（电力系统及其自动化专业论文）智能化电能质量监测系统的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tp o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n gs y s t e m 一 = i w n a m e ：y i n gr u i s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 2 0 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f e l e c t r o n i c sa n d 上n 士o r m a t l o ne n g l n e e n n g 一-， d i s c i p l i n e ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f l o n g h u am u j a n 2 0 l oz uiu 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 格积 加p 年弓月抄日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：南歌 如挥乡月，d 日 同济大学硕十学位论文摘要 摘要 随着社会的进步和发展，电能质量正日益引起公众的关注和重视，电能质 量问题也已经成为电力系统的重大课题。对电能质量进行监测和管理，对系统 中谐波源进行定位分析，体现系统和用户对电能质量状况的共同责任，为谐波 状态分析或谐波的传播与扩散问题的分析提供前提，从而达到分清谐波责任， 有效治理谐波污染的目的，使电网的电能质量得到明显改善，减少系统损耗， 提高效率，具有广阔的应用前景和实际意义。 本文在参考了国内外文献资料的基础上，首先阐述了谐波产生的原因、谐 波的危害以及对谐波治理的必要性；分析总结了谐波源定位的各种方法及其特 点，着重讨论和分析了基于支持向量机的谐波源定位方法的原理，并针对线性 核函数、径向基核函数、多层感知器核函数等不同核函数的选取，在p s c a d 及m a t “镪仿真环境下搭建系统仿真模型，通过仿真试验证明了径向基核函数 构成的支持向量机模型，在单谐波源和多谐波源注入系统的情况下均具有较高 的谐波源定位成功率，验证了基于支持向量机的谐波源定位算法具有应用的可 行性；利用虚拟仪器技术的图形化编程优点，设计了以l a b v i e w 为核心的电 能质量监测的软件系统，并给出了硬件结构的设计思路，以实现对电网电能质 量实时在线监测、多种电能质量参数的测量显示、数据处理和谐波分析定位等 目的。结合实验室平台进行测试，结果表明该电能质量监测系统结构的正确性， 能够达到智能化电能质量监测的目的。 关键字：电能质量，在线监测，谐波源定位，支持向量机，l a b v i e w t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ra b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , p o w e rq u a l i t y i s i n c r e a s i n g l ya r o u s e dp u b l i cc o n c e ma n da t t e n t i o n , p o w e rq u a l i t yi s s u e sh a v ea l s o b e c o m eam a j o rt o p i co fp o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t om o n i t o ra n dm a n a g et h ep o w e r q u a l i t y , t oa n a l y z ea n dl o c a t et h eh a r m o n i cs o u r c e si np o w e rs y s t e m ，r e f l e c t i n gt h e c o r p o r a t er e s p o n s i b i l i t yf o rp o w e rq u a l i t yb o t ho fs y s t e ma n dc o n s u m e r s ，p r o v i d i n g t h ep r e m i s eo fh a r m o n i cs t a t ea n a l y s i sa n dh a r m o n i cs p r e a da n dp r o l i f e r a t i o n ，w o u l d c o n t r i b u t et oe f f e c t i v ec o n t r o l l i n gh a r m o n i cp o l l u t i o n ，i m p r o v i n gt h ep o w e rq u a l i t y , r e d u c i n gs y s t e ml o s s e sa n di n c r e a s ee f f i c i e n c y p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a s w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nc o n s u l t i n gl i t e r a t u r e so fh o m ea n da b r o a d ，t h ec a u s e sa n dh a z a r d so f h a r m o n i c s ，t h en e e do f h a r m o n i cc o n t r o lw e r ef i r s t l ye l a b o r a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n v a r i o u sm e t h o d so fh a r m o n i cs o u r c e sl o c a l i z a t i o nw e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d , e s p e c i a l l yt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n em e t h o d w i t hd i f f e r e n tk e r n e lf u n c t i o n ss u c h a sl i n e a rk e r n e lf u n c t i o n , r b fk e r n e lf u n c t i o na n dm u t i l l a y e rp e r c e p t r o nk e r n e l f u n c t i o n ，t h es i m u l a t i o nm o d e l sw e r eb u i l d e di np s c a da n dm a t l a b t h et e s t r e s u l t so f s i m u l a t i o nh a v ev e r i f i e dt h a tn om a t t e ri ns i n g l eh a r m o n i co r m u l t i - h a r m o n i cs o u r c e si n j e c t i o n , t h es v mm o d e l 、i lr b fk e m e lf u n c t i o nh a s h i g h e rs u c c e s sr a t i oo f h a r m o n i cs o u r c e sl o c a l i z a t i o n ，s ot h a tt h eh a r m o n i cs o u r c e s l o c a l i z a t i o nm e t h o db a s e do ns v mh a st h ef e a s i b i l i t yo fi t sa p p l i c a t i o n u s i n gt h e g r a p h i cp r o g r a m m i n ga d v a n t a g eo fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h ep o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mw i t hl a b v i e wa st h ec o r ew a sd e s i g n e d ，a n dh a r d w a r e a r c h i t e c t u r ed e s i g ni d e aw a sp r o p o s e di no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s e so fr e a l t i m e m o n i t o r i n go fp o w e rq u a l i t y , m e a s u r i n ga n dd i s p l a y i n go fp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r s ， d a t ap r o c e s s i n ga n dh a r m o n i c a n a l y z i n ga n dl o c a t i n g t e s t i n go nt h el a b o r a t o r y p l a t f o r ms h o w st h es t r u c t u r ea c c u r a c yo fp r o p o s e dp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m a n dt h ep u r p o s eo fi n t e l l i g e n tp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gc a nb ea c h i e v e d k 呵w o r d s ：p o w e rq u a l i t y , o n l i n em o n i t o r i n g ，h a r m o n i c s o u r c el o c a l i z a t i o n , s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，l a b v i e w 同济人学硕十学位论文目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 电能质量监测的研究概况2 1 2 1 电能质量定义2 1 2 2 电能质量监测的起因2 1 2 3 现代电能质量监测的特点4 1 3 本文主要研究内容5 第2 章电力系统的谐波6 2 1 电力系统中谐波的产生6 2 2 谐波的影响和危害7 2 2 1 谐波对电网的影响7 2 2 2 谐波对高压设备的影响7 2 2 3 谐波对低压设备的影响8 2 2 4 谐波对继电保护的影响8 2 2 5 谐波对通信线路的影响8 2 3 谐波的抑制和治理o 9 2 3 1 减少谐波源的谐波含量9 2 3 2 采用有源滤波器1 0 2 3 3 采用相数倍增法1 l 2 4 谐波的标准及监督管理1 1 2 4 1 谐波的标准1 1 2 4 2 对谐波的监测管理1 2 2 5 本章小结1 3 第3 章谐波源检测定位分析方法1 4 3 1 基于谐波功率潮流的检测方法1 5 3 1 1 有功功率方向法1 5 3 1 2 无功功率方向法1 6 3 1 3 同步测量判别法1 6 3 1 4 临界阻抗法1 7 3 2 基于谐波状态估计的方法1 8 3 2 1 微分方程法1 8 3 2 2 波动量法1 9 3 2 3 最小二乘系统辨识法2 0 3 2 4 稳健回归法2 2 l l i 同济人学硕十学何论文目录 3 3 基于神经网络的谐波识别技术2 3 3 4 本章小结2 4 第4 章基于s v m 的谐波源定位2 5 4 1 支持向量机的理论基础2 6 4 1 1 学习问题的表示2 6 4 1 2 统计学习理论核心内容2 7 4 2 支持向量机理论2 9 4 2 1 支持向量机2 9 4 2 2 核函数3 l 4 3 支持向量机在谐波源定位上应用3 4 4 3 1 算法分析3 4 4 3 2 仿真分析3 6 4 4 本章小结4 7 第5 章基于l a b v i e w 的电能质量监测系统4 9 5 1l a b v i e w 简介4 9 5 1 1 什么是l a b v i e w 4 9 5 1 2l a b v i e w 的优势5 2 5 2 基于l a b v i e w 的电能质量监测系统整体结构5 3 5 3 监测系统软件设计5 4 5 3 1 主程序部分5 4 5 3 2 数据采集与存储模块j 5 6 5 3 3 频率测量模块5 8 5 3 4 有效值测量6 0 5 3 5 谐波分析模块6 1 5 3 6 谐波源定位6 1 5 4 本章小结6 2 第6 章电能质量监测系统硬件设计6 3 6 1 信号采集模块6 3 6 1 1 模拟量输入电路6 3 6 1 2 信号调理电路6 5 6 1 3 同步采样电路6 5 6 2 微处理器模块6 8 6 2 1a d 转换电路6 9 6 2 2 复位电路7 0 6 2 3 实时时钟电路7 1 6 2 4 硬盘存储7 2 6 2 5u s b 接口7 3 6 2 6 以太网通信7 4 i v 第 致 参 个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果8 3 v 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 电能作为人们广泛使用的能源，其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，是增强用电效率、节 能降损、改善电气环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的 技术保证。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， 检测、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【l l 。 由于电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题，早在电力供应一开始 就引起了供用电双方的关注。人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称 值的多少作为检验电能质量的主要指标。之后随着工业规模的扩大和科学技术 的发展，电气化程度越来越高，新工艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生 活的各个方面，电力系统的负荷结构发生了很大的变化，用电设备和生产工艺 对电能质量的要求比传统设备高。许多新设备和装置都带有基于微处理器的数 字控制器或功率电子器件，它们对各种干扰都极为敏感，原本微不足道的扰动 或特性变化都可能影响到其电子控制系统的正常工作。据国际会议报告介绍， 在美国每年由于电能质量下降所引起的经济损失高达数百亿美元。劣质电能会 引发电网大面积停电，造成用户生产力下降，社会影响和经济损失是相当严重 的【2 l 。 随着电能质量标准的制定和实施，电能质量的监督管理及法规体系将逐步 建立。这必将大大促进设备制造厂商提高其生产设备与电力系统的兼容性，促 使电力用户在使用高性能设备、提高产品生产率的同时，严格限制自身对电力 系统和其它设备的电磁干扰；进一步促进供电部门加强对电能质量的技术监督 与电力系统的运行管理，推动电能质量先进测控技术的研发和应用；保证配电 系统安全经济运行和向用户提供合格的电能和优质的服务。所以，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，研究 实现电能质量的全面监测、控制和管理技术，具有极其重要的社会意义和经济 意义。 同济人学硕十学位论文智能化电能质量监测系统的研究 1 2 电能质量监测的研究概况 1 2 1 电能质量定义 电能质量描述的是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的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系 统中，还要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差1 2 0 。但 由于系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的非线性或不对称性，以 及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在，因此产生 了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概 念。围绕电能质量的含义，从不同角度理解通常包括如下几方面【3 】： ( 1 ) 电压质量。指实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应 的电能是否合格。这个定义包括大多数电能质量问题，但不包括频率造成的电 能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。 ( 2 ) 电流质量。反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，电力用户除 对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，有些用户还要求电流波形与供电 电压同相位以保证高功率因数运行。这个定义有助乇电网电能质量的改善和线 损的降低，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。 ( 3 ) 供电质量。技术含义是指电压质量和供电可靠性。非技术含义是指服 务质量，包括供电企业对用户投诉的反应速度以及电价组成的合理性、透明度 等。 ( 4 ) 用电质量。包括电流质量，还包括反映供用电双方相互作用和影响中 的用电方的权利、责任和义务，电力用户是否按期、如数缴纳电费等。 国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识。但大多数专家 认为，电能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电 流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题。 i e e e 标准化协调委员已正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，并给出了相 应的技术定义：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 均是适合该设备正常工作的【4 】。 1 2 2 电能质量监测的起因 造成当前的电能质量问题主要有以下两个方面的原因： ( 1 ) 电力负荷构成的变化。目前，电力系统中存在大量非线性负荷：大规 2 第1 章绪论 模电力电子应用装置、大功率的电力拖动设备、电化工业设备、电气化铁道、 炼钢电弧炉、轧机、提升机、电石炉、感应加热炉及其他非线性负荷。另外， 还存在很多快速变化的冲击性负荷：如大型马达和马达群组、高层大楼的高速 电梯、汽车制造厂的电焊机、高速铁路、高速磁悬浮列车和地铁、港口的起重 机及其他快速变化负荷。 ( 2 ) 大量谐波注入电网。含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现 功率控制和处理的同时，都不可避免地产生非正弦波形电流，向电网注入谐波 电流，使公共连接点的电压波形严重畸变，负荷波动性和冲击性导致电压波动、 瞬时脉冲等各种电能质量干扰，电能质量问题变得更加突出，对电网运行、敏 感电气设备的危害也更明显。 为应对电能质量恶化对电力系统和用电设备可能造成的损害，应对电能质 量进行全面的运行监督和管理。而目前电网中电能质量的运行监督，主要由各 级电力调度部门进行日常的电压和频率偏差的监测和调整。根据电网电能质 量技术监督管理规定，对电网中谐波、电压波动和三相电压不平衡度等指标， 一般由检测中心采取不定时或专门检测，发现问题再和相关用户协商，再按照 相关规定采取解决措施。因此这里存在一个较大的电能质量运行监督的“盲区 ， 也就是负责电网运行监督的调度人员并不是掌握电网中这些指标的状况，从而 在运行方式选择上，不能顾及这些指标变化可能对用户供电质量甚至电网安全 带来的影响1 5 j 。为此需进行下列工作： ( 1 ) 加强对干扰源用户的运行管理。对于大的干扰源用户，应安装实时检 测装置；对于干扰超标的用户，应协助制定治理方案。 ( 2 ) 充分利用网络资源，开发电能质量的s c a d a 系统，使运行人员及时 掌握电网中电能质量全面状况，消除安全隐患。 ( 3 ) 扩展电力调度业务范围。调度运行日志上应反映较全面的电能质量指 标；运行方式安排上，应考虑对干扰源负荷供电带来的特殊问题。 ( 4 ) 健全电能质量监督管理体系，进一步修订、完善电网电能质量技术 监督管理规定，在电力调度运行规程中，补充相关内容。 因此，开发电能质量监督系统，以及电能质量高级应用功能，如电压跌落 传播分析、电能质量仿真决策系统、谐波状态估计、谐波潮流计算等，使运行 人员能够及时掌握电网中电能质量全面状况，从而能在运行方式安排和安全自 动装置的配置和整定上考虑电能质量的影响，同时也为电能质量污染源的定位 和治理提供依据，这也是当前迫切需要解决的任务之一。 电能质量监测数据中包含有丰富的信息，通过连续采集、记录、存储以及 对这些信息的分析统计，可以对电网的综合电能质量水平和造成各种电能质量 3 同济人学硕十学位论文智能化l 乜能质壁监测系统的研究 问题的原因做出分析判断，为电能质量的改善提供依据，同时也可以提高系统 运行的稳定性以及合理地扩大系统的容量。通过长时间的连续跟踪监测，还可 以建立起表征电能质量的有用的数据库，在供配电系统和用户设备失效前，捕 获到其早期的故障信息，以便在毁灭性打击以前，提醒人们对供、用电设备的 运行状态进行调整和预防检修。 1 2 3 现代电能质量监测的特点 电能质量各项指标中既要包含统计性指标，如电压频率偏差、谐波、电压 波动、三相不平衡等，又应强调对实时性的要求，保证对暂态指标的精确分析。 电能质量监测系统应当有强大的数据采集、处理功能，以及通用的信息共享技 术，而且采用分布式结构，共同完成整个区域的电能质量监测和分析。因此， 现代电能质量监测系统应具有如下突出特点： ( 1 ) 监测的电能质量指标多。既包括稳态电能质量指标，还包括暂态电能 质量指标以及可靠性监测和计算。 ( 2 ) 监测功能强大。不仅能够监测电能质量指标，也能够监测电力参数指 标和电能量指标，还能进行故障监测和定位。 ( 3 ) 采样频率高。能测得相当高次谐波和暂态电能质量扰动的信息，能捕 捉快速变化的暂态电能质量扰动的暂态波形。 ( 4 ) 实时性强。针对信号扰动的随机性，保证对电网信号进行全过程实施 监测。 ( 5 ) 数据处理能力强。暂态电能质量扰动监测需要处理海量数据，要求监 测系统的数据处理能力非常强。 ( 6 ) 自动化程度高。建立有效的自动分析和自动辨识系统，使之能实现故 障或扰动信号的自动分析和识别。 ( 7 ) 智能化。由于电能质量问题的动态性和复杂性，智能化的监测系统除 了对电能质量数据指标进行归类、统计分析等基本功能外，还应该建立知识库 和合适的学习样本集，采用专家知识对电能质量可能造成的危害、负荷对电网 电能质量的影响范围和程度提出相应的策略。 智能化的电能质量实时监测系统进行多点同时连续测量，将故障记录结果 和分析数据上传给调度中心，实现电能质量监测装置和上位机之间的网络通讯 和监测数据的集中管理，并利用监测数据进行谐波源识别和定位，甚至谐波扩 散与渗透的趋势分析。因此，集监测、分析、诊断、通信于一身的智能化电能 质量监测系统，势必成为解决电能质量问题的关键所在。 4 第1 章绪论 1 3 本文主要研究内容 通过回顾当前电能质量监测的概况，指出了对谐波的检测和抑制对改善电 能质量具有重要的意义。本文着重从对电力系统中谐波源的定位角度出发，分 析研究谐波源的定位算法，并进行相应的仿真试验，并在基于虚拟仪器技术的 l a b v i e w 平台基础上，开发电能质量监测的软件分析系统，以及提出了硬件结 构的设计思路，以构成一个智能化的电能质量监测系统。 本文的研究内容主要分为以下几个部分： ( 1 ) 简要介绍电力系统中谐波产生的原因、影响和危害、对谐波的抑制和 治理措施以及采取谐波监督管理的必要性； ( 2 ) 对当前存在的谐波源检测定位算法进行分析，介绍了谐波功率潮流方 向法、谐波状态估计法、基于神经网络等方法的基本原理和应用，并讨论了各 方法的优缺点和局限性；， ( 3 ) 提出将基于统计学理论的支持向量机算法应用到谐波源定位上来，详 细介绍了支持向量机的原理，分析了在谐波源定位问题上的支持向量机算法模 型，并通过仿真试验验证其可行性； ( 4 ) 深入了解了虚拟仪器技术和电能质量参数的监测，建立了以l a b v l e w ： 为核心的电能质量监测系统的软件部分； ( 5 ) 根据电能质量监测系统的要求，作为软件分析系统的基础，提出了监 测系统的硬件结构设计开发思路； ( 6 ) 总结本文取得的主要研究成果，总结优缺点，并对未来的可能研究方 向提出展望。 5 同济人学硕十学位论文智能化电能质母髓测系统的研究 第2 章电力系统的谐波 电力系统波形畸变并不是一个新的问题，早在十九世纪二三十年代，德国 就已经提出静态整流器产生的波形畸变问题。近年来，由于电气铁道的发展以 及化工、冶金、钢铁、有色金属、煤炭和交通等工业部门大量使用了电力电子 设备和应用电力整流和换流技术，产生了大量谐波注入电网。谐波问题在有些 电力系统中已经对电力系统和用电设备产生了严重危害和影响，必须认真研究 并采取相应的限制及管理措施。 2 1 电力系统中谐波的产生 电力系统稳态方式下的谐波，都是来自于各种谐波源。所谓“谐波源 ，通 常是指各类特定的用电设备，即非线性的电力负荷 6 , r l 。 电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器，交直流 换流站的可控硅控制元件，可控硅控制的电容器、电抗器等。例如变压器在额 定状态下运行时，其铁芯工作在线性范围内，谐波含量不大，但在一些特殊运 行方式下，如轻负荷时，运行电压较高，铁芯饱和程度加深，励磁电流占总电 流比例增大，励磁电流中的三次谐波分量将对电网波形产生很大影响。电容器 本身不产生谐波，但是当负荷出现谐波电流时，电容器将使谐波放大，且能导 致谐波电压升高，电压质量下降。当电容器与系统电抗的并联谐振频率等于或 接近于负荷谐振频率时，就发生了谐波的并联谐振，这时流入系统的谐波电流 有可能达到谐波源电流的2 3 倍，因而后果是相当严重的。 另一方面，电力系统谐波更主要的来源是各种非线性负荷用户，如各种整 流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。各种低压电气设备和 家用电器所产生的谐波电流也能从低压侧馈入高压侧。对于这些设备，即使供 给它理想的正弦波电压，它的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。其谐波 含量决定于它本身的特性和工况，基本上与电力系统参数无关，因而可看作谐 波恒流源。这些用电设备产生的谐波电流注入电力系统，使系统各处电压含有 谐波分量。荧光灯和家用电器，虽然其单台容量并不大，但数量大且散布于各 地，它们所产生的谐波电流也是不容忽视的。 国外的经验表明，各种非线性用电设备容量的增长大大超过了电网的发电 设备容量的增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 6 第2 章电力系统的谐波 2 2 谐波的影响和危害 大量谐波的产生会给电力系统的安全及经济运行带来极大的危害。谐波对 电力系统或并联的负载危害的程度，决定于谐波量的大小、现场条件等因素， 会导致各种设备故障，引起绝缘介质强度降低，使用寿命缩短，增加线路及仪 器损耗，有时甚至引起短路故障等等【3 明。 2 2 1 谐波对电网的影响 电网中的并联电容器是用来补偿无功功率，提高功率因数，提高系统电压。 在工频情况下，系统的感抗一般比容抗小得多，因而不会发生谐振，但当系统 含有高次谐波时，并联电容器组投入后，会产生使系统原有谐波放大的现象。 由于大型调压电容器组采用的是分组投切方式，其容抗在较大范围内变化。当 系统的谐波感抗与电容器的谐波容抗相等时，就会发生谐振，谐振对电力系统 本身和电容器本身都是非常不利的。 同时，当电力系统中出现大的非线性负载或数量大且分散的非线性负载时， 计及与不计及谐波所做的潮流分析结果可能有相当大的差别，有时竞相差2 0 。 在联合电力系统中，谐波的影响更加难以预测，常规的潮流计算可能变得无用。 2 2 2 谐波对高压设备的影响 1 对同步发电机的影响 谐波对发电机的主要影响是引起附加损耗，产生机械振动、噪声和谐波过 电压。流入电机定子绕组中的谐波电流所产生的旋转磁场，在转子绕组中感应 出谐波电流，这些电流在转子的槽楔、齿和嵌套于转子端部的套箍上流动，会 因集肤效应产生局部过热而损坏。谐波电流还会使定子绕组产生附加铜耗形成 过热，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率。当发电机中谐波电流 的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈机械振动。 谐波产生的磁场与基波磁场相互作用会产生脉动转矩，脉动转矩会造成更大的 可闻噪声。 2 对变压器的影响 正常情况下，变压器激磁电流中本身就含有谐波，该谐波电流一般不大于 变压器额定电流的1 ，其作用是使变压器铁芯中磁通趋于正弦波形，所以它 不引起变压器本身的铁损和发热增大。但当运行环境中谐波电流较大时，变压 7 同济人学硕十学位论文智能化电能质量监测系统的研究 器会受到如下损害1 9 1 ：( 1 ) 负载损耗增加。负载损耗包括铜耗和杂散损耗( 线 圈涡流损耗) ，杂散损耗是决定由非线性负载引起的变压器铁芯额外发热损耗的 最重要因素。( 2 ) 磁滞和涡流损耗增加。这些损耗会随着频率的升高而大大增 加，而且由谐波引起的涡流损耗比由谐波引起的磁滞损耗大。( 3 ) 变压器电感 与功率因数校正电容器之间可能产生谐振，谐波放大，附加损耗大增，严重影 响变压器的可靠性。( 4 ) 由于峰值电压增加而导致绝缘应力增加。上述这些损 耗都会导致变压器发热及相应的寿命损失。 3 对换流装置和消弧线圈的影响 电网中有大型换流装置时，交流电压畸变可能引起常规控制角的触发脉冲 间隔不等，并通过正反馈放大系统的电压畸变，使整流器工作不稳定，而对逆 变器则可能发生连续的换相失败而无法工作。 消弧线圈是按照所接局部电网的工频参数来调谐的，对谐波实际上不起作 用。但是若电网的谐波较大，则会延迟或阻碍消弧线圈的补偿作用。 2 2 3 谐波对低压设备的影响 谐波会引起电动机的附加损耗，产生机械振动和噪声等；测量和计量仪器、 仪表最初都是按纯正弦波交流电流刻度的，当应用在畸变电路上时，就不能正 ： 确指示或计量；谐波会使弧光灯、白炽灯、保险丝因过热而寿命降低甚至损坏； 对信息及数据的传输、处理带来严重影响，特别是运算速度快的计算机会产生 误动作，使正常的工作程序遭到破坏，直到损坏电子设备的半导体器件。 2 2 4 谐波对继电保护的影响 电磁型继电器的动作转矩与线圈电流有效值的平方成正比，实验证明，无 论通入基波还是单频次谐波，只要有效值相同，继电器即动作，因而按基波整 定的电磁型继电器，在谐波作用下可能误动作。感应型继电器受谐波影响导致 误动还是拒动，要视谐波电流大小和谐波与基波间相角而定。谐波对整流型继 电器的影响虽根据其构成原理不同而异，但其影响已成为设计整流型继电器必 须考虑的问题。 2 2 5 谐波对通信线路的影响 高次谐波的存在，对附近的通信设备和线路产生信号干扰，影响通信网络 正常的通信载波工作。通常电话线路的音频通道的工作频率范围约为 8 第2 章电力系统的谐波 2 0 0 - 3 5 0 0 h z ，而供电系统的许多谐波就在这个频率范围内。所以供电系统的谐 波将引起电话杂音。在极端情况下，谐波对通信网络的干扰甚至能威胁通信线 路及人身安全。 总之，谐波干扰电力系统并引起畸变，影响电力设备和负载的正常运行： 引起电容器组、变压器和电动机的发热和故障；使发电机的铜耗和铁耗增加， 甚至发生超同步谐振；使保护系统和控制电路误动作；测量仪表的不精确工作； 损坏电子设备以及缩短白炽灯的寿命和引起荧光灯故障。 2 3 谐波的抑制和治理 为保证供电质量，防止谐波对电网及各种电力设备造成危害，必须采取必 要的措施来抑制谐波。这应该从两方面来考虑，一是产生谐波的非线性负荷； 另一是受危害的电力设备和装置。这些应该相互配合，统一协调，采用技术、 经济最合理的方案来抑制和消除谐波【l o l 。 2 3 1 减少谐波源的谐波含量 1 增加可控硅变换装置脉冲数 对整流、换流设备增加可控硅变换装置脉冲数是降低谐波最基本的一种方 法【l l 】。在正常情况下，换流装置产生的谐波电流次数为： 丹= m p 1 ( 2 1 ) 式中，朋= 1 , 2 ，3 ，p 为换流装置的脉冲数。 各次谐波电流有效值为： i n = k 。j l ( 2 2 ) 式中，为基波电流有效值；k n 为因重叠角影响的谐波系数，一般k 一寺。 所以得出： 厶l ( 2 3 ) 刀 由此可见，整流、换流装置的脉冲数越多，则谐波电流的次数越高，即不产生 较低次谐波；同时谐波电流有效值与谐波次数成反比，所以次数越高，谐波电 流值也就越小。因此，增加换流装置脉冲数，即可消除较低次谐波，减少其产 生的谐波电流。 9 同济人学硕十学位论文智能化电能质量监测系统的研究 2 减少发电机产生的谐波 为了尽可能的减少发电机电势中的谐波含量，在电机设计中已经采取了多 种措施。 首先是削弱因磁极磁场分布引起的谐波电势的方法，包括：( 1 ) 改善磁极 的极靴外形( 对凸极机) 或励磁绕组的分布范围( 对隐极机) ，使磁极磁场的分 布尽可能接近正弦波形。( 2 ) 采用y 接线方式消除电势中的3 的倍数次谐波。 三角接线虽也可以达到此目的，但三次谐波环流要引起附加损耗，使电机效率 降低、温升增加，所以一般应采用y 接线。( 3 ) 采用分布绕组削弱高次谐波电 势。采用分布绕组，当每极每相的槽数增加时，基波的分布系数减小的不多， 而谐波的分布系数却显著减小。 其次，定子开槽引起气隙磁导不均匀，齿下气隙较小，磁导较大，槽口处 气隙较大，磁导较小，从而使电势中有谐波产生，称为齿谐波。削弱齿谐波的 方法有：( 1 ) 采用磁性槽楔或半闭口槽，以减小气隙磁导的变化。( 2 ) 采用斜 槽削弱齿谐波电势。( 3 ) 采用分数槽绕组。这是很有效的削弱齿谐波电势的方 法，在水轮发电机和低速同步电机中已广泛应用。 3 改变供电系统的运行方式 适当改变供电系统的运行方式可达到抑制谐波影响的目的。尽可能地保持 三相负荷电流的平衡，可以减少m p 1 次以外的非理论高次谐波电流。运行中 尽量减少变压器空载，改善电网电压质量，坚决避免运行电压过高。在系统参 数可能造成谐波共振时，采用倒换系统错开振点的办法或改变无功补偿容量。 当存在较大容量的谐波源负荷的情况下，可采用提高供电电压等级或采用专线 供电。 以上所述，减少谐波源谐波含量的办法是目前所能做到的，但对许多非线 性用户产生的谐波则无法从谐波源本身减少，这就需要采取其他措施。 2 3 2 采用有源滤波器 图2 1 有源滤波器滤波原理图2 2 有源滤波器基本拓扑结构 l o 第2 章电力系统的谐波 利用时域补偿原理的有源滤波器的优点是能做到实时补偿且不增加电网的 容性元件，是近年来采用的一种较为先进的抑制谐波的方法。它由具有自换向 能力的半导体元件和直流电流源组成。通过半导体元件的导通和p 删控制方式， 调制出和负荷产生的谐波电流大小相等、极性相反的输出电流，与谐波电流相 抵消从而达到滤波效果。图2 1 和图2 2 所示为有源滤波器的滤波原理和基本 拓扑结构。 2 3 3 采用相数倍增法 电力系统中接入的非线性器件，有许多往往正是利用这些器件的非线性来 达到技术上的某种目的，因此，不能用降低甚至消除非线性来消除谐波。但是， 高次谐波都是一些正弦交流量，其大小和方向与相位有关，因而，次数相同， 相位相反的谐波可以相互抵消。有分析推导可以证明，对于2 个三相系统，如 果它们的相位相差3 0 。，可以消除5 ，7 ，1 7 ，1 9 ，2 9 ，3 1 次谐波；相差王5 。 的4 组三相系统，还可以消除1 1 ，1 3 ，3 5 ，3 7 次等谐波。因此，如果用2 个整 流桥组成的换流器分别接在有相位移3 0 。的三相电路上，组成1 2 脉冲的换流 器，可以消除5 ，7 ，1 7 ，1 9 ，2 9 ，3 1 次谐波，这样，总的谐波量就由6 脉冲时 的0 2 4 6i 。降到0 11 7 1 。一般考虑到复杂性、加工难度及成本，相数倍增一般 取1 2 脉冲为最大限度。另外，相数倍增法的缺点在于，只有在各相整流器的负 载完全一致时才能有效消除谐波。 2 4 谐波的标准及监督管理 2 4 1 谐波的标准 为保证电力系统的安全、经济运行和保证用户设备和人身的安全，加强我 国公用电网谐波的管理，对谐波加以限制是迫切需要的。我国经过长期的努力， 由国家技术监督局出面颁布了关于谐波方面的国家标准，即g b t 1 4 5 4 9 9 3 电 能质量公用电网谐波【1 2 】，并于1 9 9 4 年3 月1 日实施。 标准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；还规定了电网公共联接点的谐波电流( 2 -