（电力系统及其自动化专业论文）电能质量监测软件的研究和开发.pdf

亘塞壅望盔堂塑主塑塞皇兰堡笙塞 篁! ! 要 a b s t r a c t t 1 1 i st h e s i sf o c u s e so nd e s c r i b i n gt h ei m p o r t a n c eo ft h ep o w e rq u a l i t y m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 i ts u m m a r i z e st h es t a t u sq u oo fs t u d yt o d a y , a n da l s o a n a l y s e s a n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e o f s e v e r a la n a l y t i cm e t h o d s o fm e p o w e rq u a l i t y 1 1 l ep r i n c i p l ed i a g r a mo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi nt h e t h e s i sc a nm o n i t o ra n dc l a s s i f ya l m o s ta l lo ft h ei m p o r t a n tp r o b l e m so fp o w e r q u a l i t y m a t l a bs i m u l a t i n gi su s e d t oa i m a t c o r r e l a t i v ep r o b l e m so f p o w e r q u a l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s i e n ta n dn o n - s t a t i o n a r ys i g n a lc a nb e d e t e c t e da n dc l a s s i f i e du s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m ，w h i c hg a l la l s ou s e di nd e n o i s i n g a n d f i l t e r i n g 1 1 l ed i s c r e t ef o u r i e r l r a a s f o r ma l g o r i t h mc a na n a l y z et i m e - d o m a l n s s t a t i o n a r yd i s t u r b a n c es i g n a le f f e c t i v e l ya n d c o n f i r mt h e s i g n a l sd i s t r i b u t i n gi nt h e f r e q u e n c yd o m a i n s o i ti se f f e c t i v et o a n a l y z e a n dd e t e c t s t a t i o n a r y a n d n o n s t a t i o n a r yd i s t m - b a n c eb y t h ei n t e g r a f i o no f t h ea b o v et w om e t h o d s t h r o u g h t h i si d e 丑w eh a v ed e v e l o p e das e to fs o t 、v ：a r eo fp o w e rq u a l i t ym e a s u r e m e n t w h i c hi sc a l l e dp m v i su s i n gc + + b u i l d e r 6a n ds q l - s e r v e r 2 0 0 0 n l ef u r t h e r i m p r o v i n go f p m v i s i so n g o i n g n ef i r s t p a r to ft h et h e s i s i n t r o d u c e st h ep r o b l e m s r e s e a r c hb a c k g r o u n d ， r e s e a r c hs t a t u sa n ds i g n i f i c a n c e n d sp a r ti l l u m i n a t e st h ew o r k o f t h i st h e s i s ，t o o ms e c o n dp a r to ft h et h e s i sc l a s s i f i e st h ep r o b l e m so fp o w e rq u a l i t y s p a r ti n t r o d u c e s a l lp o w e r q u a l i t yp r o b l e m s n et m r d p a r ti n t r o d u c e sa n dc o m p a r e sa n a l y t i cm e t h o d s o f t h e p o w e rq u a l i t y a n dt h e i r a p p l i c a t i o nr a n g e s s i m u l a t i o nh a sb e e nd o n et h r o u g hm a t l a bi r lt h i st h e s i s an e wa l g o r i t h mo f p o w e rq u a l i t ym e a s u r e m e n t i sp u tf o r w a r d t h ef u t u r et r e n d so f p o w e r q u a l i t ya r e d i s c u s s e d t h i st h e s i sa l s o b r i n g s f o r w a r dt h em e t h o d o fp o w e r q u a l i t y m e a s u r e m e n t ，i e t h ei n t e g r a t i o no f 、t ( w a v e l e tt r a n s f o r m ) , f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ) a n da n n ( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ) n l i st h e s i sf i n a l l yc o n c e n t m t e so nh o wt or e a l i z et h ep m v i ss o r v v a r e t h e a l g o r i t h mi sd e s i g n e d as e to fs i g n a lw i t hn o i s ei s s i m u l a t e df i n a l l y p m v i si s a p p l i e dt oa n a l y z e t h e e x a m p l e 1 1 1 e e r r o ri sa n a l y z e di nt h el a s t k e yw m d s ：p o w e rq u a l i t y ；f o u r i e rt r a n s f o r m ；w a v e l e t st r a n s f o r m ；o b j e e to r i e n t e d t e c h n o l o g y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 随着电力电子技术的发展，晶闸管整流和换流技术得到广泛的应用，例 如：冶金、化工、矿山部门大量使用晶闸管整流电路；工业中大量使用的变 频调速装置；电气化铁路中采用的交流单相整流供电的机车；高压大容量直 流输电中的换流站：家用电器( 电视机、电冰箱、洗衣机、电子节能灯) ， 以及炼钢中应用的电弧炉等。另外电力变压器容量的不断扩大，其本身也成 为电力网中的一个重要的非线性负荷。 非线性负荷从电力网中吸取非e 弦电流，引起电网电压畸变，这些非线 性负荷统称为谐波源。电网电能质量的恶化造成了诸如变电站因谐波引起保 护装置误动作、继电保护调试困难、电能计量误差大等威胁电网和用电设备 的安全经济运行的问题。同时由于谐波引起的谐波功率增加了电网损失，增 加了供电成本，并且使电力系统的附加装机容量增大，还造成了电气设各的 使用寿命降低。而近年来对计算机、可编程逻辑控制器件和精密电子仪器等 电能质量敏感设备的广泛应用，使电能质量问题引起了越来越多国家和用户 的普遍关注，电网污染问题必须采取措施加以解决。 早在二十世纪三、四十年代，德国就提出了静态整流器引起波形畸变的 问题，电网谐波问题从那时起就引起了人们的重视。六十年代以来，一些工 业发达国家先后对谐波问题进行了大量的研究，其中包括基本的理论，谐波 源的特性，谐波的危害，谐波的测量计算方法和仪器，谐波的抑制措施和制 定谐波标准等问题。从1 9 8 4 年丌始，每两年召开一次电力系统谐波国际会 议( i c h p s ) ，1 9 9 6 年第七届会议上又将其更名为电力谐波与电能质量学术会 ( i c h q p ) ，这大大推动了该领域的发展。自1 9 8 0 年以来，我国的许多科研 单位、高等院校也开始对谐波问题进行了研究和测试工作，并取得了一定的 进展。目前，我国不少电网的谐波含量已大大超过了标准值，并引起了不少 问题，例如湖南省云嗣5 0 0 k v 变电站s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，静止无 功补偿器) 装置的电容器组由于受到3 次谐波的影响，1 9 8 8 年投运以来已发 莲藏交逶夫拳硕士臻舞黧攀位论文鏊2 耍 擞4 次爆炸事故蔺。因此电力部门对此很关注，谐波管理和监督工作正在纳 入电力生产的正常轨道。 非线性负荷大多功率因数很低，在运行过程中需要吸收大擞的无功功 率，这不但增热了交愿髅等设冬的容量，霹黩还会弓| 起电压波动，影豌供电 溪灏豹绦涯。 同时由于电力机军等的不对称负荷，给电力系统注入了犬爨的负序电 流，从而引起变压器等媳气设备的附加发热，并可能造成继电保护的误动作。 供电质量的保证关系赣国家的工农业生产和社会经济发展，麓2 0 0 0 年 底我豳结台国内外的磺究成果和实际睛况分男嘴4 定了： l 。8 转露1 4 5 4 9 - 9 3 邀戆溪爨公蘧电霹淫波 2 g b w 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电能质量电力系统鞭率允许偏差 3 g b 1 2 3 2 5 9 0 电能质嫩供电电压允许偏藏 4 g b w 1 5 5 4 3 - 1 9 9 5 电熊质量三相电压允许不平衡度 5 c b 1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压允许波动与闲变 等轰颂鏊家标准寒其侮蔑蓬邀震薰。 衡量系统是否达剿溺家电能质量的拣礁链为电力系统豹设计键供参考， 通过对电能质量的监测，可以为电力部门提供电力系统运行的基本状态和性 能情况，据此可以了解公用电网的电能质量水平和存在的问题，从而对公用 f ；乜网的性能做出正确和全面的评估。进行有针对性的系统性能监测，主要是 砖姆定豹系统靛质量阉戆避霉盗测，疑夏找到翊题豹棂源，绘懑解决闫题趣 办法露采取耱瘦豹捂麓，魄魏酝气 乏铁道牵孳| 变窀辑虢电镜矮豢簸溪l 对改善 啦袄负荷对电力系统驹纸害意义重大。对于提高整个电力系统的电能质量也 是必须的。例如，目自h 臌用在电力系统谐波补偿中的有源滤波器( a p f ) ，其 原蠼怒根据所检测到的负荷谐波电流分量来掩制有源滤波器，使其发出一个 秘殿的谐波电流进行抵溺，这样在系统中将不食这个谐波电流成分，扶露起 至磐 馁箨躅，霉疆番窭其实魂嚣瑾蓄是蛰矮缣诞对系统谐波懿猃测+ 否羹l 其 实现无从谈起。扶这患看，对电能质量的测爨势在必行。当今计算枫技术 的飞速发展又为我们提供了新的检测手段。过去那种凭借功能单的测量仪 器j 藏行测量的方式显然不道合当今的发展需求。为此美国国家仪器( n i ) 公 司晕就提出了“软件就怒仪器”的口号，并棘研制了专门用于虚拟仪器开发 赘绞g 曙台l a b w i n d o w s c v i 窝l a b v i e w 。筑畿囊令诗箕瓿越寒越浚黪运算逮 垂惫交遴夫学硕圭赣竞黧擎辍论交嚣3 夏 度和丈容量的存储设备和专业化的软件的支持，工程技术人员不仅可以在极 短的时间完成过去需要多台测量仪器才能完成的测量工作，雨鼠可以对测量 的数据进行在线或离线的分析、统计、比较，这是传统测量方式远远达不到 豹。囊戳上嚣熹看出，开发电靛质量监测软佟豹意义重大并且祭传袋熬。正 怒程这静背景下，我嚣j 参考国建终静相关撮邋、文献和产品，辩系统豹功藐 和性能进行了加强和优化，利用面向对象编程的方法自行开发了这套电气 测嫩虚拟仪器软件( p m v i s1 0 ) ，主要用于电能质量的监测，该软件界面友 好，操作简便，性能稳定。 ，2 研究的现状 目前国内外对电能质爨的研究都很重视。谐波是影响电能质擞的重要因 索，世界上定期都要榴u 开有关谐波的问颛，如i c h q p ( i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n e eo nh a r m o n i ca n dq u a l i t yo fp o w e r ) ；国际电工委员会( i e c ) 麓溺舔大毫舞会议郝程绥缍或了专门豹工 蕈缀露定程应豹 皴拣潦；我零稳 美部门也撞调大量入力、物力对韭屯进 亍笱f 究，并研制了臻于鍪测豹装餮。近 年来围内对电能质量阈题进行了广泛深入的研究o “”司，文献 9 介绍了虚 拟仪器开发工具l a b w i n d o w s c v i 在电能质墩j | 鑫测装置软件开发中的应用， 文献 1 0 - 1 2 主要是对电能质量的控制、分柝方法方面的综述，文献 1 4 - 【2 0 主要阐述了当l 应蘑藤景十分广泛鹃，l 、波理论农人工秘经疆终 ( a n n ) 在毫艇震量分掇方覆豹应蠲。尽管这蹙蔌兴豹菝术越乘越广泛豹应 用，并取得了一定的成果，但是经典的傅立时变换在信号分析中的作用在某 种程度上仍是不可替代的，文献 2 1 - 2 2 应用快速傅立叶( f f t ) 算法并对 其进行了改进。文献 2 3 针对应用广泛的基2 快速傅立叶变换指出了所谓的 混合基快速傅立时变换；文献 2 4 】锋对快遂馋立时( f f t ) 算法豢接霸于谐 滚分援翡黢遮藏载误菱，褥鬟楚对穗角误蓑键爨了竣遗熬冀法，势魄较了痘 塌不同的窗函数的误麓。文献 4 9 卜 5 3 主袋是谣南交通大学愈气工程学院 针对电气化铁道对电力系统产生的谐波和负序镣电能质量问题的研究文献， 西南交通大学电气工程学院还针对这些电能膜基问题利用l a b w i n d o w s c v i 作为开发平台，研制了相应的基于离散傅立时变换的监钡4 装霹。 觚整蘸麴疆变_ 寒番，缀典豹决速 毒立咛繁法霹敬块捷瑟较蔻雄确璐连对 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 域平稳信号在频域内分解成不同的频率分量，得到各个频率分量的大小，从 而实现时域到频域的转换。因此快速傅立叶算法在电能质量监测中得到了广 泛的应用，并且已经开发了许多该方面的软件。小波变换优良的特性使其具 有更为广泛的应用前景，目前已经应用于包括电力系统在内的更多领域，并 取得了丰硕的成果。在电能质量监测问题中也有应用小波变换方法的。然而 小波变换也存在不足，如果能将其与傅立叶变换结合起来，可以想象，用其 开发的软件功能将更为强大，更能适应当前和今后一段时期对电能质量监测 的要求。目前将两者结合用于电能质量监测的报道还较少，更没有将其开发 成实际的监测装置软件系统。本文将在该问题上有所突破。 1 3 本文主要完成的工作 鉴于上述对电能质量监测和分析的重要性及其意义的介绍，以及市场的 需要，我们开发这样一套软件具有很重要的现实意义。其中完成的工作主要 是：完成了对监测对象各种电气量的计算、显示、存储、再现、分析等功能。 其中对实时监测的采样信号采取的主要算法是离散小波变换( d w t ) 和快速 傅立叶变换( p f t ) 。由于f f t 算法本身的定义是对整个时域的积分，因此它 具有对时域的完全无局部性，从另一角度看，该算法是把信号投影到一组正 交基e 上，而8 实际上是一正弦波，具有单一的频率，所以傅氏分析在频 域上是完全局部化的。因此利用傅立叶算法对于平稳性信号分析具有极大的 优势，它可以将周期性的畸变分解成恒定的赢流分量、基波分量和各次谐波 分量，然而对于非平稳和突变信号的检测、噪声与突变信号的分离傅氏算法 就显得无能为力了。而小波在这方面则大有作为。因此将小波和傅立叶算法 结合起来进行信号分析，充分利用两者的优点，将是非常诱人的。本文尝试 用一种小波和傅氏算法相结合的方式进行信号处理并利用m a t l a b 进行了 仿真。本文还给出了小波和傅立叶变换结合设计的电能质量监测系统p m v i s 1 0 软件的实现，并进行了算例分析。分析结果表明本文设计的电能质量监 测系统是有效的，可用于电能质量的监测。系统的丌发工具是b o r l a n dc + + b u l i d e r 6 ，数据库采用m ss q l s e r v e r 2 0 0 0 。文章还提出了本系统进一步扩展 的方向。即基于小波、神经网络和快速傅立叶变换技术的电能质量监测系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章电力系统的电能质量 2 1 引言 i e c 标准对电能质量定义为：“导致用户设备故障或误动作的，以电压、 电流或频率的偏差为表现形式的一切电力问题”。它可以用来描述电力系统 中的多种电磁现象。电能质量是衡量电网运行水平的重要指标，也是电力企 业用电管理水平考核的重要标准。近年来电力电子设备的广泛应用提高了人 们对电能质量问题的重视程度。而改善电能质量关系到电力系统的安全、稳 定、经济运行，对于提高用电效率( 节能、降耗) 、改善电气环境具有重要 意义。为了实现电能质量术语定义的规范化，各国电力工作者作出巨大的努 力。美国的电气与电子工程师学会的标准协调委员会2 2 ( i e e es c c2 2 ) 为 此作出了很大贡献，他们还与国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议 ( c i g r e ) 合作，共同致力于电能质量标准的国际化统一性。在理想的交流 电力系统中，电能以单一恒定的频率( 我国为5 0 h z ) 和一定的电压向用户供 电的，因此电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标，必须 保证稳定在一定的范围内。但随着对电能质量要求的提高，仅用这两个指标 来衡量电能质量显然是不够的，电流电压的波形畸变、电流电压的不平衡度、 电压闪变等也是衡量电能质量的重要因素。下表是对电能质量问题的一个概 括“。 r 表2 1 电能质量问题的分类 类型扰动性特征指标产生原因后果解决方法 质 特波稳态谐波频i ! i 乜1 f 线性负载、设需过热、继电保护有源、光源滤 压、i u 流波形嗣态开关负载议动、设备绝缘破坏波 三相小对稳态1 叫衡旧了川i 对称负载鞋备过热、继乜保护静止无功补 称议动、通f 十扰 藿褰交滩大学矮圭聚竞敷擎波论文繁6 夏 陷波稳态持续时间、幅调速驱动器计时器计时错误、斌电容黯、隔离 值储千扰电艨器 电压闪变稳态被动幅德、出i 乜弧炉、电机f 砌l 扭机运行不正常静止无功补 瑰颤攀、调澍起动偿 颠率 谐振暂态暂态波形、峰值，线路、负载和设斋绝缘破坏、损坏滤波器，隔离 持续时间电容器组的投电力电子设备变雁器。避雷 切嚣 脉冲餐态餐态i 硼时螺、峰闪电f 毡走线竣备缘破环避嚣濮 毽、撩续瓣蠲疼、落孥睾l 毽黯 开合 瞬时电压哲态幅僚、持续时远端发生敞设稀停运、敏感负载不问断电源、 上升、下问、瞬时值时障、l 魄：动_ ；能删 运行劫悫r 乜压恢 | 罐问 复姑 壤声稳态，$ 隐旗漤率菱露接连、数娃埋器拄馥设舞不嚣馥接逸、滤 暂态圈态开关负载蕺常运行没辫 2 2 谐波产生原因及危害 鑫姨二卡遣纪二、三卡年健德国鬟警羚态整漆器产生魏渡彩麟交滔题戳 来，谐波阔题就零| 超了入们静注意。当今天爨# 线性电力邀子设备、 # 对称 用魄设备、冲击性用电设备的逐年增多给电力系统的电能质量更鼹媸成了严 重的影响，形成了所谓的电力污染问题。其中谐波是电力污染的徽疆组成， 这一方面是由于谐波源的增加，另方面也怒岛电容对谐波的放大作用分不 开瓣。隧为电力系统中瓣嚣传大多为感性元传，教系统阻抗呈感髅，这撵郎 缓夜魄力系统孛装设了大爨李 缮邀容器，势考惑赢篷赣毫线静电銮疆，系统 基波阻抗仍呈感性。而系统为电容和电感元件的并联或串连电路，因此在不 同的频率下，将会呈现不同的阻抗性质和大小有时会使注入系统的谐波电 流加大，在某些次数的谐波下还可能产生谐撇，从而使系统的电流、电压畸 交受为严重，影嚷i 系统的最常运行。谐波产，圭的恁害主要是两个方鬣，一方 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 面是对电力设备的影响，它可以造成设备的损坏、缩短设备的使用寿命等； 另一方面则是对计算机、继电保护、控制系统、仪表等设备的影响，它可以 造成设备工作错误或是性能恶化。国内外由于电网谐波造成的破坏屡见不 鲜。 在i e e e 标准中谐波被定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其 频率为基波频率的整倍数”0 1 。这也是国际上对谐波的通用定义。应当指出 这里所定义的高次谐波的次数为正整数，也是本文中讨论的谐波。另外还有 两个与谐波易混淆的概念：间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ，即频率不是工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) 的整数倍的谐波分量：次谐波( s u b h a r m o n i c s ) ，即频率低于工频 基波频率的分量。 系统中的谐波源主要分为两大类凹：( 1 ) 含半导体非线性元件的谐波源； ( 2 ) 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者比如各种整流设备、交直流换 流设备、变流器、直流拖动设备整流器、p 嘲变频器、相控调制变频器和现 代工业设施为节能和控制用的电力电子设备等，后者比如说交流电弧炉、交 流电焊机、发电机、变压器和铁磁谐振装置等。下介绍几个主要的谐波源 吐 1 ) 电气化铁道：电气化铁道的电力机车的牵引负荷为波动性很大的大功率 单相整流负荷。电力系统l l o k v 三相电源供电，经牵引变压器降压至2 7 5 k v 后，向牵引网和电力机车单相供电，电力机车采用2 5 k v 单相工频交流电压。 分析计算可知当机车在牵引工作状态、整流回路投入工作时产生谐波。由于 电力机车整流电路在整流过程中交流电压每周期内壹流侧整流电压的脉动 数( 即整流设备的脉冲数) 为2 ，故其在稳态正常工况下产生的特征谐波次 数为h = 2 k l ，k = l ，2 ，3 ，除基波外，特征谐波全为奇次谐波。但在负荷 快速变化过程中也产生偶次谐波，最大时接近相邻的奇次谐波，但历时较短。 总的来说由于电铁负荷功率大、分布广、波动性大，因此对电力系统的电能 质量影响很大，必须采取有效措施进行改善。 2 ) 电力变压器( 包括铁芯电抗器) ：变压器的励磁回路具有非线性电感，因 此励磁电流是非正弦波形。在额定负载下，励磁电流只有总电流的5 嘘右， 电流波形接近正弦波，波形畸变可以忽略。而在空载时，非正弦的励磁电流 在变压器的原边绕组的漏感上产生压降，使变压器感应电动势上包含谐波分 量。变压器空载合闸时，常常会出现很大的励磁涌流，其大小取决于铁芯材 器巍交逶大学矮圭蘩窕溆擎泣论文第8 贾 料、剩磁大小和合闸初相角。在严重情况下，涌流波形强烈畸变，不但幅值 可离达数十倍的额定空载电流，而且正负半周的波形极不对称。 3 ) 电力电子交流装置：在电力系统内部的热烈代表为高压直流输电中的晶 鹚篱换滚n ( 龟括整滚蠲会逆交阙) ，鸯予纛滤输电中零用的黥韵数为6 或 1 2 ，因j 逢毫濑l 存在6 k 蔽1 2 k 蘧懿谐波魄缀，蔼交流铡产生敬l 或1 2 k 士1 次谐波电流。这戡谐波成为换流阀的特征谐波，是整流设餐产生波形的 主要成分。 4 ) 其他非线性设备：主骚还有旋转电机和电弧炉产生的谐波。对同步电机 产生的谐波电动势楚出予转予和定子之闽空气隙中的磁场非芷羧分布所弓l 怒戆。嚣毫甄炉羹l 圭要燕凌予在冶蘸玲羧它豹奄滚为疆撬变纯，渡噩毛产垒大 羹熬数次谐波和闻谐波。 以上是对谐波产生原因和谐波源的一个简单的概述，更详细的材料可参 阅相关文献“嘲。 谐波对诸多方瑟黼造成严重影响，弓l 怒人们对其更为广泛的荚注。 1 ) 蠹振：毫力夔中广泛镬露爨蛰嫠功率嚣数熬遗容器，嚣程存纛分毒逸容， 它与系统的感性煮；分稻龠，在一定豹频率下会形戒谐振。谐振多为并联牵 偿 电梅器引起。谐波的谐搬造成的谐波放大。形成危险的过电流和过电压又反 过来恐化电容器的运行，可能引起电容器由于电流过载而损坏，同时由于畸 变电压的尖峰值超过了局部放电熄灭电压，最终可能导致电容器损坏。谐振 斡熬密方嚣是电子惫羽豹参数戆不零l 配会孳| 筵，一方嚣也必须袋蠢强匏谐 波源。围建疆籁谐嚣熊寮疲麸这嚣个方嚣餐筝解决，霹设法港狳不利静电网 参数和严格控制谐波源。 2 ) 对变压器的影响：谐波电压可使变压器的磁滞和涡流损耗增力口，而谐波 电流除引起变压器绕组的附加损耗外，还要引起外壳、外层硅钢片和些紧 圈件发热。谐波缀交藤器噪声增大。 3 ) 鼹簸电线兹影酾：瓷谐渡电流滚过浚邀线嚣，将产生瓣麴损耗 a p = 如，其中r h 为籀h 次谐波频率下的线路电阻。随频率的增高 h - 2 而加大。导线直径越大，因集肤效应而使谐波频率下的电阻增大越明显，谐 波产生的附加损耗也越大。 幻辩逶缤筑影酝：谐波霹戳逶遗电力簸惫线籍囊逶莹线路之麓瓣爨毫感应 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 和电磁感应而影响通信系统。它可以损害通话的清晰度，而且可能触发电话 铃响，甚至威胁通信设备和人员的安全。其影响程度取决于电力线路高次谐 波的频率、幅值、两条线路之间的距离和长度。 另外谐波还要从系统中吸收基波的有功功率而将其转化为谐波有功功 率，其中部分谐波有功功率又反馈给系统，这不仅造成功率损失，而且反送 的谐波功率对用电的设备都是有害的。 谐波的危害还不仅于此，以上只是列举了其部分危害。可以说谐波是有 害而无利的，必须采取有效的措施加以控制。 2 3 负序产生原因及危害 电力系统中产生负序电流的原因大体分为两种，一种是由于三相系统中 某一相或两相出现故障所致，另种则是由于三相元件不对称所致。对于故 障情况造成的负序情况，一般可由继电保护、自动装置动作切除故障元件后 在短期内使系统恢复正常，从而使负序电流得到消除。而对于由不对称负荷 引起的负序电流，目前主要是由于电气化铁路的单相不平衡负荷及交流电弧 炉造成的，这种情况下由于其产生机理是由其本身的结构特性所决定的，因 此只能采取措施加以抑制，而不可能完全杜绝。 对于电气化铁路，由于电力机车牵引负荷为大功率单相整流负荷，它对 于电力系统来说是三相不对称负荷。为了减小其产生的负序电流对供电系统 的影响，各牵引站高压侧接入系统时要进行换相，使机车负荷相对均匀的分 配在系统的各相上。另外可采用诸如斯柯特( s t 【) 变压器和阻抗匹配平衡变 压器之类有利于改善三相电力系统的对称运行状念，降低单相牵引负荷的不 对称影n 向的变压器。尽管采取上述手段对系统总体来说能达到一个三相相对 平衡的状态，然而由于各牵引变电站在不同的地点接入系统，并且各供电臂 的机车负荷在不断的变化，因此对于电力系统的局部地区来说电气化铁道不 平衡负荷产生的负序分量仍有较大的影响。 负序电流分量对电力系统的危害主要有0 1 ： a ) 基波负序电流流入发电机后，会引起附加发热。破坏转子部件的机械强 度，影响励磁绕组的绝缘强度，最终可能造成设备损坏； b ) 基波负序电压加到异步电动机端点时，可能产生较大的基波负序电流。 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 引起铜损和铁损增加，降低电动机的出力和过载能力； c 1 负序电流的存在，造成设备过电流，迫使其减出力运行，相当于负序电 流占有了系统设备的容量； d ) 电网的基波负序电流增大，在变压器等设备中形成三相不平衡电流。如 果设备的三相电阻均为r ，则三相不平衡损耗p 相对于基波正序损耗 啦为： p 只= ( j + ，；+ 坛) r 3 ，：r = l + 甜2( 2 1 ) 使损耗增大。负序电流引起的设备损耗的增大率为： a ( 6 p ) 只= ( 尸一只) a p + = 9 2 ( 2 2 ) 由此可见，电网各设备的负序电流不对称度d 越大负序电流引起的网损的 增大率也越大。负序电流对继电保护装置，如发电机负序电流保护装置、变 压器的复合电压启动过电流保护装置以及故障录波装置等在遭到电铁产生 的大量负序侵入时，在谐波的共同干扰下，可能造成保护动作，引发电力系 统故障； e ) 对通信系统造成影响，影响正常的通信质量。 2 4 其他 国家目前对电能质量问题制定的规范，除谐波、不平衡度外，还有有关 电压偏差、频率偏差、波动和闪变三种问题的标准。以上这几种问题都可看 作是稳态的问题。对于非稳态，也就是突变问题，国家尚未制定相关的规范， 目前主要是参考国外的标准。以下对这些电能质量问题做一个概括性的描 述。 电压偏差问题关系到供用电设备的安全经济运行。其计算公式为：电压 偏差( ) = ( 实际电压一额定电压) 额定电匝x1 0 0 9 6 。g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 电 能质量供电电压允许偏差中对供电电压的允许偏差进行了规定，要求： l _ 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 ； 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 、一1 0 。 改善电压偏差的主要措施有：a 进行无功补偿：b 凋整同步电动机的励磁电 流，使其在允许范围内超前或滞后运行，产生超前或滞后无功功率，达到改 西南交通大学硕士研究生学位论文第1l 页 善网络功率因数和调整电压偏差的目的。 电网中的电压波动一般由波动性负荷引起，是指电压方均根值的变动或 连续的改变。电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 值为相邻电压方均根值的 两个极值u 和u m 2 差a u ，常用u 与额定电压之比来描述其大小： rrrr d = 二型l 二鱼吐1 0 0 ( 2 3 ) u 闪变( f l i c k ) 是指灯光照度不稳定造成的视感，它不仅与电压波动值d 有 关，而且与波动频度、波形、照明灯的形式和参数( 电压和功率) 有关。主 要是由波动性负荷造成的。对电压波动和闪变影响最大的是电弧炉，许多国 家闪变的标准都是针对电弧炉而制定的。对电压波动的测量i e c 推荐采用平 方解调检测法。我国根据i e c 标准将闪变指标分为短时闪变值只，和长期闪变 值只，。国标对只，的求法为： 只，= 4 0 0 31 4 rl + o 0 5 2 5 鼻+ o 0 6 5 7 6 + o 2 8 鼻o + o 0 8 只o ( 2 - - 4 ) 其中r 、弓、只、e 。和岛分别为l o m i n 内瞬时闪变视感度s ( f ) 超过0 1 、 1 、3 、1 0 和5 0 时间的察觉单位值。只，的计算方法为，在已多次顺序地 测有l o m i n 的短时间闪变值只，。( k 1 ，2 ，n ) 的数据时， 3 百一 r = 、寺碥 ( 2 5 ) y v 女= 1 其中国标规定的统计时间为2 小时这样式2 3 中的取值为1 2 。 电力系统频率变化是指电力系统的基频偏离其标称( 5 0 h z ) 的扰动现象。 电力系统若长期处于低频下运行，电动机转速将会下降实际负荷功率也将 下降；系统频率过高会造成发电机组超速而损坏。电力系统的频率发生异常 可能原因有：1 电力系统发生故障后造成的局部系统有功功率失去平衡；2 负荷的意外突变；3 电力供应不足的电力系统缺乏有效控制负荷的手段；4 发电出力在负荷高峰低于负荷增长速度，在低谷负荷期间发电最小出力大于 低谷负荷：5 大型冲击负荷。 防止频率异常的措施主要有：1 除使发电出力与负荷平衡外电力系统 还应具有足够的备用容量；2 在系统安装按频率降低自动减负荷装置和在可 能被解列而功率过剩的地区装设按频率升高切除发电机等装嚣：3 安装控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 用户负荷的装置。 当电压突降超过l o u 。，则称为电压跌落。电压跌落一般是由于用户 设备或公用电网故障引起的。配网每年可能发生几十次到上千次，大部分电 压跌落持续时间小于1 s ，幅值不大于6 0 u 。，少数可能例外。 短时断电是指电压降至0 或是接近o ( 低于1 u 。) 时为断电。大部分短 时断电小于l s 。 由于意外事故引起的长期断电( 超过l m i n ) 叫做长时断电。一般超过3 m i n 的断电较少发生。 暂时过电压一般是由公用配网或用电设备故障引起的，比如单相接地短 路故障中，非故障相可能出现临时性的电压水平升高。在低压系统，般不 超过1 5 倍相电压。中压系统中性点直接接地或经阻抗接地过电压一般小于 1 7 倍相电压，中性点绝缘或谐振接地系统中，则不超过2 倍相电压。 瞬态过电压一般是由雷电或系统操作引起的。其持续时间只有数毫秒或 更短。 一般来说谐波、三相不平衡度、波动与闪变、频率和电压偏差等问题持 续时间较长，属于稳念扰动，因此其扰动波形相对“稳定”，固在对其进行 监测时可以进行非持续采样，如本文采取5 0 0 1 1 1 s 采样一个周期，下一个5 0 0 i i l s 继续采样一个周期，而近似认为这两个周期是连续的两个周期。对于暂时电 压升高、跌落等现象由于其持续时问较短，具体的分类可见表4 1 ，因此属 于突变扰动的范畴。对于这类扰动，可以用小波准确的检测出突变发生和结 束的时间，并可利用小波重构提取扰动波形得到扰动的平均幅值大小，根据 这两项可以判断突变扰动的具体类型，但由于其持续时间较短，因此需要持 续采样才能达到对其分类的目的，而非稳态问题中还有一些持续时间只有纳 秒级的扰动，对其进行测量往往需要很高的采样频率，而此类扰动较少发生， 因此用高采样频率对其进行钡4 量是不值得的。具体的描述可参见第四章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章电能质量分析算法的比较 随着“电网污染”的日益严重和对供电质量越来越高的要求，人们对电 能质量问题也投入了更为广泛的关注。目前，对电能质量的研究主要集中在 这样几个方面： 对电能质量进行实时监测、在线和离线分析。这可以向供电部门反映电 网电能质量存在的问题，一些对电能质量造成“污染”的用户可以通过 监测获得及时准确的监测和分析数据，供电部门和用户都可以据此寻求 相应的措施加以改善。总之，电能质量监测对于提高供电水平，改善用 电质量是必不可少的。 建立相应的电力系统模型，对采集的电网实际信号数据进行仿真分析。 比如利用渗透理论对电网谐波进行分析，计算谐波潮流，据此了解谐波 在电网中的分布等。 采取措施改善电能质量。比如目前采用的有源滤波器( a p f ) 、无源滤波器 ( p f ) ： 本文主要针对第一类问题进行讨论。不管是进行在线还是离线的监测分 析，首先就是要解决一个分析方法的问题。分析方法必须具有足够快的运算 速度和一定的精确度。近年来，广泛用于电能质量分析的方法主要有傅立叶 变换算法、短时傅立叶变换、小波分析算法等等。以下依次对这些方法做一 个介绍。 3 1 傅立叶变换( f o u r ie rt r a n s f o r m ) 根据傅立叶级数定义，任何周期函数在满足狄利克雷条件的前题下，均 可展成以正交的正弦函数为基的线性组合的形式。设周期信号为，( r ) ，其周 期为7 1 ，角频率为彩= 2 矿= 2 x t 。则其傅立叶级数展开为： _ 厂o ) = 日。+ ( 日j f c o s n ( o t + b 。s i n n o ：t ) i t = i 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 = d 。+ a 。s i n ( n c o t + c , o ) ( 3 一1 ) 其中口。= f 1 o “，( r ) d r 为直流分量； 口。= 争f ? “，( ，) c 。s ”m t 为n 次余弦分量； 6 。= 争r “，( f ) s i nn m 砌为n 次正弦分量； a 。= 口：+ 6 ：为第n 次谐波的幅值： 仇为第n 次谐波的初相角。且：t g 一- 生， 口” 当6 。 0 ：纯：留一。笠+ 1 8 0 当乩 2 疋时可以唯一的恢复原 模拟信号，不致造成频谱混叠，其中，：为信号的最高频率，2 f , 称为奈奎斯 特( n y q u i s tr a t e ) 速率。在采样频率f 确定时，在采样前进行预滤波，滤除 ， 高于折叠频率。必的频率成分，以免发生频率混叠。由于d 阿分析是对有限 ，二 。 的n 点采样点进行分析，因此可能漏掉点与点之间较大的频谱分量，这叫作 栅栏效应。又由于实际的o f t 必然是对截断的采样点进行分析，造成截断效 应。使得频谱分辨率降低，即频谱泄漏。由于旁瓣引起的谱间干扰，甚至会 淹没弱信号的主谱线。离散傅立叶变换有良好的频率局部性，可以将信号分 解在不同频率的正弦分量上，从而得到信号在该频率分量上的大小，但其不 存在时间局部性，因此不适合对非平稳和波动信号的分析，另外如果信号中 存在衰减的直流分量信号，用f f t 算法计算时也存在较大的误差，这些是它 的局限性。 尽管f f t 有其不足，但目前f f t 算法仍广泛应用于电能质量分析，它是 电能质量分析的基础算法。虽然强大而富有前途的小波算法被逐步引进到电 能质量分析中来，但这并不影响f 雕算法的应用，因为f f t 仍具有它的优势： 算法成熟、计算速度快并且可准确测量信号中某次谐波分量的含量。而小波 算法尽管具有良好的时频局部性，但其计算量相对较大，并且不能准确测量 谐波分量的幅值o “。针对f f t 算法的不足，国内外专家通过研究，提出了很 多有效的解决方案，使f f t 算法的适用性更广，计算速度更快，精度更高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 文献 3 9 4 0 针对离散傅立叶算法中对信号中含有衰减直流分量的分析存 在的误差提出了改进算法并进行了仿真，仿真结果说明改进算法能提高运算 的精度。文献 1 4 e 4 2 针对f f t 算法存在的泄漏现象造成的计算幅值、相位 和频率不准，特别是相位不准的情况分析了多余弦窗能够更好地减少泄漏， 并提出对加窗信号进行插值的算法，算例表明该方法具有更高的精度。文献 2 2 提出基于线性插值原理和抛物线插值原理的两种改进的快速傅立叶变 换法；分析表明算法提高了精度荠且提高了计算速度。文献 4 1 1 专门介绍了 混合基f f t 在电能质量分析中的应用，分析了它更强的灵活性，适用于各种 采样长度的信号分析。文献 4 3 介绍了w i n o g r a d 快速傅立叶变换方法，分 析可知该算法的乘法次数只有c o o l e y t u k e y 傅立叶算法的1 3 。加法次数无 明显增多，可以看出应用该算法可在一定程度上提高计算速度，然而这种算 法是利用抽象代数和初等数论等数学工具建立起来的，因此在工程实际中应 用较少。文献 4 4 3 介绍了一种改进的插值快速傅立叶算法，该法应用与电能 质量分析可以有更高的精度和更快的计算精度。 3 2 短时傅立叶变换( s i f t ) 快速傅立叶变换解决了离散傅立叶变换的计算速度问题，通常它作为解 决平稳信号的方法是非常有效的。然而出于傅立叶变换是对整个时域的积 分，因此无时间局部性，信号在任何时刻的波动都将影响到整个频谱，当然 也不能根据任何有限频段的信息而确定任意小时自j 范围的时域信号，因此对 于非平稳和波动信号，用f f t 算法必然存在较大的误差。针对傅立叶分析的 不足，1 9 4 6 年d g a b o r 在傅立叶分析中加入窗函数g ( t b ) ，对信号在时域 和频域进行局部化处理，其中参数b 是平移因子，用于平移窗函数以覆盖整 个时域，其中窗函数g ( t 一6 ) 采用任何一个g a u s s i a n 函数 | 一 g 。( ，) = j 二p 4 。 ( 3 - - 1 2 ) z 、翮 束实现。对于任何常数口 0 和函数f ( t ) ，满足： f ( t ) r ( r )( 3 1 3 ) 其中2 ( r ) 为平方可积空间，即为能量有限空间，则g a b o r 变换定义为： 覆露交淹大学矮士蘩窕生攀缀谂交麓1s 贾 ( g ；，) ( 国) = if ( t ) e 一埘g 。( ，一b ) a t ( 3 - - 1 4 ) 其巾8 “g 。o 一6 ) 可以麓佟是g a b o r 变换的窗函数，器o - b ) 楚g a u s s i a n 密隧羧滚露阕轴肉右乎移矗个单位，它雳予撼臻惑厦帮纯在t = b 辫选，b 熊 变化将使函数速掰整个辩润轴。露藏羧盘豹德决定了密静