电能质量指标的监测方法研究

摘要

随着新型电力电子设备的迅速发展，基于计算机系统的控制设备和电子装置在用户负荷中的广泛应用，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，电能质量已成为电力企业和用户共同关心的重要问题。电能质量监测是掌握电网供电质量的实际情况、改善电能质量的必要前提，电能质量监测方法是电能质量监测技术的核心内容，所用方法的准确度、计算速度和易实现性将对电能质量监测工作起到不可忽视的作用，此外，功能完善、性能优良的电能质量监测装置是电能质量监测工作必不可少的工具，对其相关技术进行研究也是十分必要的。本文围绕着电能质量监测方法这一主题，深入研究了基于改进小波包变换的谐波检测方法、基于能量算子的电压闪变检测方法以及基于dq变换和Hilbert变换的电压暂降检测方法。
　　为提高谐波检测的精度和抗噪声能力，提出了一种基于改进小波包变换的谐波检测方法。首先，通过调整小波包滤波器组的排序解决了常规小波包变换中存在的频带错位问题，使小波包分解后的频带按频率大小排序；然后，深入分析了由于小波包正交镜像滤波器非理想截止特性产生的频率混叠现象，利用快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换对小波包分解后的子带信号进行处理，从而有效抑制了频率混叠成分。通过仿真，分别对平稳谐波信号、非平稳谐波信号和含噪声谐波信号进行谐波分析，并与快速傅里叶变换法和常规小波包变换法进行了对比分析，证明了该方法的正确性和有效性。
　　为快速、准确地提取电压闪变信号中的波动成分，对几种常见的电压闪变检波方法进行了对比分析，在研究能量算子基本原理和实现方法的基础上，提出了一种基于能量算子的电压闪变检波方法。能量算子只需对被测波形相邻的三个采样点进行两次乘法和一次加法运算，使得所提方法简洁、快速，能实时跟踪电压闪变波形变化。对单频率调幅闪变信号和多频率调幅闪变信号分别进行了仿真分析，并与平方检波法和Hilbert变换检波法的检测结果进行了对比。针对所提方法容易受到噪声干扰的情况，研究了消噪方法，通过对移动均值滤波法和低通滤波法的滤波效果进行仿真分析，验证了低通滤波法能更好地滤除干扰噪声。为准确、简便地获得电压闪变指标，在所提检波方法的基础上提出了一种计算闪变值的改进方法，改进方法利用调制频率的相对电压波动值计算出闪变值，通过仿真计算验证了该方法的有效性。
　　为提高电压暂降检测的准确性、减小由短时扰动现象带来的误差，研究了dq变换基本理论，深入分析了常见的基于dq变换的电压暂降检测方法如90°延时法和求导法的基本原理，并对它们的优缺点进行了对比分析。在研究Hilbert变换基本原理和实现方法的基础上，提出了一种基于dq变换和Hilbert变换的电压暂降检测方法，并对所提方法中低通滤波器的选择和参数设计进行了研究。所提方法利用Hilbert变换-90°移相的特性，根据采样得到的单相电压瞬时值来构造dq旋转坐标系中的dq分量，进而求出电压暂降的幅值和相角，由于所用数据具有同时性，避免了检测波形可能出现的短时扰动现象，提高了电压暂降的检测精度。通过仿真，对电压暂降的幅值和相位跳变进行检测，并与90°延时法和求导法进行了对比，同时还测试了所提方法的抗噪声性能。
　　针对电能质量监测装置中需要支持复杂算法和保持实时性的特殊要求，设计并开发了一种基于DSP与ARM构架的CAN总线电能质量监测装置。为解决电能质量监测系统中大量数据传输和可靠传输的问题，提出了一种基于信息类型的CAN总线应用层协议，并设计了与信息类型配合的轮询与事件触发相结合的通信策略。对装置的硬件平台和软件系统进行了系统的研究，硬件部分重点分析了双口RAM接口电路的设计与相关寄存器的配置，A/D芯片接口电路的设计与工作方式，供电系统的配置和关键器件的选择；软件部分重点分析了DSP子系统和ARM子系统的系统功能模块，并研究了所提电能质量监测方法中的重要组成部分——小波包分解算法、FFT算法和数字滤波器算法在DSP平台的实现方法，同时分析了所提电能质量监测方法在该硬件平台中运行的实时性。

目录

电能质量指标的监测方法研究

STUDY ON MONITORING METHODS OFPOWER QUALITY INDICES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 电能质量的基本问题

1.3 国内外研究现状

1.4 课题的来源及主要研究内容

第2 章 基于改进小波包变换的谐波检测

2.1 引言

2.2 小波包变换基本理论

2.3 基于改进小波包变换的谐波检测

2.4 仿真验证

2.5 本章小结

第3章 基于能量算子的电压闪变检测

3.1 引言

3.2 电压波动与闪变的基本概念

3.3 常见的电压闪变检波方法的分析和比较

3.4 基于能量算子的电压闪变检波方法

3.5 闪变值计算方法

3.6 仿真验证

3.7 本章小结

第4章 基于dq变换和Hilbert变换的电压暂降检测

4.1 引言

4.2 电压暂降的基本概念

4.3 基于dq变换的电压暂降检测方法的分析

4.4 基于dq变换和Hilbert变换的电压暂降检测方法

4.5 仿真验证

4.6 本章小结

第5 章 CAN 总线电能质量监测装置的研制

5.1 引言

5.2 装置的方案设计

5.3 装置的硬件设计

5.4 电能质量监测系统CAN 通信协议制定

5.5 装置的软件设计

5.6 实验结果及其分析

5.7 本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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