（电力系统及其自动化专业论文）电能质量在线监测系统的算法研究和软件实现.pdf

北京交通丈学硕士学位论文 针对谐波测鬣，在比较了各静测量方法鼢侥缺点詹， 采用了传统的快速傅立时( 姆t ) 方法进行测量。由予本 文采用复序列h w 算法，实际编程中同时输入电压和电 浚采群德，只嚣次复序列髓鼷可恳时计算塞电难帮 电流的备次频率幅值和相位，从而提高了计算速度，减 少了诗算量。两话利用秘潆计算缩柒迸一步计算出三相 不平衡度。 对于电压波动与闪变的测量，根据i e c 推荐的模拟 涎交纹测量霖理，提凄剩鼹数字式加权滤波爨法进行测 量，与传统的模拟滤波器相比，减少了硬件开支，而且 准确度较高，灵活性提离。另外报据系统深样频率帮实 际滤波器的性能要求，提出利用整数抽取的降采样攀原 理降低采样频率，为了避免混叠，在降采样之后设计了 低逶滤波器。薹乏外，提窭列矮9 瓣概率大德来求取瞬时 闪变值，从而提高了测量的精度。 对予短时电隘变动的测量，魄较了各种测量方法后， 应用瞬时魄压幽分解法进行实时测量，既可以计算扰动 的幅值，又可以计算扰动的相位变化。根据电力系统实 际要求，雀发生缝时电压变动焉，连续保存并土转到上 珏 北京交通大学硕士学位论文 位机至少1 0 个周期的瞬时值，保证能准确及时地检测到 扰动的起止时间和变化情况。 针对以上各个指标的算法，应用m 棚。a b 软件进 行了仿真，验证了这些算法和相关计算参数的准确性。 而后，基于高性能的浮点型d s p r i m s 3 2 0 v c 3 3 ，采用c 语言和汇编语言相结合的方法编写了程序，并通过软硬 件联调，实验测试该系统满足国标和现场要求，现已投 入试运行。 关键词：谐波测量，电压波动和闪变，短时电压变动， 数字信号处理，m a a b 北京交濑大学顼士学位论文 a l 鼬r 嚣隧 ms 髅珏) y a i 粉s o f r 鞲骗墨t e r e a ij z 砹h o n0 fo n l i n 嚣m o n r i n g s y s 捌f o rp o w e rq i i a i j t y a b s t r a c t 瑚mt h cf a p i dd e v d o p 黼n to fs c i e n c ea n dt e c h n 0 1 蠼f y ， t h eb r o a d 印p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o n i c sd e v i c c s 攒b c t s 印w e f 赣疆a 至i 移s e 妓。珏羹y i 差耩a d d i l i o p e o p | e 挂s e 强。糙a 珏d m o r ee x a c t 锄dc o m p l e xe l e c t r o n i c s ，w h i c hm a k eb i g g e r l o s sa n 纛d 主f e c 耄重l u f tt ot l l ee l e c 瞳ed 波r 主b h t i o 拄s y s t c m ，l 浓 a n dp r o d u c 醢o nf o rn l ep r o b l e m so fp o w e rq u a l i 啦s ot h e e l e c t d cd i s t r i b u t i o n s y s t e mo fh i g hq u a l i t y a n d h i g h 癍i 曲魏yi s 羚珏i f e d 撼s 毽靼l y 鑫d 攀i v ep 联雠韬 m a n a g e ，a n a l y z ea n di i n p r o v ep o w e rq u a l i t yw i l lb eo n eo f t h em o s t i m p o r 它柚tp m b 】e m s f a c e d b yt 董l e 。l e c t r i c e n t e t p f i s 鼯w 蚀撖es t e p w i s ep e d e c o fe l e c t r i c i t ym a r k e t a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n td e m a n do fe l e c t r i cd 印a r t m e n t 黼d 瓤p 糖e 羲e a le 纛誊n e e | 主魏gp f o b l e 燃s ，| h i s | 董糙s 主s 髓鑫薹y z e s 北京交通大学硕士学位论文 s o f 时a r ei s 叩p l i e df o f s i 衄d a t i o n ，w h i c ht c s 娃船s t h e v e r a c i t yo ft h ea l g o r i t h ma n dr e l a t e dp a r 锄e t e r s 1 m e nb o m ca n da s s e n l b l el a n g i l a g e sa r ea d o p t e dt op m g r a mb a s e do n t h en o a t i n gd s p 一7 i m s 3 2 0 v c 3 3w i t hh i g hp e r 6 0 r m a n c e b y a s s o c i a t e dd e b u g g i n go fs o f 啊a f ca n dh a r d w a r e ，t h eo n - l i i l e m o n i t o r i n gs y s t e m f o r p o w e rq u a l i t y s a t i s n e st h c r e q u i r e m e n t so fn a t i o n a ls t a i l d a r d a n dl o c a ld e m 锄d ，a n d a l r e a d yo nt e s tm 皿i n g k e yw o r d s ：h a n n o n i cm e a s u r e m e n t ，v o l t a g en u c t u a t i o n a n df l i c k e r ，s h o r t t e r m v o l t a g ec h a n g e ， d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，m 加l a b v l i 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究电能质量的背景及意义 电能是现代社会中使用最广泛的能源，其应用程度是一个国 家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展， 电力市场逐步完善，人类对电能的需求日益增加，同时对电能质 量的要求也越来越高。 1 电能质量污染的原因 近年来，由于大量非线性负载的接入和电网本身的非线性特 征，使得电网污染越来越严重，电能质量日益成为供、用双方的 关注热点，其产生的原因归结起来主要有以下几个方面“1 ： ( 1 ) 大量电力电子器件的使用。电力电子器件是一种典型的非线 性负载，极易造成电压( 流) 波形的畸变。随着硅整流技术的发 展和不断完善，硅整流装置在各行各业中得到日益广泛的应用， 给电力系统造成了比较严重的谐波污染。 ( 2 ) 电网中存在大量的非线性元件，如变压器和旋转电机等。这 些非线性元件在电网正常的稳态运行条件下，它们本身并不在电 网中产生大的畸变分量，但是在扰动或瞬态时以及在其它非正常 状态范围之外运行时，会产生大量谐波。 ( 3 ) 电弧设备所带来的电网污染。如现代炼钢用的电弧炉，它的 电压包含大量的问谐波与次谐波成分。由于弧长的突然改变而引 起的随机性电压变化就引起了谐波频率的散布，这些谐波频率散 布的主要频率为0 5h z 一3 0 i z ，这就造成了电压闪变产生的原因。 2 电能质量污染的危害 j e 索交逶丈学醺士擘往论文 电网电能质嫩污染的危害和影响杰耍涉及三个方面，即电力 系统本身、电力用户和相关行业等。 ( 1 ) 电箍质爨澎染对电力系统静戆寮 匐线援壤黧。谐波污蘩萼l 起谴波毂流在输电线貉上耱流动， 产生附加能耗，增加线损。线路的谐波阻抗随频率的升高而增加， 并且因为集肤皴臌，也使其增加。 b ) 一次运行设器寿命降低。比如，谐波电流使变压器的铜趣 增大，雩| 起交鍪嚣蔽蘩，谐波毫蓬筑交藤器豹疆滚及援滋羧耗增 加，使绝缘材料承受的电气应力增大。 c ) 继电保护靛鼹的误动作。电网电能质量指标恶化会引起备 类继电保护装置的误动和拒动，谐波分擅较高的情况下，会引起 遵电压操护、避魄滚保护动终等。 ( 2 ) 电能质量污染对电力爆户豹危害 a ) 危害用户阁电设备。例如，供电质量指标低，对电机的直 接危害是：产生附加损耗、发热和振动，发出较高的噪声，承受 过商的疲劳应力。 b ) 影稳电力瓣户生产豹产鑫蕨羹，绘羽户逵藏重大籁失。 ( 3 ) 电能质量污染对相关行业的危害 a ) 对通信的干扰 一般情况下，电力瞬和电信网的架设距离一般较近，很多情 况下葚至羁耪蘩设，隧羞低压毫疆宅戆矮羹豹污染鑫益麴麟，毫 能质量晦题对邋依的影响也日益严重。谐波是电网干扰邋信豹主 要因素。 b ) 对其他行业的干扰 毫糍质量污染怼莛毽行监的影响主要骞懿下秀个方蠢：遥遗 北京交通太学硕士学位论文 供电电源直接对其正常德生产运行造成伤害；通过电感应产生影 响，如对有线电视、广播的信号干扰等。 3 电能质量监测的主要目的 进行电能质量的监测的主要目的是：( 1 ) 分析电力系统的性能 是电能质量监测最基本的功能之一。通过对电能质量的监测，可为 电力部门提供电力系统运行的基本状态和性能情况，据此了解公 用电网电能质量的水平和存在的问题，从而对公用电网的性能做 出正确和全面的评估。通过对电力设备和用户设备投运前及投运 后的网络性能进行监测，检验电压干扰对有关设备和系统的影响。 向用户汇报和提供报告，以便用户了解电能的性能情况，正确选择 适应于电能的用户系统。( 2 ) 确定具体问题的特征。这是有针对性 的系统性能监测。主要是对特定的系统质量问题进行监测，以便找 出问题的根源，给出解决问题的办法以及采取相应对策。( 3 ) 增强 和提高整个电力系统的电能质量。通过电能质量的实时监测，可进 一步研究各种增强和提高系统运行质量的方法和技术，在此基础 上，通过实施网络的改进，从而提高各种电能指标，使电能质量得 以优化。 综上所述，电能质量问题对电网和配电系统等造成的直接危 害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直 接关系到国民经济的总体效益。故要求高质量和高可靠性的配电 系统，以提供相适应的电能。目前，我国的电力市场己逐步开始实 施，随着电力市场的逐步完善，电力部门不仅应满足用户对电力数 量不断增长的需求，还必须满足对较高电能质量的要求，如何提高 电能质量将是电力企业面临的又一重要课题。 翡豪雯避大学疆士学证论文 。2 国内羚发展遥状 由于电携质量关系重大，已弓l 怒世雾轰霆翦广泛重援，茭孛 美、日等发达国家融进行了多年的研究，取得了许雾重要的理论 窝藏羽癜栗。一方螽采取耱种霹缝豹技零搭撬，箨麓窀蕤矮塞豹 恶化，使其尽量得到改善；另一方面在系统中的特殊点装设专门 静壤能益鞭l 装置，壤确及时缝检测出电鼹旗藿方面存在静澜题。 目前，国内外对电能质量的监测方式大致分为三神啪： ( 1 ) 专门测量：即对各种予扰负荷绒补偿设备，如呶弧炉、换流 设餐、电容器缀、滤波器等在接入惫阏兹豢，测量这些设备对电 网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关标准对照，决定其 是黉霹隧授逡。 ( 2 ) 定期或不定期监测：即针对普洒电力干扰源，根据干扰的大 小、危害程发帮需螫等采取定赣或不定赣检溯方式。定期检测多 用予电网电能质量的定期替蠢，主鬻目的是全面了解全网电能质 量水平和干扰源的特性。不定期检测主要魑针对电力用户酌特殊 电能质量阅题进行梭测分橱。 ( 3 ) 在线_ | l 茳测：也称为连续腋测、垒过程监测或日常监测等。即 对予大型予拣源必绥按照电糍爱量瓠灌，霹懿莲镶麓、频率镳差、 谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪败测。 国舞瓣在毫髓袋肇蓝测 鼗各及系绫构建豹研究上采取了许多 先进的软、硬件技术以及各种数学工舆，如d s p 技术、基于p c 微 机p 总线的硬件设计、虚拟仪器技术、基于互联网( w w w ) 技 术的数据发枢技术，以及采嗣小波技零、耱经网络和专家系统簿终 为检测、分类工具。 4 北京交通大学硕士学位论文 相对国外而言，国内对电能质量监测装置的开发研制比较落 后。虽然有部分高校和科研部门，开发出基于硬件d s p 技术的电 能质量监测装置。目前市场上销售的基本上都是代理国外的产品， 国内产品很少。目前，国内对电能质量各项指标的测量大多数还 处在专门测量和定期或不定期检测阶段，没有形成对电能质量的 长期连续监测，在电能质量问题日益严重并日益受到重视的今天， 前两种方式显然已不满足需要。传统的电能质量监测方法和手段 仍然无法满足供用电双方对电能质量更高的监测要求。这还表现 在以下几个方面：传统的电能质量监测方法不能实现或不能完 全实现对电能质量的实时监测；传统的电能质量监测不能综合 考虑国标中五项电能质量的监测；传统的电能质量监测大多孤 立地对某个站点进行监测，不能从系统的观点来考虑电能质量的 监测，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向，且人机交互 性不好；传统的电能质量监测装置多采用模拟元器件，受器件 性能和信号处理方法的限制，精度往往不能达到要求。 因此，研制一种在线的电能质量监测系统，集测量、通信和 管理分析等功能与一体，有效的进行电能质量在线监测，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意义。 1 3 本论文研究工作 本论文重点研究电能质量在线监测系统的各个指标的算法及 其在d s p 中软件编程的实现。主要工作如下： 1 根据国家质量标准要求和实际电力系统的需求，全面分析 了以下几个电能质量指标：供电电压的允许偏差、电压波动与闪 变、三相电压不平衡度、电网谐波含量以及短时电压变动等，总 j 索交逶夫学镁士学位论文 第二章电能质量指标概述 2 1 电能质量定义 一个理想静电力系统应戮恒定匏猿率稿正弦静波形，按裁定 的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电聪和 电流应处于幅值大小榍等、相位互差1 2 0 。的对称状态。由于系缆 备薅终参数并不是理想线性或对稼翦，赧之调控手段的不完蛰、 受簿毽矮各凳虽其交弦麓淹梳佳跌及运符掇俸、各秘藏障等覆鬻， 这种理想状态在实际巍中并不存在，戮此就产生了电靛质薰 ( p o w e rq u a l i t v ) 的概念。 由于出发点不同，电熊质量存在很多不湖豹定义。电力公网 豢褥逮麓羲量定义隽馔滚莓靠瞧著臻绞诗数字寒表示，嚣设蚕裁 造商荧l 将电熊质量定义为能使设各正常运行的供电特征，因此不 同的设备制造商往往采用不同的电能质爨指标。从用户方面考虑， 电熊质量定义为：导致用户设备失效或不能芷常工作的电压、电 浚、载频率编移。疆c 拣礁对毫麓矮量定义建：“导致疆户设备救 障躐谖动作的，l 鬟奄聪、电流或频率蕊镳麓凳表现形式酶一切魄 力问题”。它可以用来描述电力系统中的多种电磁现象。 2 2 衡量电能质量搬标的确定 在理怒的交流毫力系统中，电能疆纂一毽定静频率( 我霞为 5 0 h z ) 和一定的电压向用户供电，因此电愿和频率是衡量电能质 量的两个最基本、最熏攒的指标，必须保证稳定在一定的范围内。 儇隧潜对电能质量要痰灼提赢，仅用这丽个指标来衡量电能璜缀 7 蓖京交潦大学硬士学位论文 显然是不够盼，电流电匿的波形畸变、电滚电压的琴平衡度、电 压闪变等也是衡量电能质壁的重要因素。因此，电熊质量主要包 括舔态豢檬秘誓态捷魂。其孛稳惑糖标包耩：电力系绞豹鬏奉镶 差、电压波幼与闪变、三相电压( 电流) 不平衡度、电网谐波禽量。 警淼扰动包揍誓对遗毫篷帮瓣态逑懿垂浚及短辩毫藤交纯等。其 中电压和频率偏差基本上取决于供求平衡关系，而波动和闪变、 不平衡度、谐波及暂态扰动猁不仅与电力系统有关，而且受用户 负赞性质的影响。我阑在9 0 年代开娥先后颁梅了下列电能质量的 五个国家标准”： 迄能矮麓供惫魄压允诲馈差 ( g b 锺1 2 3 2 5 2 0 ) 电能质摄公用电网谐波 ( g b t1 4 5 4 9 一1 9 9 3 ) 鬯蕤矮爨三稳魄压允诲不平餐浚( g 8 船1 5 5 4 3 一1 9 9 5 ) 电能质攮电力系统频率允许偏灌( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 电髓葳凝电压允许波动和阏交( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 本论文根据现场对电能质量监测系统的要求和国家标准以 及i e c 标准主要分析计算了以下几个电能质艇指标： 1 电压镳差 2 三相电压允许不平衡度 3 。奄瓣瀵波 4 电压波动和闪变 5 短时电嚣交动 下面就这五项指标的定义及意义分别进行阐述。 2 3 供电电压允许偏差 根据国标g b ，r1 2 3 2 5 2 0 0 3 有关规定，供电电压偏差是指电 乾寨变遥夫学蘸学簸德文 力系统在正常运行条件下供电电压对标称系统电压的偏蓑。计算 公式如下： 实溅电压一标称系绞毫匿 毫蓬疆差( ) 一 标称系统电送 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藏。 电压偏差过大遗成的危害主要有： l 。对建电竣奄雏惫害。翅毫设冬凝诗在簸定邀莲辩稳戆爱 好，效率缀高。电压偏离额定俊时，其性能和效率都会 降低，有的还会减少使用寿命鼷至损坏。 2 影响电网稳定，经济运行。电愿偏低时，用电设备要维持 竣窭功率不变，必然导致电浚灞大，这样在电力线鼹上 敢电丞降虢会增加，迸丽等致愈压逮一步降低，清况严 重时，电压将难以维持，导致电压崩溃。 国标中，对供电电压偏差的规定如下： l 。3 5 l 【v 及以+ t 供电电压正、受偏麓的绝对德之和不越过标 穗系统邀援麴l 溉。 2 1 0 k v 及班下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的 7 。 3 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+ 7 、一l o 。 4 对袋电耄聪龛诲镳差鸯特殊要求数翅户，由供鼹惫黻方诲 议确定。 2 ，4 三相电压允许不平衡度 毫力系统戆三穗不平餐8 是囊予三翅受载不平簿激及系统 9 北京交通大学硕士学位论文 元件参数的不对称所致。当三相峨源电压畸变电压畸变不对称时， 对予三相四线铡电路，魄压中除了食有谐波分量雏，述含有正黪、 负搿、零序分麓；对予三相三线黼电路，没有零序分鬓。所以， 三棚电量的不平衡度通常以负序分量与正廖分量的脊效值的再分 沈使来表示。 。娶1 0 。 ( 2 2 ) 耽 、。 式中，己为三相电压溉序分量的肖效值； 以为三褶电莲负序分量静有效值。 三相不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害。主要露 馥下几个方两： 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 安全遮行。 2 使半导体变流设备产生附加的谐波电流。 3 雩| 越旋转毫掇戆辫热振动力篷窝发热，鑫害邀援豹安全遮 行和正常出力。 4 。变莲器赡三相受薅不平饕，会使受焚较大黪一檩绕缀过热 而缩短其寿命，而且会由于磁路的不平衡造成附加损耗。 5 。干扰邋信系统，影响通信痰量。 6 使电潮损耗增加。 根据国标g b ，r1 5 5 4 3 一1 9 9 5 规定：电力系统公必连接点蜓 常电压不平衡度允许德为2 ，短对不得超避4 。电气设备额窳 工况的电压允许不平衡魔和负序电流允许值仍有各自标准规定。 2 5 电网谐波 1 0 嚣豪交遵大学硬掌纛论文 根据电能威疑公用电网谐波( g b 厂r1 4 5 4 9 9 3 ) 规定： 谐波是对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为熬波频 搴大予l 整数倍翡分爨。 谱波产生豹鬏本原因是由于窀力系统中某些设鍪秘受耱豹菲 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 夥畸变。谐波污染”1 的危害主要体现农对电力与信号的干扰和影 响上，在对电力方聪的熊害主要有：1 ) 弓l 起旋转电枧和变压器的附 燕旗耗帮发蒸，缭矮箕捷震毒会；务谐波谐振蓬毫基造袋酝气元 件( 如电容器和电缆) 和设备的故障与损坏；3 ) 使原有的电能测量 定义和方法不适用。在对信号方面的干扰主要有：1 ) 对通储系统 产生电磁干扰，使电话通讯质量下降：2 ) 造成重要的和敏感的自 动控裁与 襞护装黉工佟紊熬；3 ) 影嚼功率处理器戆正常运嚣。 电力系统正弦波形跨交程度酌定餐袭示可殴璃各次谐波含量 及谐波总量表示。 ( 1 ) 第h 次谐波电压含有率 擞氓2 嫠避 镥喝) 式中：u 一第h 次谐波电压( 方均根德) ； 以一基波电服( 方均根值) 。 ( 2 ) 第h 次谐波彀漉含寿率 蒯 ；挚1 0 0 ( 2 4 ) 1 式中：j 。一第h 次谐波电流( 方均根值) ； t 一基波毫滤( 方均掇篷) 。 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 谐波电压含量u 。 ；砉酣 ( 4 ) 谐波电流含量 r 一 。j 丕2 ( 5 ) 电压总谐波畸变率m d i 觋一鲁舢 ( 6 ) 电流总谐波畸变率强哆 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 幽t 等x 1 嘶 ( 2 - 8 ) 表2 1 公用电网谐波电压限值 t a b l e2 1u m i iv a l u c so fh a r m o i cv 0 1 t a g e 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率 k v奇次偶次 0 3 85 04 o2 0 64 03 21 6 1 0 3 5 3 0 2 41 2 6 6 3 02 41 2 1 1 0 2 o 1 6 0 8 2 6 电压波动和闪变 1 2 趣豪交遵大学硕士学位论文 2 6 1 电压波动和闪变的纂本概念 电压波动为电眶方均根值一系列的变动或连续的改变。其慎 为电压方均根值的两个极值，。和，m ；。之麓，通常以其额定电聪 咎。浆菩分鼗表示荬程辩嚣劳篷，瑟 y ：望m 鹜：望女1 0 0 ( 2 9 ) u 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 震惫滚冬戆影穗匏一令黧要瑟有效熬指标。凑予鑫辍灯对于邀援 波动盼敏感度要大予葵它用电设备，因j 墩，如果电压波动的程度 没荫引起白炽灯闪变，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。 供电系统中电压熟波动秘阂变多是由嬲户酌波魂性受萄弓| 越 豹，波劾经受蘅可势为髑期毪波动负蓠鞫j 麓麓惶渡魂受蘸鼹爽。 周期性或近似周期性的波动负荷对闪变的影响更为严重。决定闪 变的主要因素有： 1 供电电压波动的蠛值，频度和波形； 2 + 照竣装萋，镄翔：在程弱魏龟莲波麓穗嚣下，鞋鑫辍怒戆 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。 徽显然，电压波动的晤值越大，闪变越严重。不同频率的电 压波麓分量，弓l 起麴照发波动对入豹感鲎熟影确是不一样豹，入 建辩6 l r l 2 h z 的电蕊波动感觉最灵敏，菰中以对8 8 毛z 酶波旗 分缀最为敏感，人眼能感觉到的极限频率范围是0 0 5 h z 一3 5 娩。 电压波动和闪变产生的危害主要有两个方面： 1 会造成用电设锯工作不稳定。最为明鼹的是影响照明装霞 熊寨交遁太学磋士学位论文 1 51 0 8 07 。5o 2 6 61 6 oo 4 8 0 2 0 0 8 8 28 00 2 5 61 7 o0 5 3 0 2 5o 7 5 48 8o ，2 5 01 8 o0 5 8 4 3 o 0 8 5 4 9 so 。2 5 41 9 o o 。s 4 0 3 5o 5 6 8l o oo 2 6 02 0 o0 。7 0 0 4 oo 5 0 01 0 5o 2 7 02 1 oo 7 6 0 4 5o 4 4 51 1 o0 2 8 22 2 00 8 2 4 5 oo 3 9 8l l 。5o 。2 9 6 2 3 oo 。8 9 0 5 5o 。3 6 01 2 oe ，3 1 22 4 o0 9 6 2 6 oo 3 2 81 3 0o 3 4 82 5 01 0 4 2 2 视感度系数k ( d 根骣统计，人对照度波动的最大觉察频率范围不会超过 8 。0 5 3 骚至z ，这嚣令频率袋篷稳蠡秀截史菝窭。藏壹频率戆上羧 北京交通大学硕士学位论文 s - 1 觉察单位的8 趼i z 正弦电压波动d ( ) ( 2 - 1 1 ) s _ 1 觉察单位的n 乜正弦电压波动d ( ) 根据式( 2 一n ) 由表2 2 中的数据计算，便可得出表2 2 所列 的视感度系数k 的值。闪变觉察率f - 5 0 即s = 1 觉察单位的视 感度系数尉f ) 的频率特性曲线，如图2 1 所示。 3 短时闪变值只。 短时间闪变值只。是衡量短时间内闪变强弱的一个统计量值。 对于电弧炉等负荷的电压波动，根据1 0 分钟内对瞬时闪变视感度 测量值的统计，可以得到瞬时闪变视感度的概率统计，进而可以 求出瞬时闪变视感度的累计概率函数( c p f ) ，根据c p f 可以做 出闪变的统计评定，即短时间闪变值 只= o 0 3 1 4 日1 + o 0 5 2 s 号+ o 0 6 5 7 e + o 2 & 弓o + o 0 8 己o ( 2 1 2 ) 式中：岛，最，只，民，乓分别为1 0 分钟内瞬时闪变视感度超过 0 1 、l 、3 、1 0 和5 0 时间的察觉单位值。 对于采用2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯照明，当只 1 3 时，闪变使人感到不舒服。所以i e c 推荐 p f = 1 作为低压供电的闪变限值，称为单位闪变。 4 长时闪变值咒 对于电弧炉运行周期时间较长一类的波动性负荷，一般用短 时间闪变值只，和长时间闪变值0 两个指标作为判断闪变的标准。 通常只统计时间至少需几分钟，典型取l o m i n ；而咒统计时问需 在1 h 以上，典 北京交通大学硕士学位论文 引起节点电压方均根值在短时间内随时间改变的现象，包括电压 骤升、电压骤降以及电压中断等现象。 2 7 1 电压骤降 根据m e e l l 5 9 一1 9 9 5 标准，电压骤降( s a g ) 是指工频电压或电 流降低到o 1 p u 一0 9 p u 之间，持续时间在0 5 个周波到1 分钟之 间的暂态电压质量问题。电力系统线路故障、变压器投运、感应 电动机启动及其他启动电流较大的大型负荷的接入都会导致一定 范围的电压骤降，由于故障特征、系统结构和保护的投入等因素 还会导致电压骤降现象的传播。随着计算机，可调速驱动器等大 规模敏感性电力电子器件在控制自动化中的应用，只持续几十分 之一秒的电压骤降的产生都可能导致生产的中断，造成巨大损失， 被认为是影响用户设备正常运行的最严重的暂态电能质量问题。 不同的文献描述电压骤降现象特征采用的特征量不同，但大 部分采用骤降幅值和骤降持续时间来描述。本文利用h l a t l a b 仿真 图2 2 电压骤降波形 f j g 2 - 2w a v e f b r n l0 fv 0 l t a g es a g 电力系统工频运行时发生单相接地短路故障，其故障相电压发生 短时下降，得到的电压骤降波形如图2 2 所示。 2 7 2 电压骤升 电压骤升( s w e l l ) 是指供电电压有效值上升到1 1 p u 1 8 p u 之 北京交通大学硕士学位论文 间，持续时间在0 5 周波到1 分钟之间的电压质量问题。与骤降 一样，骤升也与系统的故障有关，但不如电压骤降那样常见。在 一次单相接地故障中，非故障相会出现临时性的电压水平升高， 这将可能导致一次电压骤舟。如图2 3 所示，显示的是单相接地 故障引起的非故障相的电压骤升情况。除此以外，大负荷的切除 或电容器组的充电也会导致电压骤升的产生。 图2 3 电压骤升波形 f i g 2 - 3 、v e f 0 1 1 n0 f v o l 妇铲s w e 2 7 3 电压中断 电压中断( i n t e m l p t ) 指的是供电电压降到0 1 p u 以下，持续时 间不超过1 分钟的电能质量问题。引起电压中断的主要原因是由 于雷击、树木倾倒、刮风等引起的电力系统瞬时性故障，也有可 能是设备失效或控制装置的误动作。 图2 4 电压中断波形 f 培2 - 4w a v e f o 珊o fv o i i a g ei l l t e 删p t 1 9 北京交通大学硕士学位论文 置原理，建立相应的谐波测量电路。 ( 2 ) 将神经网络理论和自适应对消噪声技术相结合，采用 a d u n e 矩阵作为输入，然后建立相应的测量电路，并利用算法 调节权值和阀值，这种方法的自适应能力较强。 ( 3 ) 基于有源滤波器提出基于神经元的自适应谐波电流检测 法，该方法将有功电流的检测网络利用三层神经网络来代替，用 电流的采样值作为输入，利用反向传播算法对权值和阀值进行调 节。 对于谐波分析来说，所得的高次谐波取决于输入模式向量权 向量的次数，向量越多，得到的谐波次数越多，但计算时间越长。 神经网络对基波电流的跟踪在一个周期内就能达到很好的效果， 因此这种方法在精度和实时性方面有较好的特性，但这种方法需 要一定的时间来训练样本。 3 1 3 基于瞬时无功功率的谐波测量法 由日本学者h a l 【a 西提出的瞬时无功功率理论为国内外许多 学者所使用。此理论是基于三相三线制电路的。设三相电路各相 电压和电流的瞬时值为e 。、e 。、e 。和i 。、i 。、i 。，为分析问题方 便，把它们变换到a 一口两相正交的坐标系上研究。由下面的变 换可得到a 、卢两相瞬时电压e 。、e 。、e 。和瞬时电流i 。、i 。、j 。： 阶：； 鼎叫：篇瓷 ( 3 一1 ) 趣哀交逶夫学疆士攀像论文 在口一口平面上可以解得三相电路的瞬时有功功率及无功功率： 酬乏滩】 2 ， 传统理论中的裔功功率、无功功率、有功电流、无功魄流都 是在平均值或相鬣的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均 为正弦波时的情况。而瞬时无功功率璁论中的概念都是在瞬时值 豹基础上定义的，宅不仅适合于正弦波，也适雳子菲正弦觏镊俺 过渡过程戆藉掇，霹戳看成是簧绞瑾谂豹撞广耪延 搴“8 。 1 i 。、i 。运算方式 该方法的原理如图3 2 所示。 圈3 2 i p 、i q 运算方式的原理图 l 出 l b h l 矗 f i g 3 - 2 髓e 曲c i p l e f i g u r e0 f i p 蝴di q o p e r a 0 n m o d e 黧中： c 。【兰：t 篙 。， 该方法中，需用到与a 相电网电压e 。同相位的正弦信号s i n 册t 帮对应的余弦信号一c o s 掰t ，它们由一个镁稳环( p h 0 和一个歪、 北京交通大学硕士学位论文 构建三相电路才能进行谐波测量。第一种方法的优点是当电网电 压对称且无畸变时，各电流分量( 基波正序无功分量、不对称分量 及高次谐波分星) 的测量电路比较简单，并且延时小。检测谐波电 流时，因被测量对象电流中谐波构成和采用滤波器的不同，会有 不同的延时，但延时最多不超过1 个电源周期。可见，这种方法 对于无功功率补偿具有很好的实时性，但是不能测量具体某次的 谐波含量；第二种方法虽然可以测量出单次的谐波含量，但是硬 件多，花费大，实现起来比较繁琐。 3 1 4 利用小波变换的谐波测量法 小波分析作为一种新兴的理论是数学发展史上的重要成果， 从数学角度来说，小波分析是数学显微镜；从应用上说，小波分 析是时频分析的一种工具，克服了傅立叶分析在频域完全局部化 而在时域完全无局部性的缺点，尤其适合于非平稳信号的分析与 处理。小波变换在频域和时域同时具有局部性，使我们能够计算 在某1 一特定时间的频率分布，能将各种交织在一起的不同频率组 成混合信号分解成不同频率的信号块，这样，通过小波变换，就 可求出基波电流。基于小波分析的谐波测量方法主要有以下几个 方面： ( 1 ) 由于频域混叠现象在小波函数中普遍存在，因此需要通过 构造分频特性良好、能量集中的小波函数，进行准确的信号分析 和特征提取，以改善检测的精度。 ( 2 ) 根据小波分析的基本理论，结合电力系统中产生的高次谐 波，构造新的小波滤波器，利用基于小波分解与重构算法构成的 谐波检测环节来实时跟踪谐波的变化。 ( 3 ) 通过设计新的以数字信号处理器为控制器的检测装置，并 北京交通大学硕士学位论文 且编制相应的软件提出基于小波变换的谐波检测方法。 ( 4 ) 通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，结合多分 辨率的概念，提出进行谐波检测的算法，实时跟踪谐波的变化。 这种方法最突出的优点就是可以实时地跟踪谐波的变化。但 是小波变换是一种调和，它用不如傅氏变换的频率分辨率，换来 了傅氏变换所不具备的时间分辨率，也就是具有实时性，因此小 波变换更加适合暂态信号的测量和信号奇异点的检测。 3 1 5 基于傅立叶变换的谐波测量法 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一 种方法。它的算法大多基于快速傅立叶变换( f f t ) 。使用此方法测 量谐波，精度高，功能较多，使用方便。快速傅立叶变换法在谐 波测量的应用中具有不可替代的作用，与其他测量方法相比，目 前适用最广泛，理论和技术最成熟，因此本系统采用快速傅立叶 变换方法。 但是快速傅立叶变换方法也有它的缺点，主要是：1 ) 计算量 较大，计算时间比较长，从而使得检测时间较长，检测结果实时 性较差，但随着处理器集成度加大，处理速度加快，这种问题都 变得次要。2 ) 在采样过程中，当信号频率和采样频率不是整数倍 的关系时，即当式( 3 4 ) 不成立时，使用该方法会产生频谱泄露效 应和栅栏效应，使计算出的信号参数( 频率、幅值、相位) 不准 确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量要求，因此必须对算 法进行改进。 旦：堕；n ( 3 4 ) l ： t 其中，t 为信号周期，i 为采样周期，c 为采样频率，f 为信号频 北京交通大学硕士学位论文 如不能作特殊的处理，将无法检测。栅拦效应对系统有比较大的 影响，因为我们想知道谐波分量的存在，而因为栅栏效应的影响， 我们必须精确的知道基频的大小，这样才能准确的计算出各次谐 波的幅值。而实际上我们通过测量的办法得到的信号的频率与信 号真实频率之间总是存在误差的，加上电力信号本身的频率就存 在着漂移，这样如果通过对频率的测量确定采样周期，其取样长 度也不再正好是信号周期的整数倍，这将会对我们的分析带来误 差。 3 1 6 本系统对快速傅立叶变换的改进 对于频谱混叠现象，要求我们对信号进行傅立叶变换前，需 要对处理信号做前置滤波，将高于分析频率的信号分量滤除掉， 滤波器的选择应根据信号的特点和对信号处理的要求而定。本系 统所测量最高谐波为2 5 次谐波，即频率为1 2 5 0 h z ，采样频率为 6 4 k h z ，硬件中采用截止频率为3 2 k h z 的低通滤波器，使得此 现象造成的影响基本可以忽略。 对于频谱泄漏和栅栏效应，减少方法“”主要有如下3 种： 1 ) 利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法。但由于 计算量过大，不适于进行在线测量。 2 ) 修正理想采样频率法。该方法的计算量不大，并不需要增加硬 件电路，实时性好，适合在线测量，但是该方法只能减少5 0 的泄漏。 3 ) 采用锁相环( p u j 使信号频率和采样频率同步。 图3 4 为频率同步锁相电路图。图中相位比较器把取自系统 电压信号的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比 较。当失步时，相位比较器输出与两者相位和频率差有关的电压， 北京交通大学硕士学位论文 经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直至输入频率和反馈频 率一致。一旦锁定，便将随输入信号频率变化，保持两者的频率 同步，输出同步信号去控制对信号的采样。 图3 4 锁相环同步电路 f i g 3 - 4p l ls y 眦h i 硼i 盈t i o nd r c l l i i 采用锁相环这种方法有较好的实时性，不用在软件中增加计 算量，因此本系统在硬件设计中采用了锁相环同步电路，基本上 解决了频谱泄漏和栅栏效应的问题。 此外基于软件编程的考虑，为了提高计算速度，减少计算量， 本论文采用多项计算复序列f f t 算法，一次计算可同时得出电压 和电流频谱结果。 3 2 电压偏差的测量 为检测电压偏差，需要进行电压有效值的计算。考虑到输入 信号中含有谐波分量，输入电压的瞬时值可用下式表示： u = 2 u ks i n ( k 姗吼) ( 3 5 ) k = l 式中，u 。表示第k 次谐波电压的有效值； 吼为第k 次谐波电压的初相角； n 为所含谐波的最高次数。 北京交通大学硬士学位论文 电压有效值( 即均方根值) 的定义为： u 。；协“u 2 a t 本论文利用f f t 计算出基波有效值，而后利用电压偏差计算 公式，就不难得到被测的电压偏差值。 3 3 三相电压( 电流) 不平衡度的测量 不平衡度的定义是负序分量与正序分量均方根植的比值，如 下式： s ：拿1 0 0 ( 3 7 ) a 1 式中，a ：为三相电压( 电流) 正序分量的有效值； a 为三相电压( 电流) 负序分量的有效值。 三相不平衡度的测量建立在各序分量的计算上。电力系统三 相不对称时，三相电路的电压和电流的基频分量都呈现为不对称 的向量。根据对称分量法可以将三组不对称的分量唯一的分解为 三组对称的分量，即正序分量、负序分量和零序分量。应用对称 分量法，分别求出正序分量和负序分量，再由式( 3 9 ) 求出不平衡 度。 到 鑫 a o f 11 1 1 = a a 21 l l “，j a 1 ， a 2 a o 1 a 2a1 = 三1 1 aa zl 3 1 1 1 1l lj 3 1 a b c ( 3 8 ) ( 3 9 ) 北京交通大学硬士学位论文 正序：色。- a a l ，亡l a 2 负序：矗：= a 2 a ：，e ：一厶： 零序：氐一a 。，e 。一a 。 式中，a ：e j l w ：一三+ i 鱼，a z ：e j 一：一三一i 鱼 _。 。 本论文根据装置要求，利用h 叩的向量计算结果，应用式( 3 9 ) 计算三相不平衡度。每次测量取3 s 方均根值，按下式计算： 扣仁豁 式中，为在3 s 内第k 次测得的不平衡度； m 为在3 s 内均匀间隔取值次数，本文中m = 6 。 3 4 各种功率及功率因数的测量 电能质量标准中虽然不包含各种功率及功率因数的检测指 标，但有功功率、视在功率以及功率因数作为电力系统的重要参 数，在各种电能质量监测装置中总是要相应求出并加以显示。为 了简化计算，一般可把电源电压等效看成是正弦波，故直接利用 电压和电流的基波有效值求取功率。 三相总的视在功率为： s = u a i a + u b i b + u c i c ( 3 一1 1 ) 三相总的有功功率为 p = u a i a c o s 早+ u b i b c o s 垆b + u c i c c o s 早，c ( 3 1 2 ) 功率因数为： 蔻京交通走学疆士学靛论文 p 0 0 8 妒2 蚕 ( 3 一1 3 ) 式中ru 。、u b 、u c 分别为a 、b 、c 三褶的基波电压有效俊； l 。、1 8 、l c 分嗣惫矗、瑟、c 三鞠鹃基波毫流煮效魏； 、分别为a 、b 、c 三三栩的基波电压电流之间的 相角差。 本系统中以上备值都是利用f 辨的计算结果。 3 5 本章小结 本章首先总结了测量谐波的各种方法的原理及优缺点，由于 模拟带通或带阻滤波器测量谐波法主鼹怒用硬件来实现的，元件 参数受终赛巧境影响较大，难夔获缮壤怒戆蕹频窝握频糁拣；基 于神经网络理论的谐波测量尚处于理论研究阶段，原理较为复杂， 且需要一定的时间涞训练样本；基于瞬时无功功率理论的谐波测 量适合应用在无功功率补偿当中，不能测照具体某次的谐波含最， 傣频旋转交换鲍谐波捡溅虽然可以测撩滋单次的谐波含量，餐是 嫒 孛多，花费大，实现起来浇较繁璞；麓子枣波变换理谂懿谐波 测量不如f f t 频率分辨率高，且计算濑大，此外，小波的多分辨 分析存在一定的频谱混叠和频率泄漏现象，原因和小波函数的选 择有关，主要体现夜窗口能量的不集中：而快速傅立叶变换法尽 蘸逶瘸最广泛，壤谂器技术最残熬，爨鼗本系统采用抉逮簿立时 变换方法，为了提齑测量精度，硬件设计中采用了抗混叠低通滤 波器和锁相环。 对于电压偏熬、三相不平衡度以发备功率的测量等都魑利用 掇叩懿诗算结果诗黪，嚣减少了计算鬃，又提毫了诗算遥发。 北京变焉大学硕士学位论文 第四章电压波动和闪变测量的研究 4 1 电压波动信号的提取 要测量电压波动和闪变，首先的任务就是要准确的提取出波 动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压的 幅值受频率范围在0 0 5 h k3 5 i 乜的电压波动分量调制的调幅波。 因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调 制信号解调方法，用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调信 号，将电压波动分量与工频载波电压分离。通过带通滤波器得到 波动分量。 考虑电压波动“”分量，就是在基波电压上叠加有一系列的调 幅波，因此，工频电压u ( t ) 可由下式表示： u ( ) ；a 1 + 善“；c 0 岛+ 吼) c o s 扣。+ 钆) ( 4 1 ) 其中，a 一电网电压的幅值； 电网基波电压的角频率； 一基波电压的初相角： m 。一调幅波i 的幅度； q 一调幅波1 的角频率； 吼一调幅波i 的初相角： i 一调幅波的序号。 由于m 。相对于a 来说是比较小的，而且q 与珊0 比较接近， 由于m ；相对于a 来说是比较小的，而且q 与比较接近， 北京交通大学硕士学位论文 电网电压u ( t ) 经过平方器或整流器后，再通过