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摘要 1
Abstract 3
第一章 引言 5
1.1 研究背景 5
1.2 研究现状 5
1.3 研究工作 6
第二章 电能质量及其分析方法 8
2.1 电能质量定义 8
2.2 电力系统频率偏差 8
2.3 供电电压允许偏差 10
2.4 公用电网谐波 12
2.5 电压波动和闪变 13
2.6 三相电压不平衡度 15
2.7 常见的电能质量分析方法 16
2.8 本章小结 18
第三章 数据采集模块 19
3.1 系统的硬件结构 19
3.2 信号采集 19
3.3 信号调节电路 20
3.3 数据采集卡 21
3.4 本章小结 25
第四章 工控机端监测系统设计 26
4.1 电压、电流的数据采集与分析模块 26
4.2 电压偏差分析模块 27
4.3 频率的测量分析模块 28
4.4 谐波分析计算模块 28
4.4 本章小结 29
第五章 全文总结 30
5.1 研究课题总结 30
5.2 研究内容总结 31

摘要

电能质量（Power Quality）监测技术在这几年的时间里受到了越来越多的关注。为了评估电能质量在不同的电力网络中的影响，世界各地都在进行着电能质量监测。
随着相关技术的发展(监测设备、通信技术、数据存储和处理技术)，监测方面的大数据成为可能。在设备连接至电力网络的类型和非线性电力电子接口连接方式的扩展，及对非通用型的负载/储能（例如，电动汽车）的未来设想的改变，给电网公司监测和记录电能质量的各个方面带来了巨大的影响。
因此发展电能质量监测技术，培养电能质量监测技术人才对我们有着极大的意义。电力行业也会因电能质量的不断的提升而将拥有更多的提升。本课题主要研究的是电能质量在实验室环境内对电能质量进行的监测，这对于高校的教学研究也会有一定的帮助。
本课程主要研究的是数据采集器的电能质量监测系统，而通过数据采集卡的运用也使得该系统有诸项特色与创新点。
系统的结构简洁、易操作，这对我们进行电能质量研究上有很大帮助。系统的建设与维护的成本也相对较低，由于是基于实验室的研究，这些特点对我们日常的监测学习提供了很大的支持。系统的调节能力也较好，通过对监测程序的改写，我们可以灵活运用于电能质量各项参数的具体研究。同时它还具有很好的便携性，能够适应多种环境的需求。
关键词：电能质量；数据采集卡；技术发展；监测；电力

Abstract
There has been a noticeable increase in the amount of power-quality (PQ) monitoring taking place in electric power systems in recent years. A number of monitoring project have been performed around the world, with the main objective of assessing. The overall PQ of power systems at different voltage levels.
Developments in enabling technology (monitoring equipment, communication technology, data storage, and processing) have made it possible to monitor at a large scale and to record virtually any parameter of interest. The change in types of loads connected to the network and proliferation of nonconventional, power-electronic interface connected, generators, as well as envisaged further increase in nonconventional types of loads/storage puts additional pressure on network operators to monitor and document various aspects of network performance.
Therefore, the development of power quality monitoring，power quality monitoring train technical personnel has a great significance for us . Because of the power industry will continue to enhance power quality and will have more improvement. The main task is to monitor power quality research in the laboratory environment for power quality，which will be helpful for teaching and research universities .
This course is a study of data acquisition power quality monitoring system , through the use of data acquisition card also makes the system features and innovations such items .
Structure of the system is simple , easy to operate , which is a great help to us on the power quality study . Construction of the system and maintenance costs are relatively low , because the laboratory study is based on these features to our everyday monitoring learning it provides great support. Regulating capacity of the system is also better monitoring procedures by rewriting , we have the flexibility specific studies of power quality parameters applied . It also has good portability , we can meet the needs of a variety of environments .

Keyword ： PQ；DAQ；Power Network ；Technology Development；Monitoring；Power

第一章 引言

1.1 研究背景
电能的使用改善了人类生活的方方面面。它既满足了工业生产的需要，也满足了人们日常生活、工作、学习的需要。并随着技术的发展，工业的发展，改善了人们的生活条件，生产的逐步优化，导致电力质量严重。现在，电能质量，电力系统的运行和管理，一个重要的信号，监测，控制和提高电能质量对发展电力系统也很重要。
如今的由于许多的非线性电气设备的引入。大量的存在电磁扰动的设备加入电网。如今，原本的电网结构也发生了天翻地覆的改变。以及继电保护设备等均对电能造成了不同程度的污染。而这些污染使得电能质量出现很多问题，包括继电保护装置的误动，设备的罢工及、使用寿命的缩短甚至是损坏，更严重的还导致了电网的停电。每年全球都会因为电能质量问题造成巨大的损失。因此对于电能质量的研究显得尤为重要，本课题是研究基于USB数据采集器的实验室电能质量监测系统，希望能够对于电能质量的研究，发展培养更多人才，做出些许的贡献。
总的说来，更好的了解电能质量，对电力系统的运营有着极大的帮助，电能质量就是电力的质量体现，和我们生活中所有的商品一样，都对质量有着较高的要求。因此，这质量的好坏真真切切的反映了我们电力系统的技术水平和管理能力。不断加强对电能质量的整控，应该是电力行业的追求与目标，更是电力持续发展的动力。
1.2 研究现状
主要的电能质量研究还是通过电能质量监测装置实现的。而主要的监测装置分为便携式电能质量监测仪和固定式电能质量监测仪。
固定式电能质量监测仪，主要安装在电力系统中的公共站点，相关对电能质量要求较高的企业及大型的工业园区。仪器一般具备远程通讯功能，可方便进行远程监测。
便携式电能质量监测仪，这是主要对于到具体的地点，并且有很多不确定因素的地点进行勘察，同时是对一些地点进行研究，做工程勘察进行的监测。主要用于各种不同状况下的监测。
国外对于电能质量的研究，早期还只是受变电站和电弧炉工程师所关心。但随着公用电网对电能质量不断造成影响，电力工程人员不断接触各类电能质量问题，对电能质量检测设备的研制慢慢重视起来，而国外电力网络发展较之国内早了许多，因此在电能质量监测设备的研制上有很大优势，较为知名的有日置的3197、3198系列，福禄克的435系列的单相检测仪以及1750等三相电能质量检测仪等，还有莱姆电子的TOPAS1000系列，这些系列都是比较成熟的设备系列等。这些是主要的电能质量监测分析设备，尤其是福禄克430系统，用户相当广泛。这些设备能够电能质量的各项参数进行测量，包括传统的电压、电流频率等，也包括了各项的谐波、闪变和波动、三相不平衡等等。同时高端的还具有对测得数据的分析，记录等功能。
电能质量的发展也经过了多年了。从曾今的很多不同的标准，不同的方法到如今的有了越来越多的更加明确的指标进行分析。监测设备也是不断的发生着变化，尤其是进入21世纪以来，很多新兴技术的发展，尤其是电力电子技术，计算机技术以及软件工程技术的发展，是我们的监测的方法有了许多新的选择，如今发展最多的便是虚拟仪器技术了。虚拟仪器通常是依托着计算机的高级工程软件来完成很多的高级功能的。虚拟仪器一方面具有方便，可靠，借口类型多样，能兼容很多的设备，另一方面又有着很高的性价比，对于研究学习有着非常大帮助，甚至可以说。他是我们监测技术的突破，有了他我们可以替代那些单一的只能提供在特定功能方面的设备。同时虚拟仪器也是对传统的一次突破，其核心软件开发,由计算机数据采集系统、数据存储、数据分析等和显示功能,结构简单、定制的功能和开放、高精度、高智能。
虚拟仪器系统是完全是新一代的技术，当今软件工程的发展使得开发虚拟仪器变得更为简单。而伴随着软件的改进，设备本身在不进行升级的情况下，在功能上仍旧能够得到提升。所以说，电能质量参数监测的发展在伴随着虚拟仪器的发展有为我们带来无数新的可能。
1.3 研究工作
这次课题探讨基于USB数据采集卡的电能质量监测系统。包括电能质量的概念、常用的分析计算方法。发展研究的历史，以及基于Visual Basic平台的监控平台的建立。
以下为本次研究工作的主要内容：
一、研究电能质量问题及其危害并得出电能质量监测意义
研究并分析了电能质量问题所带来的危害并由此得出电能质量监测的意义。同时，对国内外电能质量监测装置发展情况以及目前的状况和未来的走向，综合阐述电能质量监测系统的意义。
二、电能质量标准中规定的电能质量指标的含义以及具体的分析和计算方法。
了解电能质量的基本概念，包括传统的电能质量即电压偏差、频率偏差、电力系统谐波、电压波动和闪变、三相不平衡及系统间谐波等，和动态电能质量包括暂时过电压和瞬态过电压以及电压暂降等。同时对电能质量分析的各种方法进行学习和总结，包括时域仿真法、频域分析法和基于变换的方法等。
三、研究分析电能质量数据采集器的工作原理
使用数据采集卡，了解其驱动方式，并通过它采集各项相关数据。同时在数据采集卡前设计信号调节电路，该电路能一次侧的信号转换成二次侧信号，使得数据采集卡能够可靠得采集相关数据。此外还需研究数据采集卡的通信方式，使其能与工控机进行通信。
四、确定基于数据采集器的监测方案，并设计系统框图和计算方法
通过对各种电能质量监测系统设计方案的学习和比较，确定最终的监测方案，并构建从信号采集至数据处理端的系统结构框图，以及各功能模块的硬件的设计原理。同时设计出监测系统的数据计算分析方法，使各项电能指标都有详细的描述，从而详细的说明了该论文的研究内容。
五、监测系统的图形界面开发平台的构建
使用Visual Basic语言开发基于Windows操作系统的图形用户界面，界面包含了实时波形显示、电压偏差分析、谐波分析、三相不平衡分析、频率分析、暂态检测与分类以及波形闪变分析等。
六、在实验室环境下对电能质量监测系统进行实验与验证
在实验室环境下对电能质量监测系统的功能进行了实验，通过采集电能质量数据及其测量计算，来验证电能质量监测系统的数据采集、数据存储以及以太网通信等功能。

第二章 电能质量及其分析方法

2.1 电能质量定义
电能质量目前暂无统一的定义。电气和电子工程师协会（IEEE）目前定义为：符合规范的电能质量是指给对电能质量很有高要求提供的电力设备，以及与设置的接地系统均是适合该设备正常工作的。
国际电工委员会（IEC）对电能质量的标准是：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。
而自1990年至2001年，我国出台过GB12325-1990、GB12326-2000、GB/T14549-1993、GB/T15543-1995、GB/T15945-1995、GB/T18481-2001D等六项电能质量的标准。而在此之后的几年里，又相继对GB12325-1990、GB12326-2000 、GB/T15945-1995等多项标准进行了修订，而这些标准中主要涉及的便是电力系统频率偏差、供电电压允许偏差、三相电压不平衡度、电压波动和闪变、公用电网谐波、暂时过电压和瞬态过电压。
2.2 电力系统频率偏差
2.2.1 频率偏差的标准
电力系统频率偏差作为电能质量标准之一。主要就是系统频率相对于工频的偏移。
表达式如下：

参照GB/T 15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》的规定，在该规定中，工频定为50Hz。在这一标称频率下，频率偏差限制规定如下：
（1）电力系统正常允许偏差值为±0. 2Hz。界限为3000MW偏差限值可以放宽到±50Hz，就是前提是当系统的负荷比较小。
（2）如果是对于冲击负荷来说，它所造成的频率的变化，一般的规定值是±0.2Hz。同时，由于冲击负荷的不确定性，例如其电压的大小等。因此在保证电力系统运行稳定的情况下可在保证供电可靠性的情况下进行适当的变动。
（3）电力系统中频率合格率的定义：在实际运行过程中，运行频率所产生的频率偏差，在规定的标准内，积累的运行时间与相对的总运行时间的百分比。统计时间以s为单位，计算公式为：

2.2.2 频率偏差的影响
（1）发电机的输出功率和负载不平衡系统中频率的变化，电力系统的有功负荷发生变化时，系统将更改频率。当系统处于平衡状态的原动机及调速系统频率的变化所造成的破坏将自动变成汽（水）量的原动机，增加或减少能量的输出。实现了频率调整发电机原动机转速控制系统。当在调整过程中，建立新的稳定状态，频率的发电机的有功功率之间的关系被称为有功功率发电机-频率静态特性。
当电力系统负荷变化引起的频率变化，依靠一种频率调制无法保持在允许的范围内，我们需要采用频率调节器发电机，以便有功功率发电机-改变发电机处于工作状态，以保持恒频，电力系统的静态特征频率平移或在允许的范围内。同样，如果发电机输出减少，系统也要大大减少频率，这取决于系统稳定装置或调度程序的干预，以保持频率的平衡。
（2）三相短路时的系统。在短路电流流过该设备必须消耗一定的能量，和Rc、Xc短路电阻和电抗是某处到故障点，系统中短路发生的最严重和Rc=Xc在三相短，无功功率损耗是一半的损失。小系统的300兆瓦，在低电压网络中，系统额外的功率损耗的影响被不容忽视；对于大容量系统，不易造成变电站网络Rc=Xc条件，短路功率损失是相对较小的值，和故障排除较短，所以短路功率损耗可以忽略不计的频率。
（3）和异步系统振荡引起的操作频率变化时，系统振荡及异步运行。由于流留下当前的权力平衡损失增加。可能增加角度，电流增大。
当潜在角度180度瞬时电流达到最大值，即相当于电气系统的中央相短路作为当前系统中的功率损失是更大的系统年底电力短缺将导致额外频率降低。异步操作，每个发生器的频率被引起不同点纹波电压频率范围。
（4）当供应线切割。接收端的电压变电站不会立即消失是由于滑行保持适当的电压频率衰减的异步电动机和同步电动机。同步电机在旋转时不改变原来的领域这种局面像发电机正在运行，但也由于系统感应电动机电容器形成从电一样兴奋。在正常情况下，要保持一个较高的感应电机比约20%在关闭五秒低电压电源的额定电压。
总之，引起的频率变化的因素更加复杂，和运行电力系统安全运行的电力系统极大的危害低（很少高频率）。因此，为了确保电力系统安全稳定运行，且可以有着良好的电能来个设备使用，些技术措施，如发电厂主频率（总督）和中等频率（调谐器）。设置频率低、低频率的负荷设备分裂措施，以保持安全稳定运行。
2.3 供电电压允许偏差
2.3.1 供电电压偏差定义
电力网络在标准运行状态下，实际电压与电网标准电压之差对电网标准电压的百分数，称为该节点的电压偏差。
其表达式为：

参照GB/T 12325-2008的规定中，即《电能质量供电电压偏差》对电网供电电压偏差的标准值、监测和达标率统计及供电电压的偏差中限定值规定如下：
（1）35kV及以上供电电压中，对正、负偏差值的绝对值之和不超过标称电压的10%。
（2）20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。
（3）220V单相供电系统中，对电压偏差为基准电压的+7%、−10%。
（4）若短路容量较小时、供电距离较长同时对供电电压偏差有明确的要求的用户，由供需双方进行协商确定。
（5）在电力系统监测点，可以通过电压偏差来统计电压合格率来，电压合格率是指稳定运行时电压偏差在规定规范内累计运行时间与对应的总运行时间的比值。
其计算公式为：

2.3.2 供电电压偏差的产生原因
供电距离超过合理的供电半径，供电导线截面积问题较大，电能耗损严重、线路过负荷运行。用电效率不够高，导致有功过低，对电压造成较大浪费、短路冲击电流等的瞬时过负荷、不对称负荷等的干扰、缺少有效的调节方法，对电力系统中调节装置安装不到位、功率中的自动补偿装置没能有效的使用。
2.3.3 供电电压偏差的影响
电压偏差的存在主要会造成两个方面的危害：对电气设备的危害。偏离了标准电压则与用电设备的额定电压产生了偏差，而这些偏差可以使得用电设备因电压不够而无法启动，也有可能因为电压过大而烧毁电路。同时，小幅度的振荡也会对一些对电压要求较高的设备的运行产生不能想象的后果。对电网的危害 ，若供电电压降低，对应的输电电流则会急剧上升，这就导致了输电功率的损耗大大增加，稳定性和经济性相应的下降，详细说明如下：
（1）对用电设备的影响
常用的电热设备等如果电压降低，那么其发热效率也会降低，其使用寿命也会跟着减短，对其稳定运行也产生影响，甚至造成人身伤害。
（2）对电力变压器的影响
在电力变压器中，影响变压器的最主要的就是电压。因为变压器的主要消耗就是其中的铜损和铁损，相对于大容量的电能传输，其中的消耗绝对不能忽视。电流的增大将会导致损耗的指数倍上涨，
同时，变压器中还包括着变压器中的绝缘油等绝缘的材料。而电压的不稳定，导致电流的不稳定，这些都会大大降低这些材料的使用寿命。
（3）设备的功率及影响
在一般使用电能的设备中，主要为单相感应电动机的设备，其工作原理类似于三相异步电动机，低电压电机直接影响点火电压过高，对隔离损坏或过大的励磁电流。
（4）电力系统稳定和经济运行的影响
在线路和变压器的传输条件下，能量常数、电流和电压的运算与网络的大小成反比。当低压电网的运行时，流量增大了线路和变压器的间隙和电流互感器，线路直接成正比于损耗资产的平方，从而降低了低电压的运行，大大增加了有功和无功的消耗，从而增加了能源供应的成本。
2.4 公用电网谐波
2.4.1 公用电网谐波的定义
正弦波的波形失真是任何经常使用的，这之间的频率成分在谐波。频率的基波频率的整倍数在基频和谐波的整倍数，一系列正弦波形，称为傅里叶级数。在能源供应系统在一定条件下，某些电气负载谐波电流的非周期波动，非整数倍的分数对波长的频率的整数倍的基础是指频率低于跨过程的基本频率的谐波分量的频率。含有谐波和高频成分，但它们是两种完全不同的现象，只有在它的突然扰动波的高频特性的电力系统，但这些都不是谐波频率，并且是独立的基本频率。
在国标中谐波电压限值和谐波电流允许值详见GB/T14549-1993的规定，即《电能质量公用电网谐波》标准中仅包含110kV及以下的电网中，对于220kV的电网比较110kV的。要是电网电压超过220kV需要利用下式进行归算，它的基准短路负荷可以使用2000MVA。

上式中ST1，ST2即公共点处的短路负荷容量，MVA；
ST2——在标准中的基准短路负荷容量，MVA；
Inp——在标准中的谐波电流在h次的允许电流值，A；
In ——第n次谐波中的电流容量值。
2.4.2 电网谐波的危害
（1）系统角度来看，谐波引起一些不正常现象︰第一，特高压输电线路，如果谐波电流太强。电弧熄灭的造成很大延迟、单相重合闸造成故障扩大、电弧线圈接地系统也存在这个问题；二次谐波分量较大的它可能导致保护误动或拒绝搬迁，如零序三次谐波太大，它可能会导致故障接地保护；第三、计量、测量上的错误，特别是过零检测相位计更严重。
（2）谐波引起附加损耗的设备，降低了效率。尤其是对电容器，随频率、介电损耗将得到显著提高;输电线路的高频谐波和集肤效应原因的线电阻会增加，从而造成附件线路损耗;同时变压器和电动机等，将导致一些附加铜损和铁损，造成局部过热。
（3）加速绝缘老化，缩短设备生活的极大。谐波的影响，明显老化的物理过程增加保温、电缆、电容器和其他极大的危害。
（4）可能会产生局部系列或并联谐振，谐波水平和放大。引起过电压或过电流损坏设备谐波的分支。后作为反应器中电容器装置系列电抗率可以在网格上方的5次谐波和抑制作用，但有少五倍谐波放大。
（5）谐波干扰通信系统。如果附近的载波频率，电源的谐波频率线载波通信信号传输和远程设备可以在一定程度上干扰，由加法的电磁、静电耦合和传导路径，但也对通信线平行敷设造成干扰。
2.5 电压波动和闪变
2.5.1 电压波动及其闪变的定义
电压波动和闪变是指电压存在的不稳定的体现，具体的表现在电压在一定的范围内，不断的发生着改变，但由于地区的不同，标准也不统一。在我国，可以参照GB/T 12326-2008 的规定，即《电能质量电压波动和闪变关于电压闪变》的说明。主要是将监测者进行的监测来进行判断的。通常用不同波形、频率、幅值的调幅波并以工频电压作为载波向工频电灯输送电能，需要几百名观察者进行统计，才能计算闪变觉察率F(%)，其统计公式为：

上式中：A一一未参与的数量；
B一一部分参与的数量；
C一一基本参与的数量；
D一一不能忍受的人数。
对于电压，其波动的含义就是电压在电压的有效值上面有不稳定的现象，通常我们用电压的最大和最小值得差来进行对比就是电压均方值极大值二和极小值之差，主要的表达计算公式，如下所示：

通常我们研究闪变主要在研究瞬时性的闪变和持续性闪变。对于这两者的区别主要体现在时间上，时间的不同导致了不同的测量结论。瞬时性的闪变一般周期为十分钟而持续性的闪变一般周期在两小时以上
具体计算如下式所示：

式中K0.1= 0.0314, K1= 0.0525 , K3 = 0.0657, K10 = 0.28, K50=0.08，P0.1、P1、P3、P10、P50
表示的是在瞬时性闪变过程中，达到0.1 %, 1 %, 3%, 10%, 50%的时长的监测值。

n是短时闪变值量。
闪变值相互累计，Pst值为

m值为不确定性的，可根据工作情况具体判断。
2.5.2 电压波动及其闪变的危害
在大多数情况下电压的闪变和电压的波动会给我们的日常生活带来许多负面影响：
（1）这些因素很容易对灯光设备造成大影响，灯光闪变，这些变化，对人眼的危害极大。
（2）使得拥有图像界面的视频信号上下摆动等，影响查看。
（3）机电设备，这些设备大部分具有牵引的能力，也是正常的设备运行的关键部件。包括了电机等一系列设备，一旦这些设备运行不畅，那么与之相关的制造出来的东西很会有很大的瑕疵。
（5）在集成电路芯片中，这些芯片对电压本身相当敏感，这也导致了波动和闪变会可能摧毁其内部的电路，导致设备的耗损。
（6）次外，我们很多的科学研究实验室对实验的要求相当高，若电流不稳定对于一些高精度的实验，将有可能导致实验无法进行或误差过大。
（7）导致电子仪器运行不正常，控制装置错误等
2.6 三相电压不平衡度
2.6.1 三相电压不平衡度概念
三相电压(电流)指对360度的三等分后的大小相等，方向各差2/3的电压（电流）。但若平衡，则代表其方向和角度均有差异通常分析是分成正序、负序和零序来分析计算。电压的负序不平衡度用ɛU2表示;电压的零序不平衡度用ɛU0表示。它们的数学表达式为：

上式中：
U0——零序电压有效值，V；
U1——正序电压有效值，V；
U2——负序电压有效值，V。
2.6.2 三相电压不平衡危害
（1）三相不平衡本身导致是各相间的不平衡，这些不平衡对于系统来说，将大大增加系统中的损耗。
（2）在三相不平衡的情况下，对于尤其是传输用的三相变压器来说，它将工作与不是它的额定工作状态下，这对于变压器来说将是巨大的损失。
（3）三相不平衡对电能能传输也产生了较大问题，对于电能来说造成了很多的浪费。本身电能也不能得到充分的应用。
（4）由于网络中存在着许多的不同的电力电子设备，它们的运行也将受到干扰，而不能良好得工作。
2.7 常见的电能质量分析方法
2.7.1 FFT傅立叶变换的快速算法
快速傅里叶变换 (FFT) 算法计算离散傅里叶变换 (DFT) 的序列或它的逆矩阵。傅里叶分析将从其原始域转换信号（往往有时间或空间）为表示形式在频率域，反之亦然。FFT 快速计算这种转变由 DFT 矩阵分解成稀疏的产品（主要是零）因素。因此，它设法减少从，即如果某一个简单适用的密度泛函理论，定义到，其中n是数据大小 DFT 计算的复杂性。
快速傅立叶变换算法广泛应用在工程、 科学和数学中的许多应用程序。基本思想的流行出现在 1965 年，但早在 1805年导出了一些算法。1994年吉尔伯特描述 FFT 作为"我们一生最重要的数值算法"，它由IEEE杂志列入20世纪顶10算法计算在科学与工程。
其基本的方式是一个模拟信号，经过ADC采样之后，就变成了数字信号。这些数字信号就是我们待处理的数据。处理的方式就是进行快速傅里叶变换算法。
而傅里叶变换的本质是一种变换，变换的主要是时域和频域的变换。要理解FFT我们先得了解DFT。
离散傅立叶变换（DFT）的定义：
设
令，则
而FFT则是在这个基础上对信号进行的分解操作。一般分成奇偶信号，即：

则
由
得
则，
且中和都是具有周期性的，因此

2.7.2 S变换
S变换（ST）是一种可逆的局部时频分析方法。主要思想是对连续小波变换（CWT）和STFT的发展。通常信号x(t)的S变换S（τ，f）定义如下：

式中，是高斯窗口（Gaussian window）；τ是在t轴位置的参数，主要用来控制高斯窗口。从计算的公式分析，ST不同于STFT之处在于，高斯窗口的高度和宽度随频率而变化。这样就克服了STFT窗口高度和宽度固定的缺陷。
信号x(t)可以由S变换S(τ,f)再次更新组建，其S逆变换为

S变换可以看做是对连续小波变换的一种相位修正，并可以以连续小波变换推导而来。信号x(t)的连续小波变换可以定义如下：

式中，a、b分别为伸缩参数和时移参数；q(t)为变换核，即平常所说的母小波。假设将变换核定成一高斯窗和一复向量的乘积，那么

则可以看出，S变换相当于将小波变换中的换成了f，将换成了。
S变换还可以写成信号x(t)的Fourier变换X(f)的函数，即

这样，S变换就可以利用FFT实现快速计算。由上式可以得到ST的离散表示形式：

式中

S变换在电能质量检测、识别等应用中都有比较广泛的应用，本书作者和国内外学者在这些方面都取得了丰富的研究成果。
2.8 本章小结
本章节主要是介绍了比较传统的电能质量的一些基本理论，通过这些基本理论可以对电能质量有一个简单的认识。同时也介绍了电能质量中产生如下的电能质量问题所带来的危害与后果。这些包括了电压、频率的偏差，公网的谐波，三相电的不平衡，以及电压的闪变波动等等。此为，本章还对快速傅里叶变换法以及小波变换（S变换）进行了简单的描述。

第三章 数据采集模块

3.1 系统的硬件结构
本课题的电能质量监测系统主要由信号的采集系统、信号的调节电路、数据采集卡（DAQ）和一台工控机组成，硬件结构框图如下图所示：

硬件结构框图
首先，通过电流或电压互感器得到电流和电压信号，然后将这些采集到的模拟信号由信号调节电路转化成二次侧电信号，之后进入数据采集器进行数据采集，最后通过工控机由工控机上的对数据采集器（DAQ）获得数据进行编程计算分析，最终在开发出的图形用户界面上显示数据情况以及分析结果。
3.2 信号采集
系统的硬件中，第一部分便是原始信号的采集，通常这一部分我们用电压互感器和电流互感器来完成对原始数据的采集。
电压（流）互感器（PT/CT）实际上与变压器较为类似，但与之不同的是。变压器一般是用于电能的传输，而互感器则是是用于测量设备，这也是我们此次选择互感器的原因。
互感器的种类较多通常分为以下几种电磁式互感器、电容式互感器、霍尔传感器和变频传感器等。根据本课题综合考虑，我们选择霍尔传感器来实现原始数据的采集。
霍尔传感器工作原理图如下：

霍尔电压/电流传感器原理图
3.3 信号调节电路
在实际的测量过程中，通过霍尔元件采集的模拟信号中会存在有各种的干扰、噪声。因此我们需要对从霍尔传感器得来的数据进行信号的调理。
信号的调理就是对传感器所输出的信号进行转换、匹配、放大、滤波、隔离屏蔽、重放、调制解调、模拟和数字计算等进一步的加工和处理，最终获得便于传输、显示和记录，以及做后续处理的信号。
本课题主要对信号的处理在于滤波和信号的放大，在滤波方面，主要是对高频的滤波，即这里我们使用的是低通滤波器。而常用的低通滤波器有巴特沃斯（Butter-worth）、切比雪夫（Chebyshev）、贝塞尔（Bessel）、以及考厄或椭圆（Cauer，Elliptical）滤波器等等。下图为简单的一阶低通滤波器图。

一阶低通滤波器
经过滤波后的电流值若幅值较低则需要进一步增加放大电路，对信号进行放大，这样才能有效得对数据采集分析，典型的放大电路见下图。

典型的放大电路
在上述的两个电路模块设计好后，我们还需对这两个模块的电源电路进行设计，要是电路安全可靠的运动，一个可靠的电源系统是非常必要的。通常我们设计电源电路时，先跟据上述电路的对电源的要求进行联合设计。
3.3 数据采集卡
3.3.1 设备简介
USB-4704是一款设计独特的8路、14-bit、48 kS/s多功能USB DAQ模块，适用于测试、实验室、学生或培训等使用。USB-4704采用专业的低成本无外壳设计，能够为客户提供最基本的功能。推荐学生或培训人员使用。USB-4702是一款低成本的USB数据采集模块。用户无需打开机箱安装DAQ模块，只需将模块插入系统，然后采集数据，十分简便且高效。USB-4704是一款完美的解决方案，能够轻松为支持USB的计算机增加测量和控制功能。USB-4702通过USB接口获取系统电源，因此无需连接任何外部电源。综上，对于实验室或线路测试&测量工具应用，USB-4704的一款最经济高效的选择。

USB-4704数据采集卡
同时它具有支持USB 2.0、便携、总线供电、8个模拟量输入通道、14-bit分辨率AI、采样率高达48 kS/s、8路DI/8路DO、2路AO和1个32-bit计数器的特性
3.3.2 设备规格
（1）模拟量输入
通道 8个单端/4个差分
分辨率 14-bit
FIFO大小 512 bytes
采样率 48 KS/s*
输入范围和增益列表 增益 1 10 16 10 8 5 4 2 1
增益码 0 1 2 3 4 5 6 7 8
S/E（V） ±10 - - - - - - -
差分（V） - ±1 ±1.25 ±2 ±2.5 ±4 ±5 ±10 ±20
偏移（ppm/° C） 增益 G = 1 ~ 20 V/V
零（µV/°C） 9
增益(ppm/°C) 30
用于PGA的最小信号带宽 增益 G = 1 ~ 20 V/V
带宽 0.01
输入保护 最高30 V
输入阻抗 127 k
输入共模电压 100 mV
精确度 DC 增益 G = 1 ~ 20 V/V
INLE（LSB） ±3
DNLE（LSB） ±1.5
增益误差（%FSR） 0.15
（2）模拟量输出
　通道 2
分辨率 12-bit
输出范围 0 ~ 5 V
输出阻抗 51
驱动能力 5mA
精确度 DC INLE ±8LSB
DNLE ±5LSB
动态性能 转换率 0.7 V/µs
建立时间 10 µs
（3）非隔离数字量输入/输出
　输入通道 8个TTL
输入电压 低 最高0.8 V
高 最低2.0 V
输出通道 8个TTL
输出电压 低 最高0.4 V
高 最低3.5 V
（4）计数器
　通道 1
分辨率 32-bit
输入频率 最大5 MHz
输入电压 低 最高0.8 V
高 最低2.0 V
（5）一般规格
I/O接口类型 4个可移除的10针螺丝端子
尺寸 132 mm x 80 mm x 32 mm（5.2” x 3.2” x 1.3”）
功耗 典型 360 mA @ +5.0 V
最大 450 mA @ +5.0 V
温度 工作 0 ~ +60° C（32 ~ 140°F）（符合IEC 68-2-1, 2标准）
储存 -20 ~ +70°C（-4 ~ 158° F）
相对湿度 5 ~ 95% RH非凝结（符合IEC 68-2-1,2标准）
3.3.3 信号连接
信号连接包括：针脚定义、I/O接口信号描述、模拟量输入连接、模拟量输出连接、数字量输入/输出连接、计数器连接、接线电缆和板卡这里简单的介绍各个针脚的定义如下图所示：
警告：两个接地参考AGND和DGND应按照其用途分别单独使用。请勿同时连接。

I/O接口针脚定义图
3.4 本章小结
本章主要介绍了基于虚拟仪器的电能质量监测系统的硬件结构，主要包括信号采集的传感器电路、信号调理电路的设计、对互感器电路和信号调理电路的电源电路设计以及对本次使用的数据采集卡的介绍等。这些内容也是我们这次课题的主要设计内容，是整体的硬件结构，完成硬件的搭建后对我们的后面监测软件界面的设计有巨大的帮助。

第四章 工控机端监测系统设计

4.1 电压、电流的数据采集与分析模块
4.1.1 计算分析方法
在电能质量监测系统中，电压和电流是最主要的数据，传统的电能质量分析中首先就是检测电压、电流。对于交流电如下的数据形式：

通常电压电流的监测是对其有效值进行分析，计算公式如下：

但我们通常采集的数据并不是连续的数据，而是一个个离散的数据，因此我们采用求和的方式对离散数据进行求和均分。计算公式如下：

4.1.2 测量分析界面
通过数据采集模块对数据进行采集的基本界面

数据进行采集的基本界面图
4.2 电压偏差分析模块
4.2.1 计算分析方法
对于电压偏差，我们通常需要使用的计算公式如下：

4.2.2 电压偏差计算界面

4.3 频率的测量分析模块
4.3.1 计算分析方法
这里的分析计算方法主要是基于软件的分析计算。当然，分析计算的方方法有许多种，我们采用的主要还是傅里叶算法。
作为典型的分析方法，在通过合适的对数据的采集过程。对采集到的数据进行傅里叶算法中的时频转换得出必要的结果。通常还需要分析时进行偏差估计。
单频电气信号计算公式如下所示：

4.3.2 频率偏差分析界面

4.4 谐波分析计算模块
4.4.1 计算分析方法
谐波的主要计算，主要是对谐波的幅值、谐波的相位角等参数的计算和分析，我们主要的计算分析方法为傅里叶变换法（FFT变换）以及小波变换法（S变换）
对谐波的含有率和畸变率的计算公式如下：

4.4.2 谐波分析界面

4.4 本章小结
本章的主要内容就是电能质量分析系统的基本内容，总的介绍了电能质量的一些基本量的采集，分析方法，包括了电压、电流采集，以及数据采集获取界面；电压的偏差的计算公式以及对于电压偏差的计算图形界面；同时还有频率的相关量的计算分析，以及它的相关计算监测界面的介绍；还有电网谐波的一些简单的分析计算方法，以及谐波的监测界面。
内容上是对于第二章中的各个电能质量问题的实际分析案例，同时也是和硬件部分相结合构成完整系统的部分。对于一些获得的数据也有了些许的认识。

第五章 全文总结

5.1 研究课题总结
论述了有关电能质量监测与分析的一些问题。同时也对部分内容进行了仿真实验，并得出了部分数据，同时对这些数据进行了简单分析。
本文的主体部分分为四大模块，第一部分是对于课题的研究原因，研究发展，以及研究的意义进行了探讨。并得出了相关结论。第二部分则是详细的阐述了本文研究的电能质量问题的具体的各个参数各个概念的形成，同时也是对相关问题的影响，进行了理解。第三部分，这一部分是对最终完成的电能质量监测系统的实际的硬件电路的搭建，但仅在理论上进行了探索，理清了基本的硬件结构原理图等等。对于并对各部分结构进行了简单的设计，理清了设计结构的思路。第四部分则是，对于监控界面的设计，本次的设计界面基于VB语言，同时也对VB语言进行学习，掌握了其基本的编程方法，并对数据采集的相关程序进行了编辑。本次监控界面使用了多个界面完成一些数据的分析。在单独的界面上也更清楚的看出各项参数的情况。
此外是一些对本次设计的一些感悟：
1、对于电能质量，他深刻的影响着我们的生活，工业生产中几乎所有的产品都和电能质量有着密不可分的关系，不能提供良好的电能质量，对于社会经济将造成很大的损失，甚至是不可挽回的后果。
2、生活影响电能质量的因素也相当多，对于电能的不了解，对电能质量的不清楚，甚至造成干扰也并不自知，缺乏对电能质量知识的普及，同时电力部门也对电能质量的治理存在许多问题。
3、如今的电能质量的标准还未统一，但已经有符合各个地区的基本的规范，随着技术的进步，知识的普及，电能质量的标准也会逐渐完善。同时技术的进步也能使得问题能得到有效的解决。
4、对于电能质量的监管也要不断加强，对于系统中会影响电能质量的负载要做好管理，保证其电能质量不受其影响。让电网能够可靠运行。
5、对于电能质量的研究还要不停的探索，只要加强科研，才能一步步实现技术的突破，才能保证相关内容的发展进入一条良好的通道。
5.2 研究内容总结
1、本次接触的内容和我们的专业息息相关，让我们对专业有了进一步的认识。并将各门课程进行了整理运用。
2、对于电能质量的基本的包括传统的以及动态的电能质量的概念，有了清晰的认识，电能质量的各个检测方法也有了一定的掌握。
3、对于虚拟仪器的数据采集以及其相关功能进行了学习，对未来的相关监测实物的开发有了一定的认识。
4、在基于VB的语言平台上完成了一些程序的编辑工作，能够进行一些小型软件工程的开发与应用。