（电力系统及其自动化专业论文）电能质量在线监测系统与pqdif的实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 二十一世纪是网络化的时代，在计算机技术、微电子技术和网络技术的迅 速发展下，电能质量监测技术也在向网络化方向发展。建立科学、准确和符合 生产实际需要的基于网络的电能质量监测与分析系统是对电力系统加强运行管 理、提高运行水平的前提条件。针对传统c s 模式电能质量监测系统的各种弊 端，本文给出了基于b i s 三层体系结构监测系统的设计思路，并利用计算机技 术和网络技术，完成了系统的开发工作。本文还详细分析了i e e e 推荐使用的 p q d i f 的物理结构、逻辑结构以及数据压缩规则，给出了p q d i f 在监测网络中所 处的位置以及具体的实现方法，并利用c o m 和d l l 技术，实现了p q d i f 的转换。 关键词：电能质量，在线监测，浏览器服务器，p q d i f a b s t r a c t t h e21 吼c e n t u r yi sa ne r ao fi n f o r m a t i o na n di n t e r n e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e r , m i c r o e l e c t r o n i c sa n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h em o n i t o r i n gs y s t e mo f p o w e rq u a l i t y d e v e l o p s t o w a r d sn e t w o r k i ti st h e p r e m i s ec o n d i t i o nt h a t s t r e n g t h e n i n gm a n a g e m e n ti np o w e rs y s t e mo p e r a t i o na n de n h a n c i n gt h eo p e r a t i o n l e v e li st oe s t a b l i s has c i e n t i f i c ，a c c u r a t eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e r q u a l i t y f o rt h ev a r i o u sd i s a d v a n t a g e so fm o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e rq u a l i t y b a s e do nt h et r a d i t i o n a lc sm o d e l ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g nc o n c e p to f m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o nb st h r e e t i e r a r c h i t e c t u r e ，a n dc o m p l e t e st h e e x p l o i t a t i o no ft h ew h o l es y s t e mb yu s i n gc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , a n d d i s c u s s e st h e p h y s i c a l ，l o g i c s t r u c t u r ea n dd a t a c o m p r e s s i o n w h i c ha r e r e c o m m e n d e db yi e e e t h ep o s i t i o no fp q d i fi nt h em o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e c o n c r e t er e a l i z a t i o nm e t h o da r ea l s op r e s e n t e d ，a n dt h ec o n v e r s i o no fp q d i fb yu s e o fc o ma n dde l lt e c h n o l o g y z h a n gx i n x i n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，o n l i n em o n i t o r i n g ，b r o w s e r s e r v e r ，p q d i f 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文嘶q 在魔耘悔炒噼瞧在华北电 力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所 知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名：菇筵丝 日 期：怨骘三q 竺9 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：菇雏罐 导师签名： 日期： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展 水平的主要标志之一【l 】。随着科学技术和国民经济的快速发展，电能的需求量也与 日俱增，同时电能质量越来越显示其重要性，电力部门和电力用户对电能质量的关 注也日益增加。清洁绿色的电能供给对于电网和电气设备的安全、经济高效运行， 保障产品质量以及维持人民生活和生产的正常秩序都有着重要意义。 对电能质量日益关注的原因是多方面的，归纳起来主要有五点： 1 为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于微处理机的控制器和功率电子 器件投入使用，这些装置对各种电磁干扰都非常敏感。例如柔性制造系统( f m s ) 或计算机综合制造系统( c i m s ) ，它们对配电系统中的干扰和异常非常敏感，甚至 几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些用户对不合格电力的容限可 严格到1 2 个周波。 2 由于工业技术的发展以及电力电子技术的普及，现代电力系统中用电负荷结 构正在发生着重大变化，尤其是非线性冲击性、波动性负荷会产生大量的高次谐波， 使电网的电压波形发生畸变或引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统 频率波动等，由此降低了电网供电的安全性和可靠性，极大的削弱和干扰了电网的 可靠运行，这迫使供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免电力 系统遭受用电设备产生的电力干扰，维护电网的安全运行。 3 电力用户对电能质量的认识已逐步提高，正在了解如供电间断、电压凹陷、 电路通断引起的暂态现象等实际问题，并且为满足高效生产流程的需要，维护用电 设备的正常运行，向电力部门提出了满足其生产要求的高质量供电需求，甚至通过 签订供电合同和质量协议的方式以获得保证。 4 近年来，“节能降耗成为我国经济发展中备受关注的词汇，其意义无以复 加。电能质量的优质经济运行不仅保证了用户安全、可靠生产，同时具有重要的节 能意义。 5 在电力市场运行机制下，打破行业垄断，电能作为商品由不同的发电公司包 括独立电能生产者在发电侧实行竞争，电力公司与发电分离独立经营管理，为发电 公司和用户提供输送电能服务，用户侧也可作为独立实体参加价格控制。这样一个 开放和鼓励竞争的运行环境必然对电能质量提出越来越高的要求，为用户提供安 全、可靠、而且清洁的电力能源成为电力部门获利经营的先决条件，也是实现良好 的社会效益的唯一手段【2 1 。 华北电力大学硕士学位论文 电能质量问题已不仅仅是电力系统稳态运行条件下电压和频率偏差等的基本 技术问题，并且已被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠 运行，关系到电气环境工程保护，关系到整个国民经济的总体效益和发展战略的高 度来认识。如何保证优质供电以及有效改善电能质量的管理，首先要解决的问题就 是必须建立科学、准确和符合生产实际需要的电能质量实时在线监测系统。 1 2 研究现状 1 2 1 国内外电能质量标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使 用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护 供用电双方合法权益的法律依据【3 1 。在电能质量监测系统中，电能质量标准不仅是 一个完整的行业规程和导则，还提供了科学的技术指导，例如标准中附录的检测算 法等。从六、七十年代开始，世界各国几乎都制定了有关供电频率和电压允许变动 的计划指标，部分国家还制定了限制谐波电压和电流畸变、电压波动等推荐导则。 近十几年来，许多工业发达国家已经制定和颁布实施了更加完备的电能质量系列标 准。 各种电气设备之间以电磁传导、感应和辐射3 种方式彼此关联并相互影响，在 一定条件下会对设备的正常工作和人类造成干扰和危害。2 0 世纪8 0 年代国际电工 委员会( i e c ) 以研究和解决这方面问题为宗旨提出电磁兼容( e m c ) 术语，指出 和强调设备之间的相互作用和影响，以及电源及设备之间的相互作用和影响，i e c 制定了电磁兼容的一系列标准。 1 9 8 9 年欧洲共同体委员会从对居民用电的责任感出发，确定电能的质量标准。 1 9 9 5 年欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 发布c l c b t t f 6 8 6 ( s e e ) 1 5 号文件 公用配电系统的供电特性，作为欧洲共同市场对中、低电能质量的统一标准， 内容颇为全面，已为国际电工委员会( i e c ) 所采用。标准共分5 大类1 3 个指标： 1 频率偏差：在互联电网中；在孤立电网中。 2 电压幅指：慢速电压变化( 即电压偏差) ；快速电压变化( 电压波动和 闪变) ；电压暂降；短时断电；长时断点；暂时工频过电压；瞬态过电 压。 3 电压不平衡 4 电压波形：谐波电压；问谐波电压 5 信号电压 我国从2 0 世纪8 0 年代初开始，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： 2 华北电力大学硕十学位论文 电能质量公用电网谐波 g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量电压波动和闪变 g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量三相电压允许不平衡度 g b t 15 5 4 3 1 9 9 5 电能质量供电电压允许偏差 g b t 1 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量电力系统频率允许偏差 g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量暂时过电压和瞬态过电压g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 随着工业经济国际化的发展，世界各国制定的电力系统电能质量标准正在与国 际权威专业委员会推荐标准及相应的试验条件等一系列规定接轨，逐步实现标准的 完整与统一。 1 2 2 电能质量监测技术研究现状 在工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题来看待， 采用电网各项电能质量指标的实测数据作为发现问题、研究问题和解决问题的最终 手段。实测电网质量的状况，已成为保证电网安全、可靠经济运行、高质量供电必 不可少的措施之一。为此，世界各国都相应研制和开发了一系列的电能质量分析装 置和仪器，其大致经历了三个阶段。 第一代电能质量监测仪始于2 0 世纪7 0 年代中叶d r a n e t z 工程实验室( 现在的 d r a n e t z b m i ) 推出的6 0 6 系列电力线扰动分析仪，仪器基于微处理器，很多单元现 在仍在使用。这些监测仪的输出是基于文本的，打印在纸带上。打印输出根据事件 类别( 暂降、中断等) 和电压大小来描述扰动。这些监测仪与现代监测仪相比功能 有限，但触发机构已经开发得很好。 第二代电能质量仪器在2 0 世纪8 0 年代中叶初次登场。这一代电能质量监测仪 的一般特点在于完全图形显示和数字存储以观查和保存捕捉的电能质量事件，包括 暂态和稳态事件。有些仪器有能力从远程监测点传送数据到中心位置，用于事后的 分析。第二代电能质量仪器事实上已经完善了触发机构的基本要求。因为电能质量 扰动的发生是高度不可预测的，数据必须连续记录和处理，不能有任何时间中断。 复杂的触发引擎决定什么数据和多少数据该被保存到数字存储器中。触发方法包括 利用固定的和浮动的限值与敏感度、波形变化和特定事件的特征参数等。在捕捉和 存储对用户来说比较重要的数据方面，这种方法实现了概率优化。 美国电科院( e p r i ) 自1 9 9 3 年6 月至1 9 9 5 年9 月开展的名为配电网电能质量 ( d i s t r i b u t i o ns y s t e mp o w e rq u a l i t y ，d p q ) 监测工程，针对全美2 4 种不同供电企 业的2 7 7 个监测点进行了数据采集和统计分析，研究系统性能如何监测、特殊的电 能质量问题如何监测、为提高供电的服务质量如何监测等等。受e p r id p q 项目的 启发，到2 0 世纪9 0 年代中叶，出现了第三代电能质量仪器。这一代监测仪更适合 作为完整的电能质量监测系统的一部分，收集和管理数据的软件系统也得以开发。 华北电力大学硕+ 学位论文 在该项目结束之后，获得的大量现场经验反映出管理一个庞大的电能质量监测系统 时会遇到的困难： 1 随着监测点的增加，如何管理那些必须收集、分析与存档的大宗原始测量数 据成为一个严峻的挑战。 2 在每个监测点收集的数据量会加重用于将该数据从监测仪转移到分析中心 的通信机制的负担。 3 监测数据提供的反馈信息，使得人们对系统性能的认识加深。由此，对正常 电容投切等特定事件的详细观察不再有必要，而总结或者压缩的表格更有用处。 4 任何监测系统的实际价值在于产生信息而不是收集和存储大量的原始数据。 从e p r id p q 项目得到的经验，人们认识到，电能质量监测计划的信息系统功 能在跟踪电能质量性能方面有着重要的作用。现代电能质量监测仪的开发转向了满 足新的信息系统的需求。例如，为了从捕捉的数据中能够发现知识和信息，并能快 速传播这些信息，采用了专家系统和先进的通信技术。 目前，国内外对电能质量的监测方式大致分为三种： 1 专门测量：即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、 滤波器等在接入电网前后，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，决定其是否可以投运。 2 定期或不定期监测：即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度和 需要等采取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查，主 要目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性。不定期检测主要是针对电力 用户的特殊电能质量问题进行检测分析。 3 在线监测：也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。即对于大型干扰源 ( 如炼钢厂、电气化铁路等) 必须按照电能质量标准，对电压偏差、频率偏差、谐波、 电压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪监测。 近年来，我国电力系统供电部门对电能质量各项指标的监测正在从专门测量和 定期或不定期监测向网络化监测转变。在这方面，广东省电力公司、浙江省电力公 司率先开展了电能质量网络化监测的工作。以浙江省电力公司为例，1 9 9 7 1 9 9 9 年 浙江电网曾对6 个地区、5 3 座变电站进行谐波普查，并在1 9 9 7 年前后，对嘉兴、 杭州、金华、湖州等地装过6 套谐波实时监测装置，但由于受当时技术条件、计算 机水平的限制，各地区电力局一般利用便携式测量仪不定期的对某些线路和变电站 或对发现有电能质量问题的电厂或电力用户进行测试分析，然后通过硬盘将数据上 报到省电力试验研究所，经过其汇总、统计及分析，对全省电网的电能质量水平进 行评估，提出电网目前存在的问题，供电力公司领导决策参考。这样的运行方式工 作量大、数据采集不系统、不全面、时间的延续性短、监测功能少、实时性差、监 测效率低、统计分析功能不完善。因此，必须对电能质量进行长久持续、全面广泛 4 华北电力人学硕十学位论文 的监测，2 0 0 5 年浙江省电力局提出建立浏览方式的电能质量监测系统，或者把电能 质量监测融入到原有的s c a d a 系统的工作，现已开展网络型电能质量监测系统的 设计、开发和实验工作。 1 2 3 电能质量监测技术发展趋势 对电能质量现象进行全面监测和评价并不是一件简单的事情，它需要多种学科 融合，多种技术结合，从理论和实践上不断地进行探索。因此，电能质量监测技术 研究将更加深入。 1 实现在线监测。随着电子技术的进步和传感器技术、光纤技术、计算机技术、 信息技术等发展和向各领域的渗透，系统监测技术广泛采用这些先进的科研成果， 使在线监测逐步走向实用化阶段。 2 虚拟化与网络化监测。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化 的硬件和软件平台上的完全开发的系统，结合电力系统的应用，开发应用虚拟仪器 技术建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的电能质量实时监测系统，与虚 拟仪器相区别的网络化智能仪器是监测装置发展的又一重要方向。同时，监测装置 作为接入访问平台进入网络，可以实现设备资源和数据资源共享及远程操作。 3 新的数据采集与监视控制( s c a d a ) 系统的研制。采用i n t e r n e t 技术，面向 对象、神经网络以及j a 、，a 技术等技术，并继续扩大s c a d a 系统与其他系统的继 承。此领域的难点是电流电压的同时测量，数据量大，因此需要强大的数据库及相 应的分析软件对各种电能质量问题进行系统分析，提高电能质量的监测水平【4 1 。 电能质量监测正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展，因 此，对监测系统在功能上提出了更高的要求，也表明这一应用领域需要多种技术的 相互融合和各个领域的密切合作。 1 3p o dif 的提出 随着人们对电能质量认识的提高，电能质量监测仪器和设备的研制正在迅速发 展。就国内外市场上存在的电能质量监测仪器而言，不仅种类繁多，而且与之配套 的后台分析软件也是各成体系，这样就产生了不同厂商装置的数据存储格式，转换 格式互不兼容和通讯模式不一致等新问题，这使得电能质量监测系统没有统一的数 据录入格式，难以实现数据共享。同时，电能质量监测和分析不仅需要海量数据， 而且涉及广泛的数据来源，多种类型的数据内容和描述，如果数据格式各异，指标 含义不统一，必将导致数据管理的混乱，给电力部门与电力用户带来很大不便。因 此电能质量数据格式统一化，规范化和标准化逐渐成为国内外关注的焦点。 九十年代中期，美国e p r i 针对不同的数据采集源研究制定电能质量数据交换 格式p q d i f ( p o w e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ) ，随后被i e e e 标准委员会采 5 华北电力大学硕士学位论文 纳并起草了i e e e l l 5 9 3 号文件，以解决电能质量数据格式标准化工作中的实际问 题。该草案经几次修改后，终于在2 0 0 2 年形成了比较成熟的i e e e ll5 9 3 d r a f t 9 标 准文件【5 1 。 该标准对于电能质量监测的数据记录格式给出了统一的术语、定义和指导方 针，解决了监测数据可交换性和可比性差的问题，一经推出，引起了很大的反响。 随后e p r i 开发了与之配套的数据库应用软件p q v i e w ，它以p q d i f 作为输入数 据源，用于存储和分析大容量的与电能质量相关的干扰和稳态测量数据。具有多种 数据管理工具的特点使其可以快速对测量数据进行定性分类。p q v i e w 还包含有统 计分析和绘图工具，可对电力系统中单点或多点进行分析。p q v i e w 使用户能管理 从不同类型的仪器发送的数据，如电能质量监测仪，电压记录仪，厂内监测器，故 障录波仪等。 目前，我国学术界和工程界力主推荐采用i e e e l l 5 9 3 d r a f t 9 标准文件，并对其 消化吸收，同时结合实际应用，开发中国的“p q v i e w 。但是，对其认识和理解仍 存在困难，至今p q d i f 的推广工作才开始起步，尚待进一步的努力。 1 4 本文的主要研究工作 如前所述，建立科学、准确和符合我国生产实际需要的电能质量监测与分析系 统是对电力系统加强运行管理、提高运行水平的前提条件。本文根据国内外电能质 量监测的现状和发展前景，设计并实现了区别于传统c s 模式的、基于b s 三层体 系结构的电能质量在线监测系统，同时把p q d i f 的实现及应用也作为目标，进行了 深入的研究。论文的主要工作包括： 1 总结和明晰了电能质量的定义，并按电能质量现象分类做出整理，在此基础 上分析了电能质量的检测算法，同时介绍了i e e e 和i e c 的电能质量监测标准，为 设计和实现电能质量在线监测系统奠定了理论基础，制定了正确的研究路线。 2 设计并实现电能质量在线监测系统：首先从系统目标、系统功能以及技术要 求三个方面对监测系统做出整体设计和规划；针对传统c s 模式电能质量监测系统 的各种弊端，设计了基于b s 三层体系结构的监测系统；利用计算机技术和网络技 术，将数据库的统计、分析及管理等技术与采用w e b 技术的信息查询、发布系统有 机结合，完成了软件的开发。 3 从p q d i f 的产生背景和格式定义出发，详细分析了其数据设计格式：物理 结构、逻辑结构以及数据压缩规则。 4 给出在电能质量在线监测系统中p q d i f 所处的网络位置，以及利用c o m 和 d l l 技术构建w i n 3 2c o m 组件的方法，同时给出规范的p q d i f 文件管理方法。 5 在文本格式( 木t x t ) 转p q d i f 格式( 幸p q d ) 的应用中，设计了文本格式的 定义以及p q d i f 文件的逻辑结构卡片，实现了p q d i f 的转换工作。 6 华北电力大学硕十学位论文 第二章电能质量的分类与监测 2 1 电能质量的概念 理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦波形，按规定电压等 级与水平对用户供电，同时在三相交流电力系统中，各相电压和电流应力争处于幅 值大小相等、相位互差1 2 0 。的对称状态。但由于系统各元件( 发电机、变压器、线 路等) 参数不是理想线形或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完 善以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，更重要的 是由此对电网正常运行、电气设备正常工作和供用电各个环节带来的各种各样的问 题，因而提出了电能质量的概念。 什么是电能质量? 从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是由于人们看问 题的角度不同，所以迄今为止，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。例如，电力部门可能把电能质量定义为电压与 频率的合格率，并且用统计数字来说明电力系统9 9 9 是安全可靠运行的；电力用 户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电。因此，在像供电中断持续时 间等问题上供受双方意见就不相一致，这种故障事件应当归属输配电工程问题还是 电能质量问题说法不一；而设备制造厂家则可能定义电能质量就是指电源特性应当 完全满足电气设备的正常工作需要。但实际上，不同厂家和不同设备对电源特性的 要求可能相去甚远。 一种普遍接受和采用的技术名词和定义是： 1 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) ：关系到供用电设备正常工作( 或运行) 的电压 电流的各种指标偏离理想值的程度，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。 从工程实用角度出发，将电能质量概念具体分解并给出解释。其内容如下： 2 电压质量：给出实际电压与理想电压问的偏差，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、电压 瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降( 暂升) 与中断、电压谐波、电压陷波、欠 电压、过电压等。 3 电流质量：与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户 汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。 电流质量通常包括：电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。 4 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 7 华北电力大学硕士学位论文 电可靠性；非技术含义是指服务质量，它包括供电部f - j x 寸用户投诉与抱怨的反应速 度和电力价目的透明度等。 5 用电质量：它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，反映供用双方相互作用与影响中用电方的责任和义务6 1 。 2 2 电能质量的分类 对电力系统进行电能质量的测量、分析和研究时，考察的参数很多，随着科学 技术的发展以及对电能质量要求的提高，考察的指标仍在不断增多。因此需要将电 能质量进行分类并给出相应的定义或规定，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。 对于电能质量现象可以从不同角度分类。国际电工委员会以电磁现象及相互干 扰的途径和频率特性为基础，给出了广义的电磁扰动的基本现象分类如下。 1 低频传导现象：谐波，间谐波；信号电压( 电力线载波) ；电压波动； 电压暂降和间断；电压不平衡：工频偏差；低频感应电压；交流电网中 的直流分量。 2 低频幅射现象：磁场；电场。 3 高频传导现象：感应连续波( c w ) 电压与电流；单向瞬变；振荡瞬 变。 4 高频辐射现象：磁场：电场；电磁场；连续波；瞬变。 5 静电放电现象( e s d ) 6 核电磁脉冲( n e m p l 表2 1 是一个清晰描述电能质量及电磁干扰现象的实用工具，它给出了i e e e 关 于电能质量领域电磁现象的种类和特征，对表中列出的各种现象可进一步用其属性 和特征加以描述：对于稳态现象可利用幅值、频率、频谱、调制、电源阻抗、陷落 深度、陷落面积描述：对于非稳态现象可利用上升率、幅值、相位移、持续时间、 频谱、频率、发生率、能量强度、电源阻抗等描述。 表2 1i e e e 电力系统电磁现缘的特性参数及分类 类别典型频谱典型持续时间典型电压幅值 纳秒级5 n s 上升 l m s 低频 5 l ( h z0 3 5 0 m s 0 - 4 p t 1 振荡中频 5 5 0 0k h z 2 0us 0 8 p u 高频0 5 5 m h z5i ts 0 - 4 p u 华北电力大学硕十学位论文 瞬时暂降0 5 3 0 周波 0 1 0 9 p u 暂升o 5 3 0 周波 1 1 1 8 p u 中断o 5 周波3 s 1 m i n 0 8 - 0 9 p u 过电压 l m i n 1 1 1 2 p u 电压不平衡 稳态 0 5 2 直流偏置 稳态 0 o 1 谐波 0 1 0 0 t h 稳态 0 2 0 波形畸变 间谐波0 6 姐z稳态 0 2 陷波稳态 噪声宽带稳态0 1 电压波动 2 5 h z 间歇 o 1 7 工频变化 1 0 s 电能质量的分类不仅为电能质量的测量和分析提供了基础，同时也促进了电能 质量标准的制定和实施，进而为测量数据提供统一的、规范的、科学的平台。但需 要指出的是，迄今为止对电能质量的分类仍存在着由于定义不同引起的类别区分界 线不很清晰和由于分类方法不同产生的技术名词不统一等问题，同时根据电磁干扰 现象的不同特点可以确定电能质量指标，指标的确定应有其确切的含义和物理特 性，这也是一个有待专门研究和完善的课题。因此对电能质量现象科学、完整的分 类仍是未来电能质量标准化尚待深入开发的重要工作。 2 3 电能质量的检测分析算法 电能质量监测是收集、分析原始测量数据，并将其解释为有用信息的过程。它 包括两个方面：1 监测系统对原始数据的采集；2 对数据的处理与分析。通常， 数据的采集过程通过长期、连续的测量电压和电流信号来实现，而分析和解释过程 通常是手工完成的。近年来，由于信号处理技术和人工智能技术的进步，随之出现 的智能系统可以实现自动分析和解释原始数据，并使其成为有用的信息，所需的人 工介入越来越少。 9 华北电力大学硕士学位论文 电能质量的检测分析算法涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要开发 相应的分析软件和工程方法对各种电能质量问题进行分析研究，为改善电能质量提 供指导意见。近年来，时域、频域、基于数学变换的分析方法和人工智能技术已在 电能质量领域中得到广泛应用。其中人工智能作为一门发展迅速的交叉学科，受到 了电力行业科研工作者和工程技术人员的关注，将其应用于电能质量问题的研究是 当前电工领域的热点，也是电能质量分析计算的发展趋势。 2 3 1 时域仿真方法 时域仿真方法在电能质量扰动分析中的应用最为广泛，其最主要的用途是利用 各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种过程现象进行研究。它可直接提取波形 特征进行分析，具有物理意义明确、直观性强的特点。 采用时域仿真方法的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，因 此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模仿开关的开合过程时，还会 引起数值振荡。 利用上列暂态仿真程序可在如下电能质量领域开展研究： 1 计算系统中出现的过电压，分析其对各种保护设备的影响。 2 分析电容器投切造成的暂态现象。 3 分析可控换流器换流造成的电压波形缺口和电流波形畸变。 4 分析电弧炉造成的电压闪变。 5 分析系统短路故障引起的短时间电压中断和凹陷。 6 分析不正常接地引起的电能质量问题。 顺便提出的是，由于配电系统中电能质量问题的日益严重，而广大电力用户对 电能质量的要求不断提高，研究和应用各种改善电能质量的电力电子控制器已成为 当务之急。利用电力电子仿真程序对这些控制器及其控制策略进行仿真分析，也成 为时域仿真程序在电能质量应用领域中重要的方面【_ 7 1 。 2 3 2 频域分析方法 频域分析方法主要包括频率扫描、谐波潮流计算和混合谐波潮流计算等，该方 法多用于电能质量中谐波问题的分析计算。 频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，因此 混合谐波潮流计算法近年来速度发展。它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，可求出各次谐波动态电流矢量，从而 得到动态谐波潮流解。其优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精 确描述其动态特性。缺点是计算量大，求解过程复杂。 l o 华北电力大学硕十学位论文 2 3 3 基于数学变换的分析方法 在实时、在线的电能质量测量和分析中，由于被测数据必须以足够高的采样速 率进行采集并存储，而且长期在线进行，所以存储的数据量非常大。为合理的利用 这些数据，通常采用基于数学变换的方法进行扰动信号的分析。基于数学变换的分 析方法主要有傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换、二次变换和p r o n y 分析等。 ( 1 ) 傅立叶变换 傅立叶变换作为经典的信号分析方法具有正交、完备等许多优点，而且有像快 速傅立叶变换( f f t ) 这样的快速算法。在运用f f t 时，必须满足以下条件： 1 满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上； 2 被分析的波形必须是稳态的，随时间周期变化的。 因此，当采样频率或信号不能满足上列条件时，利用f f t 分析会产生“旁瓣一 和“频谱泄漏刀现象，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利用；信号的任何突变，其频谱将散布于整个频带。 ( 2 ) 短时傅立叶变换 为解决上述问题，提出了短时傅立叶变换方法( s t f t ) ，即将信号不平稳过程 看成是一系列短时平稳过程的集合，从而将傅立叶变换用于不平稳信号的分析。在 运用s t f t 时，必须注意窗口大小。i e c 标准针对电力系统的特点，提出的关于电 网谐波的标准中把谐波分为三类：准稳态谐波( q u a s i s t e a d yh a r m o n i c s ) ，波动性谐波 ( f l u c t u a t i n gh a r m o n i c s ) ，快速谐波( r a p i d l yc h a n g i n gh a r m o n i c s ) ，并推荐了针对不同 的谐波采用不同的窗函数和窗宽，以提高测量精度。在这方面我国电能质量标准基 本采用了i e c 的标准，如表2 2 示。 表2 2i e c 关于电网谐波的分类以及推荐窝宽 谐波分类推荐窗宽附加要求 准稳态谐波 t w = 0 1 0 2 窗之间可以存在间隔 波动性谐波t w = 0 3 2 ( 矩形窗)没有间隔 t w = 0 4 0 5 ( 汉宁窗) 窗口一半交叠 快速谐波t w = 0 0 8 0 1 6 ( 矩形窗)没有间隔 由于s t f t 的时频窗口固定不变，而实际多尺度过程的分析要求时频窗口具 有自适应性，即高频时频窗大、时窗小；低频时频窗小、时窗大。因此，它只适合 于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。而且，这种 方法的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法。 ( 3 ) 小波变换 小波变换是新的多尺度分析数字技术，它通过对时间序列过程从低分辨率到高 华北电力大学硕十学位论文 分辨率的分析，显示过程变化的整体特征和局部变化行为。小波技术不但能对信号 进行时域分析，还能对信号进行信号去噪、信号识别和数据压缩、还原等。由于其 时频局部化的特点，克服了以上f f t 和s t f t 的缺点，特别适合于突变信号和不平 稳信号的分析。常用的小波基函数有：d a u b e c h i e s 小波、b 小波、m o r l e t 小波、m e y e r 小波等。 在实际的应用中，小波变换的缺点是运算量较大，在实时系统应用中需要如d s p 等价格较高的高速运算芯片。另外小波分析具有“边缘效应 ，边界数据的处理会 占用较多时间，并带来一定误差。 ( 4 ) 二次变换 二次变换( q u a d r a t i ct r a n s f o r m s ) 是一种基于能量角度来考虑的新的时域变换 方法。信号的能量函数可分别用时间和频率的函数来表示，同时信号的能量函数必 须能用基于时间和频率的能量密度函数来表示。也就是说，信号的能量分布是时间 和频率的双线性函数，它构成了时域二次变换的基础。 二次变换的优点是：可以准确的检测到信号发生尖锐变化的时刻；精确测量基 波和谐波分量的幅值。其缺点是：不具有时域分析功能。 ( 5 ) p r o n y 分析 p r o n y 分析衰减的思想类似于小波。该方法认为信号总是可以由一系列衰减的 正弦波构成。这些衰减正弦波类似于小波函数( 由于不满足容许性条件，所以不能 构成小波函数) 。也就是信号s ( t ) 可分解成：s ( t ) = a ；e 眈s i n ( c o ；t + ) ，由该公式可以 想象，当分解结果求出来后，信号中各个频率的信号及其幅值和相角也将明了。从 这个意义上讲，这种分析方法和小波一样，可以做多尺度的信号分析，对电力系统 的数据分析十分有用。 p r o n y 分析的缺陷是计算时间太长，以至于不可能在实时系统中应用，但用来 做离线的数据分析是相当好的一个工具。设想当信号中含有各种谐波电流和噪音 时，要求将这些信号一一分离，若利用小波分解，由于需要分解到很低的频率，计 算各个频段系数的时间就会很长，这时采用p r o n y 分析的方法更好【8 】。 2 3 4 人工智能技术 、 人工智能技术( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 是计算机研究和应用发展到一定阶 段的产物，它研究怎样用机器模仿人脑从事推理、规划、设计、思考和学习等思维 活动，解决迄今为止仍需由专家才能处理好的复杂问题，作为一门快速发展的交叉 学科，已广泛应用于各个行业中。在电能质量领域的应用主要集中在电能质量监测 和评估、电能质量问题的诊断和分类、谐波分析、系统恢复和决策、智能的电能质 量训练和教育体系的开发等。其主要的分析方法有专家系统、神经网络、模糊逻辑 和遗传算法p j 。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 专家系统在某一特定领域内利用知识和推理来解决人类专家不能解决的重要 问题，比较适合于过程复杂、影响因素较多的控制过程，它不需要建立数学模型， 而只是依靠从专家和有经验工人那里获得的知识就可以对生产过程进行控制，而且 控制效果比较理想。传统程序必须固定程序步骤，借以复杂的算法，只要输入数据， 就能得出结果；而e s 则集中大量的符号处理，采用启发式方法模拟专家的推理过 程，通过推理，利用知识解决问题。 由于e s 具有较强的逻辑思维和符号处理能力，并能方便的修改原知识，灵活 性好，因此良好的应用于电能质量的自动诊断和决策。 ( 2 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 是一个以有向图为拓扑结构 的动态系统，它通过对连续或断续式的输入作状态响应而进行信息处理。 a n n 是一种从不同角度、不同功能来模拟动物神经系统的技术，在电能质量分 析中，较为理想的应用于识别故障模式，波形分类和系统识别等【i o l 。 ( 3 ) 模糊逻辑( f u z z yl o g i c ，f l ) 人的思维与计算机的二值逻辑不同，对事物判断的逻辑一般是模糊的，这就需 要对所获信息进行一定的模糊化处理，尤其以在一个或多个的输入是不易离散的连 续变量，数学模型不存在、难以建立或数学表达式复杂计算难度大，输入信号中需 要含有噪声等情况下，模糊逻辑有其不可取代的作用。 当今在潮流计算、系统规划、模糊控制、故障诊断等电力系统领域，都成功地 应用了模糊理论。在电能质量测量中，存在着基于主观判断而确定的参数，如对于 最终电能质量好坏的评价【1 1 1 ，而且用以区分不同扰动的波形幅度边界和扰动持续时 间都有其难确定性，因此模糊逻辑技术非常适用于电能质量的分析。 ( 4 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 遗传算法是一种进化论的数学模型，是在思想方法上标新立异的优化方法。它 借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法，其主要特征是群体搜索策 略和群体中个体之问的信息交换，搜索不依赖于梯度信息，尤其适用于处理传统搜 索方法难以解决的复杂的和非线性的问题。g a 将“自然选择”的原则引入优化过 程中，通过遗传算子，即选择、交叉、变异的操作，对所有可行解寻优。遗传算法 在搜索过程中不易陷入局部最优，即使在所定义的适应度函数是非连续、不规则和 有噪声的情况下，也能以最大的概率找到全局最优解，较好地克服了寻优过程中易 陷入局部极小的困境。 在电能质量的应用中，遗传算法通常与模糊逻辑、神经网络结合测量电能质量 数据，减少谐波畸变和优化电容器组的分布等【1 2 3 1 。 使用人工智能技术研究电能质量问题具有广阔的应用前景，对它的开发和应用 1 3 华北电力人学硕士学位论文 正在蓬勃开展。但目前，大部分研究只是集中在电能质量扰动的识别、谐波分析以 及在线监测；同时，最新的人工智能技术的应用大多仍停留在仿真分析、实验阶段， 只有小规模的应用。随着电能质量问题的日益严重和广大用户对电能质量要求的不 断提高，有关人工智能技术在电能质量中的应用研究将会不断地深入。 2 4 电能质量的监测标准与监测内容 2 4 1 电能质量的监测标准 如果在不同监测点和不同系统之间进行比较，电能质量水平必须有始终如一的 定义，同时还要用相同的方法来表示。因而，在电能质量监测方面，相关的标准也 非常重要。以下介绍我国与之接轨的重要的i e e e 和i e c 标准。 ( 1 ) i e e e1 1 5 9 - 1 1 5 5 电能质量监测指南 i e e e1 1 5 9 是开发协调电能质量监测标准的工作组。该工作组给出了i e e e1 1 5 9 标准，不仅给电能质量测量提供通用的导则，还给不同类型的电能质量问题提供标 准定义。它有三个独立的任务组负责更专门的导则和要求的制定。 i e e e1 1 5 9 1i 作组正在为针对不同电能质量现象所使用仪器的要求制定导则。 这些要求包括采样率、同步性、a d 采样精度和采样周期数等事项。 i e e e1 1 5 9 2 工作组正在制定表征不同电能质量现象的导则。这包括涉及电能质 量变化( 如跌落幅值、持续时间、相移和电压暂降的相数等) 影响的重