供用电系统谐波之小波分析与抑制措施（精选五篇）

第一篇：供用电系统谐波之小波分析与抑制措施

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供用电系统谐波分析与抑制措施研究

摘 要

谐波对电力系统和用电设备产生了严重的危害及影响，而小波变换为电力系统谐波信号分析提供了有力的分析工具。与Fourier变换相比，小波变换是时间频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破。有人把小波变换称为“数学显微镜”。

本设计在探讨了小波变换的基本原理之后，就如何应用小波工具箱对系统的谐波信号进行了分析。主要内容如下：

首先，采用小波变换进行谐波检测的方法进行了系统仿真，通过仿真验证了小波分析具有时域和频域的双重分辨率，能够较好的解决傅立叶分析所不能解决的问题。

其次，在谐波分析中，采用小波分析算法，不仅能正确的得到各次谐波，而抑制电压、电流波形的间断、突起、凹陷和瞬态分量的检测都具有较好的效果。

再次MATLAB仿真的结果验证了本文的分析方法的正确性和有效性。有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，可以对大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可以克服无源电力滤波器(PPF)传统谐波抑制方法的缺点。

关键词：谐波，电力系统，小波分析，滤波器

I

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Power System Harmonics and Suppression Technology

ABSTRACT

In power system harmonic and power consumption equipment produces serious harm and influence, and wavelet transform for the power system harmonic signal analysis provides a strong analysis tool.Someone wavelet transformation called “math microscope”.This design in discussed the basic principle of wavelet transform, after wavelet toolbox on how to use the system harmonic signal is analyzed.Main contents are as follows: First of all, using wavelet transform of harmonic detection method of simulation system simulation shows the wavelet analysis of time domain and frequency domain has double the resolution, to better solve the Fourier analysis can't solve the problem.Secondly, in the harmonic analysis, wavelet analysis algorithm, not only to the right to get every harmonic, and inhibit voltage, current waveform discontinuities, bumps, depression and the transient component testing have better effect.MATLAB simulation results demonstrate again the this article analysis method is correct and effective.Active power filter(APF)is a kind of used to restrain the harmonics dynamic new power electronic device to the size and frequency of the harmonic compensation for change, the application can overcome passive power filter(PPF)traditional harmonic control method shortcomings.Finally based on the study of the front harmonic detection method, the Matlab simulation experiments, the simulation results show the good performance of the filter unit compensation.KEY WORDS: Harmonic, power system, wavelet analysis, filter II

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目 录

前 言..........................................................................................................1 第1章 谐波问题........................................................................................3

1.1 电力系统产生的原因，危害及对策............................................3

1.1.1 谐波产生的原因................................................................3 1.1.2 谐波的危害........................................................................3 1.1.3 抑制谐波的措施................................................................4 1.2 课题研究意义...............................................................................5 第2章 谐波的分析....................................................................................6

2.1 电力系统谐波分析的现状及存在问题........................................6 2.2 小波分析理论概述.......................................................................7 2.3 小波理论简介...............................................................................8

2.3.1 连续小波变换....................................................................8 2.3.2 离散小波变换....................................................................9 2.3.3 多分辨率分析....................................................................9

第3章 谐波检测仿真分析......................................................................14

3.1 谐波信号模型的建立.................................................................14

3.1.1 matlab简介.......................................................................14 3.1.2 电力系统谐波信号..........................................................15 3.2 MATLAB小波分析..................................................................19 第4章 谐波抑制方法与装置..................................................................24

4.1 谐波抑制主要方法.....................................................................24

4.1.1 降低谐波源的谐波含量...................................................24 4.1.2 在谐波源处吸收谐波电流...............................................25 4.1.3 改善供电环境..................................................................26 4.2 电力滤波器.................................................................................26

4.2.1 滤波器的发展过程..........................................................26 4.2.2 无源滤波器......................................................................26 4.2.3 有源滤波器......................................................................30

III

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4.3 电网谐波治理的模型.................................................................34

4.3.1 电网线路的结构图..........................................................34 4.3.2 系统模型的建立..............................................................35 4.3.3 采用无源滤波器的模型...................................................36 4.3.4 在无源补偿器的基础上加上了有源补偿器....................36

结 论.......................................................................................................37 谢 辞.........................................................................................................39 参考文献...................................................................................................40 外文资料翻译...........................................................................................42

IV

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前 言

随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。

高次谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压和产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变。造成系统正弦波形崎变、产生高次谐波的设备和负荷称为高次谐波源或谐波源。一切非线性的设备和负荷都是谐波源。

当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递(如变压器)、变换(如交直流换流器)、吸收(如电弧炉)系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的谐波能量，使系统正弦波形畸变，产生谐波。谐波源产生的谐波与其非线性有关。当前，电力系统的谐波源按其非线性特性分主要有三类[1]：

(1)电磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其磁饱和特性呈现非线性。

(2)电子开关型：主要为各种交直流换流设备装置(整流器、逆变器)以及双向晶闸管可控开关设备等，在化工、冶金、电气轨道等大量工矿企业及家用电器中广泛使用；在系统内部，则如直流输电中的整流阀和逆变阀等，其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。

(3)电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化钢铁期间以及交流电弧焊接机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动，其非线性呈现电弧电压与电弧电流不规则的、随机变化的伏安特性。

由于电力系统施加于负荷的电压基本不变，谐波源负荷通过从电力系统取得一定的电流作功，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变，同时谐波源固有的非线性伏安特性决定了电流波形的畸变，使其产生的谐波电流具有一定的比例，因此非线性负荷一般都为谐波电流源向系统注入一定的谐波电流。另外，谐波电流源的谐波内阻抗远大于系统的谐波阻抗故谐波电流源在电力系统中一般可按恒流源对待。谐波电流源注入电力系统

洛阳理工学院毕业设计论文 的谐波电流，在系统的阻抗上产生相应的谐波压降，便形成系统内部的谐波电压，使原有的正弦波电压产生畸变。

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第1章 谐波问题

1.1 电力系统产生的原因，危害及对策

1.1.1 谐波产生的原因

谐波主要由谐波电流源产生:当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。系统中的主要谐波源可分为两类：含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的电力电子设备；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备等。它们使电网电压、电流波形产生畸变，不再是正弦波，通常这种畸变波形是周期的。从频域的观点出发，基于傅里叶级数的谐波分析法把除与电源电压频率一致的基波以外的高次正弦波分量称为(高次)谐波，它们的频率一般为基波频率的整数倍。抑制谐波干扰的目的就是消除电力系统中的高次谐波或把其降低到允许值以下，使电网电压、电流保持为正弦波。

1.1.2 谐波的危害

谐波对电网和其它系统的危害大致有以下几个方面[2]：

(1)电网中的元件产生了附加的谐波消耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时，会使线路过热甚至发生火灾。

(2)谐波影响各种用电设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

(3)会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使得上述两种的危害大大增加，甚至引起严重事故。

(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气仪器表计量不准确。

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(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量：重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

(6)谐波还会降低供电系统的功率因数。

1.1.3 抑制谐波的措施

在电力系统中所采用的比较实用有的方法之一就是利用交流电力滤波器。交流电力滤波器尽管种类繁多、电路结构和所用元件各不相同，但总的来说可分为有源和无源电力滤波器两种。使用比较多的是无源电力滤波器(Passive Power Filter)，在运行中一般把它与谐波源并联。它是利用电路谐振的原理来工作的，即当电路对某次谐波发生谐振时，对该次谐波形成低阻通路，从而达到滤除该次谐波的目的。无源电力滤波器除了起滤除谐波的作用外，还可兼顾无功补偿。尽管无源电力滤波器所用元件少、电路结构简单、造价底，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果显著，但由于结构原理上的原因，在实际运用中它存在以下难以克服的缺点和局限性[3]。由于无源电力滤波器有其难以克服的缺点和局限性，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。有源电力滤波器(Active Power Filter)是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。近年来，国外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展[4]

有源滤波具有以下3个特点[5]：

(1)不仅能抑制谐波，还可以抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点。

(2)滤波器不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。(3)具有自适应的能力，可自动补偿变化的谐波。

有源滤波器有着巨大的技术和性能优势。随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，有源滤波器必然会得到越来越广泛的应用。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电子装置，它能

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对大小和频率都变化的谐波进行补偿，APF中最重要的部分就是检测环节，它是快速准确抑制谐波的关键，而基于小波分析的有源电力滤波器，对谐波的抑制效果较好。故本文提出基于小波的谐波分析。

1.2 课题研究意义

波抑制研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产，传输和利用的效率降低，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波抑制研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波抑制研究的意义，更可以上升到从治理环境污染，维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护已成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治理也成为电工科学界所必须解决的问题[6]。

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第2章 谐波的分析

2.1 电力系统谐波分析的现状及存在问题

电力系统谐波分析的目的是对谐波污染的治理，这往往需要准确的检测出电网中各次谐波电流。这属于电力系统信号分析检测的范畴，发展有效可靠和简单实用的电力系统与用电设备谐波分析的方法一直是人们努力研究的方向。以往的谐波方法主要包括：卡尔曼滤波算法，自适应检测法，基于傅里叶变换的数字化分析法等。卡尔曼滤波算法，对低次及高次谐波均有很强的抑制能力，但无法消去衰减直流分量的影响，当衰减直流分量较大、持续时间较长时，卡尔曼滤波器的估计参数无法在20ms内收敛，用于故障判据中的参数只能是尚未完全收敛的估计参数的数值，这样将提高误判的几率。自适应检测法是基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量，该方法主要用于无功补偿。基于快速傅里叶分析FFT的数字化分析法是建立在Fourier分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大误差。通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得各次谐波的幅值和相位系数。其优点是可以选择拟消除的谐波次数，缺点是具有较长的时间延迟，实时性较差。

二十世纪八十年代发展起来的小波理论，因其在时一频域中同时具有自动聚焦调节能力。被认为是傅里叶分析方法的突破性进展，因而在信号分析与处理中获得日益广泛的应用。小波母函数可以构造带通滤波器，将信号分解成不同频带的成分，同时小波变换也具有检测信号局部奇异性的强大功能。从1993年起，开始有学者尝试将小波分析应用到电力系统中，但为数较少。2000~2001年，电力系统谐波分析中的小波分析应用研究在国内掀起了高潮，发表了一大批文章[7]。但绝大部分的研究均是遵循Mallat提出的分析思路，并大多将工作的重心放在基本小波函数的构造上和快速小波算法的研究上，而没有结合小波分析理论对电力系统的谐波产生特性

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做深入的研究，有的文献虽对电力系统谐波信号的奇异性进行了研究，但也仅仅是针对电力系统谐波暂态信号的假想模型，讨论了谐波暂态信号在故障点的奇异度，得出“电力系统谐波暂态信号在故障时刻的奇异度是不确定的，不同的谐波暂态信号的奇异度是不同的”的结论，这对于选择合适的小波母函数用以分析谐波信号的奇异性，仍未提供有价值的理论依据。己有的研究工作虽然显示出小波变换的良好性能，但多数仅局限于经验性地选定某一小波母函数和算法来研究其变换结果，对于不同应用要求下小波基的选择原则和设计方法缺乏系统性的分析探讨。研究电力系统谐波检测与识别的方法很多，但每种方法均各有各自的局限性，还需在快速性和精度上不断改进、提高。

2.2 小波分析理论概述

小波分析[8]是当前数学中一个迅速发展的新领域，它同时具有理论深刻和应用十分广泛的双重意义。

小波理论(Wavelet analysis)是20世纪数学研究成果中最杰出的代表之一。它作为数学学科的一个分支，吸取了现代分析学中诸如泛函分析、数值分析、傅立叶分析、样条分析、调和分析等众多分支的精华。由于小波分析在理论上的完美性及在应用上的广泛性，受到了科学界和工程界的高度重视，并且在信号处理、图像处理、模式识别、地震预报、故障诊断等学科领域中得到了广泛的应用[9]。

小波(Wavelet)这一术语，顾名思义，“小波”就是小的波形。所谓“小”是指它具有衰减性；而称之为“波”则是指它的波动性，其振幅正负相间的震荡形式。与Fourier变换相比，小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破。有人把小波变换称为“数学显微镜”。

小波理论是一种时域—频域分析方法，它介于纯时域的方波分析和纯频域的傅立叶分析之间，它具有良好的局部化性质(localization nature)。它

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可以根据信号的不同频率成分，在时域或频域自动调节取样的疏密：频率高时，则密；频率低时，则疏。由于对频率成分采用逐渐精细的时域或频域取样步长，因此可以聚集到对象(函数、信号、图像等)的任意细节，并加以分析。因此，它在信号的分解与重构(decomposition and reconstruction)、信号和噪声分离技术(etchniques of separation noise from signals)、特征提取(characteristic extraxtion)、数据压缩(data compression)等工程实际应用中，显示出巨大的优越性。而这些正是近200年来大量应用于许多工程领域的傅立叶理论所无法做到的。

现代电力系统集发电、变电、输电、配电和用电于一体，涉及范围广，且元件繁多，结构复杂。为了确保电力系统的安全、可靠、经济运行，以及一旦发生故障后，能快速地消除或隔离故障，尽快恢复正常运行，在电力系统中需要大量的高新技术。小波理论以其突特的种时域—频域分析方法，在电力系统的故障检测中，得到了较为广泛的应用，而且随着研究的深入，小波理论在电力系统中将具有无比广阔的应用前景。小波分析的应用是与小波分析的理论研究紧密地结合在一起地。现在，它已经在科技信息产业领域取得了令人瞩目的成就。现在，对于其性质随实践是稳定不变的信号，处理的理想工具仍然是傅立叶分析。但是在实际应用中的绝大多数信号是非稳定的，而特别适用于非稳定信号的工具就是小波分析。

2.3 小波理论简介

2.3.1 连续小波变换

小波变换作为一种新的数学工具，是传统傅立叶变换的发展，在信号处理领域中有着巨大的广阔的潜在应用前景，其在图像处理、数据压缩等领域的成功应用更使得人们在其他领域对其进行研究。当前小波分析和变换的研究如火如荼，其应用范围也越来越广。

对于速降的震荡函数函数Ψ(t)的评议和伸缩(a,)(t)代替窗口函数，其中α为伸缩系数(α的改变以实现频率的变化)，τ为平移参数(实现对f(t)在不同时刻的扫描)。

2L将任意(R)空间中的函数f(t)在小波基下进行展开，称这种展开为函

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数f(t)的连续小波变换(Continue Wavelet Transform，简称为CWT)，其表达式为：

WTf(a,)f(t),,(t)1aRf(t)(t)d

(2-1)

2.3.2 离散小波变换

由小波函数定义可知.小波函数是由小波母函数进行伸缩和平移后得到的一组函数系列，这意味着小波基是一组非正交的过渡完全基。因此任意函数的小波展开系数之间有一个相关关系，即CWT系数有很大的冗余量。为了减少计算量和在计算机实现，必须连续小波进行离散化处理。在前面所述的一维连续小波中，通过选择

a,R,m,nza1,00移伸缩形式表示为式(2-2)，其中00，并且0要求，则得相应的离散小波变换为式(2-3)。

maa0mna00和，可将基小波的平

m,n(t)am/20mtn0a0()

(2-2)ma0WTf(m,n)f(t)m,n(t)dt

(2-3)

R

2.3.3 多分辨率分析

Mallat(Mallat算法是Mallat提出的用于某一函数F(t)的二进小波分解与重构的快速算法相当于傅里叶变换的FFT)使用多分辨分析的概念统一了各种具体小波基的构造方法，并由此提出了现今广泛使用的Mallat快速小波分解和重构算法，它在小波分析中的地位与快速傅里叶变换在傅里叶分析中的地位相当[10]。

人的眼睛观察物体时，如果距离物体比较远，即尺度较大，则视野宽、分辨能力低，只能观察事物的概貌而看不清局部细节；若距离物体较近，即尺度较小，那么视野就窄而分辨能力高，可以观察到事物的局部细节却无法概览全貌。因此，如果既要知道物体的整体轮廓又要看清其局部细节，就必须选择不同的距离对物体进行观察。和人类视觉机理一样，人们对事物、现象或过程的认识会因尺度选择的不同而得出不同的结论，这些结论

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有些可能反映了事物的本质，有些可能部分地反映，有些甚至是错误的认识。显然，仅使用单一尺度通常只能对事物进行片面的认识，结果不是只见“树木”不见“森林”，就是只见“森林”不见“树木”，很难对事物有全面、清楚的认识。只有采用不同的尺度，小尺度上看细节，大尺度上看整体，多种尺度相结合才能既见“树木”又见“森林”。另一方面，在自然界和工程实践中，许多现象或过程都具有多尺度特征或多尺度效应，同时，人们对现象或过程的观察及测量往往也是在不同尺度上进行的。因此，多尺度分析是正确认识事物和现象的重要方法之一。由粗到细或由细到粗地在不同尺度(分辨率)上对事物进行分析称为多尺度分析，又称多分辨分析。多尺度分析最早用于计算机视觉研究领域，研究者们在划分图像的边缘和纹理时发现边缘和纹理的界限依赖于观察与分析的尺度，这激发了他们在不同的尺度下检测图像的峰变点。1987年，Mallat将计算机视觉领域内多尺度分析的思想引入到小波分析中研究小波函数的构造及信号按小波变换的分解和重构，提出了小波多尺度分析(又称多分辨分析)的概念，统一了此前各种具体小波的构造方法。Mallat的工作不仅使小波分析理论取得了里程碑式的发展，同时也使多尺度分析在众多领域取得了许多重要的理论和应用成果。目前，小波分析已经成为应用最广泛的多尺度分析。

2(t)L(R)，若其整数平移序列{n(t)(tn)}相互正交，即设函数n(t),n.(t)(nn')，其中n,n'Z。则由{n(t)}所张成的子空间称为尺度空间，函数(t)称为尺度函数(或生成元)。由式(3-5)可知，在尺度函数序列{n(t)}中，由于m0，因此由{n(t)}所张成的子空间为零尺度空间，记t}即为V0的一组基。根据泛函分析的理论，任意函数f(t)V0，而{n()CV可以由0的一组基线性表出，见式(2-4)，其中n如式(2-5)所示。同样可以

{(t)}得尺度m0下的尺度函数序列，由m,n所张成的子空间为m尺度空间，{(t)}f(t)VmV记为m，那么任意可由m,n线性表出，即式(2-6)。做V0f(t)cnn(t)

(2-4)

ncnf(t)n(t)dt

(2-5)

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f(t)cm,nm,n(t)

(2-6)

n由此可见，尺度函数(t)在不同尺度下的平移序列张成了一序列的尺

(t){V,mZ}度空间m。随着尺度m的增大，尺度函数m,n的宽度增大，且实m(2T0)也变大，即它的线性表达式(2-6)不能表示函数的细微际的平移间隔变化(即小于该尺度下的变化)，因此它张成的尺度空间只能包含大尺度的(t)缓变信号；相反，随着尺度m的减小，函数m,n的宽度变小，实际的平m(2T0)也变小，则它的线性表达式可以表达函数的更细微的变化，移间隔因此它张成空间的尺度空间所包含的函数增多，尺度空间变大。由此，可给出多分辨率分析的如下数学描述。

2V,mZL(1)在(R)中，存在一闭子空间序列m，即如式(2-7)所述，则这一序列嵌套子空间具有逼近性和伸缩性，如式(2-8)所示。

...V2V1V0V1V2...f(t)Vmf(2t)Vm

1(2-7)

(2-8)(t)V0{(t)(tn)}V(2)存在函数，使得n构成0的正交基，如式(2-9)所示，若基。

V0span{(tn)},(tn)(tm)dt(mn)

(2-9)

R{n(t)}nz是

V0的正交基，则

{m,n(t)2m/2(2mtn)}m,nz是

V0的正交虽然多分辨率分析的一序列子空间逼近L2(R)，但由于它们之间是互相包含的，不具有正交性，因此它们的基{m,n(t)}m,nZ在不同尺度下不具有正交性，因而也就不能作为L2(R)的正交基。为了寻找一组L2(R)的正交基，VWV有必要引入{Vm}的正交补。设m是m的在m1中的正交补空间，见式

WW(2-10)，那么，对任意mn，m和n都是正交的，由式(2-7)和式(2-8)可

2WmL得式(2-11)。因此，是构成(R)的一序列正交子空间，见式(2-12)。若g(t)W0mg(2t)Wm，即式(2-13)所示。，则

Vm1VmWm,WmVm

(2-10)

L2(R)Wm,mZ

(2-11)

WmVm1Wm,W0V1V0

(2-12)

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g(t)W0g(2mt)Wm

(2-13)若{m,n(t)2m/2(2mtn)}nZ是

W0的一组正交基，由式(2-13)对任意尺

Wm度mZ，{m,n(t)2m/2(2mtn)}nZ一定是的一组正交基，再根据

2m,n(t)}L2(R)Wm，其中mZ可得全体{L构成(R)的一组正交基，(t)就W是小波母函数，m是尺度为m的小波空间。小波空间与尺度空间是互补的，尺度空间之间是互含关系，小波空间之间是正交关系[11]。

根据多分辨率分析的定义，由于V0V1W1，如果一维信号f(t)V0，则f(t)可分解(投影)为V1和W1上的两部分，在V1上的投影称为f(t)的轮廓部分，记为f1d(t)。在W1上的投影称为f(t)的细节部分，记为f15(t)。如果(t)是尺度函数，t是小波函数，则可得式(2-14)。

f1s(t)c1,n(21tn)f1d(t)d1,n(21tn)

(2-14)

nn分别为尺度分解系数和小波分解系数见式(2-15)，重构

f(t)V1VV0W0信号得式(2-16)。同样，时，因1，则f(t)可分解(投影)为V0cd上的两部分，见式(2-17)，其中0,n和0,n见式(2-18)所示。以上分析是在m1,0,1时的尺度空间下进行的，对其他尺度空间同样适用。其中，W0c1,n和d1,n和c1,nf(),(21tn)，d1,nf(),(21tn)

(2-15)f(t)f1s(t)f1d(t)c1,n(21tn)d1,n(21tn)

(2-16)

nnf(t)f0s(t)f0d(t)c0,n(tn)d0,n(tn)

(2-17)

nnc0,nf(t),(tn) , d0,nf(t),(tn)

(2-18)尺度函数和小波函数在相邻两个尺度上的关系就是二尺度方程，它反映了相邻尺度空间和小波空间之间的内在联系。由多分辨率分析的定义可知，若(t)和(t)分别为尺度空间气和小波空间V0V1,W0V1W0的正交基，由于，所以(t)和(t)也必然包含在V1中，而V1的一组正交基

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为{1,n(t)21/2(2tn)}nZ，所以(t)和(t)可以表示为式(2-16)所示。

对任意相邻空间，(t)和(t)的表达式(2-19)都成立。系数h(n)和g(n)称作滤波器系数，它们是由尺度函数(t)和小波函数(t)决定的，与具体尺度无关。

(t)21/2h(n)(2tn)n

(t)21/2g(n)(2tn)n13

(2-19)

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第3章 谐波检测仿真分析

3.1 谐波信号模型的建立

3.1.1 matlab简介

在MATLAB中进行电力系统谐波分析，通过建立电力系统产生谐波谐波的，产生谐波后，再将谐波信号导入小波分析工具中，进行谐波分析[12]。

谐波分析必须要有研究对象，而实际的电网信号采样需要精密的仪器设备和在特定的电力环境下进行，要求比较高。算法研究通常采用计算机仿真的方法，需要对研究对象进行建模，因此好的模型的建立是研究的前提。怎样合理的建立谐波信号模型是一个很关键的问题，也是研究的一个难点之一。MATLAB是工程应用和科学计算领域的强大的武器，它不仅仅可以用在谐波的仿真上，也可以用来建立各种信号模型，为理论和算法的研究提供好的研究对象。

在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算和一些复杂的数学运算。一般来说，这些运算难以用手工精确、快捷地进行，要借助计算机编程采用数值方法来近似计算，MATLAB的用户界面功能更加强大，并且具有鲜明的特点[13]。

MATLAB的典型应用包括：

(1)科学计算；(2)算法的开发研究；(3)数据采集及信号处理；(4)建模及原型仿真；(5)数据分析和数据可视化；(6)科学与工程绘图；

(7)应用程序开发(包括建立图形化用户界面)。MATLAB应用于算法仿真和分析具有以下一些优点：

(1)编程效率高；

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(2)用户使用方便；(3)扩展能力强；

(4)语句简单，内涵丰富；

(5)高效、方便的矩阵和数组运算；(6)方便的绘图及其图形界面功能。

由于MATLAB所具有的上述优点，本文主要将运用MATLAB工具对谐波进行分析，分析过程中主要用到了MATLAB的信号处理工具箱和小波工具箱的一些函数，同时结合MATLAB强大的绘图和数据处理功能，给算法的分析和仿真带来了很大的便利，使得我们可以将主要精力放在算法的分析比较和实现上，而不必拘泥于编程的细节。

3.1.2 电力系统谐波信号

根据实际电网中的谐波情况和仿真分析的需要，我们构建出若干类信号模型。实际电网中由于既存在线性负荷也存在非线性的负荷，所以实际情况下电网中的谐波既包含稳定的基波的各次谐波分量也包含一些非稳定的瞬态变化的谐波，各种电网噪声干扰等。为了仿真分析的方便起见，我们选取有代表性的仅含一种谐波情况的谐波信号进行分析，要分析更复杂的情况只需将各种情况组合叠加即可[14]。

信号模型一：正弦信号的线性组合，即仅含有基波的各次谐波的信号。在电网中电压和电流的基波频率均为fo=50Hz，我们考虑含有3，5，7次谐波的情况。设信号的数学表达式如下：

111s(t)sin(2f0t)sin(32f0t)sin(52f0t)sin(2f0t)

(3-1)357上式中第一项是频率fo=50Hz的基波，第二项是频率

f1=150Hz的3次谐波分量，第三项为5次谐波分量，第四项为7次谐波分量。在本模型中没有取所有次数的谐波，而只是取了在电力系统中较有代表性的谐波分量来分析，可以简化分析且不失一般性。其仿真模型如图3-1所示，其信号波形如图3-2所示。

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图3-1 正弦信号搭建的谐波电源的仿真模型

图3-2 正弦信号搭建的谐波电源的信号波形图

信号模型二：含有白噪声的正弦信号，即基波加白噪声。

在电网中电压和电流的基波频率均为50Hz，我们考虑基波中含有正态分布的随机噪声的情况。设信号的数学表达式如下：

s(t)sin(2f0t)0.2randn(1,5*128)

(3-2)此信号中第一项是频率为50Hz的基波，第二项是正态分布的随机噪声分

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量，其幅度为基波幅度的0.2倍，在MATLAB中使用randn(m,n)函数来表示mn阶的正态分布的随机矩阵。在实际的电网电压或者电流中可能还含有其它成分的单一频率的谐波，此处为了简化分析，仅考虑基波加噪声的情况，如果有其它谐波成分的话，将其叠加综合考虑即可。相应的仿真图如图3-3所示，信号波形图如图3-4所示。

图3-3 含有白噪声的正弦信号仿真模型

图3-4含有白噪声的正弦信号的信号波形图

信号模型三：分段正弦信号，含有第二类间断点。

关于信号含有第二类间断点的情况，一般是因为信号的导数不连续所

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造成的，相应于电网中电压瞬态改变的情况，对应具体电网中电压或者电流信号的模型因为没有实际采样，所以无从模拟，但是其检测间断点的原理对任何信号都是适用的。在此我们构造一个分段正弦信号，在其分界点处含有一个第二类的间断点，相应信号模型如下：

s(t)sin(2f0t)0t0.04s{

(3-3)s(t)sin(52f0t)0.04st0.1s当t(0,0.04]时为频率为50Hz的基波信号，当t(0.04,0.1]时为基波的5次谐波分量，t0.04s时的采样点是信号的一个第二类间断点，表明此处有一个信号的瞬态变化。信号波形如图3-5所示。

图3-5 分段正弦信号的信号波形图

信号模型四：建立电力系统进行的仿真。

通过建立电力系统，测出实际的电力系统中的谐波信号。电力系统仿真模型如图3-6所示，产生的信号模型图如图3-7所示。

图3-6 电力系统仿真模型

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图3-7 信号模型图

本节对算法仿真要用到的谐波信号进行了建模，这些信号模型都是根据实际电网信号进行分类建模得来的，虽然具有理想化的特点，但是并不影响对算法本身优劣性能的影响。并且，对于更加复杂的谐波信号，完全可以使用这四种模型的叠加得到，因此，对于这四个信号模型的研究，在研究意义上具有完备性。

3.2 MATLAB小波分析

小波分析后的谐波，对于电力系统中的非稳态的谐波分析，采用离散小波变换，其中小波函数的选取很重要，根据研究比较发现dmey小波具有较好的处理效果和作用[15]。

为了对比分析的方便，我们仍然是采用离散小波变换对信号模型一至四进行仿真分析。因为电力系统主要包含奇数次谐波，尤其是3，5，7等次谐波，因此，在选择频带的时候不能太大，否则就不能准确测量每一次谐波的含量。仿真信号的基波频率为50Hz采用dmey小波5层分析。将采用dmey小波的离散小波变换应用于3.1的各种谐波信号模型可以得到基波及其各次谐波以及信号中的部分细节信息。

信号模型一的小波分析波形如图3-8~3-11所示：

图3-8 dmey小波分析后的基波信号

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图3-9 3次谐波分量

图3-10 5次谐波分量

图3-11 7次谐波分量

从上述图3-8到图3-11中我们可以很直观的看出基波和各个谐波成分的波形图(有所失真)，我们可以得到信号的频域和时域的信息。小波分析具有时域和频域的双重分辨率，这是小波分析的特点，也是小波分析区别于傅里叶分析的特点之一；如果采用傅里叶变换，则仅仅只能得到原始信号的频域的信息，包括幅频特性和相频特性。不过在此情况下，我们对各个谐波成分的时域的信息并不关心，我们只需得出信号的频域信息即可。所以可以得出结论当信号仅含有谐波成分时，小波分析和傅里叶分析的效果是一样的，小波分析的结果更直观，可以直接从图形上看出来，而傅里叶分析的优点是可以比较准确的反映信号的频域特征，所得的幅值和相位往往比较准确，而从小波分析的图形上不容易观察得到准确的幅值和相位的信息。并且小波变换每次需要根据所含谐波的最高次数才确定分解的层数，运算量较大，且存在同一尺度下包含几次谐波成分的情况。如果此信号模型中含有的谐波分量进一步的增多，则使用小波变换将变得非常麻烦和困难。因此，在此种信号模型下建议使用傅里叶变换。

信号模型二的小波分析波形如图3-12所示

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图3-12 信号模型二的小波分析

小波分解后所得基波信号可以看出与原始信号符合得比较好，因为白

D噪声的频谱频域范围比较宽，包含较多的频域成分，所以单独存在于1中

D~D5的噪声信号与原白噪声信号相差还是很明显的，但是将1中的噪声信号叠加之后得到的总的白噪声信号就与原信号符合得较好了。对于信号二，采用傅里叶分析得不到准确的基波和白噪声的时域波形，只能得到有关频域的一些信息，但是由于白噪声信号具有较宽的频谱范围，采用傅里叶分析将得到许多频率成分，包含基波和各次谐波和间隙波以及基波的任意倍数的波形成分。此种情况下，小波变换具有傅里叶变换所不具有的特殊优势。

信号模型三的小波分析波形如图3-13所示

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图3-13 信号模型三的小波分析

由图3-13可以看出，小波分析很好的检测到了信号的基波及谐波的幅值、相位、发生时刻，对于信号的间断点也检测了出来。对于信号中含有间断点的情况，只能使用小波分析。

信号模型四的小波分析波形如图3-14所示

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图3-14 信号模型四的小波分析

小波变换可以很好的实现对谐波的提取，并能比较准确的定位谐波开始的时刻。由原信号和小波分解所恢复的信号的对比可以看出，小波分析具有时域的分辨率能很好的解决问题。

从上面各种信号模型的波形仿真及其分析中可以得出如下结论：小波分析具有时域和频域的双重分辨率，能够很好的解决傅里叶分析所不能解决的问题，在电网谐波分析中，采用小波分析算法，我们不仅能正确的得到各次谐波，而且对用傅里叶分析没法解决的有关信号的暂态分量的提取，暂态分量开始时间的定位，电压、电流波形的间断、突起、凹陷和瞬态分量的检测都具有很好的效果。同时小波变换对于稳态的谐波分析问题来说，没有傅里叶变换分析高效和直观，且对于不同小波基的选择可以得到的结果亦不一样，从运算量上来讲也远远比加窗傅里叶分析要多。

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第4章 谐波抑制方法与装置

4.1 谐波抑制主要方法

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施。

4.1.1 降低谐波源的谐波含量

即在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：

(1)增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：nkp1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而InI1/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如:整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18.5%，7次谐波电流为基波电流的12%，如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4.5%，7次谐波电流下降到基波电流的3%。

(2)脉宽调制法

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。在PWM逆变器中，输出波形是周期性的，且每半波和1/4波都是对称的，幅值为±1，令第一个1/4周期中开关角为i(i=l，2，3„„m)，且012.......m/2。假定o0，m1/2，在(0，)内开关角0,1,2.....,m,m,2,1，PMW按傅里叶级数展开;由式可知，若要消除n次谐波，只需令bn=0，得到的解即为消除n次谐波的开关角值。

(3)三相整流变压器采用Y-d(Y/)或d-Y(/Y)的接线这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。

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4.1.2 在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：

(1)无源滤波器(PPF)无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

(2)有源滤波器(APF)早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器

APF(Active Power Fiiter)的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术己应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

(3)防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

(4)加装静止无功补偿装置

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速变化的谐快波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数[15]。

4.1.3 改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除谐波[14]。

4.2 电力滤波器

4.2.1 滤波器的发展过程

滤波器主要由无源元件R、L、C构成，称为无源滤波器。1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成被研制出来并得到应用。80年代致力于各类新型滤波器性能提高的研究并逐渐扩大应用范围。90年代至今主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行[13]。

4.2.2 无源滤波器

（1）LC滤波器如图4-1所示：

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图4-1 LC滤波器

图4-1所示的LC滤波器是应用最多、最广的滤波器。无源滤波器是通过L、C串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处，从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小，达到对该次谐波治理的目的。串联无源滤波器多用于对五、七、十一次谐波治理中，而且往往同时采用两组以上滤波器，谐振在五、七次，同时起补偿电容器组的作用。目前，在电力行业中，它多用于35kV和 110kV变电所的10kV母线上，两组滤波器中的电容器容量大于变电所无功补偿容量，串联电感后，谐振在五、七次谐波频率中，使无源滤波器一物二用，具体计算公式如下：

当无源滤波器中，L，C串联谐振在n次谐波频率时，XC12fnlXL.2fnc电容器和电感在工频时的参数：

Xcn2XL，当n5时，Xc52XL25XL, Uc1.04U,Qc1.04QLC, 当n7时，XC72XL49XL,UC1.02U,QC1.02QLC（2）RC滤波器

RC滤波器多应用于测试系统。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件易得，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器[14]。

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（3）一阶RC低通滤波器

RC低通滤波器的电路及其幅频相频特性如图4-2。

图4-2 RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性

设滤波器的输入电压为ex输出电压为ey，电路的微分方程为

RCdeydteyex

这是一个典型的一阶系统。令=RC，称为时间常数，对上式取拉氏变换，有

H(S)11或H(S)

j2f1s1其幅频、相频特性公式为： |A(f)H(f)11(2f)2,(f)arctg(2f)

分析可知，当f很小时，A(f)=1，信号不受衰减的通过;当f很大时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过。

（4）一阶RC高通滤波器

RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图4-3所示。

图4-3 RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性

无源滤波器的应用无源滤波器由电容器、电抗器，有时还包括电阻器

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等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。无源滤波器PPF一般用在谐波电流和无功负荷比较稳定的场合。无源滤波补偿是实际应用最多、效果较好、价格较低的解决方案，它包括三种基本形式：串联滤波、并联滤波和低通滤波(串并混合)。其中串联滤波主要适用于三次谐波的治理;低通滤波主要适用于高次谐波的治理；并联滤波是一种综合装置，它可滤除多次谐波，同时提供系统的无功功率，是应用最广泛的电源净化滤波装置[15]。

当前在工业与建筑电气系统中，绝大部分都是用的并联无源滤波器PPF这一种，串联无源滤波器SPF只用在中性线上作过滤三次谐波用，国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等：

(1)单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2~7次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少20~50%，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。

(2)高通(宽频带)滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。

(3)无源滤波器的特点

传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术。

无源滤波器是由电力电容器、电抗器(常用空心的)和电阻器适当组合而成的滤波装置，运行中它和谐波源并联，除起滤波作用外，它还能补偿无功功率。

由于它结构简单、运行可靠、维护方便，因此得到了广泛的应用。虽然无源滤波器具有简单、方便的优点，但它也存在如下缺点：

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(l)只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大，滤波效果易受元件或系统参数、以及电网频率等变化的影响；

(2)只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；(3)其滤波特性受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压要求；

(4)无源滤波装置有效材料消耗多、体积大；(5)在某些条件下可能和系统发生谐振，引发事故；

(6)当谐波源增大时，滤波器负担随之加重，以至可能因谐波过载不能运行等。

无源滤波器虽然有其本身不可弥补的缺陷，由于它结构简单、运行可靠、维护方便，因此得到了广泛的应用。

4.2.3 有源滤波器

(l)有源电力滤波器的发展史

有源电力滤波器(Active Power Filter，缩写为APF)也是一种电力电子装置，它是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置[16]，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。

进入80年代，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破是1983年赤木泰文等人提出了三相电路瞬时无功功率理论[17]，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用。

有源电力滤波器的基本原理[18]

图4-4所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中

es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路三部分组成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为

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谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号。产生实际的补偿电流，主电路目前均采用PWM变流器。作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此，有的文献中将其称为逆变器。但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器而工作，也就是说，它既工作于逆变状态也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。

图4-4 所示有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流[19]。

图4-4 并联型有源电力滤波器系统构成原理图

例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流il的谐波分量i'c，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流ic即与负载电流中的谐波分量众大小相等、方向相反，因而两者相互抵消，使得电源电流is中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。

如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。

(3)有源电力滤波器的分类

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图4-5给出了有源电力滤波器的分类，图中APF为有源电力滤波器的英文缩写。用户使用的电源类型包括直流电源和交流电源两类，故有源电力滤波器按供电的类型可分为交流有源电力滤波器和直流有源电力滤波器。从与负载联接形式的角度可分为并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器两大类。

图4-5 有源电力滤波器的分类

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图4-6 不同形式有源电力滤波器与负载之间的连接原理图

(4)有源电力滤波器的应用情况

电力有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在国外已日趋成熟。在日本已经开始进入实用化阶段[20]目前已有大量有源电力滤波器投入实际使用。APF的技术构想早在70年代就己提出，但直到90年代APF技术才进入实际应用，其中一个重要原因就在于APF的实际成本价格太高。因此在选择应用APF时必须考虑其成本价格。就当前技术水平而言，采用小额定值妙F结合无源滤波器的混合型电力有源滤波器是一种切实可行的方案。当然随着开关器件和DSP芯片价格的下降，串并联电力有源滤波器也是很有发展前途的[21]。电力有源滤波器的研究与应用，国内远落后于国外，投入运行的数量也为数不多。但随着我国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力电子”的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必然会得到广泛地推广应用。

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(5)有源电力滤波器的特点[22]

基于电力电子技术发展而出现的有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波，补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率及变化的无功进行补偿，其应用可克服L-C滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，其特点如下：

(1)实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。

(3)补偿无功功率时不需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件容量也不大。

(4)即使补偿对象的负载电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用。

(5)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。

(6)能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。(7)既可对某一谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。

4.3 电网谐波治理的模型

4.3.1 电网线路的结构图

线路图如图4-7所示：

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图4-7电网线路结构图

该线路有1家中频炉炼钢厂，有1家化工厂，会产生电压、电流谐波畸变。大量中频炉、电弧炉的使用产生了大量的谐波电流，它们流入电网后，造成了电压正弦波形畸变。谐波使供电线路产生了附加损耗。谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，对电网安全运行造成严重危害。

4.3.2 系统模型的建立

4-8电网系统模型

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4.3.3 采用无源滤波器的模型

图4-9 加入无源滤波器后的电网模型

4.3.4 在无源补偿器的基础上加上了有源补偿器

图4-10 混合滤波器的电网模型

经过matlab仿真，这三种方案都是可行的。

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结 论

谐波对电力系统和用电设备产生了严重的危害及影响，而小波变换为电力系统谐波信号分析提供了有力的分析工具。本文在探讨了小波变换的基本原理之后，就如何应用小波工具箱对系统的谐波信号进行了分析。主要内容如下：

本设计在探讨了小波变换的基本原理之后，就如何应用小波工具箱对系统的谐波信号进行了分析。主要内容如下：

首先，采用小波变换进行谐波检测的方法进行了系统仿真，通过仿真验证了小波分析具有时域和频域的双重分辨率，能够较好的解决傅立叶分析所不能解决的问题。

其次，在谐波分析中，采用小波分析算法，不仅能正确的得到各次谐波，而且对用傅立叶分析没法解决的有关信号的暂态分量的提取，暂态分量时间的定位，电压、电流波形的间断、突起、凹陷和瞬态分量的检测都具有较好的效果。

最后MATLAB仿真的结果验证了本文的分析方法的正确性和有效性。基本达到了实验目的。

本分析构建的各种谐波信号模型进行了仿真，仿真结果表明：(1)当信号仅含有稳定谐波成分时，小波分析和傅里叶分析的效果是一样的，小波分析的结果更直观，可以直接从图形上看出来，而傅里叶分析的优点是可以比较准确的反映信号的频域特征，所得的幅值和相位往往比较准确，而从小波分析的图形上不容易观察得到准确的幅值和相位的信息。并且小波变换每次需要根据所含谐波的最高次数才确定分解的层数，运算量较大，且存在同一尺度下包含几次谐波成分的情况。如果此信号模型中含有的谐波分量进一步的增多，则使用小波变换将变得非常麻烦和困难。

(2)对含白噪声的信号的分析，小波分解后所得基波信号与原始信号符合得比较好。

(3)对含第二类间断点的信号，信号模型四的信号不满足狄利赫里条件(信号进行傅里叶变换的条件)，所以傅里叶变换在此种情况下并不适合。

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小波分析很好的检测到了信号的基波及谐波的幅值、相位、发生时刻，对于信号的间断点也检测了出来。由小波分析与FFT的分析结果对比可以看出，对于信号中含有间断点的情况，只能使用小波分析。

(4)对直接搭建的电力系统仿真模型的信号，小波分解后所得的基波信号与原始信号符合的比较好。

从上面各种信号模型的波形仿真及其分析中我们可以得出如下结沦：小波分析具有时域和频域的双重分辨率，能够很好的解决傅里叶分析所不能解决的问题，在电网谐波分析中，采用小波分析算法，我们不仅能正确的得到各次谐波，而且对用傅里叶分析没法解决的有关信号的暂态分量的提取，暂态分量开始时间的定位，电压、电流波形的间断、突起、凹陷和瞬态分量的检测都具有很好的效果。同时小波变换对于稳态的谐波分析问题来说，没有傅里叶变换分析高效和直观，且对于不同小波基的选择可以得到的结果亦不一样，从运算量上来讲也远远比加窗傅里叶分析要多的多。

根据电网中的谐波情况和仿真分析的需要，本文构建了若干类信号模型。实际电网中由于既存在线性负荷也存在非线性的负荷，所以实际情况下电网中的谐波既包含稳定的基波的各次谐波分量也包含一些非稳定的瞬态变化的谐波，各种电网噪声干扰等。

通过对谐波理论、谐波治理和补偿方法的研究，该条线路的谐波治理，本文提出了三种可行性方案:方案一，加无源滤波器;方案二，加有源滤波器;方案三，既加无源又加有源的混合滤波器。可以用MATLAB对三种方案进行仿真研究，分析每种方案的治理效果。通过电网谐波抑制的模型建立，根据具体情况采取以上方案治理后电网质量会有很大改进。针对不同类别的谐波源采用多种谐波治理模式是行之有效的，这对其它地区的谐波治理也有一定的参考价值。

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谢 辞

本篇论文的顺利结稿汇聚了多方的关怀与支持，在此特向给予我无限关爱的师长、学校领导、以及同学好友表示我最真挚的谢意!首先我要感谢常晓颖老师!她治学严谨，具有高度的责任感和忘我的工作作风。她给予我的是全方位的指导与鼓励，在学习上要求我严谨、脚踏实地、勇于向上，而在实际生活中却又像慈母给予我温暖的关怀。其博大的人格魅力感染着我，成为我不断前进的动力，让我受益终身。在此，向尊师表示由衷的感谢!其次我要感谢我的小组成员给我的极大帮助，使我的论文能有一个很大的进步，设计的内容更符合要求，更具体实用。

最后我要感谢我的家人，感谢他们支持我的工作和学习!

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参考文献

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外文资料翻译

Wavelet transform is aimed at the limitation of the Fourier transform and form and the development of a time-scale(time-frequency)analysis method is developed in recent years to a new mathematical tools.Fourier transform from the information signal in frequency domain is the average in the time domain, can not give local time frequency domain information, which do not have local time, and wavelet transform is different with Fourier transform characteristics:(1)the adaptive distinguish analysis sex;(2)wavelet transform according to the band and not by frequency point the way to handle the frequency domain letter worry, the signal frequency to deal with slight fluctuations will not have a great influence, and does not require the signal, the whole cycle sampling;(3)can track the time variance and transient signal.Wavelet transform in the time domain and frequency domain and has good local, and because of the high frequency band gradually fine time-frequency step length, can focus to the analysis of the object information details, so wavelet transform to signal some very sensitive, can be used to smooth the transient signal tracking of the harmonic detection, accurate positioning transient and time-varying signal, this also is at present wavelet transform in power of the most successful of harmonic detection application.Wavelet transform first by the French earth physicists Mallat in the early '1980 s on the analysis of the geophysical signal put forward.1987 years Mallat ably in the field of computer vision multi-resolution analysis into the idea of the wavelet function constructing and signal wavelet decomposition and reconstruction, obtained the discrete wavelet transform-Mallat algorithm fast algorithm.It appears to the wavelet transform to the engineering application.And the wavelet theory in power system is the first study in 1993.In 1994, Ribeiro PF proposed first wavelet transform is analysis of electric power system harmonic distortion nonstationary new tools.Wavelet transform has the characteristics of multiresolution analysis, and

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in time and frequency domain has the ability of denoting local signal characteristics, is a window size can be changed, time window and frequency window can change time-frequency localization analysis method.That is in the low frequency part of high frequency resolution and low time resolution, in the high frequency part has high time resolution and low frequency resolution, is suitable for stationary signal, also suitable for non-stationary signal analysis.Using discrete wavelet transform can will signal decomposition to all scales(band).The history of active power filter: Active Power Filter(Active Power Filter, abbreviation for APF)is also a kind of Power electronic devices, it is a kind of dynamic suppress harmonic and compensation reactive Power electronic device, it can change the size of frequency and the harmonic and reactive Power compensation, can make up for the shortcomings of passive Filter, get better than passive Filter the compensation characteristic, it is a kind of ideal compensation harmonic device.The development of the active power filter can be traced back to the earliest at the end of the 1960 s.1969 years B.M.B ird and J.F.M arsh in a paper published, described through to exchange network into three harmonic current and reduce the power of the harmonic current, so as to improve the source current waveform new method.This article appears in the active power filter, though without a word, but its description of the methods of active power filter is the basic thought of the bud.In 1971, H.S asaki and T.M achida in a paper published for the first time, the active power completely describe the basic principle of the filter, but because at that time is using linear amplification method to create the compensation current, the loss is big, high cost, and only in the laboratory research, not in the industry application.In 1976, L.G yu , proposes using PWM control converter consisting of active power filter, and established the active power filter concept, establish

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the active power filter the basic topological structure of the main circuit and control methods.In principle, it is a kind of ideal PWM converter is the compensation current circuit happened, but it was the development of the power electronics level is not high, all-controlling device less power, low frequency, thus active power filter is limited to experiment.In the 80s, along with the power electronic tepower chnology and PWM control technology development, the research of active filter gradually get active, is the electric power electronic technology of research in the field of one of the hotspots.This period is a major breakthrough in 1983 red wood such as Thai people put forward the three-phase circuit is instantaneous reactive power theory, the basis of the theory of harmonic and reactive current detection method in the active power filter been successfully used, greatly promoted the development of the active power filter.At present, the three-phase circuit is instantaneous reactive power theory of active power filter is considered to be one of the main theoretical basis.44

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翻译: 小波变换是针对傅立叶变换的局限性而形成和发展的一种时间—尺度（时间—频率）分析方法，是近年来发展起来的一个崭新的数学工具。傅立叶变换所得到的频域信息是信号在整个时域的平均，从而无法给出局部时间的频域信息,即不具有时间局部性，而小波变换具有不同于傅立叶变换的特点：(1)自适应分辨分析性；(2)小波变换按频带而不是按频点方式处理频域信急，信号频率的微小波动不会对处理产生很大影响，且不要求对信号进行整周期采样；(3)可跟踪时变和暂态信号。小波变换在时域和频域同时具有良好的局部性，而且由于高频段采用逐渐精细的时频步长，可以聚焦到分析对象的信息细节，因此小波变换对信号点非常敏感，可以用来对非平稳的暂态信号的谐波进行跟踪检测，准确的定位暂态与时变信号，这也是目前小波变换在电力谐波检测方面最成功的应用。

小波变换首先由法国地球物理学家Mallat于20世纪80年代初在分析地球物理信号时提出。1987 年 Mallat 巧妙地将计算机视觉领域的多分辨分析的思想引入到小波函数的构造及信号的小波分解与重构，得到了离散小波变换的快速算法——Mallat 算法。它的出现促使小波变换走向工程应用。而小波理论引入电力系统的研究最早是在 1993 年。1994 年，Ribeiro PF 首先提出小波变换是分析电力系统非平稳谐波畸变的新工具。

小波变换具有多分辨率分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，既适合于平稳信号，也适合于分析非平稳信号。利用离散小波变换可以将信号分解到各个尺度（频带）上。

有源电力滤波器的发展史：

有源电力滤波器(Active Power Filter，缩写为APF)也是一种电力电子装置，它是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。

有源电力滤波器的发展最早可以追溯到上世纪60年代末。1969年

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B.M.Bird和J.F.Marsh发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流和减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。该文中虽未出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。

1971年，H.Sasaki和T.Machida发表的论文中，首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中应用。

1976年，L.Gyu等人提出了采用PWM控制变流器构成的有源电力滤波器，确立了有源电力滤波器(”F)的概念，确立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子的发展水平还不高，全控型器件功率少，频率低，因而有源电力滤波器仅限于实验研究。

进入80年代，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破是1983年赤木泰文等人提出了三相电路瞬时无功功率理论，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展。目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器的主要理论基础之一。

第二篇：网络通信系统风险分析与应对措施研究-小论文

网络通信系统风险分析与应对措施研究

（作者姓名：XXX，XXX）

（作者单位：XXXXXXX）

摘要：随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，现代社会已经步入信息时代，网络通信系统已经深入社会发展各个领域。由于网络通信系统的重要性和开放性，使得网络通信系统存在较大的风险，例如：系统脆弱性、网络通信协议漏洞、人为破坏等。如果利用存在风险进行恶意破外，往往会造成较为严重的破坏和信息泄露。针对网络通信系统中常见的风险问题，对网络通信系统中的风险进行评估，提出了风险应对措施，为进一步研究通信网络抗风险能力提供基础。

关键词：通信系统，风险分析，应对措施 中文分类号：TPXXX 文献标识码：X [作者简介]：作者姓名(出生年-)，性别，民族，籍贯，职称，最高学历。主要研究方向：×××。

[基金项目]：

Risk Analysis and Strategy Research of Communication

System Abstract：with the continuous development of computer technology and network communication technology，modern society has entered the information age，the network communication system has gone deep into every field of social development.Due to the importance of network communication system and open，so the network communication system，there is a big risk，for example：the system vulnerability and network communication protocol vulnerabilities，vandalism.If the use of the existence of the risk of malicious broken，often caused serious damage and leakage of information.Aiming at the risk problem in network communication system common，to assess the risks in network communication system，put forward the risk response measures，which provides the basis for further study on the anti-risk ability of communication network.Key Words：Communication system，risk analysis，Strategy research 引言

随着计算机技术和网络信息化进程的推进和深入，网络通信系统的各行各业中被广泛应用，也标志着现代社会完全进入和信息时代。在日常生活中，网络通信系统变得越来越重要，但是由于网络通信系统的开放性和不完备性再加上网络通信系统组件本身存在的脆弱性和设计上的缺陷等客观因素，所以不可避免的存在一些风险，例如硬件运行风险、软件漏洞、人为破坏等，与此同时，一些恶意破坏、非法访问、用户操作不当等都会造成信息泄露、系统破坏等，会对网络通信系统产生较大的安全威胁。本文通过对各种风险因素进行详细分析和研究，提出有针对性的防护措施和整改措施，用以防范安全威胁或者能够在风险发生时将风险损失控制在可接受水平，从而最大限度的保证网络通信系统的安全性和健壮性。

本文主要分为五部分，第一部分为绪论，主要对全文主要内容进行总体论述；第二部分为网络通信系统风险分析，主要论述分析现有网络系统中存在的系统风险，主要分为组件风险、物理风险、系统风险、操作风险、外部风险等；第三部分为风险评估模块设计，主要包含四部分内容，分别是系统初始化模块、数据输入模块、系统评估模块、结果显示模块；第五部分为结论，主要对全文内容进行总结分析。2 网络通信系统风险分析

网络通信系统是网络技术与计算技术相结合的新型通信技术，主要用于满足数据传输与通信的需求。网络通信系统能够将不同数据、终端连接起来形成一个共享数据的网络。对于网络通信系统来说，潜在的危险是普遍存在的，主要原因是网络通信系统的开放性和不完备性，以及网络通信系统组件本身存在的脆弱性和设计上的缺陷等客观因素。网络通信系统组件的脆弱性是风险的直接来源；与此同时，在网络通信系统的运行中，攻击和非法操作也是普遍存在，管理不规范也会造成较为严重的损失。随着网络技术的发展和网络系统的普及，一旦此类风险变成灾害和威胁发生，对社会和国家都会造成较为严重的损失，产生不良影响。

基本风险分类如下：

网络通信系统风险组件风险物理风险系统风险操作风险管理规范缺失外部风险硬件软件自然灾害系统运行环境软件设计缺陷病毒员工误操作外部攻击信息外泄

图 1 网络通信系统分类示意图

（1）组件风险

硬件风险：硬件组件的安全隐患多来源于网络通信系统的设计，主要表现在物理安全方面的问题，由于是固有硬件原因，采用软件程序处理方法的效果不大，应在管理上强化人工采取弥补措施。因此，在选购硬件和自制硬件时，应尽可能的消除或有效减少这类安全隐患的发生率。

软件组件：软件组件的安全隐患主要来源于软件工程和设计中的问题，在对软件设计时，不慎的疏忽可能导致安全漏洞的产生，设计时软件过大过长或是不必要的功能，都可能导致软件组件的安全脆弱性，软件设计不按照网络通信系统安全等级要求操作设计时，导致软件的安全等级不能达到标准。软件组件可分为应用平台软件、操作平台软件和应用业务软件三种，这三类软件的组件体系是以层次结构构成。应用平台软件划分处于中间层次，运行的支持和管理应用业务的软件是在操作平台支撑下运行。

（2）物理风险：雷击、地震和台风等自然灾难；同时，还有一些温度的原因，例如高低温、多雨等原因导致的温度和湿度异常，供电系统故障。还表现在线路上，线路原因会导致通信线路损坏和传输质量下降。存储介质在使用时，过长或质量不合格等因素导致不可用；网络设备和系统设备在使用时间过长或质量问题的情况下也会导致硬件故障；有时候攻击者利用非法手段进入机房内部盗窃、破坏，攻击者利用工具捕捉电磁泄漏的信号，导致信息泄露等。

（3）系统威胁与风险。由于系统软件、应用软件过度使用内存、设计缺陷导致数据丢失或运行中断、攻击者利用各种工具获取身份鉴别数据，并对鉴别数据进行分析和解剖，获得鉴别信息，未授权访问网络、系统，或非法使用应用软件、文件和数据等。

（4）操作风险：由于内部员工误操作或者管理规范缺失等因素会造成系统存在较大的风险。

（5）外部风险，主要包括外部攻击、信息泄露等。网络设计不合理、内部人员未授 权接入外部网络、设施、通信线路等因素使得攻击者利用网络扩散病毒、内部人员下载、拷贝软件或文件，打开可疑邮件时引入病毒、授权用户对系统错误配置或更改、攻击者利用通过恶意代码或木马程序，对网络、操作系统或应用系统进行攻击等。3 风险评估模块设计

网络通信系统中存在潜在的风险，存在造成损失和影响的隐患。由于风险可以按照不同的标准和等级进行评估，所以可以通过不同标准之间的相互搭配，可以从不同的角度和范围对系统的风险进行评估。根据设计思路，本文初步设计了一个网络通信系统风险评估系统模型。主要分为4部分：系统初始化模块、数据输入模块、系统评估模块、结果显示模块。基本设计思路如下：

系统初始化模块风险评估系统数据输入模块图 2 风险评估系统设计框图

系统评估模块结果显示模块 各个子模块的功能简述如下。

（1）系统初始化模块：测试网络开始之前设定网络拓扑结构、流量类型、服务种类以及各种威胁和漏洞等基本参数；根据系统设置，从网络脆性指标集中选择合适的评估指标参与本次评估。通过分析各相关因素之间的关联程度，从网络的所有脆性指标中选取对本次评估影响显著的指标集，有效避免了人工因素的干预；设置各评价指标所占权重，可以人工设置，可以通过建立评价指标评判矩阵，本系统采用层次分析法逐层计算得出。

（2）数据输入子模块：从测试网络采集各项评价指标数据，系统网络信息的抽取可以通过客户访谈、工具扫描、渗透测试、文档信息挖掘等多种方法。脆性事件的影响因素包括事件脆弱点和硬件缺陷、系统软件漏洞、应用软件漏洞、协议漏洞、管理漏洞等。

（3）综合评估子模块：根据得到的各项评估指标数据以及崩溃系数空间，计算系统的信息脆性风险熵，反映系统的脆性风险的总体预测和把握的能力。最后根据测试网络系统的脆性度情况，可以得出网络通信系统崩溃的程度。

（4）结果输出子模块：以表格、图形和文档的形式输出评估分析结果。4 应对措施分析

按照层层防护的思想，网络通信系统由具有相同或不同等级的子系统构成，各子系统均需要实现安全域内部安全、安全域边界安全及安全域互联安全。不同的安全等级要求具有不同的基本安全保护能力，实现基本安全保护能力将通过选用合适的安全措施或安全控制来保证。

（1）物理防护措施。机房和办公场所物理位置要远离人造和自然灾害多发的地方；机房出入设置门禁系统；配备机房专用空调和UPS设备等。

（2）边界防护措施。部署防病毒网关、防拒绝服务攻击、防火墙、防垃圾邮件、非法外联监控、VPN等边界防御专用设备。

（3）监控检测措施。部署防间谍、网站防篡改、网络入侵检测、主机入侵检测、安全审计等专用系统。

（4）应急恢复系统。利用备份管理软件对各种开放平台数据实现在线备份。（5）安全管理机构。设立信息安全管理工作的职能部门，设立安全主管人、安全管理各个方面的负责人，定义各负责人的职责；制定文件明确安全管理机构各个部门和岗位的职责、分工和技能要求。

（6）安全管理制度。制定信息安全工作的总体方针、政策性文件和安全策略等，说明机构安全工作的总体目标、范围、方针、原则、责任等；对安全管理活动中的各类管理内容建立安全管理制度，以规范安全管理活动，约束人员的行为方式；对要求管理人员或操作人员执行的日常管理操作，建立操作规程，以规范操作行为，防止操作失误。

（7）人员安全管理。签署保密协议；对从事关键岗位的人员应签署岗位安全协议；关键岗位的人员调离应按照机要人员的有关管理办法进行。制定安全教育和培训计划，对信息安全基础知识、岗位操作规程等进行培训。

（8）系统管理。明确系统定级与备案，确保使用国家规定的安全产品；软件开发环境与实际运行环境物理分开。结论

在日常生活中，网络通信系统变得越来越重要，但是由于网络通信系统的开放性和不完备性再加上网络通信系统组件本身存在的脆弱性和设计上的缺陷等客观因素，所以不可避免的存在一些风险。本文通过对各种风险因素进行详细分析和研究，提出有针对性的防护措施和整改措施，用以防范安全威胁或者能够在风险发生时将风险损失控制在可接受水平，从而最大限度的保证网络通信系统的安全性和健壮性。

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第三篇：《RTO系统安全事故分析与对应措施》

RTO系统安全事故分析与对应措施

RTO系统在VOC治理领域的应用日益广泛，但爆炸事故频发。因缺乏公开的事故调查报告，同类事故时有发生，令人心痛。

1、事故概况

安徽某制药厂于2019年6月15日17：00临时停产，停产后RTO系统按规程停机。该厂于次日8：00投料复产，RTO系统同时开机并升温，此时旁通阀开启、废气导入阀关闭，废气经RTO系统旁路净化系统处理达标后高空排放；RTO炉经吹扫并加热至800℃后，旁通阀关闭，废气导入阀开启，废气进入RTO炉，系统压力、温度等一切正常。废气导入2h后（11：00）RTO系统发生爆炸，爆炸声前后两次，间隔时间较短，一处位于RTO炉及相邻风机，另一处位于系统前端废气收集管道。事故导致RTO炉右侧蓄热室钢结构、保温棉、蓄热陶瓷和RTO炉近端的引风机、风管严重损坏，较远端风管脱落，并引燃周边干燥物，无人员伤亡。

2、事故原因分析

VOCs作为可燃物，能够与氧气在一定的浓度范围（爆炸浓度的上、下限之间和爆炸上限以上）形成预混气，遇到点火源（明火、电火花、静电火花、高热物等）会发生爆炸或燃烧，并释放大量的热和气体。

根据爆炸三要素：可燃物、助燃物和点火源进行排查分析。

2.1可燃物

该制药厂进入RTO系统的废气主要来源于生产车间、罐区、污水站、固废仓库、原料仓库以及风管（积液长期未排，积液挥发）等，废气主要成分为甲醇、乙醇和甲苯等，这些VOCs均为可燃性气体（可燃物）。

由于RTO系统运行1.5h后才发生安全事故，风管内应无淤积废气；罐区废气采用集气罩方式收集，事发前无装卸料过程，不能形成达到爆炸极限的预混气；污水站、固废仓库、原料仓库等区域VOCs挥发量很小，事发前无大宗化学品或危废泄漏，也不具备形成达到爆炸极限的预混气。

事故后排查车间生产装置时发现，某蒸馏釜有残存甲醇，该釜蒸汽阀未完全关闭，使该釜一直处于被加热状态。因此，该次事故达到爆炸极限的可燃物主要来源于甲醇蒸馏釜。

2.2

助燃物

RTO系统运行时助燃风机会向氧化室鼓入大量空气（氧气），但RTO炉氧化室事故后仍完好无损，说明氧化室未发生爆炸，助燃物非来自助燃风机；而各生产车间、罐区等采用集气罩收集的废气，以及污水站、固废仓库、原料仓库的通风换气，这些废气中混有大量的空气（氧气），为该起事故提供了助燃物。

2.3点火源

（1）明火：当进入RTO炉内的废气氧化放热不足以维持氧化室的设定温度时，位于氧化室内的燃烧器会自动补入天然气并点火升温。事故后打开炉体发现RTO氧化室完好无损，并未发生爆炸，可排除明火为该起事故的点火源。

（2）电火花：位于氧化室内的燃烧器采用了电火花点火器，但氧化室未发生爆炸，也排除了电火花因素。

（3）静电火花：该厂废气输送管道及风机均未采用可导静电材质，废气高速流通与管壁摩擦及风机叶轮高速转动极易形成静电且静电无法导出，但废气输送管道和风机位于RTO炉前端，达到爆炸极限的预混气遇到静电后即可发生爆炸，而远端管道在事故中仅是脱落，损坏程度低；且风机爆炸后不会将预混气输送至RTO炉内。因此，可排除静电火花因素，同时说明风机和管道不是第一起爆点。

（4）高热物：高热物的温度高于可爆成分的起燃点时可引起爆炸，RTO炉高热物主要为氧化室内表面和蓄热陶瓷。其中氧化室未发生爆炸，可排除氧化室高温表面为本次事故的点火源；事故后打开炉体发现，RTO右侧蓄热室钢结构坍塌、蓄热陶瓷破碎、保温棉脱落，而另外两个蓄热室完好。由此可知，RTO炉右侧蓄热室为第一起爆点，其高温蓄热陶瓷为爆炸事故提供了点火源。

2.4

事故经过还原

2019年6月15日，该制药厂停产时某工人工作疏忽忘记关闭生产车间甲醇蒸馏釜蒸汽阀，且放料不彻底；次日8：00复产时某工人未对岗位装置进行全面检查，在厂区蒸汽总阀开启后，残存釜内的甲醇逐渐升温并沸腾，大量甲醇蒸汽涌入风管后形成达到爆炸极限的预混气；RTO系统未安装实时废气浓度检测仪，废气导入阀无法连锁关闭，预混气进入RTO炉内，在流经RTO炉右侧蓄热室过程中升温至起燃点后发生爆炸，致使RTO炉右侧蓄热室钢结构、蓄热陶瓷和保温棉严重损害；由于RTO系统未安装阻火器，爆燃的废气回火至RTO炉前端的风机和风管，并导致风机爆炸、风管脱落；脱落的风管内仍存在燃烧的废气，进而引燃周边的干燥物。

防范措施

3.1源头消减

（1）减量：强化车间预处理，如将常温循环水改为冷冻盐水，提高冷凝效率；增加吸收类循环液的更换频次，并设置自动加药、排污控制，提高吸收效率等，以减少进入RTO系统中VOCs的总量，从而降低废气达到爆炸的风险。

（2）降浓：储罐呼吸气、冷凝器不凝气等浓度较高，直接接入风管极易形成达到爆炸极限范围的预混气，可通过计算一定温度时某成分饱和蒸气压下的浓度，并将其稀释至爆炸下限（LEL）的25%设计风量；设置缓冲罐并补充新风，确保进入RTO系统的废气浓度低于其25%LEL。

3.2过程预防

（1）导静电：风管、风机等废气输送设备设施在不腐蚀情况下尽量选择刷有石墨涂层的玻璃钢、碳钢或不锈钢材质，并跨接、接地；同时避免直角弯头及弯头处尖角，防止废气输送过程中因摩擦起静电而无法导出。

（2）排积液：废气常因洗涤塔除雾效果不佳或冷却作用而在风管中形成积液，积液中含有VOCs并不断挥发至废气中，存在浓度升高现象，须定期排出。

（3）测浓度：在RTO系统前一定距离设置在线（实时）浓度检测仪，并与RTO系统废气导入阀、应急排空阀连锁控制，距离根据检测仪响应时间确定，当废气浓度超过25%LEL时，废气导入阀关闭，应急排空阀开启，防止高浓废气进入RTO系统。

（4）泄爆：风管每隔一定间距设置泄爆阀，泄爆阀压力低于风管承受应力；RTO系统前置洗涤塔在保证有效使用情况下选用低强度材质制作，以便爆炸发生时及时泄压，减少爆炸损失。

3.3末端把控

（1）双旁通设计：对RTO系统设置冷旁通、热旁通，其中冷旁通与浓度检测仪、废气导入阀、应急排空阀连锁，当浓度超过25%LEL时，废气导入阀关闭，废气无法进入RTO系统；应急排空阀开启，废气经冷旁通处理达标后排放。热旁通与新风阀、温度仪、压力计连锁，当RTO炉内温度、压力异常时，新风阀开启，稀释浓度降温降压，热旁通阀开启，部分高温废气直接从氧化室排出，经混合器降温冷却后排至烟囱，确保RTO系统安全连续运行。

（2）双流场模拟：RTO炉设计时对废气进行气流场和热流场模拟，其中气流场模拟确保RTO炉内无死角，废气能够均匀流畅通过，避免局部湍流或浓度过高；热流场模拟确定陶瓷装填量，选择适宜热回收效率，避免RTO炉蓄热室冷端温度过高，减少安全隐患。

（3）阻火：在RTO炉前端和生产车间后端风管设置阻火器、水封等，防止RTO炉或风管爆炸回火至前端或车间，减少事故损失。

（4）监控：将RTO系统与生产、风管压力计、中级风机、浓度检测仪等连锁控制，并纳入生产管理监控，避免生产与环保脱节。

（5)

安装在线监控系统，设置电控系统操作间。RTO

炉净化处理系统是一项人机高度结合的设备，虽然其自动化程度较高，但必须安排专人进行维护与管理，如RTO

炉在发生爆炸前有机物浓度常会在短时间内迅速升高。此时系统若有人值守则可提前发出预警并采取必要的措施，避免事故的发生；同时对RTO各系统尾气安装TVOC

浓度在线监控系统，为企业管理提供必要的数据支撑。

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END

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第四篇：我国休闲渔业之可行性分析与存在问题及解决措施

青岛农业大学

本 科 生 选 修 课 论 文

论 文 题 目 我国休闲渔业之可行性分析与存在问题及解决措施

学生专业班级财务管理2009级1班

学生姓名（学号）20098005孙晨

指 导 教 师赵玉明

完 成 时 间2010-10-18

我国休闲渔业之可行性分析与存在问题及解决措施

休闲渔业，在发达国家早已形成了一种产业，但在我国还是新兴产业。它在一些经济较为发达的沿海国家和地区迅速崛起，并随着时代的发展，从休闲、娱乐、健身逐渐发展到旅游、观光、餐饮等行业与渔业结合，实现了渔业第一产业与第三产业的结合。它既充实渔业的内容、扩大渔业发展空间，又能为渔民、渔业创造更大的社会、生态和经济效益。

休闲渔业的概念

休闲渔业(LeisureFishing)一词20世纪80年代首先出现在中国台湾，而后在中国大陆得到了普遍认可，现已成为当前国内各地渔业旅游发展的代名词。它是指人们劳逸结合的渔业活动方式。

我国的休闲渔业资源状况

我国是一个陆地大国。内陆水域面积约17.6万km2(相当1760万hm2)，占国土面积(不含海洋)的1.8%。其中主要江、河总面积占内陆水域总面积39%；湖泊总面积占内陆水域总面积42.2%；全国建成的水库8.5万多座．总面积200.5万hm2。自然分布的淡水鱼类有700多种，其中常见重要经济价值的鱼类有50多种。辽阔的水面及丰富的鱼类(其中有许多适于垂钓的肉食性名贵鱼类，如鲈、鳜、鳢、鲶等)，尤其是许多江河、湖泊、水库地处风景秀丽的旅游区为发展内陆休闲渔业提供了便利条件。

我国又是一个海洋大国。拥有300万km2的管辖海域，大陆岸线1.8万多km。岛屿6500多个，其中距离陆缘18.5km以内的近岸无人小岛数以千计，岛屿岸线长达1.4万多km；大陆和岛屿岸线蜿蜒曲折，形成了许多优良港湾，为鱼类繁殖、生长提供优良场所。岛屿自※然环境条件优越，海流畅通，无污染．是建造人工渔礁和发展栽培渔业、养护渔业资源、发展海水养殖业的最佳海域，更适于发展休闲渔业。海洋生物具有多样性,其中鱼类1690多种，经济价值较高的有150多种,我国地处北温带和亚热带,适于休闲旅游的季节较长，尤其是东南沿海适合海上休闲娱乐渔钓时期长达8～9个月。同时我国有“双休日”和“旅游黄金周”，这些都为发展休闲渔业提供了驱动力。

发展休闲渔业的重要意义

休闲渔业的兴起和发展是渔业产业结构调整和实现渔业可持续发展战略的要求，对于发展渔村经济，创造安定团结的渔区环境具有非常重要的意义。

1)有利于渔业产业结构的调整

当前海洋渔业资源日益衰退，我国的渔业作业水域范围受到了很大的限制，渔业产业结构调整势在必行，而发展休闲渔业是渔业产业结构调整的有效思路。休闲渔业起步容易，见效快，它能带动其它相关产业的发展，增加就业机会，还能促进城乡交流及对外开放。

2)有利于对资源的充分利用

我国有众多风景秀丽的江河湖库，黄金海岸，随着近年来旅游市场的不断发展，旅游消费不断提高，沿岸沿海的渔村、渔区已经成为一些城镇居民向往的旅游和休闲之地。这些传统的海水、淡水捕捞渔业生产基地，多座落于依山临水的江河湖海之滨，大多数仍然保留着原始的自然风光和渔村文化，最有条件发展旅游业，有计划的选择有条件的沿海渔区、海岛发展休闲渔业，将有利于促进沿海地区的对外开放，有利于就地消化吸收日益多余的捕捞渔业劳动力，繁荣渔区经济，增加渔民收入，改善渔村环境。

3)有利于其他各行业的发展

休闲渔业通过对渔业资源、环境资源和人力资源的优化配置和合理利用，把现代渔业和休闲、旅游、观光和海洋知识的传授有机地结合起来，实现了第一产业、第二产业和第三产业的相互结合和转移，从而创造出更大的经济效益和社会效益。休闲渔业的发展必将带动其他诸如交通、通讯、旅游等各个行业的发展。

4)有利于提高人民的生活质量

休闲渔业可以丰富旅游活动的内容，以旖旎的自然风光，生动的人文景观，良好的休憩环境而有益于人的身心健康，亦能提高人民的文化素养。参加垂钓活动可以使城市生活绷紧的神经得到放松，锻炼人们的耐力和毅力，陶冶人们的情操，增强身体素质。

制约我国休闲渔业发展的因素

1)渔区自然资源优势问题

不同地区的资源禀赋是经济结构调整的基础。每个地区发展渔业的资源禀赋都不尽相同。具体而言，地理位置(沿海和内陆)，水体特点等各方面都存在一定的甚至是极大的差异，从而导致了不同地区比较优势的差异。在大力发展休闲渔业的今天，不同地区应从实际出发，分析当地发展休闲渔业的可行性，不可盲目发展，应坚持以保护渔业生态环境，发展渔业生产力，优化渔区产业结构，繁荣渔区经济为指导，发挥各地人文自然资源优势，努力建设适应不同层次，不同需求，不同规模，不同类型的休闲渔业基地。

2)资金短缺，投入不足

资金短缺问题一直是阻碍沿岸沿海渔区经济发展的一大重要因素。休闲渔业的发展需要大量的资金支持。资金不足是制约高标准、高品质项目建设的关键问题。长期以来，我国渔业投入资金较少，渔区、渔港基础设施的建设远远不足。在当前转产转业的政策背景下，资金问题更为突出，资金不足，缺口较大现象更加严重。

3)劳动者素质问题

劳动者因素是休闲渔业发展中人的因素，是影响其发展的一个不可忽视的方面。目前，从事休闲渔业的劳动者多是一些专业渔民，他们从传统的捕捞业转移而来，接受文化教育程度偏低，缺乏一定的知识和技能。休闲渔业的发展需要有大批具有一定知识和技术的专业人员，这样可以给游客一定的指导。目前在这一方面尚未有明确的规定，严重影响了休闲渔业的质量水平。

4)思想观念保守，缺乏创新意识

这是目前水利休闲渔业行业中存在的一个较为严重的问题。在纯渔村经济发展的地区，从事渔业的生产者多是世代相传的渔民。让他们从生产性的捕捞业转入到休闲性渔业，在一定时期内还将存在一定的难度。对自身的天然资源优势看不到其潜在的经济效益，不能很好地把握时机，思想不够解放，缺乏与时俱进、大胆改革创新的精神。

我国休闲渔业可持续发展策略

休闲渔业的兴起给渔区经济的发展提供了新的增长点，为当前渔业的发展注入了新的活力。但是，以上情况表明，目前休闲渔业的发展之路仍然是艰难的，休闲渔业的深入发展需要付出更多艰辛的努力。在发展休闲渔业的过程中，要不断完善市场管理机制，形成行之有效的法律、法规，提高执业人员的素质水平：以市场为导向，以提高渔业经济的运行质量和增加渔民收入为目的，加强渔业管

理，改善渔业基础设施，统筹规划，合理布局，使休闲渔业健康持续的发展。针对以上思路，在发展休闲渔业的过程中，要着重加强以下几个方面的管理：

1)发挥当地资源优势，突出特色，形成品牌

水利休闲渔业的发展必须充分利用当地的资源优势，突出特色。在经营上打破单一生产、单一垂钓的简单模式，打破行业、部门和地域界限，冲破传统、陈旧的体系，集中人力、财力、物力创建品牌。如在城市周边的水利旅游风景区利用现有水面资源建成游览、垂钓、休闲、餐饮、住宿、疗养为一体的休闲景区；在离城市较远的水库库区，开展网箱垂钓、驾船、划艇、渔家乐等项目。通过几个高标准、高品位项目的带动，使休闲渔业向着规范化和产业化发展。选择渔业和旅游业相结合的最佳切入点，按长、中、短期规划设计上档次、上规模的项目，形成几个集养殖、观赏、垂钓、餐饮、旅游、住宿、疗养为一体的大型休闲娱乐场所。

2)加强政府支持力度，增加渔业资金投入

在宏观经济政策和微观经济政策方面，政府要将渔业部门的建议置于国家整个经济中去考虑，作好财政和金融保险等方面的工作。第一，建立渔区的转移支付制度。目前已经有相当数量的专业渔民转移到休闲渔业行业，但是为此他们需要大量的资金以从事新的工作，凭借已有的积蓄是远远不够的，建立转移支付制度就是要对纯渔村渔区的财政转移支付，建立鼓励发展休闲渔业的发展基金、专项基金、补助基金等，这些都将有利于渔民开展休闲渔业活动。第二，扩大渔区的公共工程支出项目。目前有条件的渔区已经从事休闲渔业，但都感觉到基础设施建设不足，建设过程中资金短缺，所以，应该增加渔港及辅助设施建设基金，海区渔区通讯设施建设基金，使渔区休闲渔业发展过程中的安全性以及把握市场信息和市场机会的能力增大。第三，实行渔业税费调整和渔民减负政策的落实。渔民在从事渔业活动的过程中，渔船工作、养护以及其他各项管理的费用都非常巨大，渔民负担过大，这也不利于渔民休闲渔业的开展。所以，应该尽快落实有关渔民减负的政策，坚决禁止向渔民的各种乱收费，乱罚款，乱摊派，以有利于休闲渔业的顺利开展。第四，加强金融政策保险方面的工作力度。近年来渔村经济发展缓慢，负债经营的渔民很多，导致银行对渔民商业信贷支持不足的现象增多，同时，由于农村合作基金会的整顿与关停，融资环境更加恶劣，应该加强信

贷支持力度，制定相关政策，促进和规范渔村的融资环境，进一步协调好渔区的商业保险和互助保险，为休闲渔业的发展创造一个良好的金融环境。

3)提高渔业劳动者素质，加强技术培训

休闲渔业是一项新兴的产业，也是一种新的旅游资源，同其他任何产业一样，休闲渔业需要具有一定知识技能的、较高水平的工作人员，然而，现有的从事休闲渔业的工作人员的状况决定了这一新兴产业的发展状况。在执业的人员中，多是世代相传的专业渔民，且老龄化程度较高，其现有知识水平是不能满足休闲渔业的发展要求。因此，对休闲渔业从业人员要进行渔业知识、法律常识、卫生知识、旅游知识、安全防范意识的宣传教育和培训，使从业人员具有良好的素质。休闲渔业起步较晚，它的作用和意义还没有真正得到社会上广泛的认可，要充分利用广播、电视、报纸、杂志等宣传媒体，加大宣传力度，使大家对休闲渔业有更多的了解。积极参加此项有益活动。要推进休闲渔业的发展，保证休闲渔业的质量，就要加强宣传教育，进行人力资本投资，加大其技能培训，提高休闲渔业的安全性，提供给游客更好的服务和指导。

4)解放思想，锐意创新

随着市场竞争日趋激烈，分散的小规模经营方式越来越显露出不足。休闲渔业必须形成规模化生产和组织化经营就必须在更大范围内对生产要素进行优化配置、组合，实行优势互补，以现有的天然资源优势为载体，大力发展招商引资。在新模式上，可借鉴观光农业的方法，在观光渔场中可有计划地进行安排，既有一般的生产养殖种类，也有一些特殊的养殖种类及一些观赏鱼类，栽培一些水生植物，如莲藕、菱角、茭白等，让人们既可观赏，又可以垂钓、买鱼，也可提供一些设施，让大家品尝或者自己动手烹调可口的佳肴，在休闲的过程中体会多种乐趣，增加更多的自然科学知识。

总之，休闲渔业有着巨大的社会效益、经济效益和生态效益。发展这项新产业，有利于解决我国经济转型和产业结构调整过程中出现的一系列问题；有利于培育渔业特色主导产业和优势产业，带动全行业的发展；有利于进一步深化渔业和渔区改革，推进渔业经济制度的创新和市场多元化、全方位的开发。通过大力发展休闲渔业，必将增强我国渔业实力，提高经济活力，增加渔民财力，使之成为培植我国渔业经济的增长点。我国休闲渔业的未来不是梦！

第五篇：工程流体力学实验报告之实验分析与讨论（小编推荐）

工程流体力学实验报告之分析与讨论

实验一 流体静力学实验

实验分析与讨论

1.同一静止液体内的测管水头线是根什么线？

测压管水头指，即静水力学实验仪显示的测管液面至基准面的垂直高度。测压管水头线指测压管液面的连线。实验直接观察可知，同一静止液面的测压管水头线是一根水平线。2.当PB<0时，试根据记录数据，确定水箱内的真空区域。，相应容器的真空区域包括以下三部分：

(1)过测压管2液面作一水平面，由等压面原理知，相对测压管2及水箱内的水体而言，该水平面为等压面，均为大气压强，故该平面以上由密封的水、气所占的空间区域，均为真空区域。

(2)同理，过箱顶小水杯的液面作一水平面，测压管4中，该平面以上的水体亦为真空区域。

(3)在测压管5中，自水面向下深度某一段水柱亦为真空区。这段高度与测压管2液面低于水箱液面的高度相等，亦与测压管4液面高于小水杯液面高度相等。3.若再备一根直尺，试采用另外最简便的方法测定γ0。

最简单的方法，是用直尺分别测量水箱内通大气情况下，管5油水界面至水面和油水界面至油面的垂直高度h和h0，由式，从而求得γ0。

4.如测压管太细，对测压管液面的读数将有何影响？

设被测液体为水，测压管太细，测压管液面因毛细现象而升高，造成测量误差，毛细高度由下式计算

式中，为表面张力系数；为液体的容量；d为测压管的内径；h为毛细升高。常温(t=20℃)的水，=7.28dyn/mm，=0.98dyn/mm。水与玻璃的浸润角很小，可认为cosθ=1.0。于是有

(h、d单 位 为mm)一般来说，当玻璃测压管的内径大于10mm时，毛细影响可略而不计。另外，当水质不洁时，减小，毛细高度亦较净水小；当采用有机玻璃作测压管时，浸润角较大，其h较普通玻璃管小。

如果用同一根测压管测量液体相对压差值，则毛细现象无任何影响。因为测量高、低压强时均有毛细现象，但在计算压差时，互相抵消了。

5.过C点作一水平面，相对管1、2、5及水箱中液体而言，这个水平面是不是等压面？哪一部分液体是同一等压面？

不全是等压面，它仅相对管1、2及水箱中的液体而言，这个水平面才是等压面。因为只有全部具备下列5个条件的平面才是等压面：（1）重力液体；（2）静止；（3）连通；（4）连通介质为同一均质液体；（5）同一水平面。而管5与水箱之间不符合条件（4），因此，相对管5和水箱中的液体而言，该水平面不是等压面。

6.用图1.1装置能演示变液位下的恒定流实验吗？

关闭各通气阀门，开启底阀，放水片刻，可看到有空气由c进入水箱。这时阀门的出流就是变液位下的恒定流。因为由观察可知，测压管1的液面始终与c点同高，表明作用于底阀上的总水头不变，故为恒

定流动。这是由于液位的降低与空气补充使箱体表面真空度的减小处于平衡状态。医学上的点滴注射就是此原理应用的一例，医学上称之为马利奥特容器的变液位下恒定流。

7.该仪器在加气增压后，水箱液面将下降而测压管液面将升高H，实验时，若以P0=0时的水箱液面作为测量基准，试分析加气增压后，实际压强（H+δ）与视在压强H的相对误差值。本仪器测压管内径为0.8cm，箱体内径为20cm。

加压后，水箱液面比基准面下降了，而同时测压管1、2的液面各比基准面升高了H，由水量平衡原理有

则

本实验仪

d=0.8cm, D=20cm, 故

H=0.0032 于是相对误差有

因而可略去不计。

其实，对单根测压管的容器若有D/d10或对两根测压管的容器D/d7时，便可使0.01。

实验二 不可压缩流体恒定流能量方程（伯诺利方程）实验

成果分析及讨论

1.测压管水头线和总水头线的变化趋势有何不同？为什么？

测压管水头线（P-P）沿程可升可降，线坡JP可正可负。而总水头线（E-E）沿程只降不升，线坡J恒为正，即J>0。这是因为水在流动过程中，依据一定边界条件，动能和势能可相互转换。测点5至测点7，管收缩，部分势能转换成动能，测压管水头线降低，Jp>0。测点7至测点9，管渐扩，部分动能又转换成势能，测压管水头线升高，JP<0。而据能量方程E1=E2+hw1-2, hw1-2为损失能量，是不可逆的，即恒有hw1-2>0，故E2恒小于E1，（E-E）线不可能回升。(E-E)线下降的坡度越大，即J越大，表明单位流程上的水头损失越大，如图2.3的渐扩段和阀门等处，表明有较大的局部水头损失存在。2.流量增加，测压管水头线有何变化？为什么？ 有 如 下 二 个 变 化 ：

（1）流量增加，测压管水头线（P-P）总降落趋势更显著。这是因为测压管水头，任一断面起始时的总水头E及管道过流断面面积A为定值时，Q增大，就增大，则必减小。而且随流量的增加阻力损失亦增大，管道任一过水断面上的总水头E相应减小，故的减小更加显著。

（2）测压管水头线（P-P）的起落变化更为显著。因为对于两个不同直径的相应过水断面有

式中为两个断面之间的损失系数。管中水流为紊流时，接近于常数，又管道断面为定值，故Q增大，H亦增大，（P-P）线的起落变化就更为显著。

3.测点2、3和测点10、11的测压管读数分别说明了什么问题？

测点2、3位于均匀流断面（图2.2），测点高差0.7cm，HP=

均为37.1cm（偶有毛细影响相差0.1mm），表明均匀流同断面上，其动水压强按静水压强规律分布。测点10、11在弯管的急变流断面上，测压管水头差为7.3cm，表明急变流断面上离心惯性力对测压管水头影响很大。由于能量方程推导时的限制条件之一是“质量力只有重力”，而在急变流断面上其质量力，除重力外，尚有离心惯性力，故急变流断面不能选作能量方程的计算断面。在绘制总水头线时，测点10、11应舍弃。4.试问避免喉管（测点7）处形成真空有哪几种技术措施？分析改变作用水头（如抬高或降低水箱的水位）对喉管压强的影响情况。

下述几点措施有利于避免喉管（测点7）处真空的形成：（1）减小流量，（2）增大喉管管径，（3）降低相应管线的安装高程，（4）改变水箱中的液位高度。

显然（1）、（2）、（3）都有利于阻止喉管真空的出现，尤其（3）更具有工程实用意义。因为若管系落差不变，单单降低管线位置往往就可完全避免真空。例如可在水箱出口接一下垂90弯管，后接水平段，将喉管的高程降至基准高程0—0，比位能降至零，比压能p/γ得以增大（Z），从而可能避免点7处的真空。至于措施（4）其增压效果是有条件的，现分析如下： 当作用水头增大h时，测点7断面上

值可用能量方程求得。

取基准面及计算断面1、2、3，计算点选在管轴线上（以下水柱单位均为cm）。于是由断面1、2的能量方程（取a2=a3=1）有

(1)因hw1-2可表示成此处c1.2是管段1-2总水头损失系数，式中e、s分别为进口和渐缩局部损失系数。又由连续性方程有

故式（1）可变为

(2)式中可由断面1、3能量方程求得，即

(3)

由此得

(4)代入式(2)有(Z2+P2/γ)随h递增还是递减，可由(Z2+P2/γ)加以判别。因

(5)若1-[(d3/d2)4+c1.2]/(1+c1.3)>0，则断面2上的(Z+p/γ)随h同步递增。反之，则递减。文丘里实验为递减情况，可供空化管设计参考。

在实验报告解答中，d3/d2=1.37/1，Z1=50，Z3=-10，而当h=0时，实验的(Z2+P2/γ)=6，将各值代入式(2)、(3)，可得该管道阻力系数分别为c1.2=1.5，c1.3=5.37。再将其代入式(5)得

表明本实验管道喉管的测压管水头随水箱水位同步升高。但因(Z2+P2/γ)接近于零，故水箱水位的升高对提高喉管的压强（减小负压）效果不显著。变水头实验可证明该结论正确。

5.由毕托管测量显示的总水头线与实测绘制的总水头线一般都有差异，试分析其原因。

与毕托管相连通的测压管有1、6、8、12、14、16和18管，称总压管。总压管液面的连续即为毕托管测量显示的总水头线，其中包含点流速水头。而实际测绘的总水头是以实测的值加断面平均流速水头v2/2g绘制的。据经验资料，对于园管紊流，只有在离管壁约0.12d的位置，其点流速方能代表该断面的平均流速。由于本实验毕托管的探头通常布设在管轴附近，其点流速水头大于断面平均流速水头，所以由毕托管测量显示的总水头线，一般比实际测绘的总水线偏高。

因此，本实验由1、6、8、12、14、16和18管所显示的总水头线一般仅供定性分析与讨论，只有按实验原理与方法测绘总水头线才更准确。

实验三 不可压缩流体恒定流动量定律实验

实验分析与讨论

1、实测β与公认值(β=1.02～1.05)符合与否？如不符合，试分析原因。

实测β=1.035与公认值符合良好。(如不符合，其最大可能原因之一是翼轮不转所致。为排除此故障，可用4B铅笔芯涂抹活塞及活塞套表面。)

2、带翼片的平板在射流作用下获得力矩，这对分析射流冲击无翼片的平板沿x方向的动量力有无影响？为什么？

无影响。

因带翼片的平板垂直于x轴，作用在轴心上的力矩T，是由射流冲击平板是，沿yz平面通过翼片造成动量矩的差所致。即

式中

Q——射流的流量；

Vyz1——入流速度在yz平面上的分速；

Vyz2——出流速度在yz平面上的分速；

α1——入流速度与圆周切线方向的夹角，接近90°；

α2——出流速度与圆周切线方向的夹角；

r1,2——分别为内、外圆半径。

该式表明力矩T恒与x方向垂直，动量矩仅与yz平面上的流速分量有关。也就是说平板上附加翼片后，尽管在射流作用下可获得力矩，但并不会产生x方向的附加力，也不会影响x方向的流速分量。所以x方向的动量方程与平板上设不设翼片无关。

3、通过细导水管的分流，其出流角度与V2相同，试问对以上受力分析有无影响？ 无影响。

当计及该分流影响时，动量方程为

即

该式表明只要出流角度与V1垂直，则x方向的动量方程与设置导水管与否无关。

4、滑动摩擦力为什么可以忽略不记？试用实验来分析验证的大小，记录观察结果。(提示：平衡时，向测压管内加入或取出1mm左右深的水，观察活塞及液位的变化)

因滑动摩擦力<5墸，故可忽略而不计。

如第三次实验，此时hc=19.6cm，当向测压管内注入1mm左右深的水时，活塞所受的静压力增大，约为射流冲击力的5。假如活动摩擦力大于此值，则活塞不会作轴向移动，亦即hc变为9.7cm左右，并保持不变，然而实际上，此时活塞很敏感地作左右移动，自动调整测压管水位直至hc仍恢复到19.6cm为止。这表明活塞和活塞套之间的轴向动摩擦力几乎为零，故可不予考虑。

5、V2x若不为零，会对实验结果带来什么影响？试结合实验步骤7的结果予以说明。

按实验步骤7取下带翼轮的活塞，使射流直接冲击到活塞套内，便可呈现出回流与x方向的夹角α大于90°(其V2x不为零)的水力现象。本实验测得135°，作用于活塞套圆心处的水深hc’=29.2cm，管嘴作用水头H0=29.45cm。而相应水流条件下，在取下带翼轮的活塞前，V2x=0，hc=19.6cm。表明V2x若不为零，对动量立影响甚大。因为V2x不为零，则动量方程变为

(1)就是说hc’随V2及α递增。故实验中hc’> hc。

实际上，hc’随V2及α的变化又受总能头的约束，这是因为由能量方程得

(2)而

所以

从式(2)知，能量转换的损失较小时，实验四 毕托管测速实验

实验分析与讨论

1.利用测压管测量点压强时，为什么要排气？怎样检验排净与否？

毕托管、测压管及其连通管只有充满被测液体，即满足连续条件，才有可能测得真值，否则如果其中夹有气柱，就会使测压失真，从而造成误差。误差值与气柱高度和其位置有关。对于非堵塞性气泡，虽不产生误差，但若不排除，实验过程中很可能变成堵塞性气柱而影响量测精度。检验的方法是毕托管置于静水中，检查分别与毕托管全压孔及静压孔相连通的两根测压管液面是否齐平。如果气体已排净，不管怎样抖动塑料连通管，两测管液面恒齐平。

2.毕托管的动压头h和管嘴上、下游水位差H之间的大关系怎样？为什么？ 由于

且

即

一般毕托管校正系数c=11‰（与仪器制作精度有关）。喇叭型进口的管嘴出流，其中心点的点流速系数=0.9961‰。所以Δh<ΔH。

本实验Δh=21.1cm，ΔH=21.3cm，c=1.000。3.所测的流速系数说明了什么？

若管嘴出流的作用水头为H，流量为Q，管嘴的过水断面积为A，相对管嘴平均流速v，则有

称作管嘴流速系数。

若相对点流速而言，由管嘴出流的某流线的能量方程，可得

式中：为流管在某一流段上的损失系数；为点流速系数。

本实验在管嘴淹没出流的轴心处测得=0.995，表明管嘴轴心处的水流由势能转换为动能的过程中有能量损失，但甚微。

4.据激光测速仪检测，距孔口2－3cm轴心处，其点流速系数为0.996，试问本实验的毕托管精度如何？如何率定毕托管的修正系数c？

若以激光测速仪测得的流速为真值u，则有

而毕托管测得的该点流速为203.46cm/s，则ε=0.2‰ 欲率定毕托管的修正系数，则可令

本例：

5.普朗特毕托管的测速范围为0.2－2m/s，轴向安装偏差要求不应大于10度，试说明原因。（低流速可用倾斜压差计）。

（1）施测流速过大过小都会引起较大的实测误差，当流速u小于0.2m/s时，毕托管测得的压差Δh亦有

若用30倾斜压差计测量此压差值，因倾斜压差计的读数值差Δh为，那么当有0.5mm的判读误差时，流速的相对误差可达6%。而当流速大于2m/s时，由于水流流经毕托管头部时会出现局部分离现象，从而使静压孔测得的压强偏低而造成误差。

（2）同样，若毕托管安装偏差角（α）过大，亦会引起较大的误差。因毕托管测得的流速u是实际流速u在其轴向的分速ucosα，则相应所测流速误差为

α若>10，则

6.为什么在光、声、电技术高度发展的今天，仍然常用毕托管这一传统的流体测速仪器？

毕托管测速原理是能量守恒定律，容易理解。而毕托管经长期应用，不断改进，已十分完善。具有结构简单，使用方便，测量精度高，稳定性好等优点。因而被广泛应用于液、气流的测量（其测量气体的流速可达60m/s）。光、声、电的测速技术及其相关仪器，虽具有瞬时性，灵敏、精度高以及自动化记录等诸多优点，有些优点毕托管是无法达到的。但往往因其机构复杂，使用约束条件多及价格昂贵等因素，从而在应用上受到限制。尤其是传感器与电器在信号接收与放大处理过程中，有否失真，或者随使用时间的长短，环境温度的改变是否飘移等，难以直观判断。致使可靠度难以把握，因而所有光、声、电测速仪器，包括激光测速仪都不得不用专门装置定期率定（有时是利用毕托管作率定）。可以认为至今毕托管测速仍然是最可信，最经济可靠而简便的测速方法。

实验五 雷诺实验

实验分析与讨论

⒈流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？

雷诺在1883年以前的实验中，发现园管流动存在两种流态——层流和紊流，并且存在着层流转化为紊流的临界流速V’，V’与流体的粘性ν及园管的直径d有关，即

（1）

因此从广义上看，V’不能作为流态转变的判据。

为了判别流态，雷诺对不同管径、不同粘性液体作了大量的实验，得出了用无量纲参数（vd/ν）作为管流流态的判据。他不但深刻揭示了流态转变的规律，而且还为后人用无量纲化的方法进行实验研究树立了典范。用无量纲分析的雷列法可得出与雷诺数结果相同的无量纲数。可以认为式（1）的函数关系能用指数的乘积来表示。即

（2）

其中K为某一无量纲系数。式（2）的量纲关系为

（3）

从量纲和谐原理，得

L：2α1+α2=1 T：-α1=-1

联立求解得α1=1，α2=-1 将上述结果，代入式（2），得

或

雷诺实验完成了K值的测定，以及是否为常数的验证。结果得到K=2320。于是，无量纲数vd/ν便成了适应于任何管径，任何牛顿流体的流态转变的判据。由于雷诺的奉献，vd/ν定命为雷诺数。

随着量纲分析理论的完善，利用量纲分析得出无量纲参数，研究多个物理量间的关系，成了现今实验研究的重要手段之一。

⒉为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层流与紊流的判据？实测下临界雷诺数为多少？

根据实验测定，上临界雷诺数实测值在3000～5000范围内，与操作快慢，水箱的紊动度，外界干扰等密切相关。有关学者做了大量实验，有的得12000，有的得20000，有的甚至得40000。实际水流中，干扰总是存在的，故上临界雷诺数为不定值，无实际意义。只有下临界雷诺数才可以作为判别流态的标准。凡水流的雷诺数小于下临界雷诺数者必为层流。一般实测下临界雷诺数为2100左右。

⒊雷诺实验得出的圆管流动下临界雷诺数2320，而目前一般教科书中介绍采用的下临界雷诺数是2000，原因何在？

下临界雷诺数也并非与干扰绝对无关。雷诺实验是在环境的干扰极小，实验前水箱中的水体经长时间的稳定情况下，经反复多次细心量测才得出的。而后人的大量实验很难重复得出雷诺实验的准确数值，通常在2000～2300之间。因此，从工程实用出发，教科书中介绍的园管下临界雷诺数一般是2000。⒋试结合紊动机理实验的观察，分析由层流过渡到紊流的机理何在？

从紊动机理实验的观察可知，异重流（分层流）在剪切流动情况下，分界面由于扰动引发细微波动，并随剪切流速的增大，分界面上的波动增大，波峰变尖，以至于间断面破裂而形成一个个小旋涡。使流体质点产生横向紊动。正如在大风时，海面上波浪滔天，水气混掺的情况一样，这是高速的空气和静止的海水这两种流体的界面上，因剪切流动而引起的界面失稳的波动现象。由于园管层流的流速按抛物线分布，过流断面上的流速梯度较大，而且因壁面上的流速恒为零。相同管径下，如果平均流速越大则梯度越大，即层间的剪切流速越大，于是就容易产生紊动。紊动机理实验所见的波动→破裂→旋涡→质点紊动等一系列现象，便是流态从层流转变为紊流的过程显示。

⒌分析层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面各有何差异？ 层流和紊流在运动学特性和动力学特性方面的差异如下表：

运动学特性:

动力学特性:

层流: 1.质点有律地作分层流动

1.流层间无质量传输

2.断面流速按抛物线分布

2.流层间无动量交换

3.运动要素无脉动现象

3.单位质量的能量损失与流速的一次方成正比

紊流: 1.质点互相混掺作无规则运动

1.流层间有质量传输

2.断面流速按指数规律分布

2.流层间存在动量交换

3.运动要素发生不规则的脉动现象

3.单位质量的能量损失与流速的（1.75～2）次方成正比

实验六 文丘里流量计实验

521实验分析与讨论

⒈本实验中，影响文丘里管流量系数大小的因素有哪些？哪个因素最敏感？对d2=0.7cm的管道而言，若因加工精度影响，误将（d2－0.01）cm值取代上述d2值时，本实验在最大流量下的μ值将变为多少？ 由式

可见本实验（水为流体）的μ值大小与Q、d1、d2、Δh有关。其中d1、d2影响最敏感。本实验中若文氏管d1 =1.4cm，d2=0.71cm，通常在切削加工中d1比d2测量方便，容易掌握好精度，d2不易测量准确，从而不可避免的要引起实验误差。例如当最大流量时μ值为0.976，若d2的误差为－0.01cm，那么μ值将变为1.006，显然不合理。

⒉为什么计算流量Q’与实际流量Q不相等？

因为计算流量Q’是在不考虑水头损失情况下，即按理想液体推导的，而实际流体存在粘性必引起阻力损失，从而减小过流能力，Q

如图6.4所述，⒋试应用量纲分析法，阐明文丘里流量计的水力特性。

运用量纲分析法得到文丘里流量计的流量表达式，然后结合实验成果，便可进一步搞清流量计的量测特性。

对于平置文丘里管，影响ν1的因素有：文氏管进口直径d1，喉径d2、流体的密度ρ、动力粘滞系数μ及两个断面间的压强差ΔP。根据π定理有

从中选取三个基本量，分别为：

共有6个物理量，有3个基本物理量，可得3个无量纲π数，分别为：

根据量纲和谐原理，π1的量纲式为

分别有

L：1=a1+b1-3c1

T：0=-b1 M：0= c1 联解得：a1=1，b1=0，c1=0，则

同理

将各π值代入式（1）得无量纲方程为

或写成

进而可得流量表达式为

（2）

式（2）与不计损失时理论推导得到的

（3）

相似。为计及损失对过流量的影响，实际流量在式（3）中引入流量系数µQ计算，变为

（4）比较（2）、（4）两式可知，流量系数µQ与Re一定有关，又因为式（4）中d2/d1的函数关系并不一定代表了式（2）中函数所应有的关系，故应通过实验搞清µQ与Re、d2/d1的相关性。

通过以上分析，明确了对文丘里流量计流量系数的研究途径，只要搞清它与Re及d2/d1的关系就行了。由实验所得在紊流过渡区的µ（d2/d1为常数），可知µ因恒有μQ～Re关系曲线Q随Re 的增大而增大，<1，故若使实验的Re增大，µQ将渐趋向于某一小于1 的常数。

另外，根据已有的很多实验资料分析，µQ与d1/d2也有关，不同的d1/d2值，可以得到不同的µQ～Re关系曲线，文丘里管通常使d1/d2=2。所以实用上，对特定的文丘里管均需实验率定µQ～Re的关系，或者查用相同管径比时的经验曲线。还有实用上较适宜于被测管道中的雷诺数Re>2×105，使µQ值接近于常数0.98。

流量系数µQ的上述关系，也正反映了文丘里流量计的水力特性。

⒌文氏管喉颈处容易产生真空，允许最大真空度为6～7mH2O。工程中应用文氏管时，应检验其最大真空度是否在允许范围内。据你的实验成果，分析本实验流量计喉颈最大真空值为多少？

本实验若d1= 1.4cm，d2= 0.71cm，以管轴线高程为基准面，以水箱液面和喉道断面分别为1—1和2—2计算断面，立能量方程得

则

> 0

<－52.22cmH2O，而由本实验实测为60.5cmH2O。即实验中最大流量时，文丘里管喉颈处真空度进一步分析可知，若水箱水位高于管轴线4m左右时，实验中文丘里喉颈处的真空度可达7mH2O（参考能量方程实验解答六—4）。