（电力系统及其自动化专业论文）电压暂降与短时中断分析的记录装置的硬件研制.pdf

华北 电力大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术的发展和电力系统中大量非线性负荷的出现，致使电能质量 不断恶化。针对我国当前电力部门的需求和工程实际问题，本课题提出 一 种能够测 量电1 -ii. 暂降、暂升、短时中断的动态电能质量和各项电能质量国家标准( 电)-is. 偏差、 频率偏差、谐波、电压波动与闪变、三相不平衡) 的综合测量与分析记录装置。 本文设计了基于c p u 和d s p 技术的高速、高精度数据获取及处理系统，利用多 通道采样保持和分时转换电路实现数据的同步采集，主c p u 和从d s p 芯片间通过双 口r a m 进行信息交换。主 cu 处理器完成对整个装置的管理和控制，从 d s p处理器 实现对各类电能质量指标的测量和处理，并给出了相应的算法实现。 本装置能对电能质量的各项指标提供全面、准确的测量和记录。 关键词:电能质量，电压暂降和短时中断，闪变，数字信号处理 abs tract wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a n d e m e r g e n c y o f m u c h n o n - l i n e a r l o a d i n p o w e r s y s t e m , t h e p o w e r q u a l i t y h a s b e e n m o r e a n d m o r e d e t e r i o r a t i o n a i m i n g a t t h e d e m a n d o f p o w e r d e p a r t m e n t a n d t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s , w e p u t f o r w a r d a k i n d o f i n t e g r a t e d s u p e r v i s o r w h i c h c a n m e a s u r e d y n a m i c v o l t a g e q u a l i t y i n c l u d i n g s a g , s w e l l , i n t e r r u p t i o n a n d p o w e r q u a l i t y i s s u e s ( a d m i s s i b l e d e v i a t i o n o f s u p p l y v o l t a g e , p e r m i s s i b l e d e v i a t i o n o f f r e q u e n c y , h a r m o n i c s i n p u b l i c s u p p l y n e t w o r k , v o l t a g e fl u c t u a t i o n a n d fl i c k e r , a d m i s s i b l e t h r e e - p h a s e v o l t a g e u n b a l a n c e f a c t o r ) . a h i g h - s p e e d a n d h i g h - p r e c i s i o n d i s t r i b u t e d d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g s y s t e m i s d e s i g n e d b a s e d o n c p u a n d d s p i n t h i s p a p e r . t h e s y n c h r o n o u s d a t a s a m p l i n g o f t h e s u p e r v i s i n g s y s t e m i s r e a l i z e d b y m u l t i - c h a n n e l c o l l e c t i o n r e t a i n i n g a n d a / d t r a n s f o r ma t i o n c i r c u i t . da t a b e t we e n t h e ma s t e r c p u a n d s l a v e ds p c a n b e t r a n s f e r r e d b y d u a l - p o r t r a m. a c c o r d i n g t o t h e s p e c i a l c h a r a c t e r s o f t h e e l e c t r o n i c p o w e r s y s t e m , t h e a l g o r i t h m i m p l e m e n t a t i o n o f d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r i s p r e s e n t e d . t h e s y s t e m c a n p r o v i d e c o m p r e h e n s i v e a n d a c c u r a t e r e c o r d i n g d a t a f o r a l l k i n d s o f i s s u e s o f p o w e r q u a l i t y . wa n g y u e h u i ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m a n d a u t o m a t i o n ) d i r e c t e d b y a s s o c i a t e p r o f e s s o r x i a r u i h u a k e y wo r d s : p o w e r q u a l i t y , v o l t a g e s a g a n d i n t e r r u p t i o n , fl i c k e r , d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g i y7 1 3 0 1 1 声明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 电压暂降与短时中断分析的记录装t , 的硬件研制 ，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 ! _ 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木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:口期: 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r i 有关部门送交学位沦文的原件与复印件; 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_ ! 发表、 传播学 位论文的个部或部分内容 ( 涉密的 学位论文在解密后遵守 此规定) 作者签名: 导师签名: 日期: 日期: 华北电力大学硕士 学位论文 第一章 引言 1 . 1研究背景 电能是 ， 种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，是现代 社会中使用最广泛的能源， 其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之。随着 科学技术和国民经济的发展， 人类社会对电能的需求日 益增加，同时对电能质量的 要求也越来越高。 个理想的三相交流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， 按规定的电压水平 ( 标称电压)向用户供电，各相的电压和电流应处于幅值大小相 等、相位互差 1 2 0 “的对称状态。然而，实际上由于系统各元件( 发电机、变压器、 线路等) 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， 这种理想的状态在实际当中 并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，因此人 们提出了电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 的概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。 从工程实用角度可将电能质量进一 步分解为: 1 . 电压质量( v o l t a g e q u a l i t y ) :用实际电压与理想电压间的偏差( 应理解为广 义偏差，即包含幅值，波形、相位等) ，反映供电企业向用户供给的电力是否合格。 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 动和闪变、电压暂降 ( 暂升)和中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电) t . 等。 2 . 电流质量( c u r r e n t q u a l i t y ) :为了提高电能的传输效率，对用户取用电流 提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高 功率因数运行。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。 3供电 质量( q u a l i t y o f s u p p l y ) : 包含技术含义和非技术含义两部分 技术含 义有电压质量和供电可靠性; 非技术含义是指服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，包 括供电企业刘用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的合理性、透明度等。 4 . 用电质量( q u a l i t y o f c o n s u m p t i o n ) :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，它反映供用双方相互作用与影响中用电方的责任 和义务。 山于电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的， 所以用户的衡量标准 应11 1 有优先的位置。因而电能质量可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作 的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、 华北电力大学硕士 学位论文 第一章 引言 1 . 1研究背景 电能是 ， 种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，是现代 社会中使用最广泛的能源， 其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之。随着 科学技术和国民经济的发展， 人类社会对电能的需求日 益增加，同时对电能质量的 要求也越来越高。 个理想的三相交流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， 按规定的电压水平 ( 标称电压)向用户供电，各相的电压和电流应处于幅值大小相 等、相位互差 1 2 0 “的对称状态。然而，实际上由于系统各元件( 发电机、变压器、 线路等) 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， 这种理想的状态在实际当中 并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，因此人 们提出了电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 的概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。 从工程实用角度可将电能质量进一 步分解为: 1 . 电压质量( v o l t a g e q u a l i t y ) :用实际电压与理想电压间的偏差( 应理解为广 义偏差，即包含幅值，波形、相位等) ，反映供电企业向用户供给的电力是否合格。 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 动和闪变、电压暂降 ( 暂升)和中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电) t . 等。 2 . 电流质量( c u r r e n t q u a l i t y ) :为了提高电能的传输效率，对用户取用电流 提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高 功率因数运行。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。 3供电 质量( q u a l i t y o f s u p p l y ) : 包含技术含义和非技术含义两部分 技术含 义有电压质量和供电可靠性; 非技术含义是指服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，包 括供电企业刘用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格的合理性、透明度等。 4 . 用电质量( q u a l i t y o f c o n s u m p t i o n ) :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，它反映供用双方相互作用与影响中用电方的责任 和义务。 山于电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的， 所以用户的衡量标准 应11 1 有优先的位置。因而电能质量可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作 的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、 华北电力大学硕十学位论文 三相不平衡、短时或暂态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续 胜等。 人们对电能质量的重视并非近几年的事情，而是伴随着电力系统发展的全过 程，只不过早期包括的内容比较简单，主要局限在频率偏差和电压偏差两个方面 随着电力工业的快速发展，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，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，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电1-1: 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，对供 电电能质量造成严重的干扰或 “ 污染” 。从而影响了电力网和电工、通讯及电子设 备等的安全与经济运行， 使电能质量问题日趋增加， 给电力系统本身和) 大用户都 造成了不良的影响和危害。 在我国， 1 9 8 4 年大同第二发电厂中的发电机负序电流过 负荷保护受到电气铁路所产生的过大负序电流和谐波电流而动作切机， 造成大面积 停电。陕西省安康 1 1 0 k v电网由于电气铁路供电使电网中多种保护和自 动装置受 到负序电流影响而频繁误动， 每天达1 0 0 余次仁 1 1 。文献 2 引用了美国电力科学研 究院j a n e c l e m m e n s e n 粗略估计，认为当今和电能质量相关问题在美国每年造成的 损失高达 2 6 0 亿美元。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。经过近一年的起草、讨论和反复修改的供用电合同，首次对供用电双方的 违约责任和赔偿事宜作了明确规定，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。同时，合同还对用方拖欠电费应承担的责任也 作了明确规定。 电能质量作为用户关心的要点被提了出来 虽然电能作为商品有其特殊的一面， 但也将受市场的左右 。 以后发展的趋势可看出， ， 用户用电在安全的基本 保证下，也将按质论价。 基于此，对于电能质量的检测不仅对于电力系统，而且对于用户而台，都是十 分重要的。 1 . 2国内、外研究现状 电能质量检测在改善电能质量的过程中起着关键的作用，因为为了改善电能质 量问题就必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚 统造成的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小， 。 如为了减轻或消除谐波对系 并以此作为控制变量来削弱谐 波造成的不利影响。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、 定期或不定期检测和专门测量三种方式。 华北电力大学硕十学位论文 三相不平衡、短时或暂态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续 胜等。 人们对电能质量的重视并非近几年的事情，而是伴随着电力系统发展的全过 程，只不过早期包括的内容比较简单，主要局限在频率偏差和电压偏差两个方面 随着电力工业的快速发展，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，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，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电1-1: 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，对供 电电能质量造成严重的干扰或 “ 污染” 。从而影响了电力网和电工、通讯及电子设 备等的安全与经济运行， 使电能质量问题日趋增加， 给电力系统本身和) 大用户都 造成了不良的影响和危害。 在我国， 1 9 8 4 年大同第二发电厂中的发电机负序电流过 负荷保护受到电气铁路所产生的过大负序电流和谐波电流而动作切机， 造成大面积 停电。陕西省安康 1 1 0 k v电网由于电气铁路供电使电网中多种保护和自 动装置受 到负序电流影响而频繁误动， 每天达1 0 0 余次仁 1 1 。文献 2 引用了美国电力科学研 究院j a n e c l e m m e n s e n 粗略估计，认为当今和电能质量相关问题在美国每年造成的 损失高达 2 6 0 亿美元。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。经过近一年的起草、讨论和反复修改的供用电合同，首次对供用电双方的 违约责任和赔偿事宜作了明确规定，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。同时，合同还对用方拖欠电费应承担的责任也 作了明确规定。 电能质量作为用户关心的要点被提了出来 虽然电能作为商品有其特殊的一面， 但也将受市场的左右 。 以后发展的趋势可看出， ， 用户用电在安全的基本 保证下，也将按质论价。 基于此，对于电能质量的检测不仅对于电力系统，而且对于用户而台，都是十 分重要的。 1 . 2国内、外研究现状 电能质量检测在改善电能质量的过程中起着关键的作用，因为为了改善电能质 量问题就必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚 统造成的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小， 。 如为了减轻或消除谐波对系 并以此作为控制变量来削弱谐 波造成的不利影响。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、 定期或不定期检测和专门测量三种方式。 华北电力大学硕十 学位论文 1 ， 连续监测 连续监测也称为在线监测或日常监测。按电能质量标准的规定和要求，需要进 行连续监测的内容有电压偏差和频率偏差，以及大型干扰源、危害较大或容易引发 事故的有关电能质量指标，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的r波电 流、易受干扰的大型设备或线路的谐波电流、以及重要用户的电能质量指标。 连续监测对使用的监测设备有一定要求。 特别是电网中监测点较多、监测信息 需要远传时，则需要建立一个监测网络系统。 2 . 定期或不定期检测 对于普通干扰源的监测，根据干扰的大小、危害程度、以及需要等，选择采取 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。定期普查是每 隔一定时间( 如2 - 3 年) 对全网进行普查测试， 全面了解和掌握全网的电能质量水平 或 卜 扰源的特性。定期普查的检测点和检测指标由普查需要确定，但应包括连续监 测的内容。对于一些特殊情况根据电能质量监督管理的需要，也可采取不定期检测 定期或不定期检测一般采用专门仪器、设备到现场进行测试， 测试之后根据测 试结果提出测量和分析报告。 3 . 专门测量 专门测量是指对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、 滤波器等接入电网前后，比较这些设备投入前后对电网电能质量水平及影响进行的 测量，以决定其能否正式投入运行。对于可能产生各种干扰的设备，如果投入电网 之后产生的干扰超过标准，则不允许该设备投入运行。 目前，我国共颁布了 电能质量 供电电压允许偏差( g b - 1 2 3 2 5 - 1 9 9 0 ) , 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 三相电压允许不平衡度 ( g b / t 1 5 5 4 3 - 9 5 ) , 电能质量 电力系统频率允许偏差( g b / 1 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 ) , 电 能质量 电压波动和闪变 ( g b 1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) , 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 ( g b 1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 )等电能质量标准。国内 外对稳态电能质量问题的研究已经比较 深入，稳态测量技术也逐渐成熟;然而对动态电能质量问题的研究起步很晚，囚内 刚刚有所认识。 当今大量基于计算机系统的控制设备和电子装置的使用，这些自动化设备的连 续精加工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自动化生产线，对配电 系统中的干扰和异常非常敏感， 甚至几十分之一秒的不正常就可能造成工厂内部混 乱。一个计算中心失去电压 2 s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几 十万美元的产值。但是长期以来，恶劣的动态电能质量对电力系统运行的不利影响 并没有引起人们足够重视。从危害程度来看， 某些动态电能质量问题的危害是破坏 性的。例如，雷击波冲击、电容器和电缆线路的投切时因谐振而引起的过电压往往 华北电力大学硕士学位论文 造成电器设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的正常运行。因此，仅仅考虑 谐波、工频变化、三相不平衡、电压偏差等稳态电能质量问题已经不能满足现代电 力用户的要求，有必要对动态电能质量问题进行治理。对动态电能质量问题的检测 和识别是治理的第一步，可以为以后的分析、治理提供科学依据。实时的检测和识 别为补偿、治理这些动态电能质量问题提供方法。 对于稳态电能质量问题，许多国家在该领域的研究_ i 作十分活跃，所涉及的内 容及其十富。国内外的相关检测及治理的产品的研制都有一定的成果和进展。 对于动态电能质量问题的研究，尤其是电压暂降已经成为国内外专家学者、供 电企业、电力用户以及电力制造商关注的焦点。许多发达国家进行了多年的监测， 如美国 g p r i对电压暂降进行了长期、广泛的实测。英国、加拿大等发达国家也进 行了类似的电能质量监测工作，为抑制和改善电能质量获取了直接的信息。电压暂 降、暂升、短时中断的检测和治理 ( 一般装设s v g , d v r 等) ，国外一些大的电力设 备制造公司已有成功的应用业绩。国内的相关研究刚刚起步，我国仅对暂时过电压 和瞬态过电压制定了国家标准， 对于动态电能质量的检测方法、方式和检测内容还 没有一个明确的国家标准。 而且至今国内尚无电压暂降等动态电能质量专用测量仪 器的报道。 1 . 3本论文完成的主要工作 本文在研究电力系统电能质量指标测量方法的基础上， 研制了一种新型的电能 质量监测与分析系统，不仅能够测量国标中规定的各项电能质量指标，而且能够测 量电压暂降、暂升和短时间中断等动态电能质量。 本文主要工作包括: 1 .回顾了电力系统电能质量发展的概况，指出电能质量问题研究的现状及现 有监测装置的不足，尤其是对电压暂降、暂升和短时中断测量的不足。 2 .基于 c p u和 d s p技术，设计了主从式的电能质量记录装置，并对本装置硬 件实现电能质量各算法的可行性进行了验证。 3 .讨论了电能质量指标的数字化测量方法，给出了具体的电能质量指标的算 法;对电力系统中电压暂降、暂升和短时间中断等动态电能质量现象作了一此研究 工作，给出了电压暂降、暂升和短时中断等动态电能质量现象的算法。 4 .详细分析了在本装置上实现电能质量各指标算法的工作量和计算时间。 5 .提出了无需工控机而由单片机直接控制硬盘的存储方案和由单片机将数据 从硬盘通过网络发往电能质量监测中心的方案。 6 .提出了 g p s电路的设计方案，从而使多个装置对电能质量现象能够在统一 时间标准进行检测、记录。 华北电力大学硕士学位论文 造成电器设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的正常运行。因此，仅仅考虑 谐波、工频变化、三相不平衡、电压偏差等稳态电能质量问题已经不能满足现代电 力用户的要求，有必要对动态电能质量问题进行治理。对动态电能质量问题的检测 和识别是治理的第一步，可以为以后的分析、治理提供科学依据。实时的检测和识 别为补偿、治理这些动态电能质量问题提供方法。 对于稳态电能质量问题，许多国家在该领域的研究_ i 作十分活跃，所涉及的内 容及其十富。国内外的相关检测及治理的产品的研制都有一定的成果和进展。 对于动态电能质量问题的研究，尤其是电压暂降已经成为国内外专家学者、供 电企业、电力用户以及电力制造商关注的焦点。许多发达国家进行了多年的监测， 如美国 g p r i对电压暂降进行了长期、广泛的实测。英国、加拿大等发达国家也进 行了类似的电能质量监测工作，为抑制和改善电能质量获取了直接的信息。电压暂 降、暂升、短时中断的检测和治理 ( 一般装设s v g , d v r 等) ，国外一些大的电力设 备制造公司已有成功的应用业绩。国内的相关研究刚刚起步，我国仅对暂时过电压 和瞬态过电压制定了国家标准， 对于动态电能质量的检测方法、方式和检测内容还 没有一个明确的国家标准。 而且至今国内尚无电压暂降等动态电能质量专用测量仪 器的报道。 1 . 3本论文完成的主要工作 本文在研究电力系统电能质量指标测量方法的基础上， 研制了一种新型的电能 质量监测与分析系统，不仅能够测量国标中规定的各项电能质量指标，而且能够测 量电压暂降、暂升和短时间中断等动态电能质量。 本文主要工作包括: 1 .回顾了电力系统电能质量发展的概况，指出电能质量问题研究的现状及现 有监测装置的不足，尤其是对电压暂降、暂升和短时中断测量的不足。 2 .基于 c p u和 d s p技术，设计了主从式的电能质量记录装置，并对本装置硬 件实现电能质量各算法的可行性进行了验证。 3 .讨论了电能质量指标的数字化测量方法，给出了具体的电能质量指标的算 法;对电力系统中电压暂降、暂升和短时间中断等动态电能质量现象作了一此研究 工作，给出了电压暂降、暂升和短时中断等动态电能质量现象的算法。 4 .详细分析了在本装置上实现电能质量各指标算法的工作量和计算时间。 5 .提出了无需工控机而由单片机直接控制硬盘的存储方案和由单片机将数据 从硬盘通过网络发往电能质量监测中心的方案。 6 .提出了 g p s电路的设计方案，从而使多个装置对电能质量现象能够在统一 时间标准进行检测、记录。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电能质量的分类 2 . 1电能质量的分类 2 . 1 . 1 i e e 关于电能质量的分类 对于电能质量现象可以根据不同的基础来分类。表 2 - 1 给出了 工 e e e制定的电 力系统电磁现象的特性参数及分类。 对表中列出的各种现象， 我们可以进一步用其 属性和特征加以描述。对于稳态现象，可以利用以下属性来描述:幅值、频率、频 谱、调制、电源阻抗、下降深度、下降面积;对于非稳态现象，还需要一些其它特 征来描述: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。 表2 - 1 i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 类别典型频谱 典型持续时(fit典型电压幅值 瞬变现象 冲击 脉冲 纳秒级5 n s . r 升 l m s 振荡低频 5 k h z0 . 3 一5 0 m s 0 一4 p . u . 中频 5 - 5 0 0 k h z2 0 u s 0 一8 p . u . 高频0 . 5 - - 5 m i i z5 u s 0 一4 p . u . 短时间电压 变动 瞬时暂降 0 . 5 -3 0 周波0 . 1 一( ) . 9 p . u . 暂升 0 . 5 -3 0周波l 1 .1 . 8 p . u . 暂 时中断 0 . 5 周波一3 s l m i n 0 . 8 一0 . 9 p . u . 过电压a m i n 1 . 1 一1 . 2 p . u . 电压不平衡 稳态0 . 5 % 一2 % 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电能质量的分类 2 . 1电能质量的分类 2 . 1 . 1 i e e 关于电能质量的分类 对于电能质量现象可以根据不同的基础来分类。表 2 - 1 给出了 工 e e e制定的电 力系统电磁现象的特性参数及分类。 对表中列出的各种现象， 我们可以进一步用其 属性和特征加以描述。对于稳态现象，可以利用以下属性来描述:幅值、频率、频 谱、调制、电源阻抗、下降深度、下降面积;对于非稳态现象，还需要一些其它特 征来描述: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。 表2 - 1 i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 类别典型频谱 典型持续时(fit典型电压幅值 瞬变现象 冲击 脉冲 纳秒级5 n s . r 升 l m s 振荡低频 5 k h z0 . 3 一5 0 m s 0 一4 p . u . 中频 5 - 5 0 0 k h z2 0 u s 0 一8 p . u . 高频0 . 5 - - 5 m i i z5 u s 0 一4 p . u . 短时间电压 变动 瞬时暂降 0 . 5 -3 0 周波0 . 1 一( ) . 9 p . u . 暂升 0 . 5 -3 0周波l 1 .1 . 8 p . u . 暂 时中断 0 . 5 周波一3 s l m i n 0 . 8 一0 . 9 p . u . 过电压a m i n 1 . 1 一1 . 2 p . u . 电压不平衡 稳态0 . 5 % 一2 % 华北电力大学硕 卜 学位论文 波形畸变 直流偏置稳态0 一0 . 1 0 0 谐波0 一1 0 0 t h稳态 0 - z 0 % 间谐波0 一6 k h z稳态 0 一 2 % 陷波稳态 噪声宽带稳态 d一 1 % 电压波动 2 5 h z 间歇 0 . 1 %一 7 % 工频变化 1 0 s 2 . 1 . 2变化型和事件型分类 电能质量问题还有一种分类方法， 即按照电能质量扰动现象的两个重要表现特 征一一变化的连续性和事件的突发性为基础分成两类。 所谓变化型是指连续出现的电能质量扰动现象， 其重要的特征表现为电压或电 流的幅值、频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。例如， 系统频率不可能一成不变的等于5 0 h z ， 系统电压也不可能每时每刻恒定等于其额定 值，与理想值的偏差始终存在。这一类现象包括电压幅值变化、频率变化、电压与 电流间相位变化、电压不平衡、电压波动、谐波电压和电流畸变、电压陷波、主网 载波信号干扰等。 所谓事件型是指突然发生的电能质量扰动现象， 其重要的特征表现为电压或电 流短时严重偏离其额定值或理想波形。这一类现象包括电压暂降和短时中断、 欠电 压、瞬态过电压、阶梯形电压变化、相位跳变等。在本文中所引用的动态电压质量 主要是指事件型电压质量，也包括调制波的频率和幅值都发生突变的电压波动爷具 有某些事件型电压质量特征的渐进型电压质量; 稳态电能质量主要指的是变化型电 压质量。 电能质量变化型和事件型分类对装置的计算工作量和编程的影响是不同的。 共 体如下:变化型的电能质量需要时刻分析计算，对装置而言，它占用c p u 和d s p 较 多的时间，从c p u 和d s p 计算工作量来看， 变化型的电能质量计算工作量大，占用 时间较多， 对装置是不利的; 事件型的电能质量平时不发生， 只是在某些时刻发生， 对装置而言，c p u 和d s p 只是在发生事件型的电能质量的时候刁需要进行分析和计 算。 所以从c p u 和d s p 计算工作量来看，事件型的电能质量计算工作量小，占用时 间较少，对装置是有利的。 华北电力大学硕 卜 学位论文 波形畸变 直流偏置稳态0 一0 . 1 0 0 谐波0 一1 0 0 t h稳态 0 - z 0 % 间谐波0 一6 k h z稳态 0 一 2 % 陷波稳态 噪声宽带稳态 d一 1 % 电压波动 2 5 h z 间歇 0 . 1 %一 7 % 工频变化 1 0 s 2 . 1 . 2变化型和事件型分类 电能质量问题还有一种分类方法， 即按照电能质量扰动现象的两个重要表现特 征一一变化的连续性和事件的突发性为基础分成两类。 所谓变化型是指连续出现的电能质量扰动现象， 其重要的特征表现为电压或电 流的幅值、频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。例如， 系统频率不可能一成不变的等于5 0 h z ， 系统电压也不可能每时每刻恒定等于其额定 值，与理想值的偏差始终存在。这一类现象包括电压幅值变化、频率变化、电压与 电流间相位变化、电压不平衡、电压波动、谐波电压和电流畸变、电压陷波、主网 载波信号干扰等。 所谓事件型是指突然发生的电能质量扰动现象， 其重要的特征表现为电压或电 流短时严重偏离其额定值或理想波形。这一类现象包括电压暂降和短时中断、 欠电 压、瞬态过电压、阶梯形电压变化、相位跳变等。在本文中所引用的动态电压质量 主要是指事件型电压质量，也包括调制波的频率和幅值都发生突变的电压波动爷具 有某些事件型电压质量特征的渐进型电压质量; 稳态电能质量主要指的是变化型电 压质量。 电能质量变化型和事件型分类对装置的计算工作量和编程的影响是不同的。 共 体如下:变化型的电能质量需要时刻分析计算，对装置而言，它占用c p u 和d s p 较 多的时间，从c p u 和d s p 计算工作量来看， 变化型的电能质量计算工作量大，占用 时间较多， 对装置是不利的; 事件型的电能质量平时不发生， 只是在某些时刻发生， 对装置而言，c p u 和d s p 只是在发生事件型的电能质量的时候刁需要进行分析和计 算。 所以从c p u 和d s p 计算工作量来看，事件型的电能质量计算工作量小，占用时 间较少，对装置是有利的。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2电压暂降、暂升和短时中断 2 . 2 . 1电压暂降 电压暂降是指供电电压均方根值在短时间突然下降的事件， 其典型持续时间为 0 . 5 -3 0周波。通常将暂降时的电压有效值与额定电压有效值的比值定义为暂降的 幅值。 国际电工委员会仃 e c ) 将其定义为 下 降到额定值的9 0 % -1 % ; 电气与电子c 程 少 li 协会( 工 e e 日将其定义为 卜 降到额定值的9 0 % -1 0 % 。 在电压暂降的分析中， 将暂降 从发生到结束之间的时间定义为持续时间。 实际测量仪器中可对应不同的暂降幅值 给出相应的持续时间， 即将电压有效值低于指定电压门槛值的一段时间定义为与特 定暂降幅值对应的持续时if fi j 。此外，电压暂降往往还伴随有电压相位的突然改变， 称之为相位跳变。电压出现相位跳变，是由于系统和线路的电抗与电阻的比值 ( 即 x / r )不同，或不平衡暂降向低压系统传递引起的。当输配电系统中发生短路故障、 感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时，均可引起 电压暂降。其中短路故障、感应电机启动和雷击是引起电压暂降的主要原因 电压暂降的幅值、持续时间、暂降频次和相位跳变是标称电压暂降的最重要的 四个特征量。暂降频次是表征电压暂降对敏感电力用户影响频繁程度的重要指标， 暂降频次的增加无疑将加重暂降对敏感用户的危害。 为更确切的分析电压暂降的影 响，在统计结果中常将暂降发生频次与暂降幅值和持续时间统一考虑图2 - 1 所示 为某 1 1 5 k v 系统大约一年内实测电压暂降的发生情况 ( 图2 - 1 中幅值按低于额定电 压的百分比给出) 。由图 2 - 1 可知，多数暂降电压的幅值为额定电压的 9 0 % -7 0 % 0 图 2 - 2给出了与图 2 - 1对应的暂降频次和暂降幅值以及持续时间之间的三维柱状 图，由图2 - 2 可直观了解三者之间的关系。此外还有电压暂降幅值、持续时间和频 次的三维表格表，如表 2 - 2 所示。 低- 3 3 v-4 0 51 al o 孰 长于4 ) v -5 0 5 厅2 n 低于 5 0 51 ( y 长子: o n-3 0 1, 占1 c s 低子 s a -: 口 % 占4 % 长子1 0 51 -2 0 s u 3 4 a 图2 - 1 某 1 1 5 k v 系统实测电压凹陷发生情况 华北f b 力人学硕士学位论文 2 2 电压暂降、暂升和短时中断 22 1 电压暂降 电压暂降是指供电电压均方根值在短时间突然下降的事件，其典型持续时间为 0 5 3 0 周波。通常将暂降时的电压有效值与额定电压有效值的比值定义为暂降的 幅值。国际电工委员会( i e c ) 将其定义为f 降到额定值的9 0 1 ；电气与电子工稃 川j 协会( i e e e ) 将其定义为卜降到额定值的9 0 1 0 。在电压暂降的分析中，将暂降 从发生到结束之削的时间定义为持续时间。实际测量仪器中可对应不同的暂降幅值 给出午h 应的持续时问，即将电压有效值低于指定电压门槛值的一段时问定义