（检测技术与自动化装置专业论文）基于fpga的嵌入式电能质量监测系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的迅速发展，用电负荷快速增加，其中非线性负荷更 是增加迅猛。这些负荷在提高生产力的同时，也恶化了电力系统的电能 质量，而用电设备对供电电网的可靠性和安全性要求越来越高，因此需 要对电网的各种运行参数进行实时监测，并根据检测的数据分析电网的 运行质量，来预防因供电质量引起的用电设备故障和生产事故。 本文综述了电能质量相关的概念及标准，根据我国制定的电能质量 标准的主要几个方面内容，分析了产生电压偏差、频率偏差、谐波含量、 电压波动和闪变、三相电压不平衡等影响电能质量的原因，及其可能对 用电设备造成的危害，详细说明了各电能指标的测量方法，并在此基础 上完成了对各电能质量指标参数测量的软件编写。 本系统使用创e r a 公司的f p g a 作为电能质量监测系统的数据处 理器件，f p g a 内部模块电路全部使用v e r i l o g h d l 语言编写，同时引 入了n i o si i 软核处理器，使得电能质量分析算法可以完全用c 语言实 现，简化了应用系统软件的设计，具有较高的灵活性，同时提高了软件 的可重用性，减少软件的重复开发，提高了应用算法的研发效率。本文 对f p g a 相关的软硬件设计作了详细的介绍。 通过试验证明了软件设计的正确性，同时验证了在电能质量分析装 置中完全采用f p g a 作数据处理的可行性。 关键字：电能质量；f p g a ；n i o si i ；f f t ；闪变 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dp o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e0 1 1f p g a a b s t r a c t t h en u m b e ro fe l e c t r o 1 0 a di s i n c r e a s i n ga l o n g w i t ht h e q u i c k d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , e s p e c i a l l yf o rt h en o n l i n e a rl o a d b u t t h el o a d sa r e d e t e r i o r a t i n gt h ep o w e rq u a l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m ，w h i l e t h o s el o a d si n c r e a s ep r o d u c t i v i t y a n di t sm o r ea n dm o r ei m p o i r t a n tt h a tt h e d e p e n d a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fs u p p l y i n gp o w e rn e t w o r ka r er e q u i r e df o rt h e c o n s u m i n gp o w e re q u i p m e n t ，w h i c hn e e d st om o n i t o ra l lk i n d so fo p e r a t i o n p a r a m e t e r so ft h ep o w e rn e t w o r ki nr e a lt i m e ，a n dp r e v e n t st h ep o w e r c o n s u m i n ge q u i p m e n tf a i l u r ea n dp r o d u c t i o na c c i d e n tc a u s e db yp o w e r s u p p l yq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h er u n n i n gq u a l i t yo ft h ed a t aa n a l y s i sp o w e r n e t w o r km e a s u r e d t h ed e f i n i t i o na n dt h es t a n d a r do ft h ep o w e r q u a l i t ya r ed i s s e r t e di nt h e p a p e r a c c o r d i n gt os e v e r a lm a i n l yr e s p e c t so ft h es t a n d a r do fp o w e rq u a l i t y m a d ei no u rc o u n t r y , t h ep a p e ra n a l y z e st h er e a s o n sw h yt h ep h e n o m e n ao f v o l t a g ed e v i a t i o n ，f r e q u e n c yd e v i a t i o n ，h a r m o n yc o n t e n t ，u n e v e ni nv o l t a g e t h r e e p h a s e ，v o l t a g ef l u c t u a t i o na n d f l i c k e rw e r eh a p p e n e d a l lt h e s ef a c t o r s p r o b a b l yc a u s ep o w e rc o n s u m i n ge q u i p m e n tf a i l u r ea n dp r o d u c t i o na c c i d e n t t h em e t h o d so fm e a s u r i n ga l li n d e x e so f p o w e rq u a l i t ya r ea l s oi n t r o d u c e d d e t a i l e d l yi nt h ep a p e r a tt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , c o m p i l i n gt h ep r o g r a m f i l e so fa l li n d e x e so fp o w e r q u a l i t yi sa c c o m p l i s h e d f p g ai su s e da st h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro ft h ep q m s y s t e m ，w h i c h i sm a d ei na l t e r a c o m p a n y t h eh a r d w a r em o d e li nf p g a i sc o m p i l e db y u s i n gv e r i l o g h d ll a n g u a g e ，t h ed e s i g no fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ei ss i m p l i f i e d b yu s i n gcl a n g u a g et oc o m p i l et h ep r o g r a mf i l e sa n dt h en i o si ip r o c e s s o r 3 t h ep r o g r a mc a nb et r a n s p l a n t e de a s i l y , t h a ti sh e l p f u l t ol m p r o v et h e c o m p i l e de f f i c i e n c yo ft h ea r i t h m e t i ca n d t oi m p r o v et h er e u s e da b i l i t yo f t h e s o f t w a r ew h i c hc a nr e d u c et h en u m b e ro f t h er e w r i t i n gs o f t w a r e t h ed e s i g n o fs o r w a r ea n dh a r d w a r ea b o u tf p g a i si n t r o d u c e di nt h ep a p e ri nd e t a i l e x p e r i m e n t a t i o n sp r o v e dt h ee x a c t n e s so ft h e s o f t w a r ed e s i g n ，a l l d v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gf p g ap r o c e s sd i g i t a li nt h ep o w e rq u a l i t y a n a l y t i c a li n s t r u m e n t k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；f p g a ；n i o s i i ；f f t ；f l i c k e r 4 独创性声明 本人声明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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 中多月笋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定， 即：我院有权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。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部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。 ， 保密在 么年解密后适用本授权书。 | 本论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名： 旁瓮以 似刁年h 字目 特撕签名：僻垮 锣年9 钼珀 。 第1 章绪论 第1 章绪论 随着科学技术和社会经济的飞速发展，电能作为现代社会中最为重 要的二次能源，应用越来越广泛，其应用程度已经成为一个国家发展水 平的主要标志之一【1 】，与此同时，各行各业对电力系统供电质量的要求 也越来越高，电能质量对电力系统电网和电气设备的安全、经济高效运 行，产品质量保证以及维护人们日常生产和生活的正常秩序都有着重 要意义，因此电能质量问题也越来越受到人们的关注。 1 1 课题研究的背景和意义 一方面，由于高压直流输电系统的应用和大量的变频器、整流器、 电弧炉等非线性负荷的接入，使得电网中的谐波污染情况日益严重，谐 波含量不断增加；由于电气化铁路、电弧炉和电焊机等单相大容量负荷 在三相系统中的容量和电气位置的分布不合理，使得局部电网的三相不 平衡情况比较严重；由于大容量轧钢机、电弧炉等冲击性负荷的接入， 使得电网中电压波动与闪变现象时有发生。这些问题的存在使电力系统 的电能质量受到了严重的影响和威胁，使公用电网供电质量日益恶化， 甚至发生因谐波干扰而引发的安全事故，严重地威胁着电力系统的安全 和经济运行【2 1 。 另一方面，近年来大量对电能质量敏感的精密仪器和设备在电力系 统中得到了广泛的应用，由电能质量低劣造成的经济和社会损失日益增 加。例如，半导体制造业对于当今经济社会是十分重要的，一个芯片的 生产过程需要较长的时间，其中一个持续8 0 毫秒的电压暂降就会造成 上百万美元的损失。与我们日常生活息息相关的塑料、化工行业，需要 使用大容量的电机及驱动装置，生产工艺过程需要连续不断地运行，一 旦电能质量不能达到要求而使生产中断，就需要花费很长的时间来重新 启动，在这个过程中可能会造成数十万美元的损失。而电能质量对于商 业及数据处理中心的正常运行是至关重要的，一个短暂的电压暂降或电 武汉工程大学硕士学位论文 压中断就会使他们丢失很多重要的数据，给国民经济带来无法估量的损 失。据美国官方统计j 近2 0 年来全球范围内因电能质量引起的重大电 力事故己达2 0 多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的国民 经济损失高达3 0 0 亿美元【3 】。 随着各国电力市场的逐步建立、成熟，电能作为一种特殊的商品己 经不可避免地迈入市场化的大门，在电力市场这个开放竞争的环境中， 电能的质量与其经济效益结合得更加紧密。因此，电能质量问题己不仅 仅是一个电力行业的专业技术问题，还是一个重要的经济问题，对各国 经济的发展起着重要的作用，逐渐成为了发、供、用电部门共同关注的 重要问题。而要解决电能质量问题，首先就需要建立电能质量各项指标 的监测和分析系统，并对其进行正确地检测、定位、评估和分类。很显 然，测量是解决这一问题的第一步：通过测量获得电能质量各项指标的 基础数据，对各种数据进行分析处理，从中发现规律，为最终解决电能 质量问题提供依据。只有及时、准确的监测电能质量的各项指标并对其 进行分析、统计，才能找出电能质量存在的问题及其严重程度，从而得 出治理和改善方法，而采取的治理和改善方法是否有效也只能由测量结 果来验证，因此对电能质量监测系统进行研究和开发具有积极的现实意 义。 1 2 电能质量监测技术的发展现状 电能质量问题已引起各国的广泛重视，各国均在加强有关电能质量 问题的研究，尤其是在工业发达国家，电能质量问题己被视作电力系统 的一个重要问题。早在1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 就颁布了公用配电系统供电特性文件( c e n e l e cc l c b t t f 6 8 6 ( s e c ) 1 5 ) ，作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准。相应地，以i e e e s t d5 1 9 1 9 9 2 和i e e es t d1 1 0 0 1 9 9 2 等为代表的美国标准也较为详细地 规定了电力系统谐波、电压缺口、闪变等现象的定义、测量以及减轻的 措施。1 9 9 3 1 9 9 5 年，美国e p r i 在全国范围内进行了大规模的电能质量 普查，得到了大量的电能质量数据，并组织开发了电能质量诊断系统 第1 章绪论 p q d s ( p o w e rq u a l i t yd i a g n o s t i cs y s t e m ) 。19 9 6 年i e e e 每两年召开一次 的电力谐波国际学术会议( i c h p s ) 更名为电力谐波与电能质量国际学术 会议( i c h q p ) ，把电能质量提高到一个新的高度来认识【2 】。 相对国外而言，我国国家技术监督局也发布了相关的国家标准：电 能质量供电电压允许偏差( g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 、电能质量电力系统频 率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、电能质量公共电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 、电能质量供电电压允许波动闪变( g b t1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 等，这些标准对 电力系统中电网质量的测量方式、测量精度及测量数据的处理等问题做 出了规定和说明。 目前国内外所采用的电能质量分析方法大致有三种f 3 】： ( 1 ) 时域仿真方法。该方法在电能质量分析中的应用最为广泛， 其主要用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现 象进行研究。目前通用的时域仿真程序主要有e m t p 、n e t o m a c 、b p a 等系统暂态仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、m a t l a b 等电力电子仿真程 序。这些仿真程序在不断的发展中，其功能日益强大，还可以利用它们 进行电力设备、元件的建模和电能质量波形分析。 ( 2 ) 频域分析方法。该方法主要用于电能质量中谐波问题的分析， 包括频率扫描、谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性， 近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法，即在常规的谐波潮流计算 基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求 出各次谐波电流矢量，从而得到谐波潮流。 ( 3 ) 基于变换的方法。这里主要指f o u r i e r 变换方法、短时f o u r i e r 变换方法和w a v e l e tt r a n s f o r i l l 小波变换方法。 电能质量的监测方式大致也有三种【3 i ： ( 1 ) 专门测量，即对各种干扰负荷或补偿设备在接入电网前后， 测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关标准相 对照，决定其是否可投入运行。 ( 2 ) 定期或不定期测量，即针对普通电力干扰源，根基干扰的大 小、危害程度和需要等采取定期或不定期的监测方式。定期监测多用于 武汉工程大学硕士学位论文 电网电能质量的定期普查，主要目的是全面了解电网的电能质量水平和 干扰源的特性。不定期监测主要是针对电力用户的特殊电能质量问题进 行监测分析。 ( 3 ) 在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测，即对 于大型干扰源必须按照国家标准对电压偏差、频率偏差、三相不平衡、 谐波、电压波动与闪变等指标进行连续跟踪监测。， 近年来，发达国家在研制和使用电能质量监测仪方面发展较为迅 速，仪器的性能先进，适用范围广，且耐用可靠，但价格较为昂贵，在 测量功能、测量通道和数据齐全等方面也存在不同程度的缺陷。相比之 下国内电能质量测量仪器价格较低，但是制造工艺较差，可靠性和精度 方面尚未通过严格考核，大多数厂家采用的是单片机或工控机结构，性 能单一、通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂，对电能质量各项指 标的监测大多数还处在专门监测和定期或不定期监测阶段，不能形成对 电能质量的长期连续监测，在电能质量问题日益严重的今天，电能质量 监测装置和技术应向在线监测方向发展，并形成网络化，对各地区的多 个监测点进行全面的监测分析，建立起能够真正表征电能质量的数据库 【4 】。国外著名的电能质量分析仪制造商如美国的f l u k e ，它的产品功能 繁多，价格昂贵，难以为国内绝大多数企业接受，因此，提高电能质量 监测的新技术、新装置已成为近年来我国电力系统研究领域中新的研究 热点【5 】。随着电力体制和电力市场化改革的深入进行，国内电力相关部 门以及很多学术单位都已经开始了新型电能质量监测系统的设计和研 制。 1 3 本文研究的主要内容 基于f p g a 的嵌入式电能质量监测系统是利用计算机技术， s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术和网络通信技术，组建的一套 电能质量在线监测网络，能够对供电电压允许偏差、电力系统频率允许 偏差、公用电网谐波、电压允许波动与闪变、三相电压允许不平衡度 等电能质量参数进行在线监测、实时分析和处理。因为系统是建立在网 第1 章绪论 络平台上，也可以对被测区域内各变电站所有测量点的数据进行收集汇 总处理，以分析电网谐波的变化规律，为预先解决电网电能质量故障隐 患，事后分析事故原因和电能质量问题综合治理提供可靠保证。论文主 要工作包括： ( 1 ) 硬件电路的设计，主要包括9 通道数据采集模块电路设计、数 据存储模块电路设计、及f p g a 相关模块电路设计等； ( 2 ) 在f p g a 上搭建基于n i o si i 的嵌入式系统平台，主要包括n i o s i i 软核c p u 的设计，以及相关外围设备i pc o r e 的设计； ( 3 ) 用c 语言在n i o si i 嵌入式系统平台上实现电能质量分析算法， 主要包括谐波分析、闪变计算、三相不平衡度的计算等； ( 4 ) 实现数据的存储与传输。 第2 章电能质量的各项指标及测量 第2 章电能质量的各项指标及测量 为了系统地了解、分析研究电能质量现象，并能够对电能质量引起 的问题或测量结果进行分析和判断，从而找出引起电能质量问题的原因 和采取针对性的解决办法，将电能质量现象进行科学、合理的分类和给 出相应的定义或规定是很重要的。 2 1 电能质量相关概念 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦波形， 按规定的电压水平( 标称电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中， 各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 。的对称状态。 由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性或对 称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、 外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不存在，而由此 产生了电网运行、电器设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电 能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念【2 】o i e c ( 国际电工委员会) 标准将电能质量定义为：导致用电设备故 障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电 压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动 和闪变等。 参照文献i e e e s t d l1 0 0 1 9 9 2 ，各种主要电能质量问题的现象定义 如下【6 】： ( 1 ) 电压闪变( f l i c k e r ) ：输入电压的波动持续时间足以影响到电灯 亮度，使之可以被人肉眼观察到。 ( 2 ) 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) ：电网频率的增加或减少。频 率变动的持续时间可从几个周期到几个小时。 ( 3 ) 电压电流谐波畸变( h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ：相对于纯粹正弦波 的畸变。 武汉工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 电力中断( i n t e r r u p t i o n ) ：在一段时间内电压小于0 1 u n ( 额定 电压) ，持续时间在半个周波到3 s 之间为瞬时中断( m o m e m a r y i n t e r r u p t i o n ) ，持续时间在3 s 到l m i n 之间为短时中断( t e m p o r a r y i n t e r r u p t i o n ) ，其余为持续中断。 ( 5 ) 电压缺口( n o t c h ) ：由于开关( 或其它) 对正常电压波形产生扰 动，持续时间小于半个周期。 ( 6 ) 跌落( s a g ) 与欠电压( u n d e r - v o l t a g e ) ：交流电源有效值减少， 前者持续时间从半个周期到l m i n ，电压降为( 0 1 0 9 ) u n ；后者大于l m i n ， 幅度( o 8 0 9 ) u n 。 ( 7 ) 电压上凸( s w e l l ) 与过电压( o v e r - v o l t a g e ) ：交流电压有效值的 增加，持续时间前者为半个周期到1 m i n ，有效值为( 1 1 1 8 ) u n ；后者则 大于l m i n ，有效值为( 1 1 1 2 ) u n 。 2 2 电能质量的标准 目前在国际上流行的主要有两大电能质量标准，分别是i e e e 标准 和i e c 标准，我国在参考两大电能质量标准的基础上，结合自己国家的 国情，制定出自己的电能质量标准。 2 2 1i e e e 电能质量标准 i e e e 关于电能质量的标准主要有【6 1 【8 1 ： ( 1 ) i e e es t d1 1 0 0 1 9 9 2 ： ( 2 ) i e e es t d5 1 9 1 9 9 2 ： ( 3 ) i e e es t d11 5 9 1 9 9 5 。 2 2 2i e c 电能质量标准 1 9 8 9 年，欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准。1 9 9 2 年7 月 欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 正式颁布公用配电系统供电特性 第2 章电能质量的各项指标及测量 文件( c e n e l e c b t 。t f 6 8 6 ( s e c ) 1 5 ) ，作为欧洲共同市场对电能质量 的统一标准，并已为国际电工委员会( i e c ) 采用。标准共分为5 大类1 3 个标准，包括频率、电压( 电压偏差、电压波动及闪变、短时和长期停 电、暂态过电压) 、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压等1 9 1 1 0 1 。 2 2 3 我国电能质量标准 我国关于电能质量的指标主要有以下几个方面【1 1 卜【1 6 】： ( 1 ) 电压偏差，参见电能质量供电电压允许偏差( g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) ； ( 2 ) 频率偏差，参见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 ) ； ( 3 ) 谐波含量，参见电能质量公共电网谐波( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) ； ( 4 ) 电压波动和闪动，参见电能质量供电电压允许波动闪变 ( g b t12 3 2 6 2 0 0 0 ) ； ( 5 ) 三相电压不平衡，参见电能质量三相电压允许不平衡度 ( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ； ( 6 ) 瞬态过电压，参见电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 。 以上这些指标即是电能质量的技术性指标，是从供电是否合格的角 度提出的。 2 3 电能质量各项指标的测量方法 针对我国目前对电能质量的研究、分析和监测，电能质量指标应该 包括供电电压偏差、电力系统频率偏差、公用电网谐波、电压波动和闪 变、三相电压不平衡度、暂态或瞬态过电压、电压暂降与短时中断以及 供电可靠性等几个方面。 电能质量标准中虽然不包括功率及功率因数的检测指标，但是有功 功率、无功功率、视在功率、功率因数以及电压、电流有效值都是电力 武汉工程大学硕士学位论文 系统的重要参数。它们的测量通常采用数字化方法，即对三相电压、电 流分别进行等间隔采样，采样频率必须符合采样定理，可得到离散化序 列) 、纯) ，则电压有效值和电流有效值的计算公式分别为： u = 晤n - 1 i = 晤n - ! 式中，u k 第k 个时间间隔的电压采样值； 第k 个时间间隔的电流采样值； 一个周期内的采样点数。 有功功率p 定义为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 尸= ；i + r p ( f ) d z = ；= r + r “( f ) f ( f ) d z ( 2 - 3 ) 若每周期采样点，将上式离散化： 视在功率s 定义为： 尸= 专弘 其中u ，分别为电压和电流的有效值。 三相功率为： ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第2 章电能质量的各项指标及测量 功率因数： 2 3 1 电压偏差的测量 p 2 专( 荟“t + 丢“擞+ 荟i v - | “仅如) 1 1 ，一l j 一l s = u a i a + u b i b + u c i c c o s q ，= e s ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 电压偏差( v o l t a g ed e v i a t i o n ) 指供电系统在正常运行方式下，某一节 点的实际电压与系统标称电压( 即额定电压) 之差与系统标称电压之比 的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为： u ：竺丝二坠1 0 0 ( 2 9 ) u n 其中，u 电压偏差，k v ； u 。实际电压，l 【v ； u 统标称电压，k v 。 电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时都会发生变化，系统故 障等因素都会引起电力系统功率的不平衡。当系统无功功率不平衡时， 系统的电压就会发生变动，出现电压偏差。系统无功功率不平衡是引起 系统电压偏差的根本原因。当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运 行性能就会恶化，不仅运行效率降低，还可能影响它们的使用寿命，严 重影响人们的正常生活。电压偏差过大情况严重时，甚至会导致电力系 统崩溃，造成系统解列，给国民经济带来巨大的损失。因此我国国标中 规定了供电电压的允许偏差【1 i j ： ( 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电 武汉工程大学硕士学位论文 压的1 0 ： ( 2 ) 1 0 k v 及以下三相电压允许偏差为额定电压的4 - 7 。 ( 3 ) 2 2 0 k v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 、1 0 。 对于用电设备额定电压允许偏差值仍由各自的标准规定，例如：电 动机允许电压偏差是+ 5 1 0 ，要求高的照明灯允许电压偏差是 十5 o 2 5 等。该标准对于数据统计方法没有明确规定。 2 3 2 频率偏差的测量 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) 是指在电力系统正常运行条件下，系 统频率的实际值与标称值( 5 0 h z 或6 0 h z ，我国采用5 0 h z 标准) 之差。 用公式表示为： a f = 咤一l r ( 2 1 0 ) 其中，频率偏差，h z ； 丘实际频率，h z ； 厂系统标称频率，h z 。 由于电力系统中的负荷在不断变动其大小，发电机组的出力及其调 节系统随负荷变化又有一定的惯性，当发电机与负荷间出现有功功率不 平衡时，系统的频率就会发生变动，出现频率偏差。系统有功功率不平 衡是产生频率偏差的根本原因。电力系统的频率是衡量电能质量的重要 指标之一，我国国标中也规定了频率偏差允许值【1 2 】： ( 1 ) 电力系统正常频率偏差允许值为0 2 h z 当系统容量较小时偏 差值可以放宽到0 5 h z 。 ( 2 ) 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0 2 h z ，根据 冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区 电力网、发电机组和用户的安全稳定运行以及正常供电。 关于频率测量的研究，国内外己经有很多的成果。通常采用的方法 是周期法。周期法也即零交法，是通过测量信号波形相继过零点的时间 第2 章电能质量的各项指标及测量 宽度来计算频率的。该方法概念清晰、易于实现，但精度低，受谐波、 噪声和非周期分量的影响较大，实时性不好。对它的改进主要是提高测 量精度和实时性。改进方法有：水平正交法、高次修正函数法和最d x - - 乘多项式的曲线拟和法，这些方法计算量和复杂度也相应变大。另外还 有一些其它的方法：解析法、误差最小化原理类算法、d f t ( f f t ) 类算 法及其改进算法、正交调制法等。 2 3 3 谐波的测量 谐波( h a r m o n i c ) 的国际公认定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦 波分量，其频率为基波频率的整数倍 。为了定量表示电力系统正弦波 形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小来表示【l 3 1 。 ( 1 ) 畸变波形的方均根值 周期性电流和电压的瞬时值都随时间而变，在工程实际中常采用方 均根值这个数字特征量来衡量电流和电压的大小。以周期电流砸) 为例， 它的方均根( 有效值) 定义为： i = 取磊 ( 2 11 ) 在时域分析中，可将一个周期丁分解成个等时间间隔叫，对f ( f ) 作n 次等间隔采样。设f 。时刻的电流采样瞬时值为t ，则此电流的方均 根值的算式： i = 隰= 晤。 在频域分析中，此电流均方根值的算式： ( 2 1 2 ) 武汉工程大学硕士学位论文 = j ? + ，；+ ，；+ + ；+ = ，f - z , ； ( 2 - 1 3 ) vh = l 由此可见，非正弦周期性电流的方均根值，等于其各次谐波电流的 方均根值的平方和的平方根值。所以，非正弦量的方均根值只和其所含 各次谐波的方均根值有关，而与他们的相位无关。电压方均根值有相同 的定义和形式： 值。 u = u ? + u ；+ u ；+ + u ：+ = 、u ； ( 2 1 4 ) y = l ( 2 ) 谐波电压、电流总量 谐波的电压、电流总量定义为除去基波以外的各次谐波的均方根 谐波电压总量： 谐波电流总量： u = u ；+ ( ，；+ + u ；+ = 1 u ； ( 2 1 5 ) yh = 2 j = ，；+ ，；+ + 露+ = 1 露 yh = 2 ( 3 ) 谐波含有率( 胍) 某次谐波在电压和电流的波形中含有率，反应畸变波形中谐波所占 的比率。电压畸变波形的第h 次谐波电压含有率等于其第h 次谐波电压 方均根值与其基波电压方均根值u ，的百分比： h r u = u , u l x1 0 0 ( 2 17 ) 第2 章电能质量的各项指标及测量 电流畸变波形的第h 次谐波电流含有率等于其第h 次谐波电流方均 根值，。与其基波电流方均根值的百分比： h r h = ih | l x 1 0 0 ( 、2 - 1 8 b ( 4 ) 总谐波畸变率( t i d ) 电压和电流波形畸变的程度，常以其总谐波畸变率来表示，作为衡 量电能质量的一个指标。各次谐波含有率的平方和的平方根值称为总谐 波畸变率t h d ，简称畸变率d f ，表示畸变波形因谐波引起的偏离正弦 波形的程度。用公式表示为： 觋专筚枷。 册，：颦川。( 2 - 2 0 ) 。 其中，弛d ，电压总谐波畸变率； t h d ，电流总谐波畸变率； “电压各次谐波均方根值； ，。电流各次谐波均方根值； u 。电压基波均方根值； l 电流基波均方根值； m 所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确 度要求决定，通常取m 5 0 。 电力系统中的非线性负荷是造成波形畸变的主要根源。谐波的污染 和危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面，谐波会引起用电设备 的附加损耗、发热和振动、降低寿命、还会使重要的和敏感的自动控制、 武汉工程大学硕士学位论文 保护装置误动作等。 谐波的分析算法是电能质量分析中最为核心的部分。因为谐波测量 算法的中间过程，就能得出基波的频率、电压电流的各次谐波的幅值大 小和相位，从而很容易得算出频率偏差，电压偏差和三相不平衡。目前 常用的谐波检测算法按原理可分为：模拟滤波器检测算法、基于瞬时无 功功率理论的谐波检测算法【1 7 】【1 8 】、基于傅立叶变换的谐波检测算法 【1 9 】f 2 0 】【2 1 】、基于神经网络的谐波检测算法【2 2 】、基于小波变换的谐波检测算 法【2 3 1 。这些算法各有自己的优缺点，综合在实际应用中的考虑，在设计 中选用基于傅立叶变换的谐波检测算法。 傅立叶变换方法作为经典的信号分析方法具有正交、完备等许多优 点，而且还有诸如快速傅立叶变换( f f t ) 这样的快速算法。傅立叶变换 是时域到频域相互转换的工具，其实质是把波形分解为许多不同频率的 正弦波的叠加和，能够把信号的时域特征和频域特征联系起来，分别从 时域和频域对信号进行观察。它是刻画函数空间和进行数值计算的主要 方法和有效的数学工具，许多常见的微分、积分和卷积运算在傅立叶变 换下均可简化为一般的代数运算。基于上述优点，在电能质量分析领域， 傅立叶变换得到了广泛的应用。 快速傅立叶变换最早由j w t u k e y 和j w c o o l e y 于1 9 6 5 年提出， 它是利用矽因子的对称性( 嘭) = 础和周期性暇= 嘴+ 1 弦，将长序列的 傅立叶变换分解为若干短序列的傅立叶变换，然后将其合并，使得n 点 的乘法计算量大大降低。随后，围绕这一算法的新方法不断涌现。迄今 为止，快速傅立叶变换主要可以分为两大类：一个是针对等于2 的整 数次幂的算法，如基2 算法、基4 算法和分裂基算法等。另一种是针对 不等于2 的整数次幂的算法，如因子算法和w i n o g r a d 算法。以比较 经典的按时间抽取基2 - f f t 算法为例，它是将输入序列在时域上的次数 按奇数和偶数来抽取，对于一个任意n = 2 m 点长序列的离散傅立叶变换 的运算，可以通过采用m 次分解，最后达到了n 2 个两点的离散傅立叶 变换的运算，从而构成了两点的离散傅立叶变换运算的组合，从而大大 降低了运算量。 在进行谐波分析时，一般都是对电压及电流两个时间信号同时进行 第2 章电能质量的各项指标及测量 采样，同时做频谱分析，以便快速给出它们的谐波幅值、相角以及谐波 功率等。对于离散的时间序列) 、瓴) ，由于它们的频谱序列是实序列， 故可做成复序列一起进行快速傅立叶变换计算。 2 3 一波动与闪变的测量 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或工频电压包络线 的周期性变化。电压波动值为电压均方根值的两个极值u 一和u 曲之差。 i e e e 相关文件中给出的典型电压波动范围为o 1 7 ，变化频率小于 2 5 h z 。 闪变( f l i c k e r ) 是指电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视 感反映，通常都是以白炽灯的工况作为判断电压波动值是否能引起闪变 的依据。从严格的技术角度讲，电压波动是一种电磁现象，而闪变是电 压波动对某些用电负荷造成的有害影响，是指人对照度波动的主观视觉 反映，不属于电磁现象n 引。电压波动的公式为： d ：竺竖二坠1 0 0 ( 2 2 1 ) u n 其中，u 懈、u 曲电压均方根值变化中相邻的两个极值；k v ； u 系统标称电压，k v 。 配电系统的短路故障或开关操作、大型整流装置设备的投切等许多 原因都能导致电压波动，而频繁发生且持续时间较长的电压波动更多地 是由大功率波动性负荷的投运变化所致1 2 4 1 。电压波动会引起闪变，但并 不是所有的电压波动都会引起闪变，决定闪变的因素十分的复杂，主要 有：供电电压波动的幅值、频度和波形；照明装置，以对白炽灯的照度 波动影响最大，而且与白炽灯的额定功率和额定电压等有关；人的主观 视感。 电压波动常会引起许多电子仪器和设备、计算机系统、自动控制生 产线以及办公自动化设备等不能正常工作，或受到损坏。电压快速变动 武汉工程大学硕士学位论文 会使电动机转速不均匀，这不仅危及电动机本身的安全，而且还会大大 影响生产企业的产品质量。电压波动还会引起照明光源的闪烁，使人眼 感到疲劳甚至难受，影响人们的正常工作和生活。我国国标中对电压波 动和闪变的限值做了规定【1 4 】。 1 、电压波动和闪变的限值 ( 1 ) 电力系统公共连接点，由被动负荷产生的电压变动限值和变 动频率、电压等级有关，见表2 1 。 表2 - 1电压变动限值 d ， r , h 一1 l v 、m vh v r 143 l ，1 032 5 1 0 r 1 0 0 2 1 5 1 0 0 ，1 0 0 01 2 5l 注： 1 很少的变动频度，( 每日少于1 次) ，电压变动限值d 还可以放宽，但不在本标准中规定。 2 对于随机性不规则的电压波动，依9 5 概率大值衡量，表中标准“半”的值为其限值。 3 本标准中系统标准电压u 等级按以下划分： 低压( l v ) u ，l k v 中压( m v ) l k v u ，一 3 5 k v 高压( h v ) 3 5 k v u | 一 2 2 0 k v ( 2 ) 电力系统公共连接点，由被动负荷引起的短时间闪变值只和 长时间闪变值只应满足表2 2 所列限值。 2 、电压波动与闪变的测量 常用的几种闪变仪中电压波动的检测方法有：平方检测法、整流检 测法、有效值检测法【2 5 1 。平方检测法较适合于用数字信号处理的方法构 成新式的闪变仪，所以在i e c 推荐的闪变仪中采用平方检测的方法。 第2 章电能质量的各项指标及测量 表2 - 2各级电压下的闪变限值 系统电压等级l vm vh v 只 1 o0 9 ( 1 0 )0 8 异 o 80 7 ( 0 8 )0 6 注： 1 本标准中只和兄每次测量周期分别取为l o m i n 和2 h 。 2m v 括号中的值仅适用于p c c 连接的所有用户为相同电压等级的用户场合。 为检测出电压波动分量，通常将电压波动看成以工频电压为载波 ( 5 0 h z 或6 0 h z ) ，其电压的方均根值或峰值受到以电压波动分量作为调 制波的调制。对于任何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成。 为使分析简化又不失一般性，可只分析单一频率的调幅波对工频载波的 调制，将电压的瞬时值解析式写为： 材( f ) = a ( 1 + m c o s d t ) c o s c o t ( 2 2 2 ) 式中，彳工频载波电压的幅值； 缈工频载波电压的角频率； m 调幅波电压的幅值； q 调幅波电压的角频率。 求电压波动就是要解出调幅波v = m c o s q t ，在用数字方法来计算电 压波动时，一般采用平方检波的方法来检出电压波动，先把采样点进行 平方，即有： 以归等争蒯2c o s f 2 t + 华c o s 2 q ， + 等争c o s 2 耐+ 竿c o s 2 c 国删r 武汉工程大学硕士学位论文 + 华c o s 2 ( 缈- q ) ，+ 等c o s ( 小卿 + 等c o s ( 2 c o - f z m 再经过0 0 5 3 5 h z 的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分 量便可检测出调幅波，即电压波动分量