（电力系统及其自动化专业论文）电能质量监测与故障记录装置的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sa r eb e i n gm o r es e r i o u sb e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n dt e c h n o l o g i e s ，w h i c ha r ea l s ob e i n gp a i e dm o r ea t t e n t i o n s op o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n gi sb e c o m i n go n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c hs p o t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d i f f e r e n t d e v e l o p m e n ts i t u a t i o n so fp o w e rq u a l i t yr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a da r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d t h u s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e f e c t so ft h em a i n s t r e a mp o w e rq u a l i t y m o n i t o ra th o m ea n da b r o a da r es u m m a r i z e d al o to fr e s e a r c hw o r kh a sb e e nd o n e a b o u tp o w e rq u a l i t ya n a l y s i sm e t h o da n df a u l tr e c o r d i n gm e t h o d ，i n c l u d i n gf o u r i e r a n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s i s c o m p a r i n gt h ee m u l a t i o n a lr e s u l to f f o u r i e ra r i t h m e t i c w i t hw a v e l e ta r i t h m e t i co n eb yu s i n gm a t l a b ，m e r i t sa n dd r a w b a c k so fb o t ho ft w o a r i t h m e t i cb e c o m eo b v i o u s b a s e do nt h e s ea n a l y s i sr e s u l t s ，an e wc o m p o s i t ea n a l y s i s o ff f ta n dw a v e l e ti sp e r f o r m e d ，w h i c hi st h eb a s i ca n a l y s i sm e t h o do ft h ed e v i c e a n dt h e nad e s i g nt h o u g h to fn e wp o w e rq u a l i t ym o n i t o rw i t hf a u l tr e c o r d i n gf u n c t i o n i sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt or e l a t i v ep o w e rq u a l i t ys t a n d a r d sa n dd y n a m i cr e c o r dr u l e i nc h i n a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d e s i g ni m p l e m e n t a t i o no fb o t ho fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s b e i n gr e c o m m e n d e dd e t a i l e d l y t h ed e v i c ei sb a s e do nt w o c p us t r u c t u r eu s i n ga r m a n dd s p , w h i c hh a sh i g hs p e e da n dh i g l lp r e c i s i o na n ds a t i s f i e st h er e a l - t i m e r e q u i r e m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m t h ed e v i c ec a nr e a l i z ea l lk i n d so ff u n c t i o n s r e q u i r e db ys i xp o w e rq u a l i t ys t a n d a r d si s s u e di nc h i n a , i n c l u d i n gp o w e rq u a l i t y s t e a d ya n a l y s i sa n dt r a n s i e n ta n a l y s i s b e s i d e s ，t h ed e v i c ec a nr e a l i z ef a u l tr e c o r d i n g f u n c t i o n , t h a ti s ，w h e na c c i d e n t sh a p p e ni ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h ed e v i c ec a i l r e c o r dt h ew a v e so ff a u l ts i g n a l s ，w h i c hc a nb et h em a t e r i a lo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n a l y s i s b e c a u s et h er e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，u c o s - i i ，h a sb e e nu s e di nt h i s d e v i c e ，i th a san i c eg u ia n di ti sv e r yc o n v e n i e n tt om o d i f yt h es y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , f a u l tr e c o r d i n g ，f o u r i e ra n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s ，m a t l a b ， u c o s n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e p , 昂i j 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 伟 陌y ： 0 氢 鲥 月 文弓 论 嘭 位 w 筠 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲陌每b 删卜珀p 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态 的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系 统中，还要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差1 2 0 。但由 于电力系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的非线性或不对称性， 以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在，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，也就是电能质量问题。 围绕电能质量的含义，从不同角度理解通常包括如下几方面。 ( 1 ) 电压质量。指实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应 的电能是否合格。这个定义包括大多数电能质量问题，但不包括频率造成的电 能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。 ( 2 ) 电流质量。反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，电力用户除 了对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，有些用户还要求电流波形与供 电电压同相位以保证高功率因数运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和 线损的降低，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。 ( 3 ) 供电质量。技术含义是指电压质量和供电可靠性。非技术含义是指服 务质量，包括供电企业对用户投诉的反应速度以及电价组成的合理性、透明度 等。 ( 4 ) 用电质量。包括电流质量，还包括反映供用电双方相互作用和影响中 的用电方的权利、责任和义务，电力用户是否按期、如数缴纳电费等。 国内外对电能质量确切的定义至今尚没有统一的共识。但大多数专家认为， 电能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能j 下常工作的电压、电流或频 率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题。 当前电能质量问题主要有以下两个方面的原因： ( 1 ) 电力负荷构成的变化。目前，电力系统中存在大量非线性负荷：大规 模电力电子应用装置、大功率的电力拖动设备、直流输出装置、电化工业设备、 第1 章绪论 电气化铁道、炼钢电弧炉、轧机、提升机、电石炉、感应加热炉及其他非线性 负荷。另外，还存在很多快速变化的冲击性负荷：如大型马达和马达群组、高 层大楼的高速电梯、大型娱乐场的电飞车、汽车制造厂的电焊机、高速铁路、 高速磁悬浮列车和地铁、港口的起重机及其他快速变化负荷。 ( 2 ) 大量谐波注入电网。含有非线性、冲击性负荷的新型电力设备在实现 功率控制和处理的同时，都不可避免地产生非正弦波形电流，向电网注入谐波 电流，使公共连接点的电压波形严重畸变，负荷波动性和冲击性导致电压波动、 瞬时脉冲等各种电能质量干扰。 随着这些非线性、冲击性负荷的大量使用，电能质量问题将会变得更加突 出，对电网运行、敏感电气设备的影响和危害将更加明显，电力事故发生的可 能性将逐步表现为由电能质量不合格所引起。 电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国 力的主要标志之一。电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的 重要标志。随着现代社会和科学技术的发展，一方面，非线性负荷和冲击性负 荷的大量使用造成电能质量恶化；另一方面，大量精密控制仪器和微电子装备 对各种电磁干扰都极为敏感，微小的电压扰动或特性变化都可能影响到装置的 正常工作，甚至导致跳闸或生产停顿。因此，监测、控制改善电能质量成为当 务之急，这也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。 电能质量监测在改善电能质量问题中起着关键作用。电能质量监测是获得 电力系统运行状况和电能质量水平的重要手段。电能质量是一个持续的时间量， 它不仅可以反映当前系统状况，还可以得到系统历史事件内的电能质量状况。 电能质量监测数据中包含有丰富的信息，通过对这些数据的分析统计可为系统 决策提供事实依据。电能质量监测可以全程跟踪线路或者设备的运行状况，通 过对监测历史数据的分析找出系统故障的原因。电能质量监测装置就可以满足 上述要求【2 】o 研究电能质量问题，对电力系统进行电能质量监测，可以了解公用电网的 电能质量水平和存在的问题，有利于对公用电网的性能做出j 下确的评估，从而 改善电力系统运行状况。这在一定程度上避免了电力系统故障的出现。但在电 力系统中，由于人为原因、设备老化和自然灾害等，不可避免的会发生电力系 统故障。和电能质量问题一样，电力系统故障会对人民生活、工业生产和国防 安全造成巨大影响和损失。为了避免电力系统故障，就要分析研究故障发生发 2 第1 章绪论 展的规律，而研究基础就是故障发生前、发生时、发生后的数据和波形。普通 的电能质量监测装置只负责日常的实时监测和数据分析，不能满足上述记录数 据的要求，但故障录波装置就可以做到这些。 近几年来，随着跨区跨省电网互联及电力调度、全国联网格局的形成以及 交直流混合电力系统的出现，使得输电结构和环境更加复杂和恶化，也直接导 致各种短路故障的发生以及影响都变得日益严重和复杂，相应地给继电保护及 安全自动装置的技术性能带来了严峻的考验。在这种情况下，丰富、完整、详 尽的现场实测数据尤其是故障和非正常运行状态下的数据波形，对分析电力系 统故障、提高电力系统的安全稳定运行水平就显得尤为重要。所以，电力系统 故障录波装置作为电力系统的主要动态记录装置，就成为了现代电网故障分析 必不可少的工具。 1 2 研究现状 目前国内外都有许多电能质量监测装置产品，主要分为两大类：便携式和 固定式。便携式监测装置功能简单，运算能力受限，主要完成稳态指标分析。 一般用于线路和现场大型设备的巡检，适用范围较窄。固定式监测装置精度高， 运算速度快，可以完成较多监测指标，不过在实时性、在线性和网络化方面依 然有所欠缺。另外，一般的电能质量监测装置都不具备故障录波功能。这些缺 点使得目前的电能质量监测装置不能满足电力系统集成化、智能化、网络化的 建设需求。 故障录波装置已经成为电力系统运行必需的重要设备。目前录波装置产品 较多，各厂家的实现方法也多种多样，但概括起来一般有三种实现方法：集中 式录波器；微机保护装置兼有故障录波功能；分布式录波系统。现有的录波装 置在系统结构、硬件配置和软件设计等方面都存在一些不足【3 】： ( 1 ) 采样频率低，r a m 容量小。不能满足高速故障记录和连续记录的要 求。 ( 2 ) 前后台系统结构不够灵活，后台工控机连续性差，启动慢，操作系 统复杂。 ( 3 ) 组网复杂，通信效率低，抗干扰性差。 随着电子技术和网络技术的快速发展，电能质量监测系统和故障记录系统 第1 章绪论 正在朝着实时在线、网络化和智能化的方向发展。鉴于电能质量监测和故障记 录需要相同的采集电量，部分功能和算法重叠，且都是建立在相同数据分析的 基础之上，因此可以考虑在电能质量监测装置的基础之上，融入故障记录的功 能，形成一个采样频率高、运算功能强的电能质量监测和故障记录装置。 1 3 本论文主要研究内容 本论文首先回顾了电能质量的发展状况，分析了电能质量问题的原因，概 括了电能质量研究内容。根据国内外的研究状况和电能质量标准，确定了开发 装置所参考的电能质量标准和故障动态记录准则。改进了电能质量稳态分析算 法，使用小波分析算法进行暂态分析和扰动识别。在认识到现有故障录波装置 前后台系统结构的不足后，并对比了各类型的电能质量监测装置性能指标的基 础之上，提出了一种融入了故障记录功能的基于d s p 和a r m 的新型电能质量 监测与故障记录装置的设计方案( 以下简称监测与记录装置) 。该装置能够对电 力系统配电网络进行永久在线实时监测，能够完成我国制定并颁布的电能质量 标准中规定的性能指标分析和故障记录功能。本论文主要工作如下： ( 1 ) 根据我国制定并颁布的电能质量标准和故障动态记录技术准则，确定 电能质量监测和故障记录装置所要完成的目标功能和性能指标，设计基本的目 标功能算法，包括电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度和电压波动和闪变。 ( 2 ) 深入分析了f f t 和加窗f f t 的方法原理和应用可行性。论述了小波变 换方法的各种特点，验证了采用小波变换方法进行谐波分析、暂态分析和扰动 识别的可行性。在此基础上，提出了基于小波变换的f f t 谐波分析方法，对传 统的谐波分析方法进行改进，并扩展为装置的整体分析方法。 ( 3 ) 使用m a t l a b 软件工具，对本论文提出的各种算法进行仿真验证，并比 较算法之间的优劣。 ( 4 ) 在既定目标功能和性能指标的基础上，设计装置的整体实施方案，要 求装置的性能能够实现既定算法。具体工作有器件选型、选择硬件电路设计方 法、确定软件工程设计流程。 ( 5 ) 设计开发基于d s p 和a r m 的新型电能质量监测和故障记录装置的硬 件电路，要求满足采样频率、r a m 空间、数据分析和处理、数据存储、数据传 输和良好的人机交互的要求。并对硬件电路进行信号完整性分析。 4 第1 章绪论 ( 6 ) 使用汇编语言和c 语言，开发基于d s p 的数据分析和处理的程序算 法，并结合故障启动判据算法，设计一体化的数据分析、处理和记录的程序模 块。 ( 7 ) 设计装置的液晶显示菜单，设计基于a r m 的液晶控制模块的驱动程 序，以及键盘操作和通信部分的软件模块，并移植操作系统u c o s i i 。 ( 8 ) 对装置的数据采集和数据处理功能进行仿真验证，比较传统算法和新 算法的优劣，分析装置是否实现目标功能，总结装置的优缺点，并指出了未来 的发展方向。 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 2 1 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。从2 0 世纪6 0 - - - 7 0 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偏差的计划指标，部分国家还制定了 限制谐波、电流畸变、电压波动等的推荐导则。近十几年来，许多发达国家已 经制定、颁布、实施了更加完备的电能质量系列标准。随着经济国际化，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【4 】。 1 9 8 8 年，我国曾颁布执行了电网电能质量技术监督管理规定，提出了“谁 干扰，谁污染，谁治理”的原则，并指出：为保证电力系统安全、稳定、经济、 优质运行，全面保障电能质量是电力企业和用户共同的责任和义务。迄今为止， 我国已经制定并颁布的电能质量国家标准有：g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电 压允许偏差【5 j 、g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波1 6 j 、g 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【7 】、g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统 频率允许偏差【引、g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变【9 】和 g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压i l o j ，共6 项国家标准。 2 2 稳态电能质量指标计算方法 2 2 1 电力系统电压偏差 我国在摸清电力系统电压偏差现状和用电设备对电能质量要求的基础上， 参考国外一些主要工业国家和国际组织电压偏差的标准，制订了国家标准 g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏差。该标准规定了供电电压允许偏 差。制定本标准的目的，是使供电电压质量得到基本保证，以获得良好的社会 6 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 经济效益。 该标准适用于交流5 0 h z 电力系统在正常运行条件下，供电电压对额定电压 的偏差。该标准不适用于瞬态和非j 下常运行情况。按照电力系统电压等级，标 准有3 种： ( 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 。 如果供电电压上、下偏差同号时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。 ( 2 ) l o k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7 。 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 ，1 0 。 计算电压偏差的表达式如下所示： 6 u ：必1 0 0 但1 ) u n 式中：8 u 代表电压偏差；代表实测电压；代表额定电压。为了计算 电压偏差，需要首先计算出实际电压的有效值，一般有两种方法。 第一种方法是根据有效值计算公式，表达式如下： = 豚 ( 2 2 ) 然后把上式离散化，表达式如下： = 后静s ) ( 2 3 ) 式中为每周波的采样点数，“( j ) 为在采样点s 处所采样得到的电压实际 值。 第二种方法是利用谐波分析算法f f t 的计算结果，计算公式如下： - 2 善坼 ( 2 4 ) 式中m 为f f t 计算所取的谐波最大次数，为f f t 计算得到的h 次谐波 的有效值。 2 2 2 电力系统频率偏差 电力系统j 下常运行工况下，应在额定频率下运行。系统中的所有电气设备 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 只有在额定频率下才能获得最好的可靠性和经济性，这是在设计时被确定的。 电力系统负荷的大小每时每刻在不断变动，电源出力及其频率调节系统跟随负 荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总是处于变动的状态之中。因此，必须 对运行频率规定允许的偏差范围，以确保运行的可靠性和经济性。 我国国家标准g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差规定 以5 0 h z 作为我国电力系统的标准频率，并规定电力系统正常频率允许偏差为 0 2 h z ，当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到0 5 h z 。但g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差中并没有说明系统容量大小的界限。全国 供用电规则中规定了供电局供电频率的允许偏差：电网容量在3 0 0 0 m w 及以上 者为0 2 h z ；电网容量在3 0 0 0 m w 以下者为0 5 h z 。实际运行中，我国各跨 省电力系统频率的允许偏差都保持在0 1 h z 的范围内。因此，电网频率目前在 电能质量中最有保障。 测量频率一般有一下三种方法： ( 1 ) 测量正弦稳态交流的单相电压信号在预定时间间隔( 通常是1 s ) 内的 周期数。 ( 2 ) 假定在测试的时间段内电压相量的幅值是不变的，则可用旋转的j 下序 电压相量的傅里叶级数进行分析，以求取相角的变化率，进而折算出频率。 ( 3 ) 在快速傅罩叶变换中，频率偏差与泄露系数成线性关系，用带通滤波 器减轻由非工频分量带来的误差，用确定的最小面积方法，即将同相位和9 0 。 相移的电压波形进行泰勒级数展开，以求取频率的偏差。 概括地说，电力系统频率的检测有3 个工作难点。一是正常运行时要排除 谐波和噪声的污染；二是系统受大扰动时，要排除频率中暂态高频噪声的污染； 三是系统振荡时，要通过分析、计算找出系统和局部系统主导频率的惯性中心， 以检测其频率。通过综合分析实际情况，本装置采用第一种方法检测电力系统 的频率。使用d s p 内置的c a p 单元，可以检测出任意时刻的系统频率，也可以 统计出预定时间间隔内的平均频率。d s p 的计算速度和硬件采样的快速性可以 满足频率测量精度。 2 2 3 电力系统谐波分析 国际上公认的谐波含义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，我们也常称它为 高次谐波【l l 】。 在频域分析中，将畸变的周期性电压( 或电流) 分解成傅罩叶级数： ， 甜( f ) = 2 s i n ( h w l t + a h ) ( 2 5 ) h = l 式中w 为工频即基波的角频率；h 为谐波次数；为第h 次谐波的初始相 角；m 为所取谐波的最高次数，由波形畸变程度和分析精度要求决定。 为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波 总量大小表示的波形畸变指标。 1 谐波含有率( 舰) ：h 次谐波分量的有效值( 或幅值) 与基波分量的有效 值( 或幅值) 之比，用百分数表示，即第h 次谐波电压含有率为： r 厂 h r h = 詈x 1 0 0 ( 2 6 ) u l 2 总谐波畸变率( 乃) ：各次谐波有效值的平方和的平方根值与其基波有 效值的百分比。表达式如下： _ 、圻 t h d ：上l 1 0 0 ( 2 7 ) u i 为保证电力系统的安全、经济运行和保证用户设备和人身安全，对谐波污 染造成的危害影响加以限制是迫切需要的。一方面，国家有关部门有必要对电 力系统谐波畸变允许值和谐波源注入供电点的谐波电流值作出规定，对谐波源 和供电点电压或电流的谐波含量或畸变值进行监测，对新接入的谐波源负荷进 行必要的验算和管理。另一方面，电力用户为了保证自身设备的安全运行和正 常运行，也应把自己用电设备产生的谐波畸变保持在规定限度内。 g b 厂r 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波规定了公用电网谐波电压限值， 见表2 1 。一般采用傅罩叶变换和小波变换进行谐波分析，具体分析方法在第3 章中论述。 9 第2 章电能质簧监测与故障记录的标准和计算方法 表2 1 谐波电压限值 电网额定电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率 n 奇次 偶次 0 3 85 o4 02 o 64 0 3 21 6 1 04 o3 21 6 3 53 o2 41 2 6 6 3 0 2 41 2 l l o2 o1 6 o 8 2 2 4 三相电压不平衡度 理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的幅值和频率，且相位角 互差1 2 0 。这样的系统叫做三相平衡( 或对称) 系统。但是在实际中，由于种种 因素，电力系统并不是完全平衡的。引起不平衡的因素主要有事故性的和正常 性的两大类。事故性不平衡是由于三相系统中某一相( 或两相) 出现故障所致，例 如一相或两相断线或者单相接地故障等。这种状况是系统运行所不允许的，一 定要在短期内切除故障使系统恢复正常。正常性不平衡是由于系统三相元件或 者负荷不对称引起的。作为电能质量指标之一的三相电压允许不平衡度，是针 对正常不平衡运行工况而定的。 三相电压不平衡度是指三相系统中三相电压不平衡程度，用电压或电流负 序分量与正序分量的均方根百分比表示，表达式如下： s ：磐1 0 0 ( 2 8 ) s = _ 三 i z 子i u 、7 式中址为电压负序分量，u 为电压正序分量。 三相电压不平衡度会引起继电保护误动、电机附加振动力矩和发热。工作 于额定转矩的电动机，如长期在负序电压含量4 的状态下运行，由于发热，电 动机绝缘寿命将会减半，若某相电压高于额定电压，其运行寿命的减短将更加 严重。g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压不平衡度规定了电力系统公共 连接点正常时电压不平衡度允许值为2 ，短时不平衡度不超过4 ，其短时允 许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证继电保护和自动装置j 下确动作。 l o 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 对接入公共连接点的每个用户，规定其引起该点正常电压不平衡度允许值一般 为1 3 。 在研究不对称的三相电路中，广泛使用对称分量法。这种方法是将电路不 对称部分化为电压、电流不对称的边界条件，其余的电路仍视为对称的线性电 路。而任何一组不对称的三相相量( 如电压、电流等) - ，雪，e 都可以分解 为相序各不相同的3 组对称的三相相量，即零序分量( 4 ，赢，c o ) 、正序分 量( 4 ，矗，g ) 、负序分量( 幺，龟，岛) 。各序量的三相关系分别为： 零序a o , 反= a 。，岛= a 。 正序a 。，矗- - a 2 a 。，a = a a 。 ( 2 9 ) 负序a 2 , 息= a a ：，之= 口2 a ： 相量五，雪，e 及其分量之间的关系分别为 la = 4 + 4 + 4 b = 鸽+ 口2 4 + 鹕 ic = 4 + 仉呜+ 口2 4 由式( 2 1 0 ) 可以得出a o ，4 ，幺的表达式： 幺：委( - + 雪+ e ) j 4 = 三( - + 妇+ a 2 c ) 幺= ；( i 材雪+ 衲 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中口为旋转鼾川2 0 口= 一圭+ 孚= e j 2 4 0 孚 在有零序分量的三相系统中，采用对称分量法根据式( 2 1 1 ) 分别求出正序和 负序分量，再由式( 2 8 ) 求出不平衡度。 2 2 5 电压波动和闪变 电压波动是指电压幅值在一定范围内有规则变动时，电压变动或工频电压 包络线的周期性变化，或电压幅值不超过0 9 1 1 ( p u ) 的一系列随机变化；电压 波动值为电压方均根最大值与最小值之差相对额定电压的百分比： 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 a v ：坠畴坠x 1 0 0 ( 2 1 2 ) u n 、j 若电压波动变化率低于每秒o 2 时，应视为电压偏差。电压偏差是指在一 定时间罩，随着电网负荷大小的不同，实际电压和电网标称电压的偏离程度。 它不属于电压波动。电压变动发生的次数是分析电压均方根值变化特性的另一 个重要指标。我们把单位时间内电压波动的次数称为电压波动频度r ，一般以时 间的倒数作为频度的单位。国家电能质量标准规定，电压由大到小或由小到大 的变化各算一次波动。我国国家标准g b1 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 电能质量电压波动和 闪变对各级电压在一定频度范围内的电压波动限值作了规定，如表2 2 所示。 表2 2 电压波动限值 d d rr l v , m v h v l v , m v h v r l4 31 0 r 1 0 0 2 1 5 l r 1 0 3 2 51 0 0 r 1 0 0 01 2 5l 表中的低压( l v ) ：u v i k v ；中压( m v ) ：l k v 2 5 2 ( 2 ) 1 4 1 1 0 ，2 2 0 1 3 3 5 6 6压 3 l o1 1 压 表2 5 操作过电压限值 电压等级( k v ) 过电压限值( p u ) 5 0 02 0 3 3 02 2 1 1 0 - - 2 5 23 o 一般使用小波变换的方法分析暂态电能质量问题。电能质量暂态分析算法 将在第3 章中详细论述。 2 4 故障记录方法 根据 2 2 0 - - - - 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则，电力系统的动态记录 分以下三种不同的功能： ( 1 ) 高速故障记录。要求记录因短路故障或系统操作引起的、由线路分布 参数参与作用在线路上出现的电流及电压暂态过程，主要用于检测新型高速继 电保护及安全自动装置的动作行为，也可用以记录系统操作过电压和可能出现 的铁磁谐振现象。其特点是：采样速度高，一般采样频率不小于5 k h z ；全程记 录时间短，例如不大于1 s 。 ( 2 ) 故障动态过程记录。记录因大扰动引起的系统电流、电压及其导出量， 如有功功率、无功功率以及系统频率的全过程变化现象。主要用于检测继电保 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂( 动) 态过程中系统中各电参量的变化 规律，校核电力系统计算程序及模型参数的正确性。其特点是采样速度允许较 低，一般不超过1 0 k h z ，但记录时间长，要直到暂态和频率大于o 1 h z 的动态 过程基本结束时才终止。已在系统中普遍采用的各种类型的故障录波器及事件 顺序记录仪均属于此一类别。本课题设计的监测与记录装置也属于此一类别。 ( 3 ) 长过程动态记录。在发电厂，主要用于记录诸如汽流、汽压、汽门位 置，有功及无功功率输出，转子转速或频率以及主机组的励磁电压；在变电所， 则用于记录主要线路的有功潮流、母线电压及频率、变压器电压分接头位置以 及自动装置的动作行为等。其特点是采样速度低( 数秒一次) ，全过程时间长。 2 4 1 故障录波启动判据 针对电力系统的运行工况和异常种类特点，考虑电能质量监测方法与特点， 并结合 2 2 0 - - - - - 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则以及相关标准，本课题 设计的监测与记录装置采用多样性的录波启动方式，使之具有反应系统大扰动 而自启动和反应系统动态过程结束而自动停止以及手动启动和远程启动等功 能。结合我国电能质量标准和监测方法，根据2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态 记录技术准则的建议，制定了本课题设计的监测与记录装置记录的故障类型 的启动方式主要有以下几种： ( 1 ) 各相和零序电压突变量启动，整定值为：5 ，a u o 2 。 ( 2 ) 相电压越限和负序、零序电压越限启动，整定值为：u o 2 u , v ， 1 1 0 u n 9 0 u u ，3 c r n 。 ( 3 ) 电流突变量启动，整定值为：必11 0 i n 。 ( 4 ) 相电流越限和负序、零序电流越限启动，整定值为：l l1 0 i n ， 厶l o 6 , ，i o 1 0 i u 。 ( 5 ) 频率和频率变化率越限启动，整定值为：5 0 5 h z f 4 9 5 h z ， 塑0 1 h z s 。 d t ( 6 ) 电压偏差越限启动。 ( 7 ) 谐波含量越限启动。 ( 8 ) 电压波动与闪变越限启动。 。 ( 9 ) 三相电压不平衡度越限启动。 1 6 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 ( 1 0 ) 暂时过电压和瞬态过电压越限启动。 ( 1 1 ) 手动和远程启动。为了正常运行时对各模拟量进行监控和分析，变电站 或上级调度可以对录波装置进行手动和远方启动。 2 4 2 数据记录的时间和方式 装置的模拟量数据记录格式是根据d l t 5 5 3 ，9 4 国家标准( 2 2 0 , - - , 5 0 0 k v 电 力系统故障动态记录技术准则采用分段记录的方式，以满足运行部门故障分 析和数据分析的需要。即采用a b c d e 分段模拟量采样方式，与i e e e c o m t r a d e 通用标准文件格式兼容。具体如下： 卜a 参卜8 十c 叫噜d 嚼嚣 l 上 t = 0 图2 1 模拟量采样时间顺序图 图中t = 0 对应着故障发生时刻。 a 时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出原始记录波形及有效值，记录 时间o 0 4 s 。 b 时段：系统大扰动后初期的状态数据，可直接输出原始记录波形，可观察 到5 次谐波，同时也可输出每一周波的工频有效值及直流分量值，记录时间 o 1 s 。 c 时段：系统大扰动后的中期状态数据，输出连续的工频有效值，记录时间 1 o s 。 d 时段：系统动态过程数据，每0 1 s 输出一个工频有效值，记录时间 7 2 0 s 。 e 时段：系统长过程的动态数据，每1 s 输出一个工频有效值，记录时间 1 0 m i n 。 输出数据的时间标签，对短路故障等突变事件，以系统大扰动开始时刻， 例如短路开始时刻，为该次事件的时问零坐标，误差不大于l m s ；事件的标准时 间由调度中心给定。 该监测与记录装置采集和记录的模拟量有三相电压、零序电压、三相电流、 1 7 第2 章电能质量监测与故障记录的标准和计算方法 零序电流。 2 5 本章小结 本章介绍了国内外关于电能质量标准的研究状况，根据我国颁布的6 项电 能质量国家标准，确定了本课题设计的监测与记录装置所要完成的电能质量分 析监测的具体指标。然后具体介绍了每一个标准的含义和解决方法。综合考虑 实际情况，设计了相应的计算方法。根据2 2 0 - - 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录 技术准则，讨论了故障记录方法。在电能质量监测的基础上，综合考虑电网实 际状况，确定了该监测与记录装置进行故障记录的启动判据。f f t 和小波变换这 两种电能质量分析算法将在下一章中具体介绍。 第3 章电能质量分析算法的研究和仿真 第3 章电能质量分析算法的研究与仿真 3 1 电能质量分析算法研究现状 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态事件和暂态事件 两大类。稳态电能质量以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波和噪声等； 暂态电能质量通常以频谱和暂态持续时间为特征。电能质量的分析涉及到对各 种干扰源和电力系统的数学描述，主要分析方法有3 种。 3 1 1 时域仿真法 在电能质量分析中，时域仿真法应用最为广泛，它的主要用途是利用各种 时域仿真程序对电能质量问题的各种暂态现象进行研究。目前使用比较广泛的 时域仿真程序主要有两类，一类是e m t p 、e m t d c p s c a d 、n e t o m a c 等系 统暂态仿真程序；另一类是p s p i c e 等电力电子仿真程序。由于电力系统主要由 r ，l ，c 元件构成，这些程序在求解微分方程时，通常采用简单易行的变阶、 变步长的隐式梯形积分法，利用隐式可保证求解过程的数值稳定，采用变阶、 变步长技术可缩短迭代计算时问。采用时域仿真方法的缺点是仿真步长的选取 限定了可分析的最高频率范围，因此，必须事先知道待分析系统暂态过程的最 高频率。另外在仿真开关的开合过程中，还会引起数值振荡，必须采用相应技 术以抑制这种数值振荡的发生。 3 1 2 频域分析法 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。这 两个问题与本论文所要解决的问题相关性不大，所以在此省略此类方法的介绍。 3 1 3 基于变换的方法 主要包括傅罩叶变换法、短时傅罩叶变换法、二次变换法和近年出现的小 波变换法。 1 9 第3 章电能质量分析算法的研究和仿真 ( 1 ) 傅里叶变换法 傅里叶变换法不仅具有正交性的优点，而且可以实现f f t 的快速算法，它 在电能质量问题分析领域具有广泛的应用，对谐波分析、电压偏差、三相不平 衡等电能质量指标的计算都有着很好的效果。但是运用f f t 时必须满足两个条 件，即最高信号频率小于采样频率的1 2 ( 奈奎斯特采样定律) ，且被分析信号 是稳态的。如果不满足上面两个条件，将发生频谱泄露、旁瓣现象，导致分析 误差。另外，f f t 变换是在整个时间段的积分，时间信息没有得到充分利用，突 变信号的频谱将散布整个频带，会产生较大误差，所以不适合那些暂态电能质 量信号的分析和处理。 ( 2 ) 短时傅里叶变换法 为解决f f t 变换中存在的上述问题，g a b o r 利用加窗，提出短时傅里叶变换 方法s t f t ，即将不平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合，实现了将傅里叶 分析法用于不平稳过程。但是，它要求各个分析特征尺度大致相同，所以它不 适合分析多尺度过程，而且它的离散形式没有正交展开，因此难以实现高效算 法。 ( 3 ) 小波变换法 小波变换法具有时频局部化的特点，它克服了f f t 和s t f t 的缺点，实现 了频率窗口的自适应变化，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。在电能 质量分析尤其是暂态电能质量分析中，小波变换法具有f f t 和s t f t 无可比拟 的优越性。目前已有很多文献介绍了应用小波变换法进行电能质量的分析和检 测，主要集中在电能质量扰动检测和定位、扰动信号数据压缩、扰动识别以及 建模与分析等方面的研究。常用的小波基函数有d a u b e c h i e s 小波、样条小波、 m o r l e t 小波、m e y e r 小波等；常用算法为m a l l a t 在多分辨分析( m r a ) 基础上 提出的塔式快速小波算法一m a l l a t 算法。该算法能够检测电压骤降、骤升、瞬 时断电和暂态振荡等多种暂态扰动，同时也能对电弧炉产生的谐波分量进行分 析。另外，还可利用小波技术实现电力系统扰动的建模。小波和神经网络结合 也是暂态电能质量扰动识别的一种常用方法。利用小波变换进行电能质量分析 的难点主要在于找出最适合于电能质量分析的小波基函数。 ( 4 ) 二次变换法 二次变换法是一种基于能量角度来考虑的时频变换方法。一般认为，信号 的能量分布是时间与频率的双线性函数，它构成了时频二次变换的基础。 第3 章电能质量分析算法的研究和仿真 本章主要使用基于变换的方法， 完成电能质量谐波分析和暂态分析， 证。 包括傅罩叶变换方法和小波变换方法，来 并结合时域仿真法对仿真模型进行仿真验 谐波分析需要计算出各次谐波的幅值和相位，这也是基本电参量、电压偏 差、三相电压不平衡度、谐波含量等指标的计算基础【i2 。所以说，谐波分析是 电能质量稳态分析的基础。现有的技术比较成熟和实用价值高的谐波分析检测 方法主要是傅旱叶变换方法和小波变换方法。基于傅里叶变换方法主要完成一 般的稳态谐波分析，小波变换方法利用局部分析特点可以进行动态时变谐波分 析和间谐波分析，比如含有指数衰减的谐波含量的谐波分析。 另外小波变换的频域时域局部化分析的特点，也可以满足电能质量暂态分 析的要求，比如电压骤降、电压突升、浪涌冲击、毛刺尖峰和高频振荡暂态等。 下面将详细介绍这两种电能质量分析方法和仿真研究。 3 2 傅里叶分析算法的研究 在数字检测系统中广泛使用的是快速傅里叶变换，在数字信号长度比较短 时，也采用离散傅里叶变换。当检测精度要求很高、信号变换规律复杂以及采 样同