（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁路电能质量信息管理系统设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fr a il w a y t r a n s p o r t a t i o n ， r a i l w a y e l e c t r if i c a t i o na san e wm o d eo ft r a n s p o r tf o rd e c a d e si nas h o r tp e r i o d h a v ed e v e l o p e dr a p i d l y a sar e s u l to ff a s ts p e e d ，h i g ht r a c t i o np o w e r a n dp o l l u t i o n f r e ec h a r a c t e r i s t i c s ，e l e c t r i ct r a c t i o nh a sag o o d p r o s p e c t si no u rc o u n t r y i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a sn e w l y b u ii tr a il w a y h a v ea d o p t e de l e c t r i ct r a c t i o nm o s t l y t h ee l e c t r i f i c a t i o no fm a n yo l d l i n eh a sb e e nc a r r i e do u t ，s u c ha st h ee l e c t r i f i c a t i o np r o j e c to ft h e c h e n g k u nl i n e a tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mo ft h e l o we l e c t r i f i e d r a il w a yp o w e rf a c t o r ，h i g hh a r m o n i cc o n t e n t ，n e g a t i v es e q u e n c ea n ds o o na r e e x i s t ， w h i c h s e r i o u s l ya f f e c t e dt h eq u a lit yo fp u b li c e l e c t r i c i t yg r i d w it ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，p o w e rq u a li t yi s t a k e ns e r i o u s l y w h i l et h ep o w e ri sas p e c i a lp r o d u c tw h i c hq u a l i t y b e e ne n s u r e db yb o t ho ft h ep o w e rs u p p li e ra n dc o n s u m e r t h e r e f o r e ， t h en e t w o r ko fp o w e rq u a li t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sa ni n e v it a b l et r e n d b a s e dq nt h ev i r t i a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dr e m o t ec o m p u t e r t e c h n o l o g y ，w ed e s i g nt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mf o rp o w e r q u a l i t y ，t h r o u g ht h ee x i s t i n gn e t w o r k ，m o n i t o r i n go nt h es t a t u so f s u b s t a t i o n sa n dp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r sf o ro n l i n em o n it o r i n ga n d r e m o t em o n i t o r i n ga r ea c h i e v e d p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gr e a l i z e dt r u e n e t w o r k s u b s t a t i o np o w e rq u a li t yi nt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m f o rr e m o t em o n it o r i n g ，at o t a lo fs e v e np a n e l si s u s e d ，t h em a i n i n t e r f a c ei su s e dt of u l f i1 1t h ef u n c t i o no fl a n d i n g ，l a n d i n ga f t e r t h ej u m pt ot h ef u n c t i o nw i11a u t o m a t i c a l l ys e l e c tt h ei n t e r f a c e ， f u n c t i o n st oc h o o s et h ei n t e r f a c eo fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ei sa c o n n e c tp l a t f o r m ，y o uc a nq u i c k l ys w i t c ht ot h ei n t e r f a c ew ew a n tt o r e a c h f i v ef u n c t i o nm o d u l e sa r er e a do p e r a t i o n ，r e m o t em o n i t o r i n g ， v i e wt h ew a v e f o r ms i g n a l ，w a v e f o r md a t ap r o c e s s i n g ，p o w e rq u a l i t y m e a s u r e m e n t s t h r o u g hd if f e r e n ti n t e r f a c e s ，t h ew h o l es y s t e mo f m o n i t o r i n ga n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti sa c h i e y e d i nt h i s p a p e r ，w eh a v ea d o p e dav i r t u a li n s t r u m e n tg r a p h i c a l p r o g r a m m i n gl a n g u a g el a b v i e w t h ec o m p u t e ra n dh a r d w a r ea r eo r g a n i e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t o g t h e rb yt h es o f t w a r e ，s ot h ep o w e r f u lc a l c u l a t i o no fac o m p u t e r p r o c e s s i n gp o w e ra n dt h em e a s u r ea n dc o n t r 0 1a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n t e q u i p m e n ti sc o m b i n e d ，w h i c hi sp r i o rt ot h et r a d i t i o n a la p p a r a t u s b e c a u s eo ft h eh i g ha c c u r a c y ，r e p e a t a b i l i t ya n dt h ef l e x i b ! i t y a n d i nt h ef u t u r e ，t h es y s t e mu p g r a d ew i l lb r i n gg r e a tc o n v e n i e n c eo f l l s e r s k e y w o r d s ：e ie c t rifie dr ai 1w a y ：p o w e rq u aiit y ：vir t u aiin s t r u m e n t 西南交通大学四南父逋大字 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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 誊笔论文学签尹秀秀乎 吼加7 一口匕u 指导老师签 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 论文通过研究虚拟仪器这种先进技术，应用l a b v i e w 开发软件，实现 了电气化铁路电能质量的信息管理系统设计，完成了电能质量的各个参数 存储、统计、分析和形成报表或图形。 修葛军二汐口7 - - 2 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 本文的研究目的及意义 随着我国经济的迅速发展，供电量与日剧增，供电系统中增加了大量的 非线性负载，导致了电网电流和电压波形畸变，造成了电网的谐波污染；另 外，一些冲击性和波动性负荷的运行，使电网中产生了大量的高次谐波，使 电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题变得越来越严重。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，还会严重地干扰电网 的经济运行。目前，各级电网经营企业都已经开始重视电能质量的问题，希 望通过加强对电网电能质量的实时在线监测，能够及时分析和反映电网的电 能质量水平，以便尽快地找出电网中影响电能质量的原囚，并采取相应的整 改措施，提高电能质量和供电的可靠性。 作为国民经济中重要基础设施的铁路，在我国交通运输体系中扮演着重 要的角色。在加快建设节约型社会中，铁路肩负着相当重要的责任。电气化 铁路作为消耗能源的重点企业，在节能降耗，提高能源综合应用效率方面大 有潜力可挖；与此同时电气化铁路长期存在功率因数低、谐波含量高、负序 等问题，严重地影响了公用电网的电能质量。从铁路发展的历程和趋势来看， 电气化铁路在路网中所占的比例越来越大，对公用电网的影响也将越来越严 重，因此制定有效的电能质量治理方案已迫在眉睫。电能质量的监测和分析 是对电力系统进行治理和改善其电能质量的前提条件。当前国内电能质量的 监测大多数采用综合的电能质量分析仪或谐波分析仪等，难以进行同一供电 系统不同地点相关电能的同步测量及测量数据的传输和集中分析、评估乜1 。 因此，建立一套电能质量的远程、集中监测与分析的信息管理系统就显得很 有必要。 1 2 国内外电能质量监测现状 1 2 1 电能质量的监测方式 目前，对电能质量参数监测采用的监测方式主要有定时监测、连续监测 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 和专项监测1 。 ( 1 ) 连续监测 对重要变电站或实施无人值班变电站的公共配电点或重要电力用户的配 电点的电能质量实施连续监测。在线监测的功能包括：数据显示、数据远传、 数据存储和对监测项目的越限报警或发出控制指令。通过计算机网络将监测 的历史变化曲线、实时数据、指标越限报警信号等进行就地显示和实现远方 监控。 ( 2 ) 定时巡回监测 适用于需要掌握供电电能质量而不需要连续监测或不具备连续监测条件 的测监方式。监测周期可以根据需要监测的项目而定，一般一个月或一季度 检测一次。 ( 3 ) 专项监测 专项监测主要用于负荷容量变化大，或者有干扰源设备接入的电网，或 为了反映电能质量出现异常而需要对比前后变化情况的场合，以确定电网电 能质量指标的背景状况和负荷变动与干扰发生的实际参量，或验证技术措施 效果等。专项检测工作在完成预定任务后即可撤消。 1 。2 。2 电能质量监测系统 电子测量理论及仪表技术的发展历经了早期、初期、中期和近期四个阶 段。早期和中期的电测技术主要是以模拟量测量为主。2 0 世纪5 0 年代，随 着数字技术和微电子技术的引入，促进了数字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被数字式仪表所代替。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日益增 大，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的重要标志。 随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，其工作量越来越大， 对测量的准确度和测量速度要求越来越高，不仅要求能够连续实时地显示， 而且要求能够实时地分析处理大量的测试数据。而模拟式和数字式测量装置 己经难以满足这种要求，这就促使人们开发各种自动化的监测装置。2 0 世纪 8 0 年代中期以来，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，利用其具有控制、存储、运算、逻辑判断以及自动操作等能 力，发展了第三代智能化电能质量参数监测系统。它充分的利用了计算机的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 软件和硬件资源，极大地降低了成本，提高了计算机的利用效率。 对电能质量进行监测与分析，目前绝大部分采用的还是第三代测试仪器 一智能仪器。在国外，瑞士l e m 集团公司、澳大利亚红相公司、英国f l u k e 公司、意大利h t 公司等著名企业在电能质量参数的智能化检测仪器方面进行 了大量的研究开发工作，并且都有相关的产品。在国内，上海宝钢安大电能 质量有限公司、西安测控仪表厂、青岛爱诺电子仪器有限公司等单位也在电 能质量参数的智能化检测方面做了大量的努力。但是，由于这种监测仪器主 要是利用数字技术和硬件来实现，因此很容易受到外界环境的影响，并且测 量精度不是很高，在监测不同指标时，需要更换相应硬件，这给监测和分析 带来很多不便，为实现更多参数的监测，就必须额外配备辅助硬件，这样就 大大增加了监测系统的体积和成本，从而给系统的升级和维护带来不便。 近年来虚拟仪器的出现，改变了这一现状。虚拟仪器是一种功能意义上 的仪器，是以计算机为核心，由强大的测试应用软件支持的、具有虚拟仪器 面板和必要的仪器硬件及通信功能的测量信息处理系统。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。它利用计算机系统的强大功能，结合 相应的硬件，大大地突破了传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制， 使用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级，利用强大的计算机软件来实 现原来需要大尾硬件才能实现的测试功能。因此，采用虚拟仪器技术开发研 制电能质量监测装置，是今后电能质量参数监测的发展趋势。 1 3 问题的提出 随着电力市场化和电能质量法规化，供电质量将引起越来越多的重视， 开发出电能质量管理系统是一个新研究方向儿副。这一领域的难点将是对电 流、电压进行同时持续测量，对质量指标进行分类辨识和统计，由于数据量 大，因此需要开发相应的分析软件来对各种电能质量问题进行系统的分析， 为改善电能质量提供指导。 目前电力系统中，电能质量的s c a d a 系统研究已取得一定成果。例如深 圳领步科技有限公司生产的p q ms c a d a 系统能够实现对电网各监测点的电能 质量进行检测。该系统采用分布式面向对象的设计思路，应用最新的d s p 技 术对各终端单元进行连续检测。监测中心软件采用大型数据库对数据统一管 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 理，能够对检测数据实行分类统计、报表分析、曲线绘制和数据打印等。 目前牵引变电所大多用便携式电能质量测试仪。8 0 年代初至今，便携式 电能质量监测仪获得了长足的发展，其主要面向电力系统谐波的测试，或者 设定一定的时间每隔一定时间间隔保存一组数据，或者手动按一次获取一组 数据，数据一般以文本方式保存；保存的数据或者打印后人工分析，或者通 过磁盘拷贝后导入计算机人工分析，其工作量及过程比较复杂繁琐，分析人 员必须有一定的专业知识。其主要缺点在于测量一大堆数据，主要面对专业 人员( 相当于一种专家系统) ，不能根据国家标准在线或离线进行全面评估分 析，起不到应有的效果旧。这种方式监测手段落后、监测周期长、监测点分 散、实时性不强、工作量庞大、效率底，而且由于缺乏决策判断的依据，难 以深入分析影响电能质量的成因，也难以进一步提出改善电能质量的措施。 对电网电能质量的检测也不能做到实时、全面，许多电能质量事件( 异常、 事故) 不能及时发现、记录和有效处理。这就使电气化铁路电能质量的在线 监测和管理变得很有必要。 1 4 本文的主要工作 本论文从我国现有电气化铁路电能质量监控方式存在的问题出发，探讨 了电气化铁路的电能质量监控技术，研究设计了电气化铁路电能质蹙管理系 统，在现有监控系统的电能质量方面做了一些探讨隋1 。论文分为五章，具体 安排如下： 第l 章主要介绍了电气化铁路引起的电能质量问题，电能质量的监控 现状，研究本课题的主要意义。 第2 章介绍了电能质量的定义、电能质量的参数分类及相应的国家标 准。介绍了电能质量监测管理的必要性。 第3 章详述了变电站电能质量信息管理系统的设计，其中分为五大模 块：查看运行状况、远程监控、波形信号、数据处理、电能质量测量。本章 讲述前四部分的设计原理及程序。 第4 章本章介绍了虚拟仪器技术在电能质量测量中的应用，实现了电 能质量各参数的分析测量。 第5 章对软件进行测试，对数据处理模块部分采用实测数据验证，对 电能质量测量模块部分用仿真波形进行测试分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第s 页 第2 章电能质量综述 现代化的生产和生活都离不开电力。电力部门不仅要满足用户对电力需 求的不断增长需要，而且也要满足对电能质量的要求。像其它产品一样，电 能质量也是有优劣之分的。超出一定范围的频率或电压偏差或者波形的畸变， 都会对电力用户以及电网的安全、经济运行等带来不良影响。因此必须要研 究评价电能质量的指标，并且采用合适的检测、分析方法来保证这些指标在 合理的范围内，从而提高电能质量。 2 1 电能质量的定义 理想的电力系统是以恒定频率( 5 0 h z ) 的正弦波形，按规定的电压水平( 标 称电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值 大小相等，以及相位互差1 2 0 。的对称状态。由于系统各元件( 发电机、变压 器、线路等) 的参数并不是理想线性和对称的，负荷性质各异且随机变化，加 之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想 状态在实际中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和厂h 电中的各种 各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 由于出发点不同，电能质量存在很多不同的定义。目前并没有一个统一 的电能质量标准定义。从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电，它包括频 率、电压稳定、供电持续性和电压波形旧1 。迄今为止，人们对电能质量的技 术含义还存在着不同的认识，这一方面是由于人们看问题的角度不同，如电 力部门可能把电能质量简单地看成电压与频率的合格率，并且用统计数字来 说明电力系统9 9 是符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统看成 是否向负荷正常供电；而设备制造商则认为合格的电能质量就是指电源特性 完全满足电气设备正常没计工况的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电 源特性的要求可能相差甚远。另一方面，对电能质量的认识也受电力系统发 展水平的制约，特别是用电负荷的性能和结构。 目前，国内外虽然对使用电能质量这一术语及其内涵达成了共识，但是 对电能质量确切的定义尚未形成统一的共识。使用比较广泛的几个定义如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 定义l ：合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供电力和设置的接地 系统均适合于该设备正常工作。这一定义来自i e e e 标准化协调委员会给出的 p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 的技术定义。 定义2 ：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户 使用电力的物理特性。该定义来源于i e c ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准。根据这一定义， 现代电能质量除了保证额定电压和额定功率下的正弦波形外，还包括频率偏 差、电压偏差、电压波动与闪变、三相比平衡、波形畸变、所有电压瞬变现 象，如冲击脉冲、电压下跌、瞬间中断和供电连续性等。这个定义包括了电 能质量问题的成因和后果，还包括了供电可靠向性的问题。 定义3 ：电能质量定义是指在电力系统中某一指定点上电压的特性，这 些特性可根据预定的基准和技术参数来评价。该定义是由国际电工委员会 ( i e c ) 给出的。根据这一定义，可以认为电能质量就是电压质量，合格的电 能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。 此外，在这一研究领域的许多文献和报告中还采用了一些未得到公认的 术语和补充定义。如： 1 、电压质量，即给出实际电压与理想电压问的偏差，以反映供电部门 向用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、 电压不平衡、电压波动与闪变、电磁暂态现象、短时电压变动、电压谐波、 电压缺口、电压间谐波、欠电压和过电压等。 2 、电流质量，电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效 率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波外，还应尽量保持该电流波 形与供电电压相同。电流质量通常包括电流谐波、问谐波、电流相位超前与 滞后、噪声等。研究电流质量有助于电网电能质量的改善，降低线路损耗， 但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题，而后者往往并不总是用电造 成的。 3 、 供电质量，它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压 质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，包括技术供电部门对用户投 诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 4 、用电质量。用电质量反映供用电双方相互作用与影响的责任和义务， 它包括技术含义和非技术含义等。技术含义包括对电力系统电能质量技术指 标的影响和要求。非技术含义是指用电责任和义务的履行质量，如用户是否 按时、如数缴纳电费等。 在实际应用中，供电系统只能控制电压的高低，不能控制某一负载汲取 的电流的大小。因而大多数情况是在讨论电压质量问题。本论文中的电能质 量主要指电压质量。 2 2 电能质量的分类 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。 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分析，从 而找出引起电能质量问题的原冈和采取针对性的解决办法，将电能质量进行 分类和给出相应的定义或规定是很重要的。对于电能质量现象可以从不同角 度分类。针对我国目前对电能质量的研究、分析和监测，主要集中在现有电 能质最国家标准的六个方面：供电电压偏差、电力系统频率偏差、公用电网 谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度和过电压。 电能质量监测主要是针对电能质量的各项指标( 参数) ，实时地、定时地 或者根据需要随机地进行观测和监视，以便随时了解监测范围内电网的电能 质量状况和趋势。 l 、电压偏差们 电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏差是表征供电系统供电质 量的一项主要指标。根据国标g b t1 2 3 2 5 - 2 0 0 8 1 ，供电系统在正常运行方 式下，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数称 为该节点的电压偏差。其数学表达式为： 6 u ：丝二终1 0 0 ( 2 1 ) u 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 其中，6 u 为电压偏差，睨为实测电压，k v ，u 为额定电压，k v 。 电能质量供电电压允许偏差( g b t1 2 3 2 5 2 0 0 8 ) 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 + 5 一5 ： ( 2 ) 1 0 k v 及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的+ 7 一7 ； ( 3 ) 低压照明用户为额定电压的+ 5 一1 0 。 为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经 济合理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业和企业 供配电系统设计提供了依据。 2 、电压波动和闪变 一个理想供电系统的三相交流电源对称、电压均方根值恒定，并且负荷 特性与系统电压水平无关。这就要求电力用户的负荷分配三相平衡，并以恒 定功率汲取电能，同时也要求公共连接点( p c c ) 的短路容量无穷大，系统的 等值电抗为零。而实际上，这些条件是不可能满足的，供电系统电压每时每 刻都发生着变换因此一般而言，凡不能保持电压均方根值恒定不变的现象， 或者说，实际电压偏离系统标称电压的现象统称为电压变动引。 电压波动实际上为一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动值为电 压方均根值的两个极值u 。醒和u m 妯之差u ，常以其额定电压u 的百分数表 示其相对百分值，即： d =u r e a x - - u m i n 1o o u ( 2 2 ) 这里以d 的大小作为电压波动的量度。为了区分电压波动和电压偏差，国 家电能质量标准定义电压波动的均方根值电压变化速率不低于0 2 每秒。 电压闪变( f 1 i c k e r ) 是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感 受，闪变这个术语起源于电压波动对白炽灯的影响，它是人眼对照度波动的 主观视感。电压波动是一种电磁扰动现象，而闪变则是电压波动在某些负荷 上的体现效果。闪变可用下式表示： a u ：、y 口，2 y ，2( 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 式中吩为电压调幅波中频率为f 的正弦分量的视感度加权系数，它用来 反映人眼对电压调幅波中各种频率成分的敏感程度。以称为电压调幅波中 频率为f 的正弦分量的幅值。对闪变的计算复杂于对波动的计算，它需对调幅 波进行频谱分析并做出统计评价。 闪变的主要决定因数有： ( 1 ) 、供电电压波动的幅值、频度和波形； ( 2 ) 、照明装置，以白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数 和额定电压等有关； ( 3 ) 、人对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需要对观察者的闪 变作抽样调查。 国标( g b t1 2 3 2 6 - 2 0 0 8 ) 规定了各级电压下的波动和闪变的限制值。电 压波动：( 1 ) 10 k v 及以下为2 5 ，( 2 ) 1 0 一l o o k v 为1 5 ；( 3 ) 1 0 0 - 1 0 0 0 k v 为l 。 闪变：对照明要求较高时，为0 4 ；一般照明负荷时，为0 6 。 3 、电网谐波 谐波是指具有电源系统指定运行频率( 基频) 整数倍频率的正弦电压或电 流n 引。谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负倚的非线性特性， 即所加的电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变引。 一个非正弦的周期波( 如电压、电流、磁通等) ，可以分解为一个同频率 和很多整数倍频率的正弦波之和。其中频率与原非正弦波频率相同的正弦波 称为基波，频率为基波整数倍的正弦波称为高次谐波或谐波。谐波是一个周 期性电量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍。 利用傅立叶级数及傅立叶变换把周期性的非正弦波形( 畸变波形) 分解为 基波及各次谐波的方法称为谐波分析方法n 引。为了定量表示电力系统正弦 波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示的下列波形 畸变指标。 谐波含有率h a r m o ni cr a t i 0 ( h r ) 周期性交流量中含有的第h 次谐波分量的方均根值与基波分量的方 均根值之比( 用百分数表示) 。第h 次谐波电压含有率以h r u 表示，第h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 次谐波电流含有率以h 对。表示。 删n 考川蝴 4 ) 式中矾第h 次谐波电压均方根值； u 基波电压均方根值。 删n = 鲁蚶o o ( 2 - 5 ) 式中 ，。第h 次谐波电流均方根值； 基波电流均方根值。 总谐波畸变率t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) ，表征畸变波形因谐波 引起的偏离正弦波形的程度，它等于各次谐波均方根值的平方和的平方根值 与基波均方根值的百分比。 电压总谐波畸变率以珏坦，表示： f 一 、( ) 2 t h d t ，= 土丝一1 0 0 ( 2 6 ) 。 u 1 电流总谐波畸变率以m d l 表示： 几一 、( 厶) 2 t h d , ：土坚l 1 0 0 ( 2 7 ) l 目前，谐波测量按实现方法分为频域测量法和时域测量法两大类。 4 、三相电压不平衡度 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应该具有相同的数值，且按a 、 b 、c 三相顺序互成1 2 0 0 角度，这样的系统叫做三相平衡( 或对称) 系统n 引。 然而由于存在种种不平衡因素，实际的电力系统并不是完全平衡的。不平衡 度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡 度为最大的生产( 运行) 周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。 在确定三相电压允许不平衡指标时，国标g b t1 5 5 4 3 2 0 0 8 n7 1 规定用9 5 概率 值作为衡量值。良p 正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合， 应和实际测量的五次接近数值的算术平均值对比：对于波动性较大的场合， 应和实际测量的9 5 概率值对比；来判断是否合格。其短时允许值是指任何 时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 不平衡因素可归结为事故性的和正常性两大类。事故性的不平衡是由于 三相系统中一相( 或两相) 出现故障所致，这种不平衡工况是系统运行所不允 许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复 正常。正常的不平衡则是负荷不平衡、系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的 不正确调谐所致。作为电能质量指标之一的电压不平衡是针对正常不平衡运 行工况制定的。 在不对称的三相电力系统中，对于三相四线制电路，电压中除含有谐波 分量外，还含有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路，只含有正、 负序分量。三相电压的不平衡度通常以负序分量的均方根值与正序分量的均 方根值的比值来表示。用对称分量法来计算负序电流和电压，任意三相不对 称的电压或电流都可以用式( 2 - 8 ) 求出它们的正序、负序和零序电压或电流 分量。 阱a | | 8 ， 式中 览，、览：、宽。一a 相电气量的正序、负序和零序分量； 宽、忘、疙一三相电气量； 扩复数算符，a = e j l 2 0 * ：一昙+ 牟。 牵引负荷在电力系统引起的负序不对称程度，一般以电流及电压的负序 不平衡度表示，即 电流不平衡度 ，：= 争1 0 0 ( 2 9 ) i ，厂 电压不平衡度 勖2 = 鲁1 0 0 ( 2 一l o ) u l 式中厶、u 一正序电流、电压； 尼、沈一负序电流、电压。 在没有零序分量的三相系统中，当已知三相量u a ，u b ，u c 时也可以用 式( 2 1 1 ) 求负序不平衡度： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 似一 求三相不平衡电流时只需将式中的电压符号换为电流符号。 5 、电力系统频率偏差 频率是电能质量最重要的指标之一n 引。要保证用户和发电厂的正常运行 就必须严格控制系统频率，使系统的频率偏差控制在允许范围之内。电力系 统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差， 用公式表示为： 8 f = f c e f n ( 2 1 2 ) 其中，s f 为频率偏差，h z ；f c v 为实际频率，h z ；f n 为系统标称频率，h z 。 国标( g b t1 5 9 4 5 - 2 0 0 8 ) 中规定了频率偏差的限值： 1 电力系统正常运行条件下频率偏差限值为0 2 h z 。当系统容量较小 时，偏差限值可以放宽到0 5 h z 。 2 冲击负荷引起的系统频率变化为0 2 h z ，根据冲击负荷性质和大小以 及系统的条件也可适当变动，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。 3 电力系统中频率合格率的统计方法，统计时问以s 为单位，计算公式 如下： 频率合格率=是器，(2-13(1- 1 0 0 1 3 ) 频率合格率= 筌呈罢罢罢兰) 总还仃统计时j 6 、过电压 电力系统中过电压是经常发生的n9 1 。作用于设备的过电压传统的分类是 按其来源分为内过电压和外过电压。内过电压是由于操作( 如切、合闸) 、事 故( 如接地、断线) 或其它原因，引起电力系统的状态突然从_ 种稳态转变为 另一种稳态的过渡过程中出现的过电压心0 l 。这种过电压是由于系统内部原因 而造成并且能量又来自电网本身，所以叫内过电压。内过电压又可以分为工 频过电压、操作过电压和谐振过电压等；外过电压又叫大气过电压或雷电过 电压，它又分为直击雷过电压和感应雷过电压两种类型。 国标g b t1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 ( 电能质量暂时过电压和瞬态过电压) ，简单介绍五 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 种过电压的类型。 a 、暂时过电压( t e m p o r a r yo v e r v o l t a g e ) 在给定安装点上持续时间较长的不衰减或弱衰减的( 以工频或其一定的 倍数、分数) 振荡的过电压。 b 、瞬态过电压( t r a n s i e n to v e r v o l t a g e ) 持续时间数毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电压。 它可以叠加于暂时过电压上。 c 、缓波前过电压( s l o w f r o n to v e r v o l t a g e ) 及操作过电压( s w i t c h i n g o v e r v o l t a g e ) 一种瞬态过电压，通常是单极性的并且峰值时间在2 0 u s 和5 0 0 0 u s 之间， 半峰值时间小于2 0 m s 。 d 、振荡过电压( r e a s o n a n c eo v e r v o l t a g e ) 某些通断操作或故障通断后形成电感、电容元件参数的不利组合而产生 谐振时出现的暂时过电压，其持续时问较长，且波形有周期性。 e 、快波前过电压( f a s t f r o n to v e r v o l t a g e ) 及雷电过电压( 1 i g h t n i n g o v e r v o l t a g e ) 一种瞬态过电压，通常是单极性的，其波前时间在0 1u s 和2 0 u s 之间， 半峰值时间小于3 0 0 u s 。 本论文中只讨论稳态情况下的电能质量问题，实现了频率、电压、谐波、 电压波动和闪变、三相不平衡5 项国家标准的测量与分析。后面的电能质量 参数设计都按照国家标准执行。 2 3 电能质量监测管理的必要性 新型电力负荷的迅速发展以及电力用户对电能质量要求的不断提高，电 能质量也越来越成为供用电双方共同关心的问题。一方面，公用电网中不断增 加的非线性负倚和冲击性负荷引发的电力污染不仅导致供电质量下降，对通 讯信号产生严重干扰，也对电力系统运行的效率、安全等诸多方面产生不良的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 影响。另一方面，大量的对供电质量要求较高的电力用户和拥有微计算机控制 器件或电力电子器件的用户也对电网的电能质量提出了更高的要求。 电能质量包含了供电质量和用电质量中诸多方面的内容比1 | 。从电能质量 标准规定的干扰兼容值、抗干扰限值和干扰发射允许值等要求可以看出，提高 电能质量是电力部门、电气设备制造商和电力用户共同的责任。目前我国己 颁发了五个电能质量国家标准，关于暂时过电压和瞬态过电压、电压跌落和短 时供电中断的国家标准也在报批或立项之中。此外，为与国际标准接轨，国家 标准化指导性技术文件g b z17 6 2 5 4 - 2 0 0 0 电磁兼容限值中、高压电力系统 中畸变负荷发射限值的评估于2 0 0 0 年1 2 月开始试行。 基于上述原因，电能质量监测与管理受到广泛关注，电力调度中心对变电 站电能质量远程监测有着更加迫切的要求。目前，我国电能质量监测手段和管 理模式普遍存在实时性较差、监测效率较低、监测功能较少、统计分析功能 欠缺等不足，这些都是电能质量管理中急待解决的问题。 计算机日益强大的数据处理能力和计算机网络的迅速发展，给现代测量 技术注入了新的活力。计算机拥有测量所需要的高速大批量数据处理、丰富 的图形显示能力及高性能价格比的标准配置，使得构造功能强大的测最仪器 变得容易。 随着网络技术的不断成熟，网络所拥有的高性能、高可靠性的软硬件资源 以及系统扩充维护的方便，使用户能灵活地组建测量网络，节约大量网络布 线、网关、路由器、网络接口芯片及安装费用，并使不同类型测控网络的连接 以及与变电站综合自动化系统之间的互联变得容易，极大地扩充了监测系统 规模，加强了电调中心集中管理和数据共享。借助于网络技术，可以使用户方 便地实现“零距离”对远程设备进行实时测控。电能质量远程在线监测系统 以计算机技术和网络通信技术为依托，将电网中的各监测站点连成整体，使调 度中心得以及时掌握电网的电能质量状况，及时发现电网中出现的电能质量 问题并迅速查找原因，提出完整的解决方案旧引。国外的成功经验表明，建立这 一监测系统是提高电网运行水平的重要技术手段。 目前，牵引变电所大多采用便携式电能质量监测仪进行电能质量测量， 由于其测量指标单一，不能够连续监测，测量劳动强度大等原因，不能够很 好地适应电能质量管理的需要。随着数字化测量技术、计算机技术和网络通 信技术的飞速发展，国内一些科研院所已开展了电能质最远程监测系统的研 究。采用计算机远程在线监测，具有连续多点监测、辅助管理等优点，克服 了传统手工监测手段的缺陷。本文利用铁路现有的远程监测系统把虚拟仪器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 技术应运到电能质量监测中同样具有连续多点监测、辅助管理等优点，并且 实现起来较为方便。 不同的电能质量指标对测试仪器的功能要求不同。因此，过去对于不同 的测试量，往往需要采用不同的测量分析仪器，有时甚至在同一项目中测量 和分析需要分别采用不同的仪器。这样不但测试设备繁多，测试成本高，利 用率低，而且也给测试和分析工作带来诸多不便。利用虚拟仪器可以很好的 解决这个问题，虚拟仪器用软件来实现测试功能。 目前在电气化铁道中，各供电段多数都已经建立相关网络，如远动系统、 办公自动化网络等。考虑系统组建费用、实时性、可靠性等因素，利用现有的 局域网( l a n ) 或互联网( i n t e r n e t ) 等网络设施，可大大降低监测网络组建费用， 并使可靠性得到保障心3 “1 。随着网络信道容量的扩大，通信速度已不再成为 系统实时监测的障碍。 本论文设计的前提是假设数据已采集传送到远动终端，不考虑底层数据 采集转换，不考虑通讯协议，只在远动终端对送来的数据进行处理。对电力 信号的采集，首先需要将变电所p t 和c t 送入的大信号通过信号隔离、线性变换 以及信号调理，变成测量仪器所能接受的小信号。当牵引变电所电能质量监测 网络中底层数据送到远动终端时，采用l a b v i e w 软件实现电能质量数据处理， 对电能质量的各个参数存储、统计、分析形成报表或图形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章牵引变电所信息管理系统设计 3 1 虚拟仪器的介绍 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v i ) 是电子仪器和计算机技术更深 层次的结合产生的一种新的仪器模式。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一 层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机时就像操作一台自己专 门设计的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器” 的概念k 5 驯。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为 一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合 在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、 存储以及分析处理。从发展史看，电子测蹙仪器经历了由模拟仪器、智能仪 器到虚拟仪器。当硬件平台i 0 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功 能的软件就成为该种功能的测试仪器幢引。因为虚拟仪器可与计算机同步发展， 与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩 展增强它的测量功能。 虚拟仪器技术发展非常迅速，所有测量测试仪器的主要功能可由：数据 采集、数据测试和分析、结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析 及结果输