（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的高精度电能质量分析仪的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 各自的功能的基础上，通过h p i 及串口的方式通讯的方式达到功能要求。 在软件设计上，主要采用c c + + 的高级语言来编写，仅有部分硬件初始化的 亡作由汇编语言编写。通过这种混合编程方法，在不降低运行性能的情况下实 现了程序设计的高效性，随后对其软硬件的设计与调试、实验分析等也做了简 单的说明。在软件硬件设计过程中，进行了大量的测试与改进工作，并通过这 种大工作量的软硬件调试与改进工作，目前本测试仪在功能和精度上都有了可 喜的改观，基本上实现了预定的目标。 最后在总结全文的基础上，对本测试仪的不足和需改进的地方作出说明，并 展望了电能质量分析仪的前景和发展趋势。 关键字：电能质量分析仪，d s p 、c 5 1 、h p i i i 西华_ 人学颂卜学位论文 s t u d i e so nh i g hp r e c i s i o np o w e rq u a l i t ya n a l y z e r b a s e do nd s p e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：b a iy u f e n g ，a d v i s o r ：j i nb i n p o w e re n e r g yi sak i n do fs p e c i a lm e r c h a n d i s ew h i c hi sp r o v i d e db yp o w e r s e r v i c ed e p a r t m e n tt oc o n s u m e ra n dg u a r a n t e e db yt h et w op a r t i e s w i t ht h eh i 8 1 1 s p e e dd e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , t h ep o w e re n e r g yh a sb e i n gw o r s e n e db yal a r g eo f n o n l i n e a r i t yl o a d s ，h o w e v e r , t h er e q u e s t st op o w e rq u a l i t yi sh i g h e ra n dh i g h e r i ti sa b a s i cr e q u e s tf o rp e o p l et oi m p r o v ee n e r g yq u a l i t yi no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yo f p o w e re n e r g y t h em a i nc o n t e n t so fp o w e re n e r g yi n c l u d ef r e q u e n c yd e v i a t i o n ，v o l t e g e d e v i a t i o n ，v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df t i c k e gv o l t a g eu n b a l a n c e ，t e m p o r a r yo rt r a n s i e n t o v e r - v o l t a g e ，w a v ed i s t o r t i o n ，v o l t a g ed i p sa n di n t e r r u p t i o n ，p o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y a n ds oo n t h e yr e f l e c tb o t hp a r t i e s i n t e r a c t i o n ，i n f l u e n c e ，t h e i rr e s p o n s i b i l i t ya n d o b l i g a t i o n a l m o s ta l lk i n d so fp h e n o m e n o na n dd e t e r m i n a n ts t a n d a r do fp o w e r e n e r g yq u a l i t ya r es i m p l yd e s c r i b e di n t h i sp a p e r , a n dt h ep o w e re n e r g yq u a l i t y s t a n d a r di nc h i n ai sa l s os i m p l ye x p l a i n e d ，a n dp o i n to u tt h a tt h e r ea r cal o t so fw o r k s t om a k et h ep o w e r q u a l i t ys t a n d a r do f o u rc o u n t r yp e r f e c t t h e r ea r et h r e ek i n d so fp o w e re n e r g yq u a l i t ya n a l y t i c a lm e t h o d ，i n c l u d i n gt h e a n a l y t i c a lm e t h o di nt i m e ，t h ea n a l y t i c a lm e t h o di nf r e q u e n c ya n dt h ea n a l y t i c a l m e t h o db a s e do nm a t h e m a t i ct r a n s f o r m t h ea n a l y t i c a lm e t h o di nt i m eo f t e na r cu s e d w i t ht h ea n a l y t i c a lm e t h o di nf r e q u e n c ya st h e ya r es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ，h o w e v e r , t h em e t h o db a s e do nm a t h e m a t i ct r a n s f o r mi su s e di np o w e re n e r g yq u a l i t ya n a l y s i s w i d e l y t h e i rp r i n c i p l e s ，m e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e sa r es i m p l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r , a n dt h e na l lt h em a t h e m a t i ca n a l y s i sm e t h o d sa n df o r m u l a sa r cg i v e na c c o r d i n gt ot h e d e t e r m i n a n ts t a n d a r do f p o w e re n e r g yq u a l i t y t o d a ym a n yk i n d so fp o w e re q u i p m e n t sa r ep r o d u c e d ，b u ta l m o s te v e r y o n eo f t h e mi ds i m p l yi nf u n c t i o n ，o re l s ei t sv e r ye x p e n s i v e t od e s i g nah i g hp r e c i s i o n p o w e rq u a l i t ya n a l y z e ri sag o o di d e a lf o ru s ah j i g hp r e c i s i o n ，3 - p h a s ep o w e rq u a l i t y a n a l y z e rb a s e do nd s pa n dc 51 i sd e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gm er e q u i r e m e n tt ot h e n l 西毕大学坝上学位论文 h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f p o w e rq u a l i t ya n a l y z e ri nt h i sp a p e r , s ot h a tt h i se q u i p m e n t c a nc a l t yo no n - l i n ea n a l y s i so fr e a l - t i m et ov a r i o u sc o m m o nb e a c o n so ft h ep o w e r q u a l i t y m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n i n gm e t h o di su s e di nt h i sa n a l y z e r t h ep o w e rs i g n a l b o a r d ，t e s t i n gm a i nb o a r d ，d s pc o r eb o a r da n dc o m m u n i c a t i o n d i s p l a yb o a r da r e d e s i g n e di n d e p e n d e n ta n de v e r yo n eo ft h e mc o m p o s et h en a m e df u n c t i o nb e t w e e n t h eh p i 一8a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n i nt h ed e s i g n i n go fs o f t w a r et ot h ee q u i p m e n t ，c c + + i su s e df i r s t l y ，o n l yv e r y l i t t l eh a r d w a r ei n i t i a l i z a t i o nw o r ki sw r i t t e ni nt h ea s s e m b l yl a n g u a g e t h r o u g ht h i s k i n do fh y b r i dp r o g r a m m i n gm e t h o d ，c h a r r i n go u tap r o g r a md e s i g n i n gu n d e rt h i s s i t u a t i o nt h a td on o tl o w e rt h er t l n t i m ep e r f o r m a n c ea n dm a k eo u tap r o g r a md e s i g n e f f i c i e n t l y a n dt h e nt h ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gf o rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r e s i m p l ye x p l a i n e d c a r i n go nag r e a td e a lo fw o r k so ft e s t i n ga n di m p r o v e m e n ti nt h e s o f t h a r d w a r ed e s i g np r o c e s s ，a n dt h r o u g ht h i sk i n do fs o f t h a r d w a r ed e b u g g i n ga n d t h ei m p r o v e m e n tt ot h ee q u i p m e n t ，m a k i n gt h i st e s t e rh a v eap l e a s e dr e s u l to nt h e f u n c t i o na n dt h ep r e c i s i o n f i n a l l y , ap r o s p e c to fp o w e rq u a l i t ya n a l y z e ri sg i v e na f t e rt h es m n m a r i z i n go f t h i sp a p e r , a n dt h ed e f e c t so ft h i sa n a l y z e rw h i c ha r en e e d e dt ob ei m p r o v e da r ea l s o e x p l a i n e d k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t ya n a l y z e r , d s p , c 51 h p i - 8 v 西华大学硕士学位论文 1 前言 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。供电质量问题早在电力供应一开始就引起了供用电双方的关注，但其关注 的问题在于电压与频率是不是在标称的范围内。随着工业规模的扩大和科学技 术的进步，大量的新型器件和设备得到了的广泛应用，一方面使得电力系统的 负荷结构发生重大变化，同时也对电能质量造成了严重的干扰或“污染”，使电 网的电能质量恶化；另一方面出于设备效率和可靠性的需要，对电能质量不断 地提出更高的要求，以前评价电能质量的指标已明显不能满足要求。而一次电 能质量故障可能会造成严重的后果，据国际会议介绍，在美国每年由于电能质 量下降所引起的经济损失高达数百亿美元。”。致使电能质量问题同时受到电力生 产企业和用户的严重关注，提高电能质已经成为保证供用电系统安全和电网稳 定运行的基本要求。 1 1 电能质量问题的提出 理想的三相交流电力系统应以恒定的频率和正弦波形，按规定的电压水平 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参数并不是理想线性和对称的，负荷性质各 异且随机变化，再加上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，这种理想的状态并不存在，为此人们提出了电能质量问题。 电能质量问题可归纳为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或 频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失 真、三相不平衡以及电压波动和闪变等”1 。其评价指标通常有频率偏移、电压偏 差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度和高频干扰等指标。 目前，电能质量问题已成为电气工程领域的前沿课题，对电能质量的分析 与控制可以说是电子技术、信息处理技术及计算机技术发展水平的一个重要反 两华大学硕士学位论文 应。电能质量对于电网和电器设备的安全、经济运行，保障产品质量以及生产 和人民生活的正常秩序均有重要意义。“。连续收集、记录、存储电能质量的信息， 可以帮助供电公司在规划中正确地改善供用电系统的基础结构，提高系统运行 的稳定性以及合理地扩大系统的容量和确定投资水平。通过对电能电网参数的 连续跟踪与监测，建立起能表征电能质量的有效数据库，可以提前发现故障信 息，提醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防性检修，实现电能质 量统一管理，有效解决电能质量问题。 现在人们认识到其质量的好坏不仅取决于发电、输电和供电系统本身，而 且也受到电力用户方面的影响。保证电力系统的电能质量，须由供用电力双方 共同努力保证。为了保障供用电双方的合法权益，保证电网的安全运行，维护 电气安全使用环境，必须加强电能质量的监测管理。我国在1 9 9 3 年发布了国家 标准电能质量，公用电网谐波，并且随着国家对电力生产和电网的运行实行 公司制改造，1 9 9 8 年又制定了电力法，将电能质量监督列入了电力系统九大 监督项目之一0 1 。 1 2 电能质量分析技术现状与发展 1 2 1 电能质量问题主要研究内容 早在电力供应时人们就开始认识到电能质量的重要性”1 ，不过当时关心是电 压与频率是否符合设定值。后来随着对电能质量的要求越来越高，电能质量对 供用电双方的影响也也越来越大，已引起世界各国的越来越多的重视，使得欧 美国日等发达国家己对此进行了多年的研究，给电能质量赋于了不同的新含义， 也取得了许多重要的理论和应用成果，分析与监测技术有了巨大的提高”1 。一方 面采取种种可能的技术措施，抑制电能质量的恶化，使其尽量得到改善：另一 方面在系统中的特殊点装设专门的电能监视装置，准确及时地检测出电能质量 方面存在的问题。 我国由于历史上的原因，长期以柬电力供应紧张，人们关注的焦点主要在 电力供应量方面，常以停电次数、电压偏差等来评价电力供电，对电能质量关 西华大学硕：f 学位沧文 心并不多，通常只对电压、频率两个指标进行考核“。随着改革开发的深入和科 学技术的进步，电能供应也市场化了，人们发现以前的做法实际上是行不通的。 近年来，随着电力供应紧张局面的初步缓解、电能质量的日益恶化和用户对电 能质量要求的不断提高，供用电双方都投入了大量的精力对电能质量问题进行 研究，在基本理论、监控装置等等方面都取得了较大的成绩。 目前电能质量监测与分析主要集中在以下几个方面： 一、电网电压与频率 自从有了供电以来，这个问题就一直得到重视。在我国长期供电紧张的情 况下，这个问题首先就要考虑到，不过这方面的测试与分析技术相对容易，国 内外在这方面的监测、处理方面技术都己比较成熟。专门的监视记录仪已经得 到了广泛的应用，而且可以实现对电网进行长期在线监测，并对正常或异常数 据的长期保存。 二、电网三相不平衡度 它是衡量电能质量的一个重要指标。三相不平衡测量仪主要有：按对称分量 法所确定的负序电压计算公式实现的测试仪器；基于调制方法确定的测量仪器； 利用多相整流的方法进行测量的仪器等。现在基本应用数字式测量仪。 三、电网谐波 _ 直是电自质量中最受重视的一个问题。电网谐波概念在二十世纪2 0 年代 就己经提出，并在6 0 年代前后，一些发达国家对此开展了大量的研究。研究内 容包括了谐波测量仪器和测量方法。我国也稍后开始了对其的研究。 在此期间，测量谐波含量的仪器也在不断发展着。最早使用的是模拟式谐 波分析仪，后又发展为数字式谐波分析仪，现在多是采用离散傅里叶变换( d f t ) ， 或快速傅里叶变换( f f t ) 基本原理所构成的数字式谐波分析仪。 四、电压波动与闪变 为电能质量监测的一大难点。为了对电压波动和闪变进行研究，u i e 、c i g r e 和c i r e d 等国际学术会议组织分别成立专家工作组，将其作为一项专门问题来 研究并一发表许多论著。从二十世纪的2 0 年代，有的国家的电力部门己经开始 测量电压波动和闪变，以后在英、法、德、意、日等一些工业先进国家中，电 工和有关的技术委员会进行协调统- - n 量电压波动和闪变的原理和仪器。从2 0 世纪6 0 年代起，日本就有几种闪变仪问世，1 9 8 6 年，国际电工委员会( i e c ) 依 曲华大学硕士学位论文 据1 9 8 2 年国际电热协会u i e 的推荐，给出闪变仪的功能和设计规范。我国早期 曾建议采用日本的基于1 0 h z 等值原理研制闪变仪，近期则按照1 e c 推荐的闪变 仪功能和设计规范制作。 国家质量技术监督局( 原国家标准局) 将制定国家电能质量标准列为重点项 目，并针对以上各项电能质量指标，我国制了相应的国家标准：至2 0 0 1 年底， 已经颁布了6 个标准( 其中2 个标准已经过修订) 即：g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3 电能质 量供电电压允许偏差：g b1 2 3 2 6 ，- - 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪交；g b t 1 4 5 4 9 一1 9 9 3 电能质量公用电网谐波：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；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； g b t 1 8 4 8 卜2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压“1 。 1 2 2 电能质量监测与分析装置现状 目前，能综合测量多种电能质量的监测仪还较少。虽然记录电压合格率的 自动装置、专门的谐波监测仪、测量频率装置等己在一些电力部门投入实际运 行，不少的微机式故障录波器、变电站自动化系统等装置中也考虑了兼顾电能 质量监测的问题。然而，这些装置在电能质量监测方面的功能还比较单一，不 能将多项指标测量综合在一起，更不具备一个专门分析和判断、统计、报表打 印等功能的后台软件。然而，要统计分析电压特性，评定电能质量谐波、闪烁、 不平衡等变化都是相互关联的，对于这些情况，如果使用能同时测量这五种特 性的多功能设备也会降低开支，简化装置。因此，随着电力系统电能质量的问 题日益增多，研制一种既能综合多种电能质量指标测量，又能后台分析、统计 的在线监测系统，是现代科技发展，也是电力市场兴起发展的必然需要“1 。 如今随着电子技术、计算机技术和网络技术的飞速发展，新一代电能质量监 测系统的体系结构有了巨大的变化，正在朝着在线监测、实时分析、网络化和 智能化的方向发展。而且随着电子技术、网络技术及现代测试技术的发展。开 发具有多用途的电测仪表越来越成为现实和需要，一台仪器就可以满足以往对 电能质量监测分析时多台仪器的要求。 目前已经出现了大量的此类装置，而且多以围绕d s p 来进行设计。其设计 4 曲华人学硕士学位论文 思路是利用高性能的d s p 处理器为核心，再配合高速高精度的a d c 转换器和其 它附属电路来设计电能质量监测与分析装置。实践证明，此类仪表可以很好的 满足电力系统在线监测的实时性和可靠性等等要求，完全能满足国标所规定的 电能质量指标。 1 2 3 本文设计主要方向和内容 本文在对当前的电能质量标准和测量方法进行了分析的基础上，提出了基 于d s p 技术的电能质量测测试装置。在d s p 部分的软件设计中，采用汇编与c 混合编程的方法，直接利用t i 的数字信号处理库函数，实现对采集信号的实时 处理算法，达到对对三相电力参数的全面在线分析与监测。而上位软件部分采 用vjs u mc + + 6 o 编制，通过串口通讯，实现对多种电能质量指标进行综合在 线监测与分析功能。而d s p 与上位的通讯功能的实现，采用一个c 5 1 单片机通 过d s p 的h p i 通讯实现。 本电能测量仪器的最终目标是设计多功能的电能测量与分析装置，除实现 一般电能计量表的所具有的高精度测量功能( 如测量与记录：有功电能、无功 电能、功率因数、相位、电压有效值、电流有效值、瞬时三相电流值、线电压 频率值、四象限无功、正向和反向有功电能等) 外，还具有测量和分析高达2 5 6 次谐波及进行电能质量监控、事件记录、误差补偿、远程数据采集、自我诊断 及报警等功能。 西华大学硕士学位论文 2 电能质量概念及现象描述 电能质量这一技术名称涵盖着多种电磁干扰现象。在工业领域中对电能质量 认识不同和使用名词上的不一，长= 期以来人们在以各种各样的电压和电流干扰 电力设备正常【作的电磁现象时，所提出的专业名词很不准确，使用很不规范， 严重影响了电能质量工作的开展。本部分对电能质量的概念进行了定义，并对 电能质量的常见现象进行了描述。“。 2 1 电能质量概念 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电，但是由于人们看问题的角度不同， 对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定 义，如前所述。长期以来，电能质量概念和电力供应可靠性几乎等同。电力部 门可能把电能质量定义为电压频率的合格率以及连续供电的年小时数，并用统 计数字( 以9 s 来表示，如9 9 9 ) 来说明电力系统是安全可靠的。电力用户则 可能把电能质量简单定义为是否向设备提供了电力。设备制造商则可能将电能 质量定义为电源特性应当完全满足电气设备的正常工作需要。但实际上不同厂 家和不同设备对电源的特性要求可能相差甚远”1 。 如何描述电能质量目前仍在不断的探索中，但一种普遍能接受的方法是：从 工程实用角度出发，将电能质量概念进一步分解四个方面并给出解释：如电压 质量、电流质量，供电质量、用电质量等。它们反映了供用电双方的相互作用、 影响及其责任和义务。同时国际电工委员会( i e c ) 提出并使用电磁兼容( e m c ) 的概念，给出了干扰允许值、抗扰阈值和兼容值的定义，并在此基础上制定了 一系列电磁兼容标准。3 。 总体上，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、三相 不平衡、暂时或瞬时过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续 性等。 西华大学硕士学位论文 2 2 电能质量现象描述“ 2 2 ，1 瞬变现象 它表示电力系统运行中一种并不希望出现的事件。在i e e e s t d l 0 0 1 9 9 2 电 气与电子标准术语词典定义为变量的部分变化，且从一种稳定状态过渡渡到 另一种稳定状态的过程中逐渐消失的现象，但这一术语在电力系统中会引起分 歧。其中的两种普遍现象可以用冲击瞬变和振荡瞬变来描述。 一、冲击瞬变现象 它是一种在稳态条件下，电压、电流的非工频的、单极性的突然变化现象。 通常用上升和衰减时间来表现冲击性瞬变的特性。用以描述脉冲暂态的两个参 数是上升时间和衰减时间。脉冲暂态的特征也体现在其频谱成分中。冲击脉冲 含有高频成分，它的波形会因电路元件特性影响而快速衰减，并且由于系统的 观测点不同而有不同的特性。 二、振荡瞬变现象 这为一种在稳态条件下，电压、电流的非工频、有正负极性的突然变化现 象。常用频谱成分、持续时间和幅值大小来描述其特性。根据频谱成分把振荡 暂态分为低频、中频和高频三个子类，选用的频率划分范围与常见的电力系统 振荡暂态现象是一致的， 主要频率成分大于5 0 0 k h z 且持续时间为数微秒( 或主频的几个周期) 的振荡 暂态称作高频振荡暂态，它往往是本地系统对一次脉冲暂态响应的结果。 主要频率成分在5 k h z 到5 0 0 k i t z 之间，持续时间为数十微秒( 或主频的几个 周期) 的振荡暂态称作中频振荡暂态。背靠背电容器充电导致十几千赫兹的振荡 暂态电流，电缆投切所引起的振荡暂态电压也具有同样的频率范围。 主频低于5 k h z ，持续时间在0 3 - s o r e s 瞬态现象，称为低频振荡。 2 2 2 短期电压变动 引起短期电压变动的原因是系统故障、大容量负荷启动或者电网松散连接 7 曲华大学硕士学位论文 。1 。l 。_ 。1 。_ _ 。一。一 的间歇性负荷。根据故障位置和系统状况的不同，可能会引起临时性的电压跌 落( 即电压骤降) 、临时性的过电压( 即电压骤升) 亦或是电压完全消失( 即电压 断电) 。 一、电压断电 断电是指供电电压或负荷电流减至小于0 ，l p 。u 。且持续时间不超过l m i n 的 电磁扰动现象。断电可能是电力系统故障、设备故障以及控制失灵的后果。由 于发生断电时电压幅值总是小于标称值的1 0 ，因此只需对其持续时间进行测 量。由电力系统的一次故障引起的断电，其持续时间由电力系统保护装置的动 作时间决定。瞬时重合闸一般会把由一次非永久性故障引起的断电限制在3 0 个 周期以内：而保护装置的延时重合闸则会引起3 0 个周期以上甚至3 s 的断电； 由设备故障或松动连接导致的断电，其持续时间是不确定的。如果断电是由电 源系统中的故障引起的，则在发生断电之前很可能会先出现一次电压骤降。 二、电压骤降 骤降是指工频电压或电流的有效值降至0 1 9 p u ，持续时间在0 5 个周期 到l m i n 的电磁扰动。电压骤降通常与系统故障有关。一般来说，故障切除时间 从3 个周期到3 0 个周期不等，这要取决于故障电流的幅值和过电流保护的类型。 另外，大型负荷的接入或大电机的起动也有可能引发电压骤降。这类电压骤 降持续时间( 数秒) 远远大于由电力系统故障引起的骤降的持续时间( 数毫秒) 。 三、电压骤升 骤升是指工频电压或电流的有效值增至1 1 1 8 p u 之间，持续时间在0 5 个周期到l m i n 的电磁扰动。与骤降一样，骤升通常也和系统的故障有关，但不 如电压骤降那样常见。在一次单相接地短路故障中，非故障相会出现临时性的 电压水平升高，这将可能导致一次电压骤升。除此之外，切除一个大负荷或者 对一台大电容器组充电都有可能引发电压骤升。 2 2 3 长期电压变动 指工频电压的有效值超出了规定的稳态电压容限，并持续l m i n 以上的扰动 事件。长期电压变化又分过电压和欠电压两种情况。一般来说，过电压和欠电 西华大学硕士学位论文 压并不是系统故障的后果，而是由负荷的变化以及系统的开关操作引起的。 一、过电压 指工频交流电压的有效值大于1 ，l p u ，持续时间在l m i n 以上的扰动事件。 过电压通常是由负荷投切( 例如切除一个大负荷或者投入一台电容器) 引起的。 如果系统相对于想要实现的电压调节显得太薄弱，或者电压控制不足，会引起 过电压现象。变压器分接头的设置不当也会导致系统过电压的出现。 二、欠电压 指的是工频交流电压的有效值小于0 9 p u ，且持续时间在l m i n 以上的扰 动事件。它的起因与过电压恰恰相反。过负荷线路也会导致欠电胍现象。 三、持续停电 如果供电电压为零且超过了l m i n 。那么这种长期电压变化就是持续停电。 超过l m i n 的电压中断往往是永久性的，因此需要依靠人力维修才能使系统恢复。 2 2 4 电压不平衡 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应该具有同样的幅值，并且按a 、 b 、c 顺序互成1 2 0 度，这样的系统叫做三相平衡( 或对称) 系统。然而由于存在 种种不平衡因素，实际电力系统并不是完全平衡的。 电压不平衡可以定义为三相电压平均值的最大偏差与三相电压平均值的百 分比，也可以定义为负序或零序分量与正序分量的比值。电压不平衡的因素可 以归结为事故性的和正常性的两大类。前者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、单相接地故障等。这种不平衡状况是系 统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使 系统恢复正常。正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所致。 2 2 5 波形畸变 波形畸变定义为对理想的工频正弦波的稳态偏差，并以偏差的频谱成分来表 征。波形畸变又分为直流偏移、谐波、间谐波、陷波和噪声5 大类。 曲华大学硕士学位论文 一、直流偏移 在交流电力系统中出现直流电压或电流的扰动现象称作直流偏移。这可能是 由地磁干扰或半波整流引起的。例如，为延长灯管的寿命在照明电路中加入一 个半波整流电路，会使交流变压器偏磁，以至于发生磁饱和，引起变压器铁芯 附加发热，从而导致严重的过热缩短寿命。直流电流还会引起接地电极及其它 连接器的电解腐蚀。 二、谐波 谐波是指具有电源系统指定运行频率( 称作基频，5 0 h z 或6 0 h z ) 的整数倍频 率的电压或电流。谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非 线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性( 正比) 关系而造成的波形畸变。 波形畸形水平的描述地，通常用具有各次谐波分量幅值和相位角的频谱来 表示。在实际应用中也常用总谐波畸变率( t h d ) 来作为量度标准。但它在反映 电流波形畸变水平时往往容易引起误导，因此在i e e5 l g 一1 9 9 2 电力系统中 谐波控制推荐实施细则与要求给出了另定义：总需量畸变率( t d d ) ，它描 述的是谐波电流与额定电流之比。 三、间谐波 把含有电力系统设计运行频率非整数倍频率的电压或电流定义为间谐波， 其表现为离散频谱或宽频谱，常有静止频率变换器、循环换流器、感应电机和 电弧焊等设备引起，电力线载波信号也可视为间谐波。 四、陷波 陷波是电力电子装置在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另一 相时产生的周期性电压扰动。 五、噪声 是指带有低于2 0 0 k h z 宽带频谱，混叠在电力系统的相线、中性线或信号线 中的有害干扰信号。 2 2 6 电压波动 电压波动是指工频电压包络线的周期性变化或一系列随机的电压变化。其 荫华大学坝士学位论文 幅度通常在0 9 1 1 p 。u 范围内。 电压波动波形是以有效值电压或峰值电压的包络线作为时间函数的波形。 在分析时，可以抽象地将工频电压看作载波，将波动电压看作调幄波。波动电 压可能是具有单一频率的正弦波，也可能是具有任意波形的调幅波。 电流幅值具有连续、快速变化特性的负荷会引起称之为闪变的电压变化。 闪变这个术语起源于电压波动对白炽灯的影响，它是人眼对照度波动的主观视 感，可选择自炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。 2 2 7 工频变化 电源频率变化( 工频变化) 是指电力系统的基频偏离其标称值的扰动现象。 交流电力系统的频率和发电机组的转速直接相对应。电力系统的负荷大小 在不断变化，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 频率总是处于变化之中。频率变化的大小及其持续时间依赖于负荷的特性以及 发电控制系统对负荷变化的响应。超出系统稳态运行许可范围的频率变化可能 由以下原因引起：大型输电系统中的故障、一个大负荷的切除或一台大型发电机 组退出运行。 频率偏差对电力系统及其设备的危害程度取决于偏差的大小和持续时间。 概括地说，士0 2 h z 之内主要是经济问题，即造成设备的效率降低( 损耗增加) ； 偏差超出士0 2 1 t z ，不仅仅使设备效率降低，而更主要的是危及设备的安全，轻 则引起不可逆转的累积性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃。 2 3 我国电能质量标准简介 我国的国家技术监督局从1 9 9 0 年起陆续颁布了电能质量的国家标准，电能 质量供电电压允许偏差、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度、电力系统频 率允许偏差、电压允许波动和c j _ i 变以及暂时过电压和瞬态过电压等6 个方面制 定了明确的技术指标，具体如表2 1 所示。 从此表可以看出，我国的现有国家标准还很不完善，有些指标已经是工业生 西华大学硕士学位论文 产中急需提出的，但是目前仍没有做出必要的规定，缺少相应的检测推荐方法 和测量精度等方面的规定，而且还有些指标的科学性和可操作性差等。建立更 完善的电能质量标准体系仍有大量的工作要做。 表2 一i 六项电能质量国家标准摘要 t a b l e 2 一lt h es u m m a r yo fs i xn a t i o n a ls t a n d a r d sf o rp o w e rq u a l i t yi nc h i n a 标准编号 标准名称 允许限值说明 电能质量i 、3 5 k v 及以 ：为正负偏差绝对值之和不超过1 0 g b1 2 3 2 5 衡量点为供电产权分 供电电压允2 、1 0 k v 及以下为兰相供电为7 1 9 9 0 界处或电能计量点 许偏差3 、2 2 0 v 单相供电为+ 7 ，一i o 电压变动d 的限值和变动频度r 有关：当r 1 0 0 0 h 。1 、撕量点为公共按地 一时，对于低压( l v ) 和中压( m v ) ，d = i 2 5 * 4 ： 点p c c 对于高压( h v ) ，d = 10 - 3 4 ；对于随机不规则 2 、p 。每次测量周期为 的变动，d = 2 ( l v 、m v ) ，d = 2 ( h v )1 0 m i n 取实测9 5 0 , 概 电能质量闪变限值 率值；p 1 。每次测量周期 g b1 2 3 2 6 电压波动和 系统电压等级 l v m vh v为2 h ，和不得超标 2 0 0 0 闪变 p 蓝 lo0 90 83 、跟值分三级姓理原 p h o 8070 6则 注：p 。为短时闪变值：p 为第时间闪变值 4 、提供预测计算方法、 规定测量仪器并给出 典型分析方法 各级电网请波电压限值( )1 、衡量点p c c ，取实 电压( k v ) t h d 奇次 偶次 测9 5 概率值 o3 8 54 02 02 、对用户允许产生的 电网质量 61 04 3216 谐波电流提供计算方 g b 厂r1 4 5 4 公用电网谐 3 5 6 6 32 412 法 一1 9 9 3 波 1 1 02 1 60 8 3 、对测量方法年 1 测量 注：1 、2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 执行 仪器作出规定 2 、表中t h d 为总谐波畸变率 4 、对同次谐波随机性 合成提供算法 i 、各级电压要求一样 2 、衡量点为p c c 。取 电网质量 实测9 5 概率值且累 g b 厂r1 5 5 4 l 、正常允许2 短时小超过4 计超标不许超过 三相电压允 1 9 9 5 2 、每个用户一般不得超过t3 7 2 m i n ，目每3 0 m i n 中 许不平衡度 超标不许超过5 m i n 3 、对测量方法和测量 仪器作出基本规定 西华犬学硕士学位论文 ( 续上表) 标准编号标准名称允许限值 说明 电网质量i 、正常允许o2 h z 根据系统容量可以放宽到 g b t15 9 4 对测量仪器提出了基 电力系统频 05 h z 一1 9 9 5 本要求 率允许偏差2 、用户冲击r j i 起的频率变动一般不得超过o2 h z l 、系统工作过电骶限值l 、暂时过电压包括工 电压等级( k v )过电f k 限值( pu )频过电谐振过电压。瞬 u m 2 5 2 ( i ) l3 态过 b 压包括操作过 u m 2 5 2 ( 1 1 jl2 电压和雷击过电压 1 1 0 及2 2 0 l3 2 、工频过电压10 pu 3 5 6 0i u m 以。谐振过电压 3 1 0 1 1 4 3 和操作过电夺10 d 1 1 屯嘲质量 注：1 、u m 指t 频峰值 乜压 = 4 2ur n 以 g b 门118 4 8暂时过电压 2 、u m 2 5 2 k v ( i ) 和ur n 2 5 2 ( 1 1 ) 分别指 3 、除统计过电压( 不 2 0 0 l 和瞬态过电 线路断路器两侧变电所的线路 小于谖值的概率为 00 2 ) 外，凡末说明的 址 操作过电有值均为最 2 、操作过电压限值 电压等级( k v )过电压限值( d u ) 大操作过电压( 不小于 5 0 020 该值的概率为o0 0 1 4 ) 3 3 022 + 4 、瞬态过电这对空载 l l o 2 5 230 线路分闸过电压、断路 + 表示该过电h i 对地统计操作过电压 器开断并联补偿装置 及变压器等过电限值 作出了规定 2 3 本章小结 本章首先对电能质量的概念进行了定义，然后对电能质量的各种现象和产生 的原因进行了相应的简单分析与介绍，最后对我国的五项电能质量的国家标准 给出了一个简单的接要。从中我们可能看出，目前我国的电能质量标准是很不 完善的，为建立完整而合理的电能质量监控系统，还有很多路要走。 西华大学硕士学位论文 3 电能质量的分析方法和数学模型 建立电能质量监测与分析系统，及为了获得有关电能质量的信息，往往需 要对三相电压、三相电流、中线电流和中线对地电压等信号进行测量与储存， 它们构成了电能质量分析的数据源。由于这些数据必须以足够高的采样速率进 行采样并储存，而且又必须长期在线进行，所以每年存储的数据量相当大，必 须采用合理的处理方法。 日前电能质量分析方法主要有时域分析法、频域分析法和基于数字变换的 分析方法等三种。在三种方法中，时域仿真方法在电能质量分析中应用最广泛， 其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对供电系统电能质量扰动现象进行研 究，对于高采样率的大量数据，很难实现在线实时分析。频域分析方法主要用 于电能质量中谐波问题分析，如频谱分布、谐波、潮流计算等。基于数字变换 的分析方法，主要指傅立叶变换法、短时傅立叶变换法、