（电力系统及其自动化专业论文）电能质量监测与分析系统.pdf

本文针对现有的闪变扰动信号髓测中存在的各种问题提出了一种基于小波 攫位的闪交信号检溅黪法，浚算法铡震了，、波交接莛好鲍时域、频域局部佬特 性，能蟛准确的检测翻瞬时扰动信号的特性。采硐小渡变换作为检测闵交扰动 信号起始的工具，准确找到闪变信号的发生位鼹，然后对存在闪变调幅波动的 信号进行较长窗口的f f t 变换，从而得到精确的闪变扰动信【 ： 的幅值和频枣， 以更好静计算短时闵变署叠长时闶交馕。并禳据离簸小渡交蔌静计算过程，穗出 了一种越于f f t 的d w t 算法。该算法是以f f t 变换为核心过程计算离散小波 变换，在多尺度小波分解的过程中将高通和低道滤波器的作用过程用频域实现， 麸焉节省了运算时闽。著暹过瑟令电力系统典黧电疑质量我瀚信号匏傍囊缝莱 说明了该算法的可行性，以及该算法在现有电麓质量监测系统中的实用价德。 关键溺：电菠囊量无缝采群技术d s pc p l df i f of f t藏步聚样 离散小波变换快速小波变换 p o w e r q u a l i t ym o n i t o r a n d a n a l y s i ss y s t e m m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：y a n g k u n a d v i s o r ：y a n gh o n g g e n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p o w e rq u a l i t yh a s b e c o m et h em o s tc o n c e r n e di s s u eo ft h ew o r l de s p e c i a l l yt h ed e v e l o p e d c o u n t r i e s f o ro n et h i n g ，t h ei n c r e a s i n gf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep o w e r q u a l i t y ，f o re x a m p l e ，t h ed i s t o r t e d w a v eo fv o l t a g e sa n dc u r r e n t sc a u s e d b yt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n o fp o w e re l e c t r o n i ca p p a r a t u sa n dn o n l i n e a r e q u i p m e n t a n dt h e f r e q u e n t l yt u r n i n g o na n d o f fo ft h e l a r g e e l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o nf a c i l i t i e s ，h a sw o r s e n e dt h ep o w e rq u a l i t y f o r a n o t h e r ，t h ep o p u l s a r i t y o ft h e c o m p l i c a t e d ，e x a c t i t u d e a n dp o w e r q u a l i t y s e n s i t i v ee l e c t r i c i t ya p p l i a n c e s ，s u c h a sh o m e a p p l i a n c e s ， o f f i c ef a c i l i t i e s ，e x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e sa n da u t o c o n t r o lf a c i l i t i e s i nt h ec o n s e c u t i v ea n dp r e c i s i o np r o d u c t i o np r o c e s s ，h a sm a d ep e o p l e f o c u so nt h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ep o w e r t h et r a d i t i o n a l m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yb a s e d o nt h ev i r t u a lv a l u et h e o r yc a n n o tp r e c i s e l y d e s c r i b et h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e md u et ot h em u c h l o n gt i m ew i n d o w ，s o an e wm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya r ew a n t e dt om e e tt h eh i g h l e v e ln e e d s t h e d i s t u r b i n g f a c t o r s( 1 i k eh a r m o n i c s ，t r a n s i a n tv o l t a g e f l u c t u a t i o n ，a n de t c ) o f t e nc o m eu pa tt h es a m et i m e ，h o w e v e r ，t h ec u r r e n t p o w e rq u a l i t ym o n i t o r ，a n a l y z i n gt h ep o w e rq u a l i t y c a n n o tg i v ear e l i a b l e a n a l y s i so ft h ep o w e rq u a l i t yb e c a u s eq u i t e af e wr e a l t i m ed a t aa r el o s t d u r i n gt h es t o p so ft h es a m p l i n g i no r d e rt om a i n t a i nt h eh i g hs p e e d a n dc o n s e c u t i v e n e s so fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，w ec h o o s ed s p ，c p l da n d f i f ot om a k es a m p l i n ga n dd a t aa n a l y z i n gw o r ks i m u l t a n e o u s l yt om o n i t o t t h ep o w e rq u a l i t yw i t h o u ti n t e r v a l s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r e s t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i sp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ， e s p e c i a l l y t h ep r o c e s so ft h es i m u l t a n e o u s l yd a t as a m p l i n ga n dd a t a a n a l y z i n g t h ep e r i o d i cs i g n a la n a l y s i st h i sp a p e ra d o p t st oa n a l y z et h e p o w e rq u a l it yc a np r o c e s sa n da n a l y z em o s to ft h ep a r a m e t e r so fp o w e r q u a l i t ys t a n d a r d sa sw e l la sh a n d l et h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m si nas h o r t t i m ea n dl o n gt i m e t h i sp a p e ra l s oi i s t so u tt h e2i m p o r t a n ta l g o r i t h m s i nt h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ( f f ta n dd i g i t a lf i l t e r ) a l s ot h i sp a p e r s h o w t h ep r o c e s so ff f ta n d d i g i t a l f i l t e r f l o wa n dp r o g r a m m i n ga n d p o i n t so u tt h ek e yp a r tt h a t ss h o u l db ep a ya t t e n t i o nt o a n dt h em o s t c o m m o nm i s t a k e si nt h ep r o g r a m m i n g t h i sp a p e rp u t sf o r w a r daf l i c k e rs i g n a lm e a s u r i n ga l g o r i t h mb a s e d o nw a v e l e tm e a s u r i n gf o rt h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ef l i c k e rd i s t u r b s i g n a lm o n i t o r i n g t h ea l g o r i t h m ，m a k i n g u s eo ft h e p a r t i a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h et i m e 。d o m a i na n d f r e q u e n c y d o m a i nd u r i n g t h e w a v e l e tw e l 卜p e r f o r m e dp e r i o d ，c a n p r e c i s e l ym o n i t o rt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h et r a n s i e n td i s t u r b i n gs i g n a l s w a v e l e tc h a n g ei sc o n s i d e r e dt h e m e a s u r e m e n to ft h es t a r t sa n ds t o p so ft h ef l i c k e rd i s t u r b st ol o c a t e t h ef li c k e rs i g n a l sa n dt h e nt h el o n gf f tp r o c e s s i n go ft h o s es i g n a l s w i t hf l i e k e rc o m p o n e n tw i l lb es t a r t e d t h ea m p l i t u d e sa n df r e q u e n c i e s w i t h p r e c i s i o nf r e q u e n c yp o i n t s o ft h ef l i c k e r d i s t u r b i n gs i g n a l s m e a s u r e db yf f tw i l lh e l pb e t t e rc a l c u l a t et h ep c ta n dp l t t h i sp a p e r f o r w a r d sad w ta l g o r i t h mb a s e do nf f t w h i c hi st oc a l c u l a t et h es c a t t e r e d w a v e l e tc h a n g eb yt h ec o r ep r o c e s so ff f ta n dg i v eo u tt h ef r e q u e n c yd o m a i n r e p r e s e n t i n g t h e p r o c e s s o f h i g h p a s s a n d l o w - p a s s f i i t e r si nt h e m u l t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i s ，t h e r e s u l to fs i m u l a t i o n p r o v e s t h e r e l i a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h ma n dt h ep r a c t i c a lv a l u ei nt h ec u r r e n tp o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p o w e r q u a l i t y ；n o n g a p p e ds a m p l i n g ；d s p ；c p l d ；f i f o ；f f t s y n c h r o n i z e ds a m p l i n g ；d w t - f w t 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 1 绪论 ， 选题背景和研究意义 电能是一种经济、实用、潺洁且容易控嚣i 和转换的能源形态，是供电部门 向电力用户提供由发、供、用三方共间保证质量的种特殊产晶( 它问样具有 产品婚若予譬每征，般可以被测爨、颈然、保诞或改薅) 。隧羞现代辩学技术的发 展，电能质量问题已经引起全世界特别是发达国家的高度重视。一方面，影响 毫笺痰量鹣霆素不龌壤蕊，懿以遣力奄子装蓬帮j # 线往设备静广泛应糯，各狰 大型用电设备的频繁启停，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，造成电能 质量的严重恶化；另一方面，备种复杂的、精密的、对供电质激敏感的用电设 备不断普及，如离性能家用电器、办公设备、精密试验仪器，连续、糖密生产 过程的自动控制设备等，因此人们对电能质詹及可靠性的要求越来越街。电能 矮量趣题褒诲多国家已缀弓l 起魄力部门露用户戆广泛关注 卜弱。嚷l 矮爨靛好辐 直接关系到包括电力工业在内的工商系统，乃至整个国民经济的发展前景，对 予我鬻这样豹发袋中莺家更具裔不可忽褫懿疆实意义和酸路意义。 如今，电能作为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。 电能作为商晶在电力市场运行机制下不同的发电公司包括独立电能生产者在发 电侧实行竞争，输配电系统( 即电网公司) 麓发电分离独立经萤管理，为发电 公司和用户提供输送电服务，用户侧墩可作为独立实体参加电价控制。这样一 个牙教窝鼓聚竞争黪运嚣珏凌毖然对魄矮爨提爨越来越嵩载要求。对于特定 的电自质量扰动( p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e ) 需腰确定扰动源，即判定扰动 方商，获丙疆确责任。对电能黧量挠动负责方应按电力市场规剿受至一定豹惩 罚，电能质壤扰动造成其他用户或电力部门经济损失的应按规定赔偿。深入分 析和研究电能质量问题，探询在一定酝件下发生电能质量扰动的因果关系，找 到扰动源，明确责经和义务，是瞧力系统适疲枣场竞争积霹撼续发展蹶必须的。 因此，电网的质量问题成为近年来各个方面关注的焦点，电网质量监测是当前 蓬际上酶一个臻究热点f ”。 为了提高电力系统的供电质量，确保系统安全、可靠运行，需要对系统中 的谐波、电疆波动帮湄交 三i 及三耜不平衡度簿干扰进行登测，必须建立电能质 量监测分析系统。因为电力系统污染于扰具蠢一定的随机性，它与负稳特性及 系统工作情况有关，往往引发事故的干扰出现的时间较短，发生条件特殊，所 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 以需要采用实时在线监测系统对电力系统的各项电能质量指标进行长期监视， 以便采取相应的措施进行控制。电力系统的各种污染含量较小，变化较大，并 且对于不同的用户和电网的不同运行方式呈现不同的变化特征，这些因素给电 力系统电能质量指标测量带来一定复杂性。国家技术监督局发布了相关的国标 g b t 1 4 5 4 9 - - 1 9 9 3 ( 电能质量公用电网谐波) 、o b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ( 电能质 量三相电压允许不平衡度) 、g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ( 电能质量电压波动和闪变) 等，对电力系统中电网质量的测量方式、测量精度及测量数据的处理等问题作 出了规定和说明。为了满足规定的要求，需要在电网质量各项电能质量指标测 量方法上和在线监测系统的设计上采取一些特别措施。因此，研制符合国家测 量标准的电能质量监测装置，对电网质量各项电能质量指标进行持续在线的监 测具有很大的研究意义。 电能质量的各种扰动( 如谐波、瞬时电压波动等) 往往同时出现【1 2 】。现有 电能质量监测仪在线分析多项电能指标时采取采样数据和处理数据串行处理技 术，在两组采样数据之间存在分析数据所产生的时间间隔，信息丢失量大，不 利于动态电能质量监测。本文提出了基于无缝采样分析技术的电能质量分析系 统，选用高速数字信号处理器d s p 和复杂可编程逻辑器件c p l d 共同实现了采 样和数据分析同步进行，它能够实现多通道的同步数据采集与数据处理同时进 行，从而，避免了数据采集与数据处理分时交替进行导致的部分数据丢失，真 正实现了对电力系统电能质量的在线持续监测。 1 2 国内外发展动态 早在2 0 世纪6 0 年代，国外就开始认识到电能质量的重要性，并着手从事 相关课题的研究。加拿大在1 9 9 8 1 9 9 9 年间，通过全国范围内的电能质量调查 和测量后，将电能质量问题确定为1 0 6 个因素，用2 5 项指标来表示。在这1 0 6 个因素中，3 7 个是有关暂态的，6 9 个与稳态相关【1 3 。美国对电能质量问题进行 了大量的监测和研究工作，为了了解和解决全国的电能质量问题，美国电科院 ( e p r i ) 于1 9 9 3 年5 月1 9 9 5 年9 月间，发起了在全国2 4 个会员电力公司对 配电系统( 共设有2 7 7 个监测点) 进行长时间的电能质量监视项目，有些电力 公司甚至将电能质量监视扩展到一些用户端，以便了解电能质量问题与用户工 厂之间的关系。e p r i 在对全国范围内的电能质量问题实现普查的同时，组织开 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 发了电能质量诊断系统p q d s ( p o w e rq u a l i t yd i a g n o s t i cs y s t e m ) 。该系统从数 据采集、数据处理、数据管理、波形辨识、系统仿真、以及经济评估等方面全 方位地对电能质量问题实现了综合性地分析和管理，为以后开展电能质量问题 的研究工作奠定了良好的基础。 目前所采用的电能质量分析方法有三种： 1 时域仿真方法该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要用途 是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前通 用的时域仿真程序主要有e m t p 、n e t o m a c 、b p a 等系统暂态仿真程序和 s p i c e 、p s p i c e 、m a t l a b 等电力电子仿真程序。这些仿真程序在不断的发展 种，其功能日益强大，还可以利用它们进行电力设备、元件的建模和电能质量 波形分析。 2 频域分析方法该方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率 扫描、谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性，今年来又提出一 种混合谐波潮流的计算方法，即在常规的谐波潮流计算基础上，利用e m t p 等 时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波电流矢量，从而得 到谐波潮流。 3 基于变换的方法这里主要指f o u r i e r 变换方法、短时f o u r i e r 变换方法 和w a v e l e tt r a n s f o r m 小波变换方法。 经典的信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优点，d f t 算法构 成了现代频谱分析的基础，已经成功地应用于非静态信号，而且有象f f t 这样 的快速算法，因此在电能质量仿真分析得到了广泛的应用。但运用f f t 必须满 足以下条件：( 1 ) 满足n y q u i m 采样定理要求，采样频率必须是信号最高频率的 两倍以上；( 2 ) 采样窗口与被采样信号周期严格同步；( 3 ) 进行f f t 变换的点 数要满足2 ”各，n 为整数。当采样频率获信号不满足要求时，利用f f t 分析会 产生“旁瓣”和“频谱泄漏”现象，给分析带来误差。此外，由于f f t 变换是 对整个时间段的积分，时间信息得不到充分的利用，信号的任何突变，其频谱 将散布与整个频带。 为解决上述问题，g a b o r 利用加窗，提出了短时f o u r i e r 变换方法，即将不 平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合，将f o u r i e r 用于不平稳过程的分析。 由于这种时频窗口不具有自适应性，因而只适合分析特性尺度大致相同的过程， 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 不适合分析多尺度过程和突变过瑕，丽且这秘方法的离散形式没蠢正突展开， 难以实现高效算法。 小波变换具有时域频域局部化的特点，克服了f f t 的缺点，适合予突变 信号和不平稳信号的分析。小波变换被称为“数学显微镜”，由于小波变换的正 交性、紧支撑，将小波变换用于电能质量非稳定信号的分析具有f f t 无法比拟 的优点。其中有用m o d e t 小波对电力系统扰动进行分析，对扰动进行检测和定 位i 1 4 】：有对电压骤降、短时停电、电容器投切暂态进行模拟，并用小波重构对 模拟信号进行照构；使用小波变换对电力系统暂态、谐波进行分析1 1 6 】：还提 出了用小波变换标准曲线来区分电压骤降、电压骤升和短时停电f 1 7 , 1 8 】。 采用实测电两中各项电能质量指标，建立电能质避监测网络，采取有效手 段改善供电质鼯己成为保证电闷安全、可靠经济运行、高质量供电必不可少的 措施之一。世界各国都相应研制和开发了一系歹f j 韵电能质蘑分析装置和仪器。 以谐波灏羹为俪，其大致经历了三个阶段：第一阶段麓飙1 9 世纪初至2 0 世纪 4 0 年代，谐波成分的分析主要依靠实测波形的傅立时计算，即和用信号波形的 录渡图，入工手动等间隔蛾量鞭数值，然搿采厢手算的方法进行谐波分析计算， 计簿遗程十分费时费力，精度很低，分析谐渡次数也不高。这一方法在我国一 壹沿用翻杓年代。第二阶段是5 0 年代至8 0 年代，这一对期选颓澜量技术获褥 了广泛的巍用和普及，相瘦研稍了一系剜选频式谐波溅量仅器仪表，溺量方式 是涮霜失龚度式静仅嚣测羹谐波慧畸变率，井箍选频式逐颈测试各次谐波分量， 带遥滤波式逐次选取各次谐波分量，现在傻焉静裔些谐波蓬测仅、报警铰、谐 波逢鹾表帮电流表就藏戳髭琢淫涮残豹。这类谐波分析饺器仪表摄然较翠期的 太工分析方法鸯了缀夫静据离，毽测试的结果是煞给掰谐波静滔傻，不戆测密 相位，测试调繁迄较麻矮。第三除段是8 0 年钱至今，瀣子集成毫路羁微处理器 及计舅机懿迅迷发展，已疆铡滋一系列基予快速搭立婶交换静谐波分聿厅仪秘频 谱分辑纹，被测绉号经采楼躁持、a d 转换、f f t 计算输蹬结果，测试搽槔麓 单方蠖，计算结果快逮准魂，霹围时遴行多路信号的测量。掰一代多功能、数 字化、自动化帮智化的 舞波测量分蜒纹毫残为发震熬主要方起。 垦羲萋，国内终瑟磅剑或琏敢冬秘霹供谐波测量分援使崩的分爨仪和频邀仪， 从仪器性熊和测试是的的誉同大致可分为三类型：一是用手 鸯波曰索监测王佟 的监测仪或擐警仪，该类型仪器测试功麓单，精度也不嶷。妇文献网；二怒 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 专门灏试谐波用的高性能谐波分析仪藕频谱分析仪。如文献【l 锈；三燕雳于谮渡 和其他电能质量综合测爨的分析系统，如文献f 4 ，2 0 , - - 2 4 。 近年来，发达国家程研制和使用谐波分析仪方面发展较为迅速，仪器的性 裁先进，逡羯范潮广，且耐用可靠，经馀格较为爨贵，在测量功能、测量通道 和数据齐全等方丽存在不同程度的缺陷。相比之下国内测量仪器价格鞍低，但 是制造工熬较差，可靠蠖窝精发方嚣瓷未严格考核过，主要逶耀予谐波溅量方 面，而在波形分析、采样窗口的选择、数据处理及结果输出方面差距较大：事 实上，我国电力系统中使用的大多数测量装麓静设计帮怒在基予“电聪是正弦、 负荷是线性，产生的电流也是正弦”的这一假设前提，所用电路往往采用模拟 电路1 2 4 j ，在用于电能质攫监测时，精度和可靠性难以达到要求：国外著名的电 能质量分孝厅仪制造褰魏荧国熬f l u k e ，它的产品功戆繁多，份掺鼯贵，难以为国 内绝大多数企业接受，况且产品的市场着眼于现场手持测试，而非挂阏运行。 因鼗，提裹遣能震量整溺豹瑟技术、精装嚣己成蔻近年采奄力焱统研究领域中 新的研究热点u ”。 1 。3 本文所做王作 本文首先概述了电能质量的定义、分类、管理以及电能质麓监测的特点和 要求。然鬃铮对硬 孛夔测平台瓣特点与要求，详缨论述了在线茏缝采样分摄技 术原理及其实现，并介绍了以d s p 和c p l d 为核心的电能质量般测系统的硬件 结鞫及工俸原理，剜举了f f t 犟拜f i r 滤波器髂算法结梅及实嚣避程。簸嚣，粳 据电压闪变信号的特点提出了一种基于快速小波变换的闪变监测算法，并在 d s p 上实现了基于f f t 的离散小波变换d w t 。 1 。根据电能质量监测系统的特点、现场监测采样频率、精度以及魅测系统 同步采样的要求，为了实现多通道同步不间断的电能质激监测，本文提出了以 c p l d 、d s p 器f i f o 蔑菝，0 缀椽熬夜线多遴遂无缝采样分辑技术，分缨硬臀缝 构及各个功能模块( 锁相倍频模块、采样窗口控制、数据处理控制、通道控制 等) 的工彳窜原理，并介缁了软件结构及实琉方法。 2 。提池了綦于c p l d 的锁相倍频模块，通过实际运行测量满足i e c 6 1 0 0 0 4 7 中频率跟踪相对误麓的限值要求。在采用“d s p + c p l d + f i f o ”硬 孛终拘豹蘩磷上，分绍了周裳域分攒方法彝监测系统主要程痔的结搀鄹实现过 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 程，对周期域分析方法在电能质量监测和分析系统中的应用，进行了较为详细 的阐述，得出了大部分电能质量参数的周期域表示公式和时、频域特性。 3 根据离散小波变换的计算过程，提出了一种基于f f t 的d w t 算法。离 散小波变换的过程就是输入信号分别与高通和低通两个镜像滤波器作用的过 程，该算法是在滤波器计算时不通过传统的卷积，而是以f f t 变换为核心计算 出频域分量，用输入信号的频谱与滤波器系数的频谱进行乘积再通过f f t 反变 换得出时域的小波系数。该方法采用快速傅立叶变换能够节约大量的运算时间， 并具有很好的适用性，可以直接通过调用现有的电能质量监测与分析系统中的 f f t 变换程序来实现多尺度的小波分解。最后通过两个电力系统典型电能质量 扰动信号的仿真结果说明了该算法的可行性，以及该算法在现有电能质量监测 系统中的实用价值。 4 针对现有的电压闪变扰动信号监测中存在的问题提出了一种基于小波测 位的闪变信号检测算法，该算法利用了小波变换良好的时域、频域局部化特性， 能够准确的检测出瞬时扰动信号的特性。采用小波变换作为检测闪变扰动信号 起始的工具，准确找到闪变信号的发生位置，并记录下闪变发生的时间，然后 对存在闪变调幅波动的原始信号进行较长窗口的f f t 变换，从而得到精确频率 点的闪变扰动信号的幅值和频率。这样可以很好的避免固定长度窗口信号进行 f f t 变换得到的闪变分量只是整个时间上的平均，而不可能找到闪变出现的时 间。对于闪变分量的测量，快速小波变换具有很好的实用性。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 2 电能质量概述 电能壤量是搬电力蓉统通过公用电网供给用户端的交流电驻的品质。理想 状态的公用电网_ 陂以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。间时，在 三耱交漉系统中，各穗迄匿翻电滚豹耀篷畿大小稷等、榻谴对称显互差i 2 0 。 但由于电力系统中的发电机、变压器和线路等设施非线性或不对称，负荷性质 多交，船之调控手段不宪善及运章亍搽作、终来干扰帮各释赦障警琢蠢，这萃孛理 想的状况并不存在，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，也就产生了电能质艇的概念。 2 1 电能质量的概念 麸善遂意义主讲，魄能震壁是攘饯囊擞电，它毽搀貘率、貘电拷续牲、电 压稳定和电压波形 2 “。迄今为止，人们对电能质髓的技术含义还存在着不同的 试谈，这方面楚由予入们番褥题静角度不同，鞠电力部门胃麓把毫矮羹篱 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 量臻求的：电力用户则可能把电能质量笼统看成怒否向负荷正常供电：而设备 利遗囊则认为合格的魂能质量就是攒电源特性完全满足嫩气设蘩正常设计工况 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 方藤，对魄髓覆荣弱谈谖也受邀力系统发疑零平熬翎终，特别楚矮奄受黄懿性 能和结构。 什么怒电能膳量? i e e e 技术诲谲委员会正式采蘑“p o w e rq u a l i t y ”这一术 语，并且给出了相应的定义：合格的电能质量是指给敏艨设备提供的电力和设 置的接地系统是均适合该设备正常工作的。这个定义的缺点是不够直接和简明。 文献【2 】采瘸豹电戆质量定义为：导致援户竣备敖簿或不戆正鬻工圣# 静电压、电 流戏频率偏差。这个定义较简洁，也概括了电能质量问题的成因和后果。当然 这燕酶德麓鏖广义理熬，甚至应包摇供电露靠惶。 除此之外，在这一研究领域的许多文献和报借中还采用了一些未得到公认 的术语和补充定义。如： l ，电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) ，即用实际电愿与理想电压闻豹偏差( 疲理 解为广义偏差，即包含幅值、波形、相位等) ，以反映供电部门向用户供给的电 力怒否合格。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 2 电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) ，即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波 形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。这 个定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，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由用电造成的。 3 供电质量( q u a l i t yo fs u p p l y ) ，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( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反映速度和电力价格( 合理性、 透明度) 等。 4 用电质量( q u a l i t y o f c o n s u m p t i o n ) ，包括电流质量和非技术含义，如用 户是否按时、如数缴纳电费等。它反映供用电双方相互作用与影响中用电方的 责任和义务。 实际上，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。本文中的电能质量主要指电压 质量。 2 2 电能质量的各项指标 为了系统地了解、分析研究电能质量现象，并能够对电能质量放映的问题 或测量结果进行分析和判断，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，将电能质量现象进行科学、合理的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。国际电力电子工程师协 会i e e e 根据电压扰动的频谱特性、持续时间、幅值变化等将其进行了细分，并 对供电系统典型电磁干扰现象进行了特征分类田1 ，为准确地区分电压暂态现象 提供了依据，见表2 1 。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 表2 1 电力系统电磁瑷象特往与分类 静类频谱戏分持续时间电压幅值 冲纳秒级上升沿5 n s n n s 暂 震低频 1 r a i n 0 8 , - 4 ) 9 p u 变 纯 过电藤 l r a i n1 1 l ，2 p u 电压不平衡稳态 e 5 矗 波直流偏差稳态 0 加1 形谐波0 1 0 0 t h稳恣0 五o 璃 翔谐波0 - - , 6 燃z稳态 j 2 变 陷波稳淼 噪声宽带稳态乳1 电压波动 2 5 h z间歇o 1 0 频率偏差 运行不正鬻，加速缝绦 老化，从而缩短它们的使用寿命； 4 使继电保护、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备燃转不正常或 磐不藐歪豢动撵蕺操终； 5 。使测激和计量仪器、仪表不能最确指示或计甓； 6 干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏 邋信设备。 2 2 6 过电压 以砜表示三相系统最高电压，则峰值超过系统最高相对地电压峰值 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) ( 2 3 c ，。) 或最高相间电压峰值( 2 u 。) 的任何波形的相对地或相间电聪分 剐为相对媳或耀闻过魄压。注：系绞最离电压怒搬当系统正常遮季亍时，在镁舞 时闯、系统上任何一点掰出现的电撬最高值( 不瓴括系统的暂态和异常电聪) 。 电力系统中过电臌是经常发生的。作用于设备的过电压传统的分类是按蕻 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 接羹羹、赘绫) 或其它髹蠢，雩| 超毫力系统豹状态突然簌一秘稳态转变热买一秘 稳态的过渡过程中出现的过电压。邈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。内过电服又可以分为正频过电压、操 作过电压趣谐振过电艨笛；外过逛羼又喇大气过惫压或雷逛过魄歪，它又分为 直击雷避电压和感应雷过电压两种类鍪。下面裰獬国标g b f r l 8 4 8 1 - 2 0 0 1 ( 电能 质量暂时过电压和瞬态过电压) ，简单介绍五种类型的过电压。 1 暂时过电压( t e m p o r a r yo v e r v o l t a g e ) 在绘定安装点上特续时间较长的 不衰减或疆衰减戆 及搡痒过彀压( s w i t c h i n g o v e r v o l t a g e ) 一种瞬悫j 建电压，通常怒单极性的并飘峰值时间程2 0 u s 帮5 0 0 0 u s 之间，半峰值时间小于2 0 m s 。 4 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 ) 莱些通断操佟藏故障通断鼷形 残电感、嘏容元俘参数静不穰组合褥产生谐振辩穗现懿暂时邋魄压，萁持续对 间较长，凰波形有周期性。 5 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 ) 秽瞵悫遘电压，遴紫是摹壤经的，葵波蘸对阕程0 。1 u s 积2 0 u s 之间，半峰值时间小于3 0 0 u s 。 2 3 电熊蔟量监督餐理的基本要求 提嵩穰能质量有重大静技未经济效益。事实上，电戆蒺量静好坏也是魄力 工业水平的重要标志，而管理工作魑不可忽视的环节，首先要加强电能质爨培 训工作，促进科学管理和技术进步：溪积极开发和推广提高电能质量的新技术 亵瑟产晶，交滚毒关走遴豹管理经羧彝先进技拳；要热强爨震魄合鞫( 或) 密 臻翊大学颈学挝论文( 2 0 0 4 ) 议中有关电能质量要求的有效性和严肃性，签订和豹厝，供用电双方都要认真 履行其规定的资任和义务，并围绕以下几个方面做好工作【2 7 】： 1 。建立键全电能质量蕊督管理俸制。应有指定的人员负责电g 质量工作， 进行日常的楚罄管理工作，毪括阶段链憨结、年底掇波及工作计划瓣翻定，器 线性用电负荷用户接入系统后电能质量指标的审查，新老扰动源的档案管理等。 2 建立饿众电能质量败测仪器、仪袋的管理制度。应有专人保龄仪器设备， 严禧强行饺嚣戆定时校验露l 菠等。 3 逐步建立电力系统殿“污染源”的档案数据库。健全和完祷电能质量方 酾的技术档案管理制度和管理措施。 4 督促电缝质量指标不合按豹电力斓户采取行之巍效的措施，邋过治理达 剃国标要求。时电网电熊滕燕不合格酶供电点采取行之有效的治璁措施，徐涯 电网的供电质嶷。 5 逐步建立和健全电能质量监测点的监测制度。逐步实现电能斌量监测点 黪在线整溺积数据运费；麴强毫戆凄蚤鹃整餐纛控裁。 四j | l 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 3 电能质量监测与分析系统概述 3 1 电能质量监测与分析系统的特点 电能质量监测是电力部门为其本身及其关键用户提供的重要服务，也是获 得电能质量信息的直接途径。现代电力系统中，电能质量问题可以分为稳态和 暂态电能质量两部分。稳态电能质量问题是以波形畸变为特征，主要包括谐波、 间谐波以及噪声等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征， 分为脉冲暂态和振荡暂态两大类【l j 。 电能质量各项指标中既包含了统计性指标，如电压波动、谐波分析等；又 强调了对实时性的要求，保证对暂态指标的精确分析。因此电能质量监测系统 应当包括强大的数据采集、处理、保存功能，明白易懂的报告系统，以及通用 的信息共享技术，采用分布式结构，分布于各个变电站的现场采集分析单元通 过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个区域的电能质量分析和统计。 随着电力工业的快速发展，稳态电能质量问题如电压波动、频率波动、谐 波等，已经引起了足够的重视。与此同时暂态电能质量问题越来越突出，如电 压跌落、骤升、短时断电等现象经常发生，给用户带来了很大的损失。传统的 基于有效值理论的监测技术由于时间窗口太长，仅测有效值已不能精确描述实 际的电能质量问题，因此必需发展满足以下要求的新监测技术： 1 针对信号扰动的随机性，必须保证对电网信号进行全过程实时监测； 2 能捕捉快速瞬时( m s 级、u s 级) 扰动的暂态波形； 3 需要有足够高采样率，以便能测得相当高次谐波的信息； 4 实现不同监测点采集数据的同步性，以便于对随机扰动和故障信息进行 离线分析； 5 建立有效的分析和自动辨识系统，使之能实现故障或扰动信号的自动识 别； 6 实现网络数据传输功能，保证数据实时通讯和信息共享。 3 2 硬件监测平台的特点与要求 新的检测技术对电能质量监测系统的设计提出了新的要求，分布式电能质 量监测系统主要由现场监测单元和后台主站组成，下面我们详细分析现场监测 单元的特点和设计要求。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 3 2 强场盆溯擎元采祥频率、精度盼要求 电力系统中冬季中扰动持续时间短、随机性强，如雷谢、系统故障、些非 线性负荷的投切等引超的电压跌落、骤升，电弧炉生产周期的变化引起的电压 渡动等等。稷攥采样定缮，为了精确测量魄网中藏次谐波僮以及对罄态逛能质 量指标进行实时测量，必须保证较高的采样频率。在实际电网中，谐波分析一 般敬2 3 0 次，窦涿溺整系绞中豹聚榉频攀至少为每周波承次，一般采用1 2 8 次以上。如果每周波采样1 2 8 次，那么每个采样点之间的时间间隔仅有1 5 6 u s ， 传统的m c s 5 1 、m c s 9 6 单片税的指令周麓袋侠簸够这剐1 6 0 n s ，在多个逶邋阂 时袋搀的情况下，很戏满足实对测爨的要求，因此传统的谐波分析仪仅仅能达 到1 9 次，对暂态指标煎根本没法分析 7 ，捌。 数字信号处理( d s p ) 搜本熬快速发攫，力魄能质爨实对髓测提供了理想 的方案。商性能的数字信号处理器采用改进的哈佛结构，指令运行采用流水线 结椽，萁指令瘸期可达翻1 2 3 0 a s ，在鼗矮 孛平台基稿主，爵狱保逐是够蒜豹 采样率( 最高可达每周波1 0 2 4 点) ，从而实现高精度的同步数据采集处理。 由于电力系统中高次谐波的含裔量相对于基波分量而言是非常低的， 鬻渡 次数越毫其含量越低。根据安测数掇【3 0 】，如果采用1 2 位分辫攀的a d 转换芯 片，仅仅因为a d 转换精度不够。对1 5 次谐波i 耐言至少会引起1 6 7 的误麓， 悉鼹在实嚣谐波测量孛我爨一般测裂3 0 次 鹫波，这嚣产生弱误差影螈会更大， 高次谐波测量数据将没有可倍性，因此现场监测单元中a d 转换器的分辨率至 少斑保证为1 4 像良上。 3 2 2 监测系统简步采样盼要求 电能矮量鼗测的交滚售号主要鸯：4 秘电压傣号u a 、u b 、u c 、u o 和五葶申 电流信号i a 、i b 、i c 、3 1 0 、i n 。目前电力系统各种监测仪器中采用的