电能质量在线监测系统立项报告.docx
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电能质量在线监测系统立项报告
计量电能质量产品检测系统
立项报告
上海电气自动化设计研究所有限公司
目录
1、立项根据
2、立题拟采用的法规和标准
3、科研项目
4、技术路线
5、关键技术
6、项目进度
7、费用估算
8、市场前景
9、经济分析
10、团队建设
1、立项背景和依据
电力供应是现代化社会赖以生存的重要支柱。
电能质量历来是发、供、用电部门十分关心并且刻意完善的重要指标。
过去，电能质量通常是指供电的可靠性、稳定性以及供电电压的幅值、频率、波形等参数与规定值的偏差。
近十多年来，随着高新技术尤其是信息技术的发展，众多基于计算机、微处理器、电力电子装置控制或管理的现代化工业与民用用电设备，对电能质量更加敏感，受电能质量影响所造成的经济和社会损失问题日趋突出，因而对电能质量提出了新的更高的要求，同时也使电力系统面对着空前广泛的谐波、闪变、不对称的污染。
不同于一般商品的是，电能是由供、用电双方共同保证质量的特殊产品。
在某些质量问题的起因上，电能质量的下降更多的是受到使用者的影响，而不在于电力生产者。
因此要保证电能质量，必须由电力部门和广大用户共同维护。
再则，由于电能质量问题的特殊性，电力系统的电能质量始终是处在动态变化之中，即不同时刻、不同公共连接点，电能质量现象和指标往往是不同的。
且电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响。
因此，要想加强对电能质量的管理，必须建立一个实时在线的监测系统。
进入20世纪90年代以来、随着半导体、计算机产业迅速发展，一批高新技术企业应运而生，出现大量的微机控制装置和生产线，从而对电能质量提出了新的要求。
在这样的背景下，电能质量的各种仪器和装置的研发迫切需要一些新技术来推动，通过这些新技术的应用，从而使电能质量从检测、分析和监控等方面得到提高。
随着电能质量逐步列入电网安全运行考核指标，市场上出现不同型号、原理的电能质量检测终端（分析仪），对于这类产品目前主要用6100系列仪器，用标准源法测试，且测试精度相对与直接比较法有不足之处，且适用于实验室使用。
鉴于上述状况，用类似6100系列产品在生产线上使用，已不能满足用户要求，更不能满足市场要求，本科目就是立足上述状况而立项研究。
本科研项目的计量体系按直接比较法设计。
2、立题拟采用的法规和标准
GB/T11150-2001《电能表检定装置》
JJG307-2006 《机电交流电能表》
GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》
GB/T12326-2000《电能质量电压波动和闪变》
GB/T15543-1995《电能质量三相电压不平衡》
GB/T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》
GB/T15945-1995《电力系统频率允许偏差》
GB/T19862-2005《电能质量监测设备通用要求》
3、科研项目
3.1基本技术和原理
3.1.1基本原理
●电能质量的基本概念
电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。
围绕电能质量的含义从不同角度理解通常包括：
电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。
●电能质量的影响
电能质量主要是受到大容量非线性负荷及冲击负荷的影响。
凡是具有非线性阻抗特性的电器设备都是电能质量的污染源，包括各种电力电子设备的用电负荷、炼钢电弧炉负荷、电力机车负荷等，使电网中产生电压波动与闪变、产生高次谐波电压、造成系统电压不平衡等，从而引起电压正弦波形畸变。
见图1
图1畸变波形
●电压偏差A、用电设备：
用电设备是按照额定电压进行设计和制造的。
当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，可能会因过电压或过电流而损坏。
白炽灯设备（通光量、寿命）、电炉等电热设备（发热量、效率、寿命）、异步电动机（电磁转矩、效率、寿命）、家用电器（效率、寿命）。
B、电网：
电压和频率稳定、缘问题、铁心饱和、谐振、损耗、经济运行。
●频率偏差：
A、对用电负荷的影响：
产品质量没有保障、降低劳动生产率，使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。
B、对系统的影响降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃。
汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。
处于低频率系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流也就随之加大，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难。
无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。
频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。
研究表明：
频率改变1％，感应式电能表的计量误差约增大0.1％。
频率加大，感应式电能表将少计电量。
●波形畸变：
A、直流偏磁在照明系统中采用的半波整流器电流，会使交流变压器偏磁，以至于发生磁饱和，引起变压器铁芯附加发热，缩短使用寿命。
直流分量还会引起接地极和其他电气连接设备的电解腐蚀。
B、谐波降低设备的利用率，缩短使用寿命；干扰继电保护、自动装置和计算机系统；使测量和计量误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统；引起谐波谐振，诱发过电压或过电流的危害；增加损耗。
C、间谐波对电力载波信号有影响，对显示设备如CRT等有感应视觉闪变干扰。
D、噪声可以对电子设备如微机、可编程控制器等的正常安全工作造成危害。
采用滤波器、隔离变压器和电力线调节器等措施能够减缓噪声的影响。
●电压波动和闪变：
电压波动会引起部分电气设备不能正常工作，但由于实际运行中出现的电压波动值往往小于电气设备对其敏感度门槛值，可以说由于电压波动使得负荷设备运行出现问题甚至损坏的情况并不多见。
白炽灯的光功率与电源电压的平方成正比，所以受电压波动影响最大。
当白炽灯电源的电压波动在10％左右，并且当重复变动频率在5～15Hz时，就可能造成令人烦恼的灯光闪烁，严重时会刺激人的视感神经，使人们难以忍受而情绪烦躁，从而干扰了人的正常工作和生活。
●三相不平衡：
系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大量负序分量。
由于负序分量的存在，三相不平衡对电气设备产生不良影响。
A、感应电动机负序电压产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率下降，还可能引起电动机振动。
由于电动机的负序电抗很小（只有正序电抗的1/5～1/7），所以负序电压产生的负序电流很大，使电动机的铜损增加。
铜损的加大不仅使电动机效率降低，同时使电动机过热，导致绝缘老化过程加快。
B、变压器处于不平衡负载下运行时，如果其中一相电流已经先达到变压器额定电流，则其余两相电流只能低于额定电流。
此时，变压器容量得不到充分利用。
例如三相变压器供电给单相线电压负载时，变压器的利用率约为57.7％；如果供电给单相相电压负载，则变压器的利用率仅为33.3％。
如果处于不平衡负载下运行时仍要维持额定容量，将会造成变压器局部过热。
研究表明，变压器工作在额定负载下，当电流不平衡度为10％时，变压器绝缘寿命约缩短16％。
●电压暂降：
严重的电压暂降，可使用电设备停止工作，或引起产品质量下降。
一般而言，工业过程设备对电压暂降特别敏感，因为设备内任何一个元件由于电源出现问题都会使整个流程停止运转。
这些工业过程涉及塑料、石化、纺织、造纸、半导体以及橡胶等领域。
例如，在许多用电装置中广泛采用的电子芯片检测器，在电压发生暂降之后，其重新启动通常需要30min或更长时间，从而影响装置的正常运行。
图2
图2
3.1.2主要技术指标
3.1.2.1工作环境：
温度20℃±2℃
相对湿度不大于75%
3.1.2.2供电频率：
50Hz±1Hz
3.1.2.3工作电压220V±5%
3.1.2.4供电电压的总谐波畸变率不大于8%
3.1.2.5交流电压基本量程:
量程:
57.7V,100V,220V,380V
测量范围:
0---120%Fs
分辨率:
0.002%Fs
准确度:
0.01%Fs±0.005%RD
交流电压频率:
40HZ---70HZ
3.1.2.6交流电流基本量程:
量程:
2A,5A,10A,20A.
测量范围:
0---120%FS,
分辨率:
0.002%FS
准确度:
0.01%FS±0.005%RD
交流电流频率:
40HZ---70HZ
3.1.2.7相位测量:
测量范围:
0---359.999
分辨率:
0.001度
准确度:
0.05度
3.1.2.8功率因数测量:
测量范围:
-1---0---+1,
分辨率:
0.00001
准确度:
0.02%
3.1.2.9功率测量:
测量范围:
0----380V×20A
分辨率:
0.001W
准确度:
0.02%FS
3.1.2.10频率测量:
测量范围:
10Hz----99Hz
分辨率:
0.001Hz
准确度:
0.002Hz
3.1.2.11谐波测量:
谐波次数:
2----63次
谐波频率准确度:
±0.01%fh
谐波测量范围:
0---50%
谐波含量分辨率:
0.001%
谐波测量准确度:
0.2%（Vh,Ih）
谐波相位测量范围:
0---359.99°
谐波相位分辨率:
0.01°
3.1.2.12谐波相位分辨率:
0.05°
谐波功率测量准确度（有功）:
0.1%Pn
谐波电压:
Uh≥1%Un0.2%Uh
Uh<1%Un0.2%Un
谐波电流:
Ih≥5%In0.2%Ih
Ih<5%In0.2%Ih
3.1.2.13闪变检测:
测量范围:
0---50%（V,I）
测量分辨率:
（0.001%）
占容H测量范围（距测波）:
0.01%----99.99%
效率测量范围:
0.001Hz----40Hz
测量准确度:
0.2%
Pst准确度:
0.1%
3.1.2.14骤升骤降检测:
持续时间测量范围:
0.5ms
准确度:
<5ms
骤升骤降测量范围:
0----140%
测量分辨率:
0.01%
测量准确度:
0.2%
3.1.2.15电压.电流间谐波检测
间谐波频率测量范围:
25Hz----2500Hz
测量分辨率:
0.001HZ
3.1.2.16间谐波频率:
间谐波频率测量准确度:
0.01Hz
间谐波幅值测量范围:
30%Un（In）
间谐波幅值测量分辨率:
0.001%
间谐波幅值测量0.2%
3.1.2.17 谐波允许误差：
谐波电压Un：
57.74V5.774V
分别输入：
0.5%Un、1%Un、5%Un、50%Un。
15V、200V
谐波电流In：
1A5A
分别输入：
1%In、3%In、5%In、10%In、50%In。
0.1A6A
表1谐波电压、谐波电流允许误差限
级别
被测量
条件
允许误差
A
谐波电压
Uh≥1%Un
Uh＜1%Un
1%Uh
0．01%Un
谐波电压
In≥3%In
Ih＜3%In
1%Ih
0．05%In
注：
Un为基波电压，Uh为谐波电压，Ih为谐波电流
表2谐波有功功率允许误差限
级别
被测量
条件
允许误差
A
谐波功率
Ph≥150W
Ph＜150W
0．2%PN
0．5W
注：
PN为基波功率；Ph为谐波功率。
间谐波电压同谐波电流允许误差限符合表1规定
3.2 谐波功率源
3.2.1用途
直接比较法测谐波及谐波功率时的功率源
3.2.2主要技术指标
3.2.2.1工作环境
温度范围：
0℃---40℃
相对湿度：
≤80℃
3.2.2.2工作频率50Hz±1Hz
3.2.2.3工作电压220V±15%
3.2.2.4供电电压总畸变率不大于8%
3.2.2.5谐波次数2次----63次
3.2.2.6交流电压输出：
100V/220V
调节范围：
（0—120）%RG
3.2.2.7交流电流输出：
1A/5A/10A
调节范围：
（0---120）%RG
3.2.2.8调节细度：
0.01%RG
3.2.2.9准确度：
0.05%RG
3.2.2.10稳定性：
0.01%RG/5min
3.2.2.11失真度：
＜0.1%（非容性负载）
3.2.2.12输出负载：
每相100VA
4、技术路线
4.1标准谐波表
4.1.1谐波表电压、谐波电流（包括间谐波）测试方法
A）按图1连接设备。
谐波电压源
（谐波电流源）
被检仪器
标准谐波测量仪器
图1直接比较法谐波电压、谐波电流检定示意图
B）选择标准谐波测量仪和被检适当的电压量程，由谐波电压源输出选定的基波电压和谐波电压，从标准谐波测量仪得到谐波电压含有率标准值HRUhS，从被检仪器得到谐波电压含有率示值HRUhX。
C）选择标准谐波测量仪和被检表适当的电流量程，由谐波电流源输出选定的基波电流和谐波电流，从标准谐波测量仪得到谐波电流含有率标准值HRIhS，从被检仪器得到谐波电压含有率示值HUIhX。
D）按式
（1）---式（4）计算被检仪器谐波电压、谐波电流的示值误差。
E）ǐHRUh、ǐHRIh、▲HRUh和▲HRIh应符合本标准表1规定的A级允许误差要求。
基波频率变化对谐波电压、谐波电流含有率的影响
基波频率选择50Hz的需进行此项检定。
A）基波频率分别设定为49、51Hz；
B）A级仪器谐波电压含有率选取1%，谐波电流含有率选取3%；谐波次数选取3、5、7次，B级仪器谐波电压含有率选取3%，谐波电流含有率选取10%，谐波次数选取3、5、7次；
C）本标准对谐波电压含有率和谐波电流含有率进行检定；
D）多通道被检仪器每个通道均应检定，检定点可参考单通道被检仪器；
E）检定结果应符合本标准表1的规定。
4.1.2谐波有功功率测试
A）按图2连接设备。
图2直接比较法谐波有功功率检定示意图
B）按选定的基波功率和谐波功率点，设置谐波功率源并输出。
C）读取并记录宽频标准功率表谐波功率标准值和被检仪器的谐波功率示值。
D）按式（5）计算被检仪器谐波功率的示值误差。
E）▲Ph应符合本标准的规定。
4.1.3测试点的选择
表3整数次谐波电压、谐波电流检定点推荐表
等级
被测量
谐波
含有率%
谐波次数
A
谐波电压
1
在2-50次之间选择不少于15个谐波次数，其中2，3，5，7，50次必检。
0.5,8
在2-50次之间选择不少于7个谐波次数，其中2，3，5，7次必检。
谐波电流
3
在2-50次之间选择不少于15个谐波次数，其中2，3，5，7，50次必检。
1,20
在2-50次之间选择不少于7个谐波次数，其中2，3，5，7次必检。
B
谐波电压
3
在2-25次之间选择不少于10个谐波次数，其中2，3，5，7，25次必检。
1,8
在2-25次之间选择不少于6个谐波次数，其中2，3，5，7次必检。
谐波电流
10
在2-25次之间选择不少于10个谐波次数，其中2，3，5，7，25次必检。
3,20
在2-25次之间选择不少于6个谐波次数，其中2，3，5，7次必检。
C）间谐波电压含有率及谐波次数参见表4
表4间谐波电压、间谐波电流检定推荐表
等级
被测量
谐波
含有率%
谐波次数
A
谐波
电压
1
1.5,2.25,2.5,2.75,3.25,3.5,3.75,4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5,10.5,11.5
0.5,8
2.25,2.5,2.75,3.5
谐波
电流
3
1.5,2.25,2.5,2.75,3.25,3.5,3.75,4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5,10.5,11.5
1,20
2.25,2.5,2.75,3.5
D）每次注入一种谐波成分
E）多通道被检仪器每个通道均应检定，检定点可参考单通道被检仪器。
谐波电流点的选取
A）选择被检仪器的额定电流（未注明额定电流的按用户给定的电流值）作为基波电流值，基波电流频率与基波电压频率一致；
B）整数次谐波电流含有率及谐波次数参见表3间谐波电流含有率及谐波次数参见表7；
C）每次注入一种谐波成分；
多通道被检仪器每个通道均应检定，检定点可参考单通道被检仪器。
谐波有功功率检定表
表5谐波有功功率检定表
谐波电压含有率%
谐波电流含有率%
谐波次数
10
40
2，3，5，7，11，13，15，19，25
20
40
3，5，7
40
40
3，5，7
4．1．4计算方法
4．1．4．1谐波电压、谐波电流计算方法
▲HRUhx=（HRUhx-HRUhs）×Un
（1）
ǐHRUh=HRUhx-HRUhs×100%
（2）
HRUhs
式中：
▲HRUh-------被检定仪器第h次谐波电压含量的绝对
误差,V；
HRUhx--------被检定仪器第h次谐波电压含有率示值，%；
HRUhs--------第h次谐波电压含有率标准值，%；
Un-----------基波电压，V
ǐHRUh----------被检仪器第h次谐波电压含有率的相对误差，%
E）根据选定的基波电流值，选择被检定仪器适当的电流量程，设置标准谐波电流源输出基波电流标准值和表6表7规定的各次谐波电流含有率标准值，由输出设置可以得到谐波电流含有率标准值HRUhs从被检定仪器得到谐波电流含有率值HRUhx。
F）谐波电流含有率HRIh＜3%（A级）的按式（5）计算被检仪器的谐波电流的示值误差，谐波电流含有率HRIh≥3%（A级）的按式（4）计算被检仪器的谐波电流的示值误差。
▲HRIh=（HRIhx-HRUhs）×In（3）
ǐHRIh=HRIhx-HRIhs×100%（4）
HRIhs
式中：
▲HRIh-----被检仪器第h次谐波电压含量的绝对误差，A；
HRIhx------------被检仪器第h次谐波电压含有率示值，%；
HRIhs--------第h次谐波电压含有率标准值，%；
In-----------基波电压，A
ǐHRIh------被检仪器第h次谐波电压含有率的相对误差，%
4.1.4.2谐波有功功率计算方法
▲Ph=Phx-Phs（5）
▲Ph--------被检仪器第h次谐波功率示值误差，W；
Phx------------被检仪器第h次谐波功率示值，W；
Ph--------------第h次谐波功率标准值，W。
4.2谐波功率源
技术路线同第3.1条款。
5、关键技术
图一
1、电压、电流传感器
2、信号调理电路
3路电压
3路电流
3、AD采样
24bits，6路、8路？
4、DSP系统
3.、4.一体
5、嵌入式系统
平台WindowsCE，应用EVC
6、数据存储
微型硬盘、FlashRAM？
7、LCD及键盘
液晶＋触摸屏、液晶＋键盘
菜单操作
8、接口
RS232、RS485、10M/100Mbps以太网、USB
9、电源系统
5V、±12V
6、项目进度
周、月、季、年计划进度
时间
工作内容
目标
完成人
2011.7
市场调研
市场规模、市场潜力、可能的市场接受度
2011.9
算法研究和比较
广义坐标变换与FFT算法的权衡
2011.11
原理图设计
布线前信号完整性仿真
布线前电磁兼容性仿真
2012.4
PCB布局、布线、
制版、焊接
布线后信号完整性仿真
布线后电磁兼容性分析
布线后热辐射分析
可靠性预测分析
2012.8
总体测试
功能、性能测试
EMC测试
环境测试
2012.10
工艺总结
内部评审
2013.1
中试生产
2013.4
取证测试
2013.6
评审通过
设计结束
7、费用估算
研制部件名称
使用数量
预算费用 （单位：
万元）
高精度交流工作电源
2
10
高精度电压变送器
15
7.5
高精度电流变送器
15
7.5
高速宽增益放大模块
15
12
高速高分辨率模数转换模块
6
5
高速高精度数字算法硬件模块
3
6
嵌入式硬件系统
3
1.5
嵌入式系统软件
1
2.5
部分算法软件设计
1
5
结构件设计制作
2
15
差旅调研费用
5
试验费用
3
测试检测费用
15
产品鉴定会务费
5
总计
100
8、市场前景
本科研项目涉及到二大领域，系统内容得到国家计测权威单位认可和合作。
随着十二五规划的实施，一些单位将陆续开展相关的计量项目。
但考虑到经济合理性，功能完备性，现有设备难以达到项目提出的要求。
本项目贯穿功能上相近，技术上相通，具有较高的性能价格比，为规模生产和维护有独特的长处，且是填补国内空白。
根据目前市场预测：
省级、国家级技术监督局系统估算：
50套
电力系统估算：
250套（包括电力公司三产）
电能表生产企业估算：
200套
35KV以上变电站：
5000套
国防科工委系统估算：
100套
估算总计：
5600套
该类产品市场价为15万元/套
成本价为4万元/套
市场运作费3万元/套
预计市场竞争较为激烈，按照占有市场份额的25%计算，共计：
产值=5600套×15万元/套×25%=2.1亿元
利润=5600套×8万元/套×25%=1.12亿元
9、经济分析
9．1本科研项目的经济效益十分可贵，包括：
产品本身具有相当丰厚的经济效益，系统产品的成本（研发费用按20套折算）毛利为8万元左右，产业链所创造的财富，五年累计不少于1亿元人民币。
9．2本科研项目的社会效益。
本科研项目解决了写拨指标量传，且准确度高，适用范围广，特别对三相多功能表增加写拨和谐波功率的检定，电能质量检测终端的批量生产，提供了计量器具和方法，同时该类技术不再依赖进口产品，可出口。
电能质量检测信息分析管理系统的研究意义
一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦波，按规定的电压水平对用户供电。
但在实际情况下，由于电能在输送过程中受到各种因数的影响，到达用户的电能会偏离正弦波形而发生畸变。
特别是当前不对称负荷、冲击负荷的容量上、数量上日益增大，使干扰成分不断增加，电能质量日益恶化。
电能质量不仅取决于发电、输电和供电系统本身，而且伴随着现代化的迅速发展，接入公用电网的半导体和非线性负荷也明显干扰或降低配电网中的电能质量。
由于谐波是电能质量中一个重要的问题，因此过去的电能质量研究主要集中在与谐波相关的稳态电能质量问题上，主要包括元件建模、谐波潮流分析、谐波抑制等问题。
比如，在电力系统，电力电子、电机、供用电等专业以及所有涉及电力电子的工业部门中，都把谐波干扰及其分析处理作为重要技术课题。
目前供电部门电能质量的主要监测手段一般是利用便携式测试仪不定期地对某些线路和变电所进行测试，或对发现有电能质量问题的电厂或用户进行测试分析，然后通过硬盘将数据上报到省电力试验研究所，经过其汇总、统计分析，对全省电网的电能质量水平进行评估，提出电网目前存在的问题，供电力公司领导决策参考。
这样的运行方式工作量大、数据采集不系统、不全面、时间的延续性短、监测功能较少、实时性较差、监测效率低、统计分析功能欠缺。
另一方面，现实中，供、用电双方对电能质量现象或事件发
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