（电力系统及其自动化专业论文）新型电能质量监测装置的研制.pdf

中闷农业人学颇i ：学位论文 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h es i t u a t i o n so ft h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ge q u i p m e n th o m ea n da b r o a d ，t h e d e m a n do fp o w e rd e p a r t m e n ta n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h en e we m e n d e dn a t i o n a l s t a n d a r d o f p o w e r q u a l i t y , a n e w s u r v e i l l a n c ed e v i c e i s d e v e l o p e d t m s 3 2 0 f 2 0 6 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) i su s d e d i nt h ed e v i c ea sc p u i tc a np e r f o r mt h ef o l l o w i n g d u t i e s ：a dt r a n s f o r m a t i o n ，d a t as a m p l i n g , d a t a p r o c e s s i n g ，m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，d i s p l a y i n g t h i s d e v i c ec a nm o n i t o rt h ep o w e r q u a l i t y t h i sp a p e rg i v e saf a e r i es i m p l em e t h o df o rm e a s u r i n gt h ef r e q u e n c yo fp o w e r s y s t e m ，e m e n d st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r , c o n f i r m st h em e a n so fe v e r yp h y s i c sv a r i a t i o n ， e x p o u n d st h ea l g o r i t h mo ft h ep o w e rq u a l i t yi n d e x e sa n dc o m p i l ep r o g r a m t op r a c t i c et h ea l g o r i t h mo n t h ep r a c t i c a ld e v i c e k e y w o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，p o w e rq u a l i t y , d a t as a m p l i n g ，h a r m o n i c s ，f i l t e r i n g l l 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国农业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。 研究生签名： 赵簿 时间：b 移5 d 年6 月叫日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 趣簿时间；伽口争年6 月1 日 导师签名：卉另r 们时间： 年月日 中国农业大学硕上学位论立 前言 1 1 研究电能质量的意义 第一章前言 电能作为现代社会中展为重要的= 次能源，其应用越来越r 泛，电力工业的发展程度是衡量 一个国家发展水平的重要标志之一。电力工业是最为重要的能源工业，社会的发展越来越离不开 电力工业，科技越进步，人们对电力的以来就越大。 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，以往电能紧缺的问题已 经逐步解决，但与此同时，有关电能质量的问题却日益紧迫地摆在了我们的面前。也就是说：在 解决了电能的数量问题后，电能质量的问题就成为了现在电力行业面临的最为紧迫的课题。随着 电力电子技术广泛应用和电弧炉等冲击负荷以及电力机车等拖动负荷的日益增多，对于电力行业 来说，要保持满足用户要求的电能质量变得越来越困难。电力电子技术的广泛应用，在技术和经 济上带来了一系列方便和效益的同时，也使电网谐波的含量大量增加。电网谐波污染的日益严重， 导致了电气设备的寿命缩短，网损加大，增加了电网发生谐振的可能性，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 题。电弧炉等大功率冲激负荷除了会造成严重的谐波污染之外，还是电压波动和闪变的重要原因。 电力机车等大功率的牵引负荷会造成三相不平衡。 有关电能质量问题的研究已经引起了各国电力工作者的高度重视。我国开始对电能质量的研 究的时间不长，但也取得了一定的进展，正在向国际标准靠拢。 要解决面临的电能质量问题，就离不开对电网电参量的测量和谐波的监测。随着电力行业系 统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化通讯网络和因特网技术的日益成熟发展和普及， 出现了三网合一的趋势。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需要。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题。因此开发一种新型的、通用性好、应用范围广的电能质量监测装 置，集测量和通讯等功能于一体，能有效的进行电能质量监测，对于保证电力系统运行的安全性、 经济性和可靠性都具有重要的意义。 1 2 国内外发展概况 国际上对电能质量问题的系统研究可以追溯到八十年代兴起的电磁兼容( e 舭) 学科。该学 科对干扰的产生、传播、接受、抑制机理及相应的测量，计量技术进行深入的研究，根据经济、 技术最合理的原则，对产生的干扰水平，抗干扰水平及抑制措施做出规定，使处于同一电磁环境 中的设备“兼容”。而电能质量问题基本上属于e m c 中的传导低频现象。e m c 的基本任务使协调干 扰发射者和接受者之间的关系，使其“兼容”。协调的方法是制定合适的规定值。1 9 9 2 年7 月， 欧洲电工标准化委员会发布公用配电系统的供电特性草案。该草案在广泛吸收i e c 标准的基 础上，对中，低压配电系统用户供电端的电能质量作了全面的规定。包括频率、电压( 电压偏差、 电压波动及闪变、短时和长期停电、暂态工频过电压、瞬态过电压) 、电压不平衡度、电压波形 中固农业大学硕卜学位论文 前言 以及电源的信号电压。1 9 9 3 1 9 9 6 年，美国e p r i 在全国范围内进行了大规模的电能质量普查， 得到了大量的电能质量数据。 国外从9 0 年代以来已经出现了用户电力( c u s t o m e rp o w e r ) 的供电技术。把大功率电力电 子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和质量的要求为依据，为用户配置所需 要的电力。使单独的用户或用户群体从标准质量的配电系统上得到用户指定水平的电力。如：严 格的电压调整；“低”谐波电压；不断电等。研究和开发电能质量领域的新技术已成为近年来电 力系统研究的新热点。 计算机和微电子技术的发展进一步促进了电能质量问题的研究及监测装置的研制。电测量理 论及仪表技术的发展经历了早期、初期、中期、近期四个阶段。早期到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备数字式仪表所代替。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的作用越来越大，成为电测与仪表技术 进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，可互相通讯、可扩展式仪器和自动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 年代中期以来，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小到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“。 在我国对电能质量监测装置研制的起步阶段，国内生产厂家的前沿测控装置大多是采用单片 微机来实现的，其主要优点是构成简单，实现方便，价格低廉。随着上个世纪九十年代以来数字 信号处理芯片技术的快速发展，数字处理芯片以其强大的数字运算能力被越来越多地用于电力信 号地检测。我国出现了应用数字处理芯片的热潮，数字处理芯片也被用到了电能质量监测的领域。 由于数字处理芯片的控制功能不如单片机，大多数监测仪器都采用单片机和数字处理芯片相结合 的双c p u 结构，单片机用于控制，数字处理芯片用于计算这样就能比较好地实现测量、控制、通 信等功能地统一。 近年来出现了一种集成的芯片，用硬件电路实现了各种电参数的计算，不用软件编程，就能 计算出各种电参数。这种芯片使用简单，价格便宜，工作可靠，应该是今后的发展方向。以a t m e l 公司的a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 1 芯片组为例，a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 1 是a 删e l 公司推出的电能计量 芯片组，a t 7 3 c 5 0 0 是含有高效数字信号处理( d s p ) 内核的电能计量芯片。a t 7 3 c s o l 是6 路1 6 位 模数转换芯片。这组套片可以用来测量几乎所有的电量参数，包括有功功率、无功功率、视在功 率、电压、电流、频率、功率因数等。同时，还能输出电能表常数脉冲和显示脉冲，既可单相测 量，也可多相测量。精度等级可达到i e c l 0 3 6 的l 级，如果提供外部温度补偿参考电压，精度可 达到i e c 6 8 7 的0 5 或o 2 级”1 。 国外的电能质量分析仪器，除了能够测量基本的电力参数和电能质量指标外，还具有功率谐 波分析、暂态分析等功能。例如美国福禄克公司生产的电能质量分析仪，能测量5 0 次以内的谐 波，包括电压、电流、功率的谐波。可以实现不平衡度和电压波动与闪变等指标的测量。 国内如北京航天华辉的电能质量分析仪，是功能比较强的一种电能质量分析仪表，除了上述 功能之外，还能实现冲击电流录波、暂态干扰录波等功能。 1 3 当前电能质量监测装置存在的问题及解决方法 1 3 1 存在的问题及技术要求 这些年来，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量监测装置，但随着电力行业的发展， 电力系统日益复杂，谐波污染日益严重，对于电能质量的要求也越来越高，所以对于电能质量监 测装置的要求也越来越高。这就要求监测装置满足下列要求： i 具有强大的数据处理能力，能进行越来越复杂的数学运算。随着各种新算法和新指标的 出现，所需的数值计算量越来越大，仅靠单片机已不能满足如此庞大的计算量，无法达 到电力监测的高实时性的要求。 2 能够和上位机进行通讯。在当前电力网、通讯网、因特网三网合一的趋势下，电力网日 趋庞大和复杂，对于电力网稳定的要求越来越高。监澳i 装置必须具有通讯功能才能使系 统处于有效的监控之下。 3 能对各种电能质量指标进行快速、准确的计算。根据我国刚修订的国家标准g b 1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变。将原标准中以电压波( 变) 动为主，改为 以阿变值为主，这就迫切需要研制能够进行电压姆变测量的电能质量监浏装置。 在数字处理芯片得到广泛应用之前，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能。但随着 计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展。需处理的数据量越来越大，对电测仪表的 实时性和精度的要求也越来越高。d s p 芯片的发展正好解决了这一问题。 1 3 2d s p 技术的发展 数字信号处理就是用数字或符号的序列来表示信号，通过计算机去处理这些序列，提取其中 的有用信息。凡是用数字方式对信号进行滤波、变换、增强、压缩、估计和识别等处理技术都是 数字信号处理的研究对象。 近年来，集成电路技术和制造工艺的突飞猛进，大大推动了数字信号处理方法和应用的研究。 高速数字信号处理器( d s p ) 的发展及其制造成本的降低，使数字信号处理技术在电力系统的各 个研究领域得到了广泛的应用，人们已经开始将数字信号处理器应用于某些电力产品的开发研制 中。本文在电能质量监测装置的研制方面应用了数字信号处理器( d s p ) 。 d s p 芯片是专门完成实时数字信息处理用的，7 0 年代数字信号处理技术的出现成为分析实际 现象的有力工具。当时的d s p 系统由分离元件组成，主要应用于医疗电子、生物电子和应用地球 物理等领域。进入8 0 年代，随着数字信号处理技术的应用范围的扩大和成本的进一步降低，推 动了d s p 的诞生和发展。这种d s p 是一种专用的综合性微处理器，专门处理以运算为主的信号处 理应用系统。到了9 0 年代，d s p 技术有了惊人的发展，以d s p 作为主要元件，加上外围设备和特 定功能单元组成合成的单一芯片，加速了d s p 方案的发展。同时，产品的价格降低，运算速度和 集成度都得到了提高。以t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 x 系列芯片为侧。c 6 x 的时钟为2 0 0 m h z ，每个指令 周期仅为5 n s ，每个指令周期可以执行8 个3 2 b i t 的指令。 数字信号处理器与普通的徼处理器相比有以下特点： 1 采用哈佛总线结构，程序处理器与数据处理器分开，有各自的总线结构，减小了总线对 中陶农业大学颂f ：学位论史 前言 系统的压力，并可在执行指令时采用流水线操作，读取指令、译码等揲作均可并行进行。 2 具有高速阵列乘法器等专用硬件，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数据运算 处理能力。 3 具有高速的片内程序存储器和数据存储器。对于一些简单操作可以在片内完成，避免 与外部的低速存储器打交道。 4 具有高速i o 口。包括并行e l ，串行口及d m a 控制器。片内i o 口可以提高数据交换的 速率，减少系统复杂性。 5 具有满足信号处理要求的一些特殊指令集，提高了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的运算 速度。 d s p 和m p u ( 微处理器) 两者非常相似。m p u 也以数字方式对信号进行编程实时处理，但是， 数字信号处理是以“与或”运算为主的，m p u 不能高速执行乘法( “与”) 运算，只能局限于一些 简单的应用。所以，才促使专用于数字信号处理的处理器d s p 问世。个人机进行“与或”运 算时，需要耗费几十个周期才能完成，而d s p 只要一个周期即可完成，速度大为提高，从而一举 扩大了数字信号处理技术的应用范围。 m p u 最适合于用在系统管理一类的应用中。例如，以一系列条件判断为主的应用，以用于软 件管理的强力0 s ( 操作系统) 为核心的系统产品等。换句话说，m p u 的设计侧重于不妨碍程序的 流程，以保证任何一种程序都能高速度执行，集成于其中的晶体管主要用于操作系统支持功能及 转移预测功能等电路。 相对来说，d s p 的内部结构除保证程序的顺利通行外，还能保证数据的顺利通行，在备有便 于信号处理的特殊功能的同时，结构上尽可能简单，集成于其中的大部分晶体管用于其内部存储 器电路中。 1 4 课题研究的任务 置。 本文在研究电力系统电能质量指标及测量方法的基础上，研制一种新型的电能质量监测装 主要工作包括： 1 ，讨论衡量电能质量的指标和电能质量的监测方法。 2 ，设计采用d s p 技术的电能质量监测装置的软硬件系统。 3 ，监测装置的实验结果和误差分析。 4 ，对自己的工作进行总结，展望电能质量研究今后的发展方向。 1 5 小结 本章主要论述了研究电能质量的意义，总结了国内外对电能质量问题研究的历史和现状，找 出了当前电能质量监测装景存在的问题，提出了课题研究的任务。 第二章电能质量指标及其意义 电能质最与一般的产品质量不同，有其特殊性：1 不完全取决于电力生产部门，甚至有些 指标( 例如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等) 往往是由用户干扰所决定的。2 ，对 于不同的供用电点在不同的时刻，电能质量的指标往往是不同的。也就是说，电能质量在时间和 空间上均处于动态变化之中。3 ，电能质量不仅仅反映“电”的质量，而且和用电设备的性自密 切相关。也就是说，电能质量标准的制定应顾及电力系统实际的可能性和电气设备的标准。 理论上说，电能指标越接近额定值就越理想。然而，电能从生产到消耗是一个整体，电力系 统的发、输、配、用始终处于动态变化之中，其中任何一个环节都会对电能质量造成影响。而且， 对电能质量指标的控制与改善需要相当的投入，包括电网结构的改造，有功功率和无功功率的平 衡，各种调频、调压、滤波和无功补偿装置的使用l ；l 及调度和运行管理等。所以，在研究各种控 制手段，力争提高电能质量的同时也要考虑经济可行性的条件制约。 随着新技术、新工艺和新方法的出现，我们对电能质量会提出新的要求，而随着科技的进步， 各种费用也会降低，这样，电能质量的标准总是不断地提高，越来越严格了。我们必须根据新的 要求，不断地推动电能质量的研究向前发展。 电能质量标准应该满足以下三点：1 ，基本上能保证电力系统的安全、连续供屯和经济运行； 2 ，总体上能保证用户电气设备的正常用电：3 ，电力部门( 包括干扰性用户) ，在当前技术水平 的基础上，作一定努力后应能达标【l j 。 2 1 衡量电能质量指标的确定 幅值、频率、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频率不同的 正弦波，使电力量的波形发生畸变。电力系统采用三相供电，若三相的负荷不平衡，会造成三相 电力量的不平衡。所以，衡量电能质量的指标可以从幅值、频率、波形和三相平衡度这四个角度 考米虑。l 。电压是否偏离额定电压及偏离的程度、是否发生了波动与闪变及闪变的严重度；2 ， 频率是否稳定在正常的范围之内，和标称值的偏差；3 ，谐波干扰是否在允许范围之内，波形畸 变的程度；4 ，三相电压是否平衡及其程度。 我国从八十年代初开始，国家技术监督局开始陆续颁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 力系统频率允许偏差。本文根据部分修订后的电能质量国家标准对供电电压的允许偏差、电 力系统的频率偏差、三相电压( 电流) 的不平衡度、公用电网谐波、电压波动与闪变五项指标进 行了研究。其中，对电压波动与闪变进行了重点的研究，实现了电压波动与闪变严重度的测量。 这五项标准中，电压和频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。下面就这五项指标的定义、 意义进行阐述。 中国农业人学硕l 屿位论文 电能质量指标及j 意义 2 2 供电电压允许偏差 供电电压偏差是指实际电压与系统额定电压之差。可用有名值或标幺值来表示。 电压偏差( ) = 窒竖专巽筹x 1 0 0 ( 2 1 ) 电压基本上取决于电能供求平衡关系。另外，不合理的电力系统运行方式和电网结构也会造 成电压的偏差。 电压偏差过大造成的危害主要有： 1 对用电设各的危害。用电设备设计再额定电压时性能最好，效率最高，电压偏离额定值 时，其性能和效率都会降低有的还会减少使用寿命。电压偏差超过一定值时，会引起 设备的损坏。 2 影响电网稳定，经济运行，电压过低，有发生电压崩溃的危险。电压偏低时，用电设备 ( 主要是电机等动力设备) 要维持输出功率不变，必然导致电流增大这样在电力线路 上的电压降就会增加，进而导致电压进一步降低，情况严重时，电压将滩以维持，导致 电压崩溃。电压偏低造成的电流增大还会使网损增大。 国标中，对供电电压偏差的规定如下1 4 j ： 1 3 5 k v 及以上供电电压正，负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 。 注：如供电电压上下偏差同号( 均为正或负) 时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。 2 1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7 。 3 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 ，1 0 。 2 3 电力系统的频率偏差 电力系统的频率偏差是指电力系统的实际频率偏离标称频率的程度。一般用有名值表示。 厂= 厂一，o ( 2 2 ) 在电力系统稳定运行的状态下，随着负荷的增减，发电机的出力也在不断地发生变化，同时伴随 着电力系统的频率也发生着轻微的变动，这是一种保持系统能量平衡的动态过程。频率基本上取 决于电能供求平衡关系。在正常运行状态下，电力系统的频率应该在标称频率下运行。但由于电 力系统的负荷在不断地变动，电源出力及其调节系统跟随负荷变化又有一定的惯性致使系统频 率一直处于变动的状态当中。 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需要加以监测，另一方面作为实施安全稳定 控制的重要状态反馈量，要求能实施重构。另外，频率同步也是实现高精度电力量测量的重要措 施之一。由于电力系统频率的变化定间隔采样在测量时会造成误差，而自适应调整采样间隔， 即根据信号当前的频率随时调整采样间隔，可以有效地消除由于频率变化带来的误差。 电力系统低频或高频运行对电网、负荷都有不利的影响。当频率偏差在0 5 h z 之内时主要是 经济问题，即造成设备的效率降低。若偏差值大于0 5 h z ，则不仅仅使设备的效率降低，还会危 及设备的安全，引起设备的累计性损伤，损坏设备，甚至导致系统瓦解和崩溃。 国标中对系统频率的规定如下【5 】： 1 电力系统正常频率偏差允许值为o 2 h z 。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到 0 5 h z 。 2 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过o 2 h z ，根据冲击负荷的性质和大小 以及系统的条件也可以适当变动限值，但应保证近区电力网，发电机组和用户的安全， 稳定运行以及正常供电。 2 4 三相电压的不平衡度 电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称所致。当三相电 源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除了含有谐波分量外，还含有正序，负序 零序分量。对于三相三线制电路，没有零序分量。所以，三相电量的不平衡度通常以负序分量与 正序分量的有效值的百分比值来表示。 r ， s = x 1 0 0 ( 2 3 ) u 1 式中：u t 为三相电压正序分量的有效值； u ，为兰相电压负序分量的有效值。 三相电压的不平衡主要是因为分配在三相上的负荷不平衡所致。系统三相阻抗不对称，消弧 线圈补偿电网不平衡，电动机车等大容量非对称负荷的接入也会造成三相电压的不平衡。 三相不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害。主要有i q ： 1 引起以负序为起动元件的多种保护发生误动作，威胁电网安全运行。 2 使半导体变流设备产生附加的谐波电流。 3 引起旋转电机的附加振动力矩和发热，危害电机的安全运行和正常出力。 4 变压器的三相负荷不平衡，会使负荷较大的一相绕组过热而缩短其寿命，而且会由于磁 路的不平衡造成附加损耗。额定转矩的电动机，若负序电压分量为4 ，由于发热而引 起其绝缘寿命缩短一半，如果相电压高于额定值，则寿命缩短更严重。 5 干扰通信系统，影响通信质量。 6 使电网损耗增加。 7 ， 影响电器的正常工作，使照明设备的寿命缩短或照度不够以及电器损坏。 国标中对三相不平衡的规定如下： 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 。电气设备额定工况 的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定川。 2 5 公用电网谐波 谐波是存在于电力系统中的一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 电网谐波产生的原因是非线性负载造成的。如变频器、整流器、逆变器等电力电子变流设备，电 弧炉、电孤焊机等非线性负荷，电力变压器、铁心电抗器等含有磁饱和特性的设备，p c 机、打 中田农业人学顿上学位论文 i 乜能质量= f i 标艘j 【意义 印机、日光灯等日用家电调速驱动电机、充电器以及电镀设备等。这些设备从电路中获取跃变 的脉冲电流而不是平滑的正弦波，结果是含有谐波的畸变电流回流到电力系统的其它地方。 谐波对电力系统的危害极大。主要有【8 】： i 使电气设备寿命缩短，使旋转电机的附加损耗加大和过热。 2 ，使网损加大，引起变压器绕组的附加损耗，使变压器外壳，外层硅钢片和某些金属固件 发热，并引起变压器的振动。 3 导致系统发生谐波谐振的可能性增加，从而造成危险的过电压和过电流。 4 可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准。 5 使通信受干扰。 2 6 电压波动与闪变 电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为电压均方根值 的两个极值u 。和u 。i 。之差u ，通常以其额定电压u ，的百分数表示其相对百分值，即 矿盟1 0 0 ( 2 4 ) ( ， 电压的快速变动是指供电电压在两个相邻的，持续一定时间的电压均方根值“和u 2 之间 的差值，称为电压变动。通常以额定电压的百分数来表示电压变动的相对百分值a u ，即 a v 。业x 1 0 0 ( 2 5 ) u 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均方根值的变动，只算作一次变 动。也就是说，同方向小于3 0 m s 的快速变化不计入电压变动。在单位时间内电压变动的次数称 为电压变动的频度。一般以l r a i n 或1 ，s 为单位。 闪变是人们对照明照度波动的主观感觉，是衡量电压波动对用电设备的影响的一个重要而有 效的指标。 由于自炽灯对于电压波动的敏感度要大于其它用电设备，因此，如果电压波动的程度没有引 起自炽灯闪变，则可以保证不会影响其它用电设备的运行。所以，一般选择白炽灯的工况作为电 压波动是否被接受的依据。 供电系统中电压的波动和闪变多是由用户的波动性负荷引起的，波动性负荷可分为周期性波 动负荷和非周期性波动负荷两类。周期性或近似周期性的波动负荷对闪变的影响更为严重。波动 性负荷在系统阻抗上将引起电压降上的波动。当负荷波动时，系统功率和系统阻抗越大，则导致 的电压波动越大，这取决于供电系统的容量，供电电压，用户负荷大小，类型，电动机起动频度 和功率等。决定闪变的主要因素有 9 1 ： 1 供电电压波动的幅值，频度和波形； 2 照明装置，例如：在相同的电压波动情况下，以白炽灯的照度波动最大，而且和白炽灯 的功率和额定电压有关； 3 与人对闪变的主观感觉有关； 中困农业大学顾 ：学位论文 电能质盘指标及j e 意义 很显然，电压波动的幅值越大，闪变越严重。不同频率的电压波动分量，引起的照度波动对 人的感觉的影响是不一样的，人眼对6 - - 1 2 h z 的电压波动感觉最灵敏。其中以对8 8 h z 的波动分 量最为敏感，人眼能感觉到的极限频率范围是o 0 5 3 5 h z 。在各种波形中。方波波动引起的照度 变化最大。 电压波动和闪变产生的问题主要有两个方面： 1 会造成j h 电设备工作不稳定。最为明显的是影响照明装置的照度，发生照度闪变。还会 使电动机转速不均匀，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。 2 由于电压发生波动，使电压幅值有超山可接受的容许范围的危险。【l u j 2 7 小结 本章主要论述了电能质量的各个指标的定义和意义、指出了电力系统中影响各个电能质量指 标的因素以及各种电能质量问题造成的危害。 中困农业大学硕士学位论文 电自 质量再指标的测量方法 第三章电能质量各指标的测量方法 3 1 频率的测量 3 1 1 频率测量方法介绍 频率测量方法有硬件和软件两种方法。硬件的方法就是增加硬件电路，硬件电路由比较器、 锁相环和分频器组成。硬件电路的工作过程如f ：首先被铡信号通过比较器进行整形，将其由正 弦波变为同频率的方波后再送入锁相环。锁相环与n 次分频器互相环接，可达到对被测信号进行 倍频的目的。增加这一环节后，无论被测频率如何变化，锁相环的输出方波频率始终是被测频率 的n 倍。经可编程逻辑器件自动完成计数，从而可以算出频率。倍频信号还可以作为a i d 的启动 信号。完成准确的定点采样“”。 软件测频的方法比较多，这些方法大多依靠复杂的计算。软件的方法对硬件的要求低，应用 灵活。软件的方法常见的有以下几种： a ，周期法：通过测量信号波形相继过零点的时间宽度来计算频率。该方法概念清晰、易于实 现，但精度低。受谐波、噪声和非周期分量的影响。它的改进算法有水平交算法、高次修正函数 法和最小二乘多项式的曲线拟和法。这样计算量和复杂度会很大，一定程度上丧失了周期法的简 明性。 b ，对信号观测模型进行数学变换，将待测量，表示为样本值的显函数来估计。解吸法的特点 是：涉及复杂的数学推导，为简化分析和计算，只能采用简单的信号观测模型，难以考虑谐波、 噪声和非周期分量的影响；难以适应非稳态状态下的频率测量，精度总体不高。 c ，误差最小化原理类算法：采用含噪声的信号观测模型，算法设计以最小化误差的某种范数 为目标。问题的关键在于将测量求解化为相应的标准格式，并减少计算量。 d ，d f t 类算法；d f t 是一种典型的数字滤波算法。d f t 算法具有内在的不敏感于谐波分量的特 性，但对信号的周期延拓引入频率混叠，实际应用中需要精细设计前置抗混叠滤波。 e ，正交去调制法：将采集到的信号x ( f ) 乘以一个去调制复载波e “9 d ，得到 x ( f ) = x ( f ) e 1 珂d ，在x ( f ) 基础上测量原信号的频率。该方法与d f t 类算法有异曲同工之 妙。去调制技术测频一般动态跟踪能力较好，比较容易通过滤波去除高频噪声和谐波干扰，但不 易对付工频附近的噪声“。 3 1 2 频率测量方法的选择 硬件测频工作可靠，但要增加相应的硬件电路，同时增加成本。而软件测频方法可以节省开 支，同时又具有灵活的特点，可以根据需要选择合适的算法。因此，本装置采用软件测频方法。 大部分软件测频的方法计算量比较大，而本装置要对电能质量进行实时监测，如果采用复杂 的测频算法，就会影响实时性。本装置采用周期法测频算法。 为了利用周期法简单实用的特点，同时提高其精度，本文在周期法的基础上提出了一种改进 算法，利用数据采集电路定间隔采样采集一系列数据，采用软件方法检测过零点，根据若干个过 1 0 巾固农业大学硕士学位论文 l b 能质量再指标的测量方法 零点之间的时间间隔得出频率。 测频开始后，当前后两个采样点的乘积为负值时视为检测到了一个过零点检测到第一个 过零点后，j v 从零开始记数，每采集一个采样点，记数加一，当检测到设定次数的过零点后。 比如2 1 次，记录n 的数值。可用f 面的公式求出电力系统的频率： r ；5 0 6 4 0 0 ( 3 一i ) 其中：，为系统频率； 为1 0 个周期采样点的记数值； 5 0 为系统额定频率； 6 4 0 0 为系统频率达到额定频率时的记数值； 为了提高该方法的测量精度，可采取下列两种措施：1 、提高采样频率把过零点限制在一 个比较小的时间段内，从而减小过零点定位产生的误差。2 、延长记数周期减小随机误差，但 这样会使算法的实时性降低。 3 1 3 频率测量的实现 频率的测量建立在数据采集的基础上，关键是如何选择数据采集的频率和数据采集的长度 关于数据采集的实现在下一节中将会介绍。选择数据采集的频率和数据采集的长度是建立在对精 度要求的基础上的。由于电力系统正常频率偏差允许值为- - - - 0 2 h z ，为了有效的监测电力系统频 率偏离标称频率的程度，要求频率测量的精度高于频率偏差限值一个数麓级，即频率测量精度要 求达到4 - 0 0 2 k 。 理论上，提高数据采集的采样频率可以提高测量精度，但采样频率过高，采样点与过零点的 间隔过小，就可能采入一个极小的值，使过零点判断产生困难，出现误判。实践证明，采样频率 不宜超过6 4 0 0 0 h z ，本装置采用3 2 0 0 0 h z ，即每个工频周期内采样6 4 0 点。 若将采样的长度定为一个工频周期，则频率测量中最小的显示分度为 5 0 1 6 4 0 0 0 7 8 h z ，按照铡量原理，精度不超过- - - - 0 0 4 h z ，没有达到要求。由此可见，数 据采集的长度至少为两个工频周期。才能满足要求。考虑到舍入误差的影响，本装置测频时，数 据采集的长度定为1 0 个周期，晟小的显示分度为5 0 1 6 4 0 0s0 0 1 i j z 。 除了选择数据采集的频率和数据采集的长度，还存在一个过零点判断策略问题。理论上，当 前后两个采样点的乘积为负值时，视为检测到了一个过零点。但是，离散化采样有时也会采集到 数值接近零的信号，这样在经过过零点对，由于该信号与前后两个很小信号的乘积会更小，以至 于被系统按照0 来处理，这样，系统就会检测不到该过零点，造成很大的误差。为了避免这 种错误，修改过零点判断策略，当前后两个点的乘积小于一个很小的正数时，认为检测到了一个 过零点。但这种方法也会出现问题，这个很小的正数不易选择，当连续两个乘积都小于该正数时， 就会多出一个过零点。基于以上困难，采取了软件事后校正的做法，当检测结果严重偏离，例如 在5 h z 以上时，把上一次测量值作为这一次测量的结果。 中国农业大学硕士学位论文电能质量备指标的测量方法 3 2 基本交流电参数的测量 3 2 1 各参数的计算公式 要实现对电气量的精确测量，必须要保证足够的采样频率。由于d s p 有很高的数据处理能力， 可以采用比较高的采样频率，在本装置中，采样频率定为每个工频周期内采样1 2 8 点。按照误差 计算公式 尝1 l z ，( 6 ) 联5 寺t d o 而 ，、， 删：128(第002)2面(a2 s i n 2 1 0 0 m r 6 ) - 0 0 0 0 9 8 s i n2 蚴e o 伊3 ， 即r ( 1 2 8 ) s 0 0 9 8 - 采用数字化方法，就要对电气量进行离散化采样，一般是进行等间隔采样，得到离散化序列 u i 、 i k ) “，则各个参数的计算式为 u 一 式中u k ：第k 个时间间隔的电压采样瞬时值 ：一个周期内的采样点数。 i 一 瓣n - 1 1 n 一1 p = 亩 三相总的有功功率： p 2 专( t ；v - i “m i a t + ；“m + ；“& 也) 视在功率： s ；u i a u b ib + u c l c 功率因数： 1 2 ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 中固农业大学砸f ：学位论文 l u 能质量备指标的测篮方法 p c o s 妒2 i ) 3 2 2 数据采集的实现 ( 3 9 ) 基本参数的计算比较简单，关键是数据的采集。本装置采用m a x l 2 5 作为a d 转换芯片， 该芯片是带同步采样保持电路的1 4 位数据采集芯片，总共有8 个输入信号，可以同时对4 路输 入信号进行同步采样。需要采集的信号有六路：三相电压、电流。因此要分两次进行采样，首先 采集a 、b 两相的电压、电流，再进行c 相屯压、电流的转换，之间有十几微秒的时间阃隔由 于三相量没有同时采集，会对不平衡度的测量增加一些误差。 强电信号经过电压、电流互感器变换为一5 矿+ 5 y 的电压信号进入a d 转换芯片的信号采 集端口，通过向a d 转换芯片发出转换触发脉冲，a d 转换芯片就会将模拟信号转换为数字信号 存储在d 转换芯片的存储器中，c p u 通过向a d 转换芯片发出读信号读取转换结果。 由于数据在c p u 中和在a d 转换芯片中存储的方式不同，要实现c p u 对这些数据的处理， 就要对数据进行转换。在a d 转换芯片的存储器中，数据以无符号整数的形式存储，由于是1 4 位的a d 转换芯片，一5 v 一+ 5 矿的电压信号被转换为0 1 6 3 8 3 之间的整数，其中0 - - 8 1 9 1 对应 o 一+ 5 矿的电压信号，8 1 9 2 - 1 6 3 8 3 对应0 一5 矿的电压信号。要使c p u 能够处理这些数据，就 要把这些数据转换为有符号的小数。首先要把数据转换为有符号的整数，通过下面的转换子程序 就可以实现： i n tt r a n s f e r ( x ) u n s i g n e dx ； i n iy ； y = x ； i f “ 8 1 9 2 ) y = x 一1 6 3 8 4 ； r e t u r n ( y ) ； ) 程序中，变量“x ”存储转换前的数据，变量y 存储转换后的数据。再通过“a = ( f l o a t ) b ” 把整数转换为小数。到这里，数据采集的工作就完成了。 3 2 3 采样频率的确定 提高采样频率，会使电参数的测量精度得到提高，但是更重要的是，提高采样频率，可以增 加谐波分析的频率范围。根据采样定理，分析某频率的信号，采样频率至少应为该频率的两倍。 当前国内外同类的电能质量分析仪都能检测到高达5 0 次的谐波，本装置参照此水平，将采样频 率定为6 4 0 0 h z ，即每工频周期采样1 2 8 点。 - 1 3 3 3 傅立叶变换的实现 3 3 ，1 快速傅立叶变换 傅立叶变换( d f t ) 的计算量很大，快速傅立叶变换( f f t ) 是d 阿的一种快速算法。利用f w 的对称性( h ) + ，- “和周期性，嘭= 时“扯，将艮序列的d f t 分解为若干短序列的d f t ， 然后将其合并。n 越大，效果越明显。 对点序列x 0 ) ，其d f f 变换对定义为： z 婶) 。荟。扣删 z 。) = 万1 刍n - i z 佧孵“ 一。堡 k = 0 , 1 ，n 一1 ，= p 。” ，i = o 工。j n 一1 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 显然，求出n 点x ( 七) 需要2 次复数乘法，( 一1 ) 次复数加法众所周知，实现一次 复数乘需要四次实数乘和两次实数加，实现一次复数加则需要两次实数加。当n 很大时，其计 算量是相当可观的。 其实，在d f f 运算中包含有大量的重复计算。由于 的周期性，只有个独立的值即 群，峨，j f 蟛一，r i g n 个值也有一些对称关系。总之， 珞因子有如下所述周期性及对称性： 1 矸，2 一l 阡胆a 一1 ； 2 w ：”一w ；，w ：m r 一w 0 对( 3 一儿) 式，令。2 * ，m 为正整数。我们可将j o ) 按奇、偶分成两组，即令_ ，l 一2 r 及 n = 2 r + 1 ，r ；o 。1 ，。n 1 2 1 ，于是 2 - 11 2 q x ( ) 2 荟。( 2 r 孵“+ 荟。( 2 r + 删圳 n | 1 1h 2 - 1 = 茸( 2 r ) 嘴z + 孵善x ( 2 r + 吵嘴： 式中，2 。8 = p 一4 令 那么 n ，2 1 爿 ) 。荟x ( 2 r ) 嚷 k = 0 , 1 , - - , n 2 - 1 n 2 1 曰 ) 2 薹工( 2 r + 1 孵吨 2 1 x ( 七) = _ ( 七) + h 葛b ( 七) 七= o ，1 ，。，n 2 - 1 - 1 4 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 a ) ( 3 1 3 b ) ( 3 1 4 a ) 中国农业大学坝 ：学位论文 i b 能质量备指标的测量方法 爿) ，b 作) 都是2 点的d f t ，z ( t ) 是点的d f r ，因此单用式( 3 1 8 a ) 表示x ) 并不完全。但 x ( k + n 2 ) = 4 ) 一噼b ) k = 0 , 1 ，n 2 1 ( 3 ，1 4 b ) 这样用a ) ，b ) 可完整的表示竹) 。 彳他) ，曰) 仍是高复合数的d f r ，我们按照上述方法继续给以分解。令r 一2 1 ，r = 2 1 1 f _ o 山，n 4 1 ，n a ) 和b 他) 可分别表示为 n 1 4 - ln 4 - 1 爿 ) = 善工( 羽瑞+ 善工( 甜+ 2 ) 嘴”。 令 那么 同理。令 则 4 - 1n 1 4 - 1 2 善工( 羽醐i k 一噼，z 善x ( 甜+ 2 ) 嘴 n 1 4 - 1 c ) 。善j 峭 七= o 驴，7 4 1 d ) 一善工( 甜+ 碱。| 互叩，4 - 1 4 ) ；c ( k ) + 孵，2 d ( 七) k = o ，1 ，n 4 - 1 a ( k + 4 ) = c ( k ) 一h 葛，2 d ( ) k = o - 一，n