（电机与电器专业论文）基于dsp与arm的电能质量监测系统研究.pdf

基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 s t u d yo nm o n i t o rs y s t e mo f p o w e rq u a l i t yb a s e do nd s pa n da r m a b s t ra c t a l o n gw i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fm o d e mp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，p o w e r p o l l u t i o nb e c or u e ss e r i o u si n c r e a s i n g l y ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n so fp o w e rd e p a r t m e n t sa n d c o n s u m e r sa r et u r n e dt ot h ep o w e rq u a l i t y t h e r ei sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e p o w e rq u a l i t yb ym o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ec o n c e p to ft h eb a s i cp o w e rq u a l i t y ，p o w e rq u a l i t y p r o b l e m so ft h ev a r i o u sc l a s s i f i c a t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c s a n dc a u s e sh a r ma n dad e t a i l e d e x p o s i t i o n t h r o u g ht h ep o w e rq u a l i t yi n d i c a t o r s ( t h r e e p h a s ev o l t a g ei m b a l a n c e ，v o l t a g e f l u c t u a t i o n sa n df l i c k e r ，s u p p l yv o l t a g ed e v i a t i o n ，t h ep u b l i cp o w e rg r i dh a r m o n i c s ，f r e q u e n c y d e v i a t i o n ) a n a l y s i st ot h et r a d i t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r mb a s e do nt h et h e o r yo fl i g h tp o w e r q u a l i t ya n a l y s i so ft h ed i f f i c u l t i e st h a tt h em u t a t i o n ，t h et r a n s i e n t ，n o n - s t a t i o n a r ys i g n a l si nt h e d e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n ，b a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mt ot h et r a n s i e n tp o w e rq u a l i t y a n a l y s i s w a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m u ms i g n a ld e t e c t i o nt h e o r ya s as i n g u l a rp o i n t w h e t h e rt h e r eh a sb e e nat r a n s i e n td i s t u r b a n c eo ft h ec r i t e r i a , t oo v e r c o m et h et r a d i t i o n a l m e t h o do fn o n - t i m e - d o m a i nl o c a l i z e ds h o r t c o m i n g s a f t e ras y s t e ms t u d yo fp o w e rq u a l i t ya n a l y s i st h e o r ya n dt h eb a s i so fd e t e c t o r t e c h n o l o g y p o w e rq u a l i t ya n a l y s i ss y s t e mf o rt h en e e dt os u p p o r tt h ec o m p l e xa l g o r i t h m sa n d r e a l t i m et om a i n t a i nt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fd e v e l o p i n gaf r a m e w o r kb a s e do nt h ed s p a n da r 僵e m b e d d e dp o w e rq u a l i t ya n a l y s i ss y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m sa n ds o f t w a r e s y s t e m s f o c u so ft h ed s pa n da r ms e l e c t i o nb a s e do ns t r u c t u r a lf e a t u r e sa n ds p e c i f i c a p p l i c a t i o n s a n dd e t a i l e di n t r o d u c t i o no fah a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ec o m p o n e n t sa n d c i r c u i t s c h e m a t i c s s u b s e q u e n t l y ，t h ep r o p o s e dp a r to f t h ed e v i c es o f t 、, v a r ed e s i g n ，w h i c hf o c u s e so n t h ed s p p a r to ft h e 同阿a l g o r i t h md e s i g n t h eo p e r a t i n gs y s t e m 灿c o s i i m i g r a t i o no fa r m p a r ta n dd e v e l o p m e n tm i n i g u ig r a p h i c a li n t e r f a c e f i n a l l y ，c o n c l u d et h ep a p e r sm a i nw o r k ， a n dt h ed i r e c t i o no ft h ef u t u r e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ：f o u r i e rt r a n s f o r m ：w a v e l e tt r a n s f o r m ：c o s i i ；m i n i g 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 毽至日期：迎基乌厶盆f 遵 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：造圭 导师签名： 讧治 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种 由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。如今，电能作 为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应讲求质量。如何深入理解现代电能质量 问题，如何把提高电能质量与增强竞争意识、电力市场占有率联系起来，如何从技术、 经济和运行管理等方面加大力度，保证优质供电，以最小程度减少对现代工业企业和重 要电力用户的影响，既是电力用户需求和电力系统运行给我们提出的新任务，也是信息 时代给我们提出的新挑战。 1 1电能质量研究背景 随着现代科学技术的迅猛发展，一方面电力电子设备的应用领域越来越广，特别是 各种类型冲击负荷、非线性负荷容量的不断发展，使得电网中电压波形畸变，电压波动、 闪变和三相不平衡等问题时有发生，严重地影响了电能质量；另一方面人们越来越多地 使用精密和复杂的电子设备，如计算机、通信设备以及各种各样的过程控制系统来处理、 管理工作过程和事务，即使只有几个n i $ 的供电中断或电压跌落，都将影响这些设备的 正常工作，造成巨大的经济损失。因此电压骤降或者间断等动态电能质量问题成为了现 今最主要的电能质量问题之一。目前，我国的电力市场己经逐步开始实施，随着电力市 场的逐步完善，电力部门不仅应满足用户对电力数量不断增长的需求，还必须满足对较 高电能质量的要求，如何提高电能质量将是电力企业面临的又一重要课题。 在国内研究比较多的是稳态电能质量问题，目前突变的暂态的菲平稳电能质量扰动 的分类识别、短时间谐波的检测、电压闪变的分析都是待解决的难点。欧洲由于电压暂 降引起的用户投诉占整个电压质量问题的8 0 以上。有资料表明，在欧美等国家，1 次 电压暂降造成的经济损失可达数百万美元。随着我国高科技产业的发展，动态电能质量 也日益被人们关注。 电能质量问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要表现在以下 几个方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效 率，大量3 次谐波流过中线会使线路过热甚至引起火灾。 ( 2 ) 影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重 过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 ( 3 ) 引起电网谐振，这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统特别 对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。 ( 4 ) 导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。 ( 5 ) 使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或者电力用户带来济 损失。 ( 6 ) 对临近的通讯系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失， 使通信系统无法正常工作。 ( 7 ) 短时停电、电压骤降或者电压骤升会影响许多特殊行业的生产过程，降低生产 功效和产品质量，直接造成经济损失。 ( 8 ) 不平衡电压使旋转电机的转子受到反方向的负序旋转磁场的作用，该磁场切割 转子产生双倍频率附加电流从而使电机本体发热烧损，双倍频率附加交变电磁力矩同时 作用在转子和定子上产生双倍频率附加振动。 ( 9 ) 波动和闪变使照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，影响工效：电动机转速 不均匀，影响电机寿命和产品质量：影响对电压波动较敏感的工艺或试验结果。 电能作为商品进入市场后，电能质量问题更加突出，电力企业之间的市场竞争理念 得到加强，与此同时也极大促进了电力用户开始关注和认识各种电能质量现象。越来越 多的电力用户根据自身需求向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至有选择的通过签 订供电合同和质量协定加以保证。供用电双方在达成电力买卖后，用电方受到的任何电 力干扰而影响其正常生产都可以通过经济或者法律的手段来解决。电力用户的需求正在 由原来的电量需求向高可靠性、优质供电的需求转变。 1 2 研究的意义与现状 电能质量监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。如为了减轻或者消除谐波对系统造成 的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小，并以此作为控制变量来削弱谐波造成的不 利影响。然而，随着电力用户对电能质量要求的逐步提高，以及供电系统中干扰现象日 益增加，电能质量日常监测在电能质量监督管理中的作用越来越重要。如果说检测能从 微观上、某一个时间点上说明电能质量存在的问题，那么日常监测无疑从宏观上、一个 时间段内说明了电能质量的整体状况。 ( 1 ) 电能质量的日常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的运行状况和电能质量水平，选择具有代表性的监测点 大连理工大学硕士学位论文 并对其进行日常监测是最好的方法之一。取系统内一些重要节点和重要出线的电能质量 参数，通过这种手段，选择有代表不但能够获取系统内一些重要节点和重要出线的电能 质量参数，而且可以由这些重要节点和出线的电能质量数据得出整个系统的基本电能质 量水平。同时，由于电能质量监测是一个持续的时间量，它不但可以反映当前时间的系 统电能质量状况，而且还可以得到系统历史时间内的电能质量状况。因此，对电能质量 进行日常监测，现在已经成为了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 年开始设计了专门的监控仪器 ( b m l 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，研究计划的主要目标是提供有关属地总体范围内各项电能质量参数的基本统计 数据。 ( 2 ) 日常监测可为辅助决策提供必要的参考依据。电能质量日常监测数据里含有丰 富的信息，通过对这些数据的分析统计便可以得到供决策用的参考依据。一个正确的决 策来自于对实际情况的真实调查，由于电能质量监测数据是对实际系统长时间监测的结 果，所以它比理论推测更具有说服力。依据它所做出的决策也更贴近实际情况、更具可 行性。例如，某变电站出线向一个小型炼钢厂供电，在变电站母线上引起了较严重的谐 波污染，通过对该条出线进行连续监测并分析得到的监测结果，可以提出具有针对性的 治理方案。 ( 3 ) 电能质量日常监测能及时全程跟踪线路或设备的运行状况，将问题的事后解决 变为事先预防。电力系统是一个实时运行的系统，保证其可靠稳定运行是各级电力部门 应尽的责任。然而，由于电力系统是一个复杂庞大的系统，虽然各级电力部门都在努力 提高运行管理的水平，但仍存在着一些安全隐患。电能质量监测的重要意义就在于通过 连续收集、记录、存储电能质量的信息，在供配电系统和用电设备运行失效之前，捕获 到其早期的故障信息，以便在事故发生之前，提醒人们对供、用电设备的运行状态进行 调整和预防检修。 ( 4 ) 电力系统不可避免地会发生各种各样的事故，在对其进行事故分析时，往往由 于缺少发生事故时的原始数据而找不到引发事故的真正原因，从而也难以找到有效的预 防方法。电力系统的运行有时存在着隐患，如果在发生事故后不能尽快分析出事故的原 因所在，那么不但现有事故的损失无法弥补，而且系统还有爆发相同事故的可能性。加 强电能质量的监测，则可通过对所监测历史信息的分析找出事故的症结所在，从而避免 类似的事故再次发生。 国际上，许多发达国家和地区己对电能质量这一课题作了大量的研究，并取得了实 际的经验。如美国、加拿大等均进行了全国范围的电能质量的监测和调查研究，对配电 基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 网络的运行状况和电能质量的提高和改善具有重要的意义。在我国，虽然总体经济和技 术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出，而且由于 各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上，我国的情况尤其落后。 这一问题己经引起了各级电力部门的高度重视，国家质量技术监督局已经相继颁布了涉 及电能质量六个方面的标准： 电能质量公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量三相电压允许不平衡度g b f r l5 5 4 3 9 5 电能质量供电电压允许偏差g b t 1 2 3 2 5 9 0 电能质量电力系统频率允许偏差g b t 1 5 9 4 5 9 5 电能质量电压波动和闪变g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 暂时过电压和瞬态过电压g b 厂r l8 4 8 1 2 0 0 1 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题的监测方式和要求也不相同。 迄今为止，国内外对电能质量的监测方式主要可概括为非在线监测和在线监测两种方式。 根据干扰的大小，危害程度以及需要等，对于普通干扰源的监测，通常选用非在线 监测方式，主要的监测仪器包括专用万用表，便携式谐波仪器，便携式录波仪器及具有 一定综合功能的电能质量监测分析仪等，这些装置可以提供电力系统维修、供电故障排 除及设备故障诊断需要的测量值，但仍无法满足供用电双方对电能质量更高的监测要求， 表现在以下四个方面： ( 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。一 般只是在需要时才对电能质量相关指标的参数进行检测，而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不能综合考虑六项电能质量的监测。由于重视程度的不够 和实现起来的难度，传统的电能质量测量、监测装置往往只能监测其中一项或几项，并 不能实现六项电能质量的同时监测。 ( 3 ) 传统的电能质量监测大多孤立地对某个站点进行监测，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。 ( 4 ) 传统的电能质量监测装置多采用模拟元器件，受器件性能和信号处理方法的限 制，存在不适合现场长期运行和抗干扰能力有限等闯题。 对整个供电网络的电能质量状况和大型用电客户的电能质量状况进行全面了解和 跟踪采取的有效办法是实行长时间在线监测。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 大连理工大学硕士学位论文 相关电能质量指标，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的谐波电流、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。 对于连续监测来说，首先触及的是数据存储管理方式问题。对于2 4 小时在线的电 能质量监测设备，其内部存储装置不可能做到无限的大，因此，存储管理方式的选择就 显得尤其重要。通常用户可以对监测设备设定两种存储模式，一种是线性的记录，一种 是可以循环式的记录。线性记录是指当用户分配给该数据段的内部存储空间使用完毕的 时候，系统将不再进行记录：循环记录方式是指当内部空间记录完毕时，系统将从记录 的头部重新进行写入。合理分配相应的内部存储空间，并选择这两种记录方式，能满足 各种测试需求。对于每个记录，设置预触发时长，记录时长，以及截止时长。在某项指 标达到触发阀值时，设备首先将该时刻以前的预触发时长时间段内的数据写入数据库， 然后记录将连续记录规定的时长。这样就保证了每个记录的有效性，同时，为故障分析 提供十分有益的数据。 在线监测实现了以后，由于电网中监测点较多，信息的交流与共享便提上日程。现 代网络技术( 包括局域网和广域网) 、光纤通讯技术以及标准化协议等为数据的采集、传 输、分析与共享提供了基本条件后，信息系统是否接入局域网或因特网已成为评定该系 统工作性能的一项重要指标，国内外也开始了组建具有统一开放监控和管理平台的电能 质量在线监测网络的想法，还有由美国t v a 和e p r i 联合发起的建立于网络的电能质量 监测系统，它为各种分布装置介入系统的提供接口，为广阔的电能质量信息提供足够的 运转空间和容量。 我国的电力供应在近几年一直处于紧张状态，供电部门也把精力集中在保证供电可 靠性上。但是随着电力建设的不断进行，供电紧张即将得到缓解，电能质量问题势必引 起更多的重视，对电能质量的监测则首先摆在我们的面前。基于这种现状，我们立项研 究这样一个电能质量在线监测系统，它是一套统一开放的监控和管理平台，能够及时分 析和反映电网的电能质量水平，方便找出电网中影响电能质量的原因，为采取相应的整 改措施提供依据。此系统对供电质量、降低电能损耗、保证电网的安全、可靠、经济运 行是很有意义的。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。 1 3 主要研究工作 为了跟踪国际电力科技发展的趋势，针对国内电能质量监测仪表的缺陷，结合我国 电网运行和电力市场发展的实际需要，我们研制开发了基于我国电能质量五项标准的电 能质量监测系统。监测系统的监测指标包括：三相电压、电流有效值，电网频率，三相 基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 电压不平衡度，1 3 2 次谐波t h d 值，有功功率，无功功率，基波功率因数，电压波动 与闪变有效值及发生和持续时间。 在系统的研究了电能质量分析的相关理论和检测技术的基础上，针对电能质量分析 系统中需要支持复杂算法和保持实时性的特殊要求，我们研制了基于d s p 与a r m 构架 的嵌入式电能质量分析系统的硬件平台和软件系统。在现场通过装置的人机交互界面实 现对该监测点电能质量的实时监测、分析和存储。并且可以实时的通过以太网将该监测 点电能质量数据上传至上位机集中分析和处理。 论文的具体工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 回顾了电力系统电能质量发展的概况，分析了电能质量问题产生的原因，造成 的危害以及我国电能质量监测的现状，详细的比较了国内外有关电能质量的标准，确定 了本文所参照的标准。 ( 2 ) 分别研究了电能质量各项指标的监测分析算法，通过比较各种算法的优缺点， 提出了以傅里叶变换和小波变换为主的测量模型。 ( 3 ) 根据监测系统的各项要求，选择了以d s p 与a r m 为基础的嵌入式电能质量分 析系统的硬件平台，并对d s p 与a r m 进行选型以及相关的硬件电路设计，包括信号采 集、d s p 最小系统、a r m 最小系统、彩色l c d 和触摸屏驱动等各部分电路。 ( 4 ) 根据设计要求，在硬件平台上进行了“c o s - i i 操作系统移植和m i n i g o i 图形界 面开发，并且进行了相关的底层驱动程序和应用程序开发，实现了方便、友好、美观的 人机交互界面。 ( 5 ) 最后，通过对实验结果的分析，总结了该监测系统的优缺点，并指出了下一步 工作的方向。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 电能质量的定义和标准 2 1电能质量的基本概念 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、相位对称并且互差1 2 0 。但由于系统中的发电机、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的各种问 题，也就产生了电能质量的概念。 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。如何描 述供电与用电( 电力系统与负荷) 双方的互相作用和影响，并且给出相应的技术定义仍是 人们不断探索的问题。一种普遍接受和采用的技术名词和定义方法是：从工程实用角度 出发，将电能质量概念进一步具体分解并给出解释。其内容如下： ( 1 ) 电压质量：给出实际电压与理想电压间的偏差，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、瞬变现象、 波动与闪变、凹陷( 凸起) 与间断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。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危害。 ( 2 ) 电流质量：为反映与电压质量有紧密关系的电流变化情况，除了对用户电流提 出单一频率正弦波形要求外，还力图要求该电流波形与供电电压同相位，以提高输配电 效率。电流质量通常包括：电流谐波、间谐波、次谐波、相位超前与滞后、噪声等。这 个定义有助于电网线损的降低，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：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电 可靠性；非技术含义是指服务质量，它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电 力价目的透明度等。 ( 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的用电方的 权利、责任和义务，用户是否按时、如数缴纳电费等。 国内外对电能质量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正常工作的电压、电流或频率的偏差，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。 基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 2 2 电能质量监测系统指标 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、波形下陷及噪声等；暂态电 能质量通常以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两大类。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。本监测系统所要监测的指标包括 供电电压偏差、电力系统频率偏差、三相不平衡度、电力系统谐波、电压波动与闪变和 电压暂降与短时中断。 2 2 。1 供电电压偏差 电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏差时衡量供电系统正常运行与否的一 项重要指标。供电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。其数学表达式为 ，r， 6 u = = 丝= 型x 1 0 0 ( 2 1 ) u n 式中：彩为电压偏差： u 。为实际电压，k v ： u ，为系统标称电压，k v 。 供电系统正常运行方式是指系统中所有电气元件均按预定工矿运行。供电系统在正 常运行时，负荷发生着变化，系统地运行方式也经常改变，系统中各节点的电压随之发 生改变，会偏离系统额定值。电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率小于额定电 压的1 。系统无功功率不平衡是引起系统电压偏离标称值的根本原因。 2 2 2 电力系统频率偏差 频率是电能质量最重要的指标之一。系统负荷特别是发电厂厂用负荷对频率的要求 非常严格。要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率，使系统的频率偏 差控制在允许范围之内。允许频率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低， 同时反映了一个国家工业发达的程度。 交流电力系统是以单一恒定的标称频率、规定的几种电压等级和以正弦函数波形变 化的交流电向用户供电。交流电力系统的标称频率分为5 0 h z 和6 0 h z 两种。我国采用 5 0 h z 标称频率。所有与电力系统直接相连的电气设备都必须在该频率下才能正常运行， 所以标称频率又称为工作频率，简称工频。电力系统负荷的大小每时每刻在不断变动， 大连理工大学硕士学位论文 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，以确保运行的可靠性和经济性。 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 驴= 厶一 ( 2 2 ) 式中：旁系统频率偏差，h z ； 厶实际频率，i - i z ： 系统标称频率，h z 。 2 2 3 三相不平衡度 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。 根据对称分量法，三相系统中的电量可以分解为正序分量、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e 表示，即 ， b ，= 兰1 0 0 ( 2 3 ) 。 u l ， ，= 兰x 1 0 0 0 , 4 ( 2 4 ) 1 式中：岛，、，为三相电压不平衡度和三相电流不平衡度； u ，、以为电压正序、负序分量均方根值，k v ； 、厶为电流正序、负序分量均方根值，k a 。 2 2 4 电力系统谐波 在电力系统中，发电厂出线端电压一般具有很好的正弦特性，但是在接近负荷端， 电压畸变率较大。对于某些负荷，电流波形只是一个近似的正弦波，特别是对于电力电 子功率换流器，其开关可以将电流斩切为任意形状。但是在大多数情况下，畸变并不是 基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 任意的，多数畸变是周期性的，属于谐波范畴。也就是说，从整个过程来看，其波形缓 慢变化，并且几乎每个周期都是相同的。因此，可以专用术语“谐波”来描述上述规律 的波形畸变。 波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上 的电压不成比例关系。任何周期性的畸变波形都可以用正弦波形的和表示。也就是说， 当畸变波形的每个周期都相同时，则波形可以用一系列频率为基波频率整数倍的理想正 弦波形的和来表示。其中，频率为基波频率整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形 的和称为傅里叶级数。 在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数： m “( f ) = 2 氓s 访( 力q f + 口 ) ( 2 5 ) h = l = ms m ( h o 叩+ 阮) ( 2 6 ) h = l 式中：国为工频( 即基波) 的角频率，r a d s ： h 为谐波次数； 阮、，。分别为第h 次谐波电压和电流的均方根值，v 、a ； 、成分别为第h 次谐波电压和电流的初相角，r a d ： m 为所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定。 畸变周期性电压和电流总均方根值得确定仍可根据均方根值的定义进行。以电流为 例，以) 的均方根值i 根据定义可表示为 l = 阿= 陌 ( 2 7 ) 即非正弦周期量的均方根值等于其各次谐波分量均方根值的平方和的平方根值，与各分 量的初相角无关。 某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称 为该次谐波的含有率饯，h 次谐波电流的含有率丑为 h r i 一= 鲁池o o q 畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率t h d 表示。它等于各 次谐波均方根值的平方根值与基波均方根的百分比。电流总谐波畸变率豫d ，为 大连理工大学硕士学位论文 、露 t h d ，：! ! ：! 一1 0 0 ( 2 9 ) 。 j l 电压均方根值u 、谐波电压的含有量h r u h 和电压总谐波畸变率t h d v 的计算同式 ( 2 7 ) ( 2 9 ) ，只需将其中的电流变量改为电压变量即可。 2 2 5 电压波动与闪变 ( 1 ) 电压波动 电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动值为电压均方根值的两个 极值和之差u ，常以额定电压的百分数表示其相对百分值，即 a v ：丝1 0 0 ： u ( 2 1 0 ) 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 里，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 动的范围。电压波动为以电压均方根值或峰值的包络线作为时间函数的波形。分析时抽 象地将工频电压u 看作载波，将波动电压a v 看作调幅波。 ( 2 ) 闪变 电弧炉、轧钢机等大功率装置的运行会引起电网电压的波动。电压波动常会导致许 多电气设备不能正常工作。通常，白炽灯对电压波动的敏感程度要远大于日光灯、电视 机等电气设备，并且所有建筑的照明都大量使用白炽灯，若电压波动的大小不足以使白 炽灯闪烁，则肯定不会使日光灯、电视机等设备工作异常。因此，通常选用白炽灯的工 况来判断电压波动值是否能够被接受。闪变一词是闪烁的广义描述，它可理解为人对白 炽灯明暗变化的感觉，包括电压波动对电工设备的影响和危害。但不能以电压波动来代 替闪变，因为闪变是人对照度波动的主观视感。 闪变主要由以下几个因素决定： ( 1 ) 供电电压波动的幅值、频度和波形。 ( 2 ) 照明装置。与白炽灯的功率和额定电压等有关。 ( 3 ) 人对闪变的主观视感。由于人们视感的差异，需对观察者的闪变视感作抽样调查。 2 2 6 电压暂降与短时间中断 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 ) 将其定义为下降到额定值的9 0 1 ；电气与电子工程师协会 基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 ( i e e e ) 将其定义为下降到额定值的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 持续时间。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。 当电压均方根值降低到接近于零时，称为中断。持续时间较长的中断称为长时间中 断，而持续时间较短的中断则称之为短时间中断。由于对电压暂降下降幅度定义的不同， “接近于零”也有不同的定义。i e c 定义“接近于零”为“低于额定电压的1 ”，i e e e 的定义则为“低于额定电压的1 0 ”【i e e es t d 1 1 5 9 1 9 9 5 】。对于长时间中断与短时间 中断的持续时间，其定义也尚未统一。如i e c 定义长时间中断持续时间最少为3 r a i n ， 小于3 m i n 的中断称为短时间中断；在i e e e 标准 i e e es t d 1 2 5 卜1 9 9 5 】中将大于2 m i n 的中断称为长时间中断，而在i e e e 的另一标准 i e e es t d 1 1 5 9 1 9 9 5 】中则将大于l m i n 的中断称为长时间中断。 2 3 中国电能质量标准 电能质量标准的制定任务，就是从当前( 或近期发展) 的技术水平出发，确定适当 的电能质量指标偏差的允许值。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 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实验条件等一系列规定接轨，逐步实现 标准的完整与统一。 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 大连理工大学硕士学位论文 面保障电能质量是电力企业和电力用户共同的责任和义务。迄今为止，我国已经制定并 颁布了六项电能质量国家标准，摘要如表2 1 所示。 表2 i6 项电能质量国家标准摘要 t a b 2 1 t h es u m m a r yo f6p o w e rq u a l i t ys t a n d a r d so fc h i n a 标准编号标准名称允许限值 说明 g b 电能质量( 1 ) 3 5 k v 及以上，正负偏差绝对值之和不超过1 0 衡量点为供电产权 1 2 3 2 5 供电电压( 2 ) l o k v 及以下三相供电，7 分界或电能计量点 1 9 9 0 允许偏差( 3 ) 2 2 0 v 单相供电，+ 7 ，一1 0 ( 1 ) 衡量点为公共连 电压变动d 的限值和变动频度r 有关：当， 2 5 2 ( i ) 1 3 雷击过电压 ( 2 ) 工频过电压 2 5 2 ( i i ) l4 1 1 0 ，2 2 0 1 3 1 o ( p 肌) = 4 3 ，谐振过电压和操 3 5 为6 5 作过电压 3 l o 1 1 31 o ( p ：u 、= 勋m | 5 g b t 电能质量 注：u 。指工频峰值电压 1 8 4 8 1 暂时过电 ( 3 ) 除统计过电压 压和瞬时 2 5 2 ( i ) 和u ， 2 5 2 ( ) 分别指线路短路 ( 不小于该值的概 - 2 0 0 1 过电压 器两侧变电所的线路电压 率为0 2 2 ) 外，凡未 ( 2 ) 操作过电压限值 说明得操作过电压 包括空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相重 限值均为最大操作 合闸、非对称故障分闸及振荡解列过电压限值 过电压( 不小于该值 操作过电压限值 的概率为0 0 0 1 4 ) 电压等级k v 过电压限值( p u ) ( 4 ) 瞬态过电压还对 5 0 02 04 空载线路分闸过电 3 3 02 2 压、断路器开断并联 1 1 0 r 2 5 23 0 补偿装置及变压器 注：表示该过电压为相对地统计操作过电压等过电压限值做出 了规定 有关电能质量国家标准的详细介绍与说明可参看电压、电流、频率和电能质量国 家标准选用手册，这里不再详述。 大连理工大学硕士学位论文 3 电能质量分析算法研究 电能质量分析算法要能准确，快速地发现电能质量问题，并应具有将电能质量问题 检出、定位、分类的功能。电能质量分析算法有时域、频域和基于变换方法三种类型， 常用的是基于变换的方法。针对电能质量信号的特点，主要可分为稳态信号分析方法和 暂态信号分析方法两大类。稳态电能质量信号处理采用基于离散傅里叶变换的方法，暂 态电能质量分析方法采用基于小波变换的方法。下面，将分别介绍有关傅里叶变换和小 波变换的基本理论。 3 1 傅里叶变换 傅里叶变换是将信号从时域到频域互相转换的工具。从物理意义上讲，傅里叶变换 实质是把厂( f ) 这个波形分解成许多不同频率的正弦波的叠加之和。这样我们就可以把对 原函数厂( f ) 的研究转化为对其加权系数即傅里叶变换f 向) 研究。在傅里叶变换式中，标 准基是由正弦波及其高次谐波组成的，因此它在频域内是局部化的。虽然傅里叶变换能 够将信号的时域特征和频域特征联系起来，能分别从时域和频域对信号进行观察，但不 能将二者有机结合起来。这是因为信号的时域波形中不包含任何频域特性，而其傅里叶 谱是信号的统计特性。 在电能质量分析领域中，傅里叶变换得到了广泛应用。但是，在运用傅里叶变换时， 必须满足以下条件：满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高频率的2 倍以上；被 分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。当采样频率或信号不能满足上述条件时， 就会产生“频谱混叠”和“频谱泄露”现象，给分析带来误差。此外，对于一些非平稳 信号，例如电能质量领域中的电压暂降等问题，由于信号在任意时刻附近的频域特征都 很重要，且信号在局部有突变，对它们仅从时域或频域上分析是不够的，因此它们不适 合用傅里叶变换来进行分析。 设厂( f ) 为一连续非周期时间信号，若o ) 满足狄里赫利条件及 n 厂( f 物 ( 3 1 ) 那么，厂“) 的傅里叶变换存在，并定义为 f ) = e o 。耐出 ( 3 2 ) f ( 砌是的连续函数，称为信号厂o ) 的频谱密度函数，或简称为频谱。从式中可以看 出，傅里叶变换的结果是连续频谱。 基于d s p 与a r m 的电能质量监测系统研究 3 1 1 离散傅里叶变换 为了计算傅里叶变换，需要用到数值积分，即取厂( f ) 在实数域上的离散点的值来计 算这个积分。在实际应用中，我们希望在计算机上实现信号的频谱分析及其他方面的处 理工作，对信号的要求是：在时域和频域应是离散的，且都是有限长。由此，便得到了 离散傅里叶变换( d f