（机械制造及其自动化专业论文）智能配电监测系统的设计与开发.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着数据中心和企业机房规模的不断扩大，机房配电系统对安全性、 高能效和智能化管理的重视程度不断提升，智能配电柜的市场需求巨大。本课题 所设计的智能配电监测系统作为智能配电柜的核心组成部分，是实现智能配电柜 智能化监测与控制的人机交互系统，其设计与开发可大大提高配电柜的智能化程 度，对提高我国基础和传统行业的生产技术水平有着深远和重要的现实意义。 本文的主要研究内容有： 首先，通过阅读文献，分析国内外相关产品的设计方法、发展现状、发展趋 势，了解国内、国际的相关标准，总结出智能配电监测系统的设计要求和实现方 法。结合智能配电柜的电气原理图，确定了智能配电监测系统的整体结构方案， 依据智能配电监测系统的主要功能起草了相关的技术指标要求。 其次，根据电能质量问题电气信号变化特点，详细论述了基本电能质量参数 的测量和分析方法。为了提高系统的测量精度，采用一种基于快速傅里叶变换的 谐波测量算法，详细介绍了算法原理、实现步骤，最后对算法进行仿真，验证了 算法的可行性和有效性。 再次，根据智能配电监测系统的功能和技术要求，参与了系统的硬件设计， 设计了控制器和上位机的各软件模块及人机界面，完成了控制器软件和上位机人 机界面的开发。 最后，通过实验验证了本系统的测量精度和运算速度，并且对测量误差进行 了分析，测试结果表明系统的各项指标满足系统总体设计要求。 本文所设计和开发的智能配电监测系统具有实时性好、精度高、成本低等优 点，达到了预期的设计目标，很好地满足了合作企业的要求。 关键词：智能配电柜；配电监测；电能质量；加窗插值f f t 分类号：t h l 2 2 堂量! 垦垒里 一一 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ee x p a n s i 。n 。fd a t ac e n t e r s a i l ds e r v e rr 。m s ，m e r ei sah u g e m 破e td e m a l l df o ri n t e l l i g e n tp 。w e rd i s 劬u t i 。nc a b i n e t a sm e c 。r e 。ft h ei n t e l l i g e n t d o w e rd i s t r i b u t i o nc a b i n e t ，i n t e l l i g e n tp o w e r d i s t 曲u t i o nm o n i t o r i n g8 y s t 锄1 su 8 e dt o m d l 锄e n ti n t e l l i g e n tm 。n i t 。r i n ga n d c 。n t r 0 1o fh u m 趾_ c o m p u t e “n t e r a c t i o n ，i t sd e s i 印 a n dd e v e l o p m e n th a sa f - a r - r e ac _ h i n ga n d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r ： i m p o n 锄tp r a c t i c a ls i 鲥f i c 缸1 c e f i r s t ，t h i sp 印e ra 1 1 a l y z e dp r o d u c td e s i 印，d e v e l o p m e n ts t a t l l s ，d e v e l o p m e n t t r e n d so t m er e l a t e dp r o d u c t s i na n do u to fo u rc o u n t s u m m e du pt h e r e q u l r e m e n t sa n d i m 口1 锄e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tp o w e r d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m d e t e m m et h ? o v e r a l ls t r u c t u r eo fm ei n t e l l i g e n tp o w e r d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma n dd e v e l o p e d t h et e c h n i c a ls t a n d a r d s s e c o n d l v ，a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r i c a ls i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s o fp o w e rq u a l l t yp r o b l e m s d i s c u s s e dt h em e a s u r 眦e n ta n da n a l y s i so f m eb a s i cp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r sm d e t a l l d e s c 曲e dm ep n n c i p l eo ft h ef f t a n di t si m p l e m e n t a t i o ns 印s s i m u l a 1 0 nr e s u l l s s h o wt h ef e a s i b i l i t ya n d e 行e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m ， t h i r d ，t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o f t h e s y s e m sh a r d w a r ea n 鼍 s o 脚a r ec o m p o n e n t s a c c o r d i n gt o t h e向n c t i o n a l a 1 1 dt e 洫i c a lr e q u l r e m e n t s o t i n t e l l i g e n tp o w e r d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m f i n a l l y ，“sp a p e rv e r i 蠡e dt 1 1 ea c c u r a c y a 1 1 【1s p e e do fo p e r a t i o no ft h ed 印a m e n tb y e x p e f i m e n ta n da n a l y z e dt h es y s t e m a t i c e r r o r so ft h es y s t 锄 w i t h 删一t i m e ，h i g ha c c 眦a c y l o wc 毗t h e i l 删i g e n tp o w e l ( 1 i 8 t r i b u 1 0 nm o n l t o 姗g s 、r s t e m1 1 a sa c h i e v e d c l l ed e s i r e ( 1 心9 1 1g o a l s ，a n d i tw a sw e l l 脚i o n e d 的m e e h e r e q u i r e m e l l t so ft h ec o o p e r a t i v ee 1 1 t e 攀r i s e 1 e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tp o w e r d i s t m u t i 。nc a b i n e t ；p o w e rd i s t r i b u t i o nm o n l t o n n g ； p o w e rq u a l i t y ；w i 赫o w e di n t e r p o l 舶nf f t r 1 。a s s n o ：t h l 2 2 v 致谢 经过近两年的学习和努力，在克服了重重困难之后，我的硕士论文终于得已 完成。 衷心感谢导师刘阶萍副教授两年来的精心指导和悉心关怀。自我进入北京交 通大学以来，便处处得到导师的关怀、爱护和帮助。同时，导师博大的胸怀，广 博的理论知识，严谨的治学态度，丰富的实践经验及诲人不倦的长者风范更是给 我留下了深刻而美好的印象，这些无不使我铭记于心、受益终身，更是我今后人 生道路上学习的榜样。本论文在导师的悉心指导下完成，论文的选题、撰写和修 改，无不凝注刘老师的心血和汗水。在此论文完成之际，谨在此致以我最诚挚的 谢意! 祝愿导师身体健康，万事如意! 感谢在我论文写作期间，陈宇航师兄、王超师姐、马丽梅师姐对我设计工作 的严格要求、悉心指导和帮助。他们深厚的专业知识，以及做人处事的风格，值 得我学习，令我受益匪浅。感谢实验室的每一位同学：谢进、张兆强、邹鹏、康 学超、王伟、敖翔等在我研究和学习过程中给予的关心和帮助。同时，感谢我的 同窗挚友宋龙龙、全大鹏、高伟杰等，在机电学院这个大家庭中，我们相互支持 和鼓励，结下了深厚的友谊，我将永远铭记、珍惜这笔宝贵的人生财富! 感谢北京交通大学这一培育人才的沃土，赋予我知识，赐给我荣誉，铸造我 人格，指引我道路。在我硕士阶段的学习过程中，也得到了机电学院各位领导和 老师的帮助，在此深表感谢。 籍此机会，衷心地感谢我的家人对我学业的支持和生活的关心，你们的关注、 鼓励和支持是我人生前进的基石和源源不断的动力! 也感谢所有一直默默支持、 关心我的亲人们和朋友们! 再一次向所有帮助过我的人们表示最诚挚的谢意，谢谢你们! 最后，向审阅、评议本论文以及参加论文答辩的专家和老师们致以最衷心的 祝福和感谢! 苏凯凯 2 0 1 2 年6 月 引言 1 引言 1 1课题的研究背景及意义 随着现代科学技术的迅猛发展以及自动化水平的不断提高，大量基于计算机 系统控制的设备投入金融、电信、政府等的数据中心和企业机房等场所，现代工 业技术的发展对配电系统运行的可靠性及其智能化管理也提出了更高的要求【i j 。 为数据中心和企业机房等的设备运行提供一个良好的物理基础，已经成为业 界共同关注的热门话题。机房配电在整个机房建设中起到至关重要的作用，同时 也是极易被忽视的一个环节。 传统的配电方式，主要是采用接触器、断路器、熔断器、热继电器、控制继 电器、互感器、各种主令电器及电工仪表( 电压表、电流表、电能表、功率表等) 等组合成的开关控制柜来实现配电、监视、控制、保护等功能。这类传统的配电 方式不仅需要多种模拟指针仪表和继电器，并且以人工直接操作为主，很难实现 计算机智能管理，不仅给生产、储存、维修带来极大不便，对于较为复杂的控制 逻辑实现也比较困难，而且不具备故障诊断与故障报警等功能，集成化和智能化 程度低下 2 4 1 。 随着数据中心和大型机房配电系统的安全性、高能效和管理智能化越来越受 到重视，机房用户已经不再满足采用普通的配电柜产品，而是希望使用配电质量 更高、更灵活和管理更加便利的智能化配电柜产品垆j 。 智能配电柜是一款针对数据中心机房能源末端，综合采集所有能源数据的智 能化配电柜，它革命性地改变了传统配电柜的概念，具有多功能、数字化、网络 化、智能化、结构紧凑、易于维护等特点，主要应用于电信、金融、政府及i t 等 数据中心以及工业企业机房等的配电环节。智能配电柜进线处配置有高精度电力 参数测量仪，能实时监视电气参数水平，及时发送故障报警信号，提前发现潜在 的故障隐患，同时监视用电能耗水平，通过显示单元，实时反映相关电能质量数 据，实现对整个配电系统的实时监控和运行质量的有效管理，很好地满足了不问 断供电领域对供电可靠性的较高要求。并且，智能配电柜支持电力用户的个性化 设置并可以按设备的电力需求进行优化配置，解决电源柜分路不足的问题，方便 电路的检修，单一分支电路出现故障不必总配电柜断电检修，只需要断开该路电 源检修，大大提高机房整体电路的容错性。 本课题f 是在这一背景下开展的，智能配电监测系统作为智能配电柜的核心 组成部分，是实现配电柜智能化监测和控制的人机交互系统。系统主要实现对配 北京交通人学硕+ 学位论文 电现场的电能质量参数进行实时采集，对所采集数据进行快速处理，最后对处理 数据进行统计和存储，同时要完成人机交互和故障报警等多个任务。智能配电监 测系统通过对电力信号波形的监测分析，提取各项技术参数，可以实时准确地掌 握供电主回路和各个配电支路的运行状况，可以及时捕捉各种电能质量扰动，提 供扰动幅度和持续时间等信息，便于用户对造成电能质量下降的原因做出分析， 并通过上位机人机界面实现实时地人机交互，为电力用户提供可靠的判断依据， 能够保持配电高效率的同时有效预防和减轻电能质量问题给电力用户带来的损 失。 智能配电柜的研制和开发彻底解决了传统配电系统的缺陷，给机房配电的建 设和管理带来了全新的体验。智能配电监测系统作为智能配电柜的核心组成部分， 在该领域内处有国内领先水平，并能紧跟国际先进技术，将科研与生产实践相结 合。不仅体现了科技服务社会，而且对提高我国基础和传统行业的生产技术水平 也有着深远和重要的现实意义。 1 2智能配电监测系统的发展现状 随着现代工业的发展，数据中心和大型企事业单位对机房配电系统自动化和 智能化程度的要求越来越高。利用现代电子技术、传感器技术、通讯技术、计算 机及网络技术，将机房配电设备在正常及事故情况下的监测、保护、控制、电力 计量以及同工厂集散控制系统d c s 、p l c 、企业资源计划管理系统等融合在一起， 达到高层次、高透明度的良好管理，已成为一种必然的趋势和发展方向 6 】。当今， 互联网技术风靡全球，在改变着全世界的同时，它正式宣布数字化网络时代已经 来临。这意味着一切运行和经营管理方式均需数字化，并且必须与电脑、通讯相 融合【7 1 。 智能配电监测系统诞生于西方发达国家。大约于2 0 世纪7 0 年代开始，发达 国家就已经展丌了配电网自动监测的试点工作，相应的监控终端也从早期的单一 化、简单化的通信方式发展到现在的智能化、小型化、多功能化的通信方式【8 】。随 着微电子技术、计算机技术、电力电子技术、抗干扰技术等新技术的迅速发展， 电力自动化技术得到了空前发展。各大公司积极丌展有关智能配电监控方面的研 究，开始把相关技术应用于配电系统，也就是所谓的把强电测控与计算机技术、 微电子技术、网络通讯等技术相结合，从而诞生了智能配电柜及相关产品。例如 德国西门子公司s i v a c o n 系列i 圳，英国阿尔斯通公司g a l a x i s 和t r i m l i n e 系 列【1 0 j ，瑞典a b b 公司h o n o r 系列】等。 但是，国外产品也有着不可避免的缺陷，由十其面板操作较复杂，技术实现 引言 上各国之间有所差异，加之价格昂贵且可配置性差，其产品并不能完全适合我国 现阶段机房配电系统的需求瞄j 。 国内智能配电监测系统的开发起步于2 0 世纪9 0 年代，伴随着我国国民经济 的飞速发展，国家的基本设施建设有如雨后春笋一般，大型数据中心和企业机房、 大型公共设施、高层智能建筑、重点项目建设、大面积多变电所用户的急剧增加， 使得与之配套的配电设备监测技术的需求变得十分迫切，国家也对配电系统的安 全性、可靠性、易用性、实时性、兼容性以及缩小故障影响范围等方面提出了更 高的要求。同时通信技术和计算机技术的发展，也使得配电系统的自动化成为相 关技术发展的必然趋势，国内诸多企业和科研单位纷纷投入大量的人力物力来研 制和开发各种类型的配电监测系统，来满足电力行业飞速发展的需求【1 2 】。经过近 二十年的发展，国内的智能配电监测系统研究得到了长足的发展，但与欧、美、 日韩等发达国家相比，仍然存有较大差距 1 3 - 1 4 。 智能配电柜革命性地改变了传统开关柜的概念，具有网络化、数字化、智能 化、结构紧凑、多功能、易维护等特点，可以很好地满足电力工业未来的需求， 可以有效预防避免事故发生、减少设备维护和检修时间、实现数据资源共享、强 化企业内部能源考核等诸多优点，为企事业单位的机房配电管理提供了坚实、可 靠的基础，做到“一次投资，终身受益”，真正保护了电力用户的投资利益【1 5 】。 智能配电柜在现有普通开关柜的基础上，与新型的智能监测单元( 高精度传 感器、通断控制器等) 进行组合，通过智能配电监测系统的网络通讯接口与系统 的上位机以及中央控制室的计算机系统通讯，可以实现对各供配电回路的电压、 电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波含量、电度量等电气参数进行实时 监测以及对断路器的分合状态、故障信息，配电柜内温度状态等进行监视，并对 故障信息进行记录，配合各种完善的远程监控软件，从而实现对配电系统的“四 遥【7 】： ( 1 ) 遥测：通过测控单元实时对系统进行电压、电流、有功功率、无功功率、 功率因数、谐波含量、频率、电度量等进行不断地采集、分析、处理、记录，显 示曲线、棒图，自动生成报表。 ( 2 ) 遥信：可以实时对开关的开合状态、保护动作等开关量进行监视，上位 机实时显示和自动报警，并对柜内各开关的状态、过流、事故跳闸、温度等动作 进行实时记录、打印。 ( 3 ) 遥控：通过上位机屏幕选择相应的开关号、合闸分闸等信息，在屏幕上 将要选择的开关状态反馈回来，确认后执行，对开关号和操作的时问、类型等进 行实时记录。 ( 4 ) 遥调：根据电力用户的不同要求，设定各种运行参数，既上位机根据屏 北京交通人学硕+ 学位论文 幕操作指令或上位机根据对系统分析判断结果，对运行参数的设定值和故障保护 值进行远程设置。 智能配电监测系统是一个综合性很高的系统性工程，其分支有众多的相关设 备和子系统，而各设备与子系统之间既相互独立又存在着不同程度的联系。这也 就要求智能配电监测系统必须要采用全面的解决方案，走系统集成化之路，才能 使得各种应用之间既可共享投资和运行费用，又能最大限度的保护用户已有的投 资。 智能配电监测系统总的发展趋势是集成化、综合化、智能化、网络化、组合 化、模块化、高性能、小型化和多功能化，可操作性强、可扩充性强、可靠性高 等【1 6 。7 1 。面对激烈的市场竞争，重视对用户的服务质量也将成为增强公司竞争力 的重要手段之一，因此利用各种技术和经济手段，改进对用户的服务，指导用户 合理、经济的用电，提供用户用电的选择权等也将是未来智能配电发展值得注意 的一个新动向【引。 1 3课题的来源 本课题的合作公司是专门从事电力电子及其电气控制产品设计与研发的专业 技术型企业，长期致力于核心产品研发和应用方案设计，为电力行业用户提供产 品技术支撑和综合解决方案，具有雄厚的技术实力。其产品遍布风电、铁路、银 行等相关领域。 随着数据中心和企业机房规模的不断扩大，以及数据中心和企业机房对机房 配电系统的安全性、高能效和智能化管理的重视程度不断提升，智能配电柜的市 场需求巨大。为了推动智能配电柜国产化进程，促进相关行业的发展，智能配电 监测系统作为智能配电柜的核心组成部分，成为了该公司的重点研发对象。 本课题所研究的智能配电监测系统要实现智能化监测和控制的人机交互，主 要包括实时监测配电系统主回路及各配电支路的电气参数( 电压、电流、功率因 数、三相不平衡及谐波含量等) 、实时告警( 缺相、过载等) 、故障记录等功能要 求。 1 4课题的主要工作 基于以上论述的各个问题，本课题设计并开发了以高速数字信号处理器 ( d i 舀t a ls i 印a lp r o c e s s o r ，d s p ) 为核心控制器的智能配电监测系统，应用快速、 准确、适应性强的算法，实现对电能质量问题的监测和分析。本课题主要的研究 引言 内容和完成的工作有： ( 1 ) 查阅参考资料，掌握国内外电能质量分析系统的发展趋势，总结智能配 电监测系统的要求和实现方法。 ( 2 ) 结合智能配电柜的电气原理图，确定了智能配电监测系统的整体结构方 案，起草了相关技术指标要求，参与了系统硬件部分设计，详细论述了控制器内 包括信号调理模块、刖d 采样模块、d s p 模块、通讯模块、i o 的工作原理。 ( 3 ) 详细论述了系统监测电气参数的测量和分析方法，介绍了相关算法的原 理、实现步骤，对算法进行了仿真，并验证了算法的可行性和有效性。 ( 4 ) 完成了控制器软件系统和上位机人机交互界面的设计与开发，其中控制 器软件主要包括系统主程序、时钟中断程序和数据处理程序等部分，完成了相关 算法的编写并详细分析程序的工作过程，给出各个部分的流程图。 ( 5 ) 对该系统的硬件及软件功能进行测试，并对测试结果进行分析，给出测 试结论。 最后对全文总结，并对今后的研究工作进行了展望，探讨了下一步研究工作 的具体目标与方向。 钳能配电监测系统的整体方案 2 智能配电监测系统的整体方案 智能配电柜主要包括配电系统、髓测系统、风扇散热系统和声光报警系统等。 其中配电系统主要负责完成f f ：! 源隔离以及主网路的电源分配：j 氍测系统完成对配 电系统的实时监测，人机交互，f 关量i o 等任务：风扇散热系统和声光报警系统 主要负责配电柜内的温度调节和故障告警等任务。智能配电柜采用标准的机柜兼 模块化结构设计，融入了系统数据采集、实时监控、系统防雷、电网隔离、电源 的选择与判断等，真f 地做到了与机房环境相匹配。这使得非电气工程师在使用 和维护时，也能够容易地操作配电系统。智能配电柜的使用，使得机房配电系统 在可靠性、安全性、快速性、实时性等方面得到了质的改变。 2 1智能配电柜配电系统 智能配f 乜柜采用最新安装j ：艺，机柜外形与机房内的设备机柜保持一致性， f j ，j 后网孔门设计，通风性更好，整体币i 局合理，结构紧凑。智能配电枢柜体设i 如图2 1 所示。 h2 1 智能配电拒把体设计图 智能配电柜配电系统主要包括三相l 心线制电源输入、隔离变压器、t 叫路 次c t 互感器、漏f 乜保护装胃、进线负荷行关、进线断路器、变器温度豁测装置、 避雷器、支路电源输出等部分，其中漏f u 保护装置、进线断路器、变k 器温度监 测装置、避雷器等部分同时作为豁测系统的外设，与控制器进行实时通讯，以丈 北京交通人学硕十学位论文 现对智能配电柜的故障监测和故障告警等功能。智能配电柜配电系统电气原理图 如图2 2 所示。 y d 图2 2 智能配电柜配电系统l 乜气原理图 2 2智能配电监测系统的设计方案 2 2 1智能配电监测系统的整体结构 智能配电监测系统的总体结构见图2 3 。系统主要包括控制器、通断控制器、 触摸显示屏、主路p t 互感器、主路c t 互感器、支路c t 互感器等部分。其中主 路p t 互感器、主路c t 互感器、支路c t 互感器负责电能质量参数的采集，通过 数据线与控制器相连；触摸屏、通断状态控制器和漏电保护装置通过r s 4 8 5 总线 与控制器进行实时通讯，分别完成系统的人机交互、支路开关状态监测和配电柜 主回路漏电状态监测；控制器预留6 路丌关量丌入，4 路丌关量丌出，温度监测装 置、避雷器和进线负荷开关、断路器状态通过丌关状念的开入完成对配电柜内隔 离变压器温度、避雷器以及进线负荷丌关、断路器状态的监测；风扇散热系统和 声光报警系统属于智能配电柜的服务设备，由控制器的丌出量控制，主要完成配 电柜的散热和危险状态报警等功能。 智能配电监测系统的整体方案 图2 - 3 系统总体结构图 ( 1 ) 互感器：包括主路p t 互感器、主路c t 互感器和支路c t 互感器，通过 数据线与控制器相连。互感器是智能配电监测系统的第一级电路，负责将主回路 电压、电流信号，支路电流信号转换为低电压信号。由于从互感器出来的低压信 号中混杂了一些噪声，为了保证测量精度和控制器的安全，在后级电路中，通过 信号调理电路进行相关处理，以满足a d 转换的要求。 ( 2 ) 控制器：控制器采用以d s p 为核心的电路设计，主要负责完成模拟信号 调理，信号的刖d 转换，数据采集计算，开关量的开入开出，状态量监测以及通 信等功能。 ( 3 ) 通断状态控制器：通断状态控制器与智能配电柜各支路断路器下口相连， 通过对支路断路器下口的电压测量，完成对各支路断路器开关状态的监测。通断 状态控制器通过内置电压p t 互感器将各支路电压转换为低压信号，经过信号调理 电路进行相关处理，通过r s 一4 8 5 总线与控制器通讯。 ( 4 ) 触摸屏：本系统采用触摸屏作为上位机实现人机交互功能。触摸屏通过 r s 一4 8 5 接口与控制器进行通信，用于实现配电柜主回路、各个支路电能质量监测， 主回路和支路故障告警，告警阀值设置，同志记录等功能。 2 2 2智能配电监测系统的装配 不。 以5 0 支路标准智能配电柜为例，智能配电监测系统的整体装配图如图2 4 所 9 北京交通人学硕+ 学位论文 幽2 _ 4 智能配电监测系统整体装配图 由于系统的控制器只有4 8 路模拟信号通道，其中主回路电压电流为8 路信号 所以采用两个控制器对智能配电柜内电气参数进行监测，同样采用两个通断控带 器同时监测各个支路的开关状态。 1 0 智能配电监测系统的整体方案 2 3智能配电监测系统的主要功能和技术指标 本课题所设计的智能配电监测系统作为智能配电柜的核心组成部分，是智能 配电柜实现智能化监测和控制的人机交互系统，首先要实现对现场的电能质量参 数进行实时采集，然后要对采集数据进行快速处理，最后还要对处理参数进行统 计和存储，同时要完成人机交互和故障报警等多个任务。这就要求所设计的系统 不仅具有高速的处理能力，还要具备实时任务调度能力。 智能配电监测主要实现功能如下： ( 1 ) 主回路电能质量参数监测：三相电压有效值、三相电流有效值、频率值、 三相电压不平衡度、电流不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、 谐波含量、负载百分比，电度量等； ( 2 ) 支路电能质量参数监测：电压有效值、电流有效值、负载百分比、电度 量、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、谐波功率、谐波含量、断路器 开关状态等； ( 3 ) 其他监控功能：可以实现避雷器、漏电保护装置、温度监测单元等的状 态监测。 ( 4 ) 异常告警和风扇控制功能：出现故障和不f 常状态时通过触摸屏和声光 报警装置通知用户，包括欠压、过压、过流、过载、缺相、避雷器状态、漏电等， 当变压器温度过高，系统自动启动散热风扇； ( 5 ) 阀值设置功能：可以根据用户的不同要求通过触摸屏对各个报警参数的 触发阀值进行修改设置； ( 6 ) 故障记录存储功能：系统可以按时问对每次故障进行记录； ( 7 ) 数据显示和人机交互功能：通过触摸屏实现数据的实时显示与人机交互。 根据系统的性能要求和设计思想，参考了部分国内外相关产品的性能指标 9 。1 1 ，同时依据国家或国际的相关标准1 8 。1 9 】，起草了智能配电监测系统的技术指标 要求，如下所示： ( 1 ) 频率监测范围：4 5 5 5 h z ，精度：o 1 h z ； ( 2 ) 电压监测范围：0 4 0 0 v ，精度：1 o ； ( 3 ) 电流监测精度：1 o ； ( 4 ) 相位监测范围：o 3 6 0 度，精度：1 0 ； ( 5 ) 基波监测精度：基波电压1 0 ，基波电流1 0 ； ( 6 ) 喈波监测次数：1 6 4 次； ( 7 ) 谐波含量监测精度：谐波电压含量1 o ，谐波电流含量1 o ； ( 9 ) 电压不平衡度监测精度：1 0 ； 北京交通人学硕十学位论文 ( 9 ) 电流不平衡度监测精度：1 0 ； ( 1 0 ) 工作温度：规定的工作环境温度范围：4 0 + 8 5 。 2 4本章小结 本章详细阐述了智能配电柜的总体结构，结合智能配电柜配电系统的电气原 理图，确定了智能配电监测系统的整体结构方案，完成了智能配电监测系统的装 配图，并依据智能配电监测系统的主要功能起草了相关的技术指标要求。 i 【l 能质量参数测量方法的研究 3 电能质量参数测量方法的研究 随着现代科学技术和电力工业的迅猛发展，电能质量问题对电网造成的直接 危害和可能给人们的生活和生产带来的损失越来越大，电能质量问题正受到越来 越多的关注：一方面，由于非线性与冲击性的用电负荷增加，对电能质量造成的 干扰或“污染”越来越严重；另一方面，现代用电设备对电能质量也提出了更高 的要求。为此，国家相关部门制定了电能质量的相应标准：标准中对电能质量各 指标的定义，成为探讨电能质量监测系统计算电能质量指标的主要理论依据。 3 1电能质量问题综述 3 1 1电能质量概述 电能不仅是一种经济、实用、清洁而且容易控制和转换的能量形态，也是电 力部门向电力用户提供的由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。一个 理想的电力系统应该以恒定频率( 5 0 h z ) 的f 弦波形，按照规定的电压水平对电 力用户供电。由于供电系统中各元器件的参数并不理想，比如发电机、变压器、 线路等的负荷性质变化各异，以及调控手段不完善的存在、外来干扰和各种故障 等原因，致使理想的供电状态在实际当中并不存在。由此产生了电网运行和电气 设备的使用过程中的各种各样的问题，也就产生了电能质量的概念【2 0 1 。 由于看问题的角度不同，并且受到电力系统发展水平和用电负荷性能与结构 的制约，时至今日，人们对于电能质量的技术含义仍然存在着不同的认识。电力 企业通常把电能质量简单地看成是电压与频率的合格率，并且合格率超过9 9 就 是符合质量要求的；而电力用户一般会把电能质量笼统地看成是否可以向负荷正 常供电；设备制造厂商则认电源特性完全满足电气设备设计的f 常工况需要时电 能质量刁是合格的。 在电力系统发展的早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异 步电动机和各种照明设备等线性负荷组成。因此，电能质量的衡量指标也比较简 单，主要有频率偏移和电压偏移等。自2 0 世纪8 0 年代起，随着科学技术的发展， 非线性电力电子装置、直流输电和灵活交流输电( f a c t s ) 装置、调速电机以及 无功功率补偿电容器大量投入运行，使电网中电压和电流波形畸变越来越严重， 谐波水平不断上升。目前在电能质量标准中已增设了谐波这个指标。此外，三相 不平衡，电压波动和闪变也已经引起了足够的重视，这些指标也已经列入电能质 北京交通人学硕+ ! 学位论文 量的相关标准。 目前，i e e e 技术协调委员会正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，并且给出 了相应的技术定义：“合格电能质量的概念，是指给敏感设备提供的电力和设施的 接地系统是适合于该设备正常工作的”。i e c 提出使用“e m c ”( 电磁兼容) 术语， 以强调和指出设备与设备之间以及电源与设备之间的相互作用和影响，并以此为 基础，制定了一系列的电磁兼容相关标准。由于电磁兼容术语与电能质量术语有 很大的重叠性，在我国一般采用“电能质量”这一术语。 3 1 2电能质量问题的分类 i e e e 技术协调委员给出了电能质量的特征与具体分类，以便更加系统地研究 电能质量问题，对测量结果进行分析，从而进一步找到引起电能质量问题的原因 并采取针对性的解决方法 2 0 1 。i e e e 电能质量问题的特性与分类如表3 1 2 u 所示。 1 4 电能质量参数测量方法的研究 表3 1i e e e 电能质量问题的特性与分类表 种类频谱成分持续时间电压幅值 纳秒级5 n s 上升 1 m s 态 升 低频 5 l d zo 3 5 0 0 m s o 4 p u 振荡中频 5 5 0 0 k h z 2 0 邮o 8 p u 高频o 5 5 m h z 5 s o 4 p u 电压中断o 5 3 0 周波 o 1 p u 即时电压跌落0 5 3 0 周波 0 1 o 9 p u 电压升高0 5 3 0 周波 1 1 1 8 p u 短 期 电压中断3 0 周波3 s l m i n 0 8 o 9 p u 动 过电压 l m i n 1 1 1 2 p u 电压不平衡稳态0 5 2 直流偏移稳态 o o 1 波 谐波 0 1 0 0 t h 稳态0 2 0 形 火 间谐波 o 6 k h z稳态0 2 直 ，、 陷落稳态 噪声宽带 稳态0 l 电压波动 2 5 h z 断续o 1 7 频率偏差 1 0 s ( 1 ) 电磁瞬态 电磁瞬念可分为两类，冲击和振荡。冲击瞬态一般通过它的上升时间和衰减 1 5 北京交通人! 学硕+ 学位论文 时问来衡量，冲击瞬态主要是由闪电引起的；振荡瞬态是指频谱内容( 主导频率) 、 持续时间及幅值大小。 ( 2 ) 短期电压变动 短期电压变动主要包括电压的中端、升高和跌落，按持续时间的不同又可分 为即时电压跌落、瞬间电压跌落和暂时电压跌落。短期电压变动几乎都是由故障、 大负荷需要的高启动电流或配线间歇接触不良产生的。电压中断是指电压或负载 电流小于o 1 p u ，其持续时问不超过1 分钟，中断可能是由系统故障、设备失灵或 控制的错误造成的；电压跌落持续时间为o 5 s 1 m i n ，幅值为0 1 p u o 9 p u ，典型 的电压跌落是单相对地故障，变电站并联回路之间的故障也可能影响其它回路的 电压，除了系统故障之外，电压跌落常常由大负荷的投入或大电机的启动造成； 电压升高是指电压或电流持续o 5 周期1 分钟的幅值升高，典型的幅值是1 1 1 8 p u 。与电压跌落类似，电压上升经常也是由系统故障产生的。 ( 3 ) 长期电压变动 长期电压变动主要包括电压持续中断、过电压和欠电压等。电压中断是指电 压消失时问持续1 分钟以上，电压中断通常为永久性事件，需要人工恢复；长期 电压变动是指持续时间大于1 分钟的幅值变化，主要通过幅值变化和持续时f 白j 来 衡量。造成过电压和欠电压的原因主要包括系统的开关操作和系统负荷的变化等。 过电压通常是由系统无功补偿的变化或大负荷切除、较弱的电压控制和调节能力、 错误的变压器分接头操作等造成；欠电压主要是由于过电压相反的操作造成的。 ( 4 ) 电压不平衡 电压不平衡度是指三相电压的负序分量和零序分量与正序分量的比值，负序 和零序分量通常由电压不平衡的负载产生。小于2 的电压不平衡通常是由与三相 电路中存在单相不平衡的负荷。严重的电压不平衡( 大于5 ) 通常是由单相故障 造成的。 ( 5 ) 波形失真 波形失真是指理想正弦波形的稳态变化，其特征为频谱的内容。主要包括直 流偏移、谐波、问谐波、陷落、噪声等。直流偏移指的是交流电力系统中存在直 流电流或电压，主要由半波整流或地磁干扰等原因造成；谐波是指频率为基频整 数倍的正弦电流或电压迭加于基频电流或电压之上所产生的波形的畸变，谐波是 由系统中非线性的设备或负荷产生的，包括逆变器、电弧炉、静止无功补偿器、 分布式发电、电子相角控制、周期的丌关切换、p w m 控制等【2 2 】，这些设备可以看 作电流源，注入谐波电流，谐波电流通过阻抗产生非线性电压下降，引起电压变 化；问谐波发生在所有电压等级的电网内，表现为离散的频率或宽带的频谱，问 谐波的畸变源是静止变频器、循环换流器、感应电动机和电弧发生装置，电力线 6 电能质量参数测量方法的研究 上的载波信号也可以看作是间谐波；陷落是电力电子设备正常操作时，由一相换 流至另一相时在两相间发生瞬时短路所产生的周期性的电压干扰，属于落入谐波 畸变和电磁瞬态范围的一个特殊情况，产生连续直流的三相整流器是产生电压陷 落的最主要原因；噪声是不希望出现的宽带电磁信号，可能由电力电子设备、控 制电路、电弧发生设备、晶体管整流负载或电力开关产生。 ( 6 ) 电压波动 电压波动是指电压平均值一系列相对快速变动或连续的改变，大小变化一 般为o 9 5 1 0 5 p u ，电压波动主要是由电流变化较大的负荷造成的。在电力系统中， 电弧炉是产生电压波动的最一般原因。 ( 7 ) 频率变动 频率变动是指电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值不等于标 称值的现象。频率变动受系统发电机旋转速度的影响，同时谐波与问谐波的存在 也是产生频率变动的主要原因。 3 1 3电能质量分析方法 电能质量问题由来已久，但其内容和定义却存在变化，随着现代工业技术的 快速发展，电力用户对供电质量的要求越来越高，电能质量的内容和定义也在不 断地发展和扩充。 现代电能质量分析的常用方法：( 1 ) 时域仿真法；( 2 ) 频域仿真法；( 3 ) 基 于变换的方法，常用的域变换方法主要有快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l ， f f t ) 、短时傅里叶变换俐 ( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a l l s f o m ，s t f t ) 、h i l b e n 变换、 z 变换、小波变换【2 5 - 2 6 j ( w a v e l e tt r a n s f o 册，w t ) 和平方变换( q u a d r a t i ct r a n s f o n n ， o t ) 等；( 4 ) 基于人工智能的分析方法，主要包括专家系统、神经网络、决策系 统、遗传算法和模糊数学分析等人工智能方法在电能质量分析中的应用【27 | 。 3 2相关参数的测量和分析方法 3 2 1电压和电流有效值的测量 ( 1 ) 有效值的定义 任意周期信号x ( f ) 的有效值定义为【2 8 】： x = 氍磊t ( 3 1 ) 北京交通人学硕+ 学位论文 由( 3 1 ) 式得电压、电流有效值为： u ：豚 i = 陌 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 2 ) 电压、电流有效值的计算 考虑到输入信号含有谐波分量，输入电压、电流瞬时值和有效值可通过下式 求出： “= s i n ( 尼缈f + 瓯) ( 3 4 ) 矗= l ， f - ， s i n ( 尼国h 纯) ( 3 5 ) = l 式中、。分别为第h 次谐波的电压、电流峰值；皖、分别为第h 次谐波 的电压、电流的相角；n 为所含谐波的最高次数。 可以得到电压、电流有效值( 即方均根值) 的定义式： 其中各次谐波的峰值、 根据数字信号的特点，可 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 式中m 为每次采样的点数，“( ，) 、i ( ，) 分别为电压、电流在第j 个采样点的 采样值。 ( 3 ) 电压偏差的计算 供电系统总负荷或部分负荷改变，导致供电电压逐渐偏离标称电压的电压变 动，称为电压偏差。当电压有效值求出后，电压偏差可由公式( 3 1 0 ) 计算得到。 ， 电压偏差( ) = 二i 竺1 0 0 ( 3 1 0 ) u n 其中己，。，为标称电压。 ( 4 ) 相电压与线电压、相电流与线电流的关系 对于三相四线制的电网，三根相线中任意两相f 刚的电压称线电压，任意一根 电能质量参数测量方法的研究 相线与零线问的电压称相电压，三相电压的相位相差1 2 0 。，线电压是两个相的相 电压的矢量和，其中线电压= ；相电压。 相电流是指三根相线中任意两相之间的电流，线电流是指三根相线中任意一 相与零线之间的电流。对于三相四线制的电网，相电流和线电流是同一电流，它 们大小相等。 3 2 2 功率参数的测量 ( 1 ) 功率参数的定义 1 ) 单相功率参数 在单相正弦电路中，同相电压“( f ) 和电流f ( f ) 在时间t 内产生的有功功率为： p = c o s 口 ( 3 1 1 ) 在单相正弦电路中，同相电压z ，( f ) 和电流以) 在时间t 内产生的无功功率为： q = 明s i n 口( 3 1 2 ) 在单相f 弦电路中，同相电压“( f ) 和电流f ( f ) 在时间t 内产生的视在功率为： s = 凹 ( 3 13 ) 其中己厂、，分别为时问t 内的单相电压、电流的有效值，口为“( f ) 和砸) 的相 位差。 单相电路的功率因数为： c o s a = p s 2 ) 三相功率参数 三相电路的总有功功率为： p = 只+ 圪+ 三相电路的总无功功率为： q = q 。+ q 6 + q 。 三相电路的总视在功率为： s = s n + s b + sc 其中乞、圪、，q 、q 6 、q ，s 。、咒、s 。分别为三相电路a 、 功率、无功功率和视在功率。 三相电路的功率因数为： c o s 仪= p ? s ( 2 ) 功率参数的计算 1 9 ( 3 一1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) b 、c 的有功 ( 3 1 8 ) 北京交通人! 学硕十! 学位论文 在含有谐波的非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数的定义均和正 弦电路相同。非正弦周期函数可以用傅里叶级数表示，其中基波和各次谐波分量 是互相正交，其有功功率表示为： 尸= 去知j 似) = 粪c o s 口。 ( 3 - ，9 ) 非正弦电路的无功功率为： q = u s i n 口 ( 3 - 2 0 ) 由式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 可得非正弦电路的视在功率为： s = w = 器辱 ( 3 2 1 ) 其中h 为谐波次数，n 为所含谐波的最高次数，口为第h 次谐波电流与电压 的相位差。 ( 3 ) 电能与负载比的计算 电能： ( f ) = js o 渺 ( 3 - 2 2 ) 负载比： s 口5 i( 3 2 3 ) 1 p 其中只为额定功率。 3 2 3三相电压不平衡的计算 电力系统的三相电压不平衡状况是电能质量的主要指标