1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 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 波电能计量方法和基于该算法的谐波信号提取的理论，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，并对稳态信号和非稳态信号分别进行有功电能计量的仿真实验。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能计量的要求，具有很高的实用价值。 关键词： 谐波能量，小波变换，分解与重构，稳态信
2、号，非稳态信号， MATLAB 仿真 II 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 power, based on wavelet decomposition and reconstruction algorithm of the harmonic
3、energy measurement methods and algorithms based on the theory of the harmonic signal extraction proposed In the presence of a harmonic environment based on wavelet transform algorithm for active energy measurement, and signal and non-steady state signals were measured for active energy simulation. T
4、he results confirm that the algorithm based on wavelet transform energy measure accuracy can meet the requirements of the existing energy measurement with high practical value. Keywords: Harmonic energy ， Wavelet Transform ， Decomposition and reconstruction， Steady-state signal， Non-stationary signa
5、l， MATLAB simulation. III 目录 摘 要 . I Abstract . II 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 . 1 1.3谐波测量在电力系统中的重要性 . 2 1.4谐波测量仪器 . 3 1.5电网谐波测量方法综述 . 3 1.5.1采用模拟带通或带阻滤波器测量方法 . 3 1.5.2快速傅里叶变换理论 . 3 1.5.3 神经网络理论 . 4 1.5.4 小波变换理论 . 4 1.6论文主要研究的内容和目标 . 4 1.6.1 主要研究的内容 . 4 1.6.2 目标 . 4 2电网谐波的数学理论 . 6 2.1谐波的概
6、念及相关参数 . 6 2.1.1 谐波的概念 . 6 2.1.2 谐波含量（电压或电流） . 7 2.1.3 谐波含有率（ HR） . 8 2.2离散傅里叶变换理论 . 9 2.3快速傅里叶变换理论 . 10 2.4小波变换理论 . 13 2.4.1小波变换 . 13 2.4.2多分辨分析 . 15 3基于小波变换的谐波电能测量及 MATLAB仿 真 . 21 3.1小波的分解与重构 . 21 3.2 电能的计算 . 22 3.3 谐波功率的定义 . 23 3.4基于 MATLAB平台的有功电能计量仿真 . 24 3.4.1稳态信号的仿真 . 24 3.4.2非稳态信号的仿真 . 29 4基于
7、 ATT7022B的谐波电能测量硬件设计 . 34 4.1装置总体设计方案 . 34 IV 4.2芯片 ATT7022B的结构 . 34 4.3采样电路 . 35 4.4存储器电路 . 36 4.5 SPI接口电路 . 37 4.6通信转换电路 . 37 结论 . 38 参考文献 . 39 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 1 仿真程序 1. 41 附录 2 仿真程序 2. 41 附录 3 仿真程序 3. 41 附录 4 仿真程序 4. 41 附录 5 仿真程序 5. 42 附录 6 仿真程序 6. 42 附录 7 仿真程序 7. 42 附录 8 仿真程序 8. 42 附录 9 仿真程序
8、9. 43 附录 10 仿真程序 10. 43 附录 11 仿真程序 11. 43 附录 12 仿真程序 12. 43 附录 13 仿真程序 13. 44 附录 14 仿真程序 14. 44 附录 15 仿真程序 15. 44 附录 16 仿真程序 16. 44 附录 17 仿真程序 17. 45 附录 18 仿真程序 18. 45 附录图 19 硬件连接图 . 46 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 近几年来随着现代工业的高速发展，电力系统中出现越来越多的非线性负荷。这些非线性负荷产生大量的谐波电流，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、继电保护装置等造成 了很大程度
9、上的危害 1。目前，在世界范围内，谐波污染问题已经得到了广泛的重视。而且，电能计量的准确性与合理性直接影响着发电企业、输配电企业、电力用户之间的利益。 谐波问题在电力系统中的存在是比较普遍的，对谐波问题的分析包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电源谐波潮流计算及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量在谐波问题的分析中有以下几点不可或缺的作用： a确保设备投运后电力系统和设备可以安全并经济的运行； b确保实际电力系统及谐波源用户的谐波水平符合标准的规定； c检测谐波故障或异常； d各种谐 波专题测试，如谐波阻抗、谐波谐振和放大等，可以准确的测量出谐波对于线性电力系统和设备的损害。由于谐
10、波具有固有的随机性、非平稳性、非线性和影响因素的复杂性等特征，所以要对谐波进行准确的测量也并非易事，也正因此，吸引了众多学者对此进行广泛研究 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。
11、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）谐波（ inter harmonic） 和其他成分。 谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 2 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
12、方式等作大周期性的变化 3。 1.3 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 在现行的供配电系统中，一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器检测并保护着电力线路与电力变压器，但当谐波含量高时，电磁式继电器与感应式继电器容易使继电保护误动作
13、。而晶体管断电器虽然具有许多优点，但是容易受谐波影响产生误动。所以，谐波将严重影响着电网线路的稳定运行。 （ 2）影响电网的质量 众所周知，电网中的谐波使电网的电压与电流波形发生畸变。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，从而影响着电网的质量。 （ 3）对电容器的危害 谐波使电容器端电压增大，电容器的电流增加，使电容器损功率增加。如果谐波含量超出电容器所允许的条件，就会使电容器过电流和过负荷，使电容器异常发热，绝缘介质加速老化。尖项波形波易在介质中诱发局部放电，而谐波的存在往往使电压呈现尖项波形，这样将缩短电容器的使用寿命。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器
14、击穿。 （ 4）对电力变压器的危害 谐波使变压器的电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁引起的杂散损耗都要增加。而且谐波还会使变压器的铁耗增大，表 现在铁心中的磁滞损耗，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大。 （ 5） 对电力电缆的危害 谐波次数高频率上升导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 3 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 4。 1.4 谐波测量仪器 （ 1）按测量原理分：模拟式测量仪器
15、和数字式测量仪器。模拟式测量仪器是从模拟信号中测取谐波。数字式测量仪器是先对模拟信号采样、量化为数字信号，然后经数字处 理，得到得到基波和各次谐波的幅值和相位。 （ 2）按测量功能分：谐波分析仪和频谱分析仪。谐波分析仪只测取电网周期信号的各次谐波，而频谱分析仪是在一定频率范围内测取各种信号全部频率分量的幅值。 1.5 电网谐波测量方法综述 由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、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，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究 4。常用的一些谐波测量方法，分成以下几个方面： 1.5.1 采用模拟带通或带阻滤波器测量方法 最早的谐波测量是采用模拟
16、滤波器实现的，其模拟并行滤波式谐波测 量装置方框图如图 1-1 所示。由图可见，输入信号经放大后送入一组并行的带通滤波器，滤波器的中心频率 f1、 f2、 fn是固定的，为工频的整数倍，且 f1f2为工频的整数倍，然后送至多路显示器显示被测量量中所含谐波成分及其幅值。 图 1-1 滤波式谐波测量装置 1.5.2 快速傅里叶变换理论 傅立叶变换的谐波测量是由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。应用此方法的优点是测量精度较高，功能较多，使用方便。其缺点需进行 2次变换，计算量大，计算时间 长，检测结果实时性较差。当式 (1-1)不成立时，即如果再采样过程中信号频率和采样频率不一样时，
17、会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的频率、幅值和相位不准确，误差较大，不能满足测量的标输入放大器 滤波器 1 滤波器 2 滤波器 n 检波器 1 检波器 2 检波器 n 多 路 显 示 器 谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 4 准，因此必须要对算法进行分析和完善。 00sSLT LfTf(1-1) 式中， L为正整数； T0为信号周期； TS为采样周期； fs为采样频率； f0为信号频率； 1.5.3 神经网络理论 神经网络应用于电力系统谐波测量目前正处于起步阶段。它主要有 3 方面的应用： a、谐波源辨识； b、电力系统谐波预测； c、谐波测量。 神经网络应用于谐波测量主要包
18、括以下方面：网络构建、样本的确定和算法的选择。 一些仿真结果表明，用人工神经网络实现谐波与无功电流检测的网络，不仅对周期性变化的电流具有很好的跟踪性能，而且对各种非周期变化的电流也能进行快速跟踪，对高频随机干扰也有良好的识别能力 4。 1.5.4 小波变换理论 小波分析克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点。小波变换能 将电力系统中高次谐波投影到不同的尺度上，会明显地表现出高频、高次谐波信号的特性，特别是小波包具有将频率空间进一步细分的特性，从而为谐波分析提供了可靠依据。通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，可以分析电流信号的各个尺度的分解结果，并利用多分辨的概念将低频
19、段(高尺度 )上的结果看作不含谐波的基波分量。基于这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节，且能快速跟踪谐波的变化 5。 1.6 论文主要研究的内容和目标 1.6.1 主要研究的内容 随着 工业的发展， 非线性用电负荷的 日益 增多，供电系统中谐波成分 也 不断 的 增加。 电力系统谐波对供电系统 、 电力设备 造 成危害， 而且非线性用户在用电过程中将部分基波电能转化为谐波电能，从而增加了企业的非经营行成本。为保证准确的进行电能计量，保障电力部门的效益，所以研究在谐波存在下的电能计量方法很有必要的，尽早找到一种合理准确的电能计量算法 。 1.6.2 目标 通过对谐波问题的研究，根据实际情况合理选择以谐波分析为主的电能检测方法，并提出以单片机为控制核心的，配以适当的硬件电路和软件设计的谐波电谐波电能计量算法的研究及 MATLAB 仿真 5 能监测系统整体方案 ,实现对谐波电流和电压的基波和各次谐波、有效值、电能等参数的计算、显示等功能。
