（电力系统及其自动化专业论文）电能质量在线监测系统的研发与典型负荷分析.pdf

浙江大学硕士学位论文 在以上理论分析的基础上，将之应用于实践，用v c + + 语言编写了电能质量在 线监测系统的主站分析软件。该软件具有友好方便的人机界面，可以以报表和图 形两种方式显示各种计算结果，也可以根据实际需要设置电能质量标准、系统环 境参数。 该系统已投入实际应用，能对谐波、频率偏差、三相不平衡、电压闪变、电 压瞬时变动( 如骤降、骤升等) 等电能质量问题进行监测。它的长期运行证明了 其实效性，可靠性，文章最后选择了实际监测中的一种典型负荷进行分析。 关键词：电能质量监测，空间谱分析，支持回归向量机，典型相关分析，t e a g e r 能量算子，v c + + 2 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi sak e yp a r tf o rt h ea n a l y s i sa n dc o n t r o lo fp o w e r q u a l i t y ，a n di ti s a l s oan e c e s s a r yc o n d i t i o nt o 目k $ u l eg o o dp o w e rq u a l i t ys u p p l y a w e l l - f u n c t i o n i n gp o w e rq u a i t ym o n i t o r i n gs y s t e mc a nr e c o r da l lt h ei n d e x e so f p o w e rq u a l i t yd u r i n gt h er u n n i n go ft h es y s t e mi nd e t a i la n ds u p e r v i s et h ep o l l u t i n g o b j e c t s ，f u r t h e r m o r ec a np r o p o s es o l u t i o n st oi m p r o v ep o w e rq u a l i t ya n dp r o v i d e u s e f u ld a t af o rp o w e rn e t w o r ki m p r o v e m e n ta n df a u l ta n a l y s i s an o v e lo n 1 i n ep o w e tq u a l i t ym o n i t o r i n gs 3 7 s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e da n d e x p l o i t e d ；删ss y s t e mi sc o m p o s e do fp s i i ，e t h e m e t ，f t p , a n a l y z i n gs o f t w a r e p r o g r a m m e di nv c + 十；f i r s t l y , p s i is a m p l i n g sv o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l s ，a n dt h e n s a v et h e mt ot h ec o m p a c tf l a s hi np s i i ；s e c o n d l y f t pc o l l e c t st h ed a t at o $ e l - v e l - f r o mt h ep s i iv i ae t h e r n e t ；f i n a l l y , a n a l y z i n gs o f t w a r ei ns e 】l v e ra n a l y z g st h ed a t aa n d d i s p l a yt h er e s u l t si nr e p o r tf o r r n so rg r a p h t h em a i nt a s ko f t h i sp a p e ri sh o wt or e a l i z et h ef u n c t i o no f t h ea n a l y s i ss o f t w a r e o ft h ep 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 f t e rs t u d y i n gt h ea n a l y s i sa l g o r i t h mo f p o w e rq u a l i t y , t h ek a l m a nf i l t e r i n ga l g o r i t h mh a sb e e na d o p t e dt od e t e c tv o l t a g ee v e n t s o m en e wa l g o r i t h m sh a sb e e np u tf o r w a r d ，a n dt h e ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) an e wa l g o r i t h mf o rm e a s u r i n gh a l t n o n i ca n di n t e r - h a r m o n i cb a s e do n s p a t i a ls p e c t r u ma n a l y s i sa n ds u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o nm a c h i n eh a sb e e np r e s e n t e d f i r s t l y , t h et e c h n i q u eo fe s t i m a t i n gt h en u m b e ro fs i g n a ls o u r c e so fs p a t i a ls p e c t r u m a n a l y s i si sa p p l i e dt oe s t i m a t et h en u m b e ro fs i n u s o i d a lt o m d 0 n e n t so fs i g n a l ； s e c o n d l yt h es u p e r - r e s o l u t i o nd o aa l g o r i t h m ( p a r a m e t r i cm e t h o d ) i su s e dt oc a l c u l a t e t h ef r e q u e n c yo fe a c hc o m p o n e n t ；f i n a l l y , t h er e s ta m p l i t u d e sa n dp h a s ea n g l e sa r e e s t i m a t e db yar o b u s ts u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o nm a c h i n e a f t e rf r e q u e n c yi n f o r m a t i o n b e i n go b t a i n e d f r e q u e n c yr a n g ew h i c hn o n p a r a m e t r i cm e t h o da n a l y z e si ni sc h a n g e d t ok n o w nf r e q u e n c yd o t sa n dt h er e q u e s tt ot h el e n g t ho fs i g n a li sr e d u c e dw h e n a n a l y z i n gs i g n a la tah i g hr e s o l u t i o n 伽u g hd i g i t a ls i m u l a t j o na n da c t u a li n s p e c t i o n t l l i sm e t h o di sp r o v e de f f e c t i v e ( 2 ) an o v e la l g o r i t h mf o rv o l t a g ef l i c k e rc a l c u l a t i o nh a sb e e np r e s e n t e d f i r s t l y , t h ec a n o n i c a lc o r r e l a t i o na n a l y s i si sa p p l i e dt od e t e c tt h en u m b e ro fs i n n s o i d a lo ft h e v o l t a g e ；s e c o n d l y az - t l a n s f o i t ns i g n a lm o d e lt h a tw h e nc o m b i n e dw i t hn o n l i n e a r p o s t - f i l t e r i n gs c b e mi s t oe s t i m a t et h e o p e r a t i n gf r e q u e n c yi np o w e rs y s t e mi s d e v e l o p e d t h e n , t h et e 0 ( t e a g e re n e r g yo p e r a t o r ) i sa p p l i e dt ot r a c kt h ea m p l i t u d e v a r i a t i o n so ft h ev o l t a g ef l i k e ra n dt h ee n v e l o p eo ft h ef u n d m e n t a lv o l t a g ef l i c k e ri s o b t a i n e d ：t h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o i t si su s e dt oo b t a i nt h ev o l t a g ef l i c k e rc o m p o n e n t s f r o me n v e l o p eo ft h ef u n d m e n t a lv o l t a g ef l i c k e r f i n a l l y p s tc a nb ec a l c u l a t e db ya d e d u c e dn u m e r i c a lv a l r em e t h o da c c o r d i n gt ot h ev o l t a g ef l u c t u a t i o nv a l u eo ft h e v o l t a g ef l i c k e rc o m p o n e n t s a n dt h e np i tc a na l s ob ec a l c u l a t e d t h em e t h o dw i l ln o t b ea f f e c t e db ys y s t e mf r e q u e n c yd e v i a t i o na n dt h es i m u l a t i o np r o v e si t sv a l i d i t y a f t e rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s i th a sb e e np u ti n t op r a c t i c e a n a l y s i ss o f t w a r eh a s b e e np m g r a m m e di nv c + + t h i sa n a l y s i ss o f t w a r eh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e a n dc a n 浙江大学硕士学位论文 d i s p l a yt h er e s u l t si ng r a p ha n dr e p o r tf o r m s i no r d e rt og r a t i f yp r a c t i c a ln e e d , t h e p o w e rq u a l i t ys t a n d a r da n dp a r a m e t e ro fs y s t e mc a nb es e tf r e e l y t h i ss y s t e mh a sb e e np u ti n t op r a c t i c e ，a n di tc a nm o n i t o rt h ep o w e rq u a l i t y p r o b l e ms u c h 硒h a r m o n i c 、f r e q u e n c y 、v o l t a g ei m b a l a n c e 、v o l t a g ef l i c k e r 、a n dv o l t a g e i n s t a n t a n e o u sc h a n g e i t sl o n gr u n n i n gp r o v e si t sv a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y i nt h ee n d , a t y p i c a ll o a dh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e mq u a l i t y , s p a t i a ls p e c t r u m , s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n m a c h i n e ，c a n o n i c a lc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，t e a g e re n e r g yo p e r a t o r , v c + + 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 随着现代科学技术的迅猛发展，一方面电力电子设备的应用领域越来越广， 特别是各类冲击负荷、非线性负荷容量的不断发展，使得电网中电压波形畸变， 电压波动、闪变和三相不平衡等问题时有发生，严重地影响了电能质量：另一方 面人们越来越多地使用精密和复杂的电子设备，如计算机、通信设备以及各种各 样的过程控制系统来处理、管理工作过程和事务，即使只有几个m s 的供电中断 或电压跌落，都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。因此电压骤 降或者间断等动态电能质量问题成为了现今最主要的电能质量问题之一【旧。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l 临的又一重要课题。 在国内研究比较多的是稳态电能质量问题，目前突变的暂态的非平稳电能质 量扰动的分类识别、短时间谐波的检测、电压闪变的分析都是待解决的难尉“。 欧洲由于电压暂降引起的用户投诉占整个电压质量问题的8 0 以上。有资料表 明，在欧美等国家，1 次电压暂降造成的经济损失可达数百万美元。随着我国高 科技产业的发展，动态电能质量也日益被人们关注【3 一。 电能质量问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要表现 在以下几个方面【6 ，7 一： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的 效率，大量3 次谐波流过中线会使线路过热甚至引起火灾。 ( 2 ) 影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严 重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 ( 3 ) 引起电网谐振，这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统特 别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。 ( 4 ) 导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。 浙江大学硕士学位论文 ( 5 ) 使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或者电力用户带来 经济损失。 ( 6 ) 对l 缶近的通讯系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢 失，使通信系统无法正常工作。 ( 7 ) 短时停电、电压骤降或者电压骤升会影响许多特殊行业的生产过程，降低生 产功效和产品质量，直接造成经济损失。 ( 8 ) 不平衡电压使旋转电机的转子受到反方向的负序旋转磁场的作用，该磁场切 割转子产生双倍频率附加电流从而使电机本体发热烧损，双倍频率附加交变电磁 力矩同时作用在转子和定子上产生双倍频率附加振动。 ( 9 ) 波动和闪变使照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，影响工效；电动机转速 不均匀，影响电机寿命和产品质量；影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果。 1 2 研究的意义与现状 电能质量监测在改善电能质量的过程中起着关键的作用，因为为了改善电能 质量问题就必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚。如为了减轻或者消除谐 波对系统造成的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小，并以此作为控制变量 来削弱谐波造成的不利影响。然而，随着电力用户对电能质量要求的逐步提高， 以及供电系统中干扰现象日益增加，电能质量日常监测在电能质量监督管理中的 作用越来越重要。如果说检测能从微观上、某一个时间点上说明电能质量存在的 问题，那么日常监测无疑从宏观上、一个时间段内说明了电能质量的整体状况。 第一，电能质量日常监测是获取电力系统运行状况和电能质量水平的重要手 段。为了全面准确地反映地区电力系统的运行状况和电能质量水平，选择有代表 性的监测点并对其进行日常监测是最好的方法之一。通过这种手段，不但能够获 取系统内一些重要节点和重要出线的电能质量参数，而且可以由这些重要节点和 出线的电能质量数据得出整个系统的基本电能质量水平。同时，由于电能质量监 测是一个持续的时间量，它不但可以反映当前时间的系统电能质量状况，而且可 以得到系统历史时间内的电能质量状况。因此，对电能质量进行日常监测，现在 已经成为国外许多电力公司的共同做法。如美国电力研究院( e p r i ) 为了了解全国 配电系统的电能质量状况，在1 9 9 2 年开始设计了专门监控仪器( b m l 8 0 1 0 p q n o d e ) ， 建立了监测系统用于对全国2 4 个电力公司的配电系统电能质量进行监测，研究计 6 浙江大学硕士学位论文 划的主要目标是提供有关属地总体范畴内电能质量参数的基本统计数据。 第二，日常监测可为辅助决策提供必要的参考依据。电能质量日常监测数据里 含有丰富的信息，通过对这些数据的分析统计便可以得到供决策用的参考依据。 一个正确的决策来自于对实际情况的真实调查，由于电能质量监测数据是对实际 系统长时间监测的结果，所以它比理论推测更具有说服力。依据它所做出的决策 也更贴近实际情况、更具可行性。例如，某变电站出线向一小型炼钢厂供电，在 变电站母线上引起了较严重的谐波污染，通过对该条出线进行连续监测并分析得 到的监测结果，提出了具有针对性的治理方案。 第三，电能质量日常监测能及时全程跟踪线路或设备的运行状况，将问题的事 后解决变为事先预防。电力系统是一个实时运行的系统，保证其可靠稳定运行是 各级电力部门应尽的责任。然而，由于电力系统是一个复杂庞大的系统，虽然各 级电力部门都在努力提高运行管理的水平，但仍存在着一些安全隐患。电能质量 监测的重要意义就在于通过连续收集、记录、存储电能质量的信息，在供配电系 统和用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，以便在事故发生之前， 提醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。 第四，电力系统不可避免地会发生各种各样的事故，在对其进行事故分析时， 往往由于缺少发生事故时的原始数据而找不到引发事故的真正原因，从而也难以 找到有效的预防方法。电力系统的运行有时存在着隐患，如果在发生事故后不能 尽快分析出事故的原因所在，那么不但现有事故的损失无法弥补，而且系统还有 爆发相同事故的可能性。加强电能质量的监测，则可通过对所监测历史信息的分 析找出事故的症结所在，从而避免类似的事故再次发生。 国际上，许多发达国家和地区己对电能质量这一课题作了大量的研究，并取得 了实际的经验。如美国、加拿大等均进行了全国范围的电能质量的监测和调查研 究，对配电网络的运行状况和电能质量的提高和改善具有重要的意义。在我国， 虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题的影 响已比较突出，而且由于各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等 指标上，我国的情况尤其落后。这一问题己经引起了各级电力部门的高度重视， 国家质量技术监督局已经相继颁布了涉及电能质量六个方面的标准： 电能质量公用电网谐波g b , r r l 4 5 4 9 9 3 7 浙江大学硕士学位论文 电能质量三相电压允许不平衡度g b 厂r 1 5 5 4 3 9 5 电能质量供电电压允许偏差g b 厂r 1 2 3 2 5 9 0 电能质量电力系统频率允许偏差g b 厂r 1 5 9 4 5 9 5 电能质量电压波动和闪变g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 暂时过电压和瞬态过电压g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题的监测方式和要求也 不相同。迄今为止，国内外对电能质量的监测方式主要可概括为非在线监测和在 线监测两种方式i 。 a 非在线监测 根据干扰的大小，危害程度以及需要等，对于普通干扰源的监测，通常选用非在 线监测方式，主要的监测仪器包括专用万用表，便携式谐波仪器，便携式录波仪 器及具有一定综合功能的电能质量监测分析仪等，这些装置可以提供电力系统维 修、供电故障排除及设备故障诊断需要的测量值，但仍无法满足供用电双方对电 能质量更高的监测要求，表现在以下四个方面： ( 1 ) 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。一般只是在需要时才对电能质量相关指标的参数进行检测，而对于电能质量 波动较大的情况，如系统中存在大功率的电弧炉和整流设备时往往不能得到全面 的电能质量信息； ( 2 ) 传统的电能质量监测不能综合考虑六项电能质量的监测。由于重视程度的 不够和实现起来的难度，传统的电能质量测量、监测装置往往只能监测其中一项 或几项，并不能实现六项电能质量的同时监测。 ( 3 ) 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，监测结果具有局限性。 ( 4 ) 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，存在不适合现场长期运行和抗干扰能力有限等问题【1 6 】。 b 在线监测 对整个供电网络的电能质量状况和大型用电客户的电能质量状况进行全面 了解和跟踪采取的有效办法是实行长时间在线监测。按电能质量标准的规定和要 求，需要进行连续监测的内容有电压偏差和频率偏差，以及大型干扰源、危害较 大或容易引发事故的相关电能质量指标，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电 8 浙江大学硕士学位论文 容器组的谐波电流、易受干扰的大型设备或线路的谐波电流、以及重要用户的电 能质量指标。 对于连续监测来说，首先触及的是数据存储管理方式问题。对于2 4 d 时在 线的电能质量监测设备，其内部存储装置不可能做到无限的大，因此，存储管理 方式的选择就显得尤其重要。通常用户可以对监测设备设定两种存储模式，一种 是线性( 1 i n e r ) 的记录，一种是可以循环式( c i r c u l a r ) 的记录。线性记录是指当用户 分配给该数据段的内部存储空间使用完毕的时候，系统将不再进行记录；循环记 录方式是指当内部空间记录完毕时，系统将从记录的头部重新进行写入。合理分 配相应的内部存储空间，并选择这两种记录方式，能满足各种测试需求。对于每 个记录，设置预触发时长，记录时长，以及截止时长。在某项指标达到触发阂值 时，设备首先将该时刻以前的预触发时长时间段内的数据写入数据库，然后记录 将连续记录规定的时长。这样就保证了每个记录的有效性，同时，为故障分析提 供十分有益的数据。 在线监测实现以后，由于电网中监测点较多，信息的交流与共享便提上日程。 现代网络技术( 包括局域网和广域网) 、光纤通讯技术以及标准化协议等为数据 的采集、传动、分析与共享提供了基本条件后，信息系统是否接入局域网或因特 网已成为评定该系统工作性能的一项重要指标，国内外也开始了组建具有统一开 放监控和管理平台的电能质量在线监测网络的想法，例如文献 1 m 1 4 1 所述的电能质 量监测系统，还有由美国1 、，a 和e p i u 联合发起的建立于网络的电能质量监测系 统，它为各种分布装置介入系统的提供接口，为广阔的电能质量信息提供足够的 运转空间和容量【1 5 】。 浙江的电力供应在近几年一直处于紧张状态，供电部门也把精力集中在保证 供电可靠性上但随着电力建设不断进行，供电紧张即将得到缓解，电能质量问 题势必引起更多的重视，对电能质量的监测则首先摆在我们的面前。 基于这种现状，我们立项研究这样一个电能质量在线监测系统，其是一套统 一开放的监控和管理平台，能够及时分析和反映电网的电能质量水平，方便找出 电网中影响电能质量的原因，为采取相应的整改措施提供依据。此系统对供电质 量、降低电能损耗、保证电网的安全、可靠、经济运行是很有意义的。同时也为 电网的进一步建设完善和事故分析提供准确的历史数据和基础数据。 9 浙江大学硕士学位论文 1 3 主要的研究工作 1 电能质量在线监测系统设计与开发 ( 1 ) 选择典型负荷确定终端计测装置的安装点，终端装置的安装、参数设 置、维护。 ( 2 ) 开发f t p 数据采集软件。 ( 3 ) 研究分析检测电能质量相关指标的算法，最终确定算法并开发主站分 析软件。 2 分析典型负荷的电能质量情况，得出其特点，并指出相应的改善措施。 本文的具体工作如下： 首先，分析了电能质量问题的产生原因，造成的危害以及我国电能质量监测 的现状以及对电能质量进行监测的意义，详细比较了国内外的有关电能质量的标 准，确定了本文所参照的标准。其次研究分析了电能质量检测算法，采用k a l m a n 滤波方法检测电压扰动，提出了基于信号源数估计、波达估计和支持回归向量机 的谐波和间谐波分析方法和一种新的电压闪变计算方法，并通过仿真证明了它们 的正确性。再介绍了研发的一个由终端计测装置p s i i 、以太网、f t p 数据采集软 件、主站分析软件构成的新型电能质量在线监测系统。介绍了其终端计测装置 p s l i 的优特点、性能参数及其详细的参数设置过程、开发的多线程的f t p 数据 采集软件和主站分析软件的功能及结构，并总结了该电能质量在线监测系统的 优、特点。然后文章选择以电流中存在稳态的间谐波为主要特征的电力负荷作为 典型负荷，对负荷各支路进行监测分析，找出间谐波源，同时分析了该负荷的谐 波情况和总线上电压闪变严重程度。最后，对本文工作作出总结，并指出了今 后的发展方向。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章电能质量的定义和标准 2 1 电能质量的基本概念与分类 2 1 1 电能质量的基本概念 什么是电能质量，从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是迄今为止， 人们对电能质量的技术含义却存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的 定义。从工程实用角度出发，将电能质量概念进一步具体分解并给出解释。其内 容如下： ( 1 ) 电压质量：给出实际电压与理想电压间的偏差，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、瞬变现象、波动与闪变、凹陷( 凸起) 与间断、电压谐波、电压陷波、欠 电压、过电压等。 ( 2 ) 电流质量：为反映与电压质量有紧密关系的电流变化情况，除了对用 户电流提出单一频率正弦波形要求外，还力图要求该电流波形与供电电压同相 位，以提高输配电效率。电流质量通常包括：电流谐波、间谐波、次谐波、相位 超前与滞后、噪声等。 ( 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，它包括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。 ( 4 ) 用电质量：包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴 纳电费等。 实际上，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，用户的衡量标 准应占有优先的位置，因此电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常 工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与 闪变、三相不平衡、短时或暂态过电压、波形畸变、电压凹陷与短时间间断以及 供电连续性等。值得一提的是信息技术的发展和用电负荷性质的变化，使得短时 供电中断和电压跌落成为困扰敏感的信息电力用户供电的主要问题，电能质量的 浙江大学硕士学位论文 内涵得以进一步扩展，除了供电系统的稳态性能外，也对其暂态性能提出了新的 理解。 由此可见，随着电能质量概念不断深化和量化，对其研究尚待深入认识和探 索，同时也对采用技术先进的产品来全面可靠的监测和分析电网电能质量提出了 进一步需求。 2 1 2 电能质量的分类 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够根据各种扰动特征提出相应的测 量方法，进而对其测量结果进行分选，从而找出引起电能质量问题的原因和采取 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很重要表2 1 给出 了i e e e 关于电能质量领域电磁现象的具体分类。 表2 1i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 类别典犁频谱典型持续时问典魁电压幅值 1 瞬变现象 1 1 冲击脉冲 1 1 1 纳秒级5 n s 上升 1 m s 1 2 振荡 1 2 1 低频 s k i - i z o 3 - 5 0 m s 0 - 4 p u 1 2 2 中频 5 5 0 0 k h z2 0 u s 0 - 8 p l l 1 2 3 高频 0 5 5 m h z5 u s 0 - 4 p u 2 短时间电压波动 2 1 瞬时 2 1 1 暂降0 5 3 0 周波 0 1 - 0 9 p i l 2 1 2 暂升 0 5 3 0 周波 1 1 - 1 8 p u 2 2 暂时 2 2 1 中断0 5 周波3 0 s l m i n o 8 - 0 9 p u 1 2 浙江大学硕士学位论文 3 3 过电压 l r a i n 1 1 - 1 2 p u 4 电压不平衡稳态 o 5 2 5 波形畸变 5 1 直流偏置 稳态 0 - 0 1 5 2 谐波 0 一1 0 0 t h 稳态 0 2 0 5 3 间谐波0 6 i 【h z稳态0 2 5 4 陷波 稳态 5 5 噪声 宽带稳态 0 1 6 电压波动 4 次低压o 5 中压o 5 ： ( b ) 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 是出现在谐波之间的基波非整数倍数( 也可为分数倍 数，即小于基波) 的谐波，低压和中压限值相同，均规定为：间谐波电压水平应低 于邻近谐波水平，i e c 规定为o 5 一l 。 2 2 2 我国的电能质量标准 从2 0 世纪8 0 年代初至u 2 0 0 1 年，国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电 能质量国家标准，这六项电能质量标准的摘要如下表所示： 1 6 浙江大学硕士学位论文 标准编号 标准名称允许限值 说明 1 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不超过 供电电压允许 1 ( p l 衡量点为供电产权分界 g b l 2 3 2 5 9 0 偏差 2 1 0 k v 及以下三相供电为7 处或电能计量点 3 2 2 0 v 单相供电+ 7 ，1 0 电压波动d 的极限值和变动频度r 有关：当 r ! _ 1 0 0 0 h - 。，对于低压和( l v ) 和中压 ( m v k d = 1 2 5 4 ；对于高压( h v l d ：1 0 3 对于随机不规则的变动d = 2 啊l v ，m v ) 和 d = 1 5 啊h v ) 闪变限值 i 衡量点为公共连接点 电压等级l vm vh v p c c 2 j ，s i 每次测量周期为 p s l1 0 0 9 ( i 0 ) 0 8 i o m i n ，取实测值9 5 概率 g b电压波动和闪 值；p i t 每次测量周期2 h , 1 2 3 2 6 _ 2 0 变 p h0 8 0 7 ( 0 8 1 0 6 不得超标 3 限值分三级处理原则 注1 括号中的值仅适用于所有用户为同电压 4 提供顾测计算方法规 定测量仪器并给出典型 等级场合 分析实例 2 p s t 为短时间闪变值，p i t 为长时问闪变 值 各级电网谐波电压限值( )1 衡量点为p c c 取实测 屯压( h ) t h d奇次偶次9 5 d 慨率值： 0 3 854 02 02 对用户允许产生的谐 g b ，r公用电网谐 6 1 043 21 6 波电流，提供计算3 对测 1 4 5 4 9 一1 9 9 3波3 5 6 63 2 41 2 量方法和测量仪器作出 1 1 021 60 8 规定 注1 2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 执行 4 对同次谐波随机性合 2 袁中t h d 为总谐波畸变率 成提供算法 i 各级l n 压要求一样； 2 衡量点为p c c 取实测 9 5 概率值或日累计超 g h ，r三相电压允许 1 正常允许2 短时不超过4 标不超过7 2 m i n ，且每 3 0 r a i n 中超标不超过 1 5 5 4 3 - 1 9 9 5不平衡 2 每个用户一般不超过1 3 5 r a i n ； 3 对铡量方法和测量仪 器作出基奉规定： 4 提供不平衡度算法 1 7 浙江大学硕士学位论文 1 正常允t o ，2 h z ，根据系统容量可以放宽到 g b ，r 电力系统频率 士o 5 h z 对测量仪器提出了基本 1 5 9 4 s - 1 9 9 5 允许偏差2 用户冲击引起得频率变动一般不得超过要求 士o 5 h z 标准编号标准名称允许限值说明 1 系统工频过电压限值1 暂时过电压包括工频 电压等级( k v )过i u 肤限值( pt 1 ) 过电压和谐振过电压。瞬 u m 2 5 2 ( i ) 1 3 态过电压包括操作过电 u m 2 5 2 ( 1 1 ) i 4 压和雷击过屯压 1 1 0 及2 2 01 3 2 工频过电压 3 5 6 6 3 j o p u = u m 压谐振过 3 1 0i 1 3 电压和操作过电压 注：i u m 指工频峰值电压 1 0 p n = 压u m 压 g b r r 暂时过电压和 2 u m 2 5 2 k v ( 1 ) 和u m 2 5 2 ( i i ) 分别指线路 3 除统计过电压( 不小于 断路器两侧变电站的线路 该值的概率为0 0 2 ) 外，凡 l 射8 1 删l 瞬态过电压 2 操作过电压限值 来说明的操作过电压限 空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相重 值均为最大操作电压( 不 合闸、非对称故障分闸及振荡解列过屯压限值 小于该值的概率为 电压等级( k v )过电压限值( p n ) 0 0 0 1 4 ) 5 0 02 0 4 瞬态过电压还对空载 3 3 02 2 线路分闸过电压、断路器 l l o 2 5 23 0 开端并联补偿庄子及变 压器等过电压限值作出 表示该过电压相对地系统计操作过电压 了规定 有关电能质量国家标准的详细介绍与说明年可参看电压、电流、频率和电 能质量国家标准选用手册，这里不再详述。需要指出的是，从现有的国家标准 不难看出，我国的恶电能质量标准体系还不完善，如有些指标是工业生产中急需 提出的，但目前还没有作出必要的规定，缺少相应的检测方法和测量精度等的规 定，有些指标的科学性和可操作性差等，而且还缺少完整的技术指导和行业规程 及导则。因此，建立全面的电能质量标准体系仍有大量的工作需要开展。本文所 要监测的指标主要是谐波、三相不平衡、电压闪变、电压暂降和暂升、频率偏差 等。 2 3 本章小结 本章阐述了电能质量的概念和分类，同时比较了国际和国内的相关电能 质量标准，指出本课题主要监测的指标为谐波、三相不平衡、电压闪变、电压暂 降和暂升、频率偏差等。 浙江大学硕士学位论文 第三章电能质量分析算法研究 近年来，电力电子设备在电力系统中广泛应用，使得电能质量问题日益突出。 为了电网安全、稳定和经济运行，必须要对电网的电能质量进行监测和分析。电 能质量的基本分类有七大类，包括瞬变现象，短时间电压变动( 包括电压中断， 电压暂降暂升，) ，长时间电压变动( 过电压，欠电压，持续中断) ，电压不平衡， 波形畸变( 直流偏置，谐波，间谐波，陷波，噪声) ，电压波动，频率变化等。 随着采样技术和检测技术的提高，越来越多的电能质量特征能够构被测量和在波 形分析中检视出来。其中电能质量扰动的识别和分类就是电能质量检测的一个十 分重要的环节。对各种电能质量扰动进行分类，是采取适当措施降低扰动带来影 响的前提。 目前有很多种识别分类方法 2 0 - 2 r 1 ，如参考文献 2 0 ，2 1 1 提出用小波变换对电能 质量进行分类，参考文献 2 2 1 提出用小波变换和神经网络进行电能质量分类，参 考文献 2 3 1 提出了用s 变换和支持向量机进行分类，还有提出基于动态测度和数 学形态学、基于卡尔曼滤波的电能质量扰动分类方法【4 8 5 n 5 4 1 等。笔者曾提出一种 主要针对已有谐波扰动时再发生其它扰动的分类方法，该方法采用传统的傅立叶 变换得到信号的频率信息，s 变换得到基波幅值信息；然后根据这些信息构造并 行的神经网络【2 8 】，得到了一个电能质量多扰动的识别分类器，能在存在谐波的 情况下对电能质量有效分类识别。 本章下面一节通过谐波、电压闪变、三相不平衡、电压瞬间跌落这几种具体 电能质量问题的测量、检波方法的说明，描述了本文构建的新型电能质量在线监 测系统是如何实现这些测量的。 3 1 监测系统采用的检测算法 3 1 1 谐波检测 电力系统的谐波测量包括谐波频率的测量，谐波有效值的测量，谐波到达时 刻的检测以及谐波信号的实时跟踪。一般电力系统中的实时测量仪器主要进行谐 1 9 浙江大学硕士学位论文 波频率的测量，谐波有效值的测量，通常采用总谐波畸变率t h d 表示波形偏离正 弦波形的程度，包括电压谐波畸变率u t h d 和电流谐波畸变率i t h d 两个指标。我 国的国家标准g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 公用电网谐波中规定的谐波限制也是以u t h d 和i t h d 作为主要参考标准。另外，各次谐波一般测量到第2 到第4 0 次，根据谐 波源的特点或测试分析结果，可以适当变动谐波次数测量的范围。 实际应用的谐波分析装置的实现方法大致分为频域和时域测量两大类。 其中频域测量方法的基本原理是使用模拟滤波器将输入信号的各次谐波分离 出来，滤波器的输出实际上是输入信号和滤波器脉冲响应的卷积，在频域中它相 当于两个频域响应的乘积，因此从滤波器得到的信号为频谱。基于这种方法的仪 器对硬件要求较高，随着数字处理芯片的发展，谐波测量广泛应用时域测量的方 法。 时域测量的理论基础是离散傅立叶变换法( f f t ) 。其基本原理如下： 给定实的或复的离散时间序列粕， ，x , v - 1 ，设该序列绝对可和，即满足 j ( 七) ：，【x ( 甩) 】- 窆j ) e - j 争，( 七：呱一，n 一1 ) ( 3 - 1 - 1 ) 被称为序列 z ( 刀) ) 的离散傅立叶变换( d f t ) 。而 x ( 疗) = 专薹x ( t 弦鲁h ，( 厅= 。，1 ，j v 1 ) ( 3 1 - 2 ) 被称为序列 x ( 疗) ) 的逆离散傅立叶变换( i d f d 。式( 3 - 1 - 1 ) 和( 3 - 1 - 2 ) 又可表示 为 l n - ! z o l x ( t ) = 石( ) 嘭，( 七= 0 ，l ，一1 ；= p 。百) l1 一i 一2 专荟以咿斯- 0 ，l ，- 1 ) 利用因子的周期性和对称性，导出了高效的快速算法就是f f t 。瓦( 刀) 就 是一次谐波的信息，计算公式如( 3 1 4 ) ： 0叵( 靠 m 浙江大学硕士学位论文 删= 号) e - 一砌- o ，1 ，一，n -