（电力系统及其自动化专业论文）基于主从式双cpu结构的电能质量监测仪的研制.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e m e mo fd i f r e r e n tk i n d so fn o n l i n e a rl o a d si nt h ep o w e r s y s t e m ，m ev o l t a g ea i l dc u r r e n t2 u r ea b e r r a n ta n dt l l ep r o b l e mo fp o w e rq u a l i t yi s b e c o m i n gm o r ea i l dm o r es e r i o u s a & ri n 们d u c i n gt h es t a i l d a r d ，c l a s s ，h a r n l ，c a u s e o fp o w e rq u a l i 吼t l l i sp 印e rp o i n so u tt l l ep r e s s i n gn e e dt oe 丑e c t i v e l yd e t e c tt h ep o 、e r q u a l i 吼 t h et r a d i t i o n a le l e c t r i cm e t e r sc a l ln o tm e a s u r et l l ep o w e rq u a l 幻n i c e t ya i l d r e a l - t i m e l y t h ep o w e rq u a l i 够d e t e c t o ru n d e rd e v e l o p m e n ti nt h et a s ki sb a s e do nm e t h e o r yo fm e a s u r e m e n tf o re l e c t r i cp a r a m e t e r si nt h en o n s i n u s o i d a lc i r c u i t a r e rt 1 1 e r e a l t i m es 锄p l i n go fv o l t a g ea n dc u r r e m ，t h ed e v i c ec a r r i e st h ef f t p r o c e s sa n dg e t s e a c hh a r m o l l i c s t h ed e t e c t o rh a si n t e g r a t e dm u l t i 凡m i o n so fc a l c u l a t i n ge l e c t r i c p a r 锄e t e r s ，s u c ha sr m so fv o l t a g ea n dc u n e n t ，t h d ，p o w e rf a c t o r ，a c t i v ep o w e r ， p a s s i v ep o w e ra n da c t i v ee n e r g ya n ds oo n t h ep o w e rq u a l 埘d e t e c t o r h a sd o u b l e - c p u so ft l l em a s t e r s l a v es 仃u c t u r e 1 1 1 e s l a v es y s t e mi sf o n n e dw i t hap o w e rs u p p l y ，s e n s o r s ，a a d ，ap h a s el o c k e d 1 0 0 p ( p l l ) ，aw a t c h - d o ga n dad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 7 i l l i ss u b s y s t e mh e l p st o c a r r yr e a l - t i m es 锄p l i n g ，f f to p e r a t i o na 1 1 de l e c t r i cp a r 锄e t e r sc a l c u l a t i o n t h e m a s t e rs y s t e mf o m e dw i mal c d ，ak e y b o a r d ，n o v ra m ，ar e a l 。t i m ec l o c ka i l da c o m m o n51s i n g l e c h i p t h i ss u b s y s t e m st a s ki st oi i e t e c tt h ek e y b o a r d ，t oc o n t r o l m el c da 1 1 ds oo n d a t a行o ms l a v et om a s t e ri st r a n s m i t t e dv i as e r i a l c o m m l 】n i c a “o n a tp r e s e n tt h ed e b u g g i n gr e s u no ft l l ed e v i c eh a ss h o w e dm a tt h e p o w e rs u p p l yi sv e r ) ，s m a l l ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fs l a v es y s t e m s e n s o r s ，p l la n dc o mp o i r tw o r kw e l l t oac e i r t a i ne x t e n t ，i th a s c o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo fm ed e s i g n r i p p l eo f t h e i s g o o d ，t h e v e r i f i e dt h e k e y w o r d ： p o w e r q u a l i t y f f t n o n - s i n u s o i d a lp o w e rt h e o 巧d s p s 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 签名：jl ：征日期：盟 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：立窒：墨导师签名n日期：止； 一 东南大学硕士学位论文| i 于主以叠0 双c p u 结构的电舅u 瞳臣曹i 仪的习喇 第一章绪论 随着微电子技术、计算机技术等高新技术的深入发展，人们越来越认识到优质的电能供 应对保障社会各行各业正常运行的重要意义。我国已经顺利加入w 1 o ，国外许多如芯片制 造、精密加工等高新企业纷纷落户，这些企业的所在地如上海浦东开发区、苏州工业园等已 经对供电电压中断、闪变和谐波含量等电能质量提出了严格的要求。另外随着国家对电力市 场化的进一步推动，对电能按质论价已经提到议事日程，电力公司可以依据一定的标准，对 电流谐波含量超标的电力用户采用惩罚性电价。一一所有这些，都离不开一个标准的电能质 量监测装置。 而事实上，我国电力系统中使用的大多数传统测量装置的设计都是基于“电压是正弦、 负荷是线性，产生的电流也是正弦”的这一假设前提，所用电路往往采用模拟电路，在用于 电能质量监测时，精度和可靠性难以达到要求；国外一些著名的电能质量分析仪制造商的产 品功能繁多，价格昂贵，难以为国内绝大多数企业接受，况且产品的市场着眼点主要在现场 手持测试。本课题开发的电能质量监测仪采用主从式双c p u 的结构，其中下位机为先进的 数字信号处理器d s p ，既能在每个周波进行f f t 运算实时分析出电压、电流的直流、基波、 2 3 1 次谐波成分，又能实时监测系统的功率因数、电压电流的谐波含量，准确累计有功、 无功能量；上位机采用通用的5 1 单片机，用于完成键盘查询、液晶显示等用户接口的功能。 监测仪采用标准仪表盒封装，可长期挂网运行。 1 1 课题研究背景 1 1 1 电能质量问题 电能是一种特殊的商品，既具有以商品形式向用户出售的性质，又具有为千百万用户服 务的公用事业性质。电能的特点是不能储存，而是发、供、用电同时完成并由用电的多少来 决定发电与供电的多少。因此，对用户连续不断供电是电能质量的一个重要标志。由于电能 的供应带有垄断性，电力用户往往在使用电力企业所供的电能时，对其质量的波动或不良情 况也无可奈何。故早期制订的常规电能标准，其要求不够严格，相当长时间内没有重大改进。 用户与电力企业之间矛盾不断发生。20 世纪后半世纪，世界科技发展速度加快，传统的电 能质量标准已无法适应用户需要，迫使电力企业和有关学术组织不得不对电能质量标准作出 较大的修订补充- i 川。 一电能质量问题的标准 我国对电能质量已先后颁布了以下几个国家标准( 见附表1 一1 ) ，主要是供电电压允 许偏差( g b l2325 9 0 ) 、电压允许波动和闪变( g b l2326 9 0 ) 、公用电网谐波( g b t 14 5 4 9 9 3 ) 、三相电压允许不平衡度( g b 厂r 15 5 4 3 9 5 ) 、电力系统频率允许偏差( g b t 15 9 4 5 9 5 ) 等，今后还将陆续制订出其他有关电能质量的标准【4 】一【7 1 。 iec ( 100o - 2 2 4 ) 标准对电能质量是这样定义的：电能质量是指供电装置在正常工 作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。最严重的电能质量问题是电压跌落( s a g s ) 和电压完全中断。 东南大学硕士学位论文 l 于主从要0 rc p u 结构的电能质量盔曩i 仪的研制 表l l电能质量国家标准摘要 标准 标准编号允许限值说明 名称 ( 1 ) 3 5 k v 及以上为正负偏差绝 供电对值之和不超过1 0 ； 电压( 2 ) 1 0 k v 及以下三相供电为衡量点为供用电产权 g b l 2 3 2 5 9 0 允许7 ：分界处或者电能计量点 偏差 ( 3 ) 2 2 0 k v 单相供电为一7 ，一 l o 电压波动： ( 1 ) 衡量点为电网公共连接点 ( i ) l o k v 及以下2 5 ：( p c c ) ，取实测9 5 概率值； 电压 ( 2 ) 3 5 一1 1 0 k v 为2 ： ( 2 ) 给出闪变电压限值和频度的 允许 ( 3 ) 2 2 0 k v 及以上1 6 关系曲线，可以根据电压波动 g b l 2 3 2 6 9 0 波动闪变v 1 0 曲线查得允许值，并给出算 和( 1 ) 对照明要求较高o 4 例： 闪变( 推荐值)( 3 )对测量方法和测量仪器作出 ( 2 ) 一般照明负荷o 6 基本规定 ( 推荐值) 各级电网谐波电压限值( ) ( 1 ) 衡量点为p c c ，取实测9 5 电压( k v ) t h d 奇次偶次 概率值； ( 2 ) 对用户允许产生得谐波电流， 公用 o 3 854 o2 0 提供计算方法； g b 厂r l4 5 4 9 9 3 电网 6 1 043 21 6 ( 3 ) 对测量方法和测量仪器作出 谐波3 5 6 632 41 2 基本规定： l l o21 60 8 ( 4 )对同次谐波随机性合成提供 算法 ( 1 )各级电压要求一样； 三相 ( 2 )衡量点为p c c ，取实测9 5 供电( 1 )正常允许2 短时不超过 概率值或日累计超标不超过 g b 厂r 15 5 4 3 - 9 5电压4 ： 7 2 m i n ，且每3 0 m i n 中超标不 不平( 2 )每个用户一般不超过1 3 超过5 m i n ： ( 3 )对测量方法和测量仪器作出 衡度 基本规定； ( 4 )提供不平衡度算法 电力( 1 )正常允许o 2 h z ，根据系 系统统容量可以放宽到 g b ，r 15 9 4 5 9 5 频率 o 5 h z ： 对测量仪器提出了基本要求 允许( 2 ) 用户冲击引起得频率变动 偏差 一般不得超过o 2 h z 二电能质量问题的分类 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和动态两大类。稳态电能质量问 题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波以及噪声等，一般持续时间比较长，在一段时 间内( 通常为1 分钟以上) 出现的电能质量不正常的情况。动态电能质量问题通常是以频谱 2 东南大学硕士学位论文 l 于主从黛0 叹c p u 结构的电能质量盘鼍i 仪的习障l 和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。 针对过去对各种扰动引起电能质量问题( 干扰) 的提法不一，i e e e 第2 2 标准统筹委员 会( i e e es t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e 2 2 ) ( 电能质量) 和其它国际委员会推荐如下几种 术语来描述主要的电能质量干扰。各术语的定义如下： 电压跌落( s a g s ) ：电压或电流有效值降至额定值的1 0 一9 0 ；持续时间为0 5 个周期 至l m i n 。 电压中断( i n t e r n j p t i o n s ) ：在一相或多相线路中完全失去电压( 低于额定值的lo ) 一 段时间。持续时间0 5 个周期至3s 为瞬时中断；持续时间3s 至60s 为暂时中断；持续 时间大于60s 为持续中断。 电压上升( s w e l l s ) ：电压或电流有效值升至额定值的11 0 以上，典型值为额定值的1 1 0 一l8 0 ，持续时间为o 5 个周期至lm i n 。 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) ：指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压瞬变可以是任 意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 过电压( o v e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的1 1 0 一1 2 0 ，持续时间大于l m i n 。 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) ：电压为额定值的8 0 9 0 ，持续时间大于l m i n 。 谐波( h 锄1 0 n i c s ) ：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。由电力系统中的装 置和负载的非线性特性引起的波形畸变可分解为基波和谐波之和。 电压不对称( v 0 1 t a g eu n b a l a i l c e ) ：指电压的最大偏移与三相电压的平均值的比值超过规 定的标准，主要由不对称负载引起的。 间谐波( i n t e r h a n n o n i c s ) ：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。间谐波主要由静 止变频器、周波变频器、感应电机和电弧设备产生，电力载波信号也认为是一种间谐波。 电压缺口( n o t c h e s ) ：持续时间小于o 5 个周期的周期性的电压扰动。电压缺口主要是 电力电子装置由一相换至另一相时参与换相的电路瞬时短路造成的，与电压缺口有关的频率 分量很高，采用谐波分析仪测量可能是很困难的。 电压波动( f l u c t u a t i o n s ) ( 闪变) ：电压波动( 闪变) 是指电压幅值在一定范围内有规律地 或随机地变化。其电压幅值的变化通常为额定值的9 0 1 lo 。这种电压波动常称为电压 闪变。闪变一词是从电压的波动引起电灯的闪动得来的，在输电和配电系统中电压闪变主要 是由电弧炉引起的。 下面表1 2 列出了上述的各种电能质量干扰的扰动性质、特征指标、产生原因、后果 以及解决方法。 表1 2 电能质量问题一览 扰动 类型特征指标产生原因后果 性质 谐波频谱电压非线性负载、设各过热、继电保护误动、 谐波稳态 电流波形固态开关负载设备绝缘破坏 设备过热、继电保护误动、 三相不对称稳态不平衡因子不对称负载 通信干扰 保护误动、 欠电压 稳态持续时间、幅值 运行操作、故障 通信干扰 波动幅值、出现频率、 电压闪变 暂态 电弧炉、电机起动伺服电机运行不正常 调制频率 波形、峰值、设备绝缘破坏、 过电压稳态运行操作、故障 持续时间 损坏电力电子设备 3 东南大学硕士学位论文| ；于主以量0 炙c p u 结构的电能质量盎测仪的研目 上升时间、峰值、闪电电击线路、 电压瞬变 暂态设备绝缘破坏 持续时间感性电路开合 电压骤升 暂态 幅值、持续时间、远端发生故障、设备停运、敏感负载 电压骤降 瞬时值时间 电机起动不能正常运行 三电能质量问题的危害 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【8 】： ( 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 ) 谐波会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。 ( 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 ) 谐波会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 来经济损失。 ( 6 ) 谐波会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。 四电能质量问题产生的原因 电能质量问题产生的原因可以从电力系统内部和电力系统所供给的负载两个方面进行 分析，电力系统本身设备的非线性特性和越来越多的非线性负载都大大恶化了系统的电能质 量。 ( 1 ) 电力系统内部电能质量问题包括电力系统设备的非线性特性以及电力系统可能出 现的内外故障等1 9 j 。电力系统设备的非线性特性，主要指电力变压器，发电机等，电力电子 装置大量使用之前，最主要的谐波源是电力变压器，其励磁回路的非线性使产生的励磁电流 中包含了谐波电流。其次是发电机，在实际运行过程中，发电机的感应电动势不是理想的正 弦波，其输出电压中包含一定的谐波。电力系统运行的内外故障也会造成电能质量问题，如 短路故障、雷击、误操作以及电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装 置中的电力电子设备的启动等都将产生各种电能质量问题。 ( 2 ) 负载引起的电能质量问题主要是指非线性负载带来的谐波及无功电流。非线性负 载是电力系统谐波问题的主要来源【l 叭。在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大比例， 如电弧炉即为重要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起 的，电弧长度的不稳定性和随机性，使得其电流谐波频谱非常复杂，而且随时间会有明显的 变化。电力电子设备是现在最主要的谐波源，它们绝大部分内部包含整流或变频装置，采用 晶闸管或二极管相控整流电路，直流侧采用电容滤波，这种电路使其输入电流的谐波分量很 大，给电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。另外荧光灯的伏安特性是严重非线性的， 从而引起严重的谐波电流，其中三次谐波的含量最高。三次谐波还有可能引起谐振使谐波放 4 东南大学硕士学位论文 | ；于主从式双c p u 结构的电能质量盎叠，仪的习恻 大，使电压波形也发生严重畸变。 1 1 2 电能质量监测 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同的电能质量问题的监测方式和要求也不尽相 同。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j 。 ( 1 ) 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、危害较大或者容易引发事故的有关电能质 量标准，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的谐波电源、易受干扰的大型设备或 者线路的谐波电流、以及重要用户的电能质量指标。 ( 2 ) 定期或者不定期检测 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，选择采取定期或者 不定期检测方式。定期检测对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者干扰源的特性。 定期普查的检测点和检测指标由普查需要确定，但应该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，也可以采取不定期检测方式。 定期或者不定期检测一般采用专门的仪器、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 专门测量是指各种干扰负荷或者补偿设备，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， 则应该不投入运行或者用有源滤波器等装置进行控制。 就名词含义和意义而言，监测和检测是两个不同的概念。监测是一个连续时间的概念， 在监测时间段往往持续不断地执行某一个例行的任务；而检测则是一个时间点的概念，它大 多是为了完成某一具体的任务而执行一次操作，虽然有些检测也需要一段时间，但这只不过 是一个过程中的不同阶段而已。另外，监测往往是对全程的跟踪监视，在监测伊始，往往不 能具体预测监测结果：而检测则带有明确的目的，所有的操作都紧紧围绕着检测的目的而进 行着。 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，那么日益监测无疑从宏观上、一个时间段内说明了电 能质量的整体状况。 首先，电能质量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【1 2 1 【1 3 1 。 为了全面准确地反应地区电力系统的运行状况和电能质量水平，选择有代表性的监测点并对 其进行日常监测是最好的方法之一。通过这种手段，不但能够获取系统内一些重要节点和重 要出现的电能质量参数，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 5 东南大学硕士学位论文| i 于主从式双c p u 锺g 的电能质量监鼍，仅的研制 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畴内电能质量参数的基本统计数据。 其次，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 丁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，提出了具有针对性的治理方案。 第三，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。 第四，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。电力系统的运行时时存在着隐患，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，而且系统还有时时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，从而避免类似的再次发 生。 以上论述了电能质量监测的重要意义。虽然传统的供电方案中包含有对电能质量的监 测，如对p c c ( 公共连接点) 电压、频率等的监测。然而，传统的电能质量监测方法和手 段仍然无法满足供用电双方对电能质量更高的监测要求。这表现在以下2 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消息。 ( 2 ) 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， 精度往往不能达到要求。 随着供电紧张局面的逐步缓解，无论是发、供电还是普通的电力用户，对电能质量问题 逐步重视起来，这为进一步开展电能质量监测工作提供了良好的环境。另外，随着计算机技 术和芯片制造技术的进步，数字装置必备的芯片，如a d 、微处理器等，都有了很好的性价 比。鉴于此，研究电能质量监测装置的条件已经成熟了。 1 2 本论文的主要工作 本课题开发的电能质量监测仪，目前着眼于谐波等稳态的电能质量的监测，在此硬件平 台基础上，也预留了对其它电能质量参数进行监测的软件空间。目前，本课题研制的电能质 量监测仪主要技术指标如下： ( 1 ) 三相电压、电流有效值准确计算、液晶显示； ( 2 ) 三相电压、电流量实时f f t 分析，谐波t h d 含量计算、液晶显示： ( 3 ) 基波、谐波的有功功率、无功功率分别在频域内进行精确计算； ( 4 ) 三相有功电度精确累积、功率因数( 考虑谐波因素) 精确计算，液晶显示； ( 5 ) 应用地点：变电所、用户配电房。 6 东南大学硕士学位论文| ；于奎从茸。瓯c p u 结构的电能质量鱼鼍_ 仅的研制 论文中各个章节主要内容如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了课题的研究背景。 第二章主要内容为非正弦条件下电参量的测量方法及其分析。介绍了电力系统中电参数 检测的目的及其基本分类，对现有电力系统使用的各种参量的测量理论作了简要介绍。 第三章主要通过比较论证，确定了主从式双c p u 结构的设计框架。 第四章主要介绍了基于d s p 技术的从c p u 系统的硬件设计和软件设计。 第五章主要介绍了采用8 9 c 5 2 作为处理器的主c p u 系统的硬件设计和软件设计。 第六章为功能调试与实验结果。 第七章对整个设计进行了总结，提出了今后的工作展望。 7 东南大学硕士学位论文 | 跌，；生私式双c p u 结构的电能质量监曩_ 仪的句| 触 第二章稳态情况下电参量的测量理论 近年来，随着电力电子技术的迅速发展，越来越多的非线性电气设备接到电网中投入运 行，从而使得电网电压、电流波形不再是完全标准的正弦波，而是存在不同程度畸变的非正 弦波。其中稳态情况下的非正弦波是周期性电气量，根据傅氏级数分析，可分解成基波分量 和具有基波频率整数倍的谐波分量。当系统中谐波含量达到一定程度时，对电力系统及电力 用户将带来一定的影响和危害。其危害之一就是按反应工频正弦量来设计的常规仪器仪表在 测量电参量时会出现较大的误差。目前电参量的测量仪器和仪表从工作原理上分，有机电式、 电磁式、电子式、微机型( 或称数字式) 等多种。模拟表计目前虽然还在大量应用，但由于 其可读性差，误差大，功能单一，目前正逐步被数字式测量设备取代【1 4 卜【1 7 】。采用微处理器 的数字式测量设备具有测量精度高、操作简单、维护调试方便、智能化程度高、功能全面、 灵活性大、一机多用、性能价格比高等特点，受到广泛欢迎。电参量的微机测量是测量系统 硬件和软件共同配合完成的，其中软件是测量装置的“核心”。电参量的微机测量中，软件 的关键部分是测量算法。在谐波环境下，电参量从其定义到测量算法都与常规正弦波条件下 有所不同，实现高精度测量的难度亦有所增加。要合理准确测量电参量，首先，应弄清楚测 量的真正目的所在，即测量中是否需要包括谐波分量。如有些时候，我们只需要测量电压的 基波幅值，而另一些测量情况下，则可能需要的是电压包括谐波分量的电压有效值。这些都 需要选择一个合理的测量算法，下文将对常用电参量的微机测量方法进行研究，针对谐波对 电参量测量的影响，提出适应谐波环境的测量算法。 2 1 非正弦电压、电流的基本参量 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为 u ( t ) = 2 u s i n ( 烈+ 口) ( 2 一1 ) 式中，u 一一电压有效值 q 一一初相角 ( ) 一一角频率，( i ) = 2 氕f = 2 t f 一一频率 t 一一周期 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和 微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦 波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压 施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为t = 2 ( ) 的非正弦电压u ( 烈) ， 一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数： u ( 烈) = a 。+ c 。s i n ( 玎研+ 纯) ( 2 2 ) 在式( 2 2 ) 的傅里叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波，频率为大于l 整数倍基波 频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正 弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中u ( 烈) 转成i ( 烈) 即可。 2 1 1 电压电流的有效值 根据电工理论，电压有效值u ( 电流有效值i ) 的定义为： 8 东南大学硕士学位论文| i 于主从式双c p u 结构的电能质量监鼍i 仪的研倒 u =阿 m 盯 将连续时间信号u ( t ) 离散化，在每一周星期内取n 点采样，则： u = 露巧= 辱 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 同理可得电流的有效值测量公式。 计算有效值的另一种方法，是先求取电压( 或电流) 的基波及各次谐波的有效值，然后 计算它们的平方和的平方根。即按下式计算： u =( ，= ( 2 5 ) 式中u 。( i 。) 为电压( 电流) 的第n 次谐波有效值，m 为电压和电流中最高次谐波的次 数。m 取值越大，计算精度越高。但在一般情况下，电网中各次谐波含量是随次数的增高而 逐渐减小的，电网中1 9 次以上的谐波含量已很低( 特殊谐波源处的谐波除外) ，因此一般情 况下m 可取值为1 9 。当没有必要计算各次谐波分量时，应按式( 2 4 ) 计算电压( 电流) 的 有效值，因为其计算量比式( 2 5 ) 要小得多。各次谐波分量本身的计算量就不小，因此只 有在需计算基波及2 19 次谐波含量等电参数时才按( 2 5 ) 计算有效值。由于本文需要 计算电压电流的总畸变率，因而采用了基于f f t 的( 本文将在第四章中给予论述) 第二种 算法，下面将沿用该算法。 2 1 2 电压电流的n 次谐波含有率 n 次谐波电压含有率朋弛( h ”m o n i cr a t i ou n ) 表示。 删。= 鲁枷唧， c 2 刊 式中：u 。第n 次谐波电压有效值( 方均根值) u l 基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率励( h a r m o n i cr a t i oi n ) 表示。 删。= 每枷吣， 式中：，。第n 次谐波电流有效值( 方均根值) ，。基波电流有效值。 2 1 3 电压电流的谐波含量 电压谐波含量u n 和电流谐波含量i 。分别定义为： u = ( 2 7 ) ( 2 8 ) 9 东南大学硕士学位论文 i i 于主从葛0 致c p u 结构的电能质量监潮仪的研伽 ih = ( 2 9 ) 2 1 4 电压电流的谐波总畸变率 电压谐波总畸变率t h d 。( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变t h d ；分别定义 为 觋2 鲁1 0 0 ( ) ( 2 叫。) 册；= 卫1 0 0 ( ) ( 2 1 1 ) l 一 以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电气量中频率为 大于1 整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有人把谐波也称为高次 谐波。 谐波次数n 必须是大于l 的正整数。n 为非整数时的正弦波分量不能称为谐波。当n 为 非整数的正弦波分量出现时被分析的电气量已经不是周期为t 的电气量了。但在某些场合 下，供用电系统中的确存在一些频率不是整数倍基波频率的分数次波。在有些关于谐波的著 作中，把这些分数次波排除在论述范围之外。本文对此也不再论述。 2 2 非正弦条件下的功率测量理论 对于信号正弦条件下的功率测量，不存在任何争议，但非正弦条件下的功率定义现在还 未能统一，其定义多种多样。各种定义都力求使它便于测量、计算，又有实际的物理意义与 之对应。具体使用何种定义进行测量，至今尚未有满意的解答。 2 1 1 传统正弦条件下功率的基本定义及其特点 电力系统中，在系统电压和电流均为标准正弦波的情况下有功功率定义为： ( 2 1 2 ) 其中t 为测量时间或者观察时间，对周期信号而言，就是信号周期。 在理想的电力系统中，电压和电流完全为频率为5 0 h z 或6 0 h z 的正弦信号。然而由于 实际系统中系统元件和负荷的非理想特性，将导致电流和电压畸变，电流和电压将会变得不 再是正弦波，有谐波成分。在大多数情况下，电流和电压将仍保持为一个的频率为5 0 h z 或 6 0 h z 的周期信号。如果电压电流均为周期t 的周期信号，那么电压电流就可用傅里叶级数 来表示，由此功率就可表示为如下定义 肚弘忡札 ( 2 - 1 3 ) 式中n 为电压电流共有的同次谐波分量的阶数。为u 。和i 。之间的相位差。在电压 和电流均为正弦波的特殊情况下，有功功率就是众所周知的等式： p = c ，c o s 巾 ( 2 1 4 ) 以上定义是基于电磁功率和能量转换的物理现象。电能可被转化为热能或者机械能，并 且在热学或者机械学的范畴内进行测量。因此对式( 2 一1 2 ) 至式( 2 1 4 ) 不管是在是在正 弦周期信号，还是非正弦周期信号的情况下都是无可争议的，正确的。 另一方面，视在功率和无功功率，并不像有功功率那样是根据其固有的物理现象来定义 l o 东南大学硕士学位论文 | i 于主从式双c p u 结构的电能质量监摹i 仪的研制 的。它们的量只是在信号为正弦或者接近正弦时才具有一定的物理意义。对正弦电压和电流 来说，无功功率定义为： q = i m = 伊7 ( 2 1 5 ) 视在功率定义为： s = m = 扩可 ( 2 一1 6 ) 在信号为正弦的情况下，无功功率具有如下的特性： ( 1 ) 无功功率等于通过电力系统中某节点双向流动交换瞬时功率的幅值( 峰值) ( 2 ) 无功功率正比于储存于系统中感性元件的能量( 平均值) 和储存于容性元件中的能 量( 平均值) 的差值。 ( 3 ) 如果系统中无功功率为零，则系统功率因数为1 。 ( 4 ) 无功功率满足功率三角形定理，q 2 + p 2 = s 2 ( 5 ) 电力系统内，所有节点的无功功率和为零。 ( 6 ) 无功功率一定可以用u 、i 和s i n 表示 ( 7 ) 无功功率可以为正，也可以为负。( 其正负号表示了负荷是容性还是感性) ( 8 ) 通过在系统中接入容性或感性元件进行补偿，系统无功功率可减为零。 ( 9 ) 电力系统中电力传输线上的电压降落与无功功率的大小成比例。 所有以上特性都与信号的正弦特性密切相关，并且直接决定于电压和电流之间的相角 差。无功的所有以上特性，在信号为正弦波的情况下，对无功定义q = u i s i n 都有效。然 而在非正弦信号的情况下，大部分的无功定义并不总是满足以上特性中的3 ，4 和8 。 扩展无功功率理论存在着各种问题，因此，对于扩展无功功率的基本定义并没有一个明 显的准则可以遵循。从怎样定义无功功率的争论中可以明显的看出现在所提出的各种无功理 论都只是适用于其所针对的具体应用领域。在不久的将来，可能会找到统一的、大家都能接 受的实用的无功理论，但也可能只能针对不同的应用采用不同的无功定义。以下为对各种非 正弦条件下的功率定义及其特点的介绍。 2 1 2 非正弦条件下现有的各种功率定义 以下关于非正弦信号功率定义的综述包含了不同时期，世界各地的诸多作者论文中的论 述。因此公式中的数学符号可能会有所不同。本文除很少一部分基本保留作者原文中所用的 各种符号，其它部分公式中的数学符号都进行了统一。瞬时值和时间值都用小写字母表示， 有效值和平均值都用大写字母表示。矢量值和标量值不加以区分。 一i e e e 工作小组建议的功率定义 i e e e 关于“非正弦条件下功率定义和非正弦信号对测量的影响”工作小组现已提出了 一实用的功率定义【1 8 】【1 9 】。这个定义与其它功率定义的主要区别在于它将基波有功p l 和无功 功率q l 从视在功率单独分离出来。其首先将基波电压和基波电流分别从总的电压和电流有 效值中分离出来，分离结果如式( 3 2 7 ) 和式( 3 2 8 ) ： 旷2 = “2 + 嵋= 砰+ y 露 1 ( 2 1 7 ) ，2 = ，；+ ，：= ，? + y ，： 】 ( 2 1 8 ) 二者相乘，则视在功率表示为： s 2 = ( 阿) 2 = ( 圻，1 ) 2 + ( k 如) 2 + ( 2 + ( ) 2 r ，一10 、 这些分别称为基波视在功率、基波有功功率和基波无功功率。 个部分被称为非基波视在功率，定义为： s ：= ( k ，抑) 2 + ( ，1 ) 2 + ( ，坩) 2 = s 2 一墨2 在i e e e 功率定义中，无功功率的定义给出如下， ( 2 2 0 ) 式( 3 2 9 ) 中剩余的三 ( 2 2 1 ) 、j - e 丫 - 璺s，f 瞄 ，t + 9 soc 虬 ， = 讲 + b = s | l “ 中其 东南大学硕士学位论文| i 于主从式双c p u 结构的电能质量监曩i 仪的习嘲 k = 霭孓 进一步谐波视在功率被定义和分解为： 睇= ( ，) k 睇+ 孵 式中p h 代表总的谐波有功功率，n h 代表总的谐波无功功率。 二 c b u d e a n u 提出的功率定义 这个定义最初于1 9 2 7 年由b u d e a n u 提出【2 0 】。 在信号非正弦但有周期性的情况下有功功率定义为： ，= 只= 以j r c o s m 。 n 式中u 。和i 。是n 次电压和电流谐波的有效值，。是对应的相位差。 无功功率为： q = q n = 。，s i n 寸 然而这个等式并不遵循功率三角关系等式q 2 + p 2 = s 2 。 ，、z，、2 s 2 = 研e i 氓，。c o s mi + i u 。l s m m ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 由此相应的定义 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 为此，b u d e a n u 加入了一个称为畸变功率的分量d ： d 2 = s 2 - p 2 - q 2 ( 2 2 7 ) 这样就导出等式： s 2 = p 2 + q 2 + d 2 畸变功率d 中的主要成分是由不同次的电压和电流谐波交叉作用产生， 除的情况下( 即信号正弦) ，其值可减为零。 ( 2 2 8 ) 并且在谐波消 为与其它定义中的无功功率区分，此处定义的无功功率通常用符号q b 表示。相应的， 畸变功率有时候也可以写作d b 。 这个定义最主要的优点就在于它能很好的满足正弦条件下无功功率的特性，即电力系统 中某节点上的无功功率总和为零。但是在此定义下，当无功功率为零时，并不能确定系统功 率因数是否为零，通过加入感性或容性元件，并不一定能完全补偿掉无功。而且，在此定义 下，要想设计一个测量q b 的模拟表计是不可能的，因为这需要一个对所有频率的幅频响应 都一致( 相移9 0 度，幅值不变) 的滤波器来实现。 三 s f r y