专线用户智能节能诊断装置的设计与关键技术研究

【摘要】：节能减排工作是我国工业发展的重点和难点,开发针对专线用户企业的能耗监测设备则具有重要意义,通过企业节能诊断和能源审计工作可以节约煤炭、石油、天然气等资源,并减少环境污染,提高企业生产效率和单位生产产值。在当前迫切需要重视和解决能源短缺问题的社会与环境背景下,关注企业能源高效利用、引导正确的企业节能诊断工作显得十分必要。通过走访调查发现,当前大多数专线用户企业内部普遍缺乏完整的在线电气检测系统或装置,一般用于专线用户企业节能诊断和电能质量监测工作的装置为国外先进电能质量分析仪,如美国Fluke435等,这些仪器具有监测数据准确、全面等优点,但并未配置相应的上位机节能分析系统软件,且市场价格普遍昂贵,基本都在7~10万元之间,对于一般专线用户企业来说,当监测点数量众多时需投入多台这样的高等电能质量监测仪,从而导致投入成本过高,企业很难承受增加的电气在线监测系统的投资,同时也不希望节能诊断过程干扰到企业正常的运行。因此,需要开发一种将节能诊断工作转化为一种标准化、规范化的自动系统,而如何为这样一整套系统提供全面的专线用户能耗电气参数是重中之重,则需要开发一套可以实时在线测量专线用户能耗电气参数的测量装置,该装置处理的数据存储在SD卡中,通过读卡器导入软件子系统,其针对数据类型作相应的节能诊断和能耗分析,从而得出用户节能诊断报告,充分挖掘用户节能潜力,指导用户进行节能诊断和能源审计工作。本论文主要开展了如下内容的研究。第一,讨论了国内外相关节能诊断技术,通过走访调研研究了目前国内外嵌入式系统微处理器和先进电能质量监控与分析仪等产品的发展情况,就此类仪器应用于节能诊断工作时与上位机的数据接口联系做了详细介绍。同时,简要介绍了节能诊断的内容。第二,着重研究节能诊断中重要基本能耗电气参数的关键检测和计算方法,对应用其中的快速傅里叶变换算法做了详细分析,特别针对两种类型的FFT算法(按时间抽取FFT法和按频率抽取FFT法)进行了深入研究。然后,重点研究了节能诊断分析技术中的电能质量节能分析方法、变压器节能分析方法以及电动机节能分析方法。并对电能质量节能分析中的6类基本电参数的计算方法作了详细分析,同时研究了变压器的损耗计算、无功补偿和无功补偿节能效益计算方法,及电动机节能诊断措施等。第三,重点介绍了专线用户节能诊断硬件装置的技术开发、实物开发及现场测试试验。首先介绍了硬件的开发思路及其在整个综合节能诊断系统中的位置与作用。然后,根据模块化设计思想,对装置进行模块化设计,分别对其中的8个组成单元进行了详细的结构和功能设计,以及芯片选型和工作原理说明。其次,对装置的主板和采样板进行了protel电路图设计,并进行了焊制与调试分析,同时,对装置进行了外观设计并组装样机,并在CCSv3.3硬件调试仿真平台上进行了模块化硬件程序编写、调试和分析,给出了重要模块的设计程序及其在调试过程中的注意事项,重点介绍了DSP主程序和采样程序的设计方法。最后,对装置进行了实验室测试试验,给出了测试结果,并将装置检测信号与标准源KS833输出信号进行了详细对比分析,验证了装置的检测准确度和精确性,同时,给出装置检测记录数据文件,证明装置可详细记录电气能耗参数,并存储于SD卡或U盘中,以供上位机节能诊断分析软件子系统使用。通过实验室测试验证了装置的设计可行性和实用性。第四,给出了综合节能诊断分析系统的设计方法,简要介绍上位机节能诊断分析软件子系统的结构和诊断原理。阐述了所开发装置与软件子系统的数据接口联系,并对软件子系统中的变压器模块、电动机模块、无功补偿模块、照明设备模块、电能质量模块等模块的节能分析原理进行了介绍和分析,并讨论了所开发整套综合节能诊断分析系统在专线用户企业节能诊断分析方面存在的特点及优势。最后,利用所开发的专线用户节能诊断装置对韶关市某专线用户企业进行了实地节能诊断测试试验,装置对该企业的电气能耗参数进行了24h连续监测和记录,针对检测数据进行了包括节能效益分析、无功补偿分析、谐波分析、电压偏差分析、三相不平衡分析在内的综合节能诊断分析,给出了该企业的节能诊断分析结论和变压器节能改造方案,进一步验证了所开发装置及相应的配套节能诊断分析软件子系统的可行性和实用性。论文最后对所做的工作进行了总结,给出了装置未来需要改进的3个地方,并给出了建议和展望。本论文得到了中国南方电网科技项目资助。 【关键词】：能源审计 诊断 专线大用户 大容量存储技术 现代电力电子技术 现代信号处理技术
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM930
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 课题研究背景13-14
• 1.2 国内外研究现状14-21
• 1.2.1 国内外节能诊断技术研究现状14-16
• 1.2.2 国内外各类先进智能微控制器发展概述16-19
• 1.2.3 市场相关成熟产品介绍19-20
• 1.2.4 涉及节能诊断时的数据接口联系20-21
• 1.3 节能诊断的内容21
• 1.4 本文主要研究内容21-25
• 第二章 节能诊断技术研究25-41
• 2.1 快速傅里叶变换算法研究25-32
• 2.1.1 四种基本的傅里叶变换形式25-26
• 2.1.2 离散傅里叶变换法（DFT法）26-27
• 2.1.3 快速傅里叶变换法（FFT法）27-32
• 2.2 电能质量节能分析方法32-36
• 2.2.1 电能质量节能的意义32-33
• 2.2.2 电能质量基本电参数检测计算方法33-36
• 2.3 变压器节能分析方法36-39
• 2.3.1 变压器节能简介36-37
• 2.3.2 变压器损耗分析37
• 2.3.3 变压器节能诊断中无功无偿的方案37-38
• 2.3.4 变压器无功补偿节能效益的计算方法38-39
• 2.4 电动机节能分析方法39-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第三章 节能诊断装置技术研究与实物开发41-95
• 3.1 装置开发思路41-43
• 3.1.1 硬件开发思路41-42
• 3.1.2 装置在综合节能诊断系统中的位置与作用42-43
• 3.2 硬件结构设计43-63
• 3.2.1 信号传感单元设计46-48
• 3.2.2 信号调理单元设计48-50
• 3.2.3 A/D采样单元设计50-53
• 3.2.4 DSP核心处理单元设计53-57
• 3.2.5 DSP外围单元设计57-58
• 3.2.6 数据读写单元设计58-61
• 3.2.7 人机交互单元设计61-62
• 3.2.8 外围接口单元设计62
• 3.2.9 硬件系统运行流程设计62-63
• 3.3 主板和采样板PROTEL设计63-65
• 3.4 装置硬件程序调试设计65-82
• 3.4.1 CCSv3.3 硬件调试仿真平台65-66
• 3.4.2 各模块化硬件程序设计66-80
• 3.4.3 DSP主程序和采样程序设计80-81
• 3.4.4 节能诊断仪参数指标和数据测量类型81-82
• 3.5 电路板焊制和装置外观设计82-84
• 3.6 综合节能诊断分析系统设计84-91
• 3.6.1 硬件与软件子系统的数据接口联系84
• 3.6.2 节能诊断分析软件子系统设计84-89
• 3.6.3 综合节能诊断分析系统设计及其优势分析89-91
• 3.7 实验室内部测试91-94
• 3.8 本章小结94-95
• 第四章 节能诊断实例分析95-104
• 4.1 测量点主变信息95-96
• 4.2 实测数据分析96-97
• 4.3 节能效益分析97-98
• 4.4 无功补偿分析98
• 4.5 谐波分析98-101
• 4.6 电压偏差分析101-102
• 4.7 三相不平衡分析102-103
• 4.8 本章小结103-104
• 第五章主要结论与建议104-108
• 5.1 工作总结104-105
• 5.2 装置改进构想105-107
• 5.3 建议107
• 5.4 展望107-108
• 参考文献108-113
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果113-115
• 致谢115-116
• 附件116

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