电能质量分析及其监测系统的硬件设计开题报告

嘉兴学院毕业设计（论文）开题报告题目：电能质量分析及其监测系统的硬件设计学院名称：机电工程学院专业班级：学生姓名：俞晓星选题的背景、意义电能质量问题是电力市场环境下供用电双方都关心的一个问题，随着精密电子技术的广泛应用，电能质量问题更得到了广大电力用户的关注，电能质量的监测评估是电力市场化运营的必然要求，实现电网电能质量的全面监测，提高对污染性负荷用户的有效监督，是当前电能质量监测领域的一项重要课题。随着我国电力市场的逐步建立，对电能质量提出了越来越高的要求。电力用户也要求高质量的电能来保证其设备、仪器和系统的正常运行。但是，随着现代科学技术的迅猛发展，一方面，由于电力电子设备的应用领域越来越广，特别是各类冲击负荷和非线性负荷容量的不断扩展，使得电网中电压波形发生畸变，电压波动、闪变和三相不平衡等问题时有发生，严重地影响了电能质量;另一方面，由于人们越来越多地使用精密和复杂的电子设备，如计算机、通信设备以及各种过程控制系统来处理和管理工作过程和事务。这就要求高质量和高可靠性的配电系统，以提供与之相适应的电能。我们可以这么说电能作为现代社会中最为重要的二次能源,它的应用程度已经成为一个国家发展水平的主要标志之一。与此同时,各行各业对电力系统供电质量的要求也越来越高。电能质量对电力系统电网和电气设备的安全、经济高效运行、产品质量保证以及维护人们日常生产和生活的正常秩序都有着重要意义。对电能质量进行检测和分析从而提高和改善电能质量具有重要的现实意义。二、相关研究的最新成果及动态电能质量是多学科综合性问题，电能质量问题研究逐渐走向内涵广义化，基准指标化，操作工程化。近十多年来，在全球范围内，电能质量问题已引起电气工程界的极大重视，不少学者著书立说，许多国家和团体纷纷成立专门的研究机构，在理论与方法、技术与装置、监测与标准、监管与治理等许多方面取得了明显进步。1996年，IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议（ICHPS）更名为电力谐波与电能质量学术会议（ICHQP）。把电能质量提高到一个新的高度来认识。国外有关电能质量分析与监测研究正兴起高潮，随着对电能质量问题的研究和重视，国外陆续出现了相应的测量仪表，其中比较有代表性的产品如美国公司生产的系列三相电能质量分析仪是目前唯一的一种将示波器、万用表和电能质量分析仪集合一体的分析仪器并且具有质量优、性能好的优点正大范围的推广使用中，目前，国外电能质量分析与监测设备已经融合了许多领域的高科技，如网络技术、通信技术、数字信号处理技术数据挖掘技术等。随着电子技术的发展和网络通信技术的进步,以DSP为处理器的网络化电能质量分析与监测系统已成为该领域的发展方向。电能质量分析与监测是一个既老又新的问题，现代电力系统和工业生产的发展赋之以新的含义，科技的发展和社会文明的进步又丰富了其内容，使其更加科学和全面化，并逐渐形成体系，已成为一个覆盖诸多学科的复杂领域，自1996年美国EPRI出版世界第一本PQ专著《ElectricalPowerSystemsQuality》以来，10多年时间里先后约有20多本著作出版，而出版地主要集中在美国和欧洲，其中尤其以2008年出版的、由LPQI（欧盟-莱昂纳多电能质量工作组）32位专家教授合著的《HandbookofPowerQuality》将电能质量相关方面的研究做了较为全面与细致的梳理，具有极其重要的实践应用价值，其内容包括PQ基本现象（系统频率和电压变化）、电压与电流的特性（涉及电压暂降、电压波动与闪变、电压和电流波形畸变、电压和电流不平衡及过电压问题）、运行中的PQ问题（包括供电连续性和可靠性及PQ监测与评估）、PQ相关配置（配电网结构、电器与设备）、PQ治理方案（PQ和电力系统的关系、典型补偿方法与装置）及未来PQ市场（介绍在分布式发电和电力市场、劣质电能成本及电能的合理利用方面的最新研究成果）等等在电能质量的监测及应用仪器的和设备的开发方面，国内正进入一个蓬勃发展期，理论研究方面，正致力于电能质量的界定方法和评估体系的建立、国家电能质量标准的完善和电能质量分析相关算法的研究。其中电能质量评价体系的建立主要涉及电能质量的定义、综合评价体系及其咋电力市场、智能建筑中的应用等方面；2006年4月，经国家发改委批准组建的电力行业电能质量计柔性输电标准化技术委员会，正进一步完善国家的电能质量标准体系；算法分析是电能质量研究的重要内容，目前相关的算法研究主要致力于利用FFT算法、小波分析、窗函数等工具，进行信号去噪、信号提取以及谐波分析等方面的处理。在电能质量的监测内容方面，目前我国己制定了6项电能质量指标，分别为频率、电压波动和闪变、电压偏差、三相不平衡、谐波及暂时过电压和瞬态过电压。我国电能质量监测的研究正逐步的向着法规化、标准化、统一化迈进。但总的说来我们电能质量监测领域的研究还仍然处于起步阶段，与西方发达国家的差距仍然较大，这主要因为我国在这方面研究起步较晚，20世纪80年代一些高校才开始电能质量监测的研究，而研究工作却仍然以理论和仿真实验为主，尽管近年来我国电能质量监测装置开始进入实际工业现场，但实际应用水平有待提高。目前，电力部门所用的电能质量测量和分析装置大多数是进口的国外产品，价格昂贵，因此这是摆在我们面前难得的机遇与挑战，开发实用、可靠性高和满足精度要求的电能质量监测算法，提高国内测量装置的自动化水平，就成为了一件具有重要意义的事情。课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标目前，国内大部分地区仍采用便携式电能质测仪进行电能质量测量，由于该仪器的测量指标单一，不能连续监测，测量劳动强度大．因而不能很好地适应电能质量管理的需要。随着数字化测量技术、计算机技术和网络通信技术的飞速发展，国内一些科研院所已开展了电能质量远程监测系统的研究。采用计算机远程在线监测．可连续多点监测，并可辅助管理，故能克服传统手工监测手段的缺陷。本课题研究小组就是希望在此背景下围绕电能质量各指标分析计算设计出一种基于DSP的电能质量实时监测装置，充分发挥DSP芯片的数字处理能力和MCU的控制功能。采用模块化的设计思路，将系统分为信号采集模块、信号处理模块、人机接口模块等多个功能模块，各模块之间通过信息交换协调工作。作者本人负责电能质量监测系统设计硬件方面的工作，硬件方面，本文将详细介绍了数据采集和数据处理等模块的具体电路实现，以及相关的系统电路扩展。一般认为,电能质量是指电网线路中电能的好坏程度,电能质量问题按产生和持续时间为稳态电能质量问题和动态电能质量问题。稳态电能质量指标包括频率偏差、电压偏差、波动与闪变、三相不平衡度、各次谐波电压的含有率及其电压、电流总畸变率等；动态质量指标包括暂时或瞬态过电压、电压暂降与短时间中断。故该电能质量监测装置对三相电压、电流信号进行采集分析，利用电能质量计算公式计算出频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数、三相不平衡度、电压波动与闪变、总谐波畸变率等重要电能指标，并可以通过液晶屏实时显示测量结果。我们知道电能质量的监测是一个系统而复杂的过程，电能质量要实现的目标是：供电质量和用电质量的各项指标达到电能质量标准和有关电磁兼容标准的要求，从而使电网安全可靠、优质高效运行。在社会总成本最小前提下，最大限度的平衡供电公司电力用户和电力设备制造商三者之间的利益。电能质量监测的难点主要集中在算法的选择上，电能质量监测系统软件指的是电能质量分析中所必不可少的算法,比如谐波分析、闪变计算、三相不平衡度的计算、电压暂降与暂升的测量等。这些算法都由FPGA完成,ARM板主要负责结果数据的网络传输和实时显示。在电能质量分析算法中,三相不平衡度的计算以及电压暂降与暂升的测量按照电力系统中对于它们的定义用C语言很容易实现,算法中最大的难点是谐波分析和闪变计算算法，由于现代电能质量监测对各项监测指标的精度要求高,在设计过程中我们必须采用先进、复杂的算法,比如,在增加每周期采样点数的基础上,增加采样窗口的长度,对采样数据进行小波去噪,采用加窗FFT,进行数字滤波等,并且要求数据交换速度快,实时性好。这都对硬件平台的设计提出了更高的要求。同时由于不同厂商的通信协议和数据格式不尽相同，这给监测系统的接入和数据分析带来不便。为减小通信协议的差异性，电能质量监测系统分为个部分，即主站系统、前置机系统和监测子系统。主站系统负责和前置机通信并进行数据采集，同时提供电能质量监测、分析的服务；前置机系统是监测子系统与主站系统的中间层，负责通信及不同厂商规约转换、PQDIF解析和数据采集命令的发送与接收；电能质量监测子系统提供采集数据的设备。本课题主要是针对我国电力系统的供电现状，以谐波的测量、分析为主，并使装置尽可能地包括各种电能质量参数，为电网的安全运行和有效管理提供详细可靠的电力电能参数，力求在借鉴同类装置的基础上，研制和开发出一种实用的、低成本的、便携的电力系统谐波测量装置，以适应配电系统的发展。本课题主要的研究内容有:1）分析谐波产生的原因，研究谐波等电参数的计算和硬件实现方法。2）利用微处理器及含有谐波计算功能的专用电能计量芯片设计谐波及电能测量的软件系统。本系统的程序设计采用模块化设计方法，模块包括：数据采集与处理模块、人机接口模块、通信模块等。DSP技术的飞速发展，为研制谐波电能计量装置提供了强有力的技术支持。本装置就是通过数据采样电路采集电压、电流等数据，利用DSP的快速处理数据的能力，对电压和电流的采样数据进行FFT变换，从而得到各次谐波电压和电流之值，再根据谐波功率和电能的计算方法，计算出各次谐波的电能。在硬件的设计上，采用通用的FFT算法，利用DSP高速率特性可以在两次采样间隔的时间里完成各个电能参数的计算，达到计算和采样的同步。硬件设计还考虑升级的可扩展性，可通过对DSP程序的更新来达到算法的升级。研究工作详细进度和安排2011.10.20指导教师给学生下达任务书2011.10.21~2011.11.10查阅文献，并完成外文翻译2011.11.11~2011.12.10阅读文献，完成文献综述2011.12.11~2012.1.10完成开题报告并开题2012.1.11~2012.3.31完成系统理论设计、实际装配和调试2012.4.1~2012.5.10撰写毕业设计修改并定稿2012.5.11~2012.5.28毕业设计送评阅人审阅,做好答辩的准备工作，参加答辩2012.5.29~2012.6.2根据答辩意见进一步完善设计，完成业务总结2012.6.3~2012.6.5按要求上交毕业设计相关的纸质档案、电子文档参考文献[1]周军，李志霞，陆勇．基于DSP的电能质量在线监测系统的研制[J]．电测与仪表，2007，499(44)：41—44．[2]张建坡，贾秀芳．电能质量监测与管理信息系统[J]．继电器，2007，35(12)：289—291．[3]习博，方彦军．基于ARM的嵌入式电能在线监测装置的设计．仪表技术与传感器，2007(2)：46—49．[4]胡乃英;王德成;;基于谐波检测的频谱混叠分析与处理[J];电气传动自动化;2006年04期[5]王宾,潘贞存,张慧芬;分布式电能质量监测系统硬件平台的设计[J];电子测量与仪器学报;2004年02期[6]朱正超,姬劳,彭卫东.用TMS320LF2407和FPGA实现电能质量监测[J].单片机与嵌入式系统应用,2003(3):61-63.

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