（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp技术的多功能谐波电度表的研制.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e m e n to fd i f f e r e n tk i n d so fn o n l i n e a rl o a d si nt h ep o w e rs y s t e m ， t h ev o l t a g ea n dc h l 了铷ta r ea b e r r a n ta n dt h ep r o b l e mo f p o w e rq u a l i t yi sb e c o m i n gm o r e a n dm o r es e r i o u s a f t e ri n t r o d u c i n gt h es t a n d a r d ，c l a s s ，h a h n ，c a u s eo fp o w e rq u a l i t y , t h i sp a p e rp o i n t so u tt h ep r e s s i n gn e e dt oe f f e c t i v e l yi n c l u d et h ep o w e rq u a l i t yw h e n a c c u m u l a t i n gp o w e re n e r g y f i r s t ，a f t e ras u r v e yo ft h ep r e s e m i n gp o w e rt h e o r i e s ，ap r e f e r r e dp o w e rt h e o r yw a s c h o s e nf o rt h em e a s u r e m e n t su n d e rn o n s i n u s o i d a ls i t u a t i o n t h e nt h ee r r o r sd u et ot h e h a r m o n i c so fa 1 1k i n d so fp o w e rp a r a m e t e r sm e a s u r i n gt e c h n i q u e sw e r es t u d i e da n da p r e f e r r e dm e a s u r e m e n tm e t h o d ，t h ep o w e rm e a s u r e m e n tm e t h o di nf r e q u e n td o m a i n b a s e do nf f t w a sc h o s e n t h e ns o m eq u e s t i o n st ob es o l v e di nt h em e a s u r e m e n t s u n d e rn o n s i n u s o i d a ls i t u a t i o nw e r ed i s c u s s e d a f t e rt h ea n a l y s i so ft h e o r y , t h er e a l i z a t i o no ft h ec h o s e np o w e rt h e o r ya n d m e a s u r e m e n tm e t h o dw a sp r e s e n t e d - ad s pb a s e dm u l t i - f u n c t i o np o w e rm e t e rw a s d e s i g n e d t h ed e t a i l e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r eo ft h i sm e t e rw a sd i s c u s s e d f i n a l l yt h et e s tr e s u r o f t h e m e t e rw a sp r e s e n t e da n ds o m er e a s o n so f t h em e t e r i n ge r r o r w e r ed i s c u s s e dt o o ， t h i sm u l t i f u n c t i o np o w e rm e t e rc a nc a l c u l a t et h er m sa n dt h do fv o l t a g ea n d c u r r e n t a n dc a l la c c u m u l a t ep o w e re n e r g yc o r r e c t l y t h et e s tr e s u l to ft h em e t e rh a s v e r i f i e dt h ev a l i d i t yo f t h ep o w e rm e t e r k e y w o r d ：n o n - s i n u s o i d a l ，p o w e rt h e o r y ，h a r m o n i cp o w e rm e t e r ，d s p ，f f t 学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 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任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，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，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 越叠 东南大学工程硕士学位论文 基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 一一 1 1 研究背景 第一章绪言 随着现代科学技术的迅猛发展，一方面电力电子设备的应用领域越来越广，特别是各类 冲击负荷、非线性负荷容量的不断发展，使得电网中电压波形畸变，电压波动、闪变和三相 不平衡等问题时有发生，严重地影响了电能质量：另一方面人们越来越多地使用精密和复杂 的电子设备，如计算机、通信设备以及各种各样的过程控制系统来处理、管理工作过程和事 务，即使只有几个m s 的供电中断或电压跌落，都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的 经济损失。因此电压骤降或者间断等动态电能质量问题成为了现今最主要的电能质量问题之 一。目前，我国的电力市场已逐步开始实施，随着电力市场的逐步完善，电力部门不仅应满 足用户对电力数量不断增长的需求，还必须满足对较高电能质量的要求，如何提高电能质量 将是电力企业面临的又一重要课题。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。 在国内研究比较多的是稳态电能质量问题，目前突变的、暂态的非平稳电能质量扰动的 分类识别、短时间谐波的检测、电压闪变的分析都是亟待解决的难点。欧洲由于电压暂降引 起的用户投诉占整个电压质量问题的8 0 以上。有资料表明，在欧美等国家，一次电压暂 降造成的经济损失可达数百万美元。随着我国高科技产业的发展，动态电能质量也日益被人 们关注。 电能质量问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要表现在以下几个 方面【1 4 】： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率， 大量3 次谐波流过中线会使线路过热甚至引起火灾。 ( 2 ) 影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过 热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 ( 3 ) 引起电网谐振，这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别 对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。 ( 4 ) 导致继电保护和自动装置误动作。造成不必要的供电中断和生产损失。 ( 5 ) 使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或者电力用户带来经济 损失。 ( 6 ) 对临近的通讯系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失。 使通信系统无法正常工作。 ( 7 ) 短时停电、电压骤降或者电压骤升会影响许多特殊行业的生产过程，降低生产功 效和产品质量，直接造成经济损失。 ( 8 ) 不平衡电压使旋转电机的转子受到反方向的负序旋转磁场的作用，该磁场切割转 子产生双倍频率附加电流从而使电机本体发热烧损，双倍频率附加交变电磁力矩同时作用在 转子和定予上产生双倍频率附加振动。 ( 9 ) 波动和闪变使照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，影响工效；电动机转速不 均匀，影响电机寿命和产品质量；影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果。 东南大学工程硕士学位论文 基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 一一一一 1 2 研究的现状和意义 1 2 1 研究的意义 国际上，许多发达国家和地区已对电能质量这一课题作了火量的研究，并取得了实际的 经验。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。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的影响己比较突出，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，我国的情况尤其落后。这一问题已经引起了各 级电力部门的高度重视，国家已颁布了有关的技术标准。我国在19 9 0 19 9 5 年之间相继 颁布了供电电压偏差、电压允许波动和闪变、公用电网谐波以及电力系统频率允 许偏差的电能质量有关标准。 1 2 ，1 1 监测的几种方式p 1 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同的电能质量问题的监测方式和要求也不尽相 同。迄今为止，国内外对电能质量的监测方式可概括为连续监测、定期或不定期检测和专门 测量三种方式。 ( 1 ) 连续_ | j 矗测 连续监测也称为在线监测或日常监测。按电能质量标准的规定要求，需要进行连续监测 的内容有电压偏差和频率偏差，以及大型干扰源、危害较大或者容易引发事故的有关电能质 量标准，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的谐波电源、易受干扰的大型设备或 者线路的谐波电流、以及重要用户的电能质量指标。 ( 2 ) 定期或者不定期检测 对于普通干扰源的监测，根据干扰的大小、危害程度、以及需要等，选择采取定期或者 不定期检测方式。定期检测用于电网电能质量的定期普查。定期普查是每隔一定时间( 如2 3 年) 对全网进行普查测试，全面了解和掌握全网的电能质量水平或者干扰源的特性。定期 普查的检测点和检测指标由普查需要确定，但应该包括连续监测的内容。对于一些特殊情况 根据电能质量监督管理的需要，也可以采取不定期检测方式。 定期或者不定期检测一般采用专门的仪器、设备到现场进行测试，测试之后根据测试结 果提出测量和分析报告。 ( 3 ) 专门铡量 专门测量是指各种干扰负荷或者补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器编、滤波器等 接入电网前后，比较这些设备投入前后对电网电能质量水平及影响进行的测量，以决定其能 否正式投入运行。对于可能产生各种干扰的设备，如果投入电网之后产生的干扰超过标准， 则应该不投入运行或者用有源滤波器等装置进行控制。 就名词含义和意义而言，监测和检测是两个不同的概念。监测是一个连续时间的概念， 在监测时间段往往持续不断地执行某一个例行的任务：而检测则是一个时间点的概念，它大 多是为了完成某一具体的任务而执行一次操作，虽然有些检测也需要一段时间，但这只不过 是一个过程中的不同阶段而已。另外，监测往往是对全程的跟踪监视，在监测伊始，往往不 能具体预测监测结果；而检测则带有明确的目的，所有的操作都紧紧围绕着检测的目的而进 行着。 1 2 1 2 监测的意义 电能质量监测在改善电能质量的过程中起着关键的作用，因为为了改善电能质量问题就 必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚。如为了减轻或者消除谐波对系统造成的不利影 2 东南大学工程硕士学位论文 基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 响就必须先检测出谐波分量的大小，并以此作为控制变量来削弱谐波造成的不利影响。 然而，随着电力用户对电能质量要求的逐步提高，以及供电系统中干扰现象日益增加， 电能质量日常监测在电能质量监督管理中的作用越来越重要。如果说检测能从微观上、某一 个时间点上说明电能质量存在的问题，那么日常监测无疑从宏观上、一个时间段内说明了电 能质量的整体状况。 首先，电能质量日常监测是获取电力系统运行状况和电能质奄水平的重要手段。为了全 面准确地反应地区电力系统的运行状况和电能质量水平，选择有代表性的监测点并对其进行 日常监测是最好的方法之一。通过这种手段，不但能够获取系统内一些重要节点和重要出线 的电能质量参数，而且可以由这些重要节点和出线的电能质量数据得出整个系统的基本电能 质量水平。同时，由于电能质量监测是一个持续的时间量，它不但可以反映当前时间的系统 电能质量状况，而且可以得到系统历史时间内的电能质量状况。因此，对电能质量进行日常 监测，现在已经成为国外许多电力公司的共同做法。如美国电力研究院( e p r i ) 为了了解 全国配电系统的电能质量状况，在1 9 9 2 年开始设计了专门监控仪器( b m l 8 0 1 0p q n o d e ) ， 建立了监测系统用于对全国2 4 个电力公司的配电系统电能质量进行监测，研究计划的主要 目标是提供有关属地总体范畴内电能质量参数的基本统计数据。 第二，日常监测可为辅助决策提供必要的参考依据。电能质量日常监测数据里含有丰富 的信息，通过对这些数据的分析统计便可以得到供决策用的参考依据。一个正确的决策来自 于对实际情况的真实调查，由于电能质量监测数据是对实际系统长时间监测的结果，所以它 比理论推测更具有说服力。依据它所做出的决策也更贴近实际情况、更具可行性。例如，某 变电站出线向- 4 , 型炼钢厂供电，在变电站母线上引起了较严重的谐波污染。通过对该条出 线进行连续监测并分析得到的监测结果，提出了具有针对性的治理方案。 第三。电能质量日常监测能及时全程跟踪线路或设备的运行状况，将问题的事后解决变 为事先预防。电力系统是一个实时运行的系统，保证其可靠稳定运行是各级电力部门应尽的 责任。然而，由于电力系统是一个复杂庞大的系统，虽然各级电力部门都在努力提高运行管 理的水平，但仍存在着一些安全隐患。电能质量监测的重要意义就在于通过连续收集、记录、 存储电能质量的信息，在供配电系统和用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息， 以便在事故发生之前，提醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。 第四，电力系统不可避免地会发生各种各样的事故，在对其进行事故分析时，往往由于 缺少发生事故时的原始数据而找不到引发事故的真正原因，从而也难以找到有效的预防方 法。电力系统的运行有时存在着隐患，如果在发生事故后不能尽快分析出事故的原因所在， 那么不但现有事故的损失无法弥补，而且系统还有爆发相同事故的可能性。加强电能质量的 监测，则可通过对所监测历史信息的分析找出事故的症结所在，从而避免类似的事故再次发 生。 1 2 2 电能质量监测的现状 虽然传统的供电方案中包含有对电能质量的监测，如对p c c ( 公共连接点) 电压、频 率等的监测；近年兴起的变电站综合自动化技术甚至将保护控制和部分电能质量的监测集成 到了一起。然而，传统的电能质量监测方法和手段仍然无法满足供用电双方对电能质量更高 的监测要求。这表现在以下几个方面jj ； 第一，传统的电能质量监测方法一般不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监测。 一般只是在需要时才对电能质量进行检测，而这对于电能质量波动较大的情况 9 1 ，如系统中 存在大功率的电弧炉和整流设备时往往不能得到全面的电能质量消息。 第二，传统的电能质量监测不能综合考虑上述国标规定的五项电能质量的监测。由于重 视程度不够和实现起来的难度，传统的电能质量测量、监测装置往往只能监测而项电能质量 3 东南大学工程硕士学位论文 基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 中的一项或者几项，并不能实现五项电能质量的同时监测。据我目前掌握的材料来看，国内 很少有能够同时监测国标规定的五项电能质量指标的装置和系统。 第三，传统的电能质量装置一般都只是考虑稳态电能质量的监测。鲜有对动态电能质量 比较综合的监测装置。因为动态电能质量持续时间很短，监测难度比较大。 第四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， 精度往往不能达到要求。 随着供电紧张局面的逐步缓解，无论是发、供电还是普通的电力用户，对电能质量问题 逐步重视起来，这为进一步开展电能质量监测工作提供了良好的环境。另外，随着计算机技 术和芯片制造技术的进步，数字装置必备的芯片，如a d 、微处理器等，都提供了很好的性 价比。鉴于此，本文提出研制附带谐波监测功能的多功能谐波电度表。 1 3 多功能谐波电度表的主要功能 本文研制的多功能谐波电度表，主要完成谐波等稳态的电能质量的监测和电度累计，在 此硬件平台基础上，也预留了对其它电能质量参数进行监测的软件空间。多功能谐波电度表 主要功能如下： ( 1 ) 三相电压、电流有效值计算、液晶显示： ( 2 ) 三相电压、电流量实时f f t 分析，谐波t h d 计算、液晶显示； ( 3 ) 基波、谐波的有功功率、视在功率计算： ( 4 ) 三相有功电度累积、功率因数( 考虑谐波因素) 计算，液晶显示： ( 5 ) 适用场合：变电所、用户配电房。 1 4 本论文的主要工作 本文在研究电能质量理论的基础上，以谐波作为典型的电能质量指标开发了基于d s p 技术的多功能谐波电度表。全文具体工作如下： 第一章分析了电能质量问题的产生原因，造成的危害以及我国电能质量监测的现状以及 对电能质量进行监测的意义。 第二章主要分析了稳态电能质量和动态电能质量各自的范畴，详细比较了国内外的有关 电能质量的标准，确定了本文所参照的标准。 第三章比较了稳态电能质量各参数的测量方法，提出了基于f f t 计算稳态电能质量的 设计思想。在测量稳态电能中的频率时，对现有的各种测量频率的方法的作了一定的研究、 分析和综合后，提出了一种软件测量频率的改进葬法。 第四章主要通过比较论证，确定了谐波电度表双c p u 结构的设计框架。 第五章主要介绍了谐波电度表的d s p 子系统的硬件设计和软件设计。 第六章主要介绍了采用8 9 c 5 2 作为处理器的5 1 单片机子系统的硬件设计和软件设计。 第七章为谐波电度表功能调试与实验结果。 最后一章是本文所作工作的结论和展望。 4 东南大学工程硕士学位论文基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 第二章电能质量的定义和标准 2 1 电能质量的定义 i e e e 技术协调委员会已经正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，并且给出了相应的技术 定义：“合格的电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设备的接地系统是均适合于该 设备正常工作的。”这个定义的缺点是不够直接和简明。文献【8 】采用的电能质量定义为： “导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或者频率偏差”。当然这里的“偏差”应 广义理解甚至应包括供电可靠性。最严重的电能质量问题是电压跌落( s a g s ) 和电压完全中 断。 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和动态两大类。稳态电能质量问 题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等。一般持续时间比较长， 在一段时间内( 通常为1 分钟以上) 出现的电能质量不正常的情况。暂态电能质量问题通常 是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。 针对过去对各种扰动引起电能质量问题( 干扰) 的提法不一，ieee 第22 标准统筹 委员会( i e e es t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e 2 2 ) ( 电能质量) 和其它国际委员会推荐如下 几种术语来描述主要的电能质量干扰。各术语的定义如下： 2 1 1 稳态电能质量： 过电压( o v e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的1 1 0 一1 2 0 ，持续时间大于l m i n 。 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的8 0 一9 0 ，持续时间大于l m i n 。 谐波( h a r m o n i c s ) ! 频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。由电力系统中的装 置和负载的非线性特性引起的波形畸变可分解为基波和谐波之和。 电压不对称( 三相不平衡度) ；指电压的最大偏移与三相电压的平均值的比值超过规定 的标准，主要由不对称负载引起的。 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。闻谐波主要由静 止变频器、周波变频器、感应电机和电弧设备产生，电力载波信号也认为是一种间谐波。 电压波动( v o l t a g e f l u c t u a t i o n ) ：指工频电压包络线的一系列变动或周期变化。 2 1 2 动态电能质量 电压骤升( s w e l l s ) ：电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型值为额定值的1 l0 - - 1 8 0 ，持续时间为0 5 个周期至1 r a i n 。 电压骤降( s a g s ) ：电压或电流有效值降至额定值的10 一9 0 ；持续时间为0 5 个周 期至l m i n 。 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) z 在一相或多相线路中完全失去电压( 低于额定值的l o ) 一段 时间。持续时间0 5 个周期至3s 为瞬时中断；持续时间3s 至6 0s 为暂时中断：持续时 间大于6 0s 为持续中断。 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) ：指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压瞬变可以是任 意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 电压闪变：电压波形包络线呈规则的变化或者电压幅值一系列的随机变化，一般表现为 人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。闪变分为周期性和非周期性两种。 电压缺口( n o t c h e s ) ：持续时间小于0 5 个周期的周期性的电压扰动。电压缺口主要是 5 东南大学工程硕士学位论文 基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 电力电子装置由一相换至另一相时参与换相的电路瞬时短路造成的，与电压缺口有关的频率 分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很困难的。 表2 1 列出了上述的各种电能质量干扰的扰动性质、特征指标、产生原因、后果。 表2 一i 电能质量问题览 类型 扰动性 特征指标产生原因后果 质 谐波稳态谐波频谱电压非线性负载、设各过热、继电保护误动、设备绝缘破坏 电流波形固态开关负载 三相不对稳态不平衡因子不对称负载设备过热、继电保护误动、 称通信干扰 欠电压稳态持续时间、幅值运行操作、故障保护误动、通信干扰 电压闪变暂态波动幅值、出现频率、电弧炉、电机起动何服电机运行不正常 调制频率 过电压稳态波形、峰值、 运行操作、故障 设备绝缘破坏、 持续时间损坏电力电子设备 电压瞬变暂态上升时间、峰值、闪电电击线路、设备绝缘破坏 持续时间感性电路开台 电压骤升 暂态幅值、持续时间、远端发生故障、设备停运、敏感负载不能正常运行 电压骤降瞬时值，时闻电机起动 图2 1 列出了主要电能质量问题的波形图。 图2 1 主要电能质量问题波形图 2 2 电能质量标准 2 2 1 国外的电能质量标准1 8 , 1 0 1 电能质量标准的制定任务，就是从当前( 或近期发展) 的技术水平出发，确定适当的电 能质量指标偏差的允许值。标准的合理与否的判断准则应是： ( 1 ) 基本上能保证电力系统的安全、连续供电和经济运行。 ( 2 ) 总体上能保证用户电气设备的正常用电。 6 豢 蛾辫黧 东南大学工程硕士学位论文 基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 ( 3 ) 电力部门( 包括干扰性用户) 在当前技术水平基础上，作一定的努力后应能达标。 国外很多国家制定了电能质量的标准。1 9 8 9 年，欧洲共同体决定制订电能质量的全面 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 ) 正式颁布了公用配电系统供电特 性文件( c e n e l e c c l c b t t f 6 8 - 6 ( s e c ) 1 6 ) ，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。标准供分5 大类1 3 个标准，现摘要介绍如下。 2 2 1 1 频率( 取配电系统基频1 0 秒平均值) ( 1 ) 互联电网 低压5 0 h z l ( 即5 0 0 5 h z ) 一年中占9 9 。 5 0 h z 6 ( 即5 0 3 h z ) 一年中占1 。 中压5 0 h z 1 ( 即5 0 土0 5 h z ) 一年中占9 9 。 5 0 h z 士6 ( 即5 0 3 h z ) 一年中占1 。 ( 2 ) 孤立电网( 如岛屿供电等) 低压5 0 h z + 1 2 ( 即5 0 土1 h z ) 一年中占9 5 。 5 0 h z 士1 5 ( 即5 0 7 5 h z ) 一年中占5 。 中压5 0 h z + 2 ( 即5 0 i h z ) 一年中占9 5 。 5 0 h z + 1 5 ( 即5 0 7 5 h z ) 一年中占5 。 2 2 1 2 电压幅值( 共分6 种情况) ( i ) 慢速电压变化 低压u s - + 1 0 。每周期供电电压1 0 分钟均方根值。取9 5 概率大值。 中压公布电压的变化为士1 0 u n ，公布电压由电力部门规定。 上述u n 在2 0 0 3 年前，u n = 2 3 0 v ，三相三线制的相间电压u n = 2 3 0 v 。三相四线制的 相间电压u n = 4 0 0 v ，相对中性点u n = 2 3 0 v 。 ( 2 ) 电压波动( 快速电压变化) 低压每周期间取9 5 概率大值 ( a ) 发生闪变的电压波动幄值不超过5 u n 。 ( b ) 发生闪变的电压波动：短期烈度( s e v e r i t y ) p s t = 1 ：长期烈度p i t = 0 8 。 中压每周期间取9 5 概率大值 ( a ) 不发生闪交的电压波动幅值不超过4 u s 。 ( b ) 发生闪变的电压波动：短期烈度( s e v e r i t y ) p s t = 1 ；长期烈度p i t = 0 8 。 ( 3 ) 长时断电 低压每年长时断电限制在1 0 5 0 次，断电持续时间超过3 分钟者称为长时断电。 中压每年长时断电限制在1 0 5 0 次，断电持续时间超过3 分钟者称为长时断电。 a )短时断电( 电压降至零或者接近零称为断电) 低压每年短期断电次数几十次至几百次，持续时间7 0 的次数小于1 秒。 中压每年短期断电次数几十次至几百次，持续时间7 0 的次数小于1 秒。 b ) 暂时工频过电压 低压不超过1 5 k v ，由于中性点位移，过电压达相间电压值。 中压暂时工频过电压预期值为：相对地电压接地故障因素。其中： 接地故障因素( e a r t hf a u l tf a c t o r ) 为： 直接接地或者经阻抗接地系统：1 7 ，不接地或者消弧线圈接地系统：1 7 2 。 暂对工频过电压是由电力系统或用电设备的接地故障引起的。 c ) 暂时过电压 低压不超过6 k v 。 中压一般操作过电压低压雷电过电压，瞬态过电压是由雷电或者系统操作引起的。 7 东南大学工程硕士学位论文基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 ( 5 )电压不平衡 低压及中压： 2 4 小时取值的9 5 慨率大值。 负序分量1 0 分钟均方根值不超过相关正序分量的2 。 电压不平衡是由单相或两相负荷引起的。 ( 6 ) 谐波 a ) 谐波电压每个周期内取9 5 概率l o 分钟平均值。不超过下列限值，且总畸变率 ( t h d ) 不超过8 。 3 的倍数： 3 次低压5 中压1 5 ( 进一步研究中) ； 9 次低压1 5 中压1 5 ： 9 次低压0 5 中压0 5 。 其他奇次： 5 次低压6 中压6 ： 7 次低压5 中压5 ； 1 1 次低压3 5 中压3 5 ； 1 3 次低压3 中压3 ； 1 7 次低压2 中压2 ； 1 9 次低压1 6 中压1 6 ； 2 3 次低压1 5 中压1 5 。 偶次： 2 次低压2 中压2 ； 4 次低压1 中压1 ： 4 次低压o 5 中压o 5 。 b ) 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 是出现在谐波之间的基波非整数倍数( 也可为分数倍数， t l p , j , 于基波) 的谐波，低压和中压限值相同，均规定为：间谐波电压水平应低于邻近谐波水 平，i e c 规定为0 5 1 u n 。 2 2 2 我国的电能质量标准 表2 2 我国电能质量系列标准 标准编号标准名称允许限值说明 g b l 2 3 2 5 - 9 0 供电电压 ( 1 ) 3 5 k v 及以上为正负偏差绝衡量点为供用电产权分界处或者电能计量 允许偏差对值之和不超过1 0 ：点 ( 2 ) i o k v 及以下三相供电为 7 t ( 3 ) 2 2 0 k v 单相供电为一7 ，一 1 0 g b l 2 3 2 6 - 9 0电压允许电压波动：( 1 ) 衡量点为电网公共连接点( p c c ) ， 波动和闪 ( 1 ) 1 0 k v 及以下25 ；取实测9 5 0 d 1 率值； 变 ( 2 ) 3 5 1 1 0 k v 为2 ；( 2 ) 给出闲变电压限值和频度的关系 ( 3 )2 2 0 k v 及以上1 6 曲线，可以根据电压被动曲线查得 闪变v i o ：允许值，并给出算例； ( 1 ) 对照明要求较高0 4 ( 推荐( 3 ) 对测量方法和测量仪器作出基本 值) 规定 8 东南大学工程硕士学位论文基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 ( 2 ) 一般照明负荷0 6 ( 推荐 值) g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3公用电网各级电网谐波电压限值( 幻 ( 1 ) 衡量点为p c c ，取实测9 5 概率 谐波电压( k y ) t h d 奇次偶次 值； 0 3 854 02 0( 2 ) 对用户允许产生得谐波电流，提供 6 1 0 4 3 2 16 计算方法： 3 56 632 4i2( 3 )对测最方法和测量仪器作出基本 1 1 02160 8 规定； ( 4 )对同次谐波随机性合成提供算法 g b 厂r 1 5 5 4 3 - 9 5三相供电( i )正常允许2 短时不超过( 1 )各级电压要求一样： 电压不平 4 ：( 2 ) 衡量点为p c c ，取实测9 5 d 氍率值 街度( 2 )每个用户一般不超过i3 或日累计超标不超过7 2 r a i n ，r 每 3 0 m i n 中超标不超过5 r a i n ； ( 3 ) 对测量方法和测量仪器作出基本 规定； ( 4 ) 提供不平衡度算法 g b ，r 1 5 9 4 5 - 9 5电力系统( 1 )正常允许士0 。2 h z ，根据系 对测量仪器提出了基本要求 频率允许统容量可蛆放宽到士 偏差0 5 h z ( 2 ) 用户冲击引起得频率变动 一般不得超过士0 2 h z 从8 0 年代初开始国家技术监督局( 躁国家标准局) 将制定国家电能质量系列标准列 为重点项目。在参照国外的标准的基础上，我国系列标准共有5 个，至19 9 5 年底均已颁 布，即；g b l2325 m9 0 供电电压允许偏差；g b l2326 9 0 电压允许波动和闪变； g b t14 5 4 9 9 3 公用电网谐波：g b tl5 5 4 3 9 5 三相电压允许不平衡度；g b t l 5 9 4 5 9 5 电力系统频率允许偏差。上列标准的摘要如表2 2 所列： 上面介绍的标准主要是国内外针对稳态电能质量的。我国的电能质量标准主要参照欧洲 电工标准化委员会( c e n e l e c ) 正式颁布的公用配电系统供电特性文件 ( c e n e l e c c l c b t t f 6 8 6 ( s e c ) 1 6 ) 制定的。因此本文中所测量的稳态电能质量指标主耍 为国家规定的五项：电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波、电压波动。而在谐波电度 表设计上，目前仅考虑了谐波对功率测量的影响。 2 3 本章小结 本章把各种电能质量问题分为稳态电能质量和动态电能质量两大类。并对这两大类主要 电能质量指标进行了分析研究。随后介绍比较了国内外电能质量的标准。在国标制定的五项 电能质量标准的基础上，给出了稳态电能质量指标主要为：电压偏差、频率偏差、三相不平 衡度、谐波、电压波动。 9 东南大学工程硕士学位论文 基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 第三章稳态电能质量的测量 前一章介绍了稳态电能质量的范畴。在国标制定的五项电能质量标准的基础上，给出了 稳态电能质量指标主要为：屯压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波和电压波动。 3 1 电力系统电参量检测的目的 电力系统耍稳定和可靠运行，需要及时了解系统中各个单元的运行信息。 随着电能质量日益恶化，电能质量问题日益受到关注。在电力系统中与电能质量有关的 各种问题主要是由电力系统电压波动和各次谐波造成的。各式各样的仪器如电压表，电流表， 功率表和示波器等用于不同的场合，用以检测电能质量。还有一些特殊仪器，如电能质量分 析仪器，其功能包含了所有其它仪器的功能，现在正日益被广泛应用，用来测定电能质量。 电能质量问题的分析主要是电压、电流和功率的频谱分析，有功损耗的减少，无功功率的优 化，t h d ( 总谐波畸变率) 的降低同时也在待解决的范围之内。 电能质量监测作为电能质量监控的一个关键环节，在系统运行管理和技术监督中起着重 要作用，同时也是保证系统良好供电质量的必要条件。功能强大的电能质量监测及数据管理 系统的建立，能详细记录系统运行过程中的电能质量指标、监督电能质量污染源、并进一步 为电网电能质量的治理和改善提供依据。本文研制的多功能谐波电度表也是在谐波测量的基 础上完成电压、电流的谐波含量和功率计算。 3 2 非正弦条件下电参量的测量方法 近年来，随着电力电子技术的迅速发展，越来越多的非线性电气设备接到电网中投入运 行，使电网电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。非 正弦波是周期性电气量。根据傅氏级数分析，可分解成基波分量和具有基波频率整数倍的谐 波分量。当系统中谐波含量达到一定程度时，对电力系统及电力用户将带来一定的影响和危 害。其危害之一就是按反应工频正弦量来设计的常规仪器仪表在测量电参量时会出现较大的 误差。目前电参量的测量仪器和仪表从工作原理上分，有机电式、电磁式、电子式、微机型 ( 或称数字式) 等多种。模拟表计目前虽然还在大量应用，但由于其可读性差，误差大，功 能单一，目前正逐步被数字式测量设备取代，对其原理就不做介绍。采用微处理器的数字式 测量设备具有测量精度高、操作简单、维护调试方便、智能化程度高、功能全面、灵活性大、 一机多用、性能价格比高等特点，受到广泛欢迎。电参量的微机测量是测量系统硬件和软件 共同配合完成的，其中软件是测量装置的“核心”。电参量的微机测量中，软件的关键部分 是测量算法。测量精度、响应时间、抗干扰能力以及测量对硬件的要求是衡量电参量微机测 量方法的主要指标。在谐波环境下，电参量从其定义到测量算法都与常规正弦波条件下有所 不同，实现高精度测量的难度亦有所增加。在谐波环境下，电参量的微机测量变得较为复杂。 耍合理准确测量电参量，首先，应弄清楚测量的真正目的所在，即测量中是否需要包括谐波 分量。如有些时候，我们只需要测量电压的基波幅值。而另一些测量情况下，则可能需要的 是电压包括谐波分量的电压有效值。这些都需要选择一个合理的测量算法，对常用电参量的 微机测量方法进行研究，针对谐波对电参量测量的影响，提出适应谐波环境的测量算法，并 对这些算法的实现条件、适应范围、应注意的问题、采用的技巧等加以讨论。 我国稳态电能质量虽然只有五个指标，但是需要计算的量却很多。它们包括：电压有效 值u ；电流有效值i ；系统频率f ；三相有功功率p ；三相无功功率q ；三相视在功率s ： 功率因数cos 中( 以上称之为基本量) ；电流、电压的各次谐波分量及谐波总畸变率：各 1 0 东南大学工程硕士学位论文基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 一一一 次谐波含有率；电压波动值v ；以及三相电压不平衡系数等。f f t 在谐波测量、电压电 流的有效值、三相不平衡度等的计算过程中有着极大的优势，因此在多功能谐波电度表中以 f f t 作为基本算法。下面介绍快速傅立叶变换的基本原理及各个电参量的计算方法。 3 2 1 离散傅立叶变换与快速傅立叶变换【l l 1 4 】 随着科学技术的进步，人们越来越重视频率分析技术的发展与应用。以前要进行一次频 率分析，其计算的工作量大得惊人。现在，电子计算机的飞速发展使得计算的速度加快。但 是，电子计算机不可能对连续的信号进行处理，它只能处理有限的离散数据。为了便于利用 电子计算机进行傅立叶级数与傅立叶积分变换的运算，需要对连续信号进行采样，从而得到 一系列离散数据。这种对离散量的傅立叶变换，称为离散傅立叶变换，简记作d f t 。现在 首先来看如何对一个连续信号进行离散傅立叶变换。 3 2 1 1 开宙与取样 温度是人们都熟悉的物理量，它随着时间无时无刻不在变换着，是一个连续变换着的量。 为了不同的需要。人们制作了各种各样的温度计。但是，任何一种温度计都不可能将所有可 能的温度值全部包括在内，而只能选择所需要的一部分。比如，家用气温表的刻度一般地是 由1 2 5 0 度，而医用体温表是由3 5 4 2 度。这就是所谓开窗。 对一个时间函数来说。沿时间轴设置一个窗，将这个窗数在窗内的那部分作为样本进行 研究，而忽略窗外的部分。由于这个窗是在时间轴上，因此，也称其为时间窗。 此外，在傅氏分析中对各类待变换的信号必须先将其数量化，如x ( t ) 是一个待处理 的原始信号，可以在时间轴上的一些特定点。如t - - - - o 。t o ，2t o ，3t o ，nt o 处取其瞬 时的数值x ( o ) ，x ( t o ) ，x ( 2 t o ) ，x ( 3 t o ) ，x ( n t o ) ，并以这些离散的数值来替代 整个连续信号x ( t ) ，这个过程就是取样。当然，这些离散数值必须能够体现连续信号x ( t ) 的主要特性。用什么样的速率取样才能正确地反映信号的全都过程呢? 这需要依照著名的奈 奎斯特取样定理。 设f ( t ) 是满足傅立时变换条件的连续时间函数，取样率至少应为被取样波形中鼹高频 率分量的两倍，即它的最高截至频率f m 用间隔t o l 的数字序列f ( n ) 表示，并写成 2 f 巾，= 喜鬻 一c ，m v 一“1nj ( 3 1 ) 从被取样信号中抽取的信号成份叫做样本，样本只与信号的瞬时数值有关，与其出现的 时间无关，前面所说的x ( o ，x ( t o ) ，都是一些样本。那么，怎么样将一个波形数字 化呢? 下面看一个具体的例子。 一个峰值为1 ，频率为1 2 5 h z 的余弦波x ( t ) = c o s 2 7 r ( 1 2 5 ) ，= c o s 2 5 h i ，对此余弦波 进行取样，并限定在t = o 到t = 0 3 2 这个时间窗内，每隔o o l s 为一个取样点，这样就有了 3 2 个等距点，及其对应的x ( t ) 的值( 见表3 1 ) 。 表3 1 开窗和取样例子 t x ( t ) t n x ( b t x ( o 0 o o10 0 0o0 81 o o oo 1 61 0 0 0o2 4l0 0 0 0 0 l0 7 0 70 0 90 ，7 0 70 1 70 7 0 7o 2 50 7 0 7 0 0 20 0 0 00 1 00 0 0 00 1 800 0 002 60 0 0 0 东南大学工程硕士学位论文基于d s p 技术的多功能谐波电度表的研制 0 0 30 ，7 0 7 o 1 1 0 7 0 7o 1 907 0 7 0 2 7 - 07 0 7 0 0 4 - 10 0 0 0 1 2 10 0 00 2 01 0 0 00 2 81 0 0 0 0 0 5 07 0 7 0 1 3- 07 0 70 2 1- 0 7 0 70 2 9 - 0 7 0 7 0 0 60 0 0 00 1 40 0 0 0o 2 2o 0 0 00 3 00 0 0 0 0 0 70 7 0 70 1 507 0 70 2 30 7 0 70 3 l0 7 0 7 3 2 1 2 离散傅立叶变换( d f r ) 对于离散数据的傅立叶分析。其离散傅立叶变换d f t 的公式如下 这一公式可以将时间序列样本变换为一系列频域样本。离散傅立叶逆变换的公式如下。 一j x ( n a t ) = v z d ( k a f ) e 删a f a ( 3 3 ) = 0 利用此式可以将频域样本变换为时域