列频率不同于基波的分量，由于理论研究都是基于理想情况下的，所以在现实应用中，许多用电设备或者是电网输电设备都要受到谐波的干扰，轻则影响传输或设备使用，重者损坏输电设备或用户终端用电设备。鉴于谐波带来的危害，电力工作者不断努力研

究，将简举的一些检测算法不断深化，现今比较成熟的算法有傅里叶变换及其各种改进算法、小波变换、支持相量机、神经网络、HTT、prony等，近些年出现的一些新兴算法在精度上有了很大的提高，但是随之产生的便是硬件上的高要求，随着运算量的增加，原有传统模拟量器件已经不能满足需要，全数字化器件的出现弥补了这一空白。因此，结合现代电能质量检测系统的要求，高速度、高精度的数字化检测设备成为市场需求的趋势。 2.电压波动与闪变 相较其他电能质量指标，电压波动与闪变检测的方法和定义有着特殊之处，至今为止还没有一种准确的定义和测量方法。由于电压波动和闪变是指人眼对230V60W白识灯亮度变化的一种视觉感受，由于每个人的主观感受不同，所以电压波动和闪变的定义也仁者见仁智者见智，没有统一的标准可依。现今最长采用的IEC提供的检测方法，简称为IEC法。IEC法首先根据多人次的数据采集，将一般情况下，人眼睛对白炽灯波动或闪变时的变化绘制成坐标曲线图，然后采用建立数学模型的方法来仿真这条曲线，可以采用模拟器件或者是全数字器件。而这种仿真的精确度和速度远远达不到检测系统的设计要求，因此就需要设计出一种合理算法来实现髙精度和快速度的检测工作。 3.检测平台的改进 检测平台作为检测设备的核心控制和操作界面称为了各大电能质量检测设备生产商重点开发的项目，但由于国际上没有一个权威的指标标准，导致各国生产商的检测平台各有不同，因此建立合理的检测平台也是今后需要改进的重点。 4.数据传输技术的改进 随着电能的广泛应用，电能质量的检测站点的地理环境也趋向复杂化，在深山峡谷和丛林，这样特殊的地理环境下，不但通讯光纤的敷设十分不易，而且恶劣的环境因素是电能质量的大敌。因此利用无线传感网络将各传感节点的数据上传至基站以及控制中心的数据通讯思路越来越受到国内外电力设计人员的青睐，同时智能电网的兴起也与此有着密不可分的关系。

3、设计的目标： 一、在理论上，对于电能质量国家标准规定的六项电能指标计算方法的数字化研究。由于本系统采用的关键器件为**芯片，所以首先要解决如何将电力系统中连续信号的计算公式运用于离散信号，通过理论推导，得出了离散情况下，电能质量指标的数学计算公式。在进行电能的电压、电流、功率等基本参数和电压变动(包括电压偏差、电压波动、电压扰动)、三相不平衡度的计算时，以均方根值的计算方法为基本依据；在频率的计算中采用了解析法，计算简单明了，计算量不大；在进行频域的谐波量分析中，由于传统的DTF算法机器计算周期长，难以实现实时化，在此引用了FTF算法，使64点的频域分析运算量降为原来的l/2O，可满足实时检测的要求。 二、在硬件上，为实现系统的数据采集、分析处理而进行了电路的设计、连接。在以A/D转化模块ADS8364为核心的数据采集部分，为了避免频谱混叠现象的发生并保证一定的采样精度，设计了模拟量输入前的滤波、放大电路。同时为了防止对非工频电压采样时可能出现的频谱泄露现象，在此巧妙的设计了锁相倍频电路，将其作为A/D转换的控制信号，既实现了同一周期内的均匀离散，又实现六路信号的同步采样。在数据分析处理部分，选用高精度浮点**作为整个系统的核心，设计了其基本的外围电路(时钟电路、复位电路、存储器扩展电路及电源管理电路等)，并灵活的应用了其对于中断信号的处理性能，实现了对于AD/采集信号的接收。在对超差信号的处理上，应用了双端口存储器DIT7O24，由于其拥有2套相互独立的数据、地址和控制总线，分别与两端的处理器相连，因此很好的解决了高速数据采集和处理系统中，由于数据采集量大以及DSP处理芯片计算速度高所产生的瓶颈问题，实现了高速处理芯片与低速外设的连接。

4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）： 本设计的基本框图如下： 周期同步电路 模拟信号采集 **** LED 按键 存储器 A/D模数转换 通讯接口 （1）本文核心控制器选择TI公司**，使得系统不仅具有强大的数据处理能力和速度，而且具有良好的控制能力；。 （2）数据采集模块选用6通道、16位高精度、高速度A/D芯片ADS8364，其各个通道独立，并且各个通道同步采样，确保了电压和电流之间的应有的相位关系，且每个通道相互独立，互补影响其转换电路。 （3）为了防止频率“泄漏”，系统采用锁相环技术，可以有效降低在电力系统频率变化时对各监测指标的影响程度。 （4）采用了快速傅里叶变换FFT算法，提高了检测谐波的精度。 （5）配合无线传感网络（zigbee通讯协议），合理设计多个检测节点(采集节点）和本地监控中心(汇聚节点)检测节点，及本地监控中心通过ZigBee技术构建的局部WSNs，使得.电能质量信号数据能同步的又本地监控中心和远程监控中心的GPRS实现数据远程无线传输。。

5、方案的可行性分析： 依托于DSP的高速数据处理能力的基础上，首先采集模块将三相交流电压、电流量进行高速采集，将电压和电流等级缩小到合理的范围，再由A/D芯片转换后送入***处理器进行高速运算处理。而核心算法采用经典的FFT算法，经过一系列的快速度、高精度的计算和数据处 理得出如下值： 三相电压、电流有效值; 三相基波电压、电流有效值; 三相基波有功功率、无功功率、功率因数 电压、电流2-64次谐波以及谐波畸变率。 6、设计产品的主要用途和应用领域： 无线传感网络的应用有力的弥补了有线网络存在的不足之处，灵活安装的特点，决定了其良好的市场应用价值。本文在研究电能质量的基础上，提出了一种基于**的电能质量检测系统设计方案，将检测节点的电能质量扰动类型、信号等参数实时地传输至无线传感网络的路由节点，通过路由节点将数据上传送至远程监控中心，从而实现监控中心远程的对检测节点电网电能质量的准确、实时检测，为电力系统的系统管理、维护和检修提供了张实的依据。 7、时间进程 第1周 实习，查阅、搜集资料，完成实习日记 第2周 实习，查阅、搜集资料，完成实习日记 第3周 实习，查阅、搜集资料，完成实习日记 第4周 实习，查阅、搜集资料，完成实习日记 第5周 实习，查阅、搜集资料，完成实习日记 第6周 书写开题报告与答辩 第7周 **的数据处理系统的学习 第8周 无线传感网络的学习 第9周 快速傅里叶变换FFT算法的学习 第10周 数据处理部分的设计

第11周 信号处理部分的设计 第12周 通讯电路的设计 第13周 整个系统的搭建 第14周 实验与仿真 第15周 电路图的绘制与论文输入 第16周 图纸、论文的审核与修改 8、参考文献： [1]赵苏海.基于无线传感器网络的电能质量监测系统的研究. 2012. [2]丁力.电能质量问题及监测分析.电气时代，2005,(8):105-106. [3]林海雪.现代电能质量的基本问题.电网技术.2011,25(10):5-12. [4]许遐，王慧仁.电能质量的全过程检测技术.电测与仪表,1999,36(404):4-9. [5]Dugan Roger C. Electrical Power System Quality. Iedt, New York；Mcgraw Hill,1996. [6]林海雪.论电能质量标准.北京:中国电力出版社,1997. [7]朱高中.基于DSP的电能质量在线检测的研究.检测与制作,2007,(1):22-24. [8]胡广书.数字信号处理,北京,清华人学出版社,1997(s):66-68. [9]施奕平,吴国安.基于DSP的电能质量监测仪.电测与仪表,2002,39⑴:17-19. [10]周怡顔,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表，2005． [11]汤镇辉.基于cc2530的ZigBee无线路灯节能智能监控系统.微型机与应用，2011. [12]刘占伟.基于ZigBee的无线测控系统的研究与设计[D].内蒙古：内蒙古大学，2009. 指导教师意见: 毕业设计领导小组意见: 教师签字： 组长签字： 年 月 日 年 月 日

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