專(zhuān)利名稱(chēng)：船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，是一種為檢測(cè)船舶獨(dú)立電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量而研制的一種專(zhuān)用監(jiān)測(cè)設(shè)備，具體為一種船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要用于實(shí)時(shí)獲取、在線(xiàn)及離線(xiàn)分析評(píng)估船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
背景技術(shù)：
電能質(zhì)量是指通過(guò)電網(wǎng)供給用電設(shè)備或用戶(hù)端的交流或直流電能的品質(zhì)。導(dǎo)致用戶(hù)電力設(shè)備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設(shè)備故障或錯(cuò)誤動(dòng)作的任何電力問(wèn)題都是電能質(zhì)量問(wèn)題。電能質(zhì)量除了保證額定電壓和額定頻率下的正弦波形外，還包括所有電壓瞬變現(xiàn)象，如沖擊脈沖、電壓下降、瞬時(shí)間中斷等。我國(guó)制定的電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》、 GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、GB/T 18481-2001《電能質(zhì)量暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓》、GB/T 15543-2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》、GB/T 15945-2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》和GB/T 12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》，這些標(biāo)準(zhǔn)給出了電能質(zhì)量指標(biāo)和推薦測(cè)量方法。上述單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)估一定程度上忽略了不同電能質(zhì)量問(wèn)題間的相互聯(lián)系，也忽略了用戶(hù)對(duì)不同電能質(zhì)量問(wèn)題的敏感度和重視程度。電能質(zhì)量綜合評(píng)估就是在分析單項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，把部分或全部電能質(zhì)量問(wèn)題以及某項(xiàng)電能質(zhì)量的多個(gè)特征量按屬性合成一個(gè)有機(jī)的整體，從而有效反映電網(wǎng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)。2001-2003EPRI的DPQ-II項(xiàng)目“電能質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)性分析與經(jīng)濟(jì)損失調(diào)查”表明短時(shí)電壓變動(dòng)，包括電壓暫降、暫升、瞬時(shí)過(guò)電壓和短時(shí)中斷是美國(guó)電網(wǎng)中普遍存在的電能質(zhì)量問(wèn)題。LPQI在對(duì)歐洲8國(guó)的1400個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量調(diào)查表明諧波畸變、電壓閃變、 供電可靠性、電壓暫降和電磁兼容是歐洲電能質(zhì)量的主要問(wèn)題，但從經(jīng)濟(jì)分析與核算看，電壓暫降造成的損失最大。船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制、現(xiàn)代通信、信號(hào)處理等多個(gè)方面。在監(jiān)測(cè)裝置方面，由于電能質(zhì)量需要監(jiān)測(cè)的量很多而且大多是高度畸變的，傳統(tǒng)的方法是采用模擬信號(hào)的分析，監(jiān)測(cè)不同的電能質(zhì)量指標(biāo)使用不同的儀器。如傳統(tǒng)的測(cè)量電壓和電流有效值的電壓表、電流表，測(cè)量功率損耗的有功表、無(wú)功表，測(cè)量頻率的頻率表，還有諧波表、三相不平衡度計(jì)、電壓波動(dòng)和閃變儀等。此類(lèi)儀器的不足之處是測(cè)量指標(biāo)少，通用性較差、精度較低、自動(dòng)化程度較低。采用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital signal processor, DSP)為核心的多功能電能質(zhì)量測(cè)試儀表是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，除了具備上述傳統(tǒng)儀表的測(cè)量功能，還能自動(dòng)抓取瞬時(shí)事件，進(jìn)行數(shù)據(jù)錄波，并具有顯示、存儲(chǔ)、分析、通信、人機(jī)對(duì)話(huà)等功能。該類(lèi)儀表也可以和計(jì)算機(jī)相連，使用分析管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀(guān)的分析，并自動(dòng)生成有用的報(bào)表和圖表?，F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)儀對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)分別監(jiān)測(cè)有較好的效果，但未見(jiàn)將多項(xiàng)指標(biāo)問(wèn)題綜合成單一量化指標(biāo)進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估；另外， 無(wú)法對(duì)電網(wǎng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，難以深入分析影響電能質(zhì)量的根源并及時(shí)了解電網(wǎng)電能質(zhì)量水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)電網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析影響電能質(zhì)量的多個(gè)指標(biāo)，并可以將多項(xiàng)指標(biāo)問(wèn)題綜合成單一量化指標(biāo)進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估，及時(shí)了解電網(wǎng)電能質(zhì)量水平。本發(fā)明提供的一種船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)二個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集船舶電網(wǎng)三相電壓和電流信號(hào)，并通過(guò)以太網(wǎng)提供給數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)包括在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊，以及離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊兩部分，在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊用于在線(xiàn)完成穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算，并根據(jù)指標(biāo)權(quán)重給出電能質(zhì)量綜合評(píng)估等級(jí)；離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊用于完成暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)檢測(cè)；穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變；暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)包括短時(shí)電壓變動(dòng)、時(shí)變諧波和間諧波。上述技術(shù)方案可以采用下述方式進(jìn)行優(yōu)化數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)主要包括電流電壓傳感器、抗混疊濾波電路、鎖相電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)和通信接口，用于完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理工作；電流電壓傳感器采用霍爾傳感器采集三相三線(xiàn)制電路的三相電壓、三相電流共6路信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后送至抗混疊濾波電路；抗混疊濾波電路為有限帶寬的低通濾波器，其截止頻率為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采樣頻率的一半；抗混疊濾波電路濾除將收到信號(hào)中超過(guò)截止頻率的高頻分量，減緩頻譜混疊現(xiàn)象，再分別傳送到鎖相電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；鎖相電路跟蹤輸入信號(hào)頻率的波動(dòng)，產(chǎn)生誤差信號(hào)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的采樣步長(zhǎng)，以確保數(shù)據(jù)整周期采樣；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)鎖相電路提供的采樣步長(zhǎng)將輸入信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后送至數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；數(shù)字信號(hào)處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連續(xù)不間斷采樣外部電壓、電流，將電壓、電流循環(huán)存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并控制通信接口電路將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議上傳至以太網(wǎng)；外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)定的緩沖區(qū)大小，接收來(lái)至數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)；通信接口電路將數(shù)字信號(hào)處理器中的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議上傳至以太網(wǎng)。上述技術(shù)方案還可以采用下述方式進(jìn)行優(yōu)化在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊包括電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、諧波指標(biāo)計(jì)算模塊、三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊、電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊、電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊、數(shù)據(jù)錄波模塊七個(gè)部分，完成對(duì)頻率、基波有效值、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變5項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算和綜合評(píng)估；電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓有效值偏差指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓頻率偏差指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；諧波指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成2-30次諧波電壓、電流的幅度、頻率和相位稱(chēng)計(jì)算，以及諧波電流總畸變率計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成三相不平衡度指標(biāo)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓波動(dòng)幅值、調(diào)制頻率和閃變指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊接收來(lái)至電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、諧波指標(biāo)計(jì)算模塊、三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊和電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊的單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，將這六項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)綜合成單一量化指標(biāo)綜合評(píng)估電網(wǎng)電能質(zhì)量等級(jí)，其中，六項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)將電壓波動(dòng)和閃變分開(kāi)處理；數(shù)據(jù)錄波模塊接收以太網(wǎng)傳送的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，并將數(shù)據(jù)送至離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊備用。 上述二種技術(shù)方案還可以采用下述一種或幾種方式進(jìn)行作進(jìn)一步的優(yōu)化 (1)離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊主要包括短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊、時(shí)變諧波
參數(shù)檢測(cè)模塊和間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊；短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成短時(shí)電壓變動(dòng)止時(shí)刻、幅值和相位的檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)；時(shí)變諧波參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成時(shí)變諧波頻率、幅度和相位的跟蹤檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)；間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成間諧波頻率、幅度和相位的檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)。(2)電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊將接收的信號(hào)經(jīng)平方解調(diào)后，先用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行濾波消噪，再用Prony算法估計(jì)出閃變信號(hào)的頻率、幅值和相位。(3)電能質(zhì)量綜合評(píng)估采用雷達(dá)圖法，先對(duì)六項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)值進(jìn)行排序，再依據(jù)該排序結(jié)果對(duì)雷達(dá)圖中指標(biāo)對(duì)應(yīng)的扇形區(qū)域進(jìn)行排序和分配扇形的角度，利用各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的扇形區(qū)域的對(duì)角線(xiàn)作為指標(biāo)軸繪制雷達(dá)圖；最后利用所繪制雷達(dá)圖的面積和周長(zhǎng)兩個(gè)變量完成對(duì)電能質(zhì)量的綜合評(píng)估。(4)短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊采用瞬時(shí)電壓dq分解法瞬時(shí)確定電壓變動(dòng)的起止時(shí)刻、幅值和相位，其中，采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器代替dq分解法中傳統(tǒng)的低通濾波器和均值濾波器。(5)時(shí)變諧波參數(shù)檢測(cè)模塊在信號(hào)的基波頻率發(fā)生變化時(shí)，采用分段檢測(cè)的思想， 對(duì)每小段信號(hào)先采用插值快速傅立葉變換法檢測(cè)該段基波頻率，作為自適應(yīng)線(xiàn)性組合器的輸入，然后采用遞歸最小二乘法進(jìn)行幅度和相位的跟蹤檢測(cè)。(6)間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊先對(duì)信號(hào)進(jìn)行MUSIC功率譜估計(jì)，得到信號(hào)基波和諧波頻率；然后作瞬時(shí)電壓dq分解，基波分量通過(guò)坐標(biāo)變換變?yōu)橹绷鞣至炕蛉コ?；隨后再對(duì)dq 分解得到的信號(hào)求MUSIC功率譜，得到基波附近間諧波的頻率；最后采用最小二乘法計(jì)算出基波、諧波和間諧波的幅度和相位。本發(fā)明系統(tǒng)針對(duì)船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量特點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集(如采用DSP)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)， 在線(xiàn)數(shù)據(jù)分析完成電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變等穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算、分析和評(píng)估，離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析完成短時(shí)電壓變動(dòng)、時(shí)變諧波和間諧波等暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)檢測(cè)。更進(jìn)一步的，本發(fā)明還可以具有以下有益效果(1)采用冗余的高速交換式工業(yè)以太網(wǎng)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP 傳送到電能質(zhì)量監(jiān)控站，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，以便深入分析影響電能質(zhì)量的根源，評(píng)估整個(gè)電網(wǎng)電能質(zhì)量等級(jí)。(2)根據(jù)電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量指標(biāo)，采用雷達(dá)圖法實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的綜合評(píng)估。(3)本發(fā)明可以采用dq變換和數(shù)學(xué)形態(tài)濾波相結(jié)合的方法進(jìn)行短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)的提取，使其具有抗噪聲能力強(qiáng)、檢測(cè)精度較高等優(yōu)點(diǎn)。(4)本發(fā)明可以采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波與Prony算法相結(jié)合的電壓閃變檢測(cè)的方法， 該方法檢測(cè)精度高，并且能避免傳統(tǒng)濾波帶來(lái)的邊界效應(yīng)。(5)硬件可以設(shè)計(jì)成便攜式設(shè)備，特別適用于狹小的船舶空間。本發(fā)明可以利用 LabView開(kāi)發(fā)的電能質(zhì)量分析算法，使其實(shí)時(shí)性好，能夠滿(mǎn)足在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的要求。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是基于DSP的數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的硬件原理圖；圖3是在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案如圖1所示，本發(fā)明提供的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)二個(gè)部分，在關(guān)鍵設(shè)備電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上均設(shè)置有數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集船舶電網(wǎng)三相電壓和電流信號(hào)，數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)包括在線(xiàn)電能質(zhì)量分析和評(píng)估，以及離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)兩部分，分別在線(xiàn)完成電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變等穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算，并根據(jù)指標(biāo)權(quán)重給出電能質(zhì)量綜合評(píng)估；以及離線(xiàn)完成短時(shí)電壓變動(dòng)、時(shí)變諧波、間諧波等暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)檢測(cè)。最后，將電能質(zhì)量關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò)過(guò)程控制的對(duì)象連接與嵌入技術(shù)接口標(biāo)準(zhǔn)(OLE for Process Control, 0PC)通信方式傳送給船舶能量管理集控中心，為對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一能量管理提供數(shù)據(jù)支持。如圖2所示，數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)主要包括電流電壓傳感器、抗混疊濾波電路、鎖相電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和通信接口，用于完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理工作。電流電壓傳感器采用霍爾傳感器采集三相三線(xiàn)制電路的三相電壓、三相電流共6 路信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后送至抗混疊濾波電路?？够殳B濾波電路為有限帶寬的低通濾波器，其截止頻率為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采樣頻率的一半，以濾除超過(guò)截止頻率的高頻分量，減緩頻譜混疊現(xiàn)象。信號(hào)經(jīng)過(guò)抗混疊濾波電路后，送至鎖相電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。鎖相電路跟蹤輸入信號(hào)頻率的波動(dòng)，產(chǎn)生誤差信號(hào)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換電路控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的采樣步長(zhǎng)，以確保數(shù)據(jù)整周期采樣。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)鎖相電路提供的采樣步長(zhǎng)將輸入信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后送至數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)字信號(hào)處理器是數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)的核心模塊，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連續(xù)不間斷采樣外部電壓、電流，將電壓、電流循環(huán)存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并控制通信接口電路將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議上傳至以太網(wǎng)。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)定的緩沖區(qū)大小，接收來(lái)至數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)。通信接口電路將數(shù)字信號(hào)處理器中的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議上傳至以太網(wǎng)。數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)包括在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊，以及離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊兩部分。在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊用于完成電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變等穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算、分析和評(píng)估，離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊用于完成短時(shí)電壓變動(dòng)、時(shí)變諧波和間諧波等暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)檢測(cè)。如圖3所示，在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊包括電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、諧波指標(biāo)計(jì)算模塊、三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊、電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊、電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊、數(shù)據(jù)錄波模塊七個(gè)部分，完成對(duì)頻率、基波有效值、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變5項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算和綜合評(píng)估。電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓有效值偏差指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊。頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓頻率偏差指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊。諧波指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成2-30次諧波電壓、電流幅度、頻率和相位的計(jì)算，以及諧波電流總畸變率計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊。三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成三相不平衡度指標(biāo)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊。電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓波動(dòng)值和電壓閃變指標(biāo)(包括短時(shí)間閃變水平值和長(zhǎng)時(shí)間閃變水平值)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊。電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊接收來(lái)至電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、諧波指標(biāo)計(jì)算模塊、三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊和電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊的單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，將六項(xiàng)指標(biāo)(電壓波動(dòng)和閃變分開(kāi)處理)綜合成單一量化指標(biāo)綜合評(píng)估電網(wǎng)電能質(zhì)量等級(jí)。數(shù)據(jù)錄波模塊接收以太網(wǎng)傳送的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，并將數(shù)據(jù)送至離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊備用。如圖4所示，離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊主要包括短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊、 時(shí)變諧波參數(shù)檢測(cè)模塊和間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊3個(gè)部分，完成完成短時(shí)電壓變動(dòng)、時(shí)變諧波和間諧波等暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)檢測(cè)。短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成短時(shí)電壓變動(dòng)止時(shí)刻、幅值和相位的檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)。時(shí)變諧波參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成時(shí)變諧波頻率、幅度和相位的跟蹤檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)。
間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成間諧波頻率、幅度和相位的檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)。實(shí)例數(shù)字信號(hào)處理器使用德州儀器(Tl)公司的TMS320F2812DSP芯片對(duì)節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，傳感器由三個(gè)電流鉗和三個(gè)帶鱷魚(yú)夾的電壓測(cè)試線(xiàn)組成，電能質(zhì)量信號(hào)檢測(cè)均采用霍爾傳感器，并用調(diào)理電路使其輸出電平標(biāo)準(zhǔn)化。為了滿(mǎn)足對(duì)30次諧波測(cè)量的采樣，根據(jù)采樣定理和實(shí)際工程的要求，我們?cè)O(shè)定的采樣頻率為6. 4kHz,即每周波采樣 128 點(diǎn)。A/D轉(zhuǎn)換器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的核心器件，我們選用TI公司的高性能A/D芯片 ADS8364做模/數(shù)轉(zhuǎn)換?？够殳B濾波器為有限帶寬的低通濾波器，其作用在于濾除超過(guò)采樣頻率的一半的頻率分量，減輕混疊現(xiàn)象。因?yàn)椴蓸宇l率為6400Hz，故取抗混疊濾波器的截止頻率為3200Hz。鎖相環(huán)電路用于跟蹤系統(tǒng)頻率的波動(dòng)。因?yàn)閷?shí)際電網(wǎng)的頻率受用電負(fù)荷不平衡的影響，會(huì)產(chǎn)生小范圍的波動(dòng)。這樣定步長(zhǎng)的采樣會(huì)使每周波的采樣點(diǎn)數(shù)出現(xiàn)差異，非整周期的采樣會(huì)導(dǎo)致頻率泄漏，使得信號(hào)的頻譜分析結(jié)果產(chǎn)生誤差。接口電路采用CS8900A 芯片，實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信接口功能。在數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由DSP控制A/D轉(zhuǎn)換電路連續(xù)不間斷采樣外部電壓、電流，循環(huán)存入緩沖存儲(chǔ)區(qū)，DSP分析采集數(shù)據(jù)，并控制CS8900A接口電路將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)用 TCP/IP協(xié)議上傳。DSP軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。軟件包括兩個(gè)方面的功能與硬件有密切關(guān)系的驅(qū)動(dòng)程序，包括DSP內(nèi)置外圍電路的驅(qū)動(dòng)、AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，這些驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)硬件的底層操作，要求及時(shí)處理，在中斷處理模塊中完成；與硬件無(wú)關(guān)的應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)性要求不高，如電能質(zhì)量分析算法、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、上位機(jī)通信等， 在系統(tǒng)主程序中完成。在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊可以由LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)。電壓偏差計(jì)算采用電壓有效值法，實(shí)際應(yīng)用中采用滑動(dòng)平均值法進(jìn)行計(jì)算。即當(dāng)采集到新的信號(hào)樣本點(diǎn)時(shí)，順序?qū)⒆钤绮杉臉颖军c(diǎn)去除，然后再用1個(gè)周期的滑動(dòng)采樣值計(jì)算電壓信號(hào)的有效值。將得到的有效值曲線(xiàn)與正常信號(hào)的有效值進(jìn)行比較，就可檢測(cè)出電壓變動(dòng)的幅度。頻率測(cè)量采用二階巴特沃斯低通濾波器和FFT加窗插值算法相結(jié)合的頻率檢測(cè)方法，可降低諧波和干擾的影響，減小測(cè)量誤差，提高頻率的計(jì)算精度。諧波分析采用FFT加窗插值算法，通過(guò)加窗的方式消除頻譜泄露的影響，通過(guò)插值的方法修正柵欄效應(yīng)引起的測(cè)量誤差，進(jìn)而保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。船舶電力系統(tǒng)采用三相三線(xiàn)制，因而沒(méi)有中線(xiàn)，不存在零序分量，在此類(lèi)三相系統(tǒng)中，當(dāng)已知三相量a、b、c時(shí)，用下式求不平衡度
權(quán)利要求
1.一種船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)和分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集船舶電網(wǎng)三相電壓和電流信號(hào)，并通過(guò)以太網(wǎng)提供給數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)包括在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊，以及離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊兩部分，在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊用于在線(xiàn)完成穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算，并根據(jù)指標(biāo)權(quán)重給出電能質(zhì)量綜合評(píng)估；離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊用于完成暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)檢測(cè)；穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變；暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)包括短時(shí)電壓變動(dòng)、時(shí)變諧波和間諧波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)主要包括電流電壓傳感器、抗混疊濾波電路、鎖相電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和通信接口，用于完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理工作；電流電壓傳感器采用霍爾傳感器采集三相三線(xiàn)制電路的三相電壓、三相電流共6路信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后送至抗混疊濾波電路；抗混疊濾波電路為有限帶寬的低通濾波器，其截止頻率為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采樣頻率的一半；抗混疊濾波電路濾除將收到信號(hào)中超過(guò)截止頻率的高頻分量，減緩頻譜混疊現(xiàn)象，再分別傳送到鎖相電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；鎖相電路跟蹤輸入信號(hào)頻率的波動(dòng)，產(chǎn)生誤差信號(hào)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的采樣步長(zhǎng)，以確保數(shù)據(jù)整周期采樣；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路根據(jù)鎖相電路提供的采樣步長(zhǎng)將輸入信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后送至數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；數(shù)字信號(hào)處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連續(xù)不間斷采樣外部電壓、電流，將電壓、電流循環(huán)存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并控制通信接口電路將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議上傳至以太網(wǎng)； 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)定的緩沖區(qū)大小，接收來(lái)至數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)據(jù)；通信接口電路將數(shù)字信號(hào)處理器中的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議上傳至以太網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，在線(xiàn)電能質(zhì)量分析評(píng)估模塊包括電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、諧波指標(biāo)計(jì)算模塊、三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊、電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊、電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊、數(shù)據(jù)錄波模塊七個(gè)部分，完成對(duì)頻率、基波有效值、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變5項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算和綜合評(píng)估；電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓有效值偏差指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓頻率偏差指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；諧波指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成2-30次諧波電壓、電流的幅度、頻率和相位熱計(jì)算，以及諧波電流總畸變率計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成三相不平衡度指標(biāo)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊接收來(lái)至以太網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電壓波動(dòng)幅值、 調(diào)制頻率和閃變指標(biāo)的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果傳送至電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊；電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊接收來(lái)至電壓偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、頻率偏差指標(biāo)計(jì)算模塊、諧波指標(biāo)計(jì)算模塊、三相不平衡指標(biāo)計(jì)算模塊和電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊的單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，將這六項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)綜合成單一量化指標(biāo)綜合評(píng)估電網(wǎng)電能質(zhì)量等級(jí)，其中，六項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)將電壓波動(dòng)和閃變分開(kāi)處理；數(shù)據(jù)錄波模塊接收以太網(wǎng)傳送的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，并將數(shù)據(jù)送至離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊備用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，離線(xiàn)電能質(zhì)量參數(shù)檢測(cè)模塊主要包括短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊、時(shí)變諧波參數(shù)檢測(cè)模塊和間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊；短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成短時(shí)電壓變動(dòng)止時(shí)刻、幅值和相位的檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)；時(shí)變諧波參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成時(shí)變諧波頻率、幅度和相位的跟蹤檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)；間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊接收來(lái)至數(shù)據(jù)錄波模塊的數(shù)據(jù)，完成間諧波頻率、幅度和相位的檢測(cè)，并將結(jié)果送至船舶能量管理系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，電壓波動(dòng)和閃變指標(biāo)計(jì)算模塊將接收的信號(hào)經(jīng)平方解調(diào)后，先用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行濾波消噪，再用Prony 算法估計(jì)出閃變信號(hào)的頻率、幅值和相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，電能質(zhì)量綜合評(píng)估采用雷達(dá)圖法，先對(duì)六項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的權(quán)值進(jìn)行排序，再依據(jù)該排序結(jié)果對(duì)雷達(dá)圖中指標(biāo)對(duì)應(yīng)的扇形區(qū)域進(jìn)行排序和分配扇形的角度，利用各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的扇形區(qū)域的對(duì)角線(xiàn)作為指標(biāo)軸繪制雷達(dá)圖；最后利用所繪制雷達(dá)圖的面積和周長(zhǎng)兩個(gè)變量完成對(duì)電能質(zhì)量的綜合評(píng)估。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，短時(shí)電壓變動(dòng)參數(shù)檢測(cè)模塊采用瞬時(shí)電壓dq分解法瞬時(shí)確定電壓變動(dòng)的起止時(shí)刻、幅值和相位，其中，采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器代替dq分解法中傳統(tǒng)的低通濾波器和均值濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，時(shí)變諧波參數(shù)檢測(cè)模塊在信號(hào)的基波頻率發(fā)生變化時(shí)，采用分段檢測(cè)的思想，對(duì)每小段信號(hào)先采用插值快速傅立葉變換法檢測(cè)該段基波頻率，作為自適應(yīng)線(xiàn)性組合器的輸入，然后采用遞歸最小二乘法進(jìn)行幅度和相位的跟蹤檢測(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，間諧波參數(shù)檢測(cè)模塊先對(duì)信號(hào)進(jìn)行MUSIC功率譜估計(jì)，得到信號(hào)基波和諧波頻率；然后作瞬時(shí)電壓dq分解，基波分量通過(guò)坐標(biāo)變換變?yōu)橹绷鞣至炕蛉コ浑S后再對(duì)dq分解得到的信號(hào)求MUSIC功率譜，得到基波附近間諧波的頻率；最后采用最小二乘法計(jì)算出基波、諧波和間諧波的幅度和相位。
全文摘要
本發(fā)明屬于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，為一種船舶電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)和分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集船舶電網(wǎng)三相電壓和電流信號(hào)，并通過(guò)以太網(wǎng)提供給數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析評(píng)估子系統(tǒng)在線(xiàn)完成穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算，并根據(jù)指標(biāo)權(quán)重給出電能質(zhì)量綜合評(píng)估；離線(xiàn)完成暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)檢測(cè)。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)和閃變；暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)參數(shù)包括短時(shí)電壓變動(dòng)、時(shí)變諧波和間諧波。該系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)電網(wǎng)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，并且可以多個(gè)指標(biāo)分析影響電能質(zhì)量的因素，及時(shí)了解電網(wǎng)電能質(zhì)量水平。
文檔編號(hào)G01R31/00GK102565574SQ201110399428
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者卜樂(lè)平, 夏立, 尹為民, 張超, 李輝, 歐陽(yáng)華, 王征, 王黎明, 邵英 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)