（电气工程专业论文）配电网电能质量实时监测与管理系统及治理措施研究.pdf

配电网电能质量实时监测o j 管理系统及治理描施研究 摘要 随着电力系统非线性负荷及冲击性负荷的不断增加，电能质量问题同益突出， 而社会对电能质量的要求却越来越高。改善电能质量的关键，首先是能够对电能 质量进行全天候、全方位的实时监测和管理。为此本文研发了一种配电网分层分 布式电能质量实时监测与管理系统。该系统目前已在广西电网某1 1 0 k v 变电站成 功运行，为该地区提供大量电能质量数据，并为进一步的电能质量综合治理提供 依据。 首先，本文简要介绍了电能质量的定义、分类、指标和相关国家标准，重点 分析了目前常用的几种谐波检测方法的优缺点和适用范围，并根据现场需求对快 速傅里叶变换( f f t ) 法进行了技术改进，以此作为本系统的谐波检测方法。 其次，针对变电站的整体构造和电气设备分布，设计了分层分布式结构，将 本系统分为三层。其中，现场间隔层负责对电网实时数据进行采集，以及与前置 机通讯；网络通信层连接管理应用层和现场间隔层，负责将从底层采集到的数据 按约定格式打包处理并传递给上层系统；管理应用层是用户接口部分，实现站内 实时信息的汇总和数字、波形、图表等多种形式的显示，并具有电能质量实时治 理仿真以及系统管理的功能。接着，详细介绍了系统各层的硬件组成和软件设计， 包括现场间隔层基于d s p 的检测终端，网络通信层的数据采集、数据发布模块，以 及管理应用层电能质量管理系统。 然后，针对广西电网某110 k v 变电站电能质量的现状和需求，分析了常用三种 电能质量综合治理措施的优缺点和在本电站中的适用情况，为了克服注入式混合 型有源滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hl n j e c t i o nc i r c u i t ：i h a p f ) 注入支 路谐波注入能力与无功过补的矛盾，提出一种新型的双谐振注入式混合型有源滤 波器( h y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e rw i t hd o u b l e r e s o n a n c ei n i e c t i o nc i r c u i t ：d i h a p f ) ， 给出了拓扑结构，分析了谐波抑制原理与谐波放大情况以及无功补偿特性，介绍 了其谐波检测与控制方法，并通过p s l m 仿真验证了其先进性和有效性。 最后进行现场安装和调试，同时根据现场电能质量的监测结果，进行了治理 方案实施的初步设计，为电能质量治理工程实践的展开提供理论指导和技术参考。 关键词：实时系统；电能质量监测与管理；分层分布式结构；改进型快速傅里叶 变换法；实时治理仿真；双谐振注入式混合型有源滤波器 l l 硕i ：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，a n dt h ei n c r e a s e dn o n l i n e a ra n di m p a c t l o a dw e r eu s e d ，t h ep r o b l e mo fp o w e rq u a l i t yi sm o r ea n dm o r er i g o r o u s ，h o w e v e rt h e s o c i a lr e q u i r e m e n t st ot h ep o w e rq u a l i t ya r eg r o w i n g ，t oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y ，t h e m o s ti m p o r t a n tt h i n gi st od e t e c ta n ds u p e r v i s et h ep o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r si naw h o l e d a ya n do m n i b e a r i n g t h e r e f o r e ，ak i n do fh i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e ds y s t e mo fr e a l - t i m e p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw a sp r o p o s e d 锄d d e v e l o p e d t h es y s t e mh a so p e r a t e dw e l li nal1o k vs u b s t a t i o ni nt h eg u a n g x iz h u a n g a u t o n o m o u sr e g i o n ，a n dp r o v i d e dl o t so fp o w e rs y s t e mi n f o 珊a t i o na n dr e f e r e n c ef o r t h ep o w e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t f i r s t l y t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed e 6 n “i o n ，s o r t s ，i n d e x e sa n dn a t i o n a l s t a n d a r d so fp o w e rq u a l i t y ，e m p h a t i c a l l ya n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s a n da p p l i c a t i o n s c o p e so fc o m m o nh a m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d sa tp r e s e n t ， a n d i m p r o v e st h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o n l la st h eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o do fs y s t e m s e c o n d l y ， ah i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e d s y s t e m w “ht h r e el a y e r si sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h es u b s t a t i o n sw h o l es t m c t u r ea n dd i s t r i b u t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t s ， w h e r e ，f i e l di n t e r v a ll a y e ri sr e s p o n s i b i ef 0 fc o l l e c t i n gg r i dr e a l - t i m ed a t aa n d c o m m u n i c a t i n gw i t hf r o n te n dc o m p u t e r n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nl a y e rc o n n e c t sn e l d i n t e r v a ll a y e rw i t hm a n a g e m e n ta p p l i c a t i o nl a y e ra n dp a c k i n gp r o c e s st h ed a t af r o m b o t t o ml a y e r ，t h e nt r a n s f e rt oa b o v el a y e r m a n a g e m e n ta p p l i c a t i o nl a y e ri su s e r i n t e r f a c ep a r t ，r e a l i z e st h eg a t h e r i n ga n dd i s p l a yo fi n f o m a t i o nw i t hm u l t i f o r m a t s ， a n dh a sp o w e rq u a l i t y sr e a l - t i m et r e a t m e n ts i m u i a t i o na n ds y s t e mm a n a g e m e n ta n d e t c f u n c t i o n s s u b s e q u e n t l y ，t h eh a r d w a r ec o m p o s i n ga n ds o n w a r ed e s i g no fs y s t e mi s d e s c r i b e d ，i n c l u d i n gi n t e i l i g e n td e t e c t i o nt e n n i n a li n6 e l di n t e r v a ll a y e r d a t as 锄p l i n g a n ds e n d i n gm o d u l ei nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni a y e ra n dp o w e rq u a l i t ym a n a g e m e n t s y s t e mi nm a n a g e m e n ta p p l i c a t i o nl a y e r t h e n ， t h r e ek i n d so fc o m m o n u s e d p o w e rq u a l i t yi m p r o v i n gm e a s u r e s a r e a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ep o w e rq u a l i t ys i t u a t i o no fa11o k vs u b s t a t i o ni nt h e g u a n g x iz h u a n ga u t o n o m o u sr e g i o n i no r d e rt oo v e r c o m et h ei n c o n s i s t e n c yo f h a 珊o n i o u si n je c t i n gc a p a b i l i t ya n da c t i v ep o w e ro v e r p l u s ，t h ep a p e rb r i n g sf o n v a r da n e wk i n do fh y b “da c t i v ep o w e r6 l t e rw i t hd o u b l e r e s o n a n c ei n j e c t i o nc i r c u i t ，w h o s e t o p o l o g ys t r u t r u e ，h a m o n i cs u p p r e s s i o np r i n c i p l ea n dh a n n o n i cm a g n i f i c a t ii n s t a n c e ， a n dt h em e t h o do fh a 珊o n i cd e t e c t i o na n dc o n t r o la r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h e l i i 配电网电能质量实时监测。j 管理系统及治理描施研究 a d v a n c ea n dv a l i d i t ya r ev a l i d a t e db yp s i me m u l a t i o n i nt h ee n d ，f i e l di n s t a l l a t i o na n da ( 1 j u s t m e n ti sd o n e m e a n w h i l e ，t h ea c t u a l i z i n g s c h e m eo fp o w e rq u a l i t yt r e a t m e n ti sp r e l i m i n a r yd e s i g n e dt op r o v i d et h e o r e t i c a l g u i d a n c ea n dt e c h n i c a lr e f e r e n c ef o rn e x te n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o n 。 k e y w o r d s ：r e a l t i m es y s t e m ；p o w e rq u a l i t yd e t e c t i o na n dm a n a g e m e n t ；h i e r a r c h i c a l d i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ；i m p r o v e df a s tf o u r ie rt r a n s f 0 咖；r e a l t i m eh a r m o n i cs u p p r e s s i o n s i m u l a t i o n ； h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hd o u b l e r e s o n a n c ei n j e c t i o nc i r c u i t i v - 硕 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 研究电能质量的背景和意义 电能是当今社会使用最广泛的能源，其应用程度标志着一个国家的科技、经 济发展水平。然而，随着科技和社会的快速发展，电能的使用面临着一个新的问 题，那就是电能质量状况不断恶化与社会对电能质量的要求越来越高的矛盾。如 何妥善地解决这个问题关系着国计民生，因此成为了高校、企业、研究机构和国 家机关等部门关心的热点问题。 近年来我国电网发展迅速，电网规模进一步扩大，每个地区的电网也在不断 深化。而随着电网的不断扩大，各种各样的用电设备尤其是大量的电力电子设备 都接入了电网，使得电网的运行环境受到了不同程度的污染。从家用小容量的变 流装置，到工业上普遍应用的调速电机、整流逆变装置，甚至大规模的高压直流 输电设备，都会向电网注入谐波。电网谐波含量的增加，会导致电气设备寿命缩 短、电网网损加大，系统发生谐振的可能性也会增加，并联电容器不能正常运行， 同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表指示和电能计量不 准确以及计算机、通信受干扰等一系列问题1 1 吨j 。另外，诸如轧钢机、电力机车、 开关电源等用电设备的开关与使用过程，也会对电网产生冲击性、波动性的负荷， 并在运行和停运过程中产生电压闪变以及导致三相不平衡度的提高，对电网设备 和用户造成直接或潜在的影响。 另一方面，电力市场逐步完善，社会对电能质量的要求也越来越高。特别是 在半导体和精密仪器制造等特殊行业，电能质量下降将直接影响其产品的成品率， 造成巨大的经济损失。近年来供电部门接收到的电能质量投诉越来越多，表明电 能质量逐渐得到关注和重视。包括当前电力系统发展前景最好的智能电网( s m a r t g r i d ) 都是以满足2 l 世纪用户需求的电能质量为重要特征1 3 1 。可见电能质量问题 直接关系到国民经济的总体效益，改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经 济运行，保障工业生产、科学实验以及人民生活的正常进行均具有重要意义。 为了保证电网安全、稳定运行，向用户提供高品质的电能，必须对影响电能 质量的众多因素进行综合治理，改善各项电能质量指标，使其达到国标规定的正 常水平。而要提出合理的治理方案，就必须依赖于对电能质量的全天候、全方位 准确的实时监测与分析。因此，研发一种新型分层分布式的配电网电能质量实时 监测与管理系统，集测量、通信、分析、管理等功能于一体，有效地进行电能质 量监测，并根据监测结果采取合理、有效的电能质量治理措施，改善其电能质量 状况，对保证电网和广大用户的电气设备的安全、经济运行，保障国民经济各行 各业的正常生产和产品质量都具有重要意义。 配i 乜网电能质量实时躲测j 管理系统及治理措施研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电能质量监测系统 国外对电能质量研究起步较早，从电能质量理论到相关评价指标体系的建立； 从用户终端电气环境的定义到全国性的电能质量普查和监测；从各种电能质量问 题分析方法的提出到“用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发 等方面的研究都在深入进行1 4 】。在电能质量监测方面，产品应用最为广泛的制造商 主要有美国的f l u k e 公司和瑞士的l e m 公司。相对国外而言，国内对电能质量 研究工作起步较晚，电能质量监测设备的开发研究也比较落后，尤其是速度快、 可靠性好、精度高以及功能强大的应用产品相对较少【5 。6 l 。 归纳起来，国内外对电能质量的监测方法主要有以下三种类型【7 j ： ( 1 ) 设备入网前的专门测量：即对诸如电弧炉、换流器等各种干扰负荷或电 容器、滤波器等补偿设备，在接入电网前，测量它们对电网电能质量各项指标的 影响，通过与国家相关的电能质量标准相对照，决定是否投运。 ( 2 ) 设备使用中的定期或不定期检测：即针对普通电力干扰源，根据干扰大 小、危害程度和技术需求等采取定期或不定期检测的方式。定期检测多用于电网 电能质量的定期普查，主要为了全方位了解电网电能质量水平以及干扰源的特性； 不定期检测主要用于对电力用户的特殊电能质量问题进行检测和分析。 ( 3 ) 实时监测：也称为连续监测、全过程监测、日常监测或全天候监测等。 主要是针对大型干扰源，按照电能质量标准，对电压偏差、频率偏差、谐波、电 压波动和闪变、三相不平衡等指标进行实时、连续的跟踪监测。 目前，国内对电能质量各项指标的测量大多数还处在专门测量和定期或不定 期检测阶段，没有形成连续的实时监测。在电能质量问题日益严重并逐渐受到重 视的现代社会，前两种传统的电能质量监测方法显然已经不能满足供用电双方对 电能质量更高的监测要求，其不足之处主要表现在以下几个方面： 1 ) 传统的电能质量监测方法不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监 测； 2 ) 传统监测方法的监测数据不能全面、准确地反映出电力系统中电网的电能 质量信息； 3 ) 传统的电能质量监测大多孤立地对某个站点进行监测，不能从整个系统的 观点来考虑电能质量的监测，不能满足电力系统网络化、自动化的发展方 向，而且人机交互性不好； 4 ) 传统的电能质量监测装置多采用模拟元器件，受器件性能和信号处理方法 的限制，测量精度往往不能达到要求。 因此，研制一种实时在线的电能质量监测系统，集测量、通信、分析和管理 硕j ：学位论文 等诸多功能于一体，有效地进行电能质量监测，对于电力系统的安全性、经济性 和可靠性具有重要意义。 目前国内外大多数厂家生产的电能质量实时监测系统基本上都是集中式结 构，采用工业计算机配备数据采集卡来实现电能质量的数据采集和分析。由于运 用计算机对信号进行处理，装置的实时性比手持式和便携式电能质量监测装置要 好。但这种装置的缺点也十分明显，虽然计算机的运算速度是目前d s p 等嵌入式 实时系统硬件无法比拟的，但是数据采集卡数据的高速采集和计算机实时处理的 协调一致是影响实际系统运行的关键问题，系统的实时性能较难得到保证。而且 对于每个检测点都需要一台计算机进行现场分析，导致整套系统的成本较高。 针对集中式电能质量监测系统的不足，本文受计算机技术分布式系统的启发 2 1 ，并结合变电站分层结构的自身特点，按照“分层分布、面向对象的设计原 则，提出一种分层分布式电能质量实时监测系统解决方案。该系统采用基于d s p 的电能质量检测终端实时采集现场间隔层的电网数据，并通过总线网络和串口通 信方式将数据快速传输至网络通信层的前置机系统，在前置机上将数据进行必要 的处理后再通过高速以太网传递到管理应用层的主控机、数据库服务器中，实时 性好。用户可以通过调用部署在主控机上的电能质量管理系统，获得监测点的实 时数据和历史数据，实现分层分布式监测，人机交互性强。 1 2 2 电能质量治理措施 为了改善电能质量，国内外电力工作者和电力研究者们做了大量的研究，也 研制出一系列的补偿装置。随着高电压、大容量电力电子器件技术的不断发展， 配电网谐波抑制与无功补偿电能质量综合治理装置经历了无源滤波器( p a s s i v e f i l t e r ：p f ) 、有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ：a p f ) 、静止无功补偿装置( s t a t i c v a rc o m p e n s a t o r ：s v c ) 、静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ： s t a t c o m ) 、以及混合型有源滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ：h a p f ) 等不同 的技术阶段。 无源滤波器( p f ) 既可补偿谐波，又可补偿无功功率，结构简单、维护方便， 因而得到了广泛的应用。这种方法的主要缺点是滤波特性取决于电网参数，且易 与系统阻抗发生串并联谐振，导致谐波放大，烧毁设备等，因此已不适合应用于 对电能质量要求高的场合。 与传统的无源滤波器一样，有源滤波器( a p f ) 也是给谐波电流或谐波电压提 供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网 络。但是与无源滤波器不同的是，一台a p f 理论上可以拥有无穷多个谐振频率， 从而能够同时治理频率和幅值都变化的各次谐波，而且补偿特性不受电网阻抗的 影响，因而应用逐渐广泛。但是由于受功率器件容量的影响，a p f 可承受的容量 不是很大，不适合单独应用于高电压、大容量的场合。 配屯网电能质量实时j l ：f 测了管理系统及治理措施研究 不同于无源滤波器和有源滤波器，静止无功补偿装置( s v c ) 和静止同步补 偿器( s t a t c o m ) 的主要功能是进行无功补偿，不过通过在s v c 结构中加装无 源滤波器组，或者通过合理设计s t a t c o m 的控制方法，均可使二者实现谐波抑 制与无功补偿的综合治理。但是，s v c 装置中的晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o i l e dr e a c t o r ：t c r ) 本身会产生较大的谐波成分，从而使得整体滤波性能不 佳；而高压大功率s t a t c o m 的工程化还有很多问题没有得到很好的解决，系统 结构复杂、费用投资大。 目前，谐波抑制与无功补偿电能质量综合治理的一个重要趋势是采用有源滤 波器与无源滤波器组合形成的混合型有源滤波器( h a p f ) ，其优点是成本低，滤 波性能好，同时具备a p f 与p f 的技术优势，性价比高。其中注入式混合型有源 滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hi n i e c t i o nc i r c u i t ：i h a p f ) 由注入型a p f 与p f 并联混合得到，由注入支路电容和无源滤波器进行无功功率的静态补偿，由 有源和无源部分共同治理谐波，能够满足大功率无功补偿和谐波抑制两方面的要 求，具有实际的工程应用意义。 1 3 本文的主要工作 本文课题以广西电网1 l o k v 湖润变电能质量现状为背景，设计了一套分层分布 式电能质量实时监测与管理系统，并进行了电能质量治理方案的研究。 本文作者的主要工作有： 1 查阅了大量的文献资料，学习了电能质量定义、分类、指标和国家标准等 相关知识，认识到当前电能质量污染状况，充分了解到电能质量监测方法 的发展现状。 2 分析对比了各种谐波检测分析算法的优势、劣势和适用场合，并结合现场 要求，遴选出一种基于改进型复序列f f t 的谐波检测算法。针对传统f f t 算法具有频谱泄漏与栅栏效应的缺点，该算法利用锁相环倍频电路将之解 决，并通过将两个实数信号合并一起进行复数f f t 运算，然后再将计算结 果劈分的方法减少了运算量，提高了运算速度。 3 开发了一套分层分布式的配电网电能质量实时监测与管理系统，并详细分 析了其总体结构、硬件和软件的组成及功能的设计过程。 4 研究了1 1 0 k v 湖润变电能质量的治理措施，分析了三种常用治理措施的优 缺点，并针对注入式混合型有源滤波器( i h a p f ) 注入支路存在谐波注入 能力与无功过补的矛盾，提出了一种新型的双谐振混合型有源滤波器 ( d i h a p f ) ，并分析了其谐波抑制原理、谐波放大情况、无功补偿特性和 谐波检测与控制方法等关键技术。 5 进行了系统的实验室调试和现场安装，并详细分析了现场的网络通信调试 硕l j 学位论文 和采集链路调试的方法。 6 根据广西电网1 1o k v 湖润变现场电能质量的监测结果，进行了治理方案实 施的初步设计，为电能质量治理措施的最终确定提供了理论指导和技术参 考。 1 4 论文的组织结构 第l 章：绪论，主要描述了当前电能质量的现状和需求，分析了国内外电能 质量常用监测方法与电能质量治理措施的发展现状，并介绍了本文的主要工作和 论文的组织结构。 第2 章：电能质量理论与检测分析算法。在这一章里，论文简要介绍了电能 质量的定义、分类、主要指标和相关国家标准，详细分析了常用的几种谐波检测 分析算法各自的优缺点和适用场合，并结合本系统的实际需要，采用了一种基于 改进型复序列f f t 的谐波检测算法作为本文谐波检测的方法。 第3 章：配电网电能质量实时监测与管理系统设计，设计了系统的分层分布 式整体结构，详细分析了现场间隔层、网络通信层和管理应用层各层的硬件组成 和软件设计。 第4 章：电能质量治理措施研究。在这一章中，总结了广西电网1 1 0 k v 湖润 变电能质量状况，比较分析了目前常见的s v c 、s w 汀c o m 和i h a p f 三种电能质 量治理措施在本站的适用情况，并最终选择i h a p f 作为治理方案。同时，鉴于传 统l h a p f 的注入支路存在着谐波注入能力与无功过补互相矛盾的问题，提出了一 种新型的双谐振注入式混合型有源滤波器，给出了其拓扑结构，分析了谐波抑制 原理与谐波放大情况以及无功补偿特性，介绍了谐波检测与控制方法，并通过 p s l m 仿真验证了其先进性和有效性。 第5 章：工程应用与实现，详细分析了现场安装过程和通讯链路的调试方法， 并根据现场电能质量的监测结果，给出了治理方案实施的初步设计。 配电网屯能质量实时监测j 管理系统及治理措施研究 第2 章电能质量理论与检测分析算法 2 1 电能质量理论 2 1 1 电能质量概述 很长一段时间以来，我国的电力供应一直不充裕，因此以前供用电双方关注 的焦点主要是在供应量的方面，除了对电能质量有较高要求的行业需求外，大都 对电能质量关心较少，即使关注也只限于电压、频率两个指标。随着发电企业的 不断新建和扩容，以及电网规模的逐渐增大，电力供应紧张的局面有了较大缓解。 然而大量电力电子器件在电网中的不断投入导致电能质量问题日益突出，同时电 力市场技术不断进步，用户对电能质量的要求也越来越高，从而引起了电网公司 各级部门以及电力用户的高度重视i l3 1 ，其重视程度从最近国家电网公司和南方电 网公司都将“为用户提供优质电力”作为其发展智能电网的一个重要指标就可见 一斑。 2 1 2 电能质量的定义 什么是电能质量，迄今为止，人们对电能质量的技术含义还存在着不同的认 识，不同的机构也对电能质量有不同的定义。 国际电工委员会( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ：i e c ) 将电能质 量定义为“供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户适用电力的物理特性”。 美国电气和电子工程协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de i e c t r o n i c se n g i n e e r s ： i e e e ) 将电能质量明确定义为“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设 置的接地系统是均适合于该设备工作的 ，并正式采用“p o w e rq u a l i t y 这一专业 术语。另外，在许多电能质量领域的技术报告和文献中也采用了其它的一些术语 和补充定义i i3 1 。它们包括： ( 1 ) 电压质量，通过将实际电压与理想电压进行对比，以判断供电部门向用 户供给的电力是否存在偏差，是否合格。 ( 2 ) 电流质量，为了反映与电压质量有紧密关系的电流变化，除了对用户取 用电流提出恒定频率正弦波形要求外，还力图使该电流波形与供电电压同相位， 以保证系统以高功率因数运行。 ( 3 ) 供电质量，技术含义上主要是指电压质量和供电可靠性，同时也包括供电 部门对用户投诉与抱怨的反应速度、服务质量以及电力价格的透明度等非技术方 面的含义。 ( 4 ) 用电质量，包括电流质量和非技术含义。非技术含义反映用电方的权利、 义务和责任，如电力用户是否按期、如数缴纳电费等。 硕 j 学位论文 2 1 3 电能质量的分类 根据相关的六个国家标准( 电能质量供电电压允许偏差( g b t 12 3 2 5 2 0 0 3 ) 、电能质量电力系统频率允许偏差( g b tl5 9 4 5 一l9 9 5 ) 、电能质 量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 19 9 3 ) 、电能质量电压波动和闪变( g b 1 2 3 2 6 1 9 9 0 ) 、电能质量三相电压允许不平衡度( g b tl5 5 4 3 19 9 5 ) 、电能质 量暂时过电压和瞬态过电压( g b tl8 4 8 1 2 0 0 1 ) ，可将电能质量划分为：供电 电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平 衡、暂时过电压和瞬态过电压六个方面。 2 1 4 电能质量指标和国家标准 2 1 4 1 电压偏差 电压偏差是指供电系统在正常运行条件下，实际电压与系统标称电压的偏差。 常用二者的偏差值对系统标称电压的百分数进行度量( 1 4 1 。其数学表达式为 础：丝二坠l o o ( 2 1 ) un 式( 2 1 ) 中砌为电压偏差；表示实际电压，k v ；表示标称电压，k v 。 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 ) 对我国的供电 电压作了详细规定： ( 1 ) 电压等级大于等于3 5 k v 的供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过系 统标称电压的1 0 。如果供电电压上下偏差同号( 均为正或负) ，则按较大的偏差 绝对值作为衡量标准； ( 2 ) 电压等级小于等于1 0 k v 的三相供电电压允许偏差为系统标称电压的 7 ： ( 3 ) 低压2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为系统标称电压的+ 7 和一1 0 。 2 1 4 2 频率偏差 频率偏差是指标称频率为5 0 h z 处于正常运行方式的电力系统中，系统频率的 实际值与标称值之差i l5 1 。计算公式为 = 厶一z ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中表示频率偏差，厶表示实际频率，无表示系统标称频率，它 们的单位为h z 。 国家标准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 ) 规定我国 电力系统正常频率偏差允许值为o 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到 o 5 h z 。 配电网电能质量实时监测j 管理系统及治理措施研究 2 1 4 3 谐波 谐波即对周期性的交流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于l 的整数倍 基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷产生的。谐波的危害较为严重，不容 忽视，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及 用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。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，以致损坏。 ( 3 ) 谐波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， 这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 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，并会使电气测量仪表计量不 准确。 ( 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。 国家标准电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 规定了公用电网谐 波的允许值及其测量方法，适用于交流频率为5 0 h z ，额定电压110 k v 及以下的公 用电网，不适用于暂态现象以及短时间谐波。 该标准规定的公用电网谐波电压( 相电压) 限值如表2 1 所示： 表2 1 国标公用电网谐波电压限值 觋：攀枷。 各次谐波电压含有率 舰= 和o o 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 中，表示h ( 2 ) 次谐波电压有效值；u 表示基 波电压有效值。 该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流( 2 2 5 次) 注入的允许值，如表 2 2 所示。 表2 2 公共连接点的谐波电流注入允许值 额定电基准短路谐波次数及谐波电流允许值a 压k v容量 1 41 51 61 71 81 92 02 l2 22 32 42 5 ，m v a 当电网公共连接点的最小短路容量不同于表2 2 基准短路容量时，按下式修正 表2 2 中的谐波电流允许值 c ，i ，= 导j 扣 ( 2 5 ) ) r2 式中，s 。表示公共连接点的最小短路容量，m v a ；瓯：表示基准短路容量， m v a ；k 为表2 2 的第h 次谐波电流允许值，a ；厶表示短路容量为& ，时的第h 次谐波电流允许值。 而且，该标准还规定：同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允 许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配， 以体现供配电的公平性。具体分配方法为： 配电网电能质量实时豁测与管理系统及治理措施研究 在公共连接点处第i 个用户的第h 次谐波电流允许值厶，按下式计算 厶= 厶( s s ) “。 ( 2 6 ) 式中，厶为按式( 2 5 ) 换算的第h 次谐波电流允许值，a ；s 表示第i 个用户 的用电协议容量，m v a ；s 表示公共连接点的供电设备容量，m v a ；口为相位叠 加系数，按表2 3 取值。 表2 3 谐波的相位叠加系数 2 1 4 4 电压波动和闪变 电压波动主要是由于大量冲击性负荷在电力系统中的广泛使用而引起的，是 指电压包络线有规则的变化或一系列随机电压变动，常用一系列电压均方根值中 相邻的两个极值之差与系统标称电压的相对百分比来表示【 】，即 d ：兰型 鳖1 0 0 ( 2 7 ) u n 式( 2 7 ) 中，、；。分别为一系列电压均方根值中相邻的极大值和极小 值；u 为系统标称电压。 负荷电流的大小呈现快速变化时，可能引起电压的波动，简称为闪变，闪变 术语来自电压波动对照明的视觉影响。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引起的有害结果，不属于电磁现象。 但是，在技术标准中常将这两个术语合为一体进行讨论，并且常将限制发生闪变 干扰排在首位。 2 1 4 5 三相不平衡 电力系统中的三相电压不平衡主要是由负荷不平衡，系统三相阻抗不对称以 及消弧线圈的不正确调谐等引起的。 根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分 量三个对称分量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与正序 分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度1 1 引，用f 表示，公式为 ， f = 兰l o o ( 2 8 ) u l 式( 2 8 ) 中u 、以分别为电压正序、负序分量均方根值，k v 。 国家标准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 ) 规定电力 系统公共连接点正常电压不平衡度不得超过2 ，短时不得超过4 ；接于公共连 接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般不得高于1 3 。 硕l 学位论文 2 1 4 6 暂时过电压和瞬态过电压 电力系统中的过电压现象大多数是由于运行操作、雷击和故障引起的，是经 常发生和不可避免的，是供电特性之一。 暂时过电压是指在电网给定点上持续时间较长的不衰减或者弱衰减的振荡过 电压。瞬态过电压是指仅持续数毫秒或更短时间，通常带有强阻尼的振荡或非振 荡的一种过电压，可以叠加于暂时过电压之上l 坶】。 国家标准电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b tl8 4 8 1 2 0 0 1 ) 规定了 交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压的具体要求、电气设 备的绝缘水平，以及过电压保护方法，不适用于因静电、触及高压系统以及稳态 波形畸变( 谐波) 引起的过电压。 2 2 电能质量检测分析算法 电能质量归纳起来主要包括6 个方面：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波 动和闪变、三相不平衡、暂时过电压和瞬态过电压。其中谐波分析是电能质量中 最主要，也是分析最困难的一个指标，如果能够实时动态地监测电网中谐波的情 况，可以更好地判断和分析其他电量的情况，因此本节重点讨论电网谐波的检测 与分析算法。 针对谐波，最早的检测方法是模拟滤波器，实现起来比较简单方便，但是由 模拟滤波器测量的相位和幅值误差都比较大，精度不高，而且受电网频率波动和 电路元件参数的影响很大，因而目前已极少采用1 2 0 j 。 随着数字电子技术与计算机技术的快速发展，模拟滤波器已逐步被数字检测 方法所取代。采用数字技术能够很好的克服模拟电路检测技术固有的缺点，因此 得到越来越广泛的应用。目前，常用的谐波检测方法，根据测量原理的不同，主 要有以下几类。 2 2 1 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 瞬时无功功率理论最早于2 0 世纪8 0 年代由赤木泰文提出，在许多方面得到 了成功应用。赤木最初提出的理论以瞬时实功率尸和瞬时虚功率q 的定义为基础， 后来又补充定义了瞬时有功电流f 。和瞬时无功电流t 。瞬时无功功率理论开始主要 应用于三相电路谐波检测中，目前在电力滤波器中应用最多。瞬时无功功率理论 主要有两种计算方式，以计算p 和q 为出发点的称为尸一q 法，以计算f ，和乇为出 发点的称为f 。一t 法。 两种方法都能较为准确地检测出对称三相电路的谐波含量，实时性也较好。 但是，按f 。一运算方式测量时，由于只需读取s i n 纠和c o s 耐参与运算即可，畸变 电压的谐波成份不会出现在运算中，因而在不对称电网中或者电源电压畸变的情 配电网电能质量实时监测与管理系统及治理措施研究 况下也能准确检测出谐波电流，适用范围更宽；而p q 法在这种情况下则误差较 大，适用范围相对较窄【2 1 1 。 2 2 1 1 一运算方式 该方法的原理如图2 1 所示。 z 曲 z 拍 z 动 图2 1 一运算方式的原理图 肌c = 出二捌 = 后睦封 定义可以计算出、，经l p f 滤波得到、的直流分量、。这里，、是 由0 、芬、0 产生的，因此由、通过矩阵c 2 ，即可计算出0 、磅、0 ，然后被 o 、t 相减即可计算出乙、么。 转变换的谐波检测法在上述结果的基础上可以检测出具体的某次谐波含量【2 2 1 ，基 图2 2 基于倍频旋转变换的谐波测量原理 本方法的测量原理是：首先通过基波分离电路将基波分离出来，然后按谐波 次数的顺序，逐步分离出各次谐波，其中将基波检测出来的方法和基于、乞运算 硕l ：学位论文 方式的检测方法一样。 比较f 。一t 运算方式和基于倍频旋转变换的谐波测量方式可知，第一种方法对 于测量基波分量和总体谐波含量具有良好的实时性，但是无法测量具体某次谐波 的含量；第二种方法虽然可以测量出单次的谐波含量，但是硬件复杂，成本较高， 实现起来也比较繁琐。 2 2 2 基于小波分析的谐波检测方法 小波变换是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展起来的新领域。经过十 多年的探索与研究，其重要的数学形式化体系已经建立，理论基础更加坚实。与 傅里叶变换相比，小波变换是时域和频域的局部变换，因而能有效地从信号中提 取信息，通过伸缩和平移等运算功能可以对函数或信号进行多尺度的细化分析， 克服了傅里叶分析在频域完全局部化而在时域毫无局部性的缺点。小波变换在时 域和频域同时具有局部性，可以计算出特定时间的频率分布并将各种不同频率组 成的频谱信号分解成为不同频率的信号块，因而通过小波变换可较准确地计算出 基波电流，进而求得谐波含量【2 3 。2 4 1 。 小波变换对波动谐波、快速变换谐波的检测有很大的优越性，目前是波动谐 波、快速变化谐波的主要检测方法。但是，由