（控制理论与控制工程专业论文）电压波动与闪变的小波分析.pdf

摘要 随着电力系统中太容量冲击负荷的不断增加，配电网中的电压闪变也愈发严 重，因此需要对其进行检测和分析，进而提出具体的治理方案。基于统计评价的 指标只能定量地给出闪变的强弱或严重程度，而无法说明闪变的具体参数特征。 本文首先扼要的介绍了电压波动和闪变现象及其带来的危害，对电压波动和 闪变的定义、特征及其产生原因进行了详细的阐述，然后介绍了电能质鬃的概念 和各种电网主要扰动现象及其带来的危害，介绍了一些国际标准和国家标准。然 后对傅立叶交挟和小波变换两种分析方法的基本数学原理及其在电嘲电压波动 和闪变分析的应用现状作了深入的探讨和比较，阐明了各种方法的特点及其适用 条件和不足之处。从实时监测电压波动和闪变信号的角度出发，研究了基于小波 多分辨率分解和同步信号相干检测检波的更为有效的电压闪变分析方法，利用小 波变换的多分辨率分析方法，对电压闪变信号进行了检波与分解，提取出电压波 动信号的频率和幅值，从而得到反映电压闪变的参数。 本文通过b i a t l a b 仿真研究得到了一些有益结论，最后还研究了基于a r m 7 的 电压闵交监测装鬓的设计。仿真表明，小波变换分析方法是一种有效的电压闪变 分析方法。 荚键词：电压波动；电压闪变；小波变换；多分辨率分析 河海大学硕士学位论文 w i mt h er a p i di n c r e a o fp o r t i o no fl a r g ec a p a c i t ya r ef u r n b c el o a di np o w e r s y s t e r u s ，v o l t a g en i c k e rh a sb e c o m eam o r es e r i o u sp r o b l e m i no r d e rt of i n d s o l u t i o n st ot h i sp r o b l e m ，c a r e f u la n a l y s i sa n de x a m i n a t i o no fb o r a g ef l i c k e ra 糟 n e e d e d n l ei n d i c e sb a s e do nt h es t a t i s t i c a la s s e s s i n gc a l lo n l yo f f e rt h eq u a n t i f i e d s e r i o u s n e s s t h e ya r en o tb ea b l et os h o wt h ef e a t u r e so f t h ef l i c k e r t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eh a r mt h a tt h ef l i c k e ro fv o l t a g e t h e ni tf o c u s e so n t h ed e f i n i t i o n ，t h ef e a t u r e sa n dt h eo c c u r r i n gr p 4 l s o r so ft h ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n d f l i c k e r i ta l s oi n n o d u c e st h eq u a l i t ys t a n d a r d so f e l e c t r i c a le n e r g yb o t hi no u tc o u n t r y a n di n t h ew o r l d a n di n t r o d u c e st h e 删畸p h e n o m e n o no fe l e c t r i c a le n e r g ya n dt h e v a r i o u sq u a l i f i e so fe l e c t r i c a le n e r g yb r i n g t h e ni tm o v e so i lt oe x p l o r ea n dc o m p a r e d e e p l yt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ef l o u r i e rt r a n s f o r ma n dw a v e l e tt r a n s f o r ma n a l y s i s m e t h o d ，a n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o no f t h eq u a l i t ya n a l y s i so f e l e c t r i c a le n e r g y i ta l s o e x p l a i n st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h er e q u i r e m e n t sn e e d e da n dt h es h o r t c o m i n go ft h e s e m e t h o d 8 ，f i n a l l y ，f r o mt h ea n g l eo f t h er e a l - t i m ei u s p e c t i o no f t h ef l i c k e rs i g l l a la n d t h ev o l t a g ef l u c t u a t i o n ，i tp u t sf o r w a r dt h em o r ee f f e c t i v ev o l t a g ef l i c k e ra n a l y s i s m e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h em u l t i - r e s o l u f i o na n a l y s i so fw a v e l e td e c o m p o s i n ga n d t h es y n c h r o n o u ss i g n a l n 璋p a p e rg e ts o m ev a l u r a b l ec o n c l u s i o n sb y r e a l a be m u l a t i o n l a s t l y 。t h ep a p e ra l s or e s e a r c ht h et h et e s te q u m i p m e mb a s e do na r m 7 m g n 曲 e m u l a t i o np r o v e st h a tw a v e l e tt r a n s f o r mi sak i n do fe f f e c t i v ev o l t a g ef l i c k e ra n a l y s i s m e t h o d k e yw o r d s ：v o l t a g ef l u c t u a t i o n ，v o l t a g ef l i c k e r ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，m u l t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 6 年弓月坊日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电予杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年己月赧日 第一章电压被动和闪变 1 1 研究背景“1 印 第一章电压波动和闪变 电压闪变问题是7 0 年代以来国际电力系统较多的研究课题之一。电篮闪变 实际上是电压波动的一种特殊反映。所谓“闪变( f l i c k e r ) ”其本意是指由于电 光源供电电压小幅度的快速变化导致电光源输出照度( 或亮度) 的闪烁对人眼所 产生的不良刺激的一些现象。目前闪变一词的含义已l 经得至拓宽，也包含了电源 电压的变化对一些敏感设备所产生的不良影响。公共供电点的电压波动，会引起 人眼对灯光闪烁感觉的不适，人眼这种主观感觉，称为闪变。由自炽灯将电压波 动变成灯亮的闪烁，当亮度闪烁超过一定值时。即变成有感觉的闪变，其感觉度 的大小主要决定于亮度闪烁的幅度和频率。当这个感觉度不断增加时，人们感到 厌烦和疲倦。荚、美、法、德、日、俄等国都先后对大量的人群进行了人眼对闪 变的感觉试验。得到的一致结论，认为：0 , 0 1 h z 3 0 h z 的电医波动对人跟视觉 均产生影响，而且波动频率不同，其影响程度也不同。 电压波动和闪变主要是由于冲击性功率的电力负荷设备( 如冶炼电弧炉、轧 钢机、电气机车、电弧焊机等) 在运行过程中有功功率和无功功率的大幅度变动 引起的，它妨害其它电力用户的正常用电。构成了电力公害。这些负荷的特点是： 有功功率和无功功率随机地或周期性地丈幅度波动；允许工作中功率因数较低； 产生大量的谐波l 有的负荷三相严重不对称。随着大工业的发展，冲击性负荷的 功率不断增大，达到几万甚至十几万千瓦，尽管电力系统也在发展，但是这些冲 击性负荷在电网的局部地区或小系统中仍然会对电能质量造成不可忽视的影响。 另外，随着科学技术的发展与新工艺的采用，计算机、电子仪器控制设备的广泛 使用以及电视机的普及等，这些都对电能质爨提出了越来越严格的要求。因此， 研究电压波动与闪变、积极采取措施保证电能质量已经成为当前供用电的一项重 要任务。 电压波动和闪变常常会引起许多电工设备不能正常工作，其危害表现在： 1 ) 使电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度振动； 2 ) 引起车间、工作室和生活居室灯场所的照明灯光闪烁，使人的视觉易于 1 河海大学硕士学位论文 疲劳甚至难以忍受而产生烦躁情绪，影响工作效率和生活质量； 3 ) 造成对直接与交流电源相连的电动机的转速不稳定，时而加速时而制动， 由此可能影响产品质量，_ 严重时危及设备本身安全运行。例如，对于造纸业、丝 制业和精加工机床制品等行业，如果再生产运行时发生电压波动甚至会使产品报 废等； 4 ) 使硅整流器的出力波动，导致换流失败等； 5 澈电子仪器设备( 如示波器) 、计算机、自动控制设备工作不正常； 6 ) 影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果； 顺便指出，波动性负荷除了会产生以上总结的闪变危害之外，由于自身的 工作特点所决定，还会产生大量的谐波，并且由于其三相严重不对称带来的负序 分量，同样会危及供电系统的安全稳定运行。 一般来说，对电子计算机和控制设备不需要特别关注，因为它们的容量小并 能在相对耗资不大的条件下加设抗干扰设施。日光灯和电视机等设备对电压波动 的敏感程度远低于白炽灯，而几乎每个建筑的照明都装有大量的白炽灯，如果电 压波动的大小不足以引起自炽灯闪变，则可以肯定不会使电视机和日光灯等工作 状况异常。为此选自炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。尽管广 义的闪变包括电压波动的全部有害作用，但是不能以电压波动来代替闪变，因为 闪交是人对照度波动的主观视觉感受。 为了控制电压波动和闪变的危害，1 9 9 0 年我国技术监督局发布了国际电 能质量中电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 9 0 ) 。该标准实施以来，对于控制电 网的电压波动和闪变起到了十分重要的作用，推动了电压波动和闪变治理工程的 开发、实施以及相关仪器的研制工作。历年来，在贯彻标准中积累了相当钓经验， 同时也发现了原来标准中存在的一些问题。例如标准中缺乏对干扰源指标的预测 计算以及分配办法l 标准中的“闪变”指标是基于日本的1 0 h z 等效闪变值( ) 制定的。日本的照明电压为1 0 0 v ，而我国照明电压为2 2 0 v ，和欧洲国家接近， 这些国家都用国际电工委员会( i e c ) 标准，i e c 标准中用短时间闪变值( p s t ) 和长时间闪变值( p i t ) 来衡量“闪变”，其准确性和使用的广泛性都优于k 。 2 0 0 0 年1 2 月1 日起实施的国际电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) ， 此标准是g b l 2 3 2 6 9 0 的修订版，主要参考了i e c 6 1 0 0 0 3 7 ( 即国家指导性标 2 第一章电压波动和内变 准o b z 1 7 6 2 5 5 一- - 2 0 0 0 ) 等标准，这是国家标准与国际标准的发展趋势棚统一。 该标准适用于电力系统正常运行方式情况下，由波动负荷引起的公共连接点的电 压的快速变动及由此可能引起人对灯光闪烁明聂感觉的场合，标准规定了电压波 动和闪变的限值以及测试、计算和评估方法。 随着与国外大型冶金、电力设备等方面的合作技术的增加，对国家标准与国 际标准接轨的要求越来越明显，有必要研究关于电压波动和闪变的国际标准及其 与标准相关的测量方法。i e c 推荐的闪变检测方法是以模拟方式进行规定的，由 于被测信号的动态范围较大，模拟技术对电路要求较高，而用数字技术则没有这 类问题的发生，并能保证有足够的精度，并且系统函数容易改变，因此在对新标 准下韵数字式闪变检测方法进行研究势在必行。 1 2 研究的现状埔啪1 1 2 1 检测技术的现状 目前国内外已有的闪变仪有英国e r a 表、法国的e d f 表、德国的f g h 表、 日本的k 。表、瑞士的m e f p 表、我国的v f 一9 1 0 1 表等。众所周知，由于供电 电压变化引起的闪交是人眼对灯闲的主观感觉，因此闪变测量仪应能模拟“灯一 眼一脑”链对电压波动的反应，故绝大多数闪变仪均有“视感度滤波”环节( 即 反映人眼对不同频率波动的敏感度修正环节) ，但是英国1 9 6 0 年研制的e l 淞测 量仪比较独特，它是根据技术规范p 7 2 ( 电弧炉供电) 关于电压闪变定义而研 制的。并没有“视感度滤波”环节，因此只能用于测量电弧炉引起的闪变。1 9 7 3 年，西德高压技术研究协会( f o h ) 开发一种闪变测量仪，一直使用至今。其原 理是用一个信号传感器，将电压的波动，按照人眼对闪变的觉察程度，转换为一 个输出信号。该仪器主要由白炽灯和滤波器电路两个部分组成。其滤波器用于把 灯光闪烁转换为人暇对闪度的感觉相适应的测量电压。但是，该仪器还不是完全 按照7 0 年代末提出的心理物理学的闪变感知模型设计的。到了七十年代末期， 才出现了按照人眼闪变感知模型设计的u i e 闪变仪和其他类型的闵交测量仪。 日本电力中央研究所产生的a v , 。闪变仪，实际上是一种模拟式闪交仪。其工作原 理是将供电电压的各个周期的有效值转换为直流电压。用波动检测回路检测电压 河海大学硕士学位论文 波动值，接着乘上视感度系数，进行一分钟的累积，计算k 。的值。日本研制的 表大多数为模拟式的，但是已有视感度环节。国际电热协会为了统一国际上 闪变测试与评价标准，从1 9 7 9 年开始，对电压闪变的测试与评价方法做了深入 而系统的研究，并在各国原有闪变仪的基础上，同国际电工委员会提出了“闪变 仪的功能及设计技术条件”以及“闪变估计的统计方法及闪变严重度的短时与长 时评价方法”。 我国1 9 9 0 年国家技术监督局发布了国标g b l 2 3 2 6 - - 9 0 ，标准中采用x v l 0 值来评定闪变的严重度，规定的允许值和对测试仪器的性能指标要求均参照日本 闪变的标准。根据这个标准，国内生产了v f f l 型闪变仪，实际上这不符合我 国照明电压2 2 0 v 的现状，日本的标准是以l o o v ，6 0 w 白炽灯条件下试验统计 的结果上建立起来的。另外，由模拟电路和单片机系统相结合国内还开发了v f - - 9 1 0 1 闪变测量仪。为与国际标准相统一，2 0 0 0 年1 2 月1 日起我国参考了i e c 标准实施新标准电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) ，但是根据所查 文献看，依据新标准设计的数字式闪变测最装置目前国内很少。 由于电压波动是电压有效值的快速变动，它的波形是工频电压的调幅波。因 此，闪变测试首先是通过检波的方法，将波动信号从工频电压中分离出来。目前 国内外普遍采用三种波动电压检出方案，即半波有效值法、平方解调法和全波整 流检波法，另外随藿小波分析的应用，还提出了小波分解和同步检波法。半波有 效值法是利用单片r m s d c 变换器( 如a d 5 3 6 ) 将波动的输入交流电压变换成 脉动的直流电压再经过解调滤波器后获得波动信号。r m s d c 变换器的输出的直 流电压值为输入交流电压的方均根值，其脉动成分即反映了输入电压方均根值的 变化。我国生产的v f - - 9 1 0 1 型闪变仪采用这个方案。平方解调法的基本检出原 理是将输入电压进行平方运算后，经过解调滤波器便可获得波动信号。平方运算 通常采用单片集成模拟乘法器( 如a d 5 3 2 ) 完成。日本k 。表和国际电工委员 会推荐的u i e 闪变仪采用了这种方法。全波整流检波法的基本原理是将输入交 流电压v ( t ) 全波整流即进行绝对值运算后再经过解调滤波器后便获得波动信号。 英国e r a 表和法国的e d f 表等闪变仪采用了这种方法。 随着标准的统一，电压闪变测量方法和仪器结构方面达到以下共识： 4 第一章电压波动和闲变 ( 1 ) 电压闪交是由电网电压的波动引起的，电网电压半周波方均根值的包 络线波形称为波动电篮，通过检测波动电压的大小可反映闪交的严重度。 ( 2 ) 不同频度的电压方均根值的变化，对人一眼一脑产生的刺激不同。引 起闪变的波动电压频率范围为0 0 1 3 0 h z ，不同波动频率下闪变严重度的相对值 用视感度系数表示。 ( 3 ) 考虑到人一跟一脑的反应过程，闪变评价值易用一段时间内经过视感 度系数加权后的波动电压的统计值表示。 蒸本上，闪交测量仪是由输入电压、反应灯光一人眼一大脑视觉的加权滤波 器和统计处理系统组成的，最后按短期闪变瞬时值大小进行分级以便获得一个累 计概率( c p f ) ，观测时c p f 的值可以计算短期闪交强度p s t ，以评价电能质鼍。 研究指出。对于采用2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯照明，当p s t 1 3 时，则闪变使人感到不舒服；所以i e c 推荐p s t - - - - - l 作为低压供 电的闪变限值。 1 2 2 电能质量分析理论的现状 电能质量的分析技术实际上就是对电力系统各种信号( 如电压、电流等) 进 行分析处理。傅立咔( f o u r i e r ) 变换作为经典的信号处理手段在电能质量分析领 域中，得到了广泛的应用。但是，由于傅立叶变换是时域到频域互相转换的工具， 从物理意义上来说，傅立叶变换的实质时把v ) 这个波形分解成许多不同频率的 正弦波的叠加和。这样就可以把对原函数f ( t ) 的研究转化为对其权系数即傅立叶 交换f 油) 的研究。从傅立叶变换中可以看出，这些标准基是由正弦波及其高次 谐波组成的，因此它能在频域内实现局部化的。最然傅立时变换能够将信号的时 域特征和频域特征联系起来，能分别从时域和频域内对信号进行观察，但是不能 把两者有机结合起来。这是因为信号的时域波形中不包含任何的频域信息，雨其 傅立叶变换中频谱是信号的频域特性。从其表达式中可以看出，它是整个时域内 的积分，没有局部化分析信号的功能，完全不具备时域信息。也就是说，对于傅 立叶频谱中的某一个频率，不知道这个频率是什么时候产生的。这样，在信号分 析中就面临一对最基本的矛盾：时域和频域的局部化矛盾。因此，不能有效的对 各种暂态电能扰动的时频特性进行分析。 河海大学硕士学位论文 另外，在运用f f t 时，必须满足以下条件： ( 1 ) 满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上； ( 2 ) 被分析的波形必须是稳态的、随着时间周期变化的。 当采样频率或信号不能满足上述条件时，利用f f t 分析就会产生“频谱泄 漏”和“频谱混叠”现象，给分析带来了误差。此外，对于一些非平稳信号，例 如电能质量领域中的电压暂降等问题，由于信号在任一时刻附近的频域特征都很 重要，且信号在局部有突变，对它们仅从时域或频域上分析是不够的，因此它们 不适合用傅立叶变换来进行分析。这是由于f f t 变换是对整个时间段的积分， 时间信息得不到充分利用，且信号若是有任何突变量。其频谱将散布整个频带。 面对这些问题，人们在小波研究得到发展的同时，将小波变换的方法用于电能质 量的分析中。 为了分析电能质量问题，并为采取合理的措施提高电能质量提供依据，对电 能质量扰动检测是首先要解决的问题。小波变换的出现为电能质量分析提供了新 的数学工具和研究方向。小波变换是一种信号的时间和频率分析方法，它具有多 分辨率分析( m u l t i - r e s o l u t i o n - a n a l y s i s ) 的特点，而且在时域和频域都具有表征 信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变，但是时间窗和频率窗都可以改 变的时频局部化的分析方法，很适合于揉测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展 示其成分。近年来。小波变换在电能质量分析领域中有了较为广泛的应用，它通 过对不同的频率成分采用逐渐精细的采样步长，可以聚焦到信号的任意细节，能 很好地处理微弱或突变信号，适合于分析具有瞬变特性的电能质量问题。 目前，国内外已经有很多学者开始应用小波变换对电能质量问题进行了研 究，其应用主要集中在对电能质量扰动进行检测和定位、电能质量扰动信号数据 压缩、电能质量扰动识别以及暂态电能质量扰动建模与分析等方面。在研究问题 的过程中，一般采用的小波母函数有m o r l e t 小波、d a u b e c h i e s 小波、样条小波、 m e y e r 小波等，雨采用的算法一般为m a l l a t 在多分辨( 多尺度) 分析( m r a ) 基础上提出的塔式快速小波算法一- - m a t l a t 算法。 一方面，在应用小波变换方法对电能质量扰动进行检测和定位的问题上，丈 量的文献表明，目前基于小波变换对电能质量扰动进行检测和定位所采用的小波 及相应算法大体上可以分为两大类。一种是连续小波变换。尽管这种方法具有检 6 第一章电压波动和f q 变 测精度高、抗噪性能好的优点，但由于计算量太大，使得它的应用受到了限制。 另外一种是离散正交小波变换。该方法具有实现简单、计算效率高( 采用了滤波 器技术对长度为n 的序列进行离散序列小波变换，需要0 d 次计算盘，而采用 f f t 方法计算时需要( n l o g ( n ) ) 次计算量) 等优点，克服了连续小波变换的缺点， 已经成为电能质量扰动分析中普遍采用的分析方法。但是由于该方法抗噪性能不 如连续小波，在电隧质量扰动识别问题上，可采用小波变换和人工神经网络( a n n ) 相结含的方法，即将小波变换在每个尺度得到的扰动信息作为扰动信号的特征 量，并将这些特征量作为相应a n n 的输入信号，供a n n 来辨识扰动类型。该 方法可以对波形进行自动识别，并确定扰动类型。 然而，电能扰动的频率范围非常广泛，如由于电弧炉引起电压闪交绕的频率 只有几十赫兹，而霄电冲击却高达数兆赫兹。单纯使用小波分析的方法能提取全 部电能扰动的信息，并没有充分发挥小波变换对信号奇异性敏感的特点。如果将 f o u r i e r 变换和小波变换方法有机结合，充分发挥它们各自的优势，应该是电能 质量分析技术发展的一条良好途径。 总之，建立完善的全过程电能质量监测分析系统，基在对电力系统运行做永 久性监测，及时记录供电系统的干扰，充分利用电网已有的通信资源传递数据和 信息，应用更好的分析方法找出干扰的原因，提出减轻干扰影响的方案和措施， 提高电网运行和管理水平，向用户提供高质量的电能。 1 3 本论文的工作 本论文介绍了传统的电能质量扰动的分析方法一一傅立叶变换法，并对傅立 叶变换的数学基础进行了详细的介绍。针对傅立叶变换的局部化能力不够的缺 陷，介绍了小波交换这种强有力的电能质最扰动的分析工具，并对其数学基础进 行了详细的介绍。利用小波变换在信号局部化能力上强的特点，利用小波变换对 电压波动和闪变进行了仿真和分析，通过利用小波变换，对信号中含有波动和闳 变的频率成分进行了分解，并根据目前小波变换中应用最广泛的m a l l a t 算法对信 号进行了重构。通过大量的仿真，直观的表现出傅立叶变换和小波变换之间的不 同点，对传统的分析方法进行了比较研究。 第二章电能质量的概念 2 1 电能质量术语 在现代电力系统中，电能质量这一技术名词涵盖了多种电磁干扰现象。但是 由于工业领域的各个行业对电能质量认识上的不同和使用名词上的不统一，长期 以来人们在描述各种各样电压和电流干扰电力供应及电气设备正常工作的电磁 现象时，所提出的专业名词的含义上很不准确，使用不规范，严重影响了电能质 量的工作的开展。越来越多的研究者表现出对电能质量或电压质量的关心，电气 工程界在关于电能质量问题应采用规范的技术名词上逐渐趋向于一致。国际电气 电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会已正式通过采用“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 术语的决定。我国国家标准中已正式采用国际通用的英文名词。由 此不难看到，采用统一的专用名词对描述诸多电能质量现象和问题，科学和准确 的给出电能质量的定义和解释是十分必要的。随着人们对电能质量现象认识的不 断提高和科学技术的广泛交流，电能质量领域的技术术语正在不断的充实和完 善。 2 2 电能质量的基本概念及定义盥。叩 从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是由于人们看问题的角度不同， 所以迄今为止，对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个 准确的统一的定义。长期以来，电能质量概念和电力供应可靠性几乎是等同的。 电力部门可能把电能质量定义为电压、频率的合格率及连续供电的年小时数，并 且用数字来说明电力系统是安全可靠运行的。电力用户则可能把电能质量简单定 义为是否向设备提供了电力。因此，在像供电中断的持续时间等问题上供用双方 意见就不相一致，对这种故障事件应当归输配电工程问题还是电能质量问题说法 不一。而设备制造厂家则可能定义电能质量就是指电源特性应当完全满足电气设 备的正常工作需要。但实际上，不同厂家和不同的设备对电源的特性要求可能相 去甚远。 8 墨三兰皇堕堕茎箜堡垒 另外，如何描述供电与用电( 电力系统与负荷) 双方的互相作甩和影响，并 且给出相应的技术定义仍是人们不断探索的问题。一种普遍接受和采用的技术名 词和定义方法是：从工程实用角度出发，将电能质量概念迸一步具体分解并给出 解释。其内枣如下： ( 1 ) 电压质羹。给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户 分配的电力是否是合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平 衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降与中断、电压谐波、电压陷波、 欠电压、过电压等。 ( 2 ) 电流质量。电流质囊与电压质量密切相关。为了提高电能质鼙的传输效 率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应该尽量保持该电流波 形与供电电压同相位。电流质量通常包括电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位 超前与滞后、噪声等。 ( 3 ) 供电质量。它包括技术含义和非技术含义两个部分。技术含义有电压质 量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，包括供电部门对用户投诉与抱怨的 反应速度和电力价目的透明度等。 ( 4 ) 用电质量。它包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴 纳电费等。 上述关于电能质量的定义与解释反映了供用电双方的相互作用和影响以及 责任和义务。 在此需要提及的是，国际电工委员会( i e c ) 提出并使用了电磁兼容( e m c ) 的概念，给出了干扰允许值、抗扰阀值和兼容值的定义，并在此基础上，制定出 了一系列电磁兼容标准。电磁兼容强调的是设备与设备相互之间的电磁作用和影 响，以及电源与设备之间的电磁作用和影响。在i e c 提出的电磁兼容标准中，有 许多与电能质量相关联的内容。电磁兼容与电能质量是两种不同性质的概念和不 同范畴的标准体系，两者既有联系也有区剐。 综上所述，迄今关于电能质量的定义概括起来主要有以下三种： 定义1 ：合格电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统 均适合于该设备正常工作。 定义2 ：造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题，其 9 一 鎏塑查兰堡主堕壅 表现为电压、电流或频率的偏差。 定义3 ：电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率j f 日恒定 幅值的正弦波形电压与连续供电。 我们应当看到，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以 用户的衡量标准应该占有优先位置。 因此电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电 流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平 衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。 2 3 电能质量的分类瞳。3 为了系统地分析和研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分选识别， 从中找出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，因此将电能质量进 行分类和给出相应的定义是很重要的。 1 电能质量的基本分类 对于电能质量现象可以根据不同基础来分类。以下介绍近几年国际上在电能 质量现象分类和特性描述方面等取得的成果。其中，在国际电工界有影响的i e c 以电磁现象及相互干扰的途径和频率特性为基础，引出了广义的电磁扰动的基本 现象分类，如表2 一l 表2 1i e c 关于引起电磁扰动的基本现象分类 现象分类现象分类 谐波，间谐波辐射型低频现象工频电磁场 信号系统( 电力线磁场 载波) 电压波动 辐射型高频现象电场 电压暂降和中断电磁场 电压不平衡连续波 传导型低频现象 工频变换瞬变 1 0 苎三兰皇塑苎塑堡垒 感应低频电压静电放电现象 ( e s d ) 交流电网的直流核电磁脉冲 成分( 砸m p ) 感应连续波电压 传导型高频现象 或电流 单方向瞬变 振荡性瞬变 表2 2 给出了i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类。对于表 中列出豹各种现象，我们可进一步用其属性和特征加以描述。对于稳态现象，可 利用以下属性来描述t 幅值、频率、频谱、调制、电源阻抗、下降速度、下降面 积；对于非稳态现象，还可能需要一些其他特征来描述：上升率、幅值、相位移、 持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度、电源阻抗等。表2 2 为我们描述 了一个清晰描述电能质量及电磁干扰现象的实用工具。 表2 2i e e e 制定的电路系统电磁现象的特性参数及分类 种类 频谱成分持续时间电压幅值 电磁冲击上升沿5 n s 1 m s 振荡低频 钳【h z 0 3 5 0 m s o 却u 中频 5 , - 5 0 0k h z2 0 u s 0 8 p u 高频 0 5 5 m h z5 u s o 4 p u 短时 瞬时 中断 o 5 3 0 周波 0 1 p u 间电跌落 0 5 3 0 周波 o 1 p u - 4 ) 9 p u 。 压变 升高 0 5 3 0 周波 1 1 p u 1 8 p u 动 暂时中断3 0 周波 3 s 1 m s 0 8 p u - o g p u 过电压 1 m s 1 1 p u 1 2 p 1 7 电压不平衡稳态 o 5 之 波形畸变直流偏移稳态 0 e p 4 ) 1 河海大学硬士论文 谐波 0 - - 1 0 0 t h 稳态 0 8 w - 2 0 间谐波 m 石k h z 稳态 o 一2 陷波稳态 噪声宽待稳态 o 1 电压波动 2 5 h z间歇0 1 一7 工频变化 1 0 s 2 变化型和事件型分类 电能质量问题还有一种分类方法，即按照电能质量扰动现象的两个重要表现 特征：变化的连续性和事件的突发性为基础分为两类。这种分类是比较实用的。 所谓变化型是指连续出现的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或电流 的幅值、频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。例如， 系统频率不可能一成不变的等于5 0 h z ，系统电压也不可能每时每刻恒等予其额 定值，与理想值的偏差始终存在。这一类现象包括前述的电压幅值变化、频率变 化、电压与电流间相位交化、电压不平衡、电压波动、谐波电压和电流畸变、电 压陷波、主网载波信号千扰等。由于电力系统中的电能质量现象多为随机现象， 在对变化型电压和电流进行质量评估时，往往采用概率统计方法来处理，即采用 概率密度函数给出相应交量在某一确定的概率值，并且用概率分布函数反映该变 量处在某一确定范围内的可能性有多大。 所谓事件型是指突然发生的电能质量扰动现象。其重要的特征表现为电压 或电流短时严重偏离其额定值或理想波形。这一类现象包括电压暂降和电压短时 间中断、欠电压、瞬态过电压、阶梯形电压变化、相位跳变等。在事件型电压和 电流评估中，通常采用其特征量，如用幅值偏离多少、事件的持续时间长短以及 发生的频次来描述，并且用概率论和数理统计的方法以及可靠性计算来处理。监 测事件型电压和电流时，要求有一个事件启动信号，如电压均方根值低于某一预 定的阀值便开始记录。待事件结束时停止记录。 需要指出的是，迄今为止对电能质量的分类仍存在着由于定义不同引起的 类别区分界限不很清晰和由于分类方法不同产生的技术名词不统一等问题。对电 能质量现象科学、完整的分类对我们更加深入地了解和认识各种电能质曩现象是 十分有意义的，仍是未来电能质量标准化尚待深入研究的重要工作。 2 4 电镌屣量瓤象赫述嘲 2 4 1 瞬变现象 在电力系统运行分析中早已使用了“瞬变”这个名词。它表示电力系统运 行中一种并不希望雨事实上又瞬时出现的事件。由于r l c 电路的存在，在大多 数电力工程技术人员的概念中瞬变现象自然是指阻尼振荡现象。关于瞬变现象， i e e es t d l 0 0 - 1 9 9 2 电气与电子标准术语词典有一个含义更宽、且从一种稳 定状态过渡到另一种稳定状态的过程中该变化逐渐消失的现象。 由于这样的定义几乎可以用来描述电力系统发生的所有异常现象，所以在电 能质量领域里采用这个术语会存在许多潜在的分歧。例如，电力用户常常不加选 择的使用瞬变现象来描述和表现供电过程中出现的电压暂降、暂升和中断问题。 因此，除非专门定义某一瞬变现象的具体内容，通常避免直接使用这一名词。以 下对瞬变现象的两种普遍类型一冲击和振荡作简要介绍。 1 冲击性瞬交现象 冲击性瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流非工频的、单极性( 即主要为 正极性或负极性) 的突然变化现象。通常用上升和衰减时间来表现冲击性瞬变的 特性。例如，某一表示为1 2 5 0 u s ，2 0 0 0 v 的冲击脉冲，是指其电压经过1 2 懈 后上升到2 0 0 0 v 的峰值，然后经过5 0 u s 衰减为峰值的1 2 。由于冲击脉冲含有 高频成分，它的波形会因为电路元件特性影响而快速衰减，并且由于系统的观测 点不同而呈现不同的特征。虽然有些情况下，雷电冲击波可能沿着电力线传导相 当长距离，但是，一般来说其影响主要在于进入系统的冲击源头。冲击脉冲可能 在电力网的自然频率点发生激励而出现振荡现象。 2 振荡瞬变现象 振荡瞬变现象是一种在稳态条件下，电压、电流的非工频、有正负极性的 突然变化现象。对于迅速改变瞬时值极性的电压和电流振荡问题，常用其频谱成 分( 主频率) 、持续时间和幅值大小来描述其特性。其频谱又可分级定义为嵩频、 中频和低频。这种对频谱的划分是同电力系统通常的振荡类型相一致的。 在瞬变振荡现象中，主频率大于5 0 0 k h z ，以数微秒来度量其持续时间的瞬 态现象，称为高频振荡现象。它往往是由事发当地系统的响应冲击脉冲造成的。 河湃大学硬士论文 主频率在5 5 0 0 z 范围、以数十微秒来度量其持续时间的瞬态现象，称为中 频振荡现象。主频低于3 0 0 h z 的振荡在配电系统中也时有发生，通常是由铁磁 谐振和变压器增能引起的。当系统谐振造成变压器冲击电流中的低频分量放大， 或当异常条件导致铁磁谐振时，涉及到串连电容器的瞬态现象也应当归于这种类 型。此外，我们也可以对瞬态现象按其模式分类。对于带有单独接地线的三相系 统发生的瞬态现象，我们可按照其是否出现在线对地或中性线对地之间，以及线 对中性线之间，分为共模谐振和简正谐振模式。 2 4 2 短时间电压变动 这一类型包括电压暂降( 也称为骤降或凹陷) 和短时间电压中断等现象。 若按持续时间长短来划分，进一步还可将其分成瞬时、暂时和短时三种类型。顺 便指出，这一细化分类的结果更多是用于电能质量监测中对电压干扰分类统计的 需要。 造成短时间电压变动的主要原因是系统故障、大容量( 大电流) 负荷启动 或与电网松散连接的间歇性负荷运作。根据所在系统条件和故障位置的不同，可 能引起暂时过电压或电压跌落，甚至使得电压完全损失。无论故障发生在远离关 心点或者靠近关心点，在保护装置动作清除故障之前，都会对电压产生短时冲击 影响，造成短时间电压变动。以下对典型的短时间电压变动现象作一个介绍。 1 电压中断 当供电电压降低到0 1 p u 以下，且持续时间不超过i m i n 时，我们认为出现 了电压中断现象。造成电压中断的原因可能是系统故障、用电设备故障或控制失 灵等。电压中断往往是以其幅值总是低于额定值百分数的持续时间来度量的。一 般来讲，由系统故障造成中断的持续时间是由保护装置的动作时间来决定的e 通 常对于非永久性故障，瞬时重合闸将会使电压中断时间限定在工频下的3 0 周波 以内。带有延时的重合闸可能导致暂时的或短时间的电压中断。由设备故障等造 成的电压中断持续时间一般是无规律的。对于有些由于系统故障造成的电压中 断，在其出现之前，即在故障发生至保护动作期间，可能先出现电压电压暂降， 之后进入短时中断。在此变化过程中，电压降低到额定值的5 0 ，再经过约2 个周波后下降到0 。 2 电压暂降 1 4 第二章电能质量的概念 “警降”是指工频条件下电压均方根值减小剜o 1 o 9 p u 之间、持续时间 为0 5 周波至l m i n 的短时间电压变动现象。 电能质量领域使用暂降( s a g s ) 来描述短时间电压降低已有多少了。虽然这 一名词一直没有规范的定义，但是在电力部门、电器制造业以及用户中的使用频 率和接受程度不断增加。i e c 把这一现象规定为“骤降”( d r i p ) 。这两个术语是 可以互相替换的，目前在强外电力行业把它们看成是同义词。 在使用电压幅值暂降时通常出现量化方面的混淆。例如“2 0 暂降”可能是 指结果电压为0 8 p u亦或为0 2 p u 。术语的使用不应该没有规范。当没有特 别规定和说明时，“2 0 暂降”的含义是指“下降值为2 0 ”即在此期间电压均 方根值降低了2 0 ，实际电压为0 8 p u 除了由于重负荷或大型电机启动汲取大电流造成的电压暂降外，多数情况下 电压暂降是同系统故障相联系的。迄今为止，关于电压暂降持续时间仍然没有明 细的规定。在一些出版物上定义为典型持续时间为2 m s 2 m i n 范围内。其实从 概念上来讲，电压暂降持续时间小于l 2 周期时，不能用基波均方根值的变动来 描述，因此应当将这类事件看成是瞬变现象。如果电压暂降持续时间大于l m i n ， 可通过典型的电压调节器加以校正。另外这种现象还有可能是其他原因造成的， 而不是系统故障的原因，应当将其归为长时间电压变动类型。 同样的，按照变化持续时间可以将暂降再细分为三类，即瞬时、暂时和短时。 这样分类与电力系统保护装置的动作时间和国际技术组织推荐的时间划分一致。 3 电压暂升 “暂升”的含义是指在工频条件下，电压均方根值上升到1 1 1 8 p u 之间、 持续时间为0 5 周波到l m i n 的电压变动现象。与暂降的起因一样，暂升现象是 同系统故瘴相联系的。例如，当单相对地接地发生故障时，非故障相的电压可能 会短对上升。但是电压暂升不像电压暂降那样常见。另外，当大容量负荷甩开或 大容量电容器组增能时也会引起电压暂升。我们可以用电压暂升的幅度大小和持 续时间来表征这一现象。当电压暂升是在故障情况下出现时，电压上升的强度将 随着故障发生点、系统阻抗和接地情况而变化。在不接地系统，零序阻抗为无穷 大，当发生单相对地故障时，非接地相对地电压将达到1 7 3 p u 。反之，在靠近 接地系统变电所周围，由于给故障相电流提供了一个低阻抗零序通道，则非故障 河海大学硕士论文 相的电压上升幅度很小，甚至没有变化。应当注意到，由于分类方法不同，在许 多资料中也使用了“瞬态过电压”作为“电压暂升”的同义词。 2 4 3 长时间电压变动 长时间电压变动是指，在工频条件下电压均方根值偏离额定值，并且持续时 间超过l m i n 的电压变动现象。长时间电压变动可能是过电压也可能是欠电压。 通常，过电压或欠电压并非是系统故障造成的，而是由于负荷变动或系统的开关 操作引起的。一般取电压均方根值对时间的变化曲线作为长时间电压变动的典型 波形。此外，不归类于短时间电压中断的其他任何电压中断现象也划分在长时间