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摘要：为满足相关专业科研、教学需求，建立现代船舶电网电能质量监控与综合评估基础实验室。论文阐述实验室的建设意义，提出实验室的软、硬件设计思路，并重点分析实验室建设中解决的关键性技术问题。
关键词：船舶电网；电能质量；实验室建设
作者简介：李辉（1980-），男，湖北武汉人，海军工程大学电气与信息工程学院，讲师；黄海（1980-），男，湖北武汉人，海军工程大学电气与信息工程学院，讲师。（湖北 武汉 430033）
中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）05-0080-02
一、实验室建设意义
电能是一种经济实用、清洁方便并且容易传输、控制和转换的能量形式。船舶以电能作为主要能源供应方式，现代综合全电力船舶更是将船舶的日常用电和推进用电综合成一个系统，从而实现发、配电和各种用电负荷的统一调度和集中控制。电能供电质量的好坏将干扰船舶设备的正常工作，进而对船舶的安全、可靠和高效运行造成直接影响。[1]为保障船舶综合电力系统的安全、经济运行，船舶电网上必须提供高效、优质的电能。相对陆用电网，船舶电网系统的容量较小，大功率推进负荷、变频装置、非线性负荷多，使船舶电网中的电能质量问题比较严重。另一方面，智能控制设备、电力电子装置和网络设备在船舶上广泛使用，这些装置对电能质量问题，尤其是动态电能质量问题非常敏感。必须对船舶电网电能质量进行监测，并采取适当的措施来提高和改善电能质量，使其能满足船舶电力设备正常运行的要求。
对船舶电网电能质量的相关研究工作势在必行，同时在高年级本科生和研究生的教学工作中就应该尽早引入电能质量的教学内容，为后续岗位工作打下基础。
船舶电网电能质量监控与综合评估实验室为海军工程大学船舶综合电力系统国防重点实验室的下属实验室，主要完成电能质量相关方向的教学和科研工作。
二、实验室总体结构
综合电力系统电能质量问题可以划分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题两大类。
长时间扰动引起的电能质量问题称为稳态电能质量问题，主要评价指标是电网频率、电压偏差、三相不平衡度、谐波、电压波动与闪变。IEC及国标、军标均有关于稳态电能质量问题的严格标准，测量方法、数据处理及测量仪器也有相应的规定。
瞬时和短时扰动所引起的电能质量问题称为暂态电能质量问题，其主要表现形式为电压脉冲、浪涌、暂态振荡、电压跌落、毛刺或尖峰、电压突起、电压中断及电压短时闪变等。
实验室根据船舶电网特性，采用大功率可编程三相交流电源和直流电源作为信号源，编程实现各种电能质量信号源，与线性（电阻）及非线性负载（变频器）连接，搭建小型化独立供电网络。模拟电网包含船舶电网常用负载和关键性设备，用于模拟船舶电网的实际运行状况。
电能质量监控实验平台为实验室主体设备，主要由数据采集和处理子系统、通信与数据传输子系统以及电能质量数据分析和评估子系统等3层子系统组成，其总体结构如图1所示。
数据采集和处理子系统面向设备层（电网节点），实现电网电能质量数据的采集、控制功能。采用嵌入式技术、低功耗技术、现场总线技术，以高性能处理器TI TMS2812作为硬件核心，可提供多路模拟量的输入和开关量的输入输出，具有RS232/RS485、CAN总线、以太网通信功能。
通信子系统采用冗余的高速交换式工业以太网。挂接在以太网的设备中，工作站、数据库服务器，实现监控、控制与管理功能。采用网络通信技术将各监控点的数据通过工业以太网传送给电能质量监控平台。提供10M/100M自适应以太网接口，支持TCP/IP和UDP协议。
数据分析和评估子系统对整个电网的电能质量进行监控和评估。采用虚拟仪器技术分别完成对电网频率、基波有效值、谐波、三相不平衡、电压波动和闪变等多项电能质量指标的计算。[2]同时采用基于改进雷达图的电能质量综合评估方法[3]，从全局角度分析电网整体电能质量状态。
三、实验室软件平台建设
实验室软件平台由电能质量数据分析和评估两大功能模块组成，对实验室模拟船舶电网的电能质量进行监控和评估。电能质量监控平台具有较好的人机交互功能，可满足不同层次学生的实验教学需求。
软件开发、运行环境：
（1）软件运行平台配置
服务器操作系统：Windows 2008
客户端操作系统：Windows xp
（2）软件开发平台配置
系统程序开发：Visual Studio 2010 + sp1
嵌入式开发：Worksbench
（3）数据库管理系统选型
数据库服务器：Microsoft SQL 2005
数据库系统建模：ER/Studio 8.0，支持数据库逻辑模型、物理模型的自动转换，支持所有知名的数据库管理系统的建模。
图2为电网电能质量监测软件平台主界面，以单线图方式直观显示船舶电网的运行情况和基本状态信息。
进一步详细数据可以点击单线图节点，弹出图3窗口，为电网节点电能质量分析和综合评估子界面，显示节点处电网频率、基波有效值等多项电能质量指标的计算结果。并采用基于改进雷达图的电能质量综合评估方法，从全局角度分析电网整体电能质量状态。绿色结果显示电网状态正常，红色表明电网电能质量一项或若干项指标异常。
电能质量监控实验室软件平台主要包括以下关键技术：
1.船舶电网电能质量扰动类型辨识技术
电能质量扰动类型识别的实质是模式识别。实验室综合运用傅立叶变换和小波变换及其他时频分析方法提取信号的特征矢量，结合神经网络、模糊专家系统等模式识别技术实现电能质量问题的自动识别。
2.电能质量扰动问题的监测分析
主要完成频率跟踪、有效值计算、谐波计算、三相不平衡计算以及各类暂态电能质量现象如暂态谐振、暂态脉冲、瞬时电压上升和下陷等监测分析工作。
其中技术难点在于暂态电能质量指标检测。暂态电能质量检测包括特征值的获取、时间定位、扰动类型识别。相对于稳态电能质量问题，暂态电能质量问题持续时间短，属于非稳态、非周期的信号，传统的适用于平稳信号的傅里叶变换已不适用。对于暂态电能质量参数检测与识别，实验室采用现代信号处理算法（小波变换、自适应滤波、S变换、Hilbert-Huang变换、数学形态学等）实现暂态信号的参数的高精度准确检测。
3.电能质量评估技术
船舶电网的电能质量评估的主要任务是在电能质量各项指标检测、分析的基础上，以现有国标、国军标为基础，判断电网的电能质量优劣。由于电能是一种特殊商品，它的品质并不完全取决于供电方（发电机），还与用电设备的性能密切相关。好的电网电能质量需要由供电方和用电设备共同维护。因此，对于船舶电网的电能质量评估主要分为两个方面：一方面是针对用电设备，评估其投切对电网整体电能质量的影响；另一方面是针对电网，电网的供电质量必须满足用电设备的需求。
4.船舶电网电能质量数据压缩和存储技术
压缩是电能质量传输或存储之前的预处理工作。电能质量数据采集频率高，数据量大。为了减轻存储和传输的压力，有必要对电能质量数据进行压缩。并定义标准的、适用于电能质量数据的数据库存取技术。
数据压缩算法分为有损压缩和无损压缩两大类，一般而言有损压缩算法的压缩比要远高于无损压缩，其代价是丢失部分数据信息。根据数据压缩需要，实验室选用不同压缩算法。采用小波变换方法对信号进行变换编码，对变换后的系数进行处理，实现有损压缩。采用通信编码方法对数据编码，实现无损压缩。
以上关键技术主要通过高级语言开发软件Visual Studio 2010、Matlab、Labview等编程实现。实验室给出以上软件编程的详细流程图和开放式源码。可供学生阅读学习，部分学有余力的学生还可以在开放式接口的基础上实现软件功能的进一步开发，无疑会大大激发学生的学习兴趣。
四、实验室面向对象和应用前景
建立船舶综合电力系统电能质量监控实验室，在实验室模拟船舶综合电力系统电能质量问题，研究综合电力系统电能质量监控与评估关键技术，并在模拟系统上验证所研究的技术的可靠性和有效性，将为综合电力系统的电能管理、调度提供可靠技术支持。
实验平台的建设将为高年级本科生和研究生提供模拟训练条件，提升研究生培养质量，更有利于人才的培养，为学生提供更广阔的就业空间。同时为“船舶电力监控管理系统”、“电力监控系统中的检测技术及应用”和“船舶电网电能质量监控技术”等相关课程提供场地和配套实验设备，提高技术培训的效果，有效促进课程和教学改革。
建立船舶电网电能质量监控与综合评估实验室无论是从经济性、可推广性还是从可扩展性来看都具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]王庆红.船舶综合电力系统总体概念研究的思考[J].中国船舶研究,2006,(3):25-29.
[2]林海雪.论电能质量标准[J].中国电力,1997,(3):7-10.
[3]乔鹏程,吴正国,李辉.基于改进雷达图法的电能质量综合评估方法[J].电力自动化设备,2011,(6):88-92.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：船舶电网；电能质量；实验室建设
作者简介：李辉（1980-），男，湖北武汉人，海军工程大学电气与信息工程学院，讲师；黄海（1980-），男，湖北武汉人，海军工程大学电气与信息工程学院，讲师。（湖北 武汉 430033）
中图分类号：G482 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）05-0080-02
一、实验室建设意义
电能是一种经济实用、清洁方便并且容易传输、控制和转换的能量形式。船舶以电能作为主要能源供应方式，现代综合全电力船舶更是将船舶的日常用电和推进用电综合成一个系统，从而实现发、配电和各种用电负荷的统一调度和集中控制。电能供电质量的好坏将干扰船舶设备的正常工作，进而对船舶的安全、可靠和高效运行造成直接影响。[1]为保障船舶综合电力系统的安全、经济运行，船舶电网上必须提供高效、优质的电能。相对陆用电网，船舶电网系统的容量较小，大功率推进负荷、变频装置、非线性负荷多，使船舶电网中的电能质量问题比较严重。另一方面，智能控制设备、电力电子装置和网络设备在船舶上广泛使用，这些装置对电能质量问题，尤其是动态电能质量问题非常敏感。必须对船舶电网电能质量进行监测，并采取适当的措施来提高和改善电能质量，使其能满足船舶电力设备正常运行的要求。
对船舶电网电能质量的相关研究工作势在必行，同时在高年级本科生和研究生的教学工作中就应该尽早引入电能质量的教学内容，为后续岗位工作打下基础。
船舶电网电能质量监控与综合评估实验室为海军工程大学船舶综合电力系统国防重点实验室的下属实验室，主要完成电能质量相关方向的教学和科研工作。
二、实验室总体结构
综合电力系统电能质量问题可以划分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题两大类。
长时间扰动引起的电能质量问题称为稳态电能质量问题，主要评价指标是电网频率、电压偏差、三相不平衡度、谐波、电压波动与闪变。IEC及国标、军标均有关于稳态电能质量问题的严格标准，测量方法、数据处理及测量仪器也有相应的规定。
瞬时和短时扰动所引起的电能质量问题称为暂态电能质量问题，其主要表现形式为电压脉冲、浪涌、暂态振荡、电压跌落、毛刺或尖峰、电压突起、电压中断及电压短时闪变等。
实验室根据船舶电网特性，采用大功率可编程三相交流电源和直流电源作为信号源，编程实现各种电能质量信号源，与线性（电阻）及非线性负载（变频器）连接，搭建小型化独立供电网络。模拟电网包含船舶电网常用负载和关键性设备，用于模拟船舶电网的实际运行状况。
电能质量监控实验平台为实验室主体设备，主要由数据采集和处理子系统、通信与数据传输子系统以及电能质量数据分析和评估子系统等3层子系统组成，其总体结构如图1所示。
数据采集和处理子系统面向设备层（电网节点），实现电网电能质量数据的采集、控制功能。采用嵌入式技术、低功耗技术、现场总线技术，以高性能处理器TI TMS2812作为硬件核心，可提供多路模拟量的输入和开关量的输入输出，具有RS232/RS485、CAN总线、以太网通信功能。
通信子系统采用冗余的高速交换式工业以太网。挂接在以太网的设备中，工作站、数据库服务器，实现监控、控制与管理功能。采用网络通信技术将各监控点的数据通过工业以太网传送给电能质量监控平台。提供10M/100M自适应以太网接口，支持TCP/IP和UDP协议。
数据分析和评估子系统对整个电网的电能质量进行监控和评估。采用虚拟仪器技术分别完成对电网频率、基波有效值、谐波、三相不平衡、电压波动和闪变等多项电能质量指标的计算。[2]同时采用基于改进雷达图的电能质量综合评估方法[3]，从全局角度分析电网整体电能质量状态。
三、实验室软件平台建设
实验室软件平台由电能质量数据分析和评估两大功能模块组成，对实验室模拟船舶电网的电能质量进行监控和评估。电能质量监控平台具有较好的人机交互功能，可满足不同层次学生的实验教学需求。
软件开发、运行环境：
（1）软件运行平台配置
服务器操作系统：Windows 2008
客户端操作系统：Windows xp
（2）软件开发平台配置
系统程序开发：Visual Studio 2010 + sp1
嵌入式开发：Worksbench
（3）数据库管理系统选型
数据库服务器：Microsoft SQL 2005
数据库系统建模：ER/Studio 8.0，支持数据库逻辑模型、物理模型的自动转换，支持所有知名的数据库管理系统的建模。
图2为电网电能质量监测软件平台主界面，以单线图方式直观显示船舶电网的运行情况和基本状态信息。
进一步详细数据可以点击单线图节点，弹出图3窗口，为电网节点电能质量分析和综合评估子界面，显示节点处电网频率、基波有效值等多项电能质量指标的计算结果。并采用基于改进雷达图的电能质量综合评估方法，从全局角度分析电网整体电能质量状态。绿色结果显示电网状态正常，红色表明电网电能质量一项或若干项指标异常。
电能质量监控实验室软件平台主要包括以下关键技术：
1.船舶电网电能质量扰动类型辨识技术
电能质量扰动类型识别的实质是模式识别。实验室综合运用傅立叶变换和小波变换及其他时频分析方法提取信号的特征矢量，结合神经网络、模糊专家系统等模式识别技术实现电能质量问题的自动识别。
2.电能质量扰动问题的监测分析
主要完成频率跟踪、有效值计算、谐波计算、三相不平衡计算以及各类暂态电能质量现象如暂态谐振、暂态脉冲、瞬时电压上升和下陷等监测分析工作。
其中技术难点在于暂态电能质量指标检测。暂态电能质量检测包括特征值的获取、时间定位、扰动类型识别。相对于稳态电能质量问题，暂态电能质量问题持续时间短，属于非稳态、非周期的信号，传统的适用于平稳信号的傅里叶变换已不适用。对于暂态电能质量参数检测与识别，实验室采用现代信号处理算法（小波变换、自适应滤波、S变换、Hilbert-Huang变换、数学形态学等）实现暂态信号的参数的高精度准确检测。
3.电能质量评估技术
船舶电网的电能质量评估的主要任务是在电能质量各项指标检测、分析的基础上，以现有国标、国军标为基础，判断电网的电能质量优劣。由于电能是一种特殊商品，它的品质并不完全取决于供电方（发电机），还与用电设备的性能密切相关。好的电网电能质量需要由供电方和用电设备共同维护。因此，对于船舶电网的电能质量评估主要分为两个方面：一方面是针对用电设备，评估其投切对电网整体电能质量的影响；另一方面是针对电网，电网的供电质量必须满足用电设备的需求。
4.船舶电网电能质量数据压缩和存储技术
压缩是电能质量传输或存储之前的预处理工作。电能质量数据采集频率高，数据量大。为了减轻存储和传输的压力，有必要对电能质量数据进行压缩。并定义标准的、适用于电能质量数据的数据库存取技术。
数据压缩算法分为有损压缩和无损压缩两大类，一般而言有损压缩算法的压缩比要远高于无损压缩，其代价是丢失部分数据信息。根据数据压缩需要，实验室选用不同压缩算法。采用小波变换方法对信号进行变换编码，对变换后的系数进行处理，实现有损压缩。采用通信编码方法对数据编码，实现无损压缩。
以上关键技术主要通过高级语言开发软件Visual Studio 2010、Matlab、Labview等编程实现。实验室给出以上软件编程的详细流程图和开放式源码。可供学生阅读学习，部分学有余力的学生还可以在开放式接口的基础上实现软件功能的进一步开发，无疑会大大激发学生的学习兴趣。
四、实验室面向对象和应用前景
建立船舶综合电力系统电能质量监控实验室，在实验室模拟船舶综合电力系统电能质量问题，研究综合电力系统电能质量监控与评估关键技术，并在模拟系统上验证所研究的技术的可靠性和有效性，将为综合电力系统的电能管理、调度提供可靠技术支持。
实验平台的建设将为高年级本科生和研究生提供模拟训练条件，提升研究生培养质量，更有利于人才的培养，为学生提供更广阔的就业空间。同时为“船舶电力监控管理系统”、“电力监控系统中的检测技术及应用”和“船舶电网电能质量监控技术”等相关课程提供场地和配套实验设备，提高技术培训的效果，有效促进课程和教学改革。
建立船舶电网电能质量监控与综合评估实验室无论是从经济性、可推广性还是从可扩展性来看都具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]王庆红.船舶综合电力系统总体概念研究的思考[J].中国船舶研究,2006,(3):25-29.
[2]林海雪.论电能质量标准[J].中国电力,1997,(3):7-10.
[3]乔鹏程,吴正国,李辉.基于改进雷达图法的电能质量综合评估方法[J].电力自动化设备,2011,(6):88-92.
（责任编辑：王祝萍）