（农业电气化与自动化专业论文）基于dsp的电能质量监测系统的设计与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着大功率电力电子开关设备的普及应用，它所带来的各种电能质量问题 已引起各国电力工作者的高度重视，提高电能质量的新技术已成为近年来电力 系统研究领域中新的热点。通过对电能质量进行实时监测、记录和分析，可以 为改善电能质量、制定有关电能质量的治理措施提供必要的依据，这就使得研 究电能质量监测技术具有十分重要的现实意义。 本系统采用d s p 矛i i c p l d 相结合，设计开发了一种基于d s p 的多功能电能质 量监测仪。该仪器能够用来测量三相电压、电流的有效值以及各次谐波分量，此 外还可以测量电压频率、三相不平衡度、有功功率、无功功率、功率因数等。能 够存储停电、上电时间，各个参数数据每隔一分钟记录一次。扩展s d 卡数据接 口，方便存储大量实时数据。此外系统扩展了r s 2 3 2 4 8 5 本地通讯接口和g p r s 通信接口，可通过g p r s 实现远程通信，这些扩展的通信接口可以方便开发上位 机数据库管理软件和实现远程监控。 论文重点介绍了以下几个部分：电能质量测量的原理和方法，详细讨论了 f f t j , 皆波分析方法；系统的硬件电路设计，包括d s p 最小系统、信号调理电路、 频率捕捉电路、a d 采样电路、数据存储电路、c p l d i 为部逻辑电路及通讯接口 电路等；d s p 程序设计，包括a d 采样程序、f f t 程序、键控及显示程序、数据存 储程序、通信接口程序等；最后对系统进行了硬件测试和软件测试，并对测试结 果进行分析。 实践表明，本系统具有很高的测量速度和检测精度，功能齐全，扩展性好， 具有广阔的应用前景和实用价值。 关键词：电能质量，快速傅立叶变换，谐波分析，d s p ，c p l d 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t 1t h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fh i g h - p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s a l lk i n d s o fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sc a u s e db yt h o s eh a v ea t t r a c t e dh i g ha t t e n t i o nf r o m r e s e a r c h e r sd e v o t e di np o w e rf i e l d ，a n dn e w t e c h n o l o g yw h i c hc a l li m p r o v ep o w e r q u a l i t yh a sr e c e n t l yb e c o m en e wh o ts p o ti nt h er e s e a r c ho fp o w e rs y s t e m i tc a n p r o v i d ee s s e n t i a le v i d e n c ef o ri m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y , m a k i n go u tc o n t r o lm e a s u r e s a n dm a k i n ga p p r o p r i a t et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc o n t r o le q u i p m e n t sb yr e a l - t i m e m o n i t o r i n g ，r e c o r d i n ga n da n a l y s i sf o rp o w e rq u a l i t y s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt od o s o m er e s e a r c hi np o w e rq u a l i t ym o n i t o i n gt e c h n o l o g y t h i ss y s t e mc o m b i n e dd s pa n dc p l dc h i pt od e s i g nam u l t i f u n c t i o np o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gi n s t r u m e n t i tc a nm e a s u r et h r e ep h a s ev o l t a g e ，c u r r e n ta n dt h e i r h a r m o n i c s ，f r e q u e n c y , t h r e ed i s e q u i l i b r i u m ，a c t i v ep o w e r , r e a c t i v ep o w e r , p o w e rf a c t o r e t c e x c e p tt h a ti tc a nr e c o r dp o w e ro f ft i m ea n dp o w e ro nt i m e ，t h ed a t aa l es a v e d e v e r yo n em i n u t e i na d d i t i o n ，t h es y s t e me x t e n d sr s 2 3 2 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c ea n dg p r s t h e s ei n t e r f a c e sc a nb ec o n v e n i e n tt od e v e l o pd a t a b a s ew i t hu p p e r c o m p u t e ra n da c h i e v er e m o t em o n i t o r e m p h a s i so ft h ep a p e ra r el a i do nf o l l o w i n g ：t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so fp o w e r p a r a m e t e rm e a s u r e m e n tw h i c hb a t a r o u n dt h ef f ta l g o r i t h mo fh a r m o n i c a n a l y s i s d e s i g no fh a r d w a r e ，i n c l u d i n gl e a s ts y s t e mo fd s p , s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i t ，f r e q u e n c yc a p t u r ec i r c u i t ，a dt r a n s f e rc i r c u i t ，d a t as a v i n gc i r c u i t ，t h el o g i c c i r c u i ti nc p l da n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ；d s ps o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n g t h ep r o g r a m m i n go fa dt r a n s f e r , t h ep r o g r a m m i n go ff f t ，t h ep r o g r a m m i n go f k e y b o a r da n dd i s p l a ys e r v i c e ，t h ep r o g r a m m i n go fd a t as a v i n g ，t h ep r o g r a m m i n go f c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ee c t ；f i n a l l y , t h ep a p e rs h o w sh a r d w a r et e s t sa n ds o f t w a r e t e s t s ，a n a l y s e st h er e s u l to ft h et e s t r e s e a r c hi n d i c a t e st h es y s t e mh a sp o w e r f u lf u n c t i o n ，i t sg o o dp e r f o r m a n c es u c h a sa c c u r a t em e a s u r e m e n t ，h i g hm e a s u r i n gs p e e da n dg o o d s t a b i l i t yh a sg o tt e s t i f i e di n m a n yf i e l da p p l i c a t i o n s oi th a saw i d ep r o s p e c ta n dp r a c t i c a lv a l u e s k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，h a r m o n i ca n a l y s i s ，d s p ，c p l d u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：参；奠k 2 0 1 0 年月，2 日 指剥雠：走私7 f 2 0 1 0 年f 月7 。日 岛权 授 本用 适后密解年在 口团 密 密 保 褓 于属文沦 位学本 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杏沁 日期：2 0 1 0 年b 月 ， 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着国民经济的发展和科学技术的不断进步，电能已经成为人类社会用途最 为广泛的、不可或缺的重要能源，各行各业对电能质量的要求也越来越高。然而 随着电力电子技术的快速发展和广泛应用，尤其是非线性负荷大量投入使用，使 得电力系统的谐波污染越来越严型。 由于电力系统负荷中具有非线性、冲击性以及不平衡等用电特征，如：炼钢、 轧钢、化工、电气铁路、电力电子设备等负荷，使电网的电压、电流波形发生畸 变、谐波含量加大、电压产生波动和闪变、电压骤降以及三相不平衡等电力污染 问题，严重影响了供电质量。根据发达工业国家电力部门的统计资料显示，频繁 发生的电力运行事故、输配电设备和电器损坏事故，其主要原因是电力污染。电 力污染导致电能的生产、传输和使用的效率降低，使电气设备过热、振动和绝缘 损坏，引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量设备出现偏差。 对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联 系的，近代科技进步又促进了生产过程的自动化和智能化，于是对电能质量提出 了更高更新的要求。一个计算中心失去电源2 s 就可能破坏几十小时的数据处理结 果，甚至上百万元的经济损失。在大型机器制造厂，o 1 s 的电压突降就可能造成 异常的生产状况，导致产品质量受损。当今自动化设备控制的连续精加工生产线， 它们对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部 造成混乱，其损失是难以估量的。这些用户对不合格电能的容忍度可严格到只有 1 2 周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。谐波的严重危害及其造成 的损失经常被人们所提及，而无人值守变电站中计算机系统突然出现的死机现 象，大多属于电能质量的问题。因此建立完备的电能质量监测系统显得尤为重要。 发达工业国家近年来对于电力污染问题非常重视，建立了完整的检测监督和 管理制度。在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地 区电能质量问题已比较突出。而且由于各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度 的稳定水平等指标上，我国还处于比较落后的状态。如何提高和保证电能质量， 江苏大学硕士学位论文 已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。而建立和实施电能质量综 合监测系统是提高电能质量的一个重要技术手段1 2 1 。国际上，许多发达国家和地 区已就此课题作了大量的研究，并取得了重大研究成果。如美国、加拿大等均进 行了全国范围的电能质量的监测和调查研究，对配电网络的运行状况和电能质量 的提高和改善具有重要的意义。 1 2 国内外研究及发展状况 1 2 1 谐波分析的理论研究 近年来，在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有傅立叶变 换、小波变换、神经网络、二次变换和p r o n y 分析等多种方法。 傅立叶变换( f f t ) 的优点是算法简单、快速且具有明确的物理意义和工程 应用价值，因此傅立叶变换是谐波分析的主要工具。基于f f t 的数字化分析方法 是将检测到的一个周期的电压信号或电流信号进行分解，得到各次谐波信号的幅 值和相位系数，然后通过带通滤波器或傅立叶变换器得到所需要的误差信号。但 缺点也很明显。应用f f t 时，若采样频率不是信号最高频率的整数倍，f f t 分析 会产生“旁瓣”和“频谱泄露”现象【3 】【4 】，尤其是在谐波成分较多的场合，直接采用 f f t 进行频谱分析会带来很大的误差。 小波变换是一种多尺度分析，对时间序列过程从粗到细加以分析( 从低分辨 率到高分辨率) ，既能显示过程变化的全貌，又能剖析局部变化特征，很适合对 电能质量领域的非平稳时间序列进行时域分析。但在实际的应用中，小波变换的 缺点是运算量比较大，应用在实时系统中需要价格较高的高速运算芯片【5 】。 神经网络是一种从不同角度、功能来模拟动物神经系统的技术，由大量处理 单元广泛互联而成，基于现代神经生物学和认知科学对人类信息研究成果的网 络，其优点是不必对被研究对象建立明确的数学模型，而只关心对象的输入输出 关系【6 j 。但神经网络的缺点是：( 1 ) 存在局部极小问题，造成网络的局部收敛， 影响系统的控制精度；( 2 ) 理想的训练样本提取困难，影响了网络的训练速度 和训练质量； ( 3 ) 网络结构不易优化，特别是隐层节点数的选取常常带有盲目 性。 二次变换是一种基于能量角度来考虑的时域变换方法。信号的能量函数可分 2 江苏大学硕士学位论文 别用时间和频率的函数来表示，同时信号的能量函数必须能用基于时间和频率的 能量密度函数来表示。其不足之处是无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值以 及不具有时域分析功能【丌。 p r o n y 分析衰减的思想类似于小波变换。缺陷就是计算时间太长，以至于 不可能在实时系统中应用，但用来做离线数据分析确实是一个非常好的工具【8 】。 1 2 2 国内外电能质量分析的实际应用和发展趋势 目前，国内外电能质量监测装置种类非常繁多，就其性能来说，可以分为 高、中、低三档。国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量的研究已 经取得了很多成果，特别是在高档产品领域占据主导地位。国外高档电能质量 监测装置的特点突出表现在功能丰富和精度高两个方面，如美国的f l u k e 公 司、加拿大电力测量公司( p o w e rm e a s u r e m e n tl t d ) 、瑞典联合电力公司 ( u n i p o w e r ) 、美国e i g 公司等生产的电能质量监测装置具有检测精度高、检 测指标多、功能丰富等特点。其中f l u k e4 3 0 系列电能质量分析仪，其基本电力 参数测量有电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等； 电能质量参数测量有电压和电流5 0 次谐波和间谐波、t h d ( 总谐波失真) 、功 率谐波及谐波方向、闪变分析( 瞬时闪变、短时闪变、长时闪变) 、电压偏差、 频率偏差、三相电压不平衡度等，能检测目前几乎所有的电力和电能质量参数， 基本精度达o 1 。 在国内，目前电能质量中的某些问题已经成为电工领域的前沿性课题，吸 引了众多高校和科研院所的一大批科技人员投入其中进行研究，成果也很显著。 在检测和应用仪表开发方面，国内正进入一个蓬勃的发展时期。硬件方面有基 于单片机的、基于d s p 的、基于a r m 系统等。软件方面有基于l a b v i e w 的、 基于c a n 总线的、基于w e b 技术等。迄今为止，国内生产电能质量监测仪水 平较高的厂家有深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安 徽振兴科技股份有限公司、保定方长电子有限公司、长沙威盛电子有限公司等。 他们生产的电能质量监测仪产品在一定程度上代表着我国电能质量监测装置的 先进水平。但是由于我国在电能质量研究上起步相对较晚，使用的电能质量测 量装置功能单一，只能实现对某种电能质量指标的测量，实时性差，多数不具 备综合测量、分析、判断功能。随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自 江苏大学硕士学位论文 动化和智能化，对电能质量产品提出了更高的要求，以适应现代化电能管理的 需求。 1 3 课题的提出和研究意义 专用电能质量分析设备功能虽强，但成本偏高，不适合大量应用的场合；手 持式和便携式设备毕竟是一种临时的故障诊断、排错和评估设备，而且实时性指 标也不一定满足要求。本文就是以这种需求为前提，提出了研究一种基于t i 公司 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片的电能质量监测仪。 该装置以电能质量监测发展的最新趋势为出发点，采用1 4 位a d 采样芯 片m a x l 2 5 作实时采样，外围绝大部分逻辑电路均做在c p l d 内，大大缩小了 体积，提高了系统的可靠性和性价比。同时以数字信号处理技术为出发点，采 用更灵活、更准确的数字信号处理算法程序进行数据处理，提高系统参数计算 效率，使电能质量监测符合数字化技术发展的需要。本设计中采用的信号处理 技术包括：快速傅里叶变换、各种数字滤波技术等。通过这些数字技术的应用， 本监测仪能够比较准确计算出电压和电流的有效值、电压频率、有功功率、无 功功率、视在功率、功率因数、2 5 0 次谐波电压和电流含有率等电力参数指标， 并对参数异常情况进行记录处理。同时可根据不同需求应用于低压开关柜、配 电房及电能综合管理系统、工厂能源管理系统和分布式综合电力参数采集、控 制系统，能够单独工作，具有较高的精度；也能够相互问实现联网测量，形成 一个大型测量网络，实现单个难以实现的功能。因此本监测仪的开发具有较强 的现实意义。 1 4 本文的主要研究工作 本系统在设计时把握了电能质量监测发展的最新趋势，采用先进的技术手 段，在保证系统功能与性能的前提下，提出了一种基于d s p + c p l d 架构的嵌入 式硬件平台的解决方案。对比目前较普遍采用双c p u 结构的设计方案，本文的 设计主要体现了以下几个方面的特点： ( 1 ) 硬件结构设计更趋于合理。仅使用单个c p u ，外围绝大部分的逻辑 电路均在c p l d 内实现，大大地缩小了系统的硬件结构。同时由于c p l d 内部 4 江苏大学硕士学位论文 完全是由硬件逻辑电路所构成，相当于块专用芯片，所以抗干扰能力和可靠 性能都要优于其他数字芯片设计的逻辑电路。 ( 2 ) 软件设计开发简化。由于采用d s p + c p l d 的硬件架构，软件设计时 只需要开发d s p 程序，如果采用双c p u 结构设计则需要对d s p 和m c u 分别 设计程序并且还要考虑双c p u 之间的互相配合、协同工作、数据交换等问题， 这对软件设计的要求比较高，也增加了设计的难度并延长了开发的周期。 ( 3 ) 从资源的合理使用上看，充分利用了d s p 的内部资源和丰富的外设 接口。而双c p u 结构不可避免会存在一定的资源浪费，例如可能会造成c p u 内部定时器、串口、i o 口等资源的闲置。 ( 4 ) 从成本上考虑，目前c p l d 器件要贵于普通的8 位单片机，但是却省 去了复杂的外围逻辑器件，如地址译码器、总线开关、电平转换芯片等。而且 可以有效的降低p c b 板布线的复杂度和增强系统的稳定性，加上c p l d 器件其 他的优秀特点( 如i s p 在线编程等) 综合考虑，不会增加系统的设计成本。 基于上述特点，使用d s p 和c p l d 相结合的方法在系统的可靠性和资源的 使用率上均具有一定的优势。因此本文在研究电能质量理论及测量方法的基础 之上，研制了这样一种性价比较高的d s p + c p l d 结构的多功能电能质量监测系 统。在研制过程中，本文所做的主要研究工作有： ( 1 ) 比较介绍了电能质量研究的几种分析方法，并综述了近几年国内外在 电能质量监测装置的相关研究情况，在此基础上确定了本文的核心算法和基本 架构。 ( 2 ) 研究了电能质量指标的测量原理与测量方法，并给出了参数测量算法。 ( 3 ) 基于d s p ( 数字信号处理器) 和i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ) 技术 的c p l d 器件，设计开发了多功能电能质量监测系统的硬件电路。 ( 4 ) 在系统板级和p c b 布线设计时，充分考虑了电磁兼容和仪器仪表设 计安全规范的问题，有效避免了电磁干扰对系统稳定性及安全性的影响。 ( 5 ) 采用集成开发环境c c s 编程，实现系统的数据采集、处理、存储、 通信等功能。 ( 6 ) 样板的硬件、软件调试以及系统集成，并讨论了系统进一步改进的方 法。 江苏大学硕士学位论文 第二章电能质量指标的测量原理与计算方法 傅立叶变换是将信号从时域变换到频域的一种算法，其实质是将原始信号 分解为一组正交三角函数的加权组合。由于快速傅立叶变换具有算法简单快速 的特点，对于一般应用均能达到测量精度的要求，因此本文使用快速傅立叶变 换作为采样信号处理的核心算法来计算电能质量的各项指标和谐波分析。以下 将介绍f f t 变换原理和电能质量指标的测量计算方法。 2 1 快速傅立叶变换原理 非周期连续时间信号x 以) 的傅立叶变换可以表示为： x 仞) = l 。x ( t ) e - j o a d t ( 2 1 ) 设采样得到了n 点采样值 x ( 挥丁) ，r t = o ，l ，一l ，那么其频谱取样的谱间 距是 彩。：三l ( 2 2 ) 彩o 2 而- 。z z 由此对( 2 1 ) 式离散化可得到 2 r e 令峨= p 叫百并省略符号彩。和丁，则( 2 3 ) 式可写为 ( 2 4 ) 其中x ( 后) 是时间序列x ( 疗) 的频谱，称为蝶形因子。对于n 点时域采样值， 经过式( 2 4 ) 的计算，就可得到n 个频谱条，这就是离散傅立叶变换( d f t ) 。 可以看出，d f t 需要计算2 次复数乘法和n ( n 一1 ) 次复数加法，在n 较大时， 计算量将会变得非常巨大。利用的对称性o l + 等：一时和周期性 咛= 咐州棚= w n k + 枷，可将n = 2 ”点的d f t 分解为m 个2 点的d f t ，称为 基2 的f f t ，这样计算量可减为( n 2 ) l 0 9 2 u 个加乘运算，比d f t 的计算量大大 6 ，jz 跏 垒 一 p 、- 、 r 阼 ， x 脚 = 、- 、 o 缈尼 ，j 砌 矿聆x 舢 = 、- 、 尼 - x 江苏大学硕士学位论文 地减轻。 f f t 算法通常可分为按时间抽取的f f t 运算( d i t ) 和按频率抽取的f f t 运算( d i f ) 两种方法【9 1 。 2 1 1 时间抽取基2f f t 算法( d i t ) 设序列长度n 是2 的整数幂次方，n = 2 m 。则有 一l x ( 七) = 肿 x ( 玎) 】= x ( 玎) 时 ( 2 5 ) 将x ( n ) 分解为偶数与奇数两序列之和，当n 为偶数时，令n - - 2 r ，r l 为奇 数时，令n = 2 r + 1 得到 n 。n 。 x ( 七) = x ( 2 r ) w z 睹+ x ( 2 ，+ 1 ) 嘴h 呲 ，n = _ ) f ( 2 ，) ( 昭) 席+ 孵x ( 2 ，+ 1 ) ( 嚼) 竹，r = 0 ，1 ，n 1 ( 2 6 ) 2 x 由于蝶= p 吖而= 畋，则 2 1 一i盟- i x ( 七) = x ( 2 r ) w + 孵x ( 2 r + 1 ) w 妒 r = o 2 ，= o 2 丝一i 2 令五( 尼) = x ( 2 r ) w 妒= d f t x ( 2 r ) 和 r=o2 ( 2 7 ) 置( 足) = x ( 2 r + 1 ) w f f = d f t x ( 2 r + 1 ) 代入( 2 7 ) 式，即得 x ( 七) ：墨( 七) + 眩五( 七) ，露：o ，l ，i n l ( 2 8 ) 其中五( 后) 和x z ( 尼) 的周期均为n 2 ，若要计算从n 2 到n - 1 点的f f t ，可 利用的对称性秽+ i = 一时，代入( 2 8 ) 式得： x ( k + i n ) = 五( 膏) 一蝶五( j j ) ，忌= o ，1 ，孚一1 ( 2 9 ) 由于婴：2 肘一仍然是偶数，可类似地将n 2 点序列再分解为两个点的n 饵 7 江苏大学硕士学位论文 序列，继续这样的分解过程，直到最后是2 点序列的d f t 。由于每次分解均将 序列从时域上按偶数奇数提取且每次都是一分为二，所以称为时间抽取基数为 2 的算法。 2 1 2 频率抽取基2f f t 算法( d i f ) 对于n = 2 盯序列，频率抽取不是按偶、奇分解，而是按前后对半分解，并 按一定规则组成两个点n 2 序列，它们的d f t 分别是五( ，) 和t o ) ，它们分 别对应于原序列n 点序列的d f t 的偶数部分和奇数部分。和时间抽取一样，由 于n 2 仍是偶数，继续上面的分解过程，直至最后剩下2 点的d f t 。这种分解 方法，由于每次都是按输出x ( k ) 在频域上顺序属于偶数还是奇数分成两组，故 称基数为2 的频率抽取法。和时间抽取基2f f t 算法一样，频率抽取基2f f t 算法运算工作量比普通d f t 算法大大减小【i o 】。 在基数为2 的f f t 中，设n = 2 m ，则总共有l o g 多= m 级运算，每级中有n 2 个2 点f f t 蝶形运算，i 玉h l tn 点f f t 中总共有学l 。g 2 个蝶形运算，l o g 多次 复数加法。 、 i + 一曼生一一+ s t a g e l 一一+ s t a g e 3 一一- _ - 一一一一一一一件一一一一一一一- 叫卜一一一一一一一一一一一 图2 1 基数为2 的8 点f f t 流程图( f i 9 2 1f f t f l o w o f r a d i x 2 ) 、，、，、，、j、，、j、，、j o q 0 仃 x x x x x x x x 、j、，、，、，、，、，、，、， h g 0 邸 p x x x x x x x x 江苏大学硕士学位论文 2 2 基本电能质量参数的计算 电力系统中表征电能质量的基本参数包括电压、电流、有功功率、尢功功 率及功率因素等。在理想正弦波的情况下，有功功率定义为p = u l c o s o ，含有 谐波的情况下，此时的有功功率定义为： 尸= 专r 甜础 ( 2 1 0 ) 电压电流的均方根值定义为： 相电压的有效值：u = 专r “2 衍， ( 2 1 1 ) 相电流的有效值：，= 专r f 2 衍 ( 2 1 2 ) 对信号材矗) ，f ( f ) 进行离散化采样，得到离散化序列 椎) ， 毛 ，则 u ( 2 1 3 ) 其中，瓦是相邻两次的采样间隔；n 是一个周期内的采样点数；是第k 个时间间隔的电压采样瞬时值。 若相邻两次采样的时间间隔相等，即乃为时间常数丁，= 刍，则 u 晤n - i 同理可得电流有效公式： i 隔n - i ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 单相k 次谐波的有功功率和无功功率分别为： 只= 丢u 栅j 础c o s ( 倪。一p k ) ( 2 1 6 ) o k = 1 2 u 诎，。i s i n ( 口i 一反) ( 2 1 7 ) 其中为k 次谐波的电压幅值，l 。为k 次谐波的电流幅值，一展为k 次谐波的电压和电流的相位差。由于c o s ( 吼一反) = c o s t 2 kc o s 反+ s i n c t s i n 成， 9 江苏大学硕士学位论文 s i n ( a i 一反) = s i n a c o s 屏- - c o s 女s i n 反，因此利用f f t 运算后得到的实部和 虚部可方便的计算c o s ( 口。一反) 和s i n 缸。一反) 。 n 单相有功功率：p 口。6 c = 最 k = l n 单相无功功率：9 ，小= q 丘= l 单相功率因数： p o ，6 ，。 叩以6 卢而雨心p q 山，c 2 + q o b 。c 1 三相有功功率：p = 只+ 忍+ 只 三相无功功率：o = q + q + q 三相平均功率因数：c o s 缈2 了声等歹 单相有功电度：以，缸o ) = 岛，6 ，c ( t ) d t 单相无功电度：口，6 ，co ) = f q ，6 ，c ( t ) d t 三相有功电度：a = 4 + 4 + 4 三相无功电度：n = m + 6 + m 2 3 谐波分量及其含有率的计算 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 时域中的采样序列 x ( ，z ) ，z = o ，l ，一1 ) 经f f t 变换后成为频域中的复序 列，式( 2 2 8 ) 中z ( 七) 为实部，z ( 七) 为虚部。 x ( k ) = x r ( 七) + ( 七) ，k = o ，1 ，n - 1 ( 2 2 8 ) i x ( k ) 1 2 = 霹( 七) + 群( 七) ，k = 0 1 ，n 一1 ( 2 2 9 ) 由于输入的是实序列( 虚部为0 ) ，因此输出的复序列是共轭对称的。实际 上n 点采样值经f f t 变换后只能得到譬个相互独立的结果，按照一个周期采 样2 5 6 点，最高可以计算出1 2 7 次谐波分量。根据式( 2 2 9 ) 就n - i 求出h 次谐 1 0 江苏大学硕士学位论文 波电压、电流的幅值。和k 1 1 1 。 单相办次谐波电压有效值：u h 万1 ，j 1 2 ：2 ，3 ，譬一1 ( 2 3 0 ) v 二 二 单相厅次谐波电流有效值：厶：去k ，办：2 ，3 ，了n 一1 ( 2 3 1 ) v 二 二 单相厅次谐波电压含有率：h r u h 2 鲁l 。，厅= 2 ，3 ，了n - 1 ( 2 3 2 ) 单相乃次谐波电流含有率：n r z = i , 。1 。，厅= 2 ，3 ：，等一1 ( 2 3 3 ) 式( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 中u 、厶为基波电压、电流的有效值。 单相谐波电压含量：u h = 单相谐波电流含量：如= 单相谐波电压总畸变率：t t t d u 2 鲁l 。 单相谐波电流总畸变率：蚴2 百i h l o o 2 4 三相正负序电压、电流及不平衡度的计算 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称 所致，三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电路中除含有谐波 分量外，还含有正序、负序、零序分量。在三相三线制供电系统中，只含有正、 负序分量。我们把负序分量有效值与正序分量有效值之比称为不对称度或不平 衡度【1 2 】，用符号f 表示，即 r r 电压不平衡度：勺= 鲁1 0 0 ( 2 3 8 ) 江苏大学硕士学位论文 电流不平衡度：岛= 鲁1 0 0 ( 2 3 ” 式中，、厶一电压、电流的负序分量方均根值； u 、五一电压、电流的正序分量方均根值； 从e g - r _ 原理知道：任何不对称的三相相量均可用对称分量法分解为三组对 称的正序、负序和零序分量。若知道三个相量的大小，可根据相量三角形计算 出正序分量和负序分量的有效值。 u j e a , b , c = 历丽五万忑而 汜4 。， ( 2 4 1 ) 热口呶搿，心觇、帅a c 相电贿弛 i i e a , b , c = 2 5 电压与频率偏差 2 5 1 电压偏差 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其输入电压出 现偏差时，其运行参数和寿命将会受到影响，影响程度视偏差大小、持续时间 和设备状况而异。电压偏差计算公式如下： 电压偏差( ) ：丛茎兰堕篆翥掣，。 c 2 4 4 ， 通过计算电压偏差，可以确定偏差值是否在允许的范围内。国标g b 1 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压允许偏差中规定了各电压等级下的电压偏差允许值，如 下表： 1 2 江苏大学硕士学位论文 表2 1 各电压等级电压偏差允许值( t a b2 1v o l t a g ed e v i a t i o na l l o wv a l u e ) 电压等级上限值允许偏差下限值允许偏差 3 5 k v 及以上 + l o 1 0 1 0 k v 及以下+ 7 7 2 2 0 v 单相 + 7 1 0 通过对监测电压超上限、超下限累计时间和总的电压监测时间计算电压合 格率，相应的电压超上、下限率，并以此来判断电压是否达标。 电压合格率计算方法如下： 电压合格率( ) = ( ，一毒繁器) ，。 c 2 4 5 ) 电压超上限率( ) = 毒篆勰t 。 ( 2 4 6 ) 电压超下限率( ) = 毒篆勰l 。 ( 2 4 7 ) 2 5 2 频率偏差 电力系统的频率偏差是指电力系统的实际频率偏离标称频率的程度，表示 方法：鲈= f f o ，频率一方面作为衡量电能质量的标准，需要加以监测；另 一方面，作为实施安全控制的重要状态反馈量，要求能实施重构。电能质量电 力系统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 中规定：电力系统频率偏差允许值为 0 2 h z ，当系统容量较大时可放宽到一0 5h z - 0 5h z ，用户冲击负荷频率一般不得 超过o 2 h z 。 系统的频率检测是通过f 2 8 1 2d s p 的e v a 事件管理器来捕捉正弦波的两个 上升沿，并计算两次捕捉的时间差，从而确定电压频率。电压频率表达式 厂= 志 ( 2 4 8 ) 式中：n - 一定时器计数数值。 江苏大学硕士学位论文 t 旷_ 定时器的时钟周期，单位为s 。 频率偏差的统计可以采用欧洲发电联盟( t h eu n i o nf o rt h ec o o r d i n a t i o no f p r o d u c t i o na n dt r a n s m i s s i o no f e l e c t r i t y u c p t e ) 推荐的方法来评价。从概率统计 的角度考虑，( 频率) 为随机变量，其数学期望值为标称频率a ，用i ，一ai 或( 厂以) 2 来衡量，同a 的靠近程度，因此，可用均方差。来表示，与数 学期望值a 的离散程度，即 s 丽 式中：n 为参与o - 计算时厂的样本数。 ( 2 4 9 ) 系统每秒采样一次，每1 5 分钟计算出一个6 值，然后通过6 的统计分析来 评价系统的频率偏差状况。 2 6 电压波动及闪变的测量原理与算法研究 2 6 1 电压波动 供电电压在两个相邻的、持续1 秒钟以上的电压均方根值u i 和u 2 之间的 差值，称为电压变动( v o l t a g ec h a n g e ) ，而一系列电压变动或连续变化则称为电 压波动。在国家标准中规定，电压波动值u l 是指电压调幅波( 工频5 0 h z 电压 幅值包络线的波形，如图2 2 所示) 中相邻两个极值电压均方根之差，常以标 称电压u n 的百分数来表示其相对百分值，即： d ：竺竺! 兰二竺业10 0 ( 2 5 0 ) u 式中u n 为标称电压值，u m i n 为最小值，u m 双为最大值。 1 4 江苏大学硕士学位论文 u 图2 2 频率为，的正弦波动电压( f i g 2 2s i n ef l u c t u a t i o nv o l t a g e ( y ) c h i v e ) 单位时间电压变动的次数称为频度，以r 来表示。单位一般以m i n 。1 或s j 表 示。频度通过计算相邻两个有效值极值之间的时间t r 来获得，r = 1 t r = 2 t 。 电压变动的频度r ( s 。) 为电压波动频率的2 倍，公式表示为： 胛小掣：掣 泣5 ， 电压波动通常被看成是以工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) 电压为载波的，其电压的 幅值受到以电压波动分量作为调幅波( 调幅波频率为0 0 5 3 5 h z ) 的调制。一 般情况下，可认为调幅波为各种频率分量的合成【1 3 】。 2 6 。2 闪变的算法研究 根据中国家标准电能质量电压波动和闪变的定义，闪变是灯光照度不 稳定造成的视感。因此，对闪变的评价必须以电光源的照度变化为基础。国际 上通常选择白炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。 决定闪变的主要因素有以下几条： ( 1 ) 供电电压波动的幅值、频率和波形。 ( 2 ) 照明装置的特性。电压波动对白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽 灯的功率和额定电压等有关。 ( 3 ) 人对闪变的主观视感。由于人作为主观感受者，不仅存在着地域、国家、 江苏大学硕士学位论文 年龄、性别的群体差异，还存在身体状况等个体差异。 世界各国电力系统的供电电压，频率不尽相同，照明装置的功率也千差万 别，因此在度量闪变时标准也各不相同。为了同国际先进标准接轨，我国在2 0 0 0 年重新修订了电压波动和闪变的国家标准，该标准( g b l 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) 已于2 0 0 0 年1 2 月1 日起实施。 下面是评价闪变的几个术语： ( 1 ) 闪变觉察率f ( ) 为了解闪变对人的视觉反映程度，i e c 推荐采用不同波形、频率、幅值的 调幅波和工频电压作为载波向工频2 3 0 v 、6 0 w 白炽灯供电照明，经观察者抽 样( 5 0 0 人) 调查闪变觉察率f ( ) 的统计公式： f ：- 竺竺1o o(252) ( 彳+ b + 1 c + d ) 式中a 没有觉察的人数。 b 一略有觉察的人数； c 一有明显觉察的人数； d 一不能忍受的人数。 ( 2 ) 瞬时闪变视感度s ( t ) 电压波动引起照度波动对人的主观视觉反应称为瞬时闪变视感度s ( t ) 。通 常以闪变觉察率f ( ) 为5 0 作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即定为s = i 觉察单位( u n i to f p e r c e p t i b i l i t y ) 。与s = i 觉察单位相对应的各频率电压波动值v ( ) ，表2 2 是研究闪变的实验依据。 表2 2 对应i e c 标准的数字式闪变检测s 值列表( t a b 2 2i e cs t a n d a r dsv a l u et a b l e ) 1 6 江苏大学硕士学位论文 1 0 00 2 6 20 2 0 51 0 1 01 0 0 2 ( 3 ) ，视感度系数k ( ，) 人的脑神经对照度的变化有最低的记忆时间，高于某一频率的照度波动普 通人觉察不到，闪变是经过灯一眼一脑环节反映人对照度的主观视感，引入视 感度系数k ( ，) 可以更为本质地描述灯一眼一脑环节的频率特性。 i e c 推荐的视感度系数 k ( 班嚣焉慕器器 5 3 ， i 丁l = ： ，) j v7 产生同样视感度的触正弦电压波动 ( 4 ) 短时间闪变值p s t ( s h o r tt e r ms e v e r i t y ) 衡量短时间( 若干分钟) 内闪变强弱的一个统计量值。p s t = 1 为闪变引起视 感刺激性的通常限值。 ( 5 ) 长时间闪变值p i t ( 1 0 n gt e r ms e v e r i t y ) 由短时间闪变值p 。推算出反映长时间( 若干小时) 闪变强弱的量值。 i e c 闪变标准规定低压和中压电网的闪变兼容值为p s t = l ，这是针对工频 ( 5 0 h z 或6 0 h z ) 标称电压为2 3 0 v 的照明供电。对于高压网和中压网一般不 直接连接照明设备，但是公认需要给出闪变的规划值(