1、硕 士 专 业 学 位 论 文用户侧电力载波电能质量监测管理系统专业类别（领域） ： 电子与通信工程用户侧电力载波电能质量监测管理系统I摘要在“物联网”的大背景下，信息技术融入到了各个传统行业当中，以物联网技术下的智能电网为典型应用。目前我国电网监测手段比较落后，功能单一，也不具备集中报表的管理平台，在很多地区还采用传统的人工抄表、人工现场检测的方式监控电网运行，监测工作繁重，效率低下。本文所设计的电能质量监测管理系统采用物联网技术，应用于国内低压电网，实时监控用户侧电力线上的电能质量数据和相关非电数据，并集中发送至云管理平台，实现对电能质量优劣的评估判断功能以及电能异常事件紧急告警功能，对于
2、不同电能质量问题提供针对性的改善建议，有效的保障用电设备的正常运作和生产的持续高效。本文从系统技术难点，用户侧电能质量参数的采集分析判断以及系统各级数据之间的互联互通出发，以设计整套监测管理系统为主线进行研究：1根据项目需求和关键技术设计了系统的三层框架，并就系统整体的硬件框架和用户终端及智能网关的软件框架进行了简要描述；2根据项目功能和性能需求对用户终端、智能网关、电力线载波通信模块这三种设备的软硬件进行了详细的设计；3简要介绍后台设备管理平台架构及部署配置，并给出云平台对网关设备和前端用户界面的接口；4对用户终端、智能网关及电力载波通信模块进行单板功能性能测试，验证系统软硬件可靠性和稳定性
3、，并依托前端用户管理界面完成系统的全功能测试，确认完成了项目设计要求。本文针对国内复杂低压电网环境，设计了一种可靠的用户侧电能质量监测方案，实现了稳定通信和集中式管理，依托开源 IOT 平台部署了稳定可靠的设备管理平台，为现场设备连接和用户管理前端提供稳定可靠的接口，为其他物联网应用平台的搭建提供了参考意义。关键词：电能质量，电网监测，监测管理系统，电力线载波通信，IOT 平台硕士学位论文IIAbstractUnder the background of “Internet of things,“ information technology has been integrated into
4、various traditional industries, and the smart grid under the Internet of Things technology is a typical application. At present, Chinas power grid monitoring methods are relatively backward, with a single function, and do not have a centralized report management platform. In many areas, traditional
5、manual meter reading and manual on-site inspection methods are used to monitor the operation of the power grid. The monitoring work is heavy and inefficient.The power quality monitoring and management system designed in this paper adopts the Internet of things technology and is applied to low-voltag
6、e power grids in China to monitor the power quality data and related non-electricity data on the user-side power lines in real time and send them to the cloud management platform to realize the quality of power quality. The evaluation and judgment functions and the emergency alarm function for abnor
7、mal electrical energy events provide targeted improvement suggestions for different power quality issues, effectively guaranteeing the normal operation of electrical equipment and the continuous and efficient production.In this paper, starting from the technical difficulties of the system, the acqui
8、sition and analysis of the user-side power quality parameters, and the interoperability of data at all levels of the system, the design of the entire monitoring and management system is studied as the main line:1. According to the project requirements and key technologies, the systems three-tier fra
9、mework was designed, and the hardware framework of the system as a whole and the user terminal and the software framework of the intelligent gateway were briefly described.2. According to the project function and performance requirements, the hardware and software of the user terminal, intelligent g
10、ateway, and power line carrier communication module are designed in detail.3. Briefly introduce the background equipment management platform architecture and deployment configuration, and give the cloud platforms interface to the gateway equipment and front-end user interface;4. The user terminal, i
11、ntelligent gateway and power carrier communication 用户侧电力载波电能质量监测管理系统IIImodule were tested for board functional performance to verify the reliability and stability of the system software and hardware. The full-function test of the system was completed based on the front-end user management interface,
12、 and the project design requirements were confirmed.This paper designs a reliable user-side power quality monitoring scheme for a complex low-voltage power grid environment in China. It implements stable communication and centralized management, and deploys a stable and reliable device management pl
13、atform based on the open-source IOT platform for field device connection and user management. The front end provides a stable and reliable interface, which provides reference for the construction of other IoT application platforms.Key Words:power quality,grid monitoring, monitoring management system
14、，power line carrier communication, IOT platform硕士学位论文IV目录摘要 .IAbstract .II目录 .IV第一章 引言 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 国内外研究与发展现状 .21.3 本文的工作与章节安排 .3第二章 项目需求与系统方案设计 .52.1 项目需求 .52.1.1 功能需求 .62.1.2 性能需求 .72.2 系统关键技术 .72.2.1 电能质量问题的分析及判定 .82.2.2 通信技术选择 .102.3 系统设计框架 .112.3.1 系统硬件整体框架 .122.3.2 用户终端及智能网关软件框架 .13
15、2.4 本章小结 .15第三章 系统硬件设计 .163.1 用户终端硬件设计 .163.1.1 用户终端硬件结构 .163.1.2 用户终端硬件模块设计 .173.2 智能网关硬件设计 .253.2.1 智能网关硬件结构 .253.2.2 智能网关硬件模块设计 .263.3 电力载波通信模块硬件设计 .293.3.1 电力载波通信模块硬件结构 .303.3.2 电力载波通信模块设计 .313.4 本章小结 .33第四章 系统软件设计 .354.1 用户终端应用软件设计 .354.1.1 用户终端整体软件工作流程 .364.1.2 用户终端软件模块设计 .374.2 智能网关应用软件设计 .42
16、4.2.1 智能网关整体软件工作流程 .434.2.2 智能网关软件模块设计 .444.3 电力载波通信模块软件设计 .464.3.1 电力载波通信模块软件协议栈 .474.3.2 电力载波通信模块设计 .474.4 本章小结 .50用户侧电力载波电能质量监测管理系统V第五章 云平台软件部署 .515.1 云平台整体架构 .515.1.1 全局组件配置 .545.1.2 租户组件配置 .545.2 系统集成 .565.2.1 SiteWhere 与前端用户管理接口 .565.2.2 SiteWhere 与网关数据接入 .585.3 本章小结 .61第六章 测试结果 .626.1 设备性能指标与
17、测试 .626.1.1 用户终端/智能网关单板功能性能测试 .626.1.2 电力载波通信模块通信质量测试 .656.1.3 用户管理界面介绍 .686.2 现场测试 .746.3 本章小结 .75第七章 总结与展望 .767.1 全文总结 .767.2 展望 .76参考文献 .78致谢 .81用户侧电力载波电能质量监测管理系统1第一章 引言1.1 课题研究的背景和意义电能是当今社会最重要的能源形式，它是国家经济增长和科学发展的主要动力，决定了一个国家或地区的发展水平。人们在日常生活、工作、学习等各个方面都离不开电能，国家在生产、通讯等各个领域也都需要电能，随着科学技术水平的迅猛发展以及人们生
18、活水平的不断提高，电能质量状况受到越来越多的电力用户的重视。在电能质量标准方面，我国已经颁布了 6 个电能质量国标：供电电压允许偏差标准 1、电压波动和闪变标准 2、公用电网谐波标准 3、三相电压不平衡标准 4、电力系统频率偏差 5、暂时过电压和瞬态过电压标准6。电网中电能质量问题的定义为：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。随着国民经济的快速发展，电力负荷急剧增加，电力环境愈加复杂，产生了一系列电能质量问题，例如电力系统元件非线性问题，非线性负荷的存在，电力系统故障等等。这些问题会严重危害到电力用户和供电部门，主要表现在：影响电器设备的正常工作，导致运行设备的寿命降低；电压
19、、谐波和的不平衡干扰环境的通信状况；导致自动保护装置出现故障，造成区域内不必要的断电，更严重会影响到人身财产安全 7。电 力 系 统 元 件非 线 性 问 题非 线 性 负 荷电 力 系 统 故 障发 电 机 谐 波变 压 器 谐 波输 电 线 路 放大 谐 波电 弧 炉大 功 率 整 流装 置大 功 率 变 频装 置短 路误 操 作自 然 灾 害设 备 寿 命 降 低通 信 质 量 降 低停 电人 身 安 全产 生 原 因 造 成 后 果图 1-1 电能质量产生原因及造成后果硕士学位论文2并且根据第十三个五年规划纲要，国家必须大力发展分布式电源并网。当将分布式电源的电力电子装置连接到电网时，
20、大功率电子功率变换器的比例将增加。其结果是造成了前所未有的冲击和污染，造成电网谐波、三相不平衡、电压波动、高压尖峰等问题，严重影响安全稳定生产 35。包括半导体制造、金融、通信、医疗、工厂等多个行业，都对电网及电能质量有较高要求，电网的轻微扰动将会造成这些行业的重大损失。所以，为了让电网安全稳定运行，保证行业和终端用户侧放心用电，必须改善管理电网电能质量。而要改善电能质量，基础就是监测电网各项指标，存储记录电网运行的各项参数；而后是对存储的数据进行整理和统计，分析电网中各种电能质量参数，为电能质量污染管理提供可靠依据，对症用药；最后通过技术与经验积累，保证快速、有效的定位解决电能质量问题，保障
21、电网安全稳定运行。综上，对用户侧电网的监测尤其重要。1.2 国内外研究与发展现状目前，许多西方发达国家已经搭建了全国范围内的电能质量监测网络，所使用的电能质量检测装置一般具有智能化和网络化等特征，能够检测、记录和远程传输多个电能质量问题，通过互联网进行数据共享和态势分析。与国内同类型的电能质量检测装置相比，国外产品具有精度高、集成度高、智能化程度高等特点 7。比如瑞典联合电力公司开发的 PQ secure 在线式电能质量监测分析系统是基于之前所设计的监测设备 UP2210 及 Unilyzer902/90114。美国的福禄克公司(FLUKE) 所开发研制的 Fluke43x 系列电能质量分析仪
22、、1760 系列三相电能质量记录仪，已经集高精度电能计量、多功能电力测量、电能质量分析、保护与监控、智能逻辑控制、事故记录与分析、数据记录和波形记录等功能于一体。并且像加拿大电力测量公司以及美国 EIG 等公司的电能质量在线监测的产品有着高达数百种的功能，其精度已达到 0.1%级以上 10。虽然我国在电能质量监测的研制历史已有 20 多年，其所具有的功能都已满足各大行业的基本要求，但相对于国外在此方面的研究来说还是缺乏竞争力，无论是在功能还是性能方面都与国外先进水平有着明显的差距。截至目前为止，深圳市普禄科智能检测设备有限公司、深圳领步科技有限公司以及上海宝钢安大电能质量有限公司等从事电能质量监测设备研发厂商的某些产品已达到国际先进水平，如 PITE3561 便携式三相电能质量分析仪、PITE3580 电能质量在线监测仪，其精确度高，实时性高，但这些设备监测功能比较单一，无法将多项电能质量监测参数指标进行综合评估决策，而且通信能力也非常有限，无法实
