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1、（2011届）毕业设计（论文）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III诚 信 声 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 月 日授 权 声 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
2、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 日谐波电能计量算法的研究及MATLAB仿真摘 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，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
3、波能量，小波变换，分解与重构，稳态信号，MATLAB 仿真Harmonic power measurement algorithmand MATLAB simulationAbstract 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 harm
4、onic 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 active energy measurement, and the steady-state signal energy measure were simul
5、ated.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，Wavelet Transform，Decomposition and reconstruction，Steady-state signal，MATLAB simul
6、ation. 目录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1选题背景及研究意义11.2谐波分类及变化特点21.3谐波测量在电力系统中的重要性及电网谐波的标准21.3.1谐波测量在电力系统中的重要性21.3.2 电网谐波的标准51.4谐波测量仪器51.4.1 谐波测量仪器的分类51.4.2 谐波测量仪器的发展趋势61.5电网谐波测量方法综述61.5.1采用模拟带通或带阻滤波器测量方法61.5.2快速傅里叶变换理论71.5.3 瞬时无功功率理论81.5.4 神经网络理论91.5.5 小波变换理论91.6论文主要研究的内容和目标91.6.1 主要研究的内容91.6.2 目标102电网谐波的数学
7、理论112.1谐波的概念及相关参数112.1.1 谐波的概念112.1.2 谐波含量（电压或电流）132.1.3 谐波含有率（HR）132.1.4 公用电网谐波电压和谐波电流的计算142.2离散傅里叶变换理论152.2.1 定义152.2.2用DFT进行谱分析存在的问题162.3快速傅里叶变换理论162.4小波变换理论202.4.1小波变换202.4.2多分辨分析223基于小波变换的谐波电能测量及MATLAB仿真283.1小波的分解与重构283.2 电能的计算293.3 谐波功率的定义303.4基于MATLAB平台的有功电能计量仿真314基于ATT7022B的谐波电能测量硬件设计374.1装置
8、总体设计方案374.2芯片ATT7022B的结构374.2.1电源监控电路384.2.2 系统的复位384.2.3 A/D转换394.3采样电路394.4存储器电路404.5 SPI接口电路414.6通信转换电路41结论42参考文献43致谢44附录图1硬件连接图45附录2 仿真程序146附录3仿真程序24643谐波电能计量算法的研究及MATLAB仿真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
9、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
10、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
11、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。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。在有谐波存在的
12、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。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（IE
13、C）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。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
14、, 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，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
