（电力系统及其自动化专业论文）电能质量监测算法研究与实现.pdf

中国农业大学碗士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e re n e r g yq u a l i t yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y t h eh a r mt op o w e rn e t w o r ka n dt h el o s st oo u rl i v i n gd u et op o w e rq u a l i t yp o h u t i o nb e c o m em o r ea n d m o l es e r i o u s t h e r e f o r e , i m p r o v i n gp o w e rq u a l i t yb e c o m e sa l li m p o r t a n tt a s kt op o w e ri n d u s t r y r e s e a r c h e ri nt h i si n f o r m a t i o na g e t h ep a p e rg i v e sni n t r o d u c t i o nt ot h e 咖d yo fp o w e rq u a i l 哆h o m e a n dg i v e sac l a s s i f i c a t i o nt ot h ep r o b l e m so fp o w e rq u a l i t yi nd e t a i l t h ep a p e ra l s og i v e stc o m p l e t e e x p l a n a t i o nt ot h er e g u l a rp o w e rq u a h t yi n d i c e sa c c o r d i n gt ot h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s , l e v o l t a g e d e v i a t i o n , f r e q u e n c yd e v i a t i o n , t h r e e - p h a s ev o l t a g eu n b a l a n c ef a c t o r , h a r m o n i c s , v o l t a g ef l u c t u a t i o n s a n df l i c k e ra n ds o0 1 1 t h ec o n v e n t i o n a lp o w e rq u a l i t ya n a l y s i sm e t h o d sb a s e do nf o u r i e ri r a n s f o r md on o tm e e tt h e a c t u a ln e e do fl x y w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gn o w t h e r e f o r e ，t h e s em e t h o d sn e e di m p r o v e m e n t st or e f l e c t t h ec o n d i t i o n o f p o w e r q u a l i t y , a n d t o p r e s e n t g o o d f o u n d a t i o n f o r p o w e r q u a l i t y s u p e r v i s i o n a n dc o n t r o l t h ep a p e ra n a l y z e st h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n ti nm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo f t h ea l g o r i t h ma tt h e 岛i m et i m e t h ep o s s i b l er e d u c t i o no ft h ew o r ko fc o m p u t a t i o na l g o r i t h m 幻e 1 1 s u r f t h ep r a c t i c a l i t yo ft h ea l g o r i t h m i nt h i sp a p e rh a r m o m ca n a l y s i su f f rf r e q u n n c y - d o m a i nw i n d o w e di n t e r p o h f i o nt or e d u c et h e s p e c t r u ml e a k a g ep r o b l e m s , c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m s , d u et ot h el l s eo f t h ef f c q u e n c y s p e c t r m nw i t h i ns u b t r a c t i o nt i m ed o m a i ni n s t e a do ft h eo m n b e r s o m ew i n d o wo p e r a t i o n sr e d u c e st h e w o r k0 fc o m p u t a t i o n ；u s i n gt h i sa l g o r i t h mp a r a m e t e bo ff i - e q u e n c yd e v i a t i o n , f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t i sc o m p l e t e da tt h e mt i m e ；f f ri st h ef u n d a m e n t a lc o m p o n e n ti na c c o r d a r g xw i t ht h et h r e e - p h a s e s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sd e r i v e dn e g a t i v es e q u e n c ew i t ht h ep o s i t i v es e q u e n c ec o m p o n e n t , c a l c u l a t i o n o ft h r e e - p h a s ov o l t a g ei m b a l a n c e ；p e r i o d i cs a m p l i n go ft h eu n i tf o rt h e i rr m sd a t aw o r t h yo fr m s v o l t a g e v o l t a g ed e v i a t i o no b t a i n e d ；f l i c k e ri sb a s e d0 1 1t h er m sv o l t a g ei nac e r t a i nf r e q u e n c yc h a n g e s w i t h i nt h ev i s u a ls c b s o r ai np r i n c i p l e , u s i n gr m s w e i g h t e df r e q u e n c yd o m a i nm e t h o d , t h r o u g ht h e s a m p l i n gs i g n a ls i n g l e - c y c l er m sv o l t a g es e r i e ss p c c i r u l na n a l y s i sw e i g h t e d , c a l c u l a t e di n s t a n t a n e o u s f l i c k e rpv a l u e ，a n dt h e ng e ts h o r tf l i c k e rv a l u e h a r m o n i ca n a l y s i s f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t , t h r e e - p h a s ev o l t a g ei m b a l a n c ea n db i a sv o l t a g e a l g o r i t h mp r o c e d u r e sw m a t l a b s i m u l a t i o nt e s t , c c s 2 2 1e n v i r o n m e n tf o rd e b u g g i n g , t a s t i n g t m s 3 2 0 f 2 8 1 2h a r d w a r ep l a t f o r mt h r e e l i n k st e s t , p r o v et h ea l g o r i t h mp r a c t i c a l ；t h r o u g hm a t l a b s i m u l a t i o nt e s t ss h o w sf l i c k e ra l g o f i t h mi sf e a s i b l e k e y w o r d e ：p o w e r q u a l i t y , f o n r i r t r a n s f o r m , f r e q u e n c y - d o m a i n w m d o w e d i n t e r p o l a t i o n , h a r m o n i e s ， f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n df l i c k e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名；翟吨为 时间： 如一7 年月j b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 翟衫焉 彤，纠习， l 时间： 声7年z 月，e l 时间：z 膨尹年月一日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 , 1 课题的研究意义 第一章绪论 一个理想的电力系统应以恒定的频率c s o l - l z 或 k ) 和标准正弦波形，按规定的电压水平 ( 标称电压) 对用户供电尽管在目前的技术条件下，发电机完全可以输出一个近乎于完美的波 形，但电能质量c p o w e rq u a l i t y ) p 删受到发、供、用三方的同时影响，有其特殊性。电能质量与 一般产品质量相比，有如下特点： 1 、不完全取决于电力生产部门，有的质量指标( 例如谐波、电压波动和闪变，三相电压不 平衡度) 往往是由用户干扰所造成； 2 ，对于不同的供( 用) 电点在不同的供( 用) 电时刻，电能质量指标往往是不同的，也就 是说，电能质量在空问和时间上均处于动态变化之中： 3 、电能质量不仅仅反映。电的质量，而且和用电设备的性能密切相关。 现代电力系统中用电负荷结构已经发生了重大变化，半导体整流器、晶闸管调压及变频调整 装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于这些负荷非线性、冲击性以及 不平衡的用电特性，使电网的波形畸变越来越严重。对电能质量造成的干扰或。污染”也越来越 严重 不像其它原材料一样，电能在产生时马上就被消耗掉了，我们不能将电能储存保留下来再分 析质量，如果电能质量不满足要求，目前也难以循环利用或送回发电机再进行处理如果不能实 时监测，当轻微的电力质量问题变得明显之前，整个电力系统有可能已经接近崩溃了，而用户也 已经早以各种形式来抱怨显而易见我们必需对电能进行连续监测并。实时”的确定其质量对 电能消耗量的连续监测已经被广泛的采用，人们已经习惯于安装监测系统来确定能耗的总量和费 用，但是对于很多工厂来说，电能质量造成的浪费可能会超过能量的费用据美国电力科学研究 院的粗略估计，当今和电能质量相关的问题在美国每年造成的损失超过2 0 0 亿美元可见电能质 量问题应该和电能的消耗量一样得到监测和管理 随着与电能质量相关的问题造成的损失越来越被人们所重视，改善电能质量，使之满足生产 发展的需求已经成为信息时代电力工业迫切需要解决的重要课题之一在这一背景下针对目前 电能质量分析领域存在的问题，研究满足现代电能质量分析要求的监测装置监测算法，高效、如 实、准确地反映各种电能质量问题。为电能质量的研究和治理提供可靠的依据。本课题无疑具有 重要的现实意义。 1 2 电能质量基本问题及其国内外研究现状 1 2 1 电能质量的概念 所谓电能质量。是指对发电厂送出电能的各种技术指标做出规定，以判断其是否合格。在电 力系统发展的早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备 l 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 等线性负荷组成，因此，衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压偏移。随着科 学技术的发展，非线性电力电子装置、直流输电和灵活交流输电( 酗c r s ) 装置、调速电机以及 无功功率补偿电容器的大量投入运行使电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不断上 升。谐波使电压波形产生畸变，从而使电气设备寿命缩短，电网损耗增大、系统发生谐波谐振的 可能性增加，还会引起继电保护和自动装置误动、仪表指示和计量不准以及产生通信干扰等一系 列问题因此，目前在电能质量标准中已增设了谐波这个指标另外。目前已经列入电能质量标 准的还有三相不平衡，电压波动和闪变等指标。i e e e 技术协调委员会采用“p o w e rq u a l 畸”这一 术语，并且给出了相应的技术定义：。合格电能质量的概念，是指给敏感设备提供的电力和设施 的接地系统是均适合于该设备正常工作的”i e c 提出使用。e m c ”( 电磁兼容) 术语，以强调和 指出设备与设备之间的相互作用和影响，以及电源与设备之间的相互作用和影响，并以此为基础， 制定出了一系列相关的电磁兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语有很大的重叠性，我国一般 采用。电能质量”这一术语 1 2 2 电能质量指标 从电能质量问题治理的角度出发，电能质量问题主要分为电压质量问题和电流质量问题。从 电能质量问题扰动时间长短的角度出发又可分为稳态扰动和暂态扰动两类。 电能质量的主要类型有： 1 ，电压瞬变( t r a n s i e n t s ) 在两个连续稳态电压之问的一种持续时间极短的数量变化现象主要分为两类：电压瞬时脉 冲( i m p u l s i v et r a n s i e n t ) 和电压瞬时振荡( o s c i l l a t o r yt r a n s i e n t ) 。 2 、电压骤降( s a g s ) 工频电压的均方根值下降到0 1 0 9 p u 范围内、持续时间为0 5 倍工频周期1 分钟的电 压短期下降。 3 ，电压骤升( s w e l l s ) 工频电压的均方根值上升到i 1 i 8 p u 范围内、持续时间为0 5 倍工频周期1 分钟的电 压短期上升 4 、电压中断( i n t e r r u p t i o n ) 持续时间小于1 分钟的单相或多相完全失去电压( o i p u ) 的电压短期变动 5 ，欠电压( u n d e rv o l t a g e s ) 电压幅值小于额定电压( 通常在0 8 p i l 0 9 p u 之间) 且持续时间大于1m i n 的长期电 压扰动 6 ，过电压( o v e rv o l t a g e s ) 电压幅值大于额定电压( 通常在1 1 p u 1 2 p u 之间) 且持续时间大于lf i n 的长期电 压扰动。 7 ，电压波动和闪变( v o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n df l i c k e r ) 电压波动是指电压均方根值随时间的快速变化，常用一次变化中相邻波峰和波谷值之差相对 于额定电压的百分比来表示电压波动主要是由冲击性负荷引起的，电压波动同时会引起照明灯 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 光照度的变化，造成人眼视角上的不适，这种现象称为电压闪变。 8 、电压不平衡( v o l t a g ei m b a l a n c e ) 电压不平衡是由于不平衡的相阻抗，不平衡的负荷或两者的组合引起的。 9 、谐波( h a r m o n i c s ) 含有工频基波整倍数频率的正弦波电压或电流谐波是由供电系统中大量的非线性电气设备 引起的，例如可控硅整流装置、电弧设备、电气化机车等设备接入电网后，将使系统中的电压、 电流产生高次谐波 1 0 、问谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 含有工频基波非整倍数频率的电压或电流周期性分量 1 l 、频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) 系统电压或电流频率对额定频率的偏离。 上述的电能质量分类体系都是相对完善的然而，就实际的电力系统，尤其是面向用户的供 用电系统，不加区分地研究所有的电能质量现象是没有必要的，因为用户所关心的只是一些基本 的电能质量指标目前，我国已经制订了五项电能质量标准国家标准【“，从我国电力系统目 前的发展水平和保护供用电双方权益的角度来看，这些标准是比较现实和易于操作的。结合我国 电网运行和电力市场发展的实际需要，本论文完成了编制基于我国五项电能质量标准的电能质量 监测装置数据分析算法。 1 2 - 3 电能质量监测装置及其算法的发展现状 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尽不同。迄今 为止，国内外对电能质量的监测方式可概括为连续监测、定期或不定期监测和专门测量三种方式 基于不同的监测方式，较典型的电能质量监测装置有： l q u k e4 3 4 手持式三相电能质量分析仪可以测量所有相线、零线和地线，能测量配电系统中 的每一线路，该仪表的测量功能包括：电压和电流的真有效值、频率、功率、功耗( 电量) 、不平 衡度和闪变等它还可以自动捕获类似于瞬态电压( 可快达5 微秒，幅值可高达6 千伏) 、电压 中断、快速的电压波动、骤降、骤升等 瑞士l e mp q f i x 电能质量在线监测装置，固定式安装、免维护运行，监测三相电压和三 7 相电流，可监测度、电压上涌和下陷，有功、无功、功率因数等。 瑞典联合电力公司的u p - 2 2 1 0 在线式电能质量监测装置。采用3 2 位d s p 数字信号处理技术， 4 路相互独立的0 - 2 7 5 v 电压输入通道和4 路相互独立的o - 6 a 电流输入通道，7 个数字输入和两 个数字输出通道。l i p - 2 2 1 0 测量电网中电能质量参数包括三相电压、三相电流、有功功率、无功 功率、视在功率，功率因数，有功电度、无功电度、频率、谐波( 电压、电流、功率，o _ 5 0 次) 、 谐波总畸变率、谐波相位角，电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、正序分量，负序分量， 零序分量、闪变以及浪涌塌陷、瞬变等。分析频率、电压和电流有效值、谐波( 2 5 0 次) 及问 谐波、电压波动和闪变( p s t 、p l t ) 、电压不平衡。 我国自行研制开发的高质量电力系统自动化测量装置还很少，尤其是自动化水平高、可靠性 好、精度高以及功能强大的实用产品相对更少同时，测量装置应用的算法【1 o 】主要存在如下的 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 问题： 1 、有的算法速度和准确度不能兼顾，准确度的提高牺牲速度的代价过大； 2 、采用锁相环节跟踪，往往会给硬件的设计、调试带来困难： ， 3 、算法过于复杂，实用性差，部分算法还只停留在计算机仿真阶段 目前，电力部门用的电能质量测量和分析装置大多数是进口的国外产品，价格昂贵因此这 是摆在我们面前难得的机遇和挑战，开发实用、可靠性高和满足耪度要求的电能质量监测算法。 提高国内测量装置的自动化水平，就成为一件具有重要意义的事情 1 3 本课题的研究任务 本文在讨论电力系统电能质量指标及分析其测量方法的基础上，对电能质量监测装置数据分 析算法的改进进行了探索和研究，主要做了以下工作： 1 、简单介绍当前电力系统电能质量问题的相关概念，简要的回顾和分析电能质量问题研究 现状及存在的问题； 2 、研究衡量电能质量的指标和电能质量的监测方法； 3 、为满足在线监测的实时性要求，硬件试验平台使用1 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为本系统 的主c p u ，该芯片优良的性能保证了本课题电能质量实时监测算法的实现； 4 、完成本装置的软件系统设计，完成电能质量各项指标测量的算法实现，着重编制f f r 颓 域加窗算法，频谱泄漏测频算法和闪变测量算法； 5 、各项指标监测算法的试验和结果分析 1 4 小结 本章简单介绍开展课题的背景，阐述了研究电能质量监测算法的意义，回顾了当前电能质量 监测算法研究的历史和现状，讨论了电能质量现象的基本分类和主要研究范围，结合我国电网运 行的实际需要，提出了课题研究的任务 4 中国农业大学硕士学位论文 第- - 章电能质量指标及其意义 第二章电能质量指标及相关标准 随着社会的发展，人们对电能质量会提出越来越高的要求，而随着科技的进步，各种技术实 现方法的费用也会降低，这样，电能质量的标准也不断的提高，趋于严格。我们必须根据新的要 求。不断地推动电能质量的研究向前发展。 电能质量标准应该满足以下三点： 1 、保证电力系统的安全、连续供电和经济运行； 2 、保证用户电气设备的正常用电； 3 ，电力部门( 包括干扰性用户) ，在当前技术水平的基础上，作一定努力后应能达标。 我国从八十年代初开始，国家技术监督局开始陆续颁布并修定了国家电能质量系列标准：即 供电电压允许偏差、电压允许波动与闪变公用电网谐波三相电压允许不平衡度k 电 力系统频率允许偏差 。这五项标准中，电压和频率基本上取决于电能供求平衡关系，三相不平 衡度电阿谐波、电压波动与闪变不仅与电力系统有关，而且受到用户负荷性质的影响下面就 这五项指标的定义及其他相关方面进行阐述 2 1 供电电压允许偏差 供电电压偏差是指实际电压与系统额定电压之差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差 电压偏差过大造成的危害主要有； 1 、对用电设备的危害。用电设备在额定电压时性能最好，效率最高，电压偏离额定值时， 其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命。电压偏差超过一定值后，会引起设备的损坏。 2 、对电力系统的危害。影响电网稳定，经济运行，电压过低，有发生电压崩溃的危险电 压偏低时，用电设备( 主要是电机等动力设备) 要维持输出功率不变，必然导致电流增大，这样 在电力线路上的电压降就会增加，进而导致电压进一步降低，情况严重时，电压将难以维持，导 致电压崩溃电压偏低造成的电流增大还会使网损增大 供电电压允许偏差g b1 2 3 2 5 9 0 ) 允许限值： 1 、3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不超过l o ； 2 、1 0 k v 及以下三相供电为7 ； 3 、2 2 0 v 单相供电为+ 7 、1 0 0 * 衡量点为供用电产权分界处或电能计量点。 2 2 电力系统的频率偏差 电力系统的频率偏差是指电力系统的实际频率偏离标称频率的程度在电力系统稳定运行的 状态下，随着负荷的增减，发电机的出力也在不断地发生变化，同时电力系统的频率也发生着轻 微的变动，这是一种保持系统能量平衡的动态过程频率基本上取决于电能供求平衡关系在正 常运行状态下电力系统的频率应该在标称频率下运行但由于电力系统的负荷在不断地变动， 5 中国农业大学硕士学位论文第二章电能质量指标及其意义 电源出力及其调节系统跟随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率一赢处于变动的状态当中 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需要加以监测，另一方面作为实施安全稳定 控制的主要状态反馈量，要求能实施重构。另外。频率同步也是实现高精度电力量测量的主要措 施之一电力系统低频或高频运行对电网、负荷都有不利的影响。当频率偏差在0 5 h z 之内时主 要是经济问题，即造成设备的效率降低若偏差值大于0 5 h z ，则不仅仅使设备的效率降低，还 会危及设备的安全，引起设备损伤，损坏设备，甚至导致系统瓦解和崩溃。 电力系统频率允许偏差g b t1 5 9 4 s - 1 9 9 5 允许限值： 1 、正常允许偏差士0 2 h z ，根据系统容量可以放宽到士0 5 h z ； 2 、用户冲击引起的频率变动一般不得超过士0 2 h z 标准还对测量仪器提出了基本要求。 2 3 三相电压的不平衡度 电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称所致当三相电源 电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除了含有谐波分量外，还含有正序，负序和零 序分量对于三相三线制电路，没有零序分量。所以，三相电量的不平衡度通常以负序分量与 正序分量的有效值的百分比值来表示 三相电压的不平衡主要是因为分配在三相上的负荷不平衡所致系统三相阻抗不对称，消弧 线圈补偿电网不平衡，电动机车等大容量非对称负荷的接入也会造成三相电压的不平衡 三相不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害。主要有： 1 、引起以负序为起动元件的多种保护发生误动作，威胁电网安全运行； 2 、使半导体变流设备产生附加的谐波电流； 3 、引起旋转电机的附加振动力矩和发热，危害电机的安全运行和正常出力； 4 ，变压器的三相负荷不平衡，会使负荷较大的一相绕组过热而缩短其寿命，而且会由于磁 路的不平衡造成附加损耗； “ 5 、电动机的三相负荷不平衡，由于发熟会引起其绝缘寿命缩短； 6 、干扰通信系统，影响通信质量； 7 、使电网损耗增加； 8 、影响电器的正常土作，使照明设备的寿命缩短或照度不够以及电器损坏 三相电压允许不平衡度g b t1 5 5 4 3 - - 1 9 9 5 ) 允许限值： 1 、正常不超过2 ，短时不超过4 ； 2 、每个用户一般不得超过1 3 3 ，各级电压要求一样； 4 、衡量点为p c c ，取实测9 5 概率值或日累计超标不超过7 2 m i n ，且每3 0 r a i n 中超标不超 过5 m i n 。 标准对测量方法和测量仪器做出基本规定，提供不平衡度算法 2 4 公用电网谐波 6 中国农业大学硕士学位论文第二章电能质量指标及其意义 谐波是存在于电力系统中的一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍 电网谐波产生的原因是非线性负载造成的。如变频器、整流器、逆变器等电力电子变流设备，电 弧炉，电弧焊机等非线性负荷，电力变压器、铁心电抗器等含有磁饱和特性的设备，p c 机、打 印机，日光灯等日用家电，调速驱动电机、充电器以及电镀设备等这些设备从电路中获取跃变 的脉冲电流而不是平滑的正弦波，结果含有谐波的畸变电流回馈到电力系统的其它地方 谐波对电力系统的危害极大主要有： 1 ，使电气设备寿命缩短，使旋转电机的附加损耗加大和过热； 2 、使网损加大，引起变压器绕组的附加损耗，使变压器外壳，外层硅钢片和某些金属固件 发热。并引起变压器的振动； 3 、导致系统发生谐波谐振的可能性增加，从而造成危险的过电压和过电流： 4 、可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指不和电度不计量不准； 5 、使通信受干扰。 公用电网谐波6 b t1 4 5 4 9 - - 9 3 ) 1 、衡量点为p c c 。取实测9 5 概率值； 2 、对用户允许生的谐波电流，提供计算方法； 3 、对测量方法和测量仪器做出基本规定，对同次谐波随机合成提供算法 2 5 电压波动与闪变 电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化电压波动值为电压均方根值 的两个极值u t c x 和u 之差。 电压的快速变动是指供电电压在两个相邻的，持续一定时间的电压均方根值之间的差值在 不超过3 0 m s 的期问内，同方向的二次或二次以上的电压均方根值的变动，只算作一次变动。也 就是说，同方向小于3 0 m s 的快速变化不计入电压变动在单位时间内电压变动的次数称为电压 变动的频度一般以1 m i n 或1 s 为单位。 闪变是人们对照明照度波动的主观感觉，是衡量电压波动对用电设备的影响的一个主要而有 效的指标。由于白炽灯对于电压波动的敏感度要大于其它用电设备，因此，如果电压波动的程度 没有引起白炽灯闪变，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。 供电系统中电压的波动和闪变多是由用户的波动性负荷引起的，波动性负荷可分为周期性波 动负荷和非周期性波动负荷两类。周期性或近似周期性的波动负荷对闪变的影响更为严重波动 性负荷在系统阻抗上将引起电压降上的波动当负荷波动时，系统功率和系统阻抗越大，则导致 的电压波动越大，这取决于供电系统的容量，供电电压，用户负荷大小，类型。电动机起动频度 和功率等 决定闪变的主要因素有： 1 、供电电压波动的幅值，频度和波形： 2 、照明装置，例如在相同的电压波动情况下以白炽灯的照度波动最大，而且和白炽灯的 功率和额定电压有关； 7 中国农业大学硕士学位论文第二章电能质量指标及其意义 3 、与人对闪变的主观感觉有关。 很显然，电压波动的幅值越大，闪变越严重。不同频率的电压波动分量，引起的照度波动对 人的感觉的影响是不一样的，人眼对6 - - 1 2 h z 的电压波动感觉最灵敏，其中以对8 8 h z 的波动分 量最为敏感，人眼能感觉到的极限频率范围是0 0 5 - 3 5 h z 在各种波形中，方波波动引起的照度 变化最大 电压波动和闪变产生的问题主要有两个方面： 1 ，会造成用电设备工作不稳定，最为明显的是影响照明装置的照度，发生照度闪变；还会 使电动机转速不均匀，危及电动机的安全运行，影响产品质量； 2 、由于电压发生波动，使电压幅值有超出可接受的容许范围的危险 电压变动d 的限值和变动频度r ( h _ 1 ) 有关，下面为电压波动和闪变c a b1 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 允 许限值： 1 、当r 1 0 0 0 时，对于低压( i v ) 和中压( m v ) d = 1 2 5 4 ； 2 、对于高压( i ) d 为1 3 ；对于随机不规则的变动d = 2 ( l v 、m v ) 和d = 1 5 ( h v ) ， 此标准为g b l 2 3 2 6 9 ) 修订版，衡量点为电网公共连接点( p c c ) ；p n 每次测量周期1 0 m i n ， 取实测9 5 概率值；每次测量周期2 h ，不得超标；规定限值分三级处理原则；提供预测计 算方法，规定测量仪器并给出典型分析实例。 2 6 小结 本章主要论述了电能质量的各个指标的定义和国家标准允许限值，分析了电力系统中影响各 个电能质量指标的因素以及各种电能质量问题造成的危害。 8 中国农业大学硕士学位论文 第三章电能质量监测算法 第三章电能质量监测算法 3 1f v r 频域加窗算法在谐波分析和频率测量方面的应用 3 1 1 数据采样方法的选择 在电力系统中的非正弦周波都是不规则的畸变波形，为获得谐波参数，需对该波形的连续时 间信号进行等间隔采样，并把采样值转化为数字序列，然后借助相关算法即4 9 1 进行分析采样前 常需要采取同步措施校准，根据校准措施不同交流采样法可分为同步采样法、准同步采样法、非 整周期采样法等 同步采样法是指采样时间间隔b ，被测交流信号周期l 和一个周期内采样点数n 之间满足 关系式瓦；n t s ，由于实际中观察窗不一定是一个整周期，故同步采样法需要保证采样截断区间 等于被测连续信号周期的整数倍。同步采样法的实现方法有两种：硬件同步采样法和软件同步采 样法硬件同步采样法由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲，如采用锁相电路来构 成频率跟踪电路，然后通过分频电路来控制数字采样的触发信号，从而实现同步等间隔采样但 由于硬件同步采样中，锁相电路调试困难，尤其在频率发生变化时，基于硬件环节和所用部件的 不完善等因素，导致出现硬件锁相环路跟踪误差或采样频率软件自动锁定误差，甚至有出现失锁 的可能，最终造成结果出现很大的误差软件同步采样法首先测出被测信号的周期t ，用该周期 除以一周期内采样点数n ，得到采样间隔，进而确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步 采样该方法缺点是由于采样间隔不一定为整数，由d s p 定时器给出的采样问隔与理论计算所得 采样值相比将带来截断误差，另外当被测信号的频率波动频繁或谐波成分较多时也会带来很大的 测量误差 非整周期采样就是以采样时间间隔对连续周期信号进行采样非整周期采样谐波分析方法所 需要的数据可以不是一个严格整周期采样数据，从而使谐波分析有可能跟踪信号的波动，且不管 实际采样是否同步，均能准确地分析谐波该方法适合于快速测量，算法实时性较好但采样， 保持误差、a d 转换器误差、外部或内部随机干扰以及计算机舍入误差对非整周期采样谐波分析 方法的影响比较大，算法也较复杂，实用性差，还有待于进一步研究。 所谓准同步采样法，指在同步偏差不是很大的情况下，通过增加采样数据量和增加迭代次数 来提高测量准确度它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采样的 起点无任何要求。准同步采样降低了对信号频率、采样时间间隔和振荡器振荡频率的要求，因此 9 中国农业大学硕士学位论文第三章电能质量监测算法 可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高的同步环节，使测量装置简单。简化电路 从上述分析可知，同步采样、准同步采样、非整周期采样等采样方法中：同步采样准确度最 好，但硬件复杂、投资高；准同步采样使用改进的算法，也可取得较好的准确度，但软件复杂； 非整周期采样由于还没有解决的诸多问题，实用相对比较困难故而应用很少本文选择准同步采 样方法，通过使用改进的算法，并在保证测量精度的前提下，探索算法的简化设计 3 1 2 传统f f t 算法的频谱泄漏问题 在电能质量问题的主要分析方法中，傅立叶变换方法作为经典的信号分析方法，具有正交、 完备等许多优点，而且有快速傅立叶变换( f f t ) 这样的快速算法傅立叶变换是时域到频域相 互转换的工具，其实质是把波形分解为许多不同频率的正弦波的叠加和，能够把信号的时域特征 和频域特征联系起来，分别从时域和频域对信号进行观察。快速傅立叶变换利用w 因子的对称 性和周期性，将长序列的傅立叶变换分解为若干个短序列的傅立叶变换，然后将其合并，使得n 点的乘法计算量大大降低基于上述优点，在电能质量分析领域，快速傅立叶变换得到了广泛的 应用 理论的傅立叶变换是对整个时域信号的变换，但实际应用的f f t 算法只能对有限长度的信号 进行变换这样，取用有限个数据，即将信号数据截断的过程等于将信号进行加窗函数操作f f t 算法中，有限长度的信号在时域上相当于无限长信号与矩形窗信号的乘积，而时域的乘积运算对 应傅立叶变换结果的卷积运算，因此，利用f f t 算法得到的结果相当于实际信号的傅立叶变换与 矩形窗傅立叶变换的卷积这样的操作会发生频谱分量从正常频谱扩展开来的现象，即所谓的“频 谱泄漏”另外，f f t 处理方法的理论模型要求测量时间是信号周期严格的整数倍，而且采样频 率大于n y q u i s t 频率由于实际应用中电网频率在不断波动，因而即使采用了跟踪锁相技术，也 难以实现严格的同步，造成信号的频率不是f f t 频率分辨率的整数倍，实际信号的各次谐波分量 并未能正好落在频率分辨点上，而是落在某两个频率分辨点之间。这样通过d f t 并不能得到各 次谐波分量的准确值，而只能以临近的频率分辨点的值来近似代替。这即为通常所说的栅栏效应， 难以获得高精度的谐波测量结果 具体分析如下： 对应一个幅值为a m ，频率为，相角为p 的无限长谐波信号h o ) - 爿。p ( 吖柑) ，其傅 立叶变换对应的是一条位于频率珊。处的谱线。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第三章电能质量监测算法 一锄t 蝴一。 ：0 黯懒一函数 ( s i n ( 6 0 t ，2 ) e 长度为t 的有限长信号瓦相当于无限长信号x m 与矩形窗w t 时 ，z 域的乘积，而时域的乘积对应傅立叶变换的卷积，因此，有限长信号l 及其傅立叶变换i 可以 分别用式( 4 - i ) 和式( 4 - 2 ) 表示 毛( f ) i | _ ( f ) 。( f ) 叉。姒。竺0 互) - - o 。兰m 孕 - 姒m i 矿。2 式中，i 。( ) 表示的是一个连续复函数，对应利用傅立叶变换得到的信号的连续频谱。 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) 利用f f r 算法，可以得到对应号当的离散频谱( 式中，k = 1 ，2 ，3 n ，n 为采样点数， t 是采样周期) 。设被分析谐波的角频率。兰弯旦，利用f f r 算法得到的频谱分布可以用序 列叉。( k ) 来表示 叉- - a n 专掣者c c 邮蚰 。渤 设k 庐k 一( 式中，k l 为整数，即谐波次数；而o r 1 ，即频率偏差) 在整周期采样时，r - - 0 ，则有 卧) - 竽e ” 。， 【x m 体) 0 k k 由式( 3 - 4 ) 可以看出：整周期采样时，利用f f t 算法得到的频谱分布为一条谱线，利用这 条谱线相关的参数就可以求出整数次谐波的频率、幅值和相角因此，利用f f r 算法可以实现各 次谐波的准确分析。 非整周期采样时，则谐波信号的频谱分布为 i 删- 础祟与警等一脚 。勘 设 d - 七一t 一，m - - a n i s i n ( 一r 石) e i ( e ) ，则式( 3 5 ) 可简化为式( 3 _ 6 ) 1 1 中国农业大学硕士学位论文 第三章电能质量监测算法 i。)_m(3-6) 由式( 3 - 6 ) 可以看出：谐波的频谱分布不再集中在一条谱线上而是在整个频域内分布。第 k 条谱线的幅值与陋一一r i 成反比。k = k i 一1 ，k - 妇和k = k i + l 对应的谱线的幅值最大，然后随着 恤一屯一r 懈加，相应谱线的幅值按南，即冈1 的速度辅由螂分析可以础 非整周期采样环境下，利用f f r 算法得到的谐波的频谱分布，不是对应一条谱线，而是在整个频 域内分布，即出现了频谱泄漏现象 3 1 3 传统加窗算法的分析 提高频谱分析精度的关键就在于如何尽可能的减小泄漏误差一般的泄漏误差可通过采用性 能优良的窗函数或增加测量时间来解决迄今为止从事信号处理工作的学者己设计了多种不同的 窗函数。窗函数的应用指标主要有两项：第一项指标是窗旁瓣幅值衰减的速度；第二项指标是在 旁瓣幅值一定时的主瓣宽度，实际应用中窗的选择需要综合考虑上述两个指标 常用的窗函数有汉宁窗，海明窗和布莱克曼窗，它们可以用一种通用的形式来表示，即广义 余弦窗豳数广义余弦窗函数n ，jo ) 的表达式如下： 町驴j1 ) 7 n j 毒和) ( ”) 式中，n 为窗函数的点謦；且盖8 j 。1 不同的参数j 和a i 决定不同的窗函数，例如，当j = 0 时，表示一个矩形窗；当j = l ，a 0 - - 0 5 4 ， a 1 - - - 0 4 6 时表示h a m m i n g 窗；当j = l ，a e = a l - - 0 5 时，表示h a n n i n g 窗；当j = 2 ，a o - - 0 4 2 ，a l - - 0 5 ， a f - - o 0 8 时，表示b l a c k m a n 窗 加窗傅立叶变换的表达式比f f r 变换的表达式衰减得更快，意味着频谱泄漏分量衰减得更 快，即频谱泄漏带来的分析误差变小对于一个窗函数，如果j 值确定，则主瓣的宽度是一样的， 而旁瓣的幅值衰减速度却随a i 取值不同而不同。合理选择a i 的值，使旁瓣的幅值衰减速度最快， 这样得到的窗函数在谐波分析时将具有最优的特性，即在频率分辨率相同的前提下，泄漏误差最 小，谐波分析精度最高。 对于一个f f t 频谱表示式为m d 的间谐波。加余弦窗后的频谱表达式可以表示为 洲。扣筹- 竺一 为变量的函数。 由式( 3 - 8 ) 可以看出，如果j 值确定，当f “j 哪( a l ，a 2 ，a j ) = o 时，x j ( k ) 的衰减率最快， 此时x ，( k ) 记为x ，( k ) l x j ( k l - ( 3 - 9 ) 这样的一组参数a o ，a l ，a 2 ，a j 和j 确定的余弦窗函数称为给定j 值下的最优余弦窗函数 当瑚时，