0 引　言

船舶推进系统领域中，电力推进系统与传统的推进方式相比，在经济性和安全性方面具有非常明显的优点。考虑到船舶电力推进系统应用环境的特殊性，对系统内电能变换要求较高^[1]。作为独立运转平台，船舶的电力系统发电容量相对有限且为独立电网，非线性、冲击性负荷更容易引起电网的电压波动、暂降、谐波等电能质量问题。同时，船舶工作状态的改变也会引起电能质量的变化。长期遂行海上任务，海警船舶面临的电磁干扰、噪声干扰、机械干扰及静电效应等，都会对供电质量的可靠性造成影响^[2]。

同时，推进电机很容易受到电网或噪声的干扰，出现过压、过热或过流的情况，严重时引起整个系统的瘫痪。因此，对电力推进加船舶的电能质量进行实时监测，研究一款适用于海警船艇的电能品质监测方法和相应装置非常必要。有效分析重要部位的电能质量参数，对电能的突变进行报警，积累记录数据变化趋势，能够为用户提供电能数据参考，或有助于减少不必要的变电设备，便于用户及时发现并排除隐患，掌握装备的技术状态，保障设备可靠工作。

1 研究现状

传统推进模式船舶的实时电能品质监测已有一定的研究，主要监测量为电压和电流的幅值及有效值、功率、频率、功率参数等，测量精度要求并不高，同时电能品质监测设备没有瞬时的畸变分析。但是电力推进系统，尤其是动力与电力合二为一，对电能品质监测提出了更高要求，需要对电能参数的瞬时值进行监测，从而捕获瞬态波动与闪变，对品质不达标的电能做出预警^[3]。

目前为止传统推进模式下船舶电能监测的发展可分为以下3个阶段：

1）常规指针仪表

船舶电能质量监测传统方法主要依靠单项自动调节控制装置，监测工具只有常规指针仪表，如电压表、电流表、频率表、功率参数表等。在实际监测过程中，存在占用空间大、测量精度低、抗干扰能力差、没有记忆功能、不能综合处理监测数据、仪表之间无法信息交互等缺点。

2）以单片机或PLC构成的监测系统

得益于单片机技术以及计算机技术的发展，船舶电能品质监测系统中发展出了由单片机和PLC所构成的集中型、分散型和集散型监测系统。这种监测方法的缺陷在于变送器多。

3）基于现场总线的网络化电能监测系统

随着计算机技术、通信技术以及控制技术的不断发展，现场总线逐渐应用于船舶电能监测系统中，其具有全数字化、互操作性和开放性等优点，可将系统内的监控装置下放至现场，由现场总线与中央控制单元进行双向通信，进而保证船舶电能监测系统多节点之间实时、可靠的数据共享，提高了船舶电能品质监测系统的可靠性和自动化水平。但对于瞬态监测还不够深入。

近年来，随着对电能质量认识和要求的提高，瞬态电能质量参数得到了越来越多的关注，如电压波动与闪变、瞬时脉冲、瞬时供电中断、电压凹陷等。这些电能质量出现的瞬态问题用传统的监测方法发现不了。因此，对于瞬态电能参数的监测也是未来电能质量监测系统发展的方向。

2 系统方案设计

电力推进系统用电设备对电能品质要求较高。设计该电能品质监测系统主要基于以下2点原因：1）新型技术，尤其是综合电力推进技术，在船舶推进系统的领域高速发展；2）复杂电力系统对于电能质量瞬态参数的监测要求逐渐凸显^[4]。

为解决以上问题，有必要设计并应用一套可靠的电能品质监测系统，主要实现的功能有：

1）能够精确采集各项电能品质参数，并提供较好的数据储存与传输接口^[5]；

2）对采集的电能数据进行系统化分析计算，并对畸变数据进行记录显示，同时计算出总畸变率；

3）将总畸变率与容差值进行比较，不符合要求的进行报警提示；

4）更改系统参数的功能，用户可根据实际需要，调节部分参数初相位、容差值等参数，满足不同设备、不同时段的监测需要。

所涉及的系统主要由3个部分组成：1）数据采集模块，用于获取精确的原始数据；2）数据处理模块，用于系统化分析所采集的数据；3）用户交互模块，用于接收用户需求与报警。在设计中，以选取数据采集设备、完成软件设计作为主要工作，旨在通过选取合适数据采集设备，完成软件设计实现其监测、报警的功能。

电能品质监测系统的软件设计要实现的基本功能是：读取测量的电能品质参数数据库，将数据以波形图的形式显示在界面上，同时对数据进行逐个筛选，找出其中的畸变点并在波形图上显示出来。随后计算出总畸变率，与用户输入的容差值进行比较，若总畸变率超出容差值即报警。

在软件设计中，主要对电压和频率2个电能品质指标进行监测。各船级社规范中对船舶电网谐波含量有明确的要求，如中国船级社（CCS）：单次谐波至 15 次的谐波应不超过标称电压的 5%，总的电压畸变应不超过 10%；美国船级社（ABS）和挪威船级社（DNV）：总谐波畸变率（THD）不超过 8%和单次电压谐波畸变率不超过 5%^[6]。

因此，系统方案设计电压在一个瞬时值的波动量大于±5%、频率波动量大于±2%时，视为畸变数据，实际工作中用户可根据实际需求修改相应波动量，图1为程序流程图。

2.1 数据采集模块的选取

数据采集模块主要用于完成对所需要监测的各项电能品质参数数据进行精确采集的任务。数据采集的准确性直接决定了监测任务的可靠性，为此，用户应尽可能选择采样精度较高，接口丰富，数据导出便捷的测量设备。

1）根据船舶电力推进系统电能品质的监测需求，主要监测对象为模拟量电压、电流、频率。采集设备应具备离散化数据，高采样频率的能力^[7]。

2）基于船舶现有USB-TMC2.0，RS-232，TSP-Link等不同类型接口，构成一个紧密的仪器系统，满足船舶多样化接口需求。

3）实现多台同类型设备基于LAN的网络连接在一起，构成一个紧密的仪器系统，满足船舶全面和实时监测需求。

以DMM6500型数字万用表作为采样仪器。能够达到2G采样率、0.015%DCV精度，具有多种接口模式、支持多机互联，能够测量船舶常用交直流电压、电流和频率，基本能够满足电能品质监测系统对于数据采集部分的要求。根据实际需求，实验采样如表1所示电压数据和表2所示频率数据。

2.2 数据处理模块

数据处理模块，主要功能是接收并读取数字示波器采集到的电能数据，通过计算筛选出畸变数据，并将畸变数据在整个数据波形图中显示出来，同时还要计算出总畸变率，从而判断采集部位的电能品质是否合乎要求^[8]。

数据处理靠软件计算实现，基于Matlab编写，使用Matlab自带的m语言。

该语言在算法实现上更加方便快捷，同时经过了各种优化与容错处理，故障率低，数据处理更加准确。采用xlsread函数读取excel数据，在识别数据类型中若系统计算出整个数据的平均值在50左右，即判定导入的是频率数据，否则即为电压数据。

在成功导入电压数据后，系统需要提示用户修正这组数据的容差值，否则不执行之后的代码。用户完成以上步骤后，系统开始筛选畸变点。当畸变数据超出范围后，进行弹窗报警显示。

3 功能测试

系统设计完成后，对其功能实现进行测试。考虑到监测的准确性及海警船舶的实际情况，数据采集模块应分多次进行。测试数据采集仪器采用DMM6500数字示波器，根据仪器能够处理的最大精度，采样精度为六位半，根据测试需求选取采样率100 kS/s。

实际使用过程中，用户可根据已有测量设备自行设置采样率，采样率较高的情况下系统监测的准确性也更好。同时，为模拟船舶实际需要，测试选取单相220 V，50 Hz正弦交流电电压和频率作为采集对象。

3.1 电压测试过程

在采集时长0.02 s期间采集到了2 000组电压数据。以1个周期为例。导入数据后，对初相位做了修正，容差值暂定5%（实际使用根据用户需求而定），点击“开始监测”，系统即开始工作，在测试中，导入的电压数据图形化后为一个正弦波形曲线，总体上与电压正弦函数曲线相契合，但在波形图上出现了4段红线，分析其原因为测量数据值超出了理论值的最大允许波动范围，系统判定其为畸变数据，从而进行标记。

在0.012～0.018 s内，虽然看到图形出现了较大的波动，但系统计算出其波动量在最大允许波动范围内，因此判定其为正常数据。在波形图下方可以看出，系统给出本次测试的电压数据畸变率达到了28.7%，超出了设定的容差值，在主界面上系统弹出了报警提示框，并标记了相应的畸变区域，如图2所示。

3.2 频率测试过程

图形化后的频率数据为近似平稳的曲线，为了测试系统对畸变数据的捕获能力，本次测试在1 s附近以及13 s附近人为修改出几组畸变数据，可以看出，系统对畸变数据进行了标记处理。同时，系统显示本次测试的频率数据总畸变率只有1.9%，小于5%的容差值。因此，系统不执行报警操作，如图3所示。

经过测试可以看出，在数据采集准确的情况下，本系统可以灵敏的捕获数据组中的畸变数据，计算出数据组的总畸变率，与用户要求的容差值进行比较，并能够通过弹出报警提示框来告知用户监测点的电能数据畸变率不符合要求。用户可将本电能品质监测系统的测试结果作为监测点电能品质是否达标的依据。

4 结　语

本文详细介绍基于Matlab的电能品质监测系统的设计与实现。选取高精度采样设备对监测点的电能数据进行精确化、离散化、实时采集，通过设计电能品质监测软件对采集到的数据进行系统化分析处理，能够发现电能波形中的畸变点，从而对整个波形数据进行整体分析，计算出总畸变率，将系统计算的总畸变率与用户要求的容差值进行对比，对超出容差值的监测参数予以预警。

相关设计立足于船舶电力推进系统对于电能品质的要求，考虑到成本和实现难易程度，故选择了数据采集和软件编程相对独立的方法。测试结果表明，本监测方法在一定程度上能够满足船舶的电能品质监测需求，能够推广到船舶电力系统的监测使用中。