（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的用户谐波发射水平在线检测装置的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fn o n - l i n e a r l o a da n dt i m e - v a r i a n tl o a di np o w e r s y s t e m , w a v e f o r mo fe l e c t r i c a lc u r r e n ta n dv o k a g ei ss i g n i f i c a n t l yd i s t o r t e d i tn o t o n l yi n c r e a s e st h ec o s to fp o w e rn e t w o r k , b u ta l s oc a l lt h r e a t e nt h es e c u r i t yo fp o w e r s y s t e m as u r v e i l l a n c ee q u i p m e n tf o rp o w e rq u a l i t yb a s e do nd s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i no r d e rt om a k es a m p l i n ga n dd a t aa n a l y z i n g w o r ks i m u l t a n e o u s l y , o no n eh a n dc h o o s et h et m s 3 2 0 5 5 0 9d s pw h i c h sc l o c kr a t ei s u pt o1 4 4 m h z ，o nt h eo t h e rh a n dc h o o s ec p l dt of i n i s ht h el o g i c a lc o n t r o l 。i no r d e r t ot r a n s f e rt h ea n a l y z e dr e s u l to ft h es u r v e i l l a n c et ot h ec e n t e ro fc o n t r o la n a l y z e ， a d o p t e dt h eg p r sc o m m u n i c a t i o nw h i c hi sw i d e l yu s e d i nt h ed e t e c t i o no fh a r m o n i ce m i s s i o nl e v e l ，t h em e t h o do fe s t i m a t i n gp o w e r c u s t o m e re m i s s i o nl e v e lb a s e do nb i n a r yl i n e a rr e g r e s s i o ni sa d o p t e d , w h i c hm a k ei ta c o n d i t i o nt h a th a r m o n i ce m i s s i o ni s s t e a d ya tt 蜘p o i n to fc 0 1 攫q l o b c o u p t i n g 。 c o m b i n e dw i t hp o w e rs y s t e mt h e v e n i ne q u i v a l e n ta n dc u s t o m e rn o r t o ne q u i v a l e n t ， a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fl e a s ts q u a r e sm e t h o d ，t h ev o l t a g et h a tac u s t o m e r s h a r m o n i cc u r r e n tb e g e t sa tt h ep o i n to fc o m m o nc o u p l i n gc a nb ee s t i m a t e di nt h el i g h t o ft h e p l u r a lc o r r e l a t i o no fn e t w o r k p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：p o w e r q u a l i t y ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ；b i n a r yl i n e a rr e g r e s s i o n ；h a r m o n i ce m i s s i o nl e v e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的仟何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：专! 蚴 签字r 期： 朋7 年月伊 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 。 学位论文作者繇专7 蚴 导师签名：彩必而山 l ，v 签字同期：渺7 年 月毕同签字f 1 期：多卯7 年 月弘 同 第一章绪论 第一章绪论 电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部 门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。不仅有量的 多少，也有质的低。电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应讲 求质量【1 1 。电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的要，而且要满足用 户对电能质量的要求。 1 1 电能质量检测的重要性 近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统的规模日益扩大，电能紧 缺的问己逐步解决，但与此同时，有关电能质量的监测问却日益紧迫的摆在 了我们 前。电力电子技术和龟弧炉的广泛使用，在带来技术经济上一系列效益 的同时，也使电网谐波含量大为增加。电网谐波污染的日益严重，导致了电气设 备寿命缩短，网损加大，增加了电网发生谐波谐振的可能性，使继电保护和自动 装置不能正常动作或操作，导致仪表指示和电度计量不准以及计算机和通信受干 扰等一系列重要问。有关电能质量问的研究已引起了各国电力工作者的度 重视。我国对电能质量的研究正处于起步阶段，但也取得了一定的进展【l 】。 随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，功能单一的电 力系统测量仪表已经不适应现代化电能管理的要。我国的电力监测仪表有待于 进一步研制并完善其功能。电能质量的监测，不论在理论上还是在实践中，都有 许多值得深入研究的问。研制一种新型的电能质量监测装置，集测量、控制和 通信等功能于一体，有效地进行电能质量监测，对于保证电力系统运行的安全性、 经济性和可性具有重要意义【2 】。 从普遍意义上说，电能质量是指优质供电。但是迄今为止，人们对电能质量 的技术含义仍然存在着不同的认识，还不可能给出一个准确的定义。这是人们看 问 的参照系不同所致。文献 5 中，电力部门把电能质量定义为电压与 率的 合格率，并且用统计数字“9 s 来说明电力系统9 9 9 9 是安全可运行的；电 力用户可能把电能质量简单地定义为是否向负荷正常供电。而负载设备的制造厂 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正常工作要。 从工程实用的角度出发，文献 4 将电能质量概念进一步分解并给出了解释。 第一章绪论 其主要有电压质量、电流质量、供电质量、用电质量等。国际电气与电子工程师 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 r q u a l i t y ”( 电能质量) 术语 的决定，并给出了相应的技术定义：合格电能质量的概念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运行。国际上普遍以此作为电能 质量定义的标准。 电能质量与一般的产品质量不同，有两个特点：其一是电能质量不完全取决 于电力生产企业，甚至有的质量指标( 例如谐波，电压波动和闪变，三相不平衡 度) 往往是由于用户干扰所造成。其二是电能质量在空间和时间上均处于动态变 化之中 4 1 。另外，电能质量扰动具有的潜在危害与广泛传播性，控制和管理电力 系统是一系统工程。 全保障电能质量，既是电力企业的责任，也是电力用户应尽的义务。因此 我国电力法规定：供电企业应当保证供给用户的电能质量符合国家标准，对 公用供电设施引起的供电质量问 ，应当及时处理；用户用电不得危害供、用电 安全和扰乱供、用电秩序。其次，因为电能质量在空间和时间上均处于动态变化 之中，电能质量指标宜用概率统计结果来衡量，并且指明监测点。国内外大多 取9 5 概率值作为衡量依据。这样一个指标特点对用电设备性能提出了相应的要 求，即电气设备不仅应能在规定的标准值内正常运行，而且应具备短时超标运行 的能力 5 1 。 因此，在当代电力系统深入了解和认识电能质量，度重视电能质量下降对 供用电系统运行的危害与影响，甚至对社会经济的作用和影响，不断完善电能质 量标准的制定和实施，实现电能质量的检测管理具有极其重要的社会意义和经济 意义。 1 1 1 电能质量的分类 为了能够系统地分析和研究电能质量现象，并从中找出引起电能质量问的 原因和采取针对性的解决办法，将电能质量进行分类并给出相应的定义是很重要 的。 表1 1 给出了i e e e f l ；i 定的电力系统电能质量的特性参数及分类。对于表中列 出的各种现象，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：幅值、率、谱、调制、电源阻抗、下降深度、下降积； 对于稳态现象，可能要一些其他的特征来描述：上升率、幅值、相位移、持 续时间、谱、 率、发生率、能量强度、电源阻抗等【5 】。可以说，表1 1 给我们 提供了一个清晰描述电能质量及电磁干扰现象的实用工具。 2 一 第一章绪论 表1 1i e e e 制定的电力系统电能质量的特性参数及分类 类别典型谱典型持续时间 典型电压幅值 纳秒 级 5 n s 上升 l m s 低 5 - d h z0 3 - 5 0 r n s 队4 p u 中5 5 0 0 k h z 2 0 m s0 8 p u 振荡 0 5 5 m h z 5 a s0 4 p u 暂降0 5 3 0 周波 0 1 - - 4 ) 9 p u 瞬时 暂升0 5 3 0 周波 1 1 - 1 8 p u 中断o 5 周波 3 s l n l l n o 8 o 9 p u 动 过电压 l m i n 1 1 - 1 2 p u 电压不平衡稳态o 5 2 直流偏置稳态0 o 1 谐波 0 - - 1 0 0 t h 稳态 o 2 0 波形畸变 间谐波0 “i h z稳态o 2 陷波稳态 噪声 宽带稳态 o 1 电压波动 2 5 h z 间歇0 1 7 工变化 1 0 s 第一章绪论 1 1 2 电能质量的衡量标准 幅值、率、相角是描述一个标准正弦量的三个基本参数，其中相角和电力 网的潮流有关，和电能质量的关系比较远，暂不在电能质量的研究范围之内。由 于电力网中存在很多率不同的正弦波，使波形发生畸变。电力系统采用三相供 电，若三相的负荷不平衡，会造成三相不平衡。所以，衡量电能质量的指标可以 从幅值、率、波形和三相平衡度这四个角度考来虑。 我国从八十年代初开始，国家技术监督局开始陆续布并修订了国家电能质 量系列标准，即供电电压允许偏差、电压允许波动与闪变、公用电网谐波、 三相电压允许不平衡度、电力系统率允许偏差。 这五标准中，电压和率基本上取决于电能供求平衡关系，三相不平衡度、 电网谐波、电压波动与闪变不仅与电力系统有关，而且受到用户负荷性质的影响。 下就这五指标的定义、意义进行阐述。 1 供电电压偏差 电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与 否的一主要指标。供电电压偏差是指实际电压与系统定电压之差。电压基本， 上取决于电能供求平衡关系，系统无功功率是引起系统电压偏离标称值的根本原 因。 国标电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 - - 1 9 9 0 ) 规定电力系统在正 常运行条件下，用户受端供电电压的允许偏差【8 】： ( 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的 1 0 。如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。 ( 2 ) 1 0 k v 以下三相供电电压允许偏差为标称电压的士7 。 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为标称电压的+ 7 ，1 0 用电设备运行在定电压性能最好，效率最。电压偏差过大对广大用电设 备以及电网的安全稳定和经济运行都会产生极大的危害。 2 率偏差 电力系统在正常运行条件下，系统率的实际值和标称值之差称为系统的 率偏差，我国系统率为5 0 h z 。系统负荷功率总求与系统电源的总供给相平 衡时，才能维持所有发电机组转速恒定，即率恒定。当发电机与负荷间出现有 功功率不平衡时，系统率就会产生变动，出现率偏差。 率偏差的大小及其 持续时间取决于负荷特性和发电机控制系统对负荷变化的影响能力。 率偏差过大对广大用电负荷以及电力系统的安全稳定和经济运行都会造 成很大的危害。概括地说，士o 5 h z 之内主要是经济问，即引起设备的效率降 第一章绪论 低。偏离值超过了士o 5 h z 不仅使设备效率降低，还有可能危及设备的安全。轻 则引起不可逆转的累积性损伤，重则立即损坏设备。导致系统瓦解甚至崩裂。 率作为电能质量的重要指标之一。我国国家标准电能质量电力系统率 允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 对其指标进行了详细规定【9 】： ( 1 ) 电力系统正常率偏差允许值为o 2 h z 。当系统容量较小时，偏离偏 差可以放宽到0 5h z 。 ( 2 ) 用户冲击负荷引起的系统率变动一般不得超过+ o 2 h z 。在保证系统稳 定、安全的情况下，可以根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件适当变动限 制。 3 电网谐波含量 国际上公认的谐波定义是：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其率为 基波率的整数倍。 电网谐波产生的根本原因是由于系统中某些设备和负荷的线性特性，即所 加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。波形畸变后，会产生次谐波。 这是因为对一个周期性正弦量( 如电压、电流、磁通等) 进行傅立叶级数分解， 即可得到一个同率的和很多整数倍率的正弦波之和，即基波和各次谐波。 电网谐波的污染与危害主要体现在对电力与信号的干扰影响方。在电网方 ，电网谐波增加，旋转电机等的附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命；谐波过 电压还可能造成电气元件的故障和损害；同时谐波可能引起继电保护和自动控制 装置的误动，电能计量的错误。在信号干扰方，次谐波对通信系统产生电磁 干扰，使电信质量下降；危害功率处理器自身的正常运行。 国标电能质量公用电网谐波( g b 厂r 1 4 5 2 9 1 9 9 3 ) 中详细规定了各电压等 级的总谐波畸变率，各个单次奇数次电压含有率和各个单次偶数次电压含有率的 限制值【1 0 】。 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：而且 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，以体现配电的公正性。 4 电网电压三相不平衡度 三相电压不平衡是指电力系统三相不平衡的程度。根据对称分量法，用电压 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 1 。 电力系统的三相不平衡是由三相负载不平衡以及系统元件参数的不平衡引 起的，一般可以分为事故性不平衡和正常性不平衡。电力系统在发生故障时，一 般通过继电保护和自动装置迅速加以消除，而正常运行时的不平衡，则允许长期 存在或在相当长一段时间内存在。 一5 第一章绪论 系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大量负序分量。会引起电机 最大转矩和输出功率下降，以及引起电机附加振动和发热，加快电机老化过程。 负序分量还使换流器触发角不对称，换流器将产生较大的特征谐波。一些保护 装置在负序分量偏大时，也可能导致误动作。 对于三相不平衡度，国家标准电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 规定：电力系统公共连接点正常不平衡度允许值为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 为1 3 t 1 1 1 。 5 电压闪变和波动 电压波动和电压闪变是电能质量的重要指标之一，其定义为一系列相对快速 变动或连续改变的电压偏差，主要反映在稳态运行的情况下，波动性负荷引起供 电系统的电压波动。典型的电压波动范围为0 1 一7 ，变化率小于2 5 h z t l 2 1 。 引起电压波动的原因很多，配电系统发生的短路故障或开关操作，或者是无 功功率补偿装置、大型整流设备的投切均能导致供电电压波动。电压波动会使电 动机转速不均，不仅危及电动机的安全运行，而且还会影响一些产品的质量。 闪变是人们对照明波动的主观感觉，是衡量电压波动对用电设备影响的一个 重要而有效的标准。 由于一般负荷设备对电压波动的敏感程度远低于白炽灯，因此通常选白炽灯 光照设备受影响的程度作为判断电压波动是否合格的标准。影响闪变的因素主要 包括供电电压波动的幅值、度和波形，照明装置和人的主观视感度等。闪变可 以分为周期性和周期性两种，前者主要由于周期性的电压波动引起，如电弧炉 等；后者往往与随机性电压波动有关，如电焊机等。 电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 2 0 0 1 ) 规定了各等级电压波动及 闪变的测量标准、允许值和测量方法。适用于公共供电点电压快速变化及由此可 能引起人眼对闪烁有明显感觉的场合【4 1 。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 电能基本量测量的理论研究 国际上对电能质量问的系统研究可以追溯到上世纪八十年代兴起的电磁 兼容( e m c ) 学科。目前国外有关电能质量控制的研究正掀起潮，从所适用 的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、 监测到用户终端电气环境的定义；各种电能质量问 分析方法的提出，以及用户 6 第一章绪论 电力技术( c u s t o mp o w e r ) 等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。 1 9 9 6 年，i e e e 将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议( i c 耻s ) 更名为电力 谐波与电能质量学术会议( c h q p s ) ，把电能质量提到一个新的度来认识【5 1 。 在理论方面，世界各国都在积极开展电能质量指标的评价体系研究。如何评 价电能质量好坏，通常使用的几种定量评价电能质量的指标如总谐波畸变率 ( t h d ) 、功率因数等。但当波形为非周期信号、频率为分数次谐波频率时，上述 评价指标就有不协调的问题。这涉及到如何处理畸变、不平衡现象的功率定义问 题，这方面国外己做了大量的研究，并给出了一些建议，但至今尚未取得一致意 见【4 】。 为了保证我国的电能质量，自1 9 9 0 年以来，我国相继发布了五项电能质量 国家标准：分别为g b l 2 3 2 5 9 0 供电电压允许偏差、g b t 1 4 5 4 9 - - 9 3 公用 电网谐波、g b t 1 5 5 4 3 - - 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度、g b t 1 5 9 4 5 - - 1 9 9 5 电 力系统频率允许偏差以及最近对1 9 9 0 版修订颁布的g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电压波 动和闪变。这些标准均为针对对供电系统稳态性能方面的要求而制定。以上电 能质量标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，这些标准的发布 无疑为提我国的电能质量水平起到了促进作用【5 1 。 如今电能质量的基础理论研究的趋势，包括统一畸变波形下电能质量的含 义、电能质量的界定方法及评价体系的研究、各功率成分的定义及物理意义研究 等。目前为适应不同需要提出了许多功率成分的定义方法，在其数学表达式、物 理意义及实施方面各有长。对电能质量的分析也提出了不少方法。 1 电压偏差的测量 为检测电压偏差，需要进行电压有效值的计算。考虑到输入信号中含有谐波 分量，输入电压的瞬时值和电压有效值可用下式表示： 一上 甜= 4 2 玑s i n ( k 蒯+ 8 k ) ( 1 - 1 ) k = l 式中矾表示第k 次谐波电压的有效值； 幺为第k 次谐波电压的初相角； k 为所含谐波的最次数，现取为3 2 。 电压有效值( 即均方根值) 的定义为： = 一 = 亭r d t ( 1 - 2 ) 由该定义式可以导出有效值的两种计算方法。第一种方法就是直接把( 1 1 ) 代入( 1 2 ) 式中并离散化，可以求出： 7 第一章绪论 u 。= 晒 ( 1 - 3 ) 而各次谐波有效值饥可以由f f t 算法求出。 第二种方法就是直接把( 1 - 2 ) 离散化，用离散求和的方法代替积分运算，可以 得到： 吣痧 ( 1 - 4 ) 式中为每周的采样点数， ( s ) 为电压 在第s 个采样点处的采样值。 在求出电力系统各相电压的有效值后，利用电压偏差计算公式，就不难得到 被测的电压偏差值。 2 频率偏差的测量 电网频率的测量计算通常都是通过测量周期( 弘j 仂的方法来实现的。该方法 是通过硬件检测输入波形的过零点，控制计数器计数的方法以实现频率偏差的测 量，这种方法的优点是编程比较方便，其主要缺点是，需要较大的硬件开销，并 且当输入信号中含有谐波较多时，测量误差较大。 另外还有一种测量方法，该方法提出了一种首先对用交流采样法得到的采样 数据信号进行数字滤波，滤出其中的基波后，通过插值求波形过零点的时刻，进 而求其相应周期的方法。在此基础上，只要求出丁的倒数就可以得到电网的频率。 只要保证采样速率足够，即可以使测量和算法具有很的精度和效率。两种方 法都有一定的优点，可以根据实际情况结合使用。 3 各种功率及功率因数的测量【1 8 】 电能质量标准中虽然不包含各种功率及功率因数的检测指标，但有功功率、 无功功率、视在功率以及功率因数作为电力系统的重要参数，在各种电能质量监 测装置中总是要相应求出并加以显示。 1 ) 有功功率 有功功率p 的定义为： 尸= 专e p o ) d t = ；c “材( r ) 以) d t 若每周期采样j 点，则将( 1 5 ) 离散化为： 尸= 寺“( 刀) 抑) n 急、一。 这要求电流和电压必须同时采样才能保证p 的正确性。 2 ) 视在功率 视在功率s 的定义为： 8 ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 第一章绪论 s = u 幸， ( 1 - 7 ) u ，1 分别为电压、电流的有效值。 3 ) 无功功率 畸变波形下的无功功率目前还没有统一的计算方法，其中一种方法为： q = ；卜( f ) f ( f 渺( 1 - 8 ) 其中f ( t ) 为将电流顺时针旋转9 0 0 得到的量。 将式( 2 8 ) 离散化可得： q = 专 ( 1 - 9 ) 其中f ( f ) 为将电流采样值顺时针旋转9 0 0 得到的量。 以上的各值都是单相情况，若是对称三相情况，则可按单相情况处理，若是 不对称三相系统，视在功率的定义还没有明确，这里建议采用“系统视在功率 ： s=3擘ui(1-10) 用相电压表示时， u = 降3 ( 1 - 1 1 ) ，= 乒+ 笋i 2 + l c m 用线电压表示时，u = u 2 2 2 l ( 1 - 1 3 ) 卜乒乒 m 4 ) 功率因数 功率因数定义为： c o s = p s( 1 1 5 ) 4 谐波的测量【1 9 】f 2 0 】【2 l 】 2 2 】 谐波测量通常是先利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波( 电压或电流) 的幅值和相角，然后由相应的公式可以方便的求出总谐波畸变率t h d 、谐波功 率和谐波阻抗乙等值。 在实际应用中要获得准确的f f r 运算结果，还必防止频率混叠的发生，否 则会增加运算误差。解决频率混叠的方法就是使采样频率的选取满足时域采样定 理的要求，即采样频率必须大于被测信号最频率的两倍。如果一个周期内采样 6 4 点，则需要滤除掉3 1 次以上的谐波才能避免频率混叠的产生。 在交流系统中，如果电压和电流( 都用f 0 ) 表示) 是发生畸变的周期性非正弦 9 第一章绪论 波形，则可以将它们分解为傅里叶级数： ( f ) = 4s i i l ( 刀耐+ ) = + ( a c o s n a n + b s i n n w t ) ( 1 1 6 ) n = on = l 其中：a o 为直流分量，4 ，和为n 次谐波的幅值和初相角； q 和为n 次谐波的余弦项系数和正弦项系数。 口0 = 去r 。厂( 删( 研) = 昙r 声f ( a n ) c 0 s ( 以r o o d ( r o t ) ( 1 - 1 7 ) 屯= 去r 。厂( 邮i n ( 力o g t ) d ( a r t ) 在将电压电流波形进行离散采样的条件下，计算公式如下式所示： = 万2 刍n - i 细s 等川 ( 1 - 1 8 ) = 万2 缶n - i 细( 警川 。 ( 1 - 1 9 ) 其中：为采样点的个数，五为采样点的数值( 谐波次数n - l ，2 ，学一1 ) 。 谐波含量可用如下的方法进行计算：首先利用6 4 点f f t 算法，计算出基波 和各次谐波的实部和虚部，进而可以求出其幅值和相位，幅值求出后，就可以求 出各次谐波的含量和谐波总含量。以电压量为例，若用f f t 算法求出的第k 次 谐波( 脱，3 2 ) 的实部和虚部分别为q ( 足) 和( 七) ，则第k 次谐波电压的幅值以 和相角酢分别为： = 扣琢丽( 1 - 2 0 ) 屏一增器 ( 1 - 2 1 ) 基波电压的幅值和相位也可以用类似的方法算出。 电力系统中，通常用某次谐波幅值相对于基波幅值的百分数来反应该次谐波 的含量，即： 寺枷毗 ( 1 - 2 2 ) 用总谐波畸变t h d ( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 来反应总的谐波含量，其定义 为： 1 0 第一章绪论 册= 灿蜃面 ( 1 - 2 3 ) 式中为检测谐波的最次数。 除吼和t h d 外，电力系统中有时还可以用波形系数( f o n nf a c t o r ) n l 波形 因数( c r e s tf a c t o r ) 来反应电网谐波污染的情况，它们的定义和计算公式分别为： 波形獭肚琶 ( 1 - 2 4 ) 波峰因数：c f = 兰警 ( 1 2 5 ) u 。 式中为均方根值，即有效值；吃为平均绝对值；为最大瞬时值。 5 电压波动和闪变的测量【2 3 】 1 ) 电压波动的测量 电压波动的测量通常采用以下方式：在l m i n 内测量各个周波( 2 0 m s ) 的有效 值，然后对上述有效值进行比较( 相减) ，取得最大的差值( 一) 再乘以2 ， 再除以额定电压，即是电压波动值。 2 1 电压闪变的测量 我国于1 9 9 0 年颁发的电能质量电压允许波动和闪变，采用了k 。标准， 即把电压波动的调幅波进行f f t 分析后，分别乘以相应的视感度系数，化为电 压波动调幅波在1 0 h z 时的值。而实际上，人眼对电压波动频率在& 8 h z 时最为 敏感，因此i e c 标准推荐使用k 。标准，该标准目前以逐渐被国际社会认可， 我国目前己对原有的标准进行了修改，使之符合i e c 标准，并由此产生相应的检 测方法。 闪变的测量离不开对调幅波的检测，目前有几种常用的检波方法：平方检波、 整流检波和有效值检波。平方检波是使电网电压u ( t ) 经过平方后，再通过滤波器 去直流分量和2 倍工频分量。可以提取出调幅波u ( f ) 。由于白炽灯的照明与电压 平方成正比，平方检波与其它两种检波方法相比，它的直流分量和2 倍工频分量 与调幅波之比均小于l ，因而i e c 推荐使用平方检波方法。 由于闪变被测信号的动态范围较大，模拟技术对电路要求较，实现起来难 度较大，而采用数字化技术则可以妥善解决这类问题，并能保证有足够的精度。 目前，一种方法是对调幅波进行f f r 分析，求出其平均幅值，并与闪变觉 察曲线相比较，若超过此曲线则判断为闪变。另一种方法是把i e c 标准的模拟电 路均用数字信号处理方法( 数字滤波、f f t ) 来实现，而且采用多采样速率算法 ( m u l t i r a t e a r i t h m e t i c ) 。由于调幅波的频率成分一般在o 0 5 3 5 h z 内，在计算闪变 第一章绪论 时就可以对采样点进行抽取，即减少采样率以去掉多余数据( 但在计算队i 、p 时不能这样) ，从而提了计算效率。 6 三相电压不平衡的测量 对于三相电压不平衡系统的检测，常用方法是利用对称分量法把三相量分解 为三组对称的正序、负序、零序分量，并以负序分量与正序分量之比作为三相不 对称度 计算三相不平衡之前应先对被测三相电压进行滤波得到相应电压的基频分 量，然后利用对称分量计算出负序和正序分量，从而得到三相不对称度e 。 毛= 瓷枷 其中u 电压正序分量的有效值；以为电压负序分量的有效值。 计算三相电压不对称度，也可以由下面简化算式求得： 毛= ( 1 - 2 6 ) ：要张 。(1-27) 尸( 呢+ 吆+ 吒) 式中以。、“、以。分别为三个线电压幅值。 1 2 2 电能质量检测装置的发展 世界各国都相应研制和开发了一系列的电能质量分析装置和仪器。其发展历 经了早期、初期、中期和近期四个阶段。早期和中期的电测量技术主要是以模拟 量测量为主。2 0 世纪5 0 年代，数字电子技术和微电子技术的引入，促进了电测量 及其仪表技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合被数字式仪表所代 替。1 9 7 4 年出现的电压、电流波形等间隔采样技术，使数字电子技术在测量领域 中作用日益增大，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的重要标志。在这一阶 段，以微型计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为特征，可相互通讯、 可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展，并逐渐走向 成熟。2 0 世纪8 0 年代以来，电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。大规模 集成电路技术的发展使得芯片体积缩d , n 可以置入传统仪器内部，使仪器具有控 制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能化特点。并在测量准确度、灵敏度、 可靠性、自动化程度及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步【1 7 】。 文献 1 5 介绍美国f l u k e 公司生产的f 4 3 手持型电能质量分析仪。它j , u 量 电流、电压、功率因素等电能常规指标，还能测量电力系统的各次谐波，并能捕 1 2 需 第一章绪论 捉瞬变电压和波形失真，并配有r s 2 3 2 接口与计算机通信，可将测量数据传给计 算机作进一步的分析。它携带方便，但它的测量精度不，因此只能应用于一般 的检测分析中，或作为对各种状况判断的参考和发现问题的手段，而不能作为计 量和判断问题的依据。 文献 2 6 】介绍了 # , u n i l y z e r9 0 0 f 便携式电能质量分析仪，它的技术水平较 ，实用性强。它最大的特点：精度、多功能、体积小、重量轻、携带方便、 操作简单；可判断谐波流向，便于查找谐波源；可将测量计算后的数据通过以太 网、m o d e m 等多种方式传回控制中心，进行数据管理。但是该装置价格昂贵， 使得在国内很难推广。 国内致力于电能质量产品研究的企业还不多。安徽振兴电子公司的p s 系列电 能质量分析仪 1 4 1 ；上海宝钢安大电能质量有限公司p q l1 6 便携式电能质量分析 仪、p q l 0 2 电力谐波分析仪、p q l 0 6 电能质量远程监测仪、p q l 3 2 电力设备状态 监测系统等已成功的在冶金及电力系统中得以应用【2 6 1 。总体来看，目前国内广泛 采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，缺 乏统计分析功能；而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对 变电所的各级母线电压、主变压器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测 量、对大、中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据 测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。这种电能质量 监测手段和管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效 率低等明显的局限性【2 6 1 。 随着数字信号技术和计算机技术的发展，网络技术和嵌入式实时系统技术的 日益成熟和完善，电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智 能化的方向发展【1 7 】。 1 3 课题研究的主要任务 现有电能质量检测装置大多以单片机、t m s 3 2 0 2 x 低速d s p 处理器为计算核 心，计算速度低，不能满足电能质量实时、连续性处理的要求；并且与上位机通 信多采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通信方式，以至检测装置通信效果受环境影响较大，另 外也限制了总线上检测装置的个数。本文的工作目标之一是：使用 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 速d s p 和c p l d ，设计一个实时的、能够和远方控制分析中 心远距离速通信的电能质量检测装置。并根据谐波电流、谐波电压的特点，采 用比较合理的二元线性回归方法估计用户的谐波发射水平，并将该方法在d s p 上实现。 1 3 第一章绪论 本文的主要内容如下： ( 1 ) 根据电能质量监测系统的特点、现场监测采样频率、精度以及监测系 统通信的要求，利用d s p 和c p l d 开发一种电能质量检测装置，其中d s p 完成数据 数理，c p l d 完成系统逻辑控制，通过g p r s 网络与远方计算机通信。 ( 2 ) 完成电能质量检测装置采样模块、d s p 最小单元模块硬件设计。在硬 件设计的基础上，进行电能质量检测装置下位机软件设计。包括了系统采样模块 的程序设计、数据处理模块设计，以及与g p r s 的通信方法。 ( 3 ) 针对现有用户谐波发射水平估计方法中存在的问题，采用一种更为合 理的谐波发射水平估计方法，并将该方法在d s p 上实现。 1 4 第二章估计用户谐波发射水平的基本方法 第二章估计用户谐波发射水平的基本方法 由畸变负荷产生的谐波不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严 重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害 。电力监督部门所制定的 谐波发射水平限值有利于保证电网的正常运行以及各用户的利益。但是，由于在 公共联接点的谐波测量值是由系统其它谐波源和当前用户谐波发射共同作用的 结果，因此，考虑某个用户对系统的影响时，必须明确估计用户的谐波发射水平。 谐波发射水平统计方法的特点【2 7 】： ( 1 ) 由于系统中大部分用户都存在线性负荷与非线性负荷同时运行的情况， 因此在公共联接点的谐波电流测量值为系统谐波电流与用户谐波电流的矢量叠 加的结果。公共联接点某次谐波电压与电流的相角指明了谐波功率流的方向，但 是不能对用户谐波发射水平进行有效估计。 ( 2 ) 大量谐波分析的方法要求对电力系统模型较为准确的描述，同时，由于 谐波电流、电压的幅值与相角随时间不断变化，因此谐波发射水平的估计一般都 建立在大量测量数据上统计分析方法【2 8 】【2 9 】。 实际工作中，经常遇到的是要检当某个谐波源接入系统后，在接入处( 公 共联接点) 将产生多大的谐波电压( 谐波发射水平) 。显然，如果己知该谐波源的谐 波电流，o 和接入处系统的谐波阻抗z 0 ，则接入处产生的谐波电压为： u o = z o l o 谐波电流决定于谐波源工作状况，由其特性求得。这里不强调其相角关系， 只要有该谐波源的谐波电流含有率和工作电流即可求得谐波电流值。因此，问题 归结为系统谐波阻抗的确定。如前所述，影响系统谐波阻抗的因素很多，而且它 们是随时间在不断变化的，因此考虑多种情况结合所要考虑的问题来确定【3 0 】。以 下对各类方法进行介绍： 2 1 “干预式 ( i n v a s i v e ) 估计法 “干预式”方法主要通过向系统强迫注入与系统可能存在的谐波电流频率 相异的电流甚至是间谐波电流，使用插值法，或是开断系统某一支路来测量用户 谐波发射水平。“干预式 估计法主要有注入法及开关元件法。 1 5 第二章估计用户谐波发射水平的基本方法 2 1 1 注入法 “注入法”是通过向系统强迫注入谐波电流或间谐波电流来测量系统谐波阻 抗。谐波电流注入法利用谐波电流注入器，将它产生的刀次谐波电流由要测量的 公共联接点处注入电力系统，测量在该点产生的刀次谐波电压，该谐波电压与注 入的谐波电流之比就是该点的系统, 次谐波阻抗。等值电路如图2 1 。 图2 1 “注入法 等值电路 r ， 乙= i j n ( 2 1 ) i n 谐波电流注入器是一种阻抗为非线性的装置，当系统电压( 基本上是正弦波) 施加其上时，它汲取的是非正弦电流，亦即它是谐波源。从原理上说，测量时系 统中应没有其它的该次谐波源，或者是和注入器相比，其它谐波源的该次谐波电 流很小，可以忽略不计，从而此时该点的疗次谐波电压是或基本上是由注入器的刀 次谐波电流产生的。否则，就不能由电压和电流的简单比例关系求得系统谐波阻 抗。 实际上，要测量其谐波阻抗的系统通常是有其它谐波源存在的，而且容量往 往还比较大，这就要求注入器的容量足够大。从经济上看，这是不合理也是难以 做到的。为了解决这个问题，通常是使注入器产生的谐波电流是非整数次的，一 般是使其频率为2 5 h z 的整数倍。可以认为电力系统中不含有这些频率的谐波源， 因而可较准确地测得该频率的系统阻抗值，利用这些测量结果作图或插值法可求 得所需的系统谐波阻抗。 该方法的优点： ( 1 ) 可以得至u 2 5 0 0 h z 以下的几乎所有的频谱，谐波频率可以通过插值法得 到； ： ( 2 ) 系统固有谐波在测量中对间谐波影响很小，因此谐波源功率不需太强。 一1 6 第二章估计用户谐波发射水平的基本方法 该方法的不足之处： ( 1 ) 测量压网络时，谐波源的输出要能承受的适配电压； ( 2 ) 相应的变压器应该具有较低的电阻； ( 3 ) 注入电流有时是不对称的。 2 1 2 开关元件法 开关元件法是指在要测量谐波阻抗的地点，通过网络元件的开关动作而产生 谐波电流注入( 或扰动) ，然后再研究其瞬态或是稳态过程，求出系统谐波阻抗的 方法。该方法在实际测量谐波阻抗时经常被采用。 2 1 2 1 瞬态法 应用频率响应估计的原理，利用开关投切网络元件后的瞬态过程系统谐波阻 抗进行估计，进而可以估计系统和用户的谐波发射水平，其原理如图2 2 所示。 n c t ) 旦e 五 上l 图2 2 频率响应估计谐波阻抗原理 由于背景谐波的存在以及注入谐波信号幅值相对基波信号而言比较弱，因此 使用协方差函数进行分析。可以假定电网中的电压、电流都是平稳随机过程，分 别为图2 2 中的输入信号1 ( 0 和输出信号驯，图中方框代表线性系统，它的冲激 响应为z ( o ，其对应的傅立叶变换z ( t 3 就是该系统的频率响应，噪声f 1 i j 也是均值 为零的平稳随机过程，则有： 巴 u ( f ) = iz ( r ) l ( t - r ) d r + ( f )( 2 2 ) 假设测量一段时间内的k 次谐波e g 玉, u 。和谐波电流厶，电压和电流的互协方 差函数为尺厶，其傅立叶变换为鼬。j 。，即互谱，互谱一般是复数；同时谐波 电压的自协方差函数为r u h u h ，其傅立叶变换为s u 。u 。，即功率谱，功率谱是实数。 因此，由鼬。厶与砌。的关系可以得到相应的系统谐波阻抗： 1 7 第二章估计用户谐波发射水平的基本方法 乙= 垫阜 ( 2 3 ) 砜i h 该方法在实应用中可以通过开关投切电容器支路，引起瞬时的短路电流， 记录该瞬时的电压、电流信号，然后根据公式( 2 3 ) 估计系统谐波抗【3 1 】【3 2 】【3 3 】， 但是这种方法通常信噪比在9 0 以上才是可的。 该方法的优点： ， ( 1 ) 谱范围广，包括谐波率； ( 2 ) 电容器支路比较常见，而且其开关操作比较繁，测量操作容易实现。 该方法的不足之处： ( 1 ) 信号持续时短，因而要速的数据采系统； ( 2 ) 扰动源( 如电容器支路