（电力系统及其自动化专业论文）网络化电能质量监测与分析系统.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文网络化电能质量监测与分析系统， 是本人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：鱼塑簦日期： 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：兰峭 导师签毒： 哟 日 期：墨! ! 芏生! 当日土2 日 日期：圣竺至竺：2 护 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章引言 随着我国国民经济的蓬勃发展、电力网负荷急剧增长，特别是非线性、冲击性 负荷容量的不断增长，电力电子装置或非线性设备如各种电力整流设备、电弧炉、 大容量调速电机、电气化铁道等在电力系统中的广泛使用，对供电系统电能质量造 成了严重的污染，而供电系统的电能质量直接关系到供电系统的安全运行和用户的 用电安全。因此，合理解决电能质量问题己成为电力工作者所面临的重要任务。 电能质量问题【1 - 5 已引起人们的普遍关注。电能质量问题不仅仅关系到用电设备 运行的可靠性和安全性，而且还关系到供用电市场的规范化。它的产生可能来源于 供电方的输配电系统，也可能来源于用户端的不合理用电，还可能来源于雷电等自 然现象。只有对电能质量进行有效地监测与分析，才会对问题的产生和影响有清楚 的认识，才能为电能质量的改善、供用电双方的协调和供用电市场的规范提供真实 依据，以便采取有效的解决措施。同时，随着电能质量对国民经济影响的逐渐加大 和人们对电能质量研究的逐步深入，人们对电能质量关注的焦点已不仅仅是电压、 频率和谐波等各项稳态指标，还包括影响电能质量的各种暂态扰动，如瞬时扰动和 暂态谐波等，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结果，以便于对电 能质量问题做出决策，如要求系统能够进行故障辨识、干扰源定位和信息共享等。 电子技术和网络技术的飞速发展使得这种需求的实现成为可能。电能质量监测系统 正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展，研制一种新型的电能 质量监测装置，集测量、分析、控制和通讯等功能于一体，有效地进行电能质量监 测，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性均具有重要意义。 1 2 本课题的研究意义及其必要性 1 2 1 改善电能质量的意义 电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门 向电力用户提供，由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。如今，电能作 为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应要求高质量。在市场经济中，商品 必须重视质量，只有质量好的商品才能更好的满足用户的需求。所以了解电能质量、 改善电能质量是十分必要的。改善电能质量的意义可简要概括为以下几点： 华北电力火学硕士学位论文 ( 1 ) 是电力系统安全( 包括用尸i 设备的用电安全) 、经济运行的必要条件，是 电网运行水平高低的重要标志。 ( 2 ) 是提高国民经济总体效益、用电效率( 节能、降损) 、改善电气环境以及 工业生产可持续发展的技术保证。 ( 3 ) 是电力市场竞争机制建立的重要手段。 ( 4 ) 在社会效益方面，通过建立和健全电能质量的全面管理，保障各行各业 的正常用电秩序，为干家万户提供信得过的产品。 1 2 2 改善电能质量的必要性 电能质量问题关系到国民经济的方方面面，特别是涉及到了电力、铁道、冶金、 化工、i t 等诸多行业的发展，已引起国内外专家学者的高度重视。据调查资料显示， 目前由于电能质量问题而造成的经济损失已经相当的可观【6 7j ，仅美国每年由于电能 质量问题造成的经济损失就高达数百亿美元，电能质量问题已经成为制约经济发展 的一个重要影响因索。随着经济的发展和工业管理体制的转变，特别是近年来电力 行业向电力市场方向发展，电力网逐步实行商业化运营，电力用户的需求己成为重 要的主题，这大大促进了电能质量标准化的进程和对质量优劣的监督和管理。尽管 在电能质量的定义和解释上还存在许多不同的看法，在电能质量恶化的起因上仍有 较大分歧，但供电部门和电力终端用户对电能质量的关心程度却与日俱增。九十年 代中期以来，工业发达国家普遍认为，电能质量问题已经成为电力系统所面临的诸 多问题中非常重要的方面，应当加强对电能质量的综合控制和全面质量管理。 我国从九十年代初开始，国家质量技术监督局陆续颁布了国家电能质量系列标 准 8 - 1 3 1 ，即电能质量供电电压允许偏差( g b t1 2 3 2 5 ，2 0 0 3 ) 、电能质量电力 系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 一1 9 9 3 ) 、电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量三相电 压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 和电能质量暂时过电压和瞬态过电压 ( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 共六项国家标准，把电能质量的监测管理工作纳入了法制化轨 道。电能质量标准的制定和实施，电能质量监督体系的逐步建立，将有助于设备制 造厂家提高其设备与电源系统的兼容性，严格限制对电源系统和其他设备的电磁干 扰，并对供电部门加强对电能质量的技术监督，推动有关改善电能质量的先进技术 的应用，保证提供合格的电能和优质的服务等方面均有重要意义。 1 3 本课题的研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，国内外电力部门和电力用户对电能质量的关心程度与闩 华北电力大学硕士学位论文 俱增。对电能质量进行永久性的监测，已成为国外许多电力公司的共同做法，发达 国家自7 0 年代起就开始进行电能质量的测试分析和治理工作，很多供电点已装设 电能质量监测仪器。国外的电能质量监测系统，其功能以及所采用的技术也在不断 更新。随着电子装置和通讯技术的发展，具有联网、图形用户界面( g u i ) 、w e b 浏 览和统计分析功能的电能质量监测系统成为主流。 近年来，国家技术监督局陆续颁布了六项电能质量国家标准，使得电能质量的 监测管理工作纳入了法制化轨道，随之带动了电能质量监测技术的发展。当前电能 质量分析仪主要分成三类，分别是手持式谐波分析仪、便携式多功能电能质量分析 仪、电能质量远程监测仪。手持式谐波分析仪主要测量谐波，功能单，多数不具 备综合测量、分析、判断功能。便携式多功能电能质量分析仪，可分析多个电能质 量指标，但多用于专项测量，监测不连续，多为定时测量，对数据的自动统计分析 和历史数据的对比功能不强。电能质量远程监测仪大多用于对公共连接点电能质量 的连续测量，统计和对比功能有限，给出的测量结果不直观，缺乏超标报警、自动 诊断等综合控制功能。上述装置大多需要技术人员到现场测试，需要人工抄表、根 据测量数据进行汇总、统计分析、对电网的电能质量水平进行评价。这种电能质量 监测和管理模式存在着明显的局限性，如实时性差、监测指标少、工作量大、效率 低、缺乏判断依据。为了有效的进行电能质量的监测与分析，必须大面积的安装电 能质量监测系统，因此，便携式的电能质量分析仪无论在经济性还是在有效性方面 都已不再具有优越性，取而代之的将是网络型的电能质量监测与分析系统【l 4 1 引。 i n t e r n e t 技术的发展为供电系统电能质量的远程监控和分析系统的建立提供了 有效的数据传输方式。电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和 智能化的方向发展，国外从2 0 世纪8 0 年代起就把人工智能和专家系统成功地应用 到电厂状态监测与故障诊断技术中，产生了巨大的经济效益。国内的一些科研院所 也相继推出了类似的基于i n t e r n e t 的电能质量监测与分析系统和分稚式电能质量在 线监测系统，这些系统大都采用专门的硬件测量每一个电能质量指标，当采用新技 术改进测量装置时需要换掉整个检测装置，不利于技术更新。 现有测量装置所使用的有些分析算法己不能适应现代电能质量分析的要求。如 目前的闪变仪一般都是基于v ，o 方式设计的，与国标采用的i e c 标准不一致。此 外，大量电力电子器件和非线性元件在电网中投入使用，使得电网中的谐波污染越 来越严重，越来越复杂，电网中出现了大量的非整数次谐波。电力系统中常用的谐 波检测方法是快速傅立叶变换( f f t ) ，f f t 算法以频点的方式处理频域信息，对采集 的数据有严格要求，在数据同步采样和整周期截断情况下，f f t 算法能够实现整数 次谐波的精确分析和检测，反之则存在误差。对于非整数次谐波的检测，由于其存 在栅栏和频谱泄露现象，当信号的频率在f f t 的两个相邻频点之间时，f f t 分析的 华北电力大学硕士学位论文 结果将有较大的误差，已不能满足新形势下谐波分析的要求，有必要探索谐波分析 的新方法。 随着电能质量研究的逐步深入，暂态电能质量问题已经得到了广泛的重视，电 压暂降，暂态谐波等暂态电能质量问题给用户带来了巨大的经济损失，使得人们对 电能质量关注的焦点己不仅仅是电压、频率和谐波等各种稳态指标，因此需要电能 质量监测系统不仅能监测稳态指标，而且能记录各种暂态电能质量事件，具有初步 分析暂态波形，识别暂态类型的功能。目前检测暂态电能质量使用最多的方法是小 波变换 2 0 - 2 1 】，通常的做法是将时域暂态信号进行小波变换，利用小波变换系数的平 方值、模极大值，暂态信号的高次谐波成分、持续时间，畸变能量在各尺度小波空 间的标准偏差曲线，最大值标准偏差曲线等作为特征来检测暂态电能质量，但是上 述各种算法【2 2 。2 8 1 都还不完善，都还存在各自的缺点，检测结果的可靠性还需要进一 步提高。由于暂态信号所同有的随机性、复杂性以及实际存在的随机噪声背景，使 得信号小波变换域的结果呈现复杂多变的特征，难以仅利用适量的特征参数进行识 别检测。因此，人们开始注意到小波变换与其他分析辨识方法的结合。已有人提出 利用小波变换和人工神经网络( a n n ) 十h 结合的方法【2 ，自动进行波形识别并确定扰 动类型，以实现暂态电能质量的检测。除上述方法之外，还有人提出基于数学形态 学的电能质量扰动检测方法p “”i ，在时域和小波域提取新定义的二进数特征量的检 测方法f 3 ”。尽管已提出不少用于检测暂态电能质量的方法，但这些方法大多还处于 理论研究和实验阶段，其检测分类的可靠性还不能满足现场实际检测的要求。此外， 电压暂升，暂降，间断的分类方法还需要进一步的改进和完善，而电压暂降的干扰 源辨识【3 。”i 仍处在起步阶段，也需要提出新的方法进行干扰源辨识。 现有大部分电能质量监测装置不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获能 力，只有小部分具有简单的暂态电能质量事件记录功能，但是缺乏暂态波形分析和 类型识别的能力，不能满足用户对暂态电能质量监测的要求。 1 4 本文的主要工作 本文主要工作包括两个方面：电能质量检测新算法的探索和网络化电能质量监 测与分析系统的设计。 1 4 1 电能质量检测新算法的探索 新算法的研究主要包括两个方面： 一r ( 1 ) 基于复小波变换相位信息的谐波检测算法。由于电力系统负荷构成的变 化，电网中出现了大量的非整数次谐波传统的f f t 算法不适合分析非整数次谐波， 华北电力大学硕士学位论文 已不能很好满足谐波分析的要求，本文提出一种利用复小波变换相位信息的新方法 来检测电力系统谐波，该方法还能用于系统频率的测量。 ( 2 ) 基于特定频带的短时傅立叶分析。对电力系统中的暂态过程常用短时傅 立叶分析( s t f t ) 和小波变换进行分析，但是这两种方法都存在不足之处，s t f t 需要有一个合适的窗才能有好的分析效果，小波变换不能得到单个的谐波频率和幅 值。本文通过比较s t f t 和小波变换在电力系统暂态信号分析中优缺点，结合两者 的优点，提出基于特定频带的s t f t 的方法。 1 4 2 网络化电能质量监测与分析系统的设计 在研究供电系统电能质量指标及测量方法的基础上，研制一个基于l a b v l e w 的网络化电能质量监测与分析系统。该系统主要包括客户端和服务器端两个部分， 客户端要实现以下功能： ( 1 ) 能连续的实现数据的采集。 ( 2 ) 能够测量电压、电流的谐波含有率、总畸变率，电压和频率的偏差，短 时闪变值p 。和长时间闪变值凡，以及三相电压电流不平衡度。 ( 3 ) 能实时地以表格和图表的方式直观显示上述测量结果。 ( 4 ) 具有一定的数据分析功能，能存储测量数据、实现远程数据传输、对电 能质量进行超标报警。 ( 5 ) 生成统计报表。 服务器端要实现以下功能： ( 1 ) 服务器要能实现对各个客户端的有效管理，能发布各种命令，使得客户 端执行相应的各种操作。 ( 2 ) 服务器要能按目、月统计和处理各种电能质量信息，它要能将各种测量 结果、监测时间、超标时间等必要的信息，按统计结果以表格和图表的方式直观的 显示出来，能分类打印输出，根据统计结果做出决策，能以自定义或固定的方式进 行数据查询。 ( 3 ) 可用w e b 方式发布整个电网电能质量的总体信息，提供各种电能质量数 据的下载，供用户使用。 最后，进行实验及其结果分析。实验主要由两部分组成，第一部分利用数据采 集卡模拟输出通道输出理想信号，通过模拟输入通道将信号采集进系统进行分析， 验证系统测量算法的精度；第二部分搭建一个包括一个服务器和两个客户端的实验 系统，对实验室市电进行了实际的监测，与f l u k e 4 3 系统进行了比较，并做了系 统误差分析。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章电能质量标准及其测量方法的概述 为了能够系统地研究电能质量问题，对其测量结果进行分析，找出引起电能质 量问题的原因，并采取针对性的解决办法，需要将电能质量问题进行分类并给出相 应的定义或标准。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依据，是实施电能质量赂督管理，维护供用电双方 合法权益的法规条文。目前，世界上工业发达国家都已制定和颁布实施了符合本国 情况的国家标准，并且随着经济一体化的发展，各国所制定的电能质量标准正在向 国际专业委员会推荐标准靠拢，如国际电工委员会( 1 e c ) e m c 6 1 0 0 0 系列标准和 国际电气与电子工程师协会( i e e e ) s t d 标准。目前我国在参考了上述两项国际标 准后，已经制定颁布的电能质量系列国家标准有：供电电压允许偏差( g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 、电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 、电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、三相电压允许不平衡度( g b t 15 5 4 3 1 9 9 5 ) 和暂时过电压和瞬态过电压( g b t18 4 8 1 2 0 0 1 ) 。 从总体上讲，使电能指标接近额定值就是电能质量的标准，然而，电能从生产 到消费是一个整体，电力系统的发、输、配、用始终处于动态平衡之中，其中任何 一个环节的改变都会对电能质量产生影响。而提高电能质量需要投入相当多的人 力、物力以及财力( 包括电网结构的改进、有功功率和无功功率的平衡，各种调频、 调压、滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运行管理技术等) 。电能质量标准的 制定，就是制定适当的电能质量指标偏差的允许值。电能质量指标的制定在经济上 和技术上应满足以下三点： ( 1 ) 保证电力系统安全，提高供电可靠性和电网运行的经济性。 ( 2 ) 保证用户电气设备的正常运行。 ( 3 ) 当超标时，电力部门和干扰性用户在当前经济和技术水平上，作一定的 努力后应能达标。 理想的- - - - + i i 交流电力系统可以用式( 2 1 ) 表示。 广- 、 “= 4 2 u c o s ( c o t + 妒)l = 2 u c o s ( c o t 一1 2 叼+ p ) ( 2 - 1 ) t ，r = 4 2 u c o s ( 耐+ 1 2 0 。+ 妒) l ， 从对理想的三相交流系统的分析不难看出，对电能质量标准的制定可以从以f 几方 6 华北电力大学硕士学位论文 面来考虑： ( 1 ) 对于三相制，三相之间是否平衡。 ( 2 ) 对于电压幅值，是否发生波动和闪变以及是否偏离额定电压。 ( 3 ) 对于频率，是否偏离额定值。 ( 4 ) 对于波形，是否因为有干扰存在而发生波形畸变。 从用户侧来说，电力用户负荷的要求不同，电能质量对它的影响也各不相同， 使得电能质量也非一项综合的指标所能衡量。目前，我国电能质量标准主要包括六 项指标：电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、谐波、三相不平衡和暂时过电压 和瞬态过电压，其中频率取决于有功供求关系的平衡，电压取决于电网的无功运行 状况，而后几项不仅与电力系统有关，而且受用户负荷特性的影响。因此，电能质 量监测装置不仅需要安装在系统的枢纽变电站中，还应对重要用户和产生干扰的用 户进行监测。 下面就六项电能质量指标的标准及其测量方法进行具体阐述。 2 2 稳态电能质量标准及其测量方法 2 2 1 供电电压允许偏差 供屯系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统 标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。其计算公式为： 电压偏差c ，= 塞型毒纛丢曩筹。 c z z ， m i 、m h m 目：_ z l i 在国家标准电能质量供电电压允许偏差( g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 中规定： ( 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( 均为正或负) 时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。 ( 2 ) 1 0 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 。 ( 4 ) 对供电电压允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议确定。 国标仅适用于交流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；不适用于瞬态和非正常运行情况。 标准中供电电压为供电部门与用户的产权分界处的电压或由供用电协议所规 定的电能计量点的电压。、 2 2 2 电力系统频率允许偏差 华北电力人学硕士学位论文 根据电工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频率，用厂表示，单位 为h z 。电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频 率偏差，用公式表示为： 8 f = ，r 。一厂( 2 - 3 ) 式中：妒为偏差频率，丘为实际频率， 系统标称频率。 目前，频率测量的主要算法【3 5 】有： ( 1 ) 周期法：即零交法，通过测量信号波形相继过零点的时间宽度来计算频 率。该方法概念清晰，宜于实现，但精度低，易受谐波、噪声和非周期分量的影响， 实时性不好。对它的改进主要是提高实时性和测量精度，改进算法有：水平交算法、 高次修正函数法和最小二乘多项式的曲线拟合法，这些算法的复杂度和计算量都有 较大增加。 ( 2 ) 解析法：通过对信号观测模型进行数学变换，将待测量厂或厂表示为样 本的显函数来估计，运算量大，精度较高。 ( 3 ) 误差最小化原理类算法：包括最小二乘算法、最小绝对值近似法、牛顿 类算法、离散卡尔曼滤波算法，这些算法数学运算比较复杂，实时性不佳。 ( 4 ) d f t ( f f t ) 类算法及其改进算法：在理想的模型下d f t ( f f t ) 类算法 选择合适的参数能准确的地计算出模型参数，考虑谐波和噪声的情况下其各类改进 算法能在一定程度上减小测量误差但存在增大计算量和时滞等缺点。 根据国家标准电能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 的规定， 电力系统正常频率偏差允许值为o 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到 o5 h z 。标准还规定，用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过o 2 h z 。 对于频率偏差指标评定的测量，须用具有统计功能的数字式自动记录仪表，其 绝对误差不大于0 0 1 h z 。 22 3 公用电网谐波 国际上公认的谐波含义为：“谐波是个周期电气量的正弦波分量，其频率为 基波频率的整数倍”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高 次谐波。 关于工程实际中出现的对谐波问题的描述及其性质需明确下列几个问题： ( 1 ) 所谓谐波，其次数h 必须为基波频率的整数倍，当电力系统的频率为额 定频率5 0 h z ，则基波频率为5 0 h z ，2 次谐波频率为1 0 0 h z ，3 次谐波频率为1 5 0 h z 。 ( 2 ) 间谐波和次谐波：在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非工 频频率整数倍的周期性电流的波动，为延续谐波概念，又不失其般性，根据该电 华北电力大学硕士学位论文 流周期分解出的傅立叶级数得出的不是基波整数倍频率的分量，称为分数谐波 ( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s l ，或称为间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 。频率低于工频的间谐波又称 为次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 。 ( 3 ) 谐波和暂态现象：在许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是波形畸 变，暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形，尽管暂态过程中含 有高频分量，但暂态过程和谐波却是两个完全不同的现象，它们的分析方法也是不 同的。电力系统仅在受到突然扰动之后，其暂态波形才呈现出高频特性，但这些高 频分量并不是谐波，与系统的基波频率无关。 谐波按其定义来说是在稳态情况下出现的，并且其频率是基波频率的整数倍。 产生谐波的畸变波形是连续的，或至少持续几秒钟，而暂态现象则通常在几个周期 后就消失了。暂态常伴随着系统的改变，例如投切电容器组等，而谐波则与负荷的 连续运行有关。但在某些情况下也存在两者难以区分的情形，例如变压器投入时的 情形，此时对应于暂态现象，但波形的畸变却持续数秒，并可能引起系统谐振。 ( 4 ) 短时间谐波：对于短时间的冲击电流，例如变压器空载合闸的激磁涌流， 按周期函数分解，将包含短时间的谐波和问谐波电流，称为短时间的谐波电流或快 速变化谐波电流，应将其与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。 ( 5 ) 陷波：换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称换相缺口，这 种畸变虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。 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 大小表示的下列波形畸变指标。 谐波含有率( h r ) ：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 次谐波电压含有率：h r u 。= 生1 0 0 ( 2 - 4 ) “l 电压总谐波畸变率( t h d 。) ：各次谐波有效值的平方和的平方根值与基波分量 的有效值之比，用百分数表示，即： 、防 t h d = 上生l 一1 0 0 ( 2 5 ) 。 u 】 谐波电流的含有率h r i h 和电流总谐波畸变率t h d ，的计算同式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，只需将 其中的电压变量改为电流变量即可。 一_ 谐波污染己成为电力系统的公害之一，因此对谐波进行准确的测量与分析已成 为电力行业普遍关心的问题。进行谐波分析的方法有多种，如f f t ，k a l m a n 滤波及 华北电力大学硕士学位论文 近年来兴起的小波变换等。 傅立叶( f o u r i e r ) 变换作为经典的信号分析方法，已比较成熟，是电力系统谐 波分析的主要工具。f f t 是离散傅立叶变换( d f t ) 的一种快速算法，在电能质量 分析领域得到了广泛的应用，但运用f f t 必须满足两个条件： ( 1 ) 满足采样定理，即采样频率必须大于信号最高频率的两倍以上。 ( 2 ) 被分析的波形必须是稳态的，随时间周期性变化。 此外，傅立叶变换还要求数据满足同步采样和整周期截断的条件才能有准确的分析 结果，否则分析将有较大的误差。 小波变换具有良好的时频特性，已有不少文献将其用于电力系统的谐波检测， 但由于不同尺度的小波函数在频域相互混叠，使得现有利用小波系数幅值及在此基 础上改进的各种算法【3 6 4 0 1 都无法实现谐波的准确检测，而且计算量都比较大，因此， 要求构造分频严格的小波函数或利用小波变换其他信息的方法来检测谐波。 根据国家标准电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) ，对公用电网谐 波电压的限值如表2 1 所示： 表2 1 公用电网谐波的限值 t a b l e 2 - 1t h el i m i to f h a r m o n i c si np u b l i cs u p p l yn e t w o r k 对谐波的测量仪器，国家标准也有一些规定： ( 1 ) 应满足本标准的测量要求。 ( 2 ) 为了区别暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波，每次测量结果可为3 s 内所测值的平均值，推荐采用下式计算： u = 式中：女一3 s 内第女次测得的h 次谐波的方均根值； m 一3 s 内取均匀间隔的测量次数，m - 6 。 ( 3 ) 谐波测量仪的允许误差应在规定范围以内。 o ( 2 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 仪器有一定的抗电磁干扰能力，便于现场使用。仪器应保证其电源在标 称电压1 5 ，频率在4 9 h z 5 1 h z 范围内电压总谐波畸变率不超过8 条件下能正 常工作。 ( 5 ) 在测量的频率范围内，仪用互感器、电容式分压器等谐波传感设备应有 良好的频率特性，其引入的幅值误差应不大于5 ，相角误差不大于5 。在没有确 切的频率响应误差特性时，电流互感器和低压电压传感器用于2 5 0 0 h z 及以下频率 的测量；6 - 1 1 0 k v 电磁式电压互感器可用于1 0 0 0 h z 及以下频率测量；电容式电压 互感器不能用于谐波测量。在谐波电压测量中，对谐波次数或测量精度有较高需要 时，应采用电阻分压( u u l k v ) 或电容式分压器( u u l k v ) 。 2 2 4 电压波动和闪变 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变 化。其变化周期大于工频周期。电压波动值为电压有效值的两个极值。和。 之差，常以其额定电压u u 的百分数表示其相对百分值，即： 删) = 鼍半1 0 0 ( ) ( 2 _ 7 ) 为了更具体地描述电压波动的特征，我们把一系列电压波动中的相邻两个极值之间 的变化称为一次电压波动。电压变动发生的次数是分析电压均方根值特性的另一个 重要指标。我们把单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度r ( s 。1 ) ，一般以 分或秒作为频度的单位。国家电能质量标准规定，电压由大n d , 或由小到大的变化 各算一次变动，同一方向的若干次变动，如果变动时间间隔时间小于3 0 m s ，则算一 次变动。电压波动的频度为调幅波基波频率的2 倍，或表示为厂( h z ) = ，( s 。) 2 。 在电能质量标准中，闪变以灯光闪烁对人眼视感的影响来反映供电电压的波动 程度。电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变，闪变是人 对照度波动的主观视感。闪变不仅与电压波动的幅值有关，而且与电压波动的频率 和波形、照明灯具的性能及人的视感因素有关。闪变的最大觉察频率范围为 o 0 5 3 5 h z ，最大敏感频率为8 8 h z 。闪变一般用短时间闪变值和长时间闪变值两个 指标作为闪变严重度的判据。实际应用时常用5 个概率分布r 测定值计算出短时 ( 1 0 m i n ) 闪变平滑估计值只，只，表示实际检测到的短时间闪变水平严重度。其近似 计算公式为： 己= 4 k o l r l + k l p l + k 3 男+ k 1 0 只。十k 5 0 o( 2 8 ) 式中，k 0 1 = 0 0 3 1 4 ，k 1 = 0 0 5 2 5 ，k 3 = o 0 6 5 7 ，k l o = o 2 8 ，k s o = o 0 8 ，p o ，、p ，、p j 、p l o 、 p 5 。分别为c p f 曲线上等于0 1 、1 、3 、1 0 年d5 0 时间的s ( f ) 值。 个波动负荷各自引起的闪变及背景闪变在同一节点上相互叠加，其短时间| = i ： 华北电力大学硕上学位论文 变值可按下式计算： 只，= 划( 只，1 ) “+ ( 只，) + 。+ + ( 只。) ”( 2 - 9 ) 式中：m 值取决于主要闪变源的性质及其工况的重叠可能性： m = l 用于波动负荷引起电压变动同时发生重叠率很高的状况； m = 2 用于随机波动负荷引起电压变动同时发生的状况； m = 3 用于波动负荷引起的电压变动同时发生的可能性很小的状况： m = 4 仪用于熔化期不重叠的电弧炉所引起的电压变动合成。 短时间洲变值适用于对单一闪变源的干扰评价，对于多闪变源的随机运行情 况，或者工作占空比不定，且长时间运行的单闪变源，则必须做出长时间评价。 长时间闪变值p ，由测量时间段内包含的短时间闪变值计算获得： ( 2 9 ) 式中：n 为长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值个数。 根据国家标准电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 对电压波动和闪变的限值 如表2 2 ，表2 3 所示。对于很少的变动频度( 每同少于1 次) ，电压变动限值还可 以放宽。对于随机性不规则的电压波动，依9 5 概率大值衡量，表中标有“的 值为其限值。本标准中系统标称电压u n 等级按以下划分，低压( u n l k v ) ，中压 ( 1 k v u n 3 5 k v ) ，高压( 3 5 k v u n 2 2 0 k v ) 。标准中只，和n 每次测量周期分别 取为 0 m i n 和2 h ，中压括号q 1 的值仅适用于p c c 连接的所有用户为同电压级的用 芦场合， 表2 - 2 电压变动限值 t a b l e 2 - 2t h el i m i to f v o l t a g ef l u c t u a t i o n 表2 - 3 各级电压的闪变限值 t a b l e 2 - 3t h el i m i to f p na n dp t ta td i f f e r e n tv o l t a g el e v e l 华北电力大学硕士学位论文 2 2 5 三相电压允许不平衡度 电力系统的三相不平衡是由于三相负荷不平衡以及系统元件参数的不对称所 致。根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分量 三个对称分量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与正序分量 均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，用符号s 表示，即： g ：等1 0 0 ( 2 - 1 0 ) u 。 。 式中：u 为三相电压正序分量的均方根值。 u 2 为三相电压负序分量的均方根值。 由式( 2 i o ) 可见，要计算三相系统的不平衡度，必须首先计算三相系统的正序 和负序分量。测得各相电量的大小及其相位，根据对称分量法可以将三组不对称的 分量唯一的分解为三组对称的分量，即正序分量、负序分量和零序分量： f d ( 1 一 cr 2 - c m 她m r ：雩彰2 4 0 。：，孚。 根据国家标准电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 的规定， 电力系统正常运行方式下，公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得 超过4 ；接于公共连接点每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为 1 3 。 2 3 暂态电能质量标准及其测量方法 暂态电能质量在电能质量问题中占有重要的地位，但是对诸如电压暂降( v o l t a g e s a g ) 、电压暂升( v o l t a g es w e l l ) 、间断( i n t e r r u p t i o n ) 、脉冲( i m p u l s e ) 、振荡( o s c i l l a t i o n ) 等暂态电能质量问题始终缺乏有效的监测和分析方法。这一方面是因为电力系统暂 态电能质量问题自身固有的复杂性，难以制定统一的监测标准；另一方面则是由于 受到信号分析工具发展的制约。小波变换的出现为暂态电能质量问题的分析提供了 新思路，小波变换在时域和频域同时具有良好的局部性，特别适合于突变信号和不 平稳信号的分析。人们利用小波变换的奇异性检测对信号的突变点进行精确的时域 定位，确定暂态波形；对暂态信号的小波变换特征进行归类分析，进而达到信号辨 ) il 一 口 1，llj c圪c 丌jjjj且 矿口口矿 一一 l 一3 华北电力大学硕士学位论文 识的目的，另外，小波变换与人工神经网络( a n n ) 相结合，对暂态扰动进行识别 也取得了良好的效果。随着小波理论的进一步发展，包含幅值信息和相位信息的复 小波变换被提出。由于复小波变换的相位信息对奇异性更为敏感，更易于捕捉奇异 点，用复小波变换分析暂态电能质量问题具有广阔的前景。 目前，国标只对暂时过电压和瞬态过电压给出了定义和限值，其它暂态标准参 考i e ( ：标准。暂时过电压定义为：在给定安装点上持续时间较长的不衰减或弱衰减 的( 以工频或其一定的倍数、分数) 振荡的过电压。瞬态过电压为持续时间数毫秒 或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电压。它可以叠加于暂时过电压 上。根据国家标准暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) ，以表示三 相系统最高电压，将过电压划分为两个范围，范围i ：l k v 。、 2 5 0 k v 。 对于暂时过电压： ( 1 ) 范围i i 的高压系统，线路断路器的变电所侧不超过1 3 p u ；线路断路器的 线路侧不超过1 4 p u 。 ( b ) 对于范围i 中的1 1 0 k v 和2 2 0 k v 系统，工频过电压不超过1 3 p | u 。 ( c ) 3 k v - 1 0 k v 和3 5 k v - 6 6 k v 系统分别不超过1 1 3p - u 和4 3p u 。 对于瞬态过电压： ( a ) 系统最高电压范围i i 的空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸( 如 运行中使用时) ，在线路上产生的相对的统计过电压，对3 3 0 k v 和5 0 0 k v 系统分别 不大于2 2 p u 和2 0 p u ，系统最高电压范围i 的线路合闸和重合闸电压过电压不超 过3 0 p u 。 ( b ) 范围i i ，线路断路器在电源对地电压为1 3 p u 条件下开断空载线路不发生 重击穿，即不应产生过电压。范围i ，1 1 0 k v 和2 2 0 k v 开断空载线路过电压不超过 3 o p u 。范围i ，6 6 k v 及以下非低电阻接地系统开断空载线路过电压不超过4 0 p u ， 低电阻接地系统不超过3 2 p u 。 2 4 提出电能质量检测新算法的必要性 大量电力电子器件和非线性元件在电网中投入使用，使得电网中出现了大量的 非整数次谐波和各种暂态过程，同时，电能质量国标的修改完善，也将使得原有的 一些测量方法不再适应国标的要求。如f f t 算法不能精确的检测非整数次谐波，各 种暂态过程缺乏有效的分析方法等等，因此，有必要研究新的算法来满足电能质量 检测的要求。 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章电能质量检测新算法的研究 本章对频率、谐波和暂态过程的测量方法进行了研究。通过对复小波的研究发 现复小波变换能用于频率检测和谐波分析，提出了基于复小波变换的频率和谐波检 测新算法。针对现有暂态波形分析方法存在的问题，提出了基于特定频带的短时傅 立叶分析的方法来分析暂态波形。 3 1 小波变换 设( f ) 为一平方可积函数，也即y ( f ) l 2 ( 月) ，若其傅立叶变换w ( c o ) 满足条件： c ，= 哔。 - ， 则称y ( f ) 为一个基本小波或小波母函数。将小波母函数p ( f ) 进行伸缩和平移，尺度 因子为口，平移因子为6 ， 平移伸缩后的函数为i f a , b ( f ) ，则有 6 ( f ) ：了1y ( 型) ，。，o ，6 月。设信号j ( f ) 三2 陋) ，则定义s ( f ) 的连续小波变换为： 哺，垆忑1 跏) p 洋础 ( 3 _ 2 ) 常见的复小波如m o r l e t 小波、g a u s s i a n 小波、s h a n n o n 小波、b s p l i n e 小波的小 波变换系数的相位变化一般都比较规则，可用于电力系统频率和谐波检测，但它们 相应的小波变换系数的幅值比较杂乱，幅值随着复小波实部和虚部的比例，复小波 时间窗长度的变化而波动。不同尺度的小波变换系数幅值不稳定，而且尺度和频率 不存在简单的对应关系。文献 4 1 4 3 提出一类幅值快速衰减的改进递归复小波，通 过研究发现，该类小波变换的系数中尺度和频率之间有明确的关系；小波变换系数 幅值稳定，能更准确的反映对应频率信号的幅值；由于是递归小波，有更快的计算 速度。改进递归复小波的母函数定义为： 胁( 一字一半c r 一5 t 5 扩“砌。竹) ( 3 - 3 ) 在频域内表示为： 7 帅，等 隆。， 华北电力大学硕士学位论文 为了使1 a 等于频率，n 为母小波的尺度因子，令c o 。= 2 7 r ，此时，若要使母小波满 足允许性条件甲( o ) = 0 ，必须使珊。盯= j ，则盯= 2 n q 5 。小波函数的时域、频域 图如图3 1 所示： 图3 一l 改进递归小波函数的时域、频域图 f i g 3 1t h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i no fi m p r o v e dr e c u r s i v ew a v e l e t 对于实际测量得到的离散信号，假定采样周期为，信号可表示为序列 s ( n t ) ，n = 0 , 1 ，对于特定频率，令b = k t ，k 为整数，则对信号s 即丁) 的小波变 换为： 彬( 厂，r ) = 刀s o t ) v ( f ( n t 一，) ) ( 3 5 ) 其中：妒是y 的共轭复数，k 体现小波在时间上的平移，小波系数表示七丁时刻采样 信号中频率为，的信号成分。 对式( 3 - 5 ) 施以z 变换，并利用z 变换的位移性质，得到快速递推算法如下： ，( 厂，足，) = t 4 f 石l s ( ( j i 一1 ) t ) + 占2 s ( ( 厅一2 ) t ) + 6 3 j ( ( 七一3 ) t ) + 占。s ( ( 露一4 ) t ) + 65 s ( ( 尼一5 ) r ) 一旯，w ，( f ，( 一1 ) t ) 一旯：w ：( 厂，( 一2 ) r ) ( 3 - 6 ) 一五，( 厂，( k 一3 ) 丁) 一旯。w ；( 厂，( t 一4 ) t ) 一丑5 矿，( 厂，( k 一5 ) 丁) 一旯6 w ，( 厂，( i 一6 ) t ) 胁耻 掣一掣+ 掣】爿 joi 3 j ，： 2 ( o y t y 一5 ( o f y4 - 2 6 ( o f t ) 5 4 2 ， 。 331 5 。 7 耻 - 孕+ 2 2 ( o f f ) ) 5 爿3 华北电力大学硕士学位论文 石。= 2 ( q j t ) 3 + 型3 + 2 6 ( 。l f ，t ) 5 爿4 耻 孕+ 鲤6 + 譬 无= - 6 a 旯。= 1 5 a 4 ：1 5 a 2 ，= 一6 a ，= 一2 0 a 3 旯6 = a 6 a ：e - f r ( 。一。o ) 此算法称为改进递归小波变换( i r w t ) 。由于该小波函数是复小波，其变换结果 包含原信号的幅值信息和相位信息，选择适当的厂，对信号按式( 3 6 ) 进行计算，提 取出相位信息，即可检测原信号的频率。在关心的频率范围内，选择合适的频率分 辨率，用式( 3 6 ) 进行频率遍历计算，即可得到信号中相应谐波信号的小波变换系数， 进而可得到其频率和幅值，而且它只采用历史数据信息，因而提高了计算速度，能 够满足电力系统实时检测的要求。 3 2 频率检测新算法的研究 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的重要指标，需加以动态监测；另一方 面作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量，要求能实时计算。电力系统中各种负 荷的投切，原动机出力的变化都将引起系统频率的变化。因此，频率测量成为电力 系统运行和控制的重要技术之一。一般而言，频率测量包括3 个步骤：信号预处理、 频率测量和结果再处理。测频算法是频率测量的核心环节，信号预处理和结果再处 理是辅助算法，为频率测量服务，以优化测量性能，达到实际应用的目的。要实现 电力系统频率的精确检测需要克服以下两点，即正常运行时谐波和噪声污染的排 除；系统受大扰动时，频率中暂态高频噪声污染的排除。小波变换能较好的克服