毕业设计(论文)-谐波电能计量算法的研究及MATLAB仿真.doc
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1、 ( (2011 届)届) 毕业设计毕业设计( (论论文)文) 题 目: 谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 学 院: 机电工程学院 专 业: 电子信息工程 班 级: 电信 072 学 号: 姓 名: 指导教师: 教 务 处 制 2011 年 5 月 20 日 I 诚诚 信信 声声 明明 我声明,所呈交的论文是本人在老师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我查证,除了文中特别加 以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺,论 文中的所有内容均真实、可信。 论文作者签名: 签名日期: 年
2、月 日 II 授授 权权 声声 明明 学校有权保留送论文交的原件,允许论文被查阅和借 阅,学校可以公布论文的全部或部分内容,可以影印、缩 印或其他复制手段保存论文,学校必须严格按照授权对 论文进行处理,不得超越授权对论文进行任意处置。 论文作者签名: 签名日期: 年 月 日 III 谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 摘摘 要要 本课题主要研究了小波变换的基本理论,为实现复杂工业现场的电能准确计 量,提出了基于小波分解与重构算法的谐波电能计量方法,介绍了小波的分解 与重构算法和基于该算法的谐波信号提取方法,提出了一种在谐波存在的环境 下基于小波变换的有功电能计量算法,并对稳态信号的有
3、功电能计量进行了仿 真实验。 结果证实了基于小波变换算法的有功电能计量精确度可满足现行电网运行 要求,具有很大的实用价值和可行性。 关键词:谐波能量,小波变换,分解与重构,稳态信号,MATLAB 仿真 IV Harmonic power measurement algorithm and MATLAB simulation Abstract The main topic of the basic theory of wavelet transform for the realization of complex industrial site accurate measurement of p
4、ower, based on wavelet decomposition and reconstruction algorithm of the harmonic energy measurement method, introduced wavelet decomposition and reconstruction algorithm and the algorithm harmonic signal extraction, a presence in the environment based on harmonic wavelet transform algorithm for act
5、ive energy measurement, and the steady- state signal energy measure were simulated. The results confirm that the algorithm based on wavelet transform energy measure accuracy can meet the requirements of the existing power grid, has great practical value and feasibility. Keywords: Harmonic energy,Wav
6、elet Transform,Decomposition and reconstruction,Steady-state signal,MATLAB simulation. V 目录 摘 要III AbstractIV 1 绪论1 1.1 选题背景及研究意义1 1.2 谐波分类及变化特点2 1.3 谐波测量在电力系统中的重要性及电网谐波的标准2 1.3.1 谐波测量在电力系统中的重要性.2 1.3.2 电网谐波的标准5 1.4 谐波测量仪器5 1.4.1 谐波测量仪器的分类5 1.4.2 谐波测量仪器的发展趋势6 1.5 电网谐波测量方法综述6 1.5.1 采用模拟带通或带阻滤波器测量方法.6
7、 1.5.2 快速傅里叶变换理论.7 1.5.3 瞬时无功功率理论8 1.5.4 神经网络理论9 1.5.5 小波变换理论9 1.6 论文主要研究的内容和目标9 1.6.1 主要研究的内容9 1.6.2 目标10 2 电网谐波的数学理论.11 2.1 谐波的概念及相关参数11 2.1.1 谐波的概念11 2.1.2 谐波含量(电压或电流)13 2.1.3 谐波含有率(HR)13 2.1.4 公用电网谐波电压和谐波电流的计算14 2.2 离散傅里叶变换理论15 2.2.1 定义15 2.2.2 用 DFT 进行谱分析存在的问题.16 2.3 快速傅里叶变换理论16 2.4 小波变换理论20 2.
8、4.1 小波变换.20 2.4.2 多分辨分析.22 3 基于小波变换的谐波电能测量及 MATLAB 仿真28 VI 3.1 小波的分解与重构28 3.2 电能的计算.29 3.3 谐波功率的定义.30 3.4 基于 MATLAB 平台的有功电能计量仿真31 4 基于 ATT7022B 的谐波电能测量硬件设计.37 4.1 装置总体设计方案37 4.2 芯片 ATT7022B 的结构37 4.2.1 电源监控电路.38 4.2.2 系统的复位38 4.2.3 A/D 转换.39 4.3 采样电路39 4.4 存储器电路40 4.5 SPI 接口电路41 4.6 通信转换电路41 结论42 参考
9、文献43 致谢44 附录图 1 硬件连接图.45 附录 2 仿真程序 1.46 附录 3 仿真程序 246 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 近年来,现代工业的高速发展使得越来越多的非线性负荷出现在电力系统 中。这些非线性负荷生大量的谐波电流,造成电网中电压波形的严重畸变,对 电力系统中的发、变电设备、继电保护装置、自控装置、通讯设备和测量仪器 造成了不同程度的危害。谐波污染问题已经在世界范围内得到广泛的重视。电 能计量是发电企业、输配电企业、电力用户之间进行贸易结算的依据,它的准 确性与合理性直接影响三者之间的利益。 国内电力系统中最常用的电能计量表计是感应式电能表和电子式电能表, 从其
10、电能计量原理来看,两种电能表在电网谐波条件下都无法做到准确的电能 计量。感应式电能表在谐波影响下的误差是由其自身的电磁物理特性决定的。 国内外技术人员针对感应式电能表的误差模型、谐波条件下的误差完成了大量 的理论和试验工作。电网谐波条件下的电能计量主要存在以下问题:(1)当对 线性负荷供电的电源含有谐波功率时,感应式电能表记录的是基波电能及部分 谐波电能。 (2)当基波电源对非线性负荷供电时,非线性负荷将产生谐波功率 及电能,谐波功率将流人电网和其它用户,而电磁式电能表记录的是基波电能 减去一部分谐波电能的值。 (3)含谐波功率电源对非线性负荷供电时,情况比 较复杂,电能计量的大小根据非线性负
11、荷特征和电源谐波特性具体确定。按照 电能计量只计基波电量的观点,感应式电能表多计量了线性负荷的电量,少计 量了非线性负荷的电量。电子式电能表对电能的计量是根据电流和电压的A/D采 样值进行计算的,可以认为是电磁式电能表的数字化。因此无论是感应式电能 表还是电子式电能表都同时计量了基波电能和谐波电能。即由于谐波的存在, 使电能计量存在明显误差。 谐波问题对电力系统涉及面很广,包括对畸变波形的分析方法、谐波源分 析、电源谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准与谐波测量及在谐波 情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支, 也是研究分析谐波问题的出发点和谐波测量的主要作用
12、。a鉴定实际电力系统 及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定,包括对所有谐波源用户的设备 投运时的测量;b电气设备调试、投运时的谐波测量,以确保设备投运后电力 系统和设备的安全及经济运行;c谐波故障或异常原因的测量;d谐波专题 测试,如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。由于谐波具有固有的非线 性、随机性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征,难以对谐波进行准确测量, 因此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。 嘉兴学院本科生毕业设计 2 在有谐波存在的电学量的测量中,以功率和电能的测量最为重要。这项工 作除了与谐波测量的相关标准有关外,更与谐波、畸波的功率分类和定义有关。 数字采样测量技术(如
13、快速傅里叶变换的数字技术和小波变换的数字技术)的 发展突破了以前存在的各种技术的限制,为功率和电能的测量提供了精密和快 速的方法。 本课题对谐波的定义、产生及其检测方法作重点介绍。重点研究基于FFT、 小波变换等谐波检测的方法,对不同分析方法进行仿真分析。确定出合适的谐 波分析方法和谐波电能计量算法。为谐波电能监测装置的研究与开发提供基本 的理论依据。在相关理论研究的基础上,对基于DSP的谐波电能计量装置的整体 结构进行设计。 1.2 谐波分类及变化特点 国际电工委员会(IEC)标准的规定,把谐波按波动性质分为四类: (1)准稳态(慢变化)谐波。 (2)波动谐波。 (3)快速变化谐波。 (4)
14、谐波(inter harmonic)和其他成分。 根据实测结果,电力系统中的谐波变化特点有两种: (1)随机性的变化,为小周期,短间隔的不规则性的变化,反映出谐波为 随机变量的特征。 (2)规则性的变化,其大小随谐波源负荷的大小、系统运行方式等作大周 期性的变化,例如当谐波源负荷增大或者系统小方式运行时,相应的谐波电流 或谐波电压将随之增大,在较大水平上作随机变化。 1.3 谐波测量在电力系统中的重要性及电网谐波的标准 1.3.1 谐波测量在电力系统中的重要性 电网谐波是指对周期性交流量进行傅里叶级数分解, 得到频率为基波频率 大于1整数倍的分量。电力系统谐波是重要的电能质量指标之一。当电力系
15、统中 谐波含量达到一定程度时,将对电力设备带来严重危害,影响电力系统的正常运 行。对于监测谐波或对谐波进行补偿而言, 确定谐波源是非常重要的。谐波产 生的根本原因是非线性负载如高压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧 炉、电动机车等的应用,造成电网中的谐波污染、三相电压的不对称性以及电压 波动和闪变日趋严重。同时,由于上述负荷的存在,使得电力系统中的供电电压 即便是正弦波形,其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。因为非线性负载只 谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 3 在输入电压被控制的部分吸取电流,虽然这样可以很好地提高效率,但却会在负 载电流中引起谐波。 谐波是电网的一大公害,
16、因此对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐的 重视。谐波对公用电网和其他电力系统的危害主要有以下几个方面: (1)影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器,一般采用电磁式继电器、感应式 继电器或晶体管继电器予以检测保护,使得在故障情况下保证线路与设备的安 全。但对于电磁式继电器与感应式继电器,谐波含量高时,容易使继电保护误 动作,因而在谐波影响下不能全面有效起到保护作用。晶体管断电器虽然具有 许多优点,但由于采用了整流取样电路,容易受谐波影响,产生误动或拒动。 因此,谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全。 (2)影响电网的质量 电网系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民
17、用配电系统 中的中性线,由于荧光灯、调光灯、计算机等负载,会产生大量的奇次谐波, 其中3次谐波的含量较多,可达40;三相配电线路中,相线上的3的整数倍谐 波在中性线上会叠加,使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外相同频 率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,从而降低电 网电压,浪费电网的容量。 (3)对电容器的危害 当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流增加 得更大,使电容器损功率增加。对于膜纸复合介质电容器,允许有谐波时的损 耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器,允许有谐波时的损耗 功率为无谐波时的1.43倍。如果谐波含量较高,超
18、出电容器允许条件,就会使 电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值,使电容器异常发热,在电场和 温度的作用下绝缘介质会加速老化。龙其是电容器投入在电压已经畸变的电网 中时,可能使电网的谐波加剧,即产生谐波扩大现象。另外谐波的存在往往使 电压呈现尖项波形,尖项波形波易在介质中诱发局部放电,且由于电压变化率 大,局部放电强度大,对绝缘介质能起到加速老化的作用,从而缩短电容器的 使用寿命。一般来说,电压每升高10%,电容器的寿命就会缩短1/2左右。再者, 在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 (4)对电力变压器的危害 谐波使变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体 外
19、部因漏磁引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大,这主要表 现在铁心中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。 由于以上两方面的损耗增加,减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压 嘉兴学院本科生毕业设计 4 器额定容量时,需要考虑电网中的谐波含量的影响。除此之外,谐波还导致变 压器噪声增大,变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁滞伸缩引起的。随着谐 波次数的增加。振动频率在l kHz左右的成分使混杂噪声增加,有时还发出金属 声。 (5) 对电力电缆的危害 由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显, 从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流
20、减小。另外,电缆的 电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的 容抗与系统并联,在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。 (6) 对用电设备的危害 谐波对异步电动机的影响,主要是增加电动机的附加损耗,降低效率,严 重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场,形成与电 动机旋转方向相反的转矩,起制动作用,从而减少电动机的出力。另外,电动 机中的谐波电流,当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动, 发出很大的噪声。 (7) 对低压开关设备的危害 对于配电用断路器来说,垒电磁型的断路器,易受谐波电流的影响使铁耗 增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与
21、涡流影响使脱扣困难,且谐波次数越 高影响越大;热磁型的断路器,由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热, 使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器,谐波也要使其额定电流 降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低得更多。对于漏电断路器 来说,由于谐波泄漏电流的作用,可能使断路器异常发热,出现误动作或不动 作。 (8) 对弱电系统设备的干扰 对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼字自动化等弱电设备电力 系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干 扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比,传导则通过公共 接地耦合有大量不平衡电流流人接地极,从而干扰弱
22、电系统。 (9)影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型,它们受谐波的影响较大。 特别是电能表(多采用感应型),当谐波较大时将产生计量混乱,测量不准确。 总之,谐波的产生,电网谐波来自于3个方面:一是发电源质量不高产生谐波; 二是输配电系统产生谐波;三是用电设备产生的谐波。其中,用电设备产生的 谐波最多。 因此,消除谐波污染,把谐波含量控制在允许范围内,已成为主管部门和 谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 5 用电单位的共同奋斗目标。谐波问题涉及到的面很广,有关谐波问题的研究可 以划分为以下几个方面: (1) 谐波的补偿和抑制 (2) 谐波分析以及谐波影响和危害
23、的分析。 (3) 与谐波有关的功率定义和功率理论的研究。 (4) 与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。 目前,电力系统中的谐波源不但分布广,而且类型多,用电网中的谐波电 流可能来自非线性设备,也可能来自外线路,因此在进行谐波治理之前应了解 谐波的次数及其含量,即必须进行谐波的测试。谐波测量是谐波问题的一个重 要分支,它是谐波问题研究的主要依据,也是分析谐波问题的出发点。 1.3.2 电网谐波的标准 谐波国家标准是电力工业部(原能源部)根据国家标准局下达的任务而负责 制订的。从 1985 年起,起草工作组做了大量课题论证工作,同时学习国外的先 进经验和联系国内实际,完成了标准的制订,国家技
24、术监督局于 1993 年发布了 中华人民共和国国家标准 GB/T14549-93电能质量公用电网谐波 ,制定了相 应的谐波标准,使谐波测量管理工作规范化,而且实施谐波国标对保证电容器 的安全运行有重要意义。 1.制定谐波国标的目的 随着我国经济的发展,现代工业、交通等行业使用的各种换流设备的数量 越来越多、其容量亦越来越大,加上电弧炉、家用电器等非线性用电设备接入 电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变。电能 质量电能质量下降,同时威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全 经济运行。因此,把公用电网的谐波量控制在允许范围内,以保证电能质量, 防止谐波对电网和用户的电
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