（电力系统及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的电能质量综合监测系统的设计与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本论文通过分析国内外电能质量监测装置的发展现状，利用l a b v i e w 平台开发 了基于虚拟仪器的电能质量综合监测系统。 论文首先对电能质量问题的定义和分类作了论述，然后将电压偏差、频率偏差、 电压波动和闪变、电力谐波及三相电压不平衡作为主要的研究对象，对电能质量指 标的测试算法进行了研究。基于l a b v i e w 平台开发的电能质量综合监测系统可对上 述电能质量指标进行监测。 对所开发的基于虚拟仪器的电能质量综合监测系统的组成进行了介绍，包括该 系统的基本结构、硬件和软件设计。 对电网谐波的实时测量进行了探讨，并分析了影响电网谐波测量的因素和实现 实时测量的方法，软件上利用l a b v i e w 强大的虚拟仪器设计能力，算法上采用了加 窗f f t 的处理方法实现谐波分析。 电压波动和c j 变是电能质量问题的一个重要指标，本文开发的电能质量综合监 测系统通过电压采样值获得闪变视感度水平和其它严重度参数。实验结果证明所开 发的闪变测量功能模块性能符合最新的i e c 闪变仪测量标准。 实现了电能质量综合监测系统的网络化，通过d a t a s o c k e t 技术实现了对监测 数据的动态传输。利用d a t a s o c k e t 技术实现远程数据采集，采用w e b b r o w s e r 模 式建立了一套网络化的虚拟仪器系统，采用i e 浏览器通过i n t e r n e t 在任何地点都 可实时查看远方监测站的电能质量状况。 在监测系统的数掘存储上本文采用数掘库技术，研究开发了电能质量综合监测 系统的数据库，包括本地和远程数据库，本地数据存取采用本地m i c r o s o f t w a r e a c c e s s ，对远程数据库提出利用d a t a s o c k e t 技术实现远程数据传输和存储予以实 现。利用l a b v i e ws q lt o o l k i t 实现对数据库的访问，存储监测数据。 本文提出的电能质量综合监测系统与传统电能质量分析仪相比，实现了长期自 动运行、实时在线测量分析、历史数据管理等功能，具有操作简单、处理能力强、 图形输出等优点。 第3 一页 ：些圣兰堑二兰鱼坠 关键词：电能质量虚拟仪器数据采集同步采样 频率跟踪 d a 【t a s o c k e t数掘库 第4 项 a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h es i t u a t i o no fp o w e rq u a l i t ym o n i t o rh o m ea n da b r o a d ， a i m i n g a tt h ep r o b l e m s b e i n g f a i l e d a c r o s s d u r i n g m o n i t o r i n g e l e c t r i c s y s t e m s ，p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv i i s d e v e l o p e du s i n gl a b v i e wi nt h i st h e s i s t h eb a s i c p r o b l e m so fm o d e r np o w e rq u a l i t ya r eo u t l i n e d i nm y p a p e r f i r s t l ym a k e sad e s c r i p t i o no nt h ed e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no f p o w e rq u a l i t y ，t h e nm yp a p e rm a i n l ys t u d yt h ea l g o r i t h mo fm o n i t o r i n gv o l t a g e d e v i a t i o n ，f r e q u e n c yd e v i a t i o n ，f li c k e r ，h a r m o n i c sa n du n s y m m e t r i c a l v o l t a g e p o w e rq u a l i t y m o n i t o rb a s e do nv ic a d m o n i t o rt h o s ei n d i c s i n t r o d u c e sc o n s t r u c t i o no fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n v i ，i n c l u d i n g i t sb a s i ca r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h i sp a p e rd i s c u s s e sr e a lt i m em e a s u r e m e n to fp o w e rh a r m o n i ca n d a n a l y z e st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gp o w e rh a r m o n i c m e a s u r e m e n t a n d r e a l i z a t i o nm e t h o d so fr e a lt i m em e a s u r e m e n t u t i l i z i n gt h ep o w e r f u lv i r t u a l i n s t r u m e n td e s i g n i n gp e r f o r m a n c eo fl a b v i e w ，t h es o f t w a r ea l g o r i t h mu s e sf f t u s i n gw i n d o w sm e t h o d t h ev o l t a g ef l i c k e ri so n eo ft h ei n d i c e so fp o w e rq u a l i t y ，b a s e d o nt h er i t u a li n s t r u m e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m o fp o w e rq u a l i t y t h r o u g hs a m p l i n gt h ev o l t a g e ，t h i si n s t r u m e n tf u r n i s h e s t h ei n s t a n t a n e o u sf l i c k e rl e v e la n do t h e rs e v e r i t yc o e f f i c i e n t s r e s u l t s o fe x p e r i m e n ta n da c t u a ld a t aa r er e p o r t e dt ov a li d a t et h ep e r f o r m a n c e s o ft h ed e v e l o p e df l i c k e rm e a s u r e m e n tm o d u l ea c c o r d i n gt o t h e 1 a t e s t s t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n s w i t ht h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya st h ep l a t f o r m ，aw e b b a s e d p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d t h ed y n a m i ct r a n s m i s s i o no f m o n i t o r i n gd a t ai sr e a l i z e dt h r o u g ht h ed a t a s o c k e tt e c h n o l o g ya n da w e b b a s e dv i r t u a li n t r u m e n ts y s t e mi ss e tu pi nt h ew e b b r o w s e rm o d e b y 第5 一页 u s i n gi n t e r n e te x p l o r a t i o n ，t h ep o w e rq u a l i t yi nt h er e m o t em o n i t o r i n go f d a t a s o c k e tt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d m a n yd a t a o f t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gs y s t e m a r es a v e d b y d a t a b a s e i n c l u d e i n gt h el o c a ld a t a b a s e a n dd i s t a n t d a t a b a s e t h i sp a p e rr e a l i z e st h el o c a ld a t a b a s eu s i n gm i c r o s o f t w a r ea c c e s s ， a n dr e a li z e st h ed i s t a n td a t a b a s eu s i n gt h ed a t a s o c k e tt e c h n o l o g yt o t r a n s m i t m o n i t o r i n gd a t ad y n a m i c a l l y w e c a na c c e s s t h ed a t a b a s e b yt h e l a b v i e ws q lt o o l k i t c o m b i n i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n d w i t ht h e h e l p o f d a t a a c q u i r i n gc a r d ，t h er e a l t i m ec o l l e c t i o no fp o w e rs y s t e mv o l t a g ea n d m o n i t o r i n g i sc o m p l e t e d i ti ss u i t a b l ef o rt h r e e p h a s ep o w e r q u a l i t yo n l i n em e a s u r e m e n t i ti m p l e m e n t s t h ef u n c t i o n so fa u t o m a t i c l o n g t e r mo p e r a t i o n 。r e a l t i m em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s 。，a n dm a n a g e m e n t o fh i s t o r i cd a t a c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la n a l y z e r ，i th a st h e a d v a n t a g e so fe a s yc o n t r o l ，e n h a n c e dp r o c e s s i n ga b i l i t y a n dg r a p h i c so u t p u t k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，d a t aa c q u i s i t i o n ， s y n c h r o n o u ss a m p l e ，d a b a b a s e 第6 项 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其使用程度是一个国家发展水 平的标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时 对电能质量的要求也越来越高“】电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电， 输配电和用电带来不同程度的危害，供电系统的电能质量对用电设备的性能、效率 和寿命等均有重要影响，随着高新技术、尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、 微处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电力电子设备在电力系统中 大量投入使用，它们对系统干扰比一般机电设备更加敏感，对供电质量的要求更苛 刻。 由于电力系统负荷中具有非线性、冲击性以及不平衡等用电特征，如：炼钢、 轧钢、化工、电气铁路、电力电子设备等负荷，使电网的电压、电流波形发生畸变、 谐波含量加大、电压产生波动和闪变、电压骤降以及三相不平衡等电力污染问题， 严重影响了供电质量。根据发达工业国家电力部门的统计资料显示，频繁发生的电 力运行事故、输配电设备和电器损坏事故，其主要原因是电力污染。电力污染导致 电能的生产、传输、和使用的效率降低，使电气设备过热、振动和绝缘损坏，引起 继电保护和自动装置误动作，使电能计量设备出现偏差。发达工业国家近年来对于 电力污染问题非常重视，建立了完整的检测监督和管理制度，电能质量问题已成为 电气工程领域的附沿课题。深入分析和研究电能质量问题，探寻在一定条件下发生 电磁干扰的因果关系，明确责任和义务，是电力工业适应市场竞争和可持续发展所 必须的。 在我国，目前电力供应不足的现象已基本解除，随着电力改革的深入，厂网分 开，竞价上网，电力供求逐步走向完善的市场化。一方面大容量的非线性负荷越来 越多，电力污染问题日趋严重；而另一方面伴随着高技术的新型电力负荷迅速发展， 它们对电能质量不断地提出更高的要求，致使电能质量问题逐渐受到电力企业和用 户的共同关注。在电力系统进入市场化运营后，供电部门和电力用户都希望对电能 质量指标有一个全面、准确的了解，因此建立电能质量综合监测分析系统，对电能 第7 一页 山东大学硕士学位论文 质量进行长期、连续地检测，对于全面掌握电能质量状况，从而为改善电能质量提 供依据是十分必要的。 1 2 电能质量问题的提出 电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形，奈，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。 从技术角度讲，提供优质电能是供用电双方共同保证的( 可以将发电厂视为理 想的正弦电压源) ，因而对电能质量日益关注的原因是多方面的，归纳起来主要有3 点： ( 1 ) 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 带有基于微处理器的控制器件和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感。 ( 2 ) 随着近年来电网中非线性负荷即冲击性负荷的增加，如电气化铁路、电弧 炉及大型整流设备的增加，使得电能质量日益恶化，使对其关注程度日益加深。 ( 3 ) 随着电力市场的逐渐建立和完善，电能作为一种商品，也要讲究质量，因 此电能质量问题越来越受到关注。 综上所述，现代电网与负荷构成出现的变化是工业生产不断发展的结果，这有 利于电力用户提高生产率并获得更大的经济利益。同时，采用高效电力负荷设备可 大量节约能源、延缓用电需求。从而节省电力建设所需的大量投资。因此提高电能 质量、满足生产发展需求已经成为供用电双方共同的愿望。 1 3 电能质量检测技术的发展 目前在国内外，对电能质量进行检测与分析时，绝大部分采用第三代测试仪器 智能仪器，主要利用数字技术和硬件来实现，很容易受到外界环境的影响，且 测量精度不是很高，在检测不同指标时，需要更换相应硬件，这给检测和分析带来 很多不便，为实现更多参数的测试，就必须额外配有辅助硬件，大大增n t 体积和 成本，而且给仪器的升级带来不便。传统的测试装置实时性较差，不能实时地保存 大量数据，不便于观察历史数据，而现代的电能质量监测系统需要处理和保存大量 数据。国内对电能质量问题的研究起步较晚，目前广泛采用统计型电压表检测电压 合格率、采用便携式谐波分析仪测量谐波水平这种电能质量检测手段和管理模式 第8 项 山东大学硕士学位越 存在实时性差、检测指标少、测量误差大、工作量大及效率低等局限性。 我国的电能质量检测装置大多使用单片机、d s p 等来实现，基于这种结构的测 量装置结构简单，功能单一，不同的功能需要不同的测量装置才能实现；处理和分 析的数据量小，不能实时地保存大量的数据，更不能长时间地保留重要的历史数据； 不能进行远程测试和分析，与电力系统朝自动化和网络化方向发展不相适应：不能 对电网进行多点测试，对一段电网的评价需要对它进行多点测试，而传统仪器很难 做到；人机交互性差；测量仪器升级难度非常大。 虚拟仪器的出现，改变了这一现状。虚拟仪器是2 0 世纪9 0 年代以来随着计算 机技术、测量仪器技术和软件技术的进步而逐渐发展起来的新的仪器概念。虚拟仪 器由软件提供图形化的虚拟仪器面板，在硬件支持下对信号进行采样，经过软件处 理而得到测量结果。虚拟仪器通过计算机完成对仪器的控制、数据采集、数据分析 及显示等，它具有结构简单、一机多用、高度智能化及精度高等特点。虚拟仪器系 统是对传统仪器概念的重大突破，是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它 利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显 示、传送、处理等方面的限制，具有功能用户自定义和开放型等特点，使用户可以 方便地对其进行维护、扩展和升级等。利用强大的计算机软件来实现原来需要大量 硬件才能实现的测试功能。采用虚拟仪器技术开发研制仪器仪表，是今后仪器仪表 的发展趋势。 基于虚拟仪器的电能质量综合监测系统，可以利用计算机的高速处理能力对电 力系统进行实时监控，本论文利用虚拟仪器技术，基于n i 公司的l a b v i e w 软件开 发平台和硬件，研制出一种多功能的电能质量综合监测系统，实时分析和计算电能 质量指标，监控电网运行的状况。 1 4 电能质量综合监测系统总体方案及功能 本文开发的电能质量综合监测系统主要由三部分组成： 第一部分：前置电能质量在线监测分析系统，负责电网电能质量指标的监测； 第二部分：数据传输部分，利用虚拟仪器的d a t a s o c k e t 技术和w e b 服务器技 术实现监测系统的网络化，实现电网电能质量指标测量结果的动态实时传输和实时 控制； 第三部分：电网电能质量综合监测系统的数据库，负责电能质量监测结果数据 第9 一页 山东大学硕士学位论文 的存储、查询、统计、删除等管理功能 1 5 本论文所研究的内容 ( 1 ) 利用c a b v i e w 平台开发了基于虚拟仪器的电能质量综合监测系统将电 压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、电力谐波及三相电压不平衡作为主要的研究 对象，对电能质量指标的测试算法进行了研究。通过对电网信号的数据采集、计算 和分析，实现对上述五种稳态电能质量指标的监测。 ( 2 ) 实现了电能质量综合监测系统的网络化。网络技术与虚拟仪器相结合， 利用d a t a s o c k e t 技术实现远程数据采集和对监测数据的动态传输，采用w e b 服务 器技术通过i n t e r n e t 在任何地点都可实时查看远方监测站的电能质量状况，同时 实现对监测系统的运行进行监控； ( 3 ) 研究开发了电能质量综合监测系统的数据库，包括本地和远程数据库， 本地数掘存取采用本地m i c r o s o f t w a r ea c c e s s ，对远程数据库提出利用d a t a s o c k e t 技术实现远程数据传输和存储并予以实现。 第一l o 一页 山东大学硕士学位论文 2 电能质量研究内容及测量方法 2 1 电能质量的定义 电能质量的定义：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏 差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态 过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。 2 2 电能质量分类 电能质量问题主要分为两大类：稳态情况和非稳态情况( 扰动或暂态情况) 稳态情况下的电能质量问题只要包括：电压偏移、电压波动，闪变、三相不平衡以 及谐波；扰动情况下的电能质量问题主要包括电压骤降、电压骤升，电压电流波形 中出现振荡脉冲干扰以及电源中断。 2 3 电能质量的研究内容饼 根掘电能质量的具体内容，对它用以下五个指标来进行评价：系统频率；电压 偏移；电压波动值( 包括电压偏差及其统计数据) 及电压闪变值( 包括短时间、长 时间闪变严重度) ：电压、电流的各次谐波分量、谐波总畸变率t h d 及各次谐波含 有率；三相不平衡度。除了上述指标，还需要能对电力系统运行状态进行长时间统 计分析。 2 4 电能质量国家标准 现代电能质量的技术含义非常广泛，对电能质量的在线监测的内容主要依据我 国制定的电能质量五项标准，即： g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波 o b1 2 3 2 5 - 9 0 电能质量供电电压允许偏差 g b 厂r1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度 g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 6 b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电能质量电压允许波动和闪变 并按这五项标准划分和评价电网的电能质量。 2 4 1 电压电流有效值测量算法 按照基本定义计算，在连续的时间域中： 第1 1 - 页 山东大学硕士学位论文 u = 痧一防一l 1 ) u ( t ) i ( t ) d t t ， ”( f ) ，j ( ，) 为电压电流瞬时值。若以采样周期瓦( r a d ) 对瞬时电压电流一周波采 样n 个点，则离散的电压电流和有功功率的计算方法如下： u = 悔酽- i ，- 后驴n - ! 尸= 专 c z z ， 2 4 2 电网频率的测量 对电网频率的测量采用过零检测法实现。数字式过零检测法是检测电网基波信 号的相邻零点，其时刻假设为t 、f 2 ，则周期r - - 4 ：- t ，在实际采样时，只需要通过 计算此相邻两点间的采样点数，根据采样点数由t = 以1 ：即可求得电网频率，其中 j | 正为采样频率。 在数字过零检测法测量电网频率时，要考虑到零点漂移带来的误差影响。由 于温度的影响，我们采用的6 0 2 4 e 数据采集卡有温度漂移保护电路，能保证温度在 0 到5 5 摄氏度之间时的精确测量。 2 。4 3 视在功率、无功功率和功率因数测量 求出有功功率p 后，只要求出功率因数c o s，根据定义： c 。s 妒：i p ，q ：柝阿，s ：u ，即可求出视在功率s 、无功功率q 对相位差 我们可利用虚拟相关法测量。 1 虚拟相关法求相位差的原理： 相关法利用两同频正弦信号的延时f = 0 时的互相关函数值与其相位差的余弦 值成正比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因此该方 法具有很好的噪声抑制能力。 假设有两个同频信号工( f ) 、y ( ，) ，都被噪声污染，描述如下： x ( ，) = a s i n ( c o o t + ) + n x ( f ) ( 2 3 ) y ( f ) = b s i n ( c o o t + 仍) + ，( f ) ( 2 4 ) 第1 2 项 其中，a 、b 分别为x ( f ) ，y ( f ) 的幅值；m ，以分别为噪声信号周期信号 互相关函数的表达式为： ( f ) = 吾f 删y ( ，+ f ) a t ( 2 5 ) 其中，t 为信号周期，将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) ，可得： ( r ) = 睾r n s i n ( 纨f + 钆) + 以( f ) 如s i n ( t o o ( f + r ) + 张) + 以o + f ) k 当r = 0 时，理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，积分后得： r ，( o ) ：掣c o s ( 纯一) ， ( 2 6 ) 所以得相位差： ：口一口：(2ry(o)phasedif a r c , c o s ) ( 2 7 ) 2 仍一。 a 矗) ( 2 7 ) 另外，信号的幅值和在延时f = 0 时的自相关函数值又有下面关系： a = 厕 ( 2 8 ) b - - 2 u , ( o ) ( 2 9 ) 这样通过两信号的自相关、互相关就可以求得它们的相位差。 离散时间表达式：实际处理的连续信号采样后的离散点序列， 吩( o ) = x k p 【玎】 ( 2 1 0 ) n = o 霹( o ) = 工南 ( 2 1 1 ) n s 0 影( o ) = 吒， ( 2 1 2 ) 厅n f o 其中k 为采样点数。l a b v i e w 提供了互相关和自相关软件包。 2 虚拟相关法存在的问题 1 ) 当信号中存在噪声干扰时，用时延f = 0 时的自相关函数值r ，( o ) 求取信号 幅值会引入较大误差。 & 问题的提出：根据自相关函数的性质，噪声信号也在f = 0 时取得最大值，因 而，当有效信号中含有噪声信号时，信号的自相关最大值是有效信号和噪声信号各 第1 3 - 页 山东大学硕士学位论文 自的自相关最大值叠加的结果，用式( 2 8 ) 求取有效信号幅值的结果不准确。推 导如下： 对信号x ( f ) = a s i n ( c o o t + ) + m ( f ) ，其f = 0 时的自相关函数值e ( o ) 为： r ，( o ) = l i m i r a s i n ( c o o t + ) + 虬( f ) 。s i n ( 嘞f + + 札( - f ) 枷 ( 2 1 3 ) = 三4 2 + 氏( o ) = 州o ) + ( o ) 可见式( 2 8 ) 给出的信号幅值a 与r ，( o ) 间的关系式不再成立。 b 解决方法：在f 到达一定值之后，含噪信号的自相关函数完全等于有效信号 的自相关函数，这是由于噪声信号的自相关函数随着时延f 的增大迅速衰减。因此， 对于正弦信号含有噪声的情况，完全可以用含噪信号自相关函数的次峰值来计算正 弦波的幅值，此方法称为次峰值取代法。 2 ) 周期信号的自相关函数的离散计算式在所取总点数不等于整周期时存在计 算误差。 这个问题可以用频率跟踪法解决，即时测量信号的当前频率，根据信号频率确 定采样频率和采样总点数。 3 ) 相关法适用于对同频正弦信号求取相差，而对于含有多个频率分量的周期 信号不适用。 2 5 电压波动和闪变的检测乜j 5 1 在电力系统中，一些非线性负荷，如蒸汽泵、焊接设备、电弧炉、电子装置和 其它一些电能需求突变的负荷，是电压波动( o 5 “3 0 h z ) 的来源。由于波动相同的 影响是使得灯源的照度变化，故称这种现象为“电压闪变”闪变是指人眼对由电 压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。影响闪变的因素包括供电电压的波 动、照明装置和人的视觉度等。闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由 于周期性的电压波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉等；后者往往与随机性电压 波动有关，如电焊机等。闪变已成为一种重要的电能质量扰动，为有效治理电力系 统中的电压波动和闪变，必须对大型冲击性负荷引起的电压闪变进行准确测量 电压波动和闪变的测量是与它们的评估标准紧密相连的。因此，国际上一些工 第1 4 _ 页 业先进国家早在2 0 世纪2 0 年代就已经根据本国或本地区标准化委员会指定的检测 方法和基本要求丌展了对电网电压波动和闪变的测量。以后经国际电工委员会和有 关技术委员会协调统一，阳变的测量仪器逐渐走向规范化和标准化。目j ； f 国际上有 代表性的三种原理类型的洲变测量仪器，如日本的k 。闪变仪、英国的e r a 电弧炉 闪变测量仪和由i e c 和u i e 推荐的闪变仪。我国早期曾模仿日本的基于i o h z 等值 ( k 。) 原理研制的闪变仪。但由于日本的照明电压为i o o v ，与i e c 推荐的采用 2 3 0 v 照明电压、6 0 w 白炽灯的闪变实验不同，我国照明电压为2 2 0 v ，与i b c u i e 的 实验标准接近。另外，i e c 标准中应用短时间闪变和长时间闪变来评估闪变严重度 也更加科学和准确。目前，我国电能质量标准中关于电压波动和闪变的部分已经与 i e c 国际标准接轨，为此采用i e c 闪变测量方法进行测量。 2 5 1 电压波动和闪变的定义和一般概念 i 电压变动 ( 1 ) 快速的电压变动：供电电压在两个相邻的、持续一段时间的电压方均根值 和【，：之间的差值，称为电压变动。在不超过3 0 m s 的期间内，同方向的二次或二 次以上的电压方均根值的交动，只算是一次变动。换句话说，同方向小于3 0 m s 的 快速变化不计入电压变动。通常多以额定电压【，。的百分数表示变压变动的相对百 分值a v 。 即矿：业1 0 0 u ( 2 1 4 ) ( 2 ) 电压偏差：供电系统总负荷或其部分负荷正常改变。导致供电电压偏离额定 电压的缓慢变动，通常成为电压偏差。 电压偏差( 鼽塑篆署竖1 0 慨 ( 2 1 5 ) 正常运行的供电电压，在一星期内9 5 的l o m i n 平均电压偏差，应在1 0 u n 之内。 2 电压波动：电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或工频电压 包络线的周期性变化。电压波动值为电压方均根值的两个极值u 。和c 0 。之差u ， 第1 5 项 山东大学硕士学位论文 常以其标称电压的百分数表示其相对百分值，即： v - - 等1 0 0 或y ：警x l o o ( 2 1 6 ) u v u n 电压波动波形为以电压方均根值或峰值的包络线作为时间函数的波形。在分析 时抽象地将工频电压( 或u ) 看作载波，将波动电压v 看作调幅波。在图4 1 中 ( a ) 中，( 1 ) “为电网频率5 0 h z 的瞬时值电压，看作载波；( 2 ) v 为正弦波的波动 电压，图中v 为1 0h z 的正线调幅波，用它对5 0 h z 工频载波电压“的峰值进行调制。 在图2 1 中，虚线所示的横坐标，相当于工频载波电压峰值的平均电平线，图中v 。 为正弦调幅波的幅值或峰值，d 为v 峰谷差值即p p 值，矿为v 在其周期t 内的方 均根值，均以额定值u 。的百分数表示。通常以d 的大小作为电压波动的量度。 d 图2 1 波动电压v 对工频电压峰值的调制 ( a ) 电网电压“( f ) ( b ) 调幅波电压v ( r ) 国一5 0 h z 工频载波各一1 0 h z 正弦调幅波 争 f 应当注意，v 、v ，、d 和v 的区别。在单一频率的正弦调幅波v 加在工频载波 电压“的稳念情况下：为调幅波的幅值；d 为调幅波v 的p - p 值，即d = 2 v ；v 为调幅波v 的方均根值，即矿= 万1 v 。，也即d = 2 驴* 2 8 y 2 5 2 电压波动和闪变的i e c 测量细川 第1 6 项 山东大学硕士学位论文 1 电压波动的同步检测法 常见的电压波动检测方法有整流检测法、有效值检测法和同步检测法i e c 推 荐的闪变测量方法是同步检测法。 为检测出电压波动分量，通常将电压波动看成以工频电压为载波( 5 0 h z 或 6 0 h z ) 、其电压的方均根值或峰值受到以电压波动分量作为调幅波的调制。对于任 何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成。为使分析简化又不失一般性，研 究电压波动的检测方法可分析单一频率的调幅波对工频载波的调制。将电压的瞬时 值解析式写成 “( f ) = 玑( 1 + m c o s o ，t ) c o s t ( 2 1 7 ) 式中u 。一工频载波电压； 。一工频载波电压的角频率 所一调制指数，m = 圪i u 。= 调幅波电压的幅值载波电压幅值，m 1 ； 。一调幅波电压的角频率 按照同步检测方法，可将调制波电压自乘求平方，得到 “2 ( f ) = 吒( 1 + 2 m c o s c o f t + m 2c o s 2 卿t ) c o s 2c o t = 譬争+ 啡s 叫譬争c o s 2 m # ， 一罕c o s 2 c o f t + 孚c o s 2 ( o n j v + o ) f 孚c o s 2 c o ) ，- - o ) p y + 牢c 。s ( 2 国。坶) f + 牢c 。s ( 2 。唧) f 从上式可以看出，调制波电压的平方项除了有直流分量外，含有以下频率分 量：国f ，2 0 j f ，2 0 j ，2 ( o j c o f ) ，2 c o + c o f 如果利用0 0 5 3 5 h z 的带通滤波器滤除其中的直流分量和工频及以上频率的 分量，并且考虑到，由于实际上的调制指数肼远小于1 ，存在的调幅波电压的倍频 分量幅值远小于调幅波的幅值，可忽略不计因此，滤波后便可实现解调，获得近 似加权的调幅波电压v 。o ) ，即： v ( f ) m 以c o s ：o f t = u _ ( 圪c o $ 1 0 f f ) ( 2 1 8 ) 第1 7 _ 页 山东大学硕士学位论文 己知相对电压变动值为竽，并且假定调幅波为正弦函数波形，则有： u n 肌：生：垒l ：j d ，代入上式( 2 1 8 ) ，可得到用相对电压波动d 参量 u 。2 4 2 u n 2 4 2 表示的表达式：v ( f ) “肌( ，：c 0 5 0 ) 一= 0 3 5 u ：d 。 2 i e c 闪变测量环节分析 闪变是人对照度波动的主观视感，表现于灯脑一眼，即人脑对白炽灯闪变的 反映，而这种感觉又和人的大脑有关，因此在分析闪变时需要建立一个能够模拟灯 一脑一眼环节的数学模型，然后对得到的波形进行统计处理。i e c 已经给出了闪变 检测方法的设计标准( 模拟方式) ，在数字化实现上，需要利用高通、带通等数字 滤波器。 为了使电压波动与闪变的测量方法与标准一致，并且使各仪器制造厂家生产的 闪变仪测量结果具有可比性，国际电热协会( u i e ) 1 9 8 2 年给出了闪变测量的推荐方 法，1 9 8 6 年i e c 又在此基础上指定了闪变仪器的功能和设计规范。 图2 2 所示为我国国家标准参考i e c 标准后推荐采用的闪变仪简化原理框图 。 甲 _ _ 应 憾 的 i h m 圈2 2 闪变仪的简化原理框图 图中给出的闪变测量环节总体上可分为三部分：第一部分为电压输入适配调 整，由图中框一组成：第二部分模拟视觉系统模型，即灯一眼一脑反应链的频率响 应特性，主要有图中框2 框3 和框4 组成；第三部分为测量到的瞬时闪变视感度的 第1 8 - 页 山东大学硕士学位论文 统计分析，由框5 组成。 框l 为输入级，包括两个主要部分，即一个输入电压适配器和一个自检信号发 生器。电压适配器用于将输入的被测点压信号调整为适合仪器内部参照水平的电压 数值，这一功能可通过输入变压器分接头调节或自动量程切换放大器实现。信号发 生器则用来产生标准的调制波电压作为仪器的自检与标定信号。 框2 模拟灯的作用和特性。通过平方解调器分离出与调幅波幅值成比例的电压 波动量。该量反应了灯照度变化与电压波动的关系，可采用被测信号自乘求平方来 实现。 框3 模拟人眼的视觉频率选择特性。它由两个级联滤波器，即带通滤波器和视 感度加权滤波器，以及一个测量范围选择器构成。其中带通滤波器的功能是消除平 方解调后电压信号中的直流分量和载波倍频分量。而视感度加权滤波器模拟人眼视 觉系统在自炽灯受到正弦电压波动影响下的频率特性( 即由实验得到的觉察率为5 0 的闪变视感度一频率特性) 。简而言之，即按照幅频特性对视感度频率范围内的 调幅波信号分别取不同的加权系数( 如对应8 8 h z 调幅波信号，其增益为l ，而其 他频率信号的加权系数都小于1 ) 。带通滤波器的通频带为0 0 5 3 5 h z 。具体设计 时，采用阶高通滤波器抑制直流分量，并采用截至频率为3 5 h z 的6 阶巴特沃斯 低通滤波器滤除载波工频成分及其以上的频率分量。所谓视感度加权滤波器就是觉 察率为5 0 的闪变视感度一频率特性的具体实现。 框4 模拟人脑神经对视觉反应的非线性和记忆效应，由平方和积分滤波两个环 节组成。其中，平方器模拟了人眼一脑觉察过程的非线性，而具有积分功能的一阶 低通滤波器起着平滑平均作用，模拟人脑的存储记忆效应。输出为瞬时闪变视感度 s ( f ) ，即视觉对灯闪的瞬时感觉水平。 框5 为在线统计分析结果输出级，对框4 输出的瞬时闪变水平进行大量的概率 统计计算和记录， l a b v i e w 提供了1 3 种滤波器图标，选择巴特沃思滤波器，通过统计计算可得 到瞬时闪变视感度水平s ( t ) 、短时间闪变严重度巴等，同时能输出平方解调后的波 形和调幅波形等。 第1 9 一页 山东大学硕士学位论文 2 6 三相不平衡测量 阱恃1 篡1 ： 汜 占= i u ：i 和。i i o o ( 2 2 0 ) 毋，：生1 0 0 ： “ a l ( 2 2 1 ) 式中 = 善瓮等 k 、l 、m 三个线电压的幅值 需要注意的是，三相不平衡分析的是实时采样得到的电压电流的基波信号。 2 7 电网谐波分析1 朝 2 7 1 谐波测量原理及方法 对电压和电流的谐波在线测量是本系统最基本的功能，也是实现其它功能的基 础。谐波测试的精确性直接关系到其它测试和分析的正确性和可信性。 目前，谐波测量最常采用的方法为离散傅里叶变换( d f t ) 和快速傅里叶变换 ( f f t ) 。离散傅里叶变换的计算量与变换区间的长度n 的平方成正比。谐波分析时， 为保证计算精度，n 取值较大，因此计算量很大。快速傅里叶变换是离散傅里叶变 换的快速算法，它能使d f t 的运算效率提高l 2 个数量级，因此在谐波分析中广 泛采用。f f t 算法有基2 f f t 算法、基4 f f t 算法、混合基f f t 、基r f f t 算法和分裂 基f f t 算法多种。本文采用其中最为常见的基2 f f t 算法。 对电压和电流信号进行同步采样，在一个工频周期内分别采样n 点，得到离散 第2 0 项 数字序列 和轨 。显然两序列均为实序列，将它们按下式构成一复序列以 ： 五= “ + 见( 女= 0 , 1 2 。n - 1 ) 饥 的频谱为： c = j 号蓑以e _ 警“c 以= 。l ，z ，一t ) c z z z ， 对仇) 按f f t 算法求得e 后，容易推导出饥 和瓴) 的频谱分别为： u 。= ：1 ( e + 耳一。) ( 2 2 3 ) l = 去( 只一耳一。) ( 2 2 4 ) 上式即为第理次谐波电压和谐波电流相量表达式。由此可求得第n 次谐波电压 和谐波电流有效值巩，l 及相位九，丸 - t 是电压、电流有效值为 u = j 2 善2 昕，7 2 1 2 善2 露 ii， ( 2 2 5 ) 某次谐波分量的大小，以该次谐波的有效值与基波有效值的百分比表示，称为 该次谐波的含有率或畸变率，如第疗次谐波含有率衄为： h d ：生 ( 2 , l 1 0 0 26)a 在电力系统中，畸变波形因谐波引起的偏离i f 弦波形的程度，以谐波失真度 聊拣m ：掣m 痧。 汜z ， 2 7 2 测量中几个问题的处理 由于高次谐波( 特别是谐波电压) 在很多情况下只有基波大小的百分之几、千 分之几，有时甚至更低，因此谐波测量对测量系统精度的要求很高。不恰当的测量 方法可能产生百分z ) l - 百甚至更高的误差。针对本测量系统硬件的某些不足，为了 保证谐波测量的准确性，在软件设计时采用了以下一些方法和措施。 ， 山东大学硕士学位论文 1 采样定理和频谱混叠 对周期为r 的连续信号做等b j 隔点采样时，采样周期为r ，对应的采样 频率，= n t = 彤，分析其频谱可知，其频谱为以采样频率为周期的周期性离散 谱，所得的最高谐波频率为( n 2 一1 ) 次。设原信号的最高谐波频率为正，则采样频 率必须满足 2 正j + 能得到各次谐波对应的全部频谱，这就是采样定理。 本测试系统要求最高测量谐波次数为6 3 次，故每周波采样点数为1 2 8 ，采样频 率正= 1 2 8 x5 0 = 6 4 0 0 当z ( 2 工时，谐波频率最高仅能得到z 2 ，通常称为奈魁斯特频率。由于频率 的周期性，其它各周期中原有的频率高于正2 的谐波都将混叠到该周期频率低于 正2 的谐波频谱中去，造成频谱混叠而产生误差。工越低，则产生的频谱混叠误 差越大。 为了防止频谱混叠造成的谐波误差，除提高采样频率外，还可使