摘 要

电推船舶在实际航行和工作过程中，大量非线性并对电网具有冲击力的电子设备的使用使得船舶电能质量问题日益恶化，在一定程度上对船舶稳定性造成了不利影响。虚拟仪器的发展为解决电能能质量问题带来了新的思路，通过LabVIEW为电推船舶设计电能质量监测系统可以有效地解决电能质量问题并且顺应了发展方向。

论文第一章说明了目前电力推进船舶的电能质量问题并且指出了解决这个问题对于船舶的重要性和意义。通过分析国内外研究电能质量问题的进展，进一步来确定我们的设计方向和目标。第二章的主要内容是通过查阅资料了解电力推进船舶电能质量的基本概念和检测方法。第三章先通过数据采集装置和电流电压采集电路的设计来为监测系统提供硬件技术支持，然后以Labview虚拟技术手段为基础建立起监测系统各个测量模块，从而搭建起整个电能质量监测系统结构。第四章是针对建立起来的系统进行实际功能实现的测试，并对相关数据进行分析。最后对论文进行总结和展望。

本文设计的监测系统利用与虚拟技术相结合的方式为电力推进船舶的电能质量监测提供了更加方便、实时快捷、新颖的手段，对船舶发展具有积极作用。

关键词：电推船舶；电能质量；labVIEW；电能质量监测系统。

Abstract

In the actual navigation and work process, the use of electronic equipment with a large number of nonlinearities and impact on the power grid makes the ship's power quality problem worse and worse, which has a certain impact on the stability of the ship. The development of virtual instrument has brought new ideas to solve the problem of electrical energy quality. The design of power quality monitoring system for electric push ship through LabVIEW can effectively solve the power quality problem and conform to the development direction.

   The first chapter of the thesis explains the current power quality problems of electric propulsion ships and points out the importance and significance of solving this problem for ships. By analyzing the progress of research on power quality issues at home and abroad, we further determine our design direction and goals. The main content of the second chapter is to understand the basic concepts and detection methods of electric power quality of electric propulsion ships by consulting the materials. The third chapter firstly provides the hardware technical support for the monitoring system through the design of the data acquisition device and the current voltage acquisition circuit. Then, based on the Labview virtual technology, the measurement modules are built to build the entire power quality monitoring system. The fourth chapter is to test the actual function of the established system and analyze the relevant data. Finally, the paper summarizes and forecasts.

The monitoring system designed in this paper provides a more convenient, real-time, fast and novel means for the power quality monitoring of electric propulsion ships by means of combination with virtual technology. It is of great significance to the actual navigation and work of electric propulsion ships.

Key Words： Electric propulsion ship；power quality; Labview; power quality monitoring system.

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 3

第2章 电推船舶电能质量指标分析 5

2.1电能质量指标分析 5

2.2电能质量的检测方法 13

第3章 基于labVIEW的电能质量监测系统的设计 18

3.1 监测系统的硬件设计 18

3.2 监测系统的软件设计 23

3.2.1 LabVIEW概述 24

3.2.2 基于LabVIEW的电能质量监测系统 25

第4章 监测系统的测试与结果分析 28

4.1 频率偏差测量功能测试 28

4.2 电压偏差测量功能测试 29

4.3 谐波测量功能测试 29

4.4 三相不平衡度测量功能测试 29

第5章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

随着科技和工业的大力发展，电能已经慢慢成为现代社会不可分割的一部分，人们对其的依赖也越来越强。电能是环保、经济便捷、传输方式多样、易于再生与储备的一种能源。如今，电能被广泛应用于各个领域，作为技术发展、社会经济进步的主要动力。显然，电能在船舶上的应用也日益成熟，电能既可以作为船舶前进的动力，同时船舶在航行过程中生活或者工作都离不开电能。自电推船舶发展至今已有100年，电力推进技术的发展高峰出现于20世纪30年代，因为当时交流速度控制的水平不高，所以采用直流电源的方式。虽然该方式对于航行速度的控制相对简单，易于调速，但是由于直流电机结构复杂、体积较大，并且存在功率和速度限制等局限，所以仅仅用于工程船和潜艇当中。20世纪80年代以后，电子技术水平的飞速调高，大功率的交流电动机的变频调速技术日益完善，从而实现了重大突破，电力推进应用领域也变得更加广泛。目前除了破冰船、挖泥船、渡船，电力推进还用以大、中型传统船舶。有专家预测电力推进日后将被认为是一种先进的推进形式。

在电力推进船中，船舶推进的主要动力是由电动机机提供^[1]。发电机将机械能转换成电能，再将电能传输到位于船舶后部的推进电动机，推进电动机直接与船尾的螺旋桨相连，因此直接带动螺旋桨推动船舶前进。

受水上环境条件及船舶自身运行情况的影响，和陆上的电力系统相比，具有如下特点^[2]：首先，对于电力推进船舶来说，船舶动力系统一般是依靠单个发电站。当船舶上启动电流负荷较大会降低电力系统的电压，这就很容易导致船舶电力系统崩溃。然后，船舶动力系统分布空间很有限，电力传输线路较短，线路阻抗较小，当发生短路故障时，短路电流就会很大，所以严重影响船舶电气设备的安全运行。另外，船舶航行期间在不同工作条件下电气设备会有很大差异，设备所需的电力负荷也会有很大差异，这对船舶电力系统的运行有很大的影响。在船舶实际航行过程中，为了满足船舶工作的需要，使用的电子设备的种类和容量会一定程度增加，但是大量非线性的冲击性电子设备的使用必将在船舶电力系统上引入大量谐波，从而导致电压和电流波形失真，对船舶的安全造成很大影响，同时也会对通信导航等敏感设备造成严重干扰。船舶电网的低功率因数也会增加传输的功率损耗，影响了系统运行效率;当船舶电力系统电压和电流波动大是，比较容易引起电压的闪变和三相不平衡问题。船舶航行所处的各种恶劣环境和天气对船舶上的电气设备的可靠性和使用寿命同样有着很大影响。

很明显电能质量问题对电力推进船舶至关重要，直接影响着船舶的导航、生产操作、通信、日常生活和运营。但是，目前现状并不乐观，电力推进船舶的电能质量问题不断恶化，因此对电力推进船舶来说解决电能质量问题刻不容缓。针对上述出现的电能质量问题，我们不仅需要利用现有技术手段来进行调整，避免电能质量问题进一步恶化，更重要的是我们还需要一个电能质量监测系统来对电能质量进行实时监测。

对于电力推进船舶，监测系统需要面对大量数据的分析处理和存储，这样也就对监测系统的功能提出很高的要求。然而针对常规的监测手段和装置，面对复杂的电能质量问题无法很好的适应电力推进船舶电能质量的监测工作。传统的监测装置由于受到硬件的制约，监测功能相对单一，设备调试难度和工作量也很大，并且开发成本也相对较大，所以传统的电能质量监测装置不能满足实际导航中电动推船的电能质量的及时监测。因此，将仪器硬件与计算机网络技术进行结合，基于虚拟技术手段建立电能质量监测系统，就可以很好地解决了这些问题。

我们通过以Labview为平台建立的电能质量监测系统可以实时监测电力系统中各电力设备和负载的用电情况，然后根据实时数据将电能质量控制持在合格范围内。当出现电能质量问题的时候，监测系统可以对电能质量指标进行统计分析并处理，然后及时反馈，再对当前电力系统电能质量问题进行合理评估，迅速找出电能质量问题所在，这样可以在第一时间内制定出适当的对策。整体而言，基于Labview的电力推进船舶的电能质量监测系统功能更加丰富，处理速度更加快捷，系统结构也更加简单，很好的打破了传统监测手段的局限性。对于电力推进船舶而言，更好地维护了航行过程中的安全性、经济性，提高了船舶电力设备的工作效率和使用寿命，产生了重大积极意义。

1.2国内外研究现状

电能质量的研究先是从陆地电网开始的，电能质量一直是一个很重要课题。国内针对电能质量的研究起步较晚，在20世纪60年代开始提出了电能质量问题，直到20世纪中后期才开始大量的研究。目前，我国不断提出了电压、频率、谐波、波动和闪变、三相不平衡度等概念；近几年来，人们对电能质量的研究逐步发展到瞬态电能质量。虽然如今国内外对于电能质量的相关标准已经做出制定，但是随着技术的不断进步和工作需求的不断更新，一些新的电能质量问题也会不断出现，所以电能质量标准也需要不断补充和完善来适应新形势的要求。

当然，对于船舶来说电能质量问题同样存在，并且由于船舶相比较陆地上更为特殊，所以船舶电能质量问题更加严重和复杂。可知，对于船舶电能质量问题的研究和改善，就比陆地电网研究地少的多。目前，国外发表了有很多论文来讨论改善船舶的电能质量问题，国内也有相关的研究成果。船舶电能质量的下降不仅会增加能源的不必要消耗，还会一定程度的影响船舶电网的可靠性和船舶运行的安全性。因此，在船舶的发展中，船舶电能质量问题是必须要考虑的，并且对于电能质量问题的解决方法的研究，毫无疑问地成为船舶行业内的关注焦点。

其中，对电能质量的监测是极为关键的部分。国外对电能质量问题的研究更为领先，取得了许多研究成果。比如，FLUKE等大型电子仪器公司开发的各种电能质量分析仪，用来满足对电能质量的各种测量要求。在一些发达国家，如美国、德国等国家已经建立了全国范围的电能质量监测网络，同时提出了一系列比较成熟的监测和管理方法。中国经过多年的不断研究和创新，也取得了不错的的成果，比如合肥金汉电子的 PA-200电能质量分析仪、由保定智典开发的LZ-DZ电能质量在线监测装置、由深圳市领先技术公司设计的智能电网设备状态管理系统。国内外有多种电能质量监测装置，在功能和准确度上更突出的较复杂的监测装置也存在。对于电能质量检测装置来说可以分为专用型和普通型两种，专用电能质量监测装置只能监测某个电能质量指标，通常以能够检测到的电能质量指标的名称命名。然而通用电能质量监测设备就可以用于监测两个以上的电能质量指标。另外，电能质量监测装置也可以根据其监测形式分为便携式电能质量分析仪和电能质量在线监测装置。

但是对电能质量的实时监测，不仅要监测稳态指标，还要监测暂态指标。这些都需要大量的功能和数据支持，然后通过实时处理和分析将信息反馈给用户，而传统的监测装置往往无法满足。相比较而言，传统的电能质量监测装置功能单一，可扩展性较差，需要大量时间和成本来完成调试和升级。然而凭借计算机支持的虚拟技术手段的出现改变了这种情况。虚拟技术凭借优秀的计算机处理能力和丰富的软件资源满足了大量监测功能和需求。它具有良好的可扩展性和可调试性，功能更丰富，可以有效提高开发效率，降低开发成本，推动电能质量监测朝着智能化和网络化的方向发展，为电能质量监测研究带来的突破性的价值。

第2章 电推船舶电能质量指标分析

2.1电能质量指标分析

目前来说，对于电能质量这一概念并没有形成统一的定义，这并不意味着电能质量是一个特别未知的名词，只是无法从同一角度出发来定义，电能是贯穿各个行业内，人们的生活工作都离不开电，所以人们对电能质量有不同的理解和参考。其实从字面理解上出发，电能质量就是指电能的质量，也可以说是指电能参数指标在工况中的好坏。IEEE组织用对“电能质量（power quality）”这一术语的描述是对敏感设备提供的电力和设置的接地系统是可以维持该设备的正常工作^[3]。其实这一为我们明确描述了电能质量达标的情况，但并不是非常通俗和简要，理解起来有一定难度。电能质量的概念是某一时间点引起设备故障或者导致设备无法正常运行的电力参数的变化^[4]，这一描述就相对简要明了一些了。

随着对电能使用与研究的不断深入和发展，也是为了国家可以更好地对电力系统使用和管理，同时对电能质量的研究同样也需要对其规范化和标准化，所以国家制定并颁布了电能质量指标国家标准^[5]，如下：

表2.1 电能质量国家标准

这一标准对维护电力系统安全经济的运行具有重要意义。

1.电压偏差

电压偏差是电能质量一个基本的、重要的指标。

当电网所允许的供电电压偏差比较小的时候，有利于设备运行的安全性和经济性；当所允许的供电电压偏差比较大的时候，设备对其变化的应对和适应水平需要很高。

当电力系统正常运行时，如果缓慢地改变其运行的方式或者所承受的负荷，那么系统中节点上的电压会随之而变化。此时，我们将某一节点的电压实际有效值与系统的电压额定值的差值对系统的电压额定值的百分数称为电压偏差。计算公式如下：

（2.1）

其中，指电压偏差，指系统电压额定值，指某节点的电压实际值即电压的有效值，电压有效值表达公式如下:

（2.2）

国家标准GB/T 12325-2003 《电能质量 电压偏差》规定^[6]:

表2.2 电压偏差限值

针对电压偏差问题，一般来说都是由系统中无功功率的失衡引起的，而无功功率的不平衡直接引起电压的损失。具体来说影响电压偏差的因素有：供电距离过大;线路截面选择不合适;线路负荷过大;功率因数太低;非对称线性、具有冲击的负荷;缺少正确的调整电压的措施。

面对系统中电压偏差问题时，如果没有及时解决调整的话，对设备和电力系统都有极大的危害。一方面，电压偏差的存在使用电设备必然无法稳定在损耗最小、效率最高的状态下运行，所以这无疑对设备的使用寿命造成损伤，严重的话可能会直接导致设备损坏；另一方面，电压偏差会导致电力系统在运行过程中出现不平稳的现象；另外，电压偏差对经济性也会产生不利影响，功率损耗增多，投入成本固然会增加。

所以，我们要保持各节点位置电压的稳定，既需要我们从整体来考虑，也需要我们局部来进行调整。提供一个充足的无功电源是保持稳定的关键条件，再配合相应合理的针对性调压手段就可以进行有效的解决问题。当然，相应的监控措施必不可少。

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