（计算机应用技术专业论文）谐波电能计量方法的研究.pdf

摘要 摘要 随着电力电子技术的迅速发展，电子电力设备给供电网络带来的谐波污染 越来越严重。谐波不仅给供电网络和设备造成影响，同时谐波电能损耗日益增 加，严重降低了电能的使用效率。 目前使用的感应式电能表和电子式电能表的结构和计量方法决定了它们在 含有谐波的电力系统中使用会产生误差。因此，必须采用一种合理的方法能够 分辨公共联结点处的谐波源。并对谐波源产生的谐波电能分别计量，定量地确 定谐波源向供电网络输送的各次谐波电能，为治理谐波及对谐波源整治工作提 供可靠的依据。 在分析谐波对电能计量的影响、谐波电能计量的必要性的基础上，通过研 究谐波检测方法、谐波源分离方法以及谐波功率计算方法，本文提出能够分辨 谐波源的谐波电能计量方法，用于在供电系统的公共联结点处分别计量供电网 络和用户负荷各自产生的谐波电能。 通过多次仿真实验验证谐波计量算法具有可行性。以仿真实验结果为基础， 研究设计了谐波电能计量装置的总体方案，包括数据采集模块和数据处理模块 两大部分。数据采集模块以s o c 芯片p l 3 2 0 1 为核心处理器，完成硬件和软件设 计，并调试通过，可以为数据处理提供正确的数据。数据处理模块以a r m 处理 器为核心，初步设计硬件电路以及应用程序，经过进一步的完善工作可以投入 到实际应用中。 关键词：f f t 、谐波源分离、谐波电能计量 a b s t r a c t t h es t u d yo fm e t e r i n gh a r m o n i ce n e r g yi ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c s ，h a r m o n i c ，w h i c hi sp r o d u c e db yp o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t s p o l l u t e st h ep o w e rs y s t e mf f l o r ea n dm o r es e r i o u s l y n o to n l y1 i z m i l i ci n f l u e n c e s t h ep o w e rs y s t e ma n de q u i p m e n t s ，b u ta l s ot h ep o w e r 蝴w a s t i n gm a d eb yh a i r m o n i ci s i n c r e a s i n g 黜r e d u c e st h ee f f i c i e n c yo f p o w e r n e l l y t h es t r u c t u r ea n dm e a s u r em e t h o do f t h ec u r r e n tm e a s u r te q u i p m e n t sd e c i d et h a tt h e r ei s e r r o ri ft h e ymu s e di np o w e rs y s t e mc o n t a i n i n gh a r m o n i c s o , t h e r em u s tb ear e a s o n a b l e m e t h o dt os e p a r a t et h eh a r m o n i cs o u r c ea tt h ep o 缸o fc , o i i i e t o i l c o u p l i n ga n dm e a s u r e d i n d e p e n d e n t l y i nt h i sw a y , w ec a na c c u r a t e l yn l e a s u l _ et h ep o w e ro fb e t hb a s i cw a v ea n d d i f f e r e n t m n l o i l i cs o u r c 黜p r o v i d e st h ef o u n d a t i o no fs o l v i n gt h eh a r m o n i cp r o b l e ma n d p u n i s h i n gt h el m o u l cs o u r c ew h i c hi ss u r p a s st h es t a n d a r d b a s e do na l l a l y z m gt h ei n f l u e n c eo fh a r m o n i c0 1 1m e a s 蝴tt h ep o w e re n e r g ya n dt h e n e c e s s a l y 幻m s l t h eh a r m o l 缸c a n ds m d n gt h eh a r m o n i cd e t e c 血gm e t h o db a s e do nf f r a n dh a l i i l o l l i cs o u r e es e p a r a t i o nm e t h o da n dh a r m o n i cp o w e rc a l c u l a t i o i lm e t h o d , am e t e r i n g h a m k ，n i ce n e r g ym e t h o di sp r e s e n t e d 撇m e t h o dc a nb eu s e di nm e a s 面n gt h eh a r l n 砌c p o w e r w h i c hi sm a d eb yp o w e rs y s t e ma n dc l l s t o ma tt h ep o i n to f c o m m o nc o u p l i n g i th a sb e e np r o v e db ys i m u l a t e de x p e r i m e n tt h a tt h em e t e r i n gh a r m o n i ce n e r g ym e t h o di s f e a s i b l e t h es c h e m eo f t h ew h o l ee q u i p m e n ti sd e s i g n e d i t sd i v i d e di n t ot w om o d u l e s o n ei s d a mc o l l e c t i o nm o d u l e ，t h eo t h e ri sd a m 讲嗍m o d u l e s o cc h i pp l 3 2 0 li 5t h ec o r eo fd a t a c o l l e c t i o nm o d u l e t h ch a r d w a r ea n ds o f t w a r ei si m p l e m e n t e da n dd e b u g g e ds u c c e s s f i d l y d a t a c o l l e c t i o nc i r c u i tc o c h i pi sa r ma n dt h eh a r d w a r ea n ds o f v a r ea l ef l a m e dp r i m a r i l y t h r o u g h t h ef a r t h e rw o r k , t h eh a r m o n i ce n e r g ym e t h o da n de q u i p i n e n tc a l lb ea p p l i e di np o w e r s 笋；t e m k e y w o r d s ：f f l ：h a f l p , o m cs o u r p a ：s e p a r a t i o n , m e t e r i n gh a r m o n i ce n e r g y 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。学校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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：盗牵l 一指导教师签名：、型e 兰鱼 叫年月j 日 月f日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北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 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 长 堋年6 月f 日 第一章绪论 1 1 谐波产生的根源 第一章绪论 理想的电力系统在工频( 我国标准为5 0 i - i z ) 下，电压、电流的波形是正弦波， 但是，在实际的电力系统中，波形总在不同程度上产生畸变，形成非正弦波形， 即出现谐波。国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量， 其频率为基波频率的整数倍。”1 1 1 电力系统谐波产生的根本原因是电力系统中存在非线性负荷。当供电电压 施加于非线性负荷时，非线性负荷的伏安特性决定了负荷吸收的电流与施加的 电压不成正比例，因而产生了电流畸变；畸变的电流在供电回路中产生电压畸 变，从而导致供电网络中的电压和电流都产生畸变。 p c c ( p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ，公共连接点) 【2 】处的谐波来源主要有以下 两个部分【3 】【4 】： 供电网络产生的谐波：主要来源是供电网络中其它支路负荷含有的非线 性设备。另外变压器在过负荷时，磁通量也随之饱和产生非线性阻抗，导致电 压和电流谐波。三相发电机产生的电压波形或多或少与正弦波有些差别，含有 一定的谐波分量。高压输电线的电晕也会产生高次谐波。 电力系统用户负荷产生的谐波。用户负荷中含有的非线性设备是电力系 统的主要谐波源。交直流换流设备、直流拖动设备、变频器、电镀和电解等设 备都含有半导体整流、滤波元件，由于其工作时按一定的规律开关不同的电路， 使正弦电流波形发生畸变，进而引起电压谐波，将谐波注入供电网络。含有电 弧负荷的设备如电焊机、电弧炉以及其它非线性铁磁设备是另一大类谐波源。 此外，还有许多谐波源，如电视机、荧光灯、个人计算机等，它们都有一个整 流器和开关稳压电源，虽然单台功率很小，但其庞大的数量带来的谐波污染是 十分严重的。近年来，为了减少单位设备容量成本，使设备尽量在接近饱和状 态下运行的同时，却加大了变压器所产生的谐波，为电网谐波治理加大了难度。 第一章绪论 综上所述，供电网络在p c c 处供给用户的电源电压可能存在谐波，从而向 用户输入电流谐波。用户的非线性设备在p c c 处吸收电源基波电流，转化为谐 波电流后又以谐波电压的形式输出到供电网络。 1 2 谐波引起的电能损耗 谐波干扰电力系统的波形畸变，影响供用电设备的正常运行，增加供用电 设备的损耗，降低电能使用效率。谐波引起的电能损耗包括以下几方面： 电力电缆 电力电缆主要由铜导线或铝导线组成，这是电能传输的主要载体或通道，一 般称其为载流体。当交变电流通过导体时，导体的电流密度不会平均分布于整个 导体内部，而是在表面附近有较大的电流密度，即电流集中在导体表面流过，这 种现象叫做集肤效应。交变电流的频率越高，集肤效应越强烈。由于铜导线或铝 导线都存在电阻，谐波电流在其中流动就会产生有功损耗。这种有功损耗的大小 为：p 爿钮，其中尺= p l a ( p 为电阻率，i 为载流体长度，a 为载流体的横截面面 积) r p 是载流体的电阻。由于谐波频率高出基波频率的若干倍，其引起集肤效应 的程度就越严重。这样，对于同样的一根电缆，谐波电流流过时，实际的横截面 积比基波电流流过时小很多。因此谐波电流造成的线路额外损耗与谐波电流分量 的平方成正比，随着谐波次数的增加而增加。根据实际测量的结果可知，很多非 线性设备的谐波电流总含量高达电流有效值的7 0 以上，其所造成的线路总损耗 会是多大就可想而知。 、 变压器 变压器的原绕组和副绕组由铜导线绕制而成，这些铜导线存在着电阻，当有 电流流过时电阻会消耗一定的功率变成热量损耗，这种损耗称为“铜损”嘲“铜 损”的大小：p 可钮，与上述电力电缆的情况相似。因此，当含有谐波的非正 弦波电流通过时，变压器的“铜损”显著增大。 当变压器的原绕组中有交变电流通过时，会在铁芯中产生交变的磁通量，铁 芯中由于电磁感应而产生涡流，使铁芯大量发热而导致能量损耗，这种损耗叫做 涡流损槲5 1 。在铁芯中的磁场不断地交替变化，铁芯也就不断地交替磁化，由于 2 第一章绪论 铁芯的磁滞效应，每变化一周，电源就得额外地做多余的功，所传递的能量以热 量的形式散耗，这部分因磁滞现象而消耗的能量，叫做磁滞损耗同。涡流损耗和 磁滞损耗统称为铁损。一般来说，变压器的铁损与交变磁场频率的1 2 1 4 次方成 正比，与交变磁场磁密度的平方成正比( 这里的频率为产生交变磁场的电流频率， 磁密度则和产生交变磁场的电流大小成正比) 这样，当变压器中有谐波电流通过时，由于谐波的频率高达基波频率的若干 倍，导致变压器的铜损和铁损都将呈指数曲线大大增加，导致变压器的效率急剧 下降，严重时甚至引发变压器烧毁。 发电机与电动机 电动机与发电机同样存在以上所述的铜损和铁损增加的情况。 另外电动机和发电机还存在一种严重问题，在3 的整数倍次谐波( 即3 次、 6 次、9 次谐波) 施加其上时，发电机和电动机所产生的力矩与5 0 h z 正弦 波产生的力矩相反。也就是说，这部分电能不仅引起铜损和铁损的增加，它们 本身就是一种有害的能量，一种额外的电能损耗。如果这部分谐波含量大到一 定程度，使电动机的正向力矩与逆向力矩相等时，电动机甚至发生堵转而被破 坏。 其它设备 其它工业设备如电焊、电镀、电解包括其它如移动通信直流供电电源等， 家用洗衣机、电视机、冰箱、空调和照明灯等，一方面它们是谐波制造者，另 一方面由于本身既含有导线，也含有专用供电变压器，有的还含有电动机，所 以也是谐波受害者，也会因谐波造成额外的巨额电能损耗。 发电机、变压器、电力电缆、电动机和其它用电耗能设备等组成了整个电 力系统，这些设备分散配备在供电网络和用户中。对某一用户来说，其它用户 都属于供电网络，而对其它某一用户来说，这一用户又属于供电网络。因此， 谐波造成的能源损耗绝不仅限于供电电网，而是覆盖了整个电力系统，包括供 电网络和用户的用电设备。 谐波电能损耗日益增加，严重降低了电能的使用效率我国颁布的电能 质量公用电网谐波的国家标准，对各级公用电网的谐波电压和用户注入电网 第一章绪论 的谐波电流均做出明确的规定。电力工业部颁发的电网电能质量技术监督管 理的规定中第五条指出：“因电网或用户用电原因引起的电能质量不符合国家 标准时，按谁干扰，谁污染，谁治理的原则及时处理，并贯穿于电网及用 电设旌设计、建设和生产的全过程。”嘲因此，减小谐波电能损耗来提高电能使 用效率是这类企业节能降耗的主要途径。而作为国家来说，则是通过科学的检 测手段分辨出各个企业( 包括供电企业和用电企业) 的谐波源，分清是“谁污 染”，然后才能由“谁治理” 1 3 电能计量的发展历程和谐波电能计量的研究现状 1 3 1 电能计量的发展历程 电能表作为测量电能的专用仪表，已经有1 0 0 多年的历史。电能表在电能 管理用仪表中占很大比例，它的性能直接影响着电能管理的效率和科学水平。 1 0 0 多年来，随着电力系统及相关技术的发展和电能管理系统的不断完善，电 能表的性能和结构发生了很大的变化。经历了感应式电能表、机电脉冲式电能 表、电子式电能表和智能型电能表等。 世界上最早出现的电能表是爱迪生1 8 8 0 年利用电解原理制成的直流电能 表。交流电的出现，对电能计量仪表功能提出了新的要求。1 8 8 8 年，意大利的 费拉里斯将旋转磁场理论用于交流电能的测量。1 8 8 9 年，德国人布勒泰制作出 无单独电流铁心的感应式电能表。1 8 9 0 年，带电流铁心的感应式电能表出现。 1 9 世纪末，才出现利用永久磁铁产生的制动力矩的电能表。至今，感应式电能 表在很多国家还广泛使用。1 7 一9 1 随着电力系统的发展，对电能计量适用范围和测量精度的不断扩大，电子 式电能表应运而生。2 0 世纪中叶，人们开始不断尝试研制新型电能表机电 脉冲式电能表。这种电能表由光电传感器完成电能到脉冲的转换，通过对脉冲 信号的计数处理，实现电能测量。近二十年来，大量新型电子元器件的出现， 为全电子式电能表的更新换代奠定了基础。早在1 9 7 6 年日本研制出了电子式电 能表。8 0 年代后期，电子式电能表得到了快速发展，相继出现了多种寿命长、 第一章绪论 可靠性高、适合现场使用的电子式电能表，其测量的电压、电流范围很大，并 且其量程可以自动切换，测量精度也越来越高。电子式电能表在实施复杂的多 费率、最大需量和电能数据传输及交换等方面具有明显的优越性，实现了测量 有功电能、无功电能、视在功率、功率因数、缺相指示等几十个特征参数的多 功能化【l o 1 1 1 2 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，i c 卡技术的发展，使智能型i c 卡预付费电能表应 运而生这种电能表体现了先购电再用电的管理思想。当今，电子式电能表已 经发展到与电能管理的智能化计量管理密不可分的水平，它与电能表收费软件、 i c 卡收费管理软件、i c 卡发卡机构以及自动查询子系统等共同组成了智能型分 时电能计量管理系统【1 3 】。 近年来，欧洲、美国和日本等发达国家，开始了远距离电能表数据采集的 研究，远程抄表技术有很大的发展。我国在上世纪末也开始研制电力线载波集 中抄表系统，更有载波式预付费电能表技术也相继出现，有的进入实用化阶段 【1 4 悯 1 3 2 电能计量标准 针对电力系统谐波产生的特点不同以及对电能计量的影响形式不用，目 前，谐波作用下的电能计量有三种思路【16 】： a 电能表应准确反映实际功率，即基波、谐波的综合功率，称为全能标准， 是目前国内电能计量的标准【1 7 】； b 电能表只反映基波功率、不计谐波功率，称为基波电能标准； c 电能表分别计量基波功率和谐波功率，称为谐波电能标准； 当波形畸变不严重时，以全能量为标准或以基波电能为标准的电能表的计 量误差都很小，对系统来说是允许的。当波形畸变很严重且用电量很大时，计 量误差给电力部门或电力用户带来的经济损失是不容忽视的。在非线性系统中， 线性负荷所消耗的总功率为基波功率与谐波功率之和，其吸收的能量大于基波 能量，而感应式电能表读数就会小于总能量而大于基波能量；非线性负荷所消 耗的总功率为其吸收的基波功率与其向电网发出的谐波功率之差，其吸收的能 第一章绪论 量小于进入非线性负载的基波能量，电能表的读数会小于基波能量而大于它吸 收的总能量。因此，在非线性系统中基波标准和全能标准都是极不合理的。 目前，迫切需要制定出一种新的标准，在保证经济性的前提下，能够分别 计量基波电能和谐波电能，还可以既能计量谐波源向供电网络输送的谐波电能， 也能计量供电网络向用户输送的谐波电能。这样，就可以得到供电部门和用户 都满意的计量结果，方便用户采取措施降低谐波影响，而供电部门可以依据计 量结果对谐波源进行处罚。谐波基波分别计量的收费标准和考核办法目前还未 形成，行政管理部门应该对此予以重视。 ) i e e e 建议的电能计量标准 在谐波电流畸变率超过i e e e5 1 9 1 9 9 2 标准地区，由于计费仪表使用的定 义不一样，造成按需量和功率因数收取的电费有很大差别。为了鼓励用户遵守 i e e e5 1 9 1 9 9 2 标准的电压和电流畸变率限值，i e e e 非正弦工作组对畸变电压 和电流下的电能质量进行了一系列的定义。这些定义把功率的主要部分基 波分量和污染非基波分量以及它们的交叉成分分离开来，这就提供了畸变 波形下对传统收费量有功、无功和视在功率的简便测量方法，并且为评估 电网中的谐波污染水平创造了条件【i 川。 1 3 3 谐波电能计量的研究现状 在国际上，早在2 0 世纪初就有大量研究谐波的文章发表，进入9 0 年代以 来，电能质量的测量和电能质量的改善等问题受到越来越多的关注，国际电工 委员会干扰和过电压分组一直把它推荐为主要的研究课题。 在我国，虽然基波电能计量技术有了快速的发展，但对谐波电能计量的起 步较晚，发展也比较慢。直到9 0 年代，电网电能质量问题进一步受到人们的关 注，谐波电能计量技术才有所发展。1 9 9 6 年，湖北电力试验研究所研制出了能 测量基波电能的f e e 3 型电能表 2 0 1 。这种表的主要功能特点在于：能有效地将 畸变信号中的谐波电能部分去掉，只计量信号中的基波电能。1 9 9 7 年，清华大 学电机系研制的基于微机技术的基波和谐波电能同时计量的电能表，这种表的 优势就是能同时计量基波电能和各次谐波的总电能【2 l 】。2 0 0 3 年底，安徽振兴科 6 第一章绪论 技发展有限公司研制出p s 3 h ，一种新型的手持式电力谐波分析仪表，该表集 谐波分析仪、示波器和万用表的功能于一体，可以测量电网频率、电压( 电流) 基波及谐波( 2 - - 5 0 次) 幅值、相位、畸变率、有功功率、无功功率、功率因数 等参数【2 2 1 。 现在已经有很多文章探讨谐波电能计量的问题，文献【2 1 】研究出以单片机 为核心，采用准同步算法的权系数表对l o 个周期内的数据进行累加计算，显示 的谐波电能为负值时，说明用户就是谐波源，绝对值就是谐波源向供电网络输 送的谐波能量。文献 1 6 】是一种基于d s p 的谐波电能计量装置，采用h 呵变换 检测出谐波，通过功率算法，计算出基波和各次谐波电能。文献 2 3 】设计一种 虚拟仪器与数据采集板相结合的电能计量系统，分别计量基波功率、谐波功率 和潮流方向。但是，这些方法都没有对供电网络向用户馈送的谐波电能进行计 量，没有将谐波电能是供电网络还是用户引起给以分离并分别计量。 1 4 谐波对电能计量的影响 现行电能计量仪表按其原理不同，主要分为感应式电能表和全电子式电能 表，谐波不仅影响计量装置的精度，它的流动方向对计量产生更大影响例【2 5 1 。 1 4 1 谐波对感应式电能表的影响 感应式电能表是在工频范围内设计的，由于其固有的工作原理，导致计量线 性负荷时，电能量值大于基波电能，是基波电能和谐波电能之和：而计量非线性 负荷时的电能量值小于基波电能，是基波电能和谐波电能之差。 谐波不仅对电力系统和线性负荷有害，而且这样的计量结果还会使线性负荷 用户因吸收了谐波电能而多交电费，遭受经济损失；非线性用户作为谐波源，发 出谐波功率，对电力系统造成危害，还少交了电费。因此使用感应式电能表计量 用户电能时，谐波源用户虽然污染了供电网络，引起供电企业线损增加，反而可 以少交电费；而线性用户因为供电网络送来谐波的原因引起电能消耗增加，电力 设备性能受到损害，不但得不到补偿，却还要多交电费，这是极不合理的。 7 第一章绪论 对于电力部门来讲，受谐波的影响主要表现在电力系统因吸收了非线性用户 发出的谐波电能，将其转化为线路的损耗。这样既少收了非线性用户的电费，又 增大了线路损耗，造成巨大的经济损失【2 6 】。 根据兰州供电局和中国电力科学研究院2 0 0 2 年共同完成的“兰州电网谐波对 电能计量影响”科技成果来看，他们得出结论指出“目前使用的感应式电能表少 计量电能约在0 3 1 0 左右，按平均估计值0 5 计算，初步估算全国每年将 少计量电量1 2 5t w h ，相当于人民币3 7 5 亿元”。网 1 4 2 谐波对全电子式电能表的影响 全电子式电能表有两种构成模式：一种是热电乘法器构成的电子式电能表， 另一种是时分割乘法器构成的电子式电能表。热电乘法器构成的电子式电能表， 理论频响特性非常优良；采用时分割乘法器构成的电子式电能表，是按时间分 割间隔，分别对一个方波系列的宽度和幅度进行调制，一一按瞬时值相乘，因 而具有较高精度，但理论上频带宽窄受时间分割频率的影响，有一定差异，目 前绝大部分在l k h z 以内的频响特性都很好【2 5 】 当供电网络中的电压和电流信号只有一个信号发生畸变，而另一个信号仍为 正弦波时，根据正弦函数的正交性可得，电子式电能表在这种情况下，其误差变 化很小，可认为近似不变。 当电网电压和电流都发生畸变时，由于电子式电能表频带较宽，仍可以准确 的计量谐波电能，也就是说，电子式电能表对谐波电能的响应是和对基波电能的 响应是相同的。电子式电能表把基波电能和所有的谐波电能一同计量，因此在谐 波存在下，这种计量误差结果仍然存在极大的不合理性。对于非线性用户来说， 虽然没有减去向供电网络馈送的谐波电能，但也没有受到任何本应受到的处罚； 对于线性用户来说，在继续遭受供电网络送来的谐波危害的同时，还要继续为这 一危害所消耗的电能买单。 目前研制出的各种谐波电能测量仪表只能测量其发送方向或者所有各次谐 波电能的总值，不能在p c c 处分辨出谐波源是供电网络还是用户，同时也不能 计量谐波源向供电网络还是供电网络向用户输送的谐波电能。 8 第一章绪论 因此，目前迫切需要在保证经济性的前提下，能够分别计量基波电能和谐 波电能的新型电能表。不仅如此，新型电能表还可以确定谁是谐波源，既能计 量谐波源向供电网络输送的谐波电能，也能同时计量供电网络向用户输送的谐 波电能。从而为制定相应措施治理谐波和对谐波源进行处罚提供可靠依据。本 课题围绕此社会需求展开研究，探讨既能够分辨谐波源，又能对谐波电能分别 计量的方法。 1 5 论文主要工作 本论文在总结各种电能计量方法的基础上，根据目前电力系统的谐波状况， 依据有关标准，提出一种谐波电能的计量方法。这种方法能够实时分别计量用 户从供电网络吸收的基波电能、用户向供电网络馈送的谐波电能、供电网络向 用户馈送的谐波电能。论文对此方法进行了实验室仿真，并设计出使用该方法 的谐波电能表方案。 论文的主要的工作分以下几个方面： 分析电力系统谐波的产生机理和危害 在电力系统中，供电网络的发电机、变压器的超负荷运行、高压输电线的 电晕会产生高次谐波。这些谐波使电网中含有谐波电压，形成电网谐波提供给 用户负荷。同时，用户负荷存在各种大容量换流设备，以及其它电力电子设备 等非线性负荷。这些非线性电力设备从电力系统中吸收基波电流把一部分转化 为谐波电流分量，这些谐波电流注入电网，也形成了供电网络谐波。 电网谐波对电力系统的危害日益严重。使电力设备降低绝缘性能、产生附 加损耗和减少出力；使配电变压器和电动机等设备产生额外电能损耗；使电子 设备工作失误，性能劣化；使电能计量不准确，引起电能管理的混乱。 谐波电能计量方法的研究 本论文利用快速傅立叶变换的快速计算能力，作为谐波分析方法。将从供 电网络中采集到的信号数值转换成各次谐波分量，进行计算和分析。 在线寻零迭代法是一种实现p c c 处谐波源分离的新方法，弥补了目前已有 的各种谐波源分离方法的不足，实现实时在线的谐波源分离f 2 8 1 。本论文利用该 9 第一章绪论 方法进行谐波源分离。 根据谐波功率算法计算出供电网络和用户各自产生的谐波功率并计算出电 能。 实验仿真谐波计量算法。 对谐波电能计量算法进行仿真实验，证明该算法具有可行性，仿真软件采 用m a t h w o r k 公司推出的m a t l a b 6 5 。 谐波电能计量装置设计 谐波电能计量装置包括数据采集板和数据处理模块两部分，数据采集板完 成数据采集及数据预处理，数据处理模块完成快速傅立叶变换、谐波源分离以 及谐波电能计量。 数据采集模块分为硬件设计和软件设计，硬件电路核心处理器使用s o c 芯 片p l 3 2 0 1 ，它是电能计量专用芯片，简化硬件电路。软件程序应用汇编语言， 严格控制采样周期。 数据处理模块以a r m 处理器为核心处理器，处理速度快，可以移植操作 系统，开发成手持式数据处理装置后，可以根据现场的测试需要而随时修改程 序。在软件设计时，应用m a t l a b 编程语言在p c 机进行数据运算处理。由于 m a t l a b 语言与c 语言类似，可以根据调试好的m a t l a b 程序开发c 语言程序， 移植到a r m 处理器中。 完成谐波数据采集板原理图和p c b 图的设计、电路的焊接及调试。初步 研究a r m 处理器的结构，设计a r m 处理器与显示模块、存储模块以及u a r t 通信模块的接口电路。 l o 第二章谐波电能计量方法 第二章谐波电能计量方法 傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，离散傅立叶变换 ( o f t ) 是连续傅立叶在离散系统中的表现形式。快速傅立叶变换阿) 是快速计 算d f t 的一种高效方法，f f t 的出现使d f t 的运算大大简化，运算时间缩短 一至二个数量级之多，在实际中得到了广泛应用。本论文利用f i 叩的快速计算 能力，作为谐波的分析方法。将供电网络中采集到的信号数值转换成基波和各 次谐波分量，进行计算和分析。 在线寻零迭代法是一种新的谐波源分离方法，可以解决目前已有的各种谐 波源分离方法的不足，实现实时在线的谐波源分离2 8 l 。本论文利用该方法进行 谐波源分离。 根据谐波功率算法计量供电网络和用户各自产生的谐波电能。 2 1 基于傅立叶变换的谐波检测方法 ( s i g n a l sa n ds y s t e m s ) 一书中对傅立叶变换的定义如下：设f ( t ) 是全实 轴上以t 为周期的周期函数，即f ( t ) _ - - f ( t 玎) ，而且是平方可积的，即： e lf ( t ) 2 d t l 时，n * 1 ) 。n 2 。由此可见，n 点d f t 的乘法和加法运算次数均与n 2 成正比，当n 较大 时运算量很大，例如n = 1 2 8 时，n 2 = 1 6 3 8 4 。这对实时信号处理来说，必将对处 理器的计算速度提出难以实现的要求。所以，必须减小其运算量，才能使d f t 在各种科学和工程计算中得到应用。 快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 是在离散傅立叶变换的基础上经 过合理安排后的一种高效运算方法，其原理如下： 将长序列的d f t 分解成几个短序列的d f t ，从而大大减小乘法次数。 利用啼的周期性和对称性来减小运算次数。其周期性表现为： 咐一：吩，对称性表现为：m ：耐一，西+ i ：卅。 f f t 算法分为两大类：时域抽取法f f t ( d e c h n a t i o ni nt h n ef f t ) 和频域抽 取法f f t ( d e c i m a t i o ni nf r e q u e n c yf f t ) 2 9 1 。前者的每一步分解都是按输入序列 在时间上的次序是偶数还是奇数分解为越来越短的子序列；后者则是从输出序 列出发，把输出序列在时间上的次序是偶数还是奇数分解为越来越短的子序列。 两者的最终目的都是使用迭代计算来简化运算，减少运算量。 f f t 计算程序一般包括采样序列的二进制编码序号倒序排列和蝶形递推运 算两个部分。通过这两种方法，大量减少复数乘法运算，由d f t 的n 2 次减少 为r a n 2 次。对于n = 1 2 8 ，f f t 仅需运算7 x1 2 8 2 = 4 4 8 次，从而使谐波测量的 速度大大提高。 在用f f t 对信号进行谐波分析时需要对连续信号采样和截断，从而造成以 下两个方面的误差1 4 】： 频谱混叠。在对连续信号进行谱分析时首先要对其采样，变换成时域离 1 2 第二章谐波电能计量方法 散信号后才能用f f t 进行谱分析。根据采样定理，采样频率必须满足z 2 l ( 原 信号的最高次谐波频率) 才能得到各次谐波对应的全部频谱。当兀 一2 2 6 ) 式通过计算求得。算法如下； ( 1 ) 实时检测却l 。o 的条件是否成立。如果成立，测得并存贮【；如果 不成立，说明用户负荷刚刚接入电网。在此时刻可以认为豳f 尚未发生改变， 于是可根据测量的如矽l 和i c p p l 计算得到： 将它实部记为r c l ， 对于i 次谐波而言， z n = 仅辫f 嘞 虚部记为j ，c ( 嘞) ，1 0 0 表示基频( - i - 频) ： z c l = r c l + j x c ( 嘞) 负荷阻抗可表示为： ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) z c i = r c a + 弘c 【l 鳓) ，i = 2 ，以【2 2 刃 由于这时认为驴一f = 盯：；，故可计算供电网络侧阻抗为： 厕：望亭墼( 2 2 。0 ) l c p p t 该计算过程为寻零更新过程。 ( 2 ) 常规更新与输出结果。 当完成上述寻零更新之后，供电网络的背景谐波和负荷可能随时变化，只 要继续监测 c p p i ，o c p p i ( i = i ，”) ，并按( 2 2 7 卜( 2 2 8 ) 式更新z c i ( f = i ，万) ，然后以( c p p i ， c p p i ，z c i 和及为已知数据，求解联立方程 ( 2 2 1 ) - - ( 2 2 6 ) ，并以o s p i ，j i 叫，【砀f 和而f 作为谐波分离的结果输出。重复这一 1 6 第二章谐波电能计量方法 过程直到再次出现局甲l 一0 为止。 2 3 谐波功率的计算方法 若周期函数变化的频率为f = i t ，角频率为0 3 w 2 = 2 x t 将时问轴 用角度0 = c o t 表示，周期函数可表示成为 ，( 科) = ，( 耐+ 露b ) 他= o ，1 ，2 ，3 ，) ( 2 3 1 ) 式中毋周期函数以角度表示的周期，单位为t a d 。 用傅立叶级数的方法可把上列周期函数分解为基波和无数高次谐波之和的 三角级数，一般式为 f ( t ) = a o + 4s i n ( c o t + 吼) + 4s i n ( 2 c o t + 妒2 ) 4 - 4 - 4s i n ( h i n t + 妒 ) + = a o + 4s 觚 耐+ 纯) = 口o + ( c o s 耐+ 6 s i i l j j l 吐功 ( 2 3 2 ) 1 1k = l 式中 口o 直流分量；4 和电次谐波的幅值和初相角； 吼和阮h 次谐波的余弦项系数和正弦相系数。 相互关系为嘞= 4s i n q , h ，瓯= 4 c o s 纯，4 = 彳+ 睇，纸= a r c t g a 6 。 由文献 3 s ，3 6 ，3 7 可知，在电力系统中，含有谐波的畸变电压、电流波 形，根据式( 2 3 2 ) ，可写成如下的表达形式： 含有谐波电流分量的电流表达式： i ( t ) f f i o = s 衄开硝+ 纯) ( 2 3 3 ) _ 1 1h 含有谐波电流分量的电压表达式： “( f ) = i l a t = u s i n ( n c a + 纯) ( 2 3 4 ) 任意波形的周期性交流电路决定于一周期内的平均功率： p = r u , i , d t ( 2 3 5 ) 把式( 2 3 3 ) 和式( 2 3 4 ) 代入就可得到： 1 7 第二章谐波电能计量方法 p = ；r 喜酬n 耐+ 识r 。i s i n ( n 埘+ 纯妙 = 三t 妻n ir 乙出= 昂+ 砉只 式( 2 3 6 ) 就是含有谐波电流的功率表达式 式中昂直流功率分量 ( 2 3 6 ) 只n 次谐波功率分量 从式( 2 3 6 ) 看出，只有同次谐波的电压与电流分量之间才能产生有功功率 【蛳3 7 1 ，因此只要测出各次谐波电压和电流的值，就能计算出含有谐波分量的有 功功率。 2 4 谐波电能计量算法 为了区分谐波和暂态现象，根据傅立叶级数的基本理论，被变换的波形必 须是周期性的和不变的。但是由于电力系统负荷是变动的，负荷的变动会影响 系统中的谐波含量。在实际的分析中只要被分析的现象或情况持续适当的时间 或周期，就可应用傅立叶级数变换。目前在计算电压畸变频率时，采用谐波电 压( 或电流) 的平均有效值或平均总畸变率，其时间区段a t 取3 s ，即取3 s 中的 测量或计算的平均有效值或平均值【1 6 1 。 根据2 1 ，2 2 和2 3 节的算法，本论文提出谐波电能计量方法，算法如下： 在p c c 处检测得到两组非正弦周期信号，利用f i 呵变换得到 i ) c p p i ，局叫( f = 驴一，厅) 。 判断 。c p p l 。o 是否成立，如果成立，此时o c t , p i 为背景谐波驴j f ( f = 2 ，n ) ，此时供电网络产生的谐波电能为0 ，或者保持上一次电能计量结 果，转到，直到切1 0 不成立；如果不成立，则用户负荷刚刚接入电网，在 这个短暂的时刻可以认为背景谐波驴s f 尚未发生变化，可以得到供电网络侧阻 抗： z s i ：u s l i - u _ c p p i( f ：2 ，弹) 第二章谐波电能计量方法 根据z c i = r c a + y x c ( i w o ) ，i = 2 ，一，：- o o 表示基频( 工频5 0 h z ) ，求出用 户阻抗。 按照式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 计算供电网络侧在公共连接点处产生的i 次谐波电 流和谐波电压为：劫f = = 忑u s i z s z，嘞f = 毒z s 凳i 笃z c 毛i ，( f = ：，一)+ 绷+ 根据脚f = 4 【砀杉- ) + 4 劫f l _ ) ( f = 2 ，一) ，得到供电网络侧在公共 连接点处产生的各次谐波的功率。 按照式( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 计算用户在公共连接点处产生的i 次谐波电流和电 压为： 矽f = 西| p f i c p p i ，u c p i = u c p p i u s p i ，( f = 2 ，n ) 根据却f = c 砀4 - ) 4 劫f f - ) ( f = 2 ，一) ，得到用户在公共连接点 处产生的各次谐波的功率。 继续检测公共连接点处的谐波电流，若基波电流和谐波电流保持不变， 说明供电网络和用户负荷没有发生改变，此时谐波源分离的结果和上一次分析 的结果相同。按照和计算功率，并累加电能，然后继续在此监测；否则执 行。 若基波电流和谐波电流都改变，说明用户负荷发生改变，而供电网络侧 负荷没有发生改变。这时背景谐波保持不变，跳转到执行，重新计算用户负 荷；否则执行。 若基波电流保持不变，而谐波电流改变，说明供电网络侧发生变化，利 用c 砀f = z c i * i c p p i + d l c p p i ( i = 2 ，玎) 计算得到背景谐波，然后跳转到；否则 即为电流为零时刻，执行。 通过上述过程，可以分离供电网络和用户各自产生的谐波，同时分别计量 各自产生的电能，以便对谐波释放量超标者进行正确处罚，从而弥补了目前电 子式和感应式电能表计量方法的缺陷，也是对目前已有的谐波电能表计量方 法的改进。算法流程图如图2 4 所示。 1 9 第二章谐波电能计量方法 图2 4 谐波电能计量算法流程图 7 0 第三章谐波电能计量算法的仿真实验 第三章谐波电能计量算法的仿真实验 本章仿真实验谐波电能计量算法，证明该算法是否具有可行性，仿真软件 采用m a t h w o r k 公司推出的m a t l a b 6 5 。 3 1m a t l a b 电力系统分析与设计 s i m u l i n k 是一种图形化仿真工具包，能够进行动态系统建模、仿真和综合 分析，可以处理线性和非线性系统，离散、连续和混合系统，以及单任务和多 任务系统，并在同一系统中支持不同的变化速率。s i m u l i n k 具有较高的交互性， 能够与m a t l a b 直接无缝地使用。利用s i m u l i n k 对系统进行建模简单方便，通过 单击和托方鼠标搭建框图来完成仿真模型的建立【3 9 1 。 s i m p o w e r s y s t e m s ( 电力电动工具箱) 是一个图编辑器工具，可以在s i m u l i n k 环境下建立电力系统原理模型并进行仿真计算。s i m p o w e r s y s t e m s 库提供了电力 系统仿真通用的元件和装置。根据元件的类别，s i m p o w e r s y s t e m s 库包括1 0 种类 库元件，分别是电源元件、线路元件、电力电子元件、电机元件、连接器元件、 电路测量仪器、附加元件、演示教程、电力图形用户接口和电力系统元件库模型。 应用m a t l a b 进行电力系统仿真的主要步骤为： 系统模型的建立：根据所要分析的对象特征，建立相应的模型。在 s i m p o w e r s y s t c m s 库中寻找与模型相关的元件，根据分析对象完成元件的参数设 置。利用s i m u l i n k 库中的基本元件，增加相应的辅助分析模块。 设置仿真参数：通过s i m u l a t i o np a r a m e t e r