（电力系统及其自动化专业论文）基于小波分析的电能质量扰动定量检测方法研究.pdf

华南理上人学博士学位论文 基于这两个实值小波变换的修一幅值仍叮较为准确地检测到电压幅值的变化。 电压信号中往往含有谐波及噪声的成分。本文提出了在噪声背景下，利用变 点分析方法估计电压信号基波的幅值变化时刻，进而给出诸时段上电压基波幅值、 基波频率的估计值以及谐波幅值、频率等参数的估计值。首先利用c h e b y s h e v 不 等式确定了一闽值j ，该阈值用于确定被白噪声污染的电压基波的幅值变点的个 数及初步确定电压幅值变点的位置，再利用变点统计分析方法确定信号幅值变点 的确切位置，并且对信号的中的其它参数进行了估计。模拟结果显示在一定条件 下，本文提出的估计方法具有估计精度较高的特点。但对于电压幅值频繁发生改 变的情形，该估计方法不再适用。 关键词：电能质量扰动；小波分析；变点统计分析；电压上升：电压下跌 频率偏移 i i a b s r r r a c t a b s t r a c t w i t hc e a s e l e s si n n o v a t i o no fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，n o u r i s hd e v e l o p m e n to f c o u n t r ye c o n o m ya n dr a p i dr i s i n gl e v e lo fi n d u s t r y ，t h ep r o b l e mo fp o w e rq u a l i t y b e c o m e si n c r e a s i n gs a l i e n t ，w h i c ha r o s ee l e c t r i cp o w e rb r a n c h e sa n dt h e i rc o n s u m e r a t t e n t i o nh i g h l y t h ee f f e c t u a ld e t e c t i o na n da n a l y s i sf o rp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c e si s o fi m p o r t a n tm e a n i n gt oi m p r o v ew h 0 1 ep o w e rs y s t e mr u n n i n gl e v e lw i t hs a f e t y t h e q u a n t i f i c a t i o n a ld e t e c t i n gi r l c t h o d sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n da n a l y s i sm e t h o d f o rc h a n g e p o i n t a r ep r e s e n t e dt o s t u d yt h e i s s u eo fd y n a m i cp o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c e s w h e nac o m p l e xw a v e l e ti sc o n s t r u c t e dt od e t e c ts i g n a l ，i ti sp r e s e n t e dt h a tt h e t w oq u e s t i o n ss h o u l db ea t t e n t i o n o n eq u e s t i o ni st h a tw i n d o wc e n t e r so fr e a lp a r t a n di m a g i n a r yp a r ti nt h ec o m p l e xw a v e l e ta r ew h e t h e rc o n s i s t e n to rn o t a n o t h e ri s t h a tw i n d o wr a d i u s e so fr e a lp a r ta n di m a 垂n a r yp a r ti nt h eo n ea r ew h e t h e rc o n s i s t e n t o rn o t s i m u l a t i o ne x a m p l e sv a l i d a t et h et w oq u e s t i o n s i m p o r t a n c e i ti sp r e s e n t e df o r t h ec o n c e p t i o no fb r o a ds e n s ea m p l i t u d eb a s e do nt w or e a lw a v e l e tt r a n s f o r m s ，w h i c h i s e x p l i c a t i n g a n dg e n e r a l i z i n gf o r a m p l i t u d eo f ac o m p l e xw a v e l e tt r a n s f o r m s i m u l a t i o ne x a m p l e sd i s p l a yt h a tb r o a ds e n s ea m p l i t u d eb a s e do nt w or e a lw a v e l e t t r a n s f o r m sh a so b v i o u sa d v a n t a g ei nc a t c h i n gf a u l ts i g n a l i t i sd e f i n e df o rt h ec o n c e p t i o no ft h ea d j u s t m e n ta m p l i t u d eb a s e do nw a v e l e t s t a n d a r dt r a n s f o r m i tw a sp r o v e dt h a t ，i ft h et w or e a lw a v e l e t sm e e ts o m ec o n d i t i o n s ， a n do n ei sa ne v e nf u n c t i o na n da n o t h e ri sa no d do n e ，t h ea d j u s ta m p l i t u d e sb a s e do n t h et w or e a lw a v e l e ts t a n d a r dt r a n s f o r m sa r ea l w a y sa s c e r t a i n a b l et h ec h a n g i n g a m p l i t u d eo fv 0 1 t a g ef o rt h et h r e ep h e n o m e n o no fp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s ， t h a t a r e ，v o l t a g ei n t e r r u p t i o n s ，v o l t a g es a g sa n dv o l t a g es w e l l s e v e ni fa m p l i t u d eo f v o l t a g ec h a n g e si nas h o r tt i m e ，t h ea d j u s ta m p l i t u d e sb a s e do nt h et w or e a lw a v e l e t s t a n d a r dt r a n s f b r m sa r ea l s oa s c e r t a i n a b l et h ec h a n g i n gm a g n i t u d eo fv 0 1 t a g e t h ec o n c e p t i o no fa d j u s t m e n ta m p l i t u d eb a s e do nt w or e a lw a v e l e tt r a n s f o r m si s p r e s e n t e d ，a n dp r o p e r t yo ft h ea d j u s t m e n ta m p l i t u d ei sp r o v e d t h en e wt w or e a l w a v e l e t sa r ec o n s t r u c t e da n dt h er e c u r s i o nf o r m u l a eo ft h et w or e a lw a v e l e t t r a n s f o r m sa r ed e r i v e d t h ea d j u s t m e n ta m p l i t u d eb a s e do nt h et w os e l e c t e d w a v e l e t sh a sf 0 1 1 0 w i n gc h a r a c t e r s ，w h i c hi se x p l a i n e db yt h e o r y ：( 1 )w h e nt h e a d j l l s t m e n ta m p l i t u d ei su s e dt od e t e c ts i xt y p i c a lt y p e so fp o w e rq u a l i t yq u e s t i o n s ， i i i 华南理t 大学博士学位论文 t h a ta r e ，v o l t a g ei n t e r r u p t i o n ，v o l t a g ef a l l ，v o l t a g e8 w e l l ，f r e q u e n c ys h i f t ，o s c i l l a t o r y t r a n s i e n t ，t r a n s i e n tr a n d o md i s t u r b a n c e ，t h ed e t e c t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d j u s t m e n t a m p l i t u d en o to n l yf i n da c c u r a t e l yo u tt h es t a r tp o i n ta n ds t o pp o i n t so ff a u l t ，b u ta l s o i d e n t i f yt h ep o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c et ob e l o n gt ow h i c ht y p e ( 2 ) w h e nt h ea c t u a l f r e q u e n c yo fp o w e rs y s t e mi se q u a lt ot h ed a t i n gf r e q u e n c y ，t h ea d j u s t m e n ta m p l i t u d e m a ye x a c t l yd e t e r m i n et h ev o l t a g ea m p l i t u d ee x c e p ta ts u d d e nc h a n g i n gp o i n t so f v o 】t a g ea m p “t u d e ( 3 )t h ea d j u s l m e n ta m p l i t u d en o to n l yd e t e r m j n et b a ta tw h j c h t i m ei n t e r v a lt h ef r e q u e n c yo ft h ep o w e rs y s t e mi st h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c ya n da t w h i c ht i m ei n t e r v a lt h ef r e q u e n c yo ft h ep o w e rs y s t e ms h i f to c c u r s ，b u ta l s od e t e c t t h a tv o l t a g ea c t u a lf r e q u e n c yi sb i g g e rt h a nt h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c yo rn o t ( 4 ) w h e nt h ed e v i a t i o no ft h ea c t u a lf r e q u e n c yf r o mt h ed a t i n gf r e q u e n c yf a u si nac e r t a i n r a n g e ，t h ee s t i m a t ev a l u eo fv o l t a g ea n dt h ed i s c r e p a n c yb e t w e e nt h ee s t i m a t ev a l u e a n dt h ea c t u a lv a l u eo fv o l t a g em a yb eg i v e no u t ( 5 )w h e ns i n u s o i d a lv o l t a g e s i g n a lw i t hg a u s sw h i t en o i s e ，t t l ea d j u s t m e n ta m p l i t u d em a y d e t e r m i n et h ea m p l i t u d e o fv o l t a g ea c c u r a t e l yi fs i g n a l - t o n o i s ei sl a r g e ( 6 )w h e ns i n u s o i d a lv o l t a g es i g n a l w i t hh a r m o n i o u s ，t h ea d j u s t m e n ta m p l i t u d em a yd e t e r m i n et h ea m p l i t u d eo fv o l t a g e a c c u r a t e l yj fh a r m o n i o u sa b e r r a t i o nr a t j oi ss m a t h e r ea r eo f t e nc o m p o n e n t so fh a r m o n i o u sa n dn o i s ei nv o l t a g es i g n a l t h e s t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o df o rc h a n g ep o i n ti sp r e s e n t e dt oe s t i m a t et h el o c a t i o n sa t w h i c ht h ea m p l i t u d eo fv o l t a g ef u n d a m e n t a lw a v et a k e sp l a c et oc h a n g e ，a n dt h e e s t i m a t ev a l u e so fa m p l i t u d e so fv o l t a g ef u n d a m e n t a lw a v ei nv a r i o u si n t e r v a l ，t h e f r e q u e n c y o f v o l t a g e f u n d a m e n t a lw a v e ，v a r i o u sh a r m o n i o u s a m p l i t u d e s a n d f r e q u e n c i e s i nt h es i g n a lw i t hn o i s ea r eg i v e n f i r s t ， t h et h r e s h o l dv a l u edi s d e t e r m i n e db ya p p l i e dc h e b y s h e vi n e q u a l i t y ，w i t hw h i c ht h en u m b e ro fc h a n g ep o i n t s a n dr o u g h1 0 c a t i o n so fc h a n g ep o i n t so fv o l t a g ea r ee s t i m a t e d m o r e o v e r ，t h ep r e c i s e e s t i m a t e so f1 0 c a t i o n so fc h a n g ep o i n t so fv o l t a g em a yb ed e t e r m i n e d o t h e r p a r a m e t e r si nt h es i g n a jm a yb ee s t i m a t e d s i m u l a t i o n ss h o wm a tt h ep r e c i s i o no f e s t i m a t em e t h o dp r e s e n t e di nt h ep a p e ri sb e t t e ru n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n b u tt h e m e t h o di sn o ta d o p t e dw h e nv 0 1 t a g ec h a n g e sh i g hf r e q u e n c y k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e ；w a v e l e ta n a l y s i s ：a n a l y s i sm e t h o df o r c h a n g ep o i n t ；v o l t a g es w e u ；v o l t a g es a g ：f 阳q u e n c ys h i f t i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名： 朱咋咩 日期：z 口才年3 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 朱烽峰 农 日期：2 0 0 5 年3 月1 3 日 日期：2 0 0 5 年3 月1 3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究目的和意义 电力系统在理想情况下应以额定频率和正弦波形，按规定的电压供电，在三 相交流电力系统中，各相电压和电流应处于幅值相等、相位差为1 2 0 。的对称状 态。但由于种种原因，这种理想状态在实际中是不存在的。目前世界各国对电能 质量的定义各不相同，根据文献1 7 l ，电能质量可定义为：导致用电设备故障或不 能正常工作的电压、电流或频率偏差为表现形式的一切电力问题。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、电压波动 和闪变等。 电能质量问题的提出由来已久，在电力系统发展的早期，电力负荷的组成比 较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，因此 衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移两种。2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子技术社会的发展，工农业生产、国防、科技、建设以及 人们的物质文化生活对电力的依赖性和需求量越来越大，电力工业也迅速发展成 了规模庞大、结构复杂的电力系统。供电系统中增加了大量的非线性负载，例如， 高效率电机变速驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器，以 及大量的使用电子设备等等，这些都会引起电网电流、电压波形发生畸变，致使 供用电设备本身的安全性降低，对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害， 干扰电网的经济运行。与此同时，现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更 高，许多新的电器和装置都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件，它们对 各种电磁干扰都极为敏感。因此电力用户为了满足高效生产流程的需要，维护用 电设备的正常运行，向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签定供电合 同和质量协议的方式以获得保证。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( 它同样具有产品的若干特征，如可被测量、预估、保证或改善) 。 如今，电能作为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量，如何向 用户提供满足其要求的电能是电力工作者不容回避的现实。 总之，随着电能质量问题的日益严重及厂大用户对电能质量要求不断提高， 电能质量问题已引起世界各国的广泛重视。为了研究改进和提高电能质量，系统 地分析和研究电能质量问题，找出引起电能质量问题的原因并采取针对解决方法， 进而采取种种可能的技术措施，抑制电能质量的恶化，使其尽量得到改善。而对 华南理工大学博士学位论文 电能质量扰动进行检测、评估与识别是首先要解决的问题。 由此可见，研究检测、区分与评估电能质量扰动的问题，有利于推进供电部 门加强电能质量的技术监督与电网的运行管理，对保证提供合格的电能和优质的 服务有重要的作用。 1 2 电能质量扰动分类 电能质量这一术语可以用来描述电力系统中的多种电磁现象。近年来电子设 备的日益广泛应用也提高了人们对电能质量问题的关注，因此要求用专门的术语 描述相应的电磁现象。i e e e 第2 2 标准协调委员会 ( s t a n d a r d sc o o r d i n a t i n g c o m m i t t e e 2 2 ) ( 电能质量) 和其他国际委员会推荐采用1 1 种专用术语来说明电 能质量的主要扰动( 见下面的图1 一1 ) ，现就这些扰动进行简要介绍： 断电 频率偏移 电i 下跌 电压上升 瞬时脉冲 电眶波动 电压切痕 肯波畸形 图l l 八种电能质量扰动波形 f i g 1 一lt h ee i g h tw a v e f o r m so fp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s ( 1 ) 电压中断( 断电，i n t e r r u p t i o n ，o u t a g e ) ：在一定时间内，一相或多相 完全失去电压( 低于o 1 ( 标幺值) ) 称为断电。按持续时间长短，分为瞬时断电 ( o 5 周期3 s ) 、暂时断电( 3 s 6 0 s ) 和持续断电( 大于6 0 s ) 。 电压中断通常会在断路器、重合闸、熔断器切换时发生。对于一个计算中心 来说，两秒钟的电压中断会造成计算机系统的工作紊乱，数据损坏。 ( 2 ) 频率偏移( f r e q u e n c yd e v i a t i o no rs h i f t ) ：频率偏移是电力系统基波频率 偏离额定频率的程度。电力供电系统及对频率质量的要求全网相同，不因用户而 1 2 3 4 5 6 7 8 第一章绪论 异，各国均己作出具体规定。 大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有可能导致频率偏移。电 力系统频率过大的变化对用户和发电厂造成不利的影响主要有：引起异步电动机 转速变化，导致纺织、造纸等机械的产品质量受到影响；与系统有关的测控设备 受系统频率的影响而降低其性能，甚至不能正常工作：频率降低引起异步电动机 和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率增加，恶化了电力系统的电压水平。 ( 3 ) 电压下跌( 电压跌落，s a g ，d i p ) ：持续时间为0 5 周期l m i n ，幅值为 0 1 0 9 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 大多数情况下是由电网短路故障、大电机启动或大负载切换、雷击时造成的 绝缘子闪络或对地放电、架空的输配电线路的瞬时故障等情况都会引起不同程度 的电压下跌。电力系统电压下跌时将会导致：各类负荷中比重最大的异步发电机 的转差率将增大，因而发电机各绕组中的电流也将增大，温度将增加，效率将降 低，寿命会缩短；电动机的启动过程将大为延迟，电动机可能在启动过程中因温 度过高而烧毁；电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，电压过低还会危及电力 系统运行的稳定性。 ( 4 ) 电压上升( 电压隆起，s w e l l ) ：电压( 或电流) 持续时间为0 5 周期 l m i n ，幅值为l l l 8 ( 标幺值) ，系统频率仍为标称值。 电压上升常常出现在发生单相短路故障时的非故障相中。电压上升将会导致： 各种电气设备的绝缘会受到损坏，在超高压输电线路中增加电晕损耗；加速电器 设备的绝缘老化，影响电动机的使用寿命；白炽灯的寿命大为缩短。 ( 5 ) 瞬时脉冲( i m d u l s e ) ：在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的 电压( 或电流) 变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在 任极性的阻尼振荡波第1 个尖峰。 直击雷和开关动作是产生瞬时脉冲的直接原因。雷击将使电路中产生一个额 外的注入电流，此电流流经接地阻抗时导致电压瞬时脉冲的产生。另外，供电方 进行保护动作、切负荷或系统运行方式改变等开关动作，甚至用户的简单操作( 如 开空调) 也将产生瞬时脉冲。 ( 6 ) 电压波动( n u c t u a t i o n ) 与闪变( n i c k e r ) ：电压波动是在包络线内的电 压的有规则变动，或是幅值通常不超出o 9 1 1 p u 电压范围的一系列电压随机变 化。这种电压变化往往称作闪变( n i c k e r ) 。闪变这个专用术语是来自电压波动 对照明灯的视觉影响。 对输配电系统产生电压波动与闪变的最常见原因是电弧炉、感应炉的变频电 源，绞车和轧机，电焊机，电动机启动，采矿的挖掘机，锯木机和粉碎机等。电 压的快速波动会使电动机转速不均匀，这不仅危及电动机的安全运行，而且会在 一定程度上影响和危害与其连接在公共供电点的其他用户的电工设备。 华南理工人学博士学位论文 ( 7 ) 电压切痕( n o t c h e s ) ：电压切痕是一种持续时间小于o 5 周波的周期 性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流 从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率会非常高，因此用常规的谐波分 析设备是很难测量出电压切痕。这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最 近才正式列入的原因。 ( 8 ) 谐波( h a r m o n i c s ) ：含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐 波。产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波之和。谐波有奇次( 又可分为3 的倍数和非3 的倍数) 和偶次之分。随着用电装置对谐波敏感性的日益增加，高 次谐波越来越受到注意并规定了限额。 谐波是由于电力系统和电力负荷中设备的非线性特性造成的。例如大容量的 晶闸管换流装置，可控硅整流器，电弧设备，电气化机车，变压器等都是高次谐 波的电流源，它们接入电网后，将使系统母线电压畸变。电网谐波电压叠加在电 容器的电压基波上，不但使电容器的运行电压升高，严重时使电容器在运行中发 生局部放电且不易熄灭。变压器、电机等设备也会因谐波电流引起附加铜耗和铁 耗，出现局部过热现象。谐波严重影响电力系统的运行，会导致某些不正常的工 作状态。超高压长距离输电线，较大的谐波电流会使电弧熄灭延缓，导致单相重 合闸失败，造成事故。谐波还会引起设备的附加损耗，降低了设备的使用效率， 还可能使绝缘加速老化，缩短设备寿命。 其他扰动尚有： ( 9 ) 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ：含有基波的非整倍数频率的电压或电流称 为间谐波。小于基波频率的分数谐波( f r a c t i o n a lh a r m o n i c s ) 亦属于此类。 问谐波的主要来源是静止变频器 ( s t a t j c f r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 、循环换流器 ( c v c l o c o n v e r t e r ) 、感应电动机和电弧发生装置等。问谐波会使显示装置引发视 觉闪变。分数谐波对电动机噪声和振动影响很大，气隙磁通和转子电流因分数谐 波而相互作用产生的力可分解成多频分量，若力的分量频率与电动机定子的固有 频率很接近且在“圆周振型”阶数上耦合较深，就会产生强的噪声和振动。分数 谐波还会引起波形畸变，从而降低负荷功率因数，增加各种能量损耗。分数谐波 既会影响传统谐波测量的结果和准确度( 甚至使结果完全失真) ，又会使一些计量 仪器发生计量误差。因电视机对调幅波电压的影响很敏感，故0 5 的分次谐波即 能引起电视图像滚动。 ( 】o ) 过电压( o v e r v o l t a g e s ) ：过电压是指电压幅值超过标称电压且持续 时间大于1m i n 。过电压的幅值为1 1 p u 至1 2 p u 。 电力系统的过电压种类很多，总体上可分为两大类。一类是外过电压( 大气 过电压) ，即外部因素造成的过电压。大气过电压主要是由于雷电即电气设备遭受 雷击引起的，亦称为雷电过电压。另一类是内过电压，即由于电力系统的丌关故 4 第一章绪论 障或其它原因使电力系统的工作状态突然改变，在过渡过程中电磁能在系统内部 发生振荡而引起的过电压。各种设备在高于额定电压之上的过电压下工作，会造 成断路器跳闸，电器设备损坏，人员伤亡，停电甚至火灾等事故。 ( 1 1 ) 欠电压( u n d e r 、r o l t a g e s ) ：欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续 时间大于1m i n 。欠电压的幅值为o 8p u 至o 9 p u 。 欠电压会对电力系统的f 常运行产生不利影响，主要表现在：电压降低引起 异步电动机的转矩减少，转速降低，影响产品的质量和数量；引起发电厂给排水 系统和给煤系统的效率降低，影响锅炉、气轮机和发电机的出力；引起照明设备 的效率降低，使对电网电压敏感的电子设备不能正常工作。 ( 1 2 ) 三相电压不平衡：在三相交流电力系统中，各相电压应处于幅值相等、 相位差为1 2 0 。的对称状态。但由于种种原因，实际电力系统并不完全平衡。 造成三相电压不对称性的原因较多，但主要有两类，一类是大量非对称负荷 的接入，如电力机车等，另一类是电网中的谐波造成三相不平衡。三相电压不平 衡会引起：以负序为启动元件的多种保护误动作，威胁电网的安全运行；电机附 加振动力矩和发热，缩短其使用寿命：电网的损耗增加；使矿热炉的电能消耗增 加，产量减少，使炉子的效率降低；干扰通讯系统，影响正常的通讯质量；影响 计算机的正常工作、照明电灯的照度和寿命以及引起电视机的损坏。 电能质量扰动可分为稳念和动态两大类，稳态足波形畸变为主要特征，一般 持续时间较长，在一段时间内( 通常是l m i n 以上) 出现的电能质量不正常的 情况，主要类型有：过电压，欠电压，电压切痕，谐波，问谐波，电压波动与闪 变及三相电压不平衡等。动态常以频谱、持续时间以及扰动的随机性为特征，包 括：电压中断，电压下跌，电压上升，瞬时脉冲等。 1 3 我国的电能质量标准 传统的电能质量包括频率、电压和可靠性( 即不断电) 三个方面。随后，部 分事故和用户投诉使人们逐步认识到电网中的谐波和三相0 i 平衡现象的严重危 害性。另外，冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中 不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变日趋严重，这些对电网的 不利影响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。为此，我国迄今为止已颁布了6 项电能质量指标的国标，即：供 电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9o ) ，电压允许波动和闪变( g b1 2 3 2 6 9o 及其修 订版g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ，公用电网谐波( g b ，t1 4 5 4 9 9 3 ) ，三相电压允许不平 衡度( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ，电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 9 5 ) 以及暂 态过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 l 一2 0 0 1 ) 等标准，概述如下【l ”2 0 】： 华南理工大学博士学位论文 ( 1 ) 电压允许偏差 电压偏差计算式如下： 电压偏差( ) = ( 实际电压一额定电压) 额定电压1 0 0 电能质量供电电压允许偏差规定电力系统在正常运行条件下，用户受电 端供电电压的允许偏差为： 1 3 5 k v 及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的正负偏差 绝对值之和不超过1 0 ； 2 1 0 k v 及以下高压供电和低压三相用户为额定电压的+ 7 7 ； 3 2 2 0 v 低压单相用户为额定电压的+ 7 - 10 。 ( 2 ) 公用电网谐波 电压谐波畸变率以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数 来表示： 电压谐波畸变率= t 0 0 式中 u 。一一第n 次谐波电压有效值 u - 一一基波电压有效值 电能质量公用电网谐波中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇 次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值，见表卜1 。 表卜l 公用电网谐波电压( 相电压) 限制值 7 i a b l e1 一ll i m i tv a l u e so f ( p h a s e s )v o l t a g eo fp u b l i cp o w e rs y s t e m 注：2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 执行 ( 3 ) 电压波动和闪变 电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 是在原来标准g b l 2 3 2 6 1 9 9 0 第一章绪论 的基础上，参考了i e c 电磁兼容( e m c ) 标准i e c 6 l o o o 。3 7 等修订而成的， 规定了电压变动和闪变的限值。电压变动限值与变动频度、电压等级有关，见表 卜2 。由波动负荷引起的短时间闪变值p 。和长时间闪变值p 。应满足表卜3 所列 的限值。 表1 2 电压变动限值 t a b l e l 2l i i n i tv a l u e so fv o l t a g ef l u c t u a t i o n 注： 1 很少的变动频度r ( 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，表中标有“的值 为其限值。 3 本标准中系统标称电压u 。等级按以下划分： 低压 ( l v ) u 。l k v 中压( m v ) 1 k v u 。3 5 k v 高压( h v )3 5 k v u n 2 2 0 k v 表1 3 各级电压下的闪变限制值 t a b l el 一3l i m i tv a l u e so fn i c k e ru n d e rv a r i o u sr a n k so fv o l t a g e 注： 1 本标准中p 。和p l 。每次测量周期分别取为l o m i n 和2 h 。 2 m v 括号中的值仅适用于p c c 连接的所有用户为同电压级的用户场合。 ( 4 ) 三相电压不平衡 电能质量三相电压允许不平衡度适用于交流额定频率为5 0 h z 电力系统 正常运行方式下由于负序分量而引起的p c c 连接点的电压不平衡，该标准规定： 华南理工大学博士学位论文 电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 每个用户不得超过i 3 。 ( 5 ) 电网频率 电能质量电力系统频率允许偏差规定：电力系统频率偏差允许值为0 2 h z ，根据系统容量可以放宽到o 5 h z ：标准中并没有说明系统容量大小的界限， 用户冲击引起的频率变动一般不得超过o 2 h z 。 ( 6 ) 暂时过电压和瞬态过电压 由于开关操作或雷击等原因引起的暂时过电压与瞬态过电压是直接危及电力 设备安全运行的重要原因之一，以往只是对电器设备的耐压水平进行考核，而对 电网中实际产生的过电压水平则无限制。电网的过电压水平也是电能质量的一个 重要指标。电能质量暂时过电压和瞬态过电压标准按过电压的波形特点分为暂 时过电压和瞬态过电压两大类，这是因为过电压波形，幅值和持续时阳j 决定了对 设备绝缘和保护装置的影响。“暂时过电压”是指其频率为工频或某谐波频率，且 在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压；“瞬态过电压”为振荡的或非振荡 的，通常衰减很快，持续时间只有几毫秒且为缓波前的( 例如一些操作过电压) 或几十个微秒且为快波前的( 如雷电过电压) 过电压。 电能质量暂时过电压和瞬态过电压标准中第5 1 条混明了作用于设备上 的过电压的传统分类按其来源可分为两大类：内过电压和外过电压。由于内过电 压的变化取决于系统参数，内过电压的能量来自电网本身，因而内过电压的幅值 与电网的工频电压密切相关，通常用标幺值表示过电压值，标准中第5 2 条明确 了标幺值的基准值取法。内过电压又可以分为工频过电压、谐振过电压和操作过 电压等。第5 3 条对电网中暂时过电压( 工频过电压、谐振过电压) 的影响因素， 工频过电压起因及其要求，谐振过电压起因、特点和要求作了概括。外过电压又 叫大气过电压或雷电过电压，它分为直击雷过电压和感应雷过电压两种类型。第 5 4 条对电网中瞬态过电压( 操作过电压、雷电过电压) 的起因、影响因素和要 求作了概括。第5 5 条提出了运行中监测各种过电压的要求。第5 6 条对电气设 备( 装置) 在过电压作用下影响运行安全性的因素作了概括。 1 4 国内外对电能质量扰动检测方法的研究状况和存在的问题 1 4 1 电能质量扰动分析方法及存在的问题 随着电能质量问题的r 益严重及广大用户对电能质量要求的不断提高，电能 质量检测是当前国内外研究的一个热点。应用最广泛的分析电能质量方法2 9 3 0 第一章绪论 是：时域仿真法，频域分析法，基于变换的方法。而基于变换的方法又包括：f o u r i e r 变换，短时f o u r i e r 变换( 加窗f o u r i e r 变换) ，w i g n e r 分布等时频方法，最小二 乘估计，k a l m a n 滤波方法，神经网络方法和小波分析方法等。 ( 1 ) 时域仿真法 时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其最主要的用途是利用各 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。目前较通用的时域 仿真程序有e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 等系统暂态仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、 s a b e r 等电力电子仿真程序。 采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围， 因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模仿开关的开合过程时， 还会引起数值振荡。 ( 2 ) 频域分析方法 频域分析方法主要包括频率扫描、谐波潮流计算和混合谐波潮流计算等，该 方法多用于电能质量中谐波问题的分析。 频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，因 此混合谐波潮流计算法在近些年中发展起束。其优点是可详细考虑非线性负载控 制系统的作用，因此可精确描述其动态特性。缺点是计算量大，求解过程复杂。 ( 3 ) 基于变换的方法 在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有：f o u r i e r 变换，短 时f o u “e r 变换( 加窗f o u r i e r 变换) ，w i g n e r 分布等时频方法，最小二乘估计， k a l m a n 滤波方法，神经网络方法，p r o n y 分析方法，小波分析方法等等。 以往的电力系统结构简单、系统故障时各信号较平稳，谐波成分也较规则， 应用f o u r i e r 变换、最小二乘法、k a l m a n 滤波等方法，对电能质量扰动进行分析 检测，就能得到较为满意的结果。f o u r i e r 变换的优点是算法简单、快速，但缺点 也是明显的。应用f o u r i e r 变换时必须满足以下条件：( a ) 满足采样定理的要求， 即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上；( b ) 被分析的波形必须是稳态的， 随时间周期变化的。若某些采样频率或信号不能满足上列条件时，f o u r i e r 变换分 析会产生“旁瓣”和“频谱泄露”现象。此外，由于f o u r i e r 变换是对整个时间段 的积分，时间信息得不到充分利用，信号的任何冲突，其频谱将散布于整个频带。 另外，f o u r i e r 变换虽然能