（电气工程专业论文）数字化变电站环境下电能质量测量技术的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 随着电力电子器件在电力系统中的广泛使用，电能质量问题已经成为供电系 统和用户共同关注的焦点。为了采取合理的措施来提高电能质量，首先必须建立 电能质量监测分析系统，对电能质量进行正确的检测、评估和分类。 数字化变电站以其特有的优势在2 0 世纪末登上了历史舞台，如：提高系统的 可靠性，设备具有互操作性，方便了设备的维护和更新，减少投运时间，提高工 作效率等等。作为新兴的变电站系统，其电能质量检测系统的研究就更加具有现 实性和深远的意义。本文在对数字化变电站通信系统深入研究的基础上，提出了 在数字化变电站环境下进行电能质量检测的新问题，通过分析，找到了解决的办 法，并编写软件实现了各个功能。 首先系统而简要地介绍了电能质量现象及其理论基础，各种电能质量扰动的 定义、分类、特征及其产生的原因等；介绍并对比了当今比较流行几种电能质量 计算方法。 其次本文对i e c 6 1 8 5 0 协议进行了深入的解读，通过对i e c 6 1 8 5 0 9 1 的研究， 明确了在数字化变电站过程层中采样值传输的模型，得到了模拟量采样值在传输 过程中的通信协议栈构成方式。 最后本文在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 平台上开发了在线电能质量检测软件，实现了 从合并单元取得采样值数据的目的，并对数据进行了解析，经过快速傅罩叶变换， 得出了采样值的电能质量指标。 本文研究的内容是数字化变电站中电能质量的检测方法，这一内容对数字化 变电站提高供应电能质量水平，按需定制电力指标有很大帮助，同时也对在数字 化变电站中完善通信体系有了进一步的探索。 关键词：电能质量；傅里叶变换；i e c 6 1 8 5 0 ；数字化变电站；采样值通信 分类号：t m 9 3 3 4 a bs t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e si np o w e rs y s t e m ，p o w e r q u a l i t yp r o b l e m sh a v ea l r e a d yb e c o m et h ef o c u st ow h i c hb o t hs u p p l i e r sa n du s e r so f e l e c t r i c i t yh a v ep a i dc l o s ea t t e n t i o n t oi m p r o v ep o w e rq u a l i t y , am o n i t o r i n ga n d a n a l y z i n gs y s t e mm u s tb ee s t a b l i s h e d t o d e t e c t ，e s t i m a t ea n dc l a s s i f yd i f f e r e n t d i s t u r b a n c e s d i 百t a ls u b s t a t i o nc a m et ou si nt h ee n do f 2 0 t hc e n t u r ya si t ss e v e r a lm e r i t ss u c h a s ：i m p r o v i n gr e l i a b i l i t yo fs y s t e m ，i e d sw i t hi n t e r o p e r a b i l i t y , e a s yt om a i n t e n a n c ea n d r e f r e s ht h ei e d s ，r e d u c i n gt i m et op u ti n t oo p e r a t i o n ，i m p r o v i n gw o r ke f f i c i e n c ya n ds o o n a san e ws u b s t a t i o ns y s t e m ，i t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yh o wt oe s t a b l i s hp o w e r q u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e m b a s e do nt h ed e e p l ys t u d yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nd i g i t a l s u b s t a t i o n ，s e v e r a ln e wp r o b l e m sw h i c hc a m eu pi nt h es t u d yo fp o w e rq u a l i t yd e t e c t i o n i nd i 西t a ls u b s t a t i o na r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e ra n dt h e nw ef i n das o l u t i o nb ya n a l y z i n g t h e m ，a tl a s tas o f t w a r ei sm a d eu pt oa c h i e v es e v e r a lf u n c t i o n s f i r s t l y , p o w e rq u a l i t yp h e n o m e n aa n di t st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na r ei n t r o d u c e d b r i e f l y t h ec l a s s i f i c a t i o n ，d e f i n i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n dc a u s a t i o no fa l lk i n d so fp o w e r q u a l i t ya r ea l s op r e s e n t e d t h e ns e v e r a lp o p u l a rm e t h o d so fc a l c u l a t i o no fp o w e rq u a l i t y a r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e d s e c o n d l y , i e c 6 18 5 0p r o t o c o li ss t u d i e dd e e p l y t h r o u g ht h er e s e a r c ho n i e c 618 5 0 9 - 1 ，t h et r a n s m i s s i o nm o d e lo fs a m p l ev a l u e sd u r i n gp r o c e s sl a y e ri nd i g i t a l s u b s t a t i o ni sb u i l d ；t h ec o m m u n i c a t i o ns t a c kc o m p o s i t i o no ft h ea n a l o gs a m p l ev a l u e d u r i n gt r a n s m i s s i o ni si d e n t i f i e d l a s t ，b a s e do nv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 ，s o 觚a r ei sd e v e l o p e dw h i c hc a nd e t e c tp o w e r q u a l i t yo n l i n e t h es o f t w a r er e a l i z e st h ep u r p o s eo fo b t a i n i n gs a m p l ev a l u ed a t af r o m m e r g i n gu n i t ；a n a l y z e st h ed a t a ；c a l c u l a t et h ep o w e rq u a l i t yi n d i c a t o r so fs a m p l ev a l u e b yf f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ；a n dt h e ns h o w st h e mi ns c r e e n t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ri st h ed e t e c t i o nm e t h o do ft h ep o w e rq u a l i t yi nd i g i t a l s u b s t a t i o nw h i c hi sab i gh e l pt oi m p r o v et h el e v e lo fp o w e rq u a l i t ya n do n - d e m a n d p o w e ri n d i c a t o ri nd i g i t a ls u b s t a t i o n ，a n di sa l s oav a l u a b l ee x p l o r a t i o nt oi m p r o v et h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nd i g i t a ls u b s t a t i o n - 北京交通人学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；f o u r i e rt r a n s f o r m ；i e c 618 5 0 ；d i g i t a ls u b s t a t i o n ； s a m p l ev a l u ec o m m u n i c a t i o n ； c l a s s n o ：t m 9 3 3 4 独创性声明 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，也不包含为获得北京交通大学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任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：久秒屯 签字日期：如哆年占月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，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) 学位论文作者签名：釉爿0 签字e tg q ：叫年月巧日靖 z庶钼 毫 e 只肜 年 3 吖 名 ： 签 期 师 日 导 字 签 致谢 本论文的工作是在我的导师马晓春教授的悉心指导下完成的，马晓春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 马晓春老师对我的关心和指导。 张晓冬教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张晓冬老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，唐志军、岳玲玲、张桂芳等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业，在此衷心的感谢他们。 绪论 1 1 引言 1 绪论 电能作为人们广泛使用的能源，它的应用程度是一个国家发展水平和综合国 力的主要标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提 高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进 步的表现，是信息时代和信息社会发展的必然结果，是提高用电效率、节能降损、 改善电气环境、提升国民经济总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。现 在的电力工业己经面向市场经济，引进了竞争机制，以求最小成本和最大效益， 电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，控制和改善 电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件【i j 。 1 2 选题背景 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能量形式，又， 是一种由电力部门向电力用户提供的一种特殊产品。与其他商品一样，电能也要 讲求质量，其特殊性就在于电能质量是由多方面共同保证的。 电能质量不仅对电网的安全、经济运行有着重要的意义，而且其质量的好坏 直接影响着用户侧设备能否正常工作。尤其近年来，一方面一些具有大容量、非 线性、冲击性性质的负荷设备，如电力机车、电弧炉等，给电能带来了严重的污 染；另一方面随着微电子技术的不断发展，大量基于计算机系统的控制设备、电 子装置对供电质量非常敏感，对电能质量提出了新的要求，但同时这些非线性整 流元件也是电能的一大污染源。 随着社会生产力的快速发展，特别是多种高精尖产业的大力推广，工业用电 对电能质量提出了更高的要求。而电能质量本身有很大的经济价值，因此研究电 能质量的检测进而改善电能质量水平是现代电力行业的一个很重要的研究方向。 电能质量引起的事故在国内外屡见不鲜。1 9 8 9 年3 月，加拿大魁北克系统中 的地磁感应电流导致系统主变饱和并产生大量谐波，造成s v c 电容器组过载， s v c 保护动作，系统电压失稳，进而导致整个魁北克系统崩溃。在国内，甘肃白 银供电局所属1 1 0 k v 变电站供电的电气化铁道在运行中产生1 1 次谐波，引起 11 0 k v 母线电压畸变4 左右，1 1 次谐波含量达2 2 i z j 。 北京交通大学硕士学位论文 由以上不难看出，电能质量低劣的危害是巨大的。 随着数字化变电站的迅猛发展，电子式互感器引进到实际应用中来，i e c 6 1 8 5 0 协议规定的通信规约也规定各种l e d ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ) 通过以太网互相 连接的标准，电压和电流值均以链路层数据帧的形式在总线上传输，这使得传统 的互感器和电能质量检测设备趋于无效化，因此深入的了解电能质量，研究数字 化变电站中的电能质量的检测是新时代的要求，有深远而重大的意义和普遍的现 实意义【3 1 。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1电能质量测量的研究现状 配电系统中电能质量的各种问题己引起各国电力工作者的高度重视，暂态电 能质量逐渐成为供电部门和广大用户共同关心的问题，研究和开发电能质量领域 的新技术已成为近年来电力系统研究领域的新热点。 在器件研究方面，自1 9 8 8 年提出“用户电力技术以来，对于电能质量的研 究已经有2 0 多年的历史。用于研究电能质量的设备和分析方法都比较丰富。器件 方面比如动态电压恢复器( d v r ) 、配电用静止同步补偿器、有源滤波器( a p f ) 、 固态转换开关( s s t s ) 等。经过十几年的发展，美国西屋电气公司、德国西门子 公司、日本三菱电气公司、瑞典a b b 公司等各大电力设备制造厂都已制造出相应 的产品。近年来，国内清华大学、电科院、西安交大、浙江大学、哈工大、华北 电力大学以及东南大学等众多科研院所也在该领域进行了有益的尝试。下图1 1 是一般的电能质量分析仪的系统框图： 寻孝f 口- 电蓓每 一! 一一一一一 i 电流电压互感器j v l 信号涮理电路； l ，一，一，。一一一j ， 数据采集号 l 一一j 中 ! i 控机及电能质量分析 仪软件 l j 图i - i 电能质量分析仪系统框图 f i g 1 1p o w e rq u a l i t ya n a l y z e rs y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 绪论 电能质量的监测分析方法主要有以下四种：时域仿真法，频域分析法，基于 变换的方法以及人工智能法等。 1 ) 时域仿真法 电能质量分析中应用最广泛的是时域仿真方法，它主要是利用各种时域仿真 软件对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真软件主 要有e m t p 、e m t d c 、n e t o m c 、a t p 等系统暂态仿真软件和s p i c e 、p s p i c e 、 s a b e r 等电力电子仿真软件两大类。利用这些仿真软件可在很多电能质量领域开 展研究：分析系统中出现的过电压及其对保护设备的影响：分析电容器投切造 成的暂态现象；分析电力电子装置产生的电压缺口现象；分析电压凹陷等电能 质量问题对用电设备造成的影响；分析不正常接地引起的电能质量问题；分析 电压波动造成的电压闪变现象；开发改善电能质量的新型电力电子控制器。 2 ) 频域分析法 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析计算，包括频率扫描和谐 波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性，提出了一种混合谐波潮流计 算方法，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，得到非线性负 载新的各次谐波电流矢量，进而得到动态谐波潮流解。该方法详细考虑了非线性 负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态特性，但是计算量大，求解过程复 杂。 3 ) 基于变换的方法 基于变换的方法主要包括傅罩叶变换( f o u r i e rt r a n s f o i t l l f t ) 法、短时傅里叶一 变换( s h o r t t i m ef o u r i e r t r a n s f o r m s t f t ) 法及小波变换法( w a v e l e tt r a n s f o r m w t ) 法。 傅罩叶变换是经典的信号分析方法，具有正交、完备等优点，其中的快速傅 里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f f t ) 是当今谐波分析方法中应用最多也是最广 的一种方法。在计算机中是较容易实现的方法，而且它能够有效的对稳定的信号 做出实时的分析。实现简单快捷，高效，成为最受欢迎的电能质量分析法。 短时傅罩叶变换s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m s t f t ) 的思想是d g a b o r 于1 9 4 6 年提出的，也称为加窗傅里叶变换。它使傅里叶变换具有了时间和频率的局部化 能力，兼顾了时间和频率的分析。使用窄窗，时间分辨率提高而频率分辨率降低； 使用宽窗，频率分辨率提高而时间分辨率降低。短时傅单叶变换在一定程度上改 善了傅罩叶变换无时i 、日j 局部化能力的不足，但它也有一些不足缺陷：在短时傅里 叶变换的计算中，选定了时间窗，时间和频率的分辨率就保持不变：由于短时傅 里叶变换的基础是傅里叶变换，所以它不适合分析非平稳信号，只用于分析平稳 信号和准平稳信号。 北京交通人学硕十学位论文 4 ) 人工智能法 将人工智f 耗( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e - a i ) 应用于电能质量分析也是目前电能质量 研究的热点。所谓人工智能，即伴随人类思维的一种自动化的行为。国外专家学 者对此开发和研究了将小波变换与人工神经网络、专家系统、模糊数学等相结合 的软件系统，利用人工智能技术对电能质量波形进行自适应辨识，并进行实际的 应用和验证，并开发出融合电力系统仿真、电能质量事件的分类和特征化，以及设 备敏感度研究的新型电能质量软件，为电能质量的监测和改善提供了坚实的基础 【4 1 。 1 3 2数字化变电站的研究现状 变电站自动化技术有着二十多年的发展历史。在全球经济一体化的过程中， 特别是在通信技术的飞速发展、计算机技术的日新月异的今天，数字化变电站以 其独特的优越性登上了历史舞台，比如减少设备的检修次数和检修时间，提高设 备的使用效率；减少自动化设备数量，简化二次接线，提高系统的可靠性，设备具 有互操作性，方便了设备的维护和更新，减少投运时间，提高工作效率等。 所谓数字化变电站就是使变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由 过去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统。全 球各大厂商也都在积极研发生产配套的设备比如智能断路器，带数字接口的光c t 、 光p t 等。 2 0 世纪9 0 年代初，国际电工技术委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 意识到来自不同厂家的电子智能设备( 1 e d ，i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e ) 需要一个标准的信息接i = 1 ，以实现设备的互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 。为此，i e c 的 两个技术委员会i e ct c 5 7 和i e ct c 9 5 成立了一个联合工作组，制定了“继电保 护设备信息接口标准 即i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准1 5 j 。 1 9 9 5 年国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 成立了3 个工作组1 0 、 1 l 、1 2 ( w g l 0 1 1 1 1 2 ) ，负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准。工作组成员分别来自欧洲、北 美和亚洲国家，他们有电力调度、继电保护、电厂、操作运行及电力企业的技术 背景，其中有些成员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。3 个工作组有明确的 分工，第l o 工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求；第1 1 工作组负责站级数据通信总线的定义；第1 2 工作组负责过程级数据通信协议的 i e c 6 1 8 5 0 在制定的过程中，在美国、德国、荷兰等幽都有示范工程，用以验 证标准，通过实践来进一步促进标准的完善。e p r i 进行了变电站通信论证初步计 划( t h eu c as u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n sd e m o n s t r a t i o ni n i t i a t i v ep r o j e c t ) ，该计划 4 绪论 按照u c a 2 0 标准至少实现1 2 个站，用于验证u c a 标准的j 下确性并将结果反馈 回来以便修改标准。1 9 9 8 2 0 0 0 年在德国进行了o c i s ( t h eo p e nc o m m u n i c a t i o ni n s u b s t a t i o n s ) 工程，主要由f g h 、v e w 、a b b 、a l s t o n m 、西门子等参加。目 标是为制定世界统一标准的i e c 6 1 8 5 0 积累经验，协调u c a 2 0 和i e c 6 1 8 5 0 ，验证 i e c 6 1 8 5 0 的抽象通信服务接口和通信栈的独立性。得出的结论是i e c 6 1 8 5 0 中定 义的通信概念符合变电站通信要求；需要扩展u c a 2 0 以适应欧洲市场；以太网技 术适合作为站总线；基于i e c 6 1 8 5 0 的应用独立于通信栈；i e c 6 1 8 5 0 提供了不同 厂商设备之间的互操作性。2 0 0 1 年在范库弗峰( v a n c o u v e r ) 进行了i e c 面向变电 站事件的通用对象( g e n e r i co b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o ne v e n t ，简称g o o s e ) 工程， 目标是验证i e c 6 1 8 5 0 增强的面向变电站事件的通用对象概念，验证变电站配置语 言的基本概念，结论证明面向变电站事件的通用对象概念的正确性，利用配置语 言配置面向变电站事件的通用对象消息可以实现不同厂商设备之间的互操作性。 2 0 0 1 2 0 0 2 进行的i e c 6 18 5 0 9 1 的试验验证了i e c 6 18 5 0 9 1 的可行性和正确 性。 2 0 0 1 2 0 0 3 年进行了i e c 6 1 8 5 0 原型试验，目标是利用可用组件在真正的平台 上实现i e c 6 18 5 0 原型，验证基于i e c 6 1 8 5 0 的过程总线采样值和跳闸信号的实时 性，验证按i e c 6 1 8 5 0 9 2 的采样值的编码。结论证明了i e c 6 1 8 5 0 的通信技术能够 满足变电站自动化保护和控制的实时性要求，通信接口能够严格保证操作的正确 性，同时改进了i e c 6 1 8 5 0 9 2 的采样值编码。采样值的网络传输测试是于2 0 0 2 年 1 月在美国进行的，参加者有a b b 和s i e m e n s t 6 1 。互操作测试系统的配置如图1 2 s i e m e n s 计最装置 a b b 保护装置 l 】 s l e m e n s 合并单兀 图1 - 2 采样值网络传输互操作实验 f i g 1 - 2s a m p l ev a l u en e t w o r ki n t e r o p e r a b i l i t ye x p e r i m e n t 2 0 0 2 2 0 0 4 由c i g r e 进行了一系列试验，包括i e c 6 1 8 5 0 9 ，i e c 6 1 8 5 0 8 1 等， 5 司 北京交通大学硕士学位论文 证明了新标准满足变电站自动化系统的要求，满足互操作性要求。 国外，s i e m e n t s 、a b b 等1 3 家公司已推出了符合i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动 化系统的产品。 国内方面，中国电力科学研究院和国内的各大电力设备制造厂商从2 0 0 1 年开 始关注i e c 6 1 8 5 0 ，并开始对该标准进行翻译，目前已经出版了4 个标准的正式版。 国内较有影响力的电力自动化设备供应商也积极响应并参与了互操作性试验，相 关单位有：国调中心、电科院、南瑞继保、国电南自、国电南瑞、北京四方、东 方电子、鲁能积成、融科联创等。 我国在数字化变电站设备领域的研究取得了长足进展。具有国际先进水平的 国产光电互感器已通过国家级鉴定，最长有1 8 个月的连续稳定运行经验。国内一 些主要的二次设备生产厂家已具备生产能与智能一次设备直接接口的二次设备， 一些成熟的国产二次设备可以通过改造增加过程层通信接口，避免因全部使用新 设备而导致的技术风险过大。 自2 0 0 5 年起，我国也自主建设了几座数字化变电站并顺利投入运营。这些数 字站的i e d 都是我国自主研发生产的，在这方面，我国也已经能够赶超国际的先 进水平。 1 3 3 数字化变电站环境下电能质量检测的研究现状 数字化变电站作为近五年来才出现的新型变电站，基础建设还没得到大规模 的普及，国内数字化变电站的建发数量不到1 0 座，在此基础上的配套设施虽然已 经较完备，但配套的电能质量检测软件的设计很少。能够在工控上位机上实时显 示以太网总线上的电能数据，并且计算其电能指标描绘出波形，现在来讲是个新 颖的课题。 1 4 本论文的主要工作 本文主要做了在数字化变电站环境下电能质量检测系统的设计与实现工作。 具体做了以下内容： l 、介绍了电能质量的概念，简单阐述了国际上对电能质量标准的规定和国内 在电能质量标准方面颁布的六项国家标准，指出了研究电能质量指标的目的和重 要意义。 2 、深入研究分析了i e c 6 1 8 5 0 标准体系，总结标准的思路、原则。分析标准 制定的思路：功能分解，数据建模和数据流；总结标准的通信模型、装置模型和 6 绪论 应用到通信的映射模型。在此基础上研究了在数字化变电站环境下研究电能质量 遇到的新问题，随后分析了这些新问题的现实状况，并给出了解决方案。 3 、基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站采样值模型建模。对采样值传输模型进行了构建， 并对其映射进行了分析；详细分析了过程层与间隔层之间合并单元的模型构建： 研究了采样值模型通信栈的构成。这为采样值数字化传输的物理实现提供了良好 的理论基础。 4 、设计完成了数据集的接收、解析及计算的程序。基于v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 平 台设计，应用w i n p c a p 库进行了数据包的抓包工作；依据i e c 6 1 8 5 0 9 1 通信栈结 构和以太网帧结构进行了数据的解析，并把各电压值、电流值显示出来；依据傅 里叶变换对采样值进行了计算，能够得出采样值的谐波次数和相位。对电压、电 流数据也进行了处理，可以保存在本地磁盘中，以便查阅。总体来讲，实现了在 数字化变电站环境下对电能质量指标的研究工作。 7 电能质量的概念 2 1 电能质量的定义 2 电能质量的概念 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理 想状态的公用电网应以恒定频率、j 下弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流 系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相互对称且互差1 2 0 0 。但由于供配 电系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，用电负荷性质多变， 加之调控手段不够完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，理想的供、配、 用电状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电等环节中的各种问 题，从而产生了电能质量的概念。 现代电能质量的概念不仅要保证频率、电压和供电可靠性，还要适应和满足 大型计算机系统、自动化生产流水线、微电子调速系统、信息网络系统等对电压 暂态、稳态与频率质量极为严格的电能要求。 国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成共识。i e c ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准将电 能质量定义为：供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。 i e e e 协调委员会对电能质量的技术定义为：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均是适合该设备f 常工作的。参考文献2 对电能质量的 定义是：电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差。 这些定义虽然文字叙述稍有差别，但是意思都基本上一样，均指：导致用户 设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。 2 2 电能质量指标与分类 国际社会对电能质量指标的分类与我国国标规定的电能质量指标有些不同。 i e e e 第2 2 标准统筹委员会( 电能质量) 和其他国际委员会推荐用如下术语表述几种 主要的电能质量干扰： ( 1 ) 断电( i n t e r r u p t i o n ) 。在一定的时间内，一相或多相完全失去电压( 电 压幅值低于0 1 p u ) 。断电按其持续时间可分为瞬时断电 ( m o m e n t a r yi n t e r r u p t i o n ) 、暂时断电( t e m p o r a r yi n t e r r u p t i o n ) 和持续断 电( s u s t a i n i n gi n t e r r u p t i o n ) 。 ( 2 ) 电压凹陷( v o l t a g es a g s ) 。持续时间为0 5 周波至6 0s ，电压幅值为 0 1 o 9 p u ，系统频率仍为标称值。它也称为电压下跌或电压骤降。 9 北京交通人学硕士学位论文 电压凸起( v o l t a g es w e l l s ) 。持续时间为0 5 周波至6 0s ，电压幅值为 1 1 1 8 p u ，系统频率仍为标称值。它也称为电压上升或电压骤升。 电压凹陷和电压凸起按其持续时间可再分为瞬间电压凹陷凸起 ( i n s t a n t a n e o u ss a g s s w e l l s ) 、瞬时电压凹陷凸起( m o m e n t a r y s a g s s w e l l s ) 和暂时电压凹陷凸起( t e m p o r a r ys a g s s w e l l s ) 。 瞬时脉冲( t r a n s i e n t sp u l s e ) 。它表示两个连续稳态之间在极短时间内 发生的一种突变现象或数量变化。可以是任一极性的单方向脉冲， 或发生在任一极性阻尼振荡的第一尖峰。 过电压( o v e rv o l t a g e ) 。电压为额定值的n o 1 2 0 ，持续时间 lm i n 。 欠电压( u n d e rv o l t a g e ) 。电压为额定值的8 0 - 9 0 ，持续时间 1m i n 。 谐波( h a r m o n i c s ) 。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。可以用傅里叶分解和统计分析方法求取。 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 。屯压和电流的频率不是基波频率的整数倍。 间谐波主要由静止变频器、感应电动机和电弧设备等产生。另外， 电力载波也可认为是一种间谐波。 电压切痕( v o l t a g en o t c h e s ) 。持续时间小于0 5 周波的电压扰动。电 压切痕主要是由于电力电子装置由一相换到另一相时，参与换相的 电路瞬时短路而造成的。与电压切痕有关的频率分量非常高，采用 常规的谐波分析仪对它进行测量是很困难的。 三相不平衡度( i m b a l a n c e ) 。它是指三相电力系统中三相不对称的程 度。造成电力系统三相不对称的原因很多，主要有两类：一类是大 容量不对称负荷的接入，如电力机车等；另一类是电网中的谐波。、 电压波动和闪变( v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r ) 。电压波动是指工频 电压包络线的一系列变动或周期变化。电压闪变是指人眼对由电压 波动所引起的照明异常的视觉感受，它通常以白炽灯的工况作为判 断依据。电弧炉、轧钢机、电弧焊机和高速磁悬浮列车系统等波动 性负荷，在运行过程中有功功率、无功功率会随机或周期性大幅度 变化，易引起系统的电压波动和闪变【4 j 。 以上是国际社会中电能质量的一般分类标准。我国从2 0 世纪9 0 年代初到2 0 0 1 年，国家技术监督局先后组织制定并颁布了6 项电能质量国家标准引：g b 1 2 3 2 5 1 9 9 0 供电电压允许偏差；g b t1 4 5 4 9 1 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 l o ，、， ) ) ) ) ) ) ) o l 3 4 5 6 7 8 9 = 1 ( ( ( ( ( ( ( ( ( 电能质量的概念 偏差；g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电压波动和闪变；g b 厂r 1 8 4 8 l 一2 0 0 l 暂时过电压和瞬 态过电压。这些标准是我国公用电网正常运行应满足的条件，给电能质量治理工 作提供了参考与依据。 电能质量问题对电力系统电磁环境的污染将危害系统本身及广大电力用户， 危害面十分广泛。电能质量问题的性质、产生原因及解决方法归纳如表2 1 所示。 表2 1 电能质量问题的性质、产生原因及解决办法 类型扰动性质特征指标产生原因后果解决办法 谐波稳态谐波频谱电非线性负载、设备过热、继有源、无源 压、电流波形固态开关负电保护误动， 滤波 载设备绝缘破 坏 三相不对称稳态不平衡因子不对称负载设备过热、继静止无功补 电保护误动， 偿 通信干扰 陷波 稳态持续时间、幅调速驱动器计时器计时电容器、隔 值 错误、通信干离电感器 扰 电压闪变 稳态波动幅值、出电弧炉、电机伺服电机运静i ：无功补 现频率、调制启动行不正常 偿器 频率 谐振暂态暂态波形、峰值、线路、负载和 设备绝缘破滤波器、隔 持续时间电容器组的坏、损坏电力离变压器、 投切 电子设备避雷器 脉冲暂态暂态上升时间、峰闪电电击电设备绝缘破 避雷器 值、持续时间路、感性电路坏 开合 瞬时电压上暂态幅值、持续时远端发生故设备停运、敏不问断电 升_ 卜降间、瞬时值障、电机启动感负载不能源、动态电 时间正常运行压恢复器 噪声稳态暂态幅值、频谱不正常接地、微处理器控正确接地、 同态开关负 制设备不能滤波器 载正常运行 北京交通大学硕士学位论文 2 3 电能质量指标研究的目的和意义 电能质量对电力部门、用户以及电力负荷设备制造厂商有着重要的经济影响， 电能备受关注的根本原因在于它的经济价值，进行电能质量研究的目的是改善和 提高电能质量。 在电能输送过程中，电力系统将受到各种因素的影响，到达用户的电能波形 往往发生畸变。随着不对称负荷、冲击性负荷的容量和数量的不断增大，电网受 到严重干扰，电能质量不断恶化。 另外，电能质量不仅取决于发电、输电和供电系统本身，接入公用电网的半 导体换流器和非线性负荷也将对电网产生明显的干扰，降低了配电网中的电能质 量。电能质量的恶化将会给电力系统和用电设备带来严重危害。谐波问题是电能 质量中的一个重要问题。一直以来，电能质量研究也主要集中在与谐波相关的稳 态电能质量研究上。在电力系统、电力电子、电动机、供配电等专业和所有涉及 电力电子应用的工业部门中，都把谐波干扰及其分析处理作为重要技术课题。 谐波对电力系统或并联的负载产生种种危害，危害的程度取决于谐波量的大 小、现场条件等因素。谐波可使各种设备出现故障，如使电机负载加重，产生振 荡转矩，转速周期性变化：加重集肤效应，使电机和变压器铜损、铁损增加而过 热；使变压器铁心产生磁滞伸缩现象，噪声增加，甚至达到不能容许的程度；产 生电压波形畸变，对电机和变压器绝缘游离( 局部放电) 过程的产生和发展有很大影 响，引起绝缘介质强度降低，使用寿命缩短；使电力电缆容量减小，损失增加， 老化加剧，泄漏电流加大，有时引起单相对地击穿，造成三相短路；对通信设备、 自动和远动装置、继电保护、测量设备和仪表等亦有各种危害。 不难看出，在当代电力系统，深入了解和认识电能质量，高度重视电能质量 下降对供用电系统运行的危害和影响、甚至对社会经济的作用和影响，对全面研 究和管理电能质量问题具有极其重要的意义。 2 4 本章小结 本章主要介绍了电能质量的定义，指出了电能质量在国计民生中的重要作用 与影响。一旦电能质量指标低于用户标准，就会造成难以估量的危害。阐述了国 际上对于电能质量指标的定义和分类，介绍了我国颁布的电能质量指标标准。讲 明了研究电能质量指标的目的和意义。研究电能质量是关系社会经济发展的重要 因素之一，全面研究和管理电能质量问题有着重要意义。 1 2 数字化变电站中研究电能质量的新问题 3 数字化变电站中研究电能质量的新问题 数字化变电站就是使变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由过去 的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统。全球各 大厂商也都在积极研发生产配套的设备比如智能断路器，带数字接口的光c t 、光 p t 等。数字化变电站的通信协议是i e c 6 1 8 5 0 协议，由国际电工组织于2 0 0 2 年发 布。 3 1i e c 6 1 8 5 0 协议简述 i e c 6 1 8 5 0 标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准， 它是由国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 的3 个工作组 l o ，1 1 ，1 2 ( w g l 0 1 1 1 2 ) 负责制定的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准，其中 主要有：i e c 8 7 0 5 1 0 1 远动通信协议标准；i e c 8 7 0 5 1 0 3 继电保护信息接口标 准；u c a 2 0 ( u t i l i t yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e 2 o ) ( 由美国电科院制定的变电站和馈 线设备通信协议体系) ；i s o i e c 9 5 0 6 制造商信息规范m m s ( m a n u f a c m r i n gm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。 制定i e c6 1 8 5 0 的目的是想实现不同厂商产品之间的互操作性。为此，该协议 采用自顶向下的方式对变电站自动化系统进行分层、功能定义和对象建模，并对 一致性检测作了详细的定义。i e c6 1 8 5 0 包括面向对象的标准、通信网络性能要求、 接口和映射、系统和项目管理、一致性测试等多方面内容。 i e c6 1 8 5 0 协议总共发布了1 0 部分，其中前9 部分都是国际标准。具体内容 包括： 第一部分：i e c 6 1 8 5 0 1 介绍和概述。从整体上介绍i e c 6 1 8 5 0 的结构和框架、 制定的方法以及标准如何适应通信技术的发展。 第二部分：i e c 6 1 8 5 0 2 术语。介绍标准系列中的特定名词、术语以及标准其 它部分所用到的定义、缩略语等。 第三部分：i e c 6 1 8 5 0 3 总体要求。介绍变电站自动化系统对通信网络的总体 要求，重点是质量要求( 包括可靠性、系统可用性、可维护性、安全性、数据完 整性、网络要求) ，环境条件、供电要求等，并根据其它标准与规范对相关特定要 求提出建议。 第四部分：i e c 6 1 8 5 0 4 系统和项目管理。介绍系统与项目管理的过程及其要 求，包括工程过程及其支持的工具、整个系统及其i e d