（电力系统及其自动化专业论文）虚拟电能质量综合监测系统的研制与开发.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章 绪 论 当世界上第一个完整的电力系统 由 发电 机、电 缆、 熔丝、电表和负荷组成) 在纽 约的皮埃尔大街站( p e a r l s t r e e t s t a t i o n ) 建成并于1 8 8 2 年9 月投入运行时， 电 能便真正 进 入了 的 商 业化 应用阶 段i ll 。 在随 后的1 0 。 多 年中 ， 电 能以 其经 济、 实 用、 清洁 且易 于 转换等优良 特性得到了 广泛的应用。 从最初的直流系统过渡到交流系统， 直至现代的交 直流混合系统， 人们一直在寻找更为经济可靠的方式来满足自己 对电能的需求。 而这种 需求伴随着人类社会的不断前行被赋予了 更加丰富的 含义。 可以 看到， 一方面现代电 力 工业的迅速发展使得电能供不应求的矛盾得到了很大程度的缓解。 另一方面， 大量非线 性负荷、 非对称设备以 及冲击性用电设备的逐年增加， 给电网的安全经济运行带来了新 的挑战。 电力部门和用户都开始清楚的意识到电能作为一种特殊的商品， 无疑应该讲求 质量。 劣质的电能必将损害供用双方的共同 利益。 因此， 将电能质量现象视为一个整体 进行分类和研究，并进行有效的改善和治理是今后面临的一项极其重要的工作。 电 能 质量监测作为电能质量监控的一个关键环节， 在系统运行管理和技术监督中 起 着重要作用。 功能强大的电能质量监测网 络的建立， 可实现电网电能质量指标的集中管 理， 全面跟踪系统运行过程中的电能质量指标变化、 监督电能质量污染源、 为电网 运行 过程中的暂态现象及各种故障情况提供分析依据， 并进一步为改善电网总体电能质量指 标创造条件。 对保障系统电 气设备和各种用电 设备的安全经济运行， 提高电 力系统稳定 性，具有显著的经济效益和社会效益。 计算机总线技术、 数字信号处理技术、 网络技术的迅猛发展为工程师们构建新一代 的电能质量监测系统提供了全新的思路和方法。 合理的选择运用以上技术， 势必将全面 改善电能质量监测的面貌， 提高监测水平， 为今后的电能质量的治理工作打下坚实的 基 础。 1 . 1 1 . 1 . 电能质量问题的提出与相关标准 1电能质量问题的提出 由 于电 力 系统元件 ( 发电 机， 变压器， 线路) 的 参数并不是理想线性或对称的， 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、 外来干扰和各种故障等 原因， 我们所期望的理想状态在实际中并不存在， 这样就产生了电网运行， 电气设备和 用电 中 的 各 种 各 样的问 题， 也就 产 生了电 能 质 量的 概 念2 1 长期以来， 对电能质量的狭隘定义使我们仅仅停留在对频率 ( 偏差) 和电压 ( 偏差) 的认识上，更使我们深信不疑的认为所有的电能质量问 题都应该归咎子电 力生产部门， 而与自己毫不相干。 事实表明， 系统在运行过程中，电力部门只能控制电压的高低， 而 不能 控制某一负荷汲取电 流的大小。 电 压与电 流之间总存在着不可分的紧密关系。 尽管 华北电力大学 北京) 硕士学位论文 提 供了 纯正弦的 电 压， 但是 通过 系统阻 抗的电 流 仍然 可能 造 成p c c电 压的 扰动 而 使 之 变化 f3 ) ， 如: 1 .雷电电流注入系统引起冲击电压，造成绝缘闪落，短路故障等。 2 .短路电流可能引起电压凹陷或间断。 3 .非线性负荷产生的谐波电流注入系统，导致电压波形发生畸变。 因此， 优质的电能质量需要发供用三方共同保证。责任明确、 利益相同、成因 清晰 是我们分析讨论电能质量问 题的前提条件，也是适应市场竞争和可持续发展的必然要 求。 自2 0 世纪8 0 年代以 来， 随着新型电 力负荷迅速发展以 及它们对电能 质量的要求不 断提高，电能质量问 题得到了 普遍的关注和深入的讨论。越来越多的电力科研工作者、 工程师在电能质量的标准、 监测、 分析、 控制、 管理等各个领域取得了丰硕的成果。当 然对电能质量关注的原因是多方面的，归纳起来有以下几个方面。 1 .新型设备的 应用对电能质量提出了 较为苛刻的要求。 这类设备的基本特征是都 带有基于微处理单元的控制器和电力电子器件， 而它们对各种电磁干扰都极为敏感。 配 电网的任何干扰都会导致此类负荷工作异常、丢失数据、产品报废。 2 .非线性、冲击性以及不平衡负荷的大量存在对电能质量造成严重的污染。诸如 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， 致使电网的电压波形发生畸变或引起电压波动、 闪变以及三相不平衡， 甚 至引起系统频率的波动，对电网的安全运行带来直接的或潜在的危害。 3 .电力市场运行机制下，供用双方渴望明确责任、履行义务、按质论价。2 0 0 0 年 3 月 1 6日，上海市供电局与上海通用汽车公司、西门子移动通讯公司等五家企业正式 签订供用电合同， 确定双方在供用电方面的权利和义务。 首次对供用电 双方的违约责任 和赔偿事宜做出了明 确规定， 供方未能依法按规定的程序事先通知用方停电， 由 于供方 的责任引 起电能质量超标以 及供方电力运行事故给用方造成损失的要按约定的赔偿办 法执行; 同样，由于用方责任造成供方对外停电或电能质量不符合标准时， 也要承担相 应的赔偿责任。 可见， 伴随着供用双方的市场意识不断增强，电能质量的改善治理工作 必然得到全社会的重视和支持。 1 . 1 . 2电能质量的标准 为了 系统的分析研究电能质量现象， 并能够对其测量结果进行分选， 从而找到引起 电 能质量问 题的原因和采取针对性的 解决办法， 将电能 质量进行分类和给出相应的定义 或规定是很重要的。目 前， 世界上工业发达国家都已经制定和颁布实施了符合本国情况 的国家标准。 这些标准均权衡了电力部门和用户的投入比重， 并受制于电力供求关系和 技术经济发展水平。并且随着国际贸易的发展和各国间技术交流的需要逐步走向国际 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 化。 为了统一各国的电气标准和规范， 国际电 工委员会( i e c ) 于1 9 7 3 年建立了 第7 7 技术 委员会， 该委员会的工作成果以i e c出 版物6 1 0 0 0 的形式发表。1 9 9 5 年， 欧洲共同体 在英国 标准的基础上，颁布了一个电能质量标准， 称为“ 公用配电系统供电 特性” ， 作 为欧洲共同 市场对中、 低压电能 质量的统一标准， 并己 为i e c 采用。 i e c从电 磁兼容的 角度考虑将电能质量的基本现象分为: 低频传导、 低频辐射、 高频传导、 高频辐射、 静 电 放电 ( e s d )等五类现象。 以i e e e s t d 5 1 9 - 1 9 9 2 ( i e e e r e c o m m e n d e d p r a c t i c e s a n d r e q u i r e m e n t s f o r h a r m o n i c c o n t r o l i n e l e c t r i c a l p o w e r s y s t e m) , i e e e s t d 1 1 0 0 - 1 9 9 2 ( i e e e r e c o m m e n d e d p r a c t i c e f o r p o w e r in g a n d g r o u n d in g s e n s i t iv e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t ) 等为 代 表的 美国 标 准较为 详细 规 定了电力系统谐波、电 压缺口 ( n o t c h e s ) 、闪变 ( f l i c k e r )等现象的定义、测量以及减 轻的措施。 目 前， 我国正在积极的 采用国际先进标准， 特别是i e c制定的e m c标准。 至2 0 0 0 年 底， 己 经有2 1 项i e c 6 1 0 0 0 标准 文件被 等同 或等效 采用为国 家标准文件。 在此基础之 上，已 经 制定 颁布的电 能 质 量国 家 标 准 有4 1 , 1 . 电能质量 供电电 压允许偏差( g b -1 2 3 2 5 -9 0 ) 2 . 电能质量 公用电网谐波( g b / t 1 4 5 4 9 -9 3 ) 3 电能质量 电压允许波动和闪变( g b -1 2 3 2 6 -9 0 ) 4 . 电能质量 三相电压允许不平衡度( g b / t 1 5 5 4 3 -9 5 ) 5 . 电能 质量 电力系统频率允许偏差 ( g b / t 1 5 9 4 5 - 9 5 ) 1 . 2电能质量问题的研究现状 电能是一种特殊的商品，同 样具有商品的若干特征，比 如它可被测量、 定价， 其质 量可以 用各种指标加以 描述等等。 但是， 电能 质量与一般商品质量又有不同之处。 清楚 的了 解这些特点对于我们今后进一步开 展工作大有益处。 首先，电 能质量的优劣取决于三方:电 力部门、 用户、自 然力。认为电能质量的优 劣完全取决于电力部门是一种常见的误区。 其实， 衡量电能质量的一些指标的大小( 例 如谐波、电 压波动与闪变、 三相电 压不平衡) 往往由电力用户的干扰决定; 雷击等自 然 力也是影响电 能质量的重要因素。 因 此， 全面保障电能质量既是电力部门的责任， 也是 电 力用户应尽的义务。 其次， 电能质量在空间 和时间 上处于动态变化之中: 空间上的变 化要求我们要明确监测点， 在条件允许的 情况下应该采用分布测量方式， 这样可以同时 了 解多个测量点的电能质量状况; 时间上的变化一方面说明电能质量指标宜用概率统计 结果来衡量 ( 国内外大多采用9 5 %概率值作为衡量依据) ，另一方面则说明了永久性监 a 1 ( 在线监测) 的必要性， 只有连续捕捉电能质量信息， 才能准确的得到它的概率统计 结果。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 . 2 . 1电能质量的检测 对电能质量进行检测是获得电能质量信息的直接途径。 在我国 这项工作开展较迟， 技术相对滞后。自 主研制开发的检测仪器大多功能单一、 精度较差， 不易扩展、 维护繁 琐。 无法适应更复杂的 测试条件， 面对新出 现的电能质量问 题显得力不从心。 另外， 当 前的 检测方式还主要集中 在专门 检测和定期或不定期检测两种， 没有形成对电 能质量的 长期监测。 而且各个监测点相互孤立， 信息不能共享， 监测数据不能用来计算谐波潮流 和确定谐波源。 基于这种现状， 合理的运用计算机技术、网 络通讯技术、 数字信号处理技术等新型 技术构建全新的电能质量在线监测网络， 搭建统一开放的信息管理平台是一项迫切的任 务. 通过它我们可以及时准确的了 解当前电网的电能质量水平， 以便找到电网中影响电 能 质量的原因， 并采取相应的整改措施。 改善现有供电 系统的供电 质量、 降 低电能 损耗、 保证电网的安全、 可靠、 经济运行。 同时也为电网的进一步建设完善和事故分析提供准 确的历史数据和基础数据。当然，为了便于全社会的监督，构建基于 w e b的电能质量 监测系统很有意义。 将有用的电能质量信息及时准确的发布到网页上， 用户通过浏览器 上网浏览相关信息， 满足了 用户对电能质量品质的知情权， 促进电力市场机制不断完善。 基于上述原因， 我们采用了 虚拟仪器技术构建了 虚拟电能 质量综合监测系统。 该系 统包括在线监测、 数据发布、 管理分析等模块。 经过不断的改进完善， 该系统已 经投入 现场使用，效果令人满意。 1 . 2 . 2电能质量的分析和计算 电能质量的分析计算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 题进行系统的分析， 为改善电能质量提供指导。 由 于干扰源性质各异， 电网元件在不同干扰作用下呈现不同的性能， 因此建立干扰源和电 网 元件 ( 或局部电网) 准确的数学模型有时困 难很大， 而分析计算的准确性不仅取决于 数学模型和计算方法，还有赖于电网 基础资料的可信度。 近年来， 基于数字技术的各种分析方法己 经在电能质量众多领域中得到了 广泛的应 用卜 刀 。 如: 分析谐波在电网中的传播; 分析各种扰动源引起的波形畸变; 开发 各种电能质量控制装置， 分析它们在解决电能质量问题方面的作用; 多个控制装置的 协调以 及与其它控制器的综合控制等问题。 概括起来， 分析方法分为三大类: 时域仿真 方法，频域分析方法，基于变换的方法等。 1 . 2 . 3电能质量的控制技术 改善电能质it措施的研究涉及面很广。为减小频率和电 压偏差， 应实施电网调度自 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 动 化， 无功优化， 负荷 控制以 及许多 新型的 调频， 调压装置的 开发和应用。 近几 年在全 国范围内 进行的城乡电网改造工程， 也是提高电能质量的重要措施。 目 前， 在抑制谐波、 降 低电 压波动和闪变以 及三相不平衡方面， 已 有几种装置可供选择。 例如技术已 相当成 熟的无源滤波器， 静止无功补偿装置 ( s v c ) 等。 随着高性能的电 力电子元器件 ( 例如 g t o , i g b t , l t t 等) 的出 现以 及微处理和微电子技术， 信息技术和控制技术的发展， 美国著名的电力专家n . g h i n g o r a n i 于1 9 8 6 年首次提出灵活交流输电系统 ( f l e x i b l e a c t r a n s m i s s i o n s y s t e m ) ， 也 称为 柔性交流 输电 系统。 基于电 力电 子技术的 灵 活交 流输电 系 统( f a c t s ) 通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流， 使输送容量更接近线 路的 热 稳 极限 是 提高 输电 系 统输 送容 量的 有 效 措 施 8 119 1 。 目 前主 要的f a c t s 装 置 如 表1 一1 所示: 串联投切电容器 ( t s s c) 使输电线路的阻抗变小，相当于缩短了输电线路的长度，是 提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段。 可控串联补偿电 容 器 ( t c s c) 功能同上 静止无功补偿器 ( s t a t c o m ) 通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电 压恒定。因此 是抑制系统电 压波动、闪变和提高系统稳定性特别是电 压稳 定性的 有力_ 工 具。 统一潮流控制器 ( up f c) 综合了串、并联补偿的功能， 对线路电压、阻抗、相位进行 控制，从而实现控制潮流、阻尼振荡、提高稳定性等多种功 有 9 表 1 一1当前主要的f a c t s 装置 作 为f a c t s 技 术在配电 系统 应用的 延 伸 一 d f a c t s 技术( 又 称c u s t o m p o w e : 技 术) 己成为改善电能质量的有力工具。该技术是美国电 力研究院 ( e p r i )的 研究人员率先 提出的新概念。 它将大功率电力电子技术和配电自 动化技术综合起来， 以用户对电 力可 靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。该技术的核心器件 i g b t比 g t o( 固 态开关) 具有更快的开关频率， 并且关断容量己 达mv a级， 因此d f a c t s 装 置具有更快的响应特性。 美国电 力部门 共花了8 年的时间， 使大家接受了 用户电 力技术的新概念， 并开发了 所需的新设备和建立了定制电流基础结构。 我国己 经成为继美、日、 德之后第四个在大 容量 f a c t s装置研制与应用方面拥有自 主知识产权的国家。目 前应用在配电 系统的 d f a c t s 装置如表 1 -2 所示; 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 有源滤波器 ( ap f ) 可以有效的抑制系统谐波 动态电压恢复器 ( dv r) 通过自身的储能单元， 能够在m s 级内向系统注入正常电压 与故障电压之差，因此是抑制电 压暂降的有效装置。 静止无功补偿器 ( d-s t a t c o m) 功能同s t a t c o m 固态切换开关 ( s s t c) 与静止无功补偿器配合使用时， 可向用户提供优质电力; 可 为用户提供不间断电源; 与限流电抗器组合， 快速限制短路 电流 表 1 -2 当前主要的d f a c t s 装置 1 .3 本论文的主要工作 本文在研究电能质量各项指标及其测量方法的基础之上，以虚拟仪器技术为核心， 结合网络通信、 数字信号处理等技术构建出一套全新的虚拟电能质量综合监测系统。 具 体工作内容如下: 1 . 对当前电能质量的监测方式、监测技术、以 及虚拟仪器的技术优势作出了 全面 的论述。 2 .详细阐述了电能质量各项指标的定义及数字化测量方法。 3 . 介绍了 虚拟电能质量综合监测系统的整体构架。 重点论述了 在线监测单元的软 硬件设计和实现方法。 4 ，现场实验结果和误差分析。 5 .在以上研究成果的基础上，对虚拟仪器在广域相量测量及准同期等领域中的应 用进行了初步的探讨和研究。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章 电 能质量测量综述 随着对电能质量的关心程度不断提高，电能质量问 题的 研究工作成为新的热点。工 程师们首先科学的制定了电能质量的标准， 然后在指标监测、 分析计算、 改善治理等领 域展开了卓有成效的工作。 无疑指标监测是获得电能 质量信息的最直接的 途径， 是我们 开展电能质量相关工作的基础环节。 本章将重点论述当前电能质量的测量方式， 介绍各 种测量技术的 特点 和原理， 最后指出 使用虚拟仪器技术构建电能质量综合监测系统的 优 势和卓越表现。 2 . 1 电能质量监测现状 2 . 1 . 1 电能质量在线监测的必要性 电 能质量的含义和内 容广泛，对不同电 能 质量问 题的测量方式和要求不同。针对不 同电能质量标准的规定和要求， 应包括连续监测、 定期或不定期检测和专门 测量三种方 式。 由 于电能质量是随着时间动态变化的， 因此在线监测是最为合理且有效的 测量方式， 也是三种监测方式中最为重要的一种监测方式。 目 前， 国内 对电能质量各项指标的测量 大多数还处于专门测量和定期或不定期检测的阶段， 没有形成对电能质量的长期连续监 测， 在电 能质量问 题日 益严重并日 益受到重视的今天， 前两种方式显然已 经不满足需要， 只能作为 在线监测方式的补充。 因此电能质量测量装置应该向 在线监测的方向 发展， 并 形成网 络化分布测量， 对分布在全网的 若干个测量点进行全面的监测分析， 建立起表征 电 能 质量信息的 数据库， 形成完整的电 能质 量信息 管理系统， 将重要的 信息及 时准确的 发布到网页上，充当电力市场的 “ 质监员， ，接受全社会的监督。 建立电能质量的在线监测系统是我们今后工作的重点，注重对电网电能质量的在线 监测将令我们的 研究工作受益匪浅: 1 . 电能质量在线监测是获取电 力系统运行状况和电 能质量水平的重要手段。为了 全面准确地反映地区电力系统地的运行状况和电能 质量水平， 选择有代表性的 监测点并 对其进行在线监测是最好的方法之一， 因此， 对电 能质量 进行在线监测已 经成为国外许 多电 力公司的共同做法。 如美国电力研究院 ( e p r i )为了了 解全国配电 系统的电能质 量状况， 在1 9 9 2 年开始设计了专门监测仪器 ( r m 1 8 0 1 0 p q n o d e ) ，建立了监测系统用 于对全国2 4 个电力公司的配电 系统电 能质量进行监测。 近年来许多国 外公司也开始了 电能 质量在线监测系统的 研发， 如瑞典联合电 力公司 研制的p q s e c u r e 在线式监测分析 系统。 瑞士莱姆公司的p q f i x 电能质量在线监测装置等。 2 . 在线监测可以为辅助决策提供必要的参考依据。监测数据里含有丰富的信息， 通过对这些数据的分析统计可以 等到供决策用的参考依据。 例如， 黑龙江鹤岗 金山 屯 变 电站的一回出线向一炼钢厂供电， 在变电站母线上引起了 较严重的谐波污染， 通过对该 华北电力大学 北京)硕士学位论文 条出线进行连续监测并分析等到的监测结果，提出了 具有针对性的治理方案。 3电能质量在线监测能及时全程跟踪设备的运行状态， 将问 题的事后解决变为事 先预防。 2 .1 .2构建全新的电能质量监测系统 近年来，随着现代工业的快速发展， 传统的 测量方式和技术无论在功能、 精度、 信 息量上都无法满足供用双方对电能质量要求。具体表现在几个方面 g a l . 1 传统的电能质量监测方法不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监测。没 有完善的数据存储和管理机制， 一般只是在需要时才对电能质量进行检测， 而这对于电 能 质量波动较大的情况， 如系统中存在大功率的电弧炉和整流设备时 往往不能得到全面 的电能质量信息。 2 ，传统的电能质量监测功能单一， 不能综合考虑全部五项指标。 只能监测其中的 一项或几项。 3 .传统的电能质量监测大多孤立的对某个站点进行监测， 信息不能共享，不能从 系统的观点来考虑电能质量的监测， 监测结果具有局限性。 无通讯和控制输出功能， 不 满足电力系统网络化、自 动化的发展方向。 4 .传统的电能质量监测装置多采用模拟元器件或单片机，受器件性能和信号处理 方法的限制， 精度和计算能力往往不能达到要求。 同时数据的偶然性很大， 甚至还有漏 抄、虚抄的现象。 5 .工作量大，效率低，需要花费很多的人力和物力去测量、统计、分析。有的产 品虽然直接引进了国外的技术模块， 功能较强， 可是价格较高， 且不完全适合我国市场。 越来越复杂的测试条件、高度自 动化的 现代电力工业迫切需要功能更强大、 成本更 低廉、 系统更灵活的新一代电能 质量监测系统。目 前， 一组以 先进的计算机总线技术和 虚拟仪器编程技术为核心的新技术， 正在广泛应用于测试与仪器技术领域， 它包括高速 总线技术v x i , p x i , u s b , i e e e 1 3 9 4 、基于网 络的远程测量技术、 智能虚拟仪器驱动 器技术i v i 等。 采用这些新技术构建的监测系统的 互换性和互操作性显著提高， 技术性 能大大提升。可见研制数字式电能质量监测系统的软硬件条件己 经成熟。 2 . 2监测系统设计方案的选择 构建全新的分布式电能质量监测系统的第一步就是设计方案的确定。 就好象盖楼房 一样，工程设计图的绘制，建筑材料的选取无疑决定了未来建筑的风格和质量。因此， 我们必须谨慎的比 较当前相关领域的各种技术， 选择最合理的设计思路， 运用最先进的 技术来研制电能质量监测系统。本节将全面比较各种电能质量监测技术及方案的优缺 点，最终确定系统的设计方案。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 2 . 1基于模拟技术的 监测系统 电能 质量研究初期， 借助模拟元器件构造的电能 质量监测装置或系统是我们获得电 能质量指标信息的主要途径。 从通用的电压电流表、 示波器， 发展到后来的专用录波器、 谐波分析仪。模拟装置在过去的几十年中发挥了巨大的作用。 比如， 针对早期的谐波研究，工程师们开发了大量谐波测量仪器。这些仪器都是采 用 模拟滤 波器实现的1 1 ， 常见的 模拟滤波器如图2 - 1 所示。 这种谐波分析仪的 带通滤 波器的中心频率被设计成与谐波频率相等。 这样， 当周期信号作用于滤波器组时， 各种 频率的谐波信号只能在同频带与其相对应的 滤波器内通过， 滤波器的输出 幅值检波后记 录为时间的函数， 这种谐波分析仪优点是电路结构简单， 分析时间短， 输出阻抗低， 品 质因素易于控制。 但该方法也存在许多缺点， 如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感， 受外界环境影响较大， 难以获得理想的幅频和相频特性。 当电网频率发生波动时， 不仅 影响检测精度， 而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量， 要求有源补偿器的容量 大，运行损耗也大。 图2 -1 并行式模拟谐波分析仪原理图 2 . 2 . 2基于o s p 的数字式监测系统 d s p 包 括 两方 面的 含义， 一 方面 是 数 字 信号 处 理 方 法( d i g it a l s i g n a l p r o c e s s i n g ) ; 另一方面是数字信号处理器 ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 。二者分别提供了 方法原理和实 现手段，相辅相成，缺一不可。 1 .数字信号处理技术 数字 信 号处 理是6 0 年 代 前后 发 展起 来的 一门 新 兴学 科 l2 1 3 1 。 进入7 0 年 代以 来， 随 着电 子计算机、 超大规模集成电 路 v l s i ) 以 及微处理器技术的迅速发展， 数字信号处 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 理技术无论 在理论上还是在工程应用中， 都是目 前 发展最 快的 学 科之一， 并且日 趋完善 和成熟。 处理就是变换。 数字信号处理就是用数字的方法， 对信号的 波形进行变换。 数 字信号处理技术为模拟信号的处理开辟了 广阔的前景。 主要涉及信号滤波、 信号分析( 包 括调制、 变换、增强、压缩、检测、估计、识别等) 。 2 .数字信号处理器d s p 近2 0 年来，将c p u 、 存储器和接口电路等集于一体的单片机技术得到了 迅猛的发 展。 通用单片机以其较高的性能价格比， 在控制领域得到了广泛的应用。 常规的单片机 应用系统设计往往都用一个 c p u加以一系列外围辅助电路以达到相应的设计目 标。这 种设计方法在复杂的系统中要进行繁琐的译码、 逻辑变换， 使得系统硬件电路复杂， 调 试困难。 随着测试任务的不断复杂， 应用领域的不断拓宽， 人们还是觉得单片机在高速 控制和复杂运算方面，尤其是在数字信号处理方面显得力不从心。 为了 最大限度的提高微处理器的运算能力， 加快数字信号处理算法的运算速度， 许 多 公司 都开 发了 通用单片数字信号 处理器 ( d s p ) o d s p处理 器实质上也是一 种专用单 片机，主要用作数字信号处理， 它的工作原理与单片机的工作原理相似。 运用d s p对 信号进行处理是一种硬件实现过程。它分为通用信号处理器 ( 程控方式的信号处理器) 和专用信号处理器 ( 随机逻辑构成的信号处理器) 。 专用信号处理器是随机逻辑构成的 信号处理器， 适用于过程固定而又追求高 速的 信 号处理任务， 是以指定的算法来确定它的结构， 使用各种随机逻辑器件组成的信号处理 器。 它是一种非计算机结构系统， 虽然它也可能使用计算机常用的运算、 控制。 存储等 部件，但无控制程序。常见的有f f t 、数字滤波等专用信号处理器. 通用信号处理器的设计思路来源于通用数字计算机。 它在进行数字信号处理时灵活 性大， 适应性较强， 而且具有可编程能力。 它的指令存储器和数据存储器分开， 使得数 据的 吞吐量显著增强。 灵活、快速、通用等优点为此类d s p处理器的应用赢得了 广阔 的市场. d s p 在技 术 和性能 上的 优 势 促 使它 在电 能 质 量 监 测 领域得 到 广泛的 应 用 11 4 7 1 5 7 。 基 于 该技术的 设计方案屡见不鲜，比 如工程师们常常采用一种m p u + d s p的设计方法来构 造电 能质量在线监测系统， 如图2 - 2 所示。它采用传统的主从式系统硬件设计， 运用 m p u 十 d s p 的 双c p u并行处理技术， 配以 适当的 外围 接口电 路来完成各项功能。 这种 设计可以 充分发挥d s p 芯片的数字信号处理优势和m p u的控制功能。 单片机m p u作 为主控制器完成整个系统的 控制和键盘处理功能， 并通过双口r a m与d s p 单元进行通 讯，实现快速的数据交换。d s p单元主要完成电压和电流信号的采集及对其进行 f f t 变换和其它相关的数学运算，充分发挥其运算能力强的特长。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图2 - - 2d s p 设计方案原理框图 可以看到，虽然基于d s p 技术构建电能质量监测系统是一套有效的方案，但是该技 术也有如下不足之处： 此方案属于电能质量监测的硬件实现方法，其结构设计相对复杂，要求开发者 既要具有坚实的硬件基础又要有丰富的实际开发经验。而且开发难度的增加必然导致开 发周期的延长。 电气工程师们渴望从繁琐的底层编程中解放出来，试图使用简单易用的方式轻 松愉快的完成智能化监测。而总线的标准化，仪器的软件化，以及计算机的性价比的不 断攀升都为这一梦想提供现实的可能。 d s p 本身较差的通用性限制了系统性能的更新和拓展，每一次系统升级的工作量 和难度相对较大。而且与通用计算机工控机相比，没有丰富的软件资源。 在网络通讯和人机交互方面也不如通用计算机工控机快捷方便。 综上所述，我们应该尝试以通用计算机工控机为裁体研制开发更先进的龟能质量 综合监测系统。 2 2 3 基于虚拟仪器的数字式监测系统 在当今的信息时代，计算机软硬件技术的飞速发展，从各个层面上影响、引导着各 行各业的技术革新。测控领域也同样经历着一场翻天覆地的变革，传统的测量技术和理 念不再适应越来越复杂、灵活的测试任务，功能强大的基于计算机的新一代测量技术和 理念呼之欲出。可以清楚的看到：在过去的2 0 年中，测控领域正发生着巨大的转变： 由模拟技术向数字技术转变；由简单功能组合向以计算机为核心的通用测试平台转 变；由硬件实现全部功能向软硬件结合转变：由单台测试向多台组合测试转变。无 疑，这些令人。惊喜的转变给我们的测试工作带来了巨大的活力，为工程师们提高生产率、 测量精度及系统性能方面作出了突出的贡献。 计算机技术、网络通讯技术被称为2 l 世纪的核心技术，它们为新型测量技术的产 生提供了现实的基础： 华北电力大学( k 京) 硕士学位论文 图2 3 虚拟仪器产生的现实基础 可以看到，一方面有先进技术作为支持；另一方面传统测量仪器已经“力不从心”。 在这种情况下基于计算机技术的新一代测量技术，即虚拟仪器技术 t 6 t 1 7 1 出现了。它的 出现将给测控领域带来深刻的影响。本文正是选择了虚拟仪器技术作为构建虚拟电能质 量综合监测系统的核心开发技术，并在以后的章节中详细的介绍相关工作的进展情况和 研究成果。 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户 可以通过友好的图形界面来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人 仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数据存储等。 虚拟仪器与其说是一种仪器，不如说它是一种概念，种全新的概念技术。半个世 纪以来一直位于电子工业界领先地位的杂志电子设计( e l e c t r o n i cd e s i g n ) 更是称其 为电子业界的概念先锋。这种概念就是将传统的以硬件为主的测试系统向以软件为中心 的测试系统转变。它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是 虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户 可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。和用计算机车 富的软硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据分析、处理、表达、存储等方面的限制， 达到传统仪器无法比拟的效果。 2 虚拟仪器的构成 ( 1 ) 从内部功能上讲 与传统仪器一样，虚拟仪器同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示功能三 大功能模块。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合，实现仪 器的功能运作。如图2 4 所示 ktli 一 现实基础 一 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 l 插入式d a q 卡 g p i b 仪器 v x i 仪器 r s - 2 3 2 一一 信号处理 数字滤波 统计 分析 _ p 一 数据采集分析处理结果表达 图2 4 虚拟仪器结构框图 ( 2 ) 从构成要素上讲 虚拟仪器分为三部分：计算机硬件平台、测控功能硬件、软件系统。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、工作站、嵌入式 计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。正是计算机 在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的 快速发展。 测控功能硬件是指构建虚拟仪器系统的各种总线仪器，如g p i b 、 v x i 、p x i 、d a q 、串口仪器等。选用不同的功能硬件或总线仪器就构成了不同的虚拟 仪器测试平台。基于系统性能和开发成本的综合考虑，我们发现插卡式( d a q ) 方案 是一种性价比极高的解决方案，无论在技术上还是在成本上都完全满足实际需要。该方 案是基于p c i 总线的，从而更加充分地利用计算机的内部资源，大大增加了测试系统的 灵活性和扩展性a 随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技 术的迅速发展，d a q 卡的性能得到大大提升。只要在p c 机上插入若干d a q 功能模块， 配合相应的软件，就可以方便快捷的构成功能强大的虚拟仪器。因此，我们将该方案确 定为构建电能质量监测系统首选方案。 软件系统是虚拟仪器的关键。虚拟仪器就是利用计算机的软硬件资源，使本来需 要硬件实现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能 与灵活性。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用 软件。如图2 5 所示。 图2 5 虚拟仪器的软件层次 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 近年来，许多公司都推出了开发虚拟仪器的软件平台，用户使用这些平台可以自由 设计属于自己的虚拟仪器系统。最早和最具影响力的开发软件，是n i 公司的 l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 开发软件。其中l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常 实用的开发软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的、在w i n d o w s 环 境下的标准a n s i c 开发环境。 3 虚拟仪器的优势 基于虚拟仪器的测试系统不仅可以实现传统仪器或系统的大部分功能，而且在许多 方面拥有无法比拟的优势，如下表所示： 优势一：高质量的硬件支持。 首先，虚拟仪器融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、 存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大 容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。其次，虚拟仪器产品的供应商为用户提供了高 质量的硬件，这些硬件具有更高的数据采样率，更卓越的性能。为测量提供更高的精度 以及更好的信号隔离功能。 优势二：软件就是仪器。 一方面实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源；另一方面软件结构增加了 系统的灵活性，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，不受厂商的限制。而且可以 在测试项目发生变化的情况下对仪器的功能进行修改和扩展。因为您只需要修改相应的 软件程序就可以了。而传统仪器功能上扩展与修改需要系列复杂的过程。另外，通过 图形用户界面( g r a p hu s e ri m e r f a c e ) 技术，真正做到界面友好、人机交互。软件的模 块化设计是它的一大优势。在处理一个大项目时，可以将不同功能分成几个单元，分别 由各个子程序来完成，然后再将它们集成到一套完整的系统中用于完成您的应用。 优势三：模块化设计 基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化、大大缩 小了系统的尺寸，可方便的构建模块化仪器( i n s t r u m e n to nac a r d ) 。 优势四：网络就是仪器 现代测控要求仪器不仅仅能单独测量到某个量，而更希望它们之间能够相互通讯， 实现信息共享从而完成对被澳4 各系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统仪器在 这方面显然存在着严重不足，甚至根本无法实现。而虚拟仪器基于网络技术和接口技术， 由它构建的虚拟仪器系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s p r o f i b u s 等各种工业总线标准。因此，利用虚拟仪器技术可方便地构建自动化测 试系统( a t s ，a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ，实现测量、控制过程地网络化。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 优势五：基于计算机的开放式标准体系结构 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此， 用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活。效率更高。 优势六：开发周期与技术更新周期大大缩短。 一方面，虚拟仪器系统的开发不像d s p 系统那样复杂繁琐，从而为工程人员节省了 大量的时间；另一方面。系统升级和技术更新的对象是软件，而硬件一般不需作太大的 改动。因此，可以使系统在缘短的时间里享受最新的技术。 2 2 4 建立分布式电能质量监测系统 电能质量的特点告诉我们电能质量在空间上处于动态变化，即全网各节点的电能质 量状况不尽相同，甚至差剐很大。因此，建立分布式监测系统，同时掌握和获得全网重 要节点的电能质量信息十分重要，对于我们找出影响电能质量的原因和确定谐波源非常 有利。另一方面，分布式测量系统可以大大的降低工作量、提高工作效率。供电部门不 必花费大量的人力、物力及时间到现场去采集信息，然后回来分析统计，而可以直接通 过分布式监测系统的网络功能获得重要的数据信息【1 3 l 蜉1 。 传统的监测设备在实现网络通讯和信息共享方面存在缺陷，这些缺陷使之无法融入 分布式监测系统之中。雨基于虚拟仪器技术研制的监测终端以箕出色的通讯互联能力使 构建分布式电能质量监测系统成为可能。 l a b v i e w 作为一个优秀的虚拟仪器开发平台，为构建分布式监测系统提供了功能 强大的工具和灵活的方法。除了大家比较熟悉的t c p 、u d p 协议外。l a b v i e w 平台中 的d a t a s o c k e t ( d s ) 技术是一种能够简化应用程序之间，以及计算机之间进行数据传 输的新的网络编程技术。d s 建立在t c p i p 协议的基础之上，但是却摒除了较为复杂的 t c p i p 底层编程，用户只需要简单编程或设置u r l 就可以通过计算机网络向多个远方 的现场终端同时广播现场的测量数据。就像在墙上的电源插座插上插头就能用电一样方 便。图2 - - 6 展示了基于d ss e r v e r 数据目标的应用实例。该气象监视系统采用了n i 公 司的d s 技术，并通过设置在t e x a s 的d ss e r v e r 实时传输气象数据。实现了对美国的 t e x a s 的气象监视。 另外，n i 公司除了在网络编程技术上为我们提供足够的支持外，还为分布式系统的 开发提供了相关的技术支持和解决方案。比如该公司提供的l a b v i e w 数据记录和监测模 块( l a b v t e wd s c ) 就是建立分布式应用方案的理想工具。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 图2 6 基于d ss e r v e r 的远程气象监视系统 建立分布式电能质量监测系统的一个关键环节是如何实现各监测终端监测数据的 同步问题。因为只有这样才可能掌握电网内谐波和畸变在某一时刻的分布，从而为定位 污染源奠定基础，为改善电能质量提供依据。因此，应该通过全球定位系统g p s 将数 据定标，然后上传到中心站的服务器中保存起来，如图2 7 所示。 图2 7 分布式监测系统结构框图 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第三章 电能质量指标的测量模型及实现方法 近年来， 随着电 力系统负荷结构的变化以 及电 力市场机制的实行， 用户用电的商品 化意识逐渐形成。 人们开始意识到电能也是一种商品， 既然是商品， 当 然也要考虑商品 的质量，即要满足一定的质量指标。 电 能质量指标是电能质量各个方面的具体描述， 不同的指标有不同的定义和规定。 从总体上讲， 电能 质量指标越接近标称值表明电能质量越好。 然而， 电能从生产到消耗 是一个整体，电力系统的发、输、 配、 变、 用始终处于动态平衡之中， 其中任何一个环 节都会对电能质量产生影响。 而电能质量指标的控制又需要相当的投入( 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 度和运行技术的管理等) 。 因此， 电能 质量指标的偏差时刻存在， 而偏差是否能够满足 规定的限值是我们进行电能质量指标监测的唯一动机。 电能质量指标主要包括稳态指标和暂态扰动。 其中稳态指标包括:电力系统的频率 偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相电压 ( 电流)不平衡度、电网谐波含量等。暂 态扰动包括暂态过电 压和瞬态过电 压以 及电 压凹陷和短时中断等。 其中电 压和频率偏差 基本上取决于供求平衡关系， 而波动和闪 变、 不平衡度、 谐波及暂态扰动则不仅与电 力 系统有关， 而且受用户负荷性质的影响。 下面就各项指标及扰动的定义、 数字化实现方 法进行详细的阐述。 3 . 1电力系统频率允许偏差 电力系统稳定运行时，电 力系统负荷不断变动，电 源出 力及其调节系统追随负荷变 化又有一定的惯性， 致使系统频率不可避免地偏离标称值， 即产生频率偏差。 此时系统 中不同节点的频率可能产生不同 程度的波动，这是一种企求系统能量均衡的动态过程。 在不破坏系统稳定的前提下， 在各节点同时检测， 不易察觉到波动的差异。 从概率统计 的 意 义 上， 各节点的 频 率是 相等的， 并 作同 步 变 化。 在 此条 件下， 任意点 测得的 频 率 均 为系统频率。 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需要加以动态监测: 另一方面作为 实施安全稳定控制的重要状态反馈量， 要求能实施重构。 另外， 频率同步也是实现高精 度谐波分析的重要措施之一。 这里我们仅将频率作为电能质量的指标进行讨论， 而关于 频率在安全稳定控制方面