（电工理论与新技术专业论文）电能质量监测系统及pqdif格式应用研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o n i t o r i n ga n da n a l y s i so ft h ei n d e x e so fp o w e rq u a l i t yi nt h ep o w e rg r i di st h ep r e c o n d i t i o nt o i m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo fp o w e rg r i d t i m e l y , a c c u r a t e l ya n ds y s t e m a t i c a l l yu n d e r s t a n d i n gp o w e r q u a l i t y , p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l e f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h ei m p o r t a n c eo fb u i l d i n gp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m s e c o n d l y , t h e p a p e ri n t r o d u c e saw e b b a s e dd e s i g no fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so fa c e n t r a ln o d ea n dan u m b e ro fd i s t r i b u t e dn o d e s ，w h i c hc a l lm o n i t o ran u m b e ro fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g e q u i p m e n t so fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sa tt h es a m et i m e s y s t e ma c h i e v e st h ec o m p a t i b i l i t yo fd i f f e r e n t d e v i c e st h r o u g haa d a p t e r s y s t e mt r a n s m i t st h eo r i g i n a la c q u i s i t i o nd a t at om o n i t o r i n gc e n t e r , t h e ns a v ea n d f o r ms t a t e m e n t s a l li n f o r m a t i o no fp o w e rq u a l i t yi sr e l e a s e do u tt h r o u g haw e bs e r v e r s e c o n d l y , a c c o r d i n gt h ec o n d i t i o nt h a tan u m b e ro fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ge q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ss e r v i c ef o r t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mt h a tb a s e do nm u l t i p l ed a t as o u r c e s w i t hh u g ea m o u n t so fd a t ai sd i f f i c u l tt of o r mau n i f i e dd a t am o d e l ，t h e r e f o r e ，t h eu n i f i e dp o w e rq u a l i t y d a t ae x c h a n g ef o r m a tf o rb u i l d i n gap o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi se s p e c i a l l yi m p o r t a n t ，t h et h e s i s s t u d y st h es t a n d a r dp o w e rq u m i t ) ，d a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t - p q d i f ( p o w e rq u a l i t yd a t ai n m r c h a n g e f o r m a t ) w h i c hi e e es t a n d a r d sc o m m i t t e er e c o m m e n d e d f i n a l l y , t h ep a p e ra l s op o i n t so u tt h a tt h e l i m i t a t i o n so fp q d i ff o r m a ti nd a t ai n t e g r a t i o na n dg i v e sai m p r o v e m e n tm e a s u r e s k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，p q d i f ，f o r m a t sh e t e r o g e n e o u s ，d a t a b a s e 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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：2 墨丕。日期：2 1 芝z ，：7 r 东南大学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。 签高妒雠磊沸哪叼只2 l 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 1 选题背景 社会的不断进步和科学技术的飞速发展，一方面为电力系统的发展和进步提供了空间和新的技 术手段，另一方面却也给电网安全运行带来许多负面影响，由此也给电力工作者和研究者带来了许 多新的研究课题。电能质量问题的提出、研究就是这两方面综合影响带来的一个很显著的例子。自 二十世纪8 0 年代以来，电能质量这一术语已成为电力部门和电力用户使用越来越频繁的词语了。 由于高压直流输电系统的应用和大量变频器、整流器、电弧炉等非线性负载的接入，使得电网 中的谐波污染情况日趋严重，谐波含量不断增加；由于个别超高压输电线路不循环换位和电动机车 等大容量非对称负载的接入，局部电网的不对称度比较严重；由于大容量轧钢机等冲击性负载的接 入，部分电网的暂态干扰较大，电压波动与闪变现象时常发生；此外，还由于目前电力供需矛盾仍 比较大，电网中的自动调压、无功自动补偿装置正确动作率不高等原因，造成用户端电压严重不稳 定，用电高峰时电压过低，而在用电低谷时又会偏高，电网的频率有时也会受到负荷过重的影响。 以上现象，都属于电能质量方面的问题，它们不仅对电网的安全、稳定运行极为不利，而且还会对 用户用电设备的正常工作以及工农业的持续高效生产有十分不利的影响。因此，电能质量问题越来 越受到广大用户的广泛关注，焦点可概括为以下几个方面： 电力部门大力发展用电设备，以提高电力系统运行总效率。例如，高效率的电机变速驱动以 及为降低损耗、校正功率冈数而采用并列电容补偿器，还有大量使用的用户电子设备等。但是这又 会导致电网谐波污染，电能质量水平下降，从而对电力系统安全运行带来潜在或直接的影响和危害， 甚至重大损失。这迫使供电部门在保证正常供电的同时，还要极力避免用电设备带来的干扰。 终端电能用户提高了对电能质量问题的认识。他们正在掌握这方面的更准确的实际情况，如 供电间断，大功率器件的投切，电压跌落引起的暂态现象等，并且向电力部门提出了改善供应电能 质量的要求i l z j 。 现代用电设备对电能质量的要求较之传统设备要高的多。很多新的电器和装置，如电视机、 计算机等都是基于微处理器和功率电子器件，而它们对各种电磁干扰都极为敏感，因此对电能质量 的要求越来越高。 电能质量也是电力市场兴起与发展的要求。随着电力系统管制的放松，电力市场的发展和应 用，在电力市场环境下，供电表现为一种商业行为。电能作为商品在电力市场运行机制下不同的发 电公司包括独立电能生产者在发电侧进行竞争，输配电系统( 即电力公司) 与发电分离独立经营管理， 为发电公司和用户提供输送电服务，用户侧也可作为独立实体参加价格控制，这样一个开放和鼓励 竞争的运行环境必然使得电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需求，还必须满足较高电 能质量的要求，为用户提供安全、可靠、而且清沾的电力能源成为电力部i j 获利经营的先决条件， 也是实现良好的社会效益的唯一手段。 电能质餐问题日益突出，使得电能质量的监测成为当前国际上的一个研究热点。鉴丁如上社会 发展的现实背景和迫切需要，本文将电能质量监测系统的研究作为本论文的一个课题，具有一定的 理论意义和实践价值。 东南大学硕士学位论文 2 电能质量对国民经济的影响 人们对电能质量问题的重视不仅是因为改善电能质量对于电网和电气设备的安全经济运行及保 障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常运行有重要意义，而且直接关系到国民经济的总 体效益。因此，电能质量监测也就关系到较大的经济利益。谐波造成的功率附加损耗及电气设备绝 缘寿命的缩短带来的每年等值电量损失可由下式计算出【3 ，4 】： r r2 y | 1 0 0 “彳心+ 肷) 赫 n 1 ) 式中：t 一年运行时间，k h ： 蛾一设备的额定损耗，k w ； l 【- 设备的费用，元( r m b ) ； u h 次谐波电压的标么值； a 、卜电器设备谐波等值损失常数，按不同设备和容量查表给出。 频率和电压对额定值偏差引起经济损失的估算方法，在任意时间段t 内因参数n ( 这里指频率或电 压值) 对额定值偏差n 所引起的国民经济损失y t 为h 。： 耳一kr ( ，1 ) 2 d t = k t a n 2 ( 1 2 ) 吃 式中：a 一为参数对额定值偏差的方均根值； k - 国民经济损失系数。 a 2 - ( a p 2 ) + ；j o 一2 出= ( + 仃2 式中：仃=为参数对平均值偏差的方均根值或标注误差。 ( 1 3 ) 从式( 1 2 ) 可以看出提高供电质量的实质就是减少有关电能质量指标对其额定值的偏差。搞清电 能质量指标恶化造成的危害对于制定相关的标准，开发和采用相应的技术措施是很重要的，有大量 的工作要做。电能质量造成的损失不仅取决于指标偏差大小及其持续时间，还取决于电网结构、地 理条件、运行维护、管理水平以及用电负荷特性。要评估这方面的危害宜用实测和统计方法，且电 能作为一种特殊商品除了具有商品的若干特征外，电能质量义与一般商品质量不同，有如下特点： 不完全取决于电力生产企业，甚至有的质量指标，如谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度 往往由用户的干扰决定；还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏引起的； 对于不同的供用电点和不同的供用电时刻，电能质量指标往往是不相同的。也就是说，电能 质量在空间上和时间上均处于动态变化之中。 1 2 国内外发展动态 目前，我国已制定山六项电能质量方面的国家标准，涉及供电电乐偏差、电网谐波、电力系统 频率偏差、三相电压不平衡、暂时过电压汞i 瞬时过电压、电压波动利闪变。各级电力部l 、j 和管理部 i 、j 主要以这人项国标为依据，开展电能质量监测和评价i ：作。 2 第1 章绪论 国内电能质量的监测分析多数采用电能质量分析仪或谐波分析仪等，这些专用测量仪器一般是 在同一地点进行相关电量的测试，实现对某些电能质量指标的测量，这种传统的用户监测仪( 或分析 仪) 模式，存在较多不足有待改进，例如对于某一监测点监测数据不能实现多用户共享，而且对于单 一用户每次使用监测分析软件时都必需先与监测仪通信以获得监测数据等等。尚不具备对电能质量 的综合测量、分析、判断和控制功能，对电能质量的在线监测也没有得到应用，因而不能及时发现 电能质量的异常现象，因而，迫切需要采用各种新型的在线式电能质量监测仪器，以区域电力广域 网为基础，组成在线的电能质量监测系统。国内的一些公司和科研机构正在研制新的在线电能质量 监测装置，一些产品己投入市场，但还没有统一的标准和规范。新的监测仪器多以单片机、d s p 芯 片硬件为基础，可以进行高速数据采集和信号处理，并能够显示信号波形和各种分析指标，而且大 部分监测仪器具有数据通讯和上网功能。我国的一些高新技术同区，如上海浦东新区，已非常关注 电能质量问题，并就电压暂降和供电中断引起的损失和高科技产业对电能质量的要求进行了调查。 各高校和科研机构也开始研究电能质量方面的相关问题。尽管我国部分城网已实现电能质量实时监 测，但还没有建立全国性或大范围的电能质量实时监测系统。相对而言，我国在电能质量方面的研 究比较滞后。 在国外，最早的一台电能质量仪器是g e 公司在上个世纪2 0 年代开发的闪电冲击记录仪，该记 录仪提供的数据有：脉冲幅值，时间数据以及日期数据；到了6 0 年代，m a r t z l o f 研制了一种按照相 机排列的以对数扫描率的高持续性示波镜来记录电能质量信息：闪电冲击的电压波形。到6 0 年代中 期，第一批电能质量监测仪广泛用于采集统计数据；到8 0 年代中期，图形电能质量记录仪出现，通 过电话线用于信号和波形记录。使用该仪器，能知道记录的是什么波形，但是波形解释还要依靠技 术人员，而且数据通信为一对一；多对一数据通信在9 0 年代e p r i 的分布式电能质量项目中出现， 大量的数据从数以百计的地点获得，从而在电能质量的数据存储中也就包括了处理过后的统计值和 未经处理的原始值【5 , 6 1 。很多发达国家，从2 0 世纪9 0 年代初已开始大力开展屯能质量方面的研究工 作。国外各大电力公司，为了自身电网控制、技术进步和对外形象宣传的需要，积极倡导电能质量 监测和控制，并建有对外开放的电能质量网站，实时发布有关的电能质量信息( 如美国t v a , a e p ， 法国的e d f 等1 。 到上世纪末本世纪初，i n t e m e t 使得多对一的数据通信变得简单而且更快，通过i n t e r n e t 能够方 便传输数据和信息到所需要的任何地点。应用好的算法提取有用信息，并把该信息传送给系统人员 和未经培训的用户，系统人员和用户可以使用信息做出决策，这才达到电能质量监测的最终目的。 e p r i 和t v a 联合研发了一套网络型电能质量监测系统，完全开放的体系结构和模块化的系统能够 在各种系统平台中使用【_ 7 1 。w e b 技术在电力系统中的应用逐渐发展成熟。 1 3p q d i f 格式的提出 随着人们对电能质量认识的提高，各类电能质量监测仪器和设备也不断地被研制出来。就国内 外市场上存在的电能质量监测仪器而言，不仅种类繁多，而且与之配套的后台分析软件也是各成体 系，这样就产生了不同厂商装置的数据存储格式、转换格式互不兼容平i i 通讯模式不一致等新问题， 这使得电能质量监测系统没有统一的数据录入格式，难以实现数据共享。同时，电能质量监测和分 析不仅需要海量数据，而且涉及广泛的数据来源，多种类型的数据内容利描述，如果数据格式各异， 指标含义不统一，必将导致数据管理的混乱，给电力部i j 与电力川户带米很人不便。冈此电能质苗 数据格式的统一化、规范化和标准化逐渐成为国内外关注的焦点。九十年代中 i j ，美国e p r i 针对不 同的数据采集源研究制定电能质餐数据交换格式p q d l f ( p o w e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ) ， 3 东南大学硕上学位论文 随后被i e e e 标准委员会采纳并起草了i e e e l l 5 9 3 号文件，以解决电能质量数据格式标准化工作中 的实际问题。该草案经几次修改后，终于在2 0 0 2 年形成了比较成熟的i e e e l l 5 9 3 d r a f t 9 标准文件【引， 该标准对于电能质量监测的数据记录格式给出了统一的术语、定义和指导方针，解决了监测数据可 交换性和可比性差的问题，一经推出，引起了很大的反响。随后e p r i 开发了与之配套的数据库应用 软件p q v i e w ，它以p q d i f 作为输入数据源，用于存储和分析大容量的与电能质量相关的干扰 和稳态测量数据。具有多种数据管理工具的特点使其可以快速对测量数据进行定性分类。p o e w 还 包含有统计分析和绘图工具，可对电力系统中单点或多点进行分析。p q v i e w 使用户能管理从不同类 型的仪器发送的数据，如电能质量监测仪，电压记录仪，厂内监测器，故障录波仪等。目前，我国 学术界和工程界力主推荐采用i e e e l l 5 9 3 d r a f t 9 标准文件，并对其消化吸收，同时结合实际应用， 开发中国的“p q v i e w ，【引。但是，对其认识和理解仍存在困难，至今p q d i f 的推广工作才开始起步， 尚待进一步的努力。 1 4 本文的主要工作 电能质量数据的监测和分析是对电力系统进行治理从而改善其电能质量的前提条件，完善电能 质量监测水平，扩大监测范围，提高故障分析能力是很有意义的工作。本文结合国内外电能质量监 测系统建设现状，研究了一种基于电力广域网的b s 体系结构的电能质量管理模式，并对系统中的 异构格式数据集成问题进行了理论上的研究。本文主要完成以下内容： 1 总结国内外电能质量监测系统的建设现状，通过对分层分布式的电能质量监测系统进行深入 研究之后，对基于w e b 技术的电能质量监测管理模式进行了深入的分析。 2 给出了电能质量监测系统的总体设计方案，详细介绍了各部分的结构及功能；给出了系统工 作流程及监测中心主站管理系统系统架构及各模块的内容：对监测系统中的数据库设计和w e b 发布 实现技术做了详细介绍。该软件系统能以低成本的方式实现电能质量信息收集、管理和有效发布， 对电力的稳定可靠运行具有一定的实用价值。 3 对电能质量数据交换格式p q d i f 作了深入的研究，文中从p q d i f 数据格式产生的背景出发， 详细介绍了p q d i f 数据格式的物理和逻辑结构，并分析了p q d i f 数据建模的方法。文中结合第三 章描述的电能质量监测系统的特点：各监测终端采集数据存在数据格式不统一的现状，提出用p q d i f 格式统一各厂家格式的目标。其中各厂家格式以t x t 文本格式为主，所以，文中给出了文本格式到 p q d i f 格式转换的实例。 4 讨论了p q d i f 格式在电能质量数据异构格式统一方面的应用之后，指出p q d i f 在解决整个监 测系统数据集成方面的局限性，结合x m l 技术在数据集成方面的优势，提出了p q d i f 的改进型数 据交换模型：即把x m l 技术引入到电能质量数据结构的表达上，沿用p q d i f 相对完善的电能质量 数据描述规范，用更具通用性的x m l 描述语言描述p q d i f 格式数据。这样，不仅继承了p q d i f 在 电能质量数据表达上的优势，而且扩大了p q i d f 格式的使用范周，有利于其在跨网络异构平台上数 据的集成应用。 4 第2 章电能质量监测相关理论 第2 章电能质量监测相关理论 2 1 电能质量的定义、分类 1 电能质量的定义1 1 0 , 1 1 , 1 2 j 理想的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，按规定电压等级与水平对用户 供电，同时在三相交流电力系统中，各相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。但由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数不是理想线形或对称的，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、各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存 在，更重要的是由此对电网正常运行、电气设备正常工作和供用电各个环节带来的各种各样的问题， 因而提出了电能质量的概念。 什么是电能质量? 从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是由于人们看问题的角度不同， 所以迄今为止，人们对电能质量的技术含义存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定义。 例如，电力部门可能把电能质量定义为电压与频率的合格率，并且用统计数字来说明电力系统9 9 9 是安全可靠运行的；电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电。因此，在像供电 中断持续时间等问题上供受双方意见就不相一致，这种故障事件应当归属输配电工程问题还是电能 质量问题说法不一；而设备制造厂家则可能定义电能质量就是指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特性的要求可能相去甚远。 一种普遍接受和采用的技术名词和定义是： 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) ：关系到供用电设备正常工作( 或运行) 的电压或者电流的各种指 标偏离理想值的程度，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、短时或暂 态过电压、波形畸变、电压凹陷与短时间间断以及供电连续性等。 从工程实用角度出发，将电能质量概念具体分解并给出解释。其内容如下： 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、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压 暂降( 暂升) 与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。 电流质量：与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单 一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。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。 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。 用电质量：它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，反映供用 双方相互作用与影响中用电方的责任和义务。 2 电能质量的分类1 1 1 , 1 2 j 对电力系统进行电能质量的测量、分析和研究时，考察的参数很多，随着科学技术的发展以及 对电能质量要求的提高，考察的指标仍在不断增多。冈此需要将电能质量进行分类并给山相应的定 义或规定，从而找山引起电能质量问题的原冈和采取针对性的解决办法。 电能质量的基本分类方法 对丁电能质鼙现象可以根据不同的基础来分类。卜面介纠i e e e 在电能质量现象分类方面的研究 5 东南大学硕士学位论文 成果；i e e e 以电磁现象及相应干扰的途径和频率特性为基础，引出广义的电能质量现象的基本分类， 分类内容如表2 1 所示。 表2 1i e e e 关于电能质量现象的分类 类别典型频谱典型持续时间典型电压幅值 纳秒级5 n s 上升 1 n l s 瞬变现象 低频 5 k h z0 3 5 0 m s 0 - 4 p t 1 振荡中频 5 5 0 0 k h z 2 咄s 0 - 8 p u 高频0 5 5 m h z 耻s 0 4 p u 暂降0 5 3 0 周波 0 1 o 9 p u 瞬时 暂升0 5 3 0 周波 1 1 1 8 p u 中断0 5 周波3 s 1 r a i n 0 8 0 9 p u 过电压 l m i n 1 1 1 2 p u 电压不平衡稳态 0 5 2 直流偏置 稳态 0 o 1 谐波o 1 0 0 t h稳态0 2 0 波形畸变间谐波0 6 k h z稳态0 2 陷波稳态 噪声宽带稳态0 1 电压波动 2 5 h z 稳态 0 1 7 工频变化稳态 电能质量的其他分类方法 电能质量还有一种分类方法，即按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征变化的连续性 和事件的突发性为基础分为两类，即稳态电能质量和动态电能质量。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、波形。卜陷以及噪声等。一般持续时间比较长，在一段时间内( 通常 为1 分钟以上) 出现的电能质量不止常的情况。暂态电能质鸷问题通常是以频谱和暂态持续时间为特 征，可分脉冲暂态利振荡暂态两人类。 6 第2 章电能质量监测相关理论 2 2 电能质量监测指标 根据我国国家国标，电能质量的监测指标主要有6 类 1 l , t 2 i ，列于表2 2 中。 表2 2 电能质量监测指标表 指标分类信息描述指标要求所属国标 针对电力 电力系统正常频率偏差允许 = 0 2 h z 系统 值为 频率偏差系统容量较小时偏差值= 0 5 h zg b 1 1 5 9 4 5 1 9 9 5 用户冲击负荷引起系统频率 针对用户= 0 2 h z 变动 3 5 k v 及以上供电电压正、负 偏差 i a u ：= 1 0 u n 针对电力 1 0 k v 及以下三相供电电压 系统 允许偏差 i a u ：= 7 u n 电压偏差2 2 0 v 单相供电电压允许偏 1 0 u n u = + 7 g b l 2 3 2 5 9 0 差u n 用电设备额定工况的电压允 由各自标准规定 针对用户许偏差 特殊用户供电电压允许偏差由供片j 电协议确定 针对电力各次谐波电压含有率限值各电压等级限值由国 系统 总谐波电压畸变率限值 标规定 谐波 g b t 4 5 4 9 9 3 针对用户 注入公共连接点各次谐波电国标及供用电协议确 流含量限值定 针对公共电压变动限值 具体限值参见国标 电压连接点电压闪变p s t 、p i t 限值 g b 2 3 2 6 2 0 0 0 波动和闪变电压变动限值 针对用户国标供用电协议确定 电压闪变p s t 、p i t 限值 针对公共三相电压1 i 平衡厦( 公共连e u 正常= 2 连接点接点)e u 短时= 4 电压 电气设备额定一【：况的电压允 由各自标准规定 不平衡度 许不平衡度 g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 针对用户 每个用户引起该点正常电压 e u 短时= 1 3 不平衡度 特殊川尸允许电肚个平衡厦由供刚电协议确定 暂时过电压( j ：频过电压利 暂时过压和 针对电力 谐振过电压) 瞬态过电压 系统 瞬态过电压( 操作过电压和i 具体限值参 ! l 国标 g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 雷电过电压) 7 东南大学硕七学位论文 2 3 电能质量监测方式 目前供电部门电能质量的主要监测手段一般是利用便携式测试仪不定期地对某些线路和变电所 进行测试，或对发现有电能质量问题的电厂或用户进行测试分析，然后通过硬盘将数据上报到省电 力试验研究所，经过其汇总、统计分析，对全网电网的电能质量水平进行评估，提出电网目前存在 的问题，供电力公司领导决策参考。这样的运行方式工作量大、数据采集不系统、不全面、时间的 延续性短、监测功能较少、时效性较差、监测效率低、统计分析功能欠缺。另一方面，现实中，供、 用电双方对电能质量现象或事件发生的原冈与责任上往往存在许多分歧和争论，只有对电能质量问 题进行实时监测，直接地获得电能质量信息，才能使双方共同协商解决问题。因此，必须对电能质 量进行长久持续、全面广泛的监测。 对电能质量指标监测的目的和内容的不同，也导致了对电能质量监测方式和要求不尽相同。迄 今为止，国内外对电能质量的监测方式主要可概括为离线监测和在线监测两种方式【1 3 , 1 4 。 1 离线监测 对于干扰强度较小、危害程度不太大、不是持续产生干扰的普通干扰源通常选择传统的监测方 式即离线监测。它使用的监测仪器包括专用万用表、便携式谐波监测仪及具有一定综合功能的电能 质量监测分析仪等。这种方法虽然也可以提供所需的电能质量数据，对故障进行分析和判断，但它 无法满足供用电双方对电能质量监测更高的要求。这主要表现在以下四个方面： 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。一股只是在需要 时才对电能质量相关指标进行检测，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。 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。 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。 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 合长期运行和抗干扰能力有限等问题【”】。 2 在线监测 对重要的大型用户的电能质量和整个电网的电能质量状况进行全面监测通常选用在线监测。近 年来网络技术和信息技术的发展为电能质量监测系统实现实时网络化提供了有力的技术保证，提出 了电网电能质量测量的全面解决方案，即通过网络通信技术，构建基于网络平台的电网电能质量在 线监测网络，实时在线监测和发布电能质量信息，实现电能质量监测的自动化和现代化，大大降低 劳动强度，提高工作效率，为电能质量的综合治理提供保障。 监测系统的真正价值就是能从测量仪器上自动下载数据。当监测系统下载重要数据时，提醒的 e m a i l 或纸制消息就会发送剑有权限人员或供电公司领导那里。任何人通过以太网有看数据时，都可 以使朋当地工作站的应用程序米分析数据。监测系统的“心脏”部分是服务器，对数据管理和分析 进行最优化。m i c r o s o f tn t 4 0 的操作系统足以维持w w 3 v 和f 1 p 服务，e m a i l 和网页提示，以及处 理人量的数据。 电能质昔监测技术的发展动态就是进一步开发性能优异的在线电能质姑监测产品，建立在线监 测的网络化系统，改变以往单装置安装和监测的作法，采川实时在线监测，实时获得系统电能质量 信息，建立起表征电能质鼙的、真止有川的数据_ 庠，提供给电力部i j 实时、详细和准确的数据信息。 8 第2 章电能质量监测相关理论 在电能质量监测和分析的基础上，实现电能质量的统一管理，在最大程度上削弱电能质量问题所带 来的危害【1 6 ，1 7 1 。 2 4 电能质量分析方法 电能质量监测是收集、分析原始测量数据，并将其解释为有用信息的过程。它包括对原始数据 的采集以及采集后对数据的处理与分析两个方面。通常，数据的采集过程通过长期、连续的测量电 压和电流信号来实现，而分析和解释过程通常是手工完成的。近年来，由于信号处理技术和人工智 能技术的进步，随之出现的智能系统可以实现自动分析和解释原始数据，并使其成为有用的信息， 所需的人工介入越来越少。电能质量的检测分析算法涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需 要开发相应的分析软件来对各种电能质量问题进行分析研究，为改善电能质量提供指导意见。近年 来，时域、频域、基于数学变换的分析方法和人工智能技术己在电能质量领域中得到广泛应用【1 l ，培2 2 1 。 其中人工智能作为一门发展迅速的交叉学科，受到了电力行业科研工作者和工程技术人员的关注， 将其应用于电能质量问题的研究是当前电工领域的热点，也是电能质量分析计算的发展趋势。 1 时域分析法 在电能质量参数中，有相当多参数是定义于时域之中的，如电压、电流、频率、电压中断的持 续时间、电压缺口的时间宽度等，因此，对于时域直接可测的参数如何更好的提取成为了时域处理 技术的一个重要方面。常用的方法有方均根值法、缺损电压法、利用过零点确定频率法和极值法确 定电压峰值等方法。下面主要对方均根值法进行介绍。 连续周期信号的方均根值定义为： v r m s 。 ( 2 1 ) 式中t 为信号周期。 如果周期t 不存在或t 小于被测信号的半个周期，则采用上式的计算是不再具有有效值的含义。 对信号进行数字化处理后，积分运算可采用下面的求和运算实现。 v r m s = ( 2 2 ) 式中n 为总的采样点数。 方均根值法通常用来求取电压、电流等信号的总有效值，且应用相当广泛。 时域仿真方法的主要用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研 究。目前通用的时域仿真程序主要有e m t p 、b p a 、n e t o m a c 等系统暂态仿真程序和s p i c e 、 p s p i c e 、m a t l a b 等电力电子仿真程序。由于电力系统主要由r ，l ，c 等元件组成，这些程序在 求解用微分方程描述的电力元件方程时，通常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。采 用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最人频率范围，应此必须事先知道暂态过 程的频率覆盖范罔。此外，在模仿开关的开合过程时，还会引起数值振荡。因此，要采用相应技术 以抑制发生数值振荡。 2 频域分析法 频域分析方法主要用于电能质量中喈波问题的分析，包括频谱分布、谐波潮流计算等。在谐波 分析中，线性网络可用式( 2 3 ) 表示。 ，。= 匕u 。m = l ，2 ，h ( 2 3 ) 9 东南大学硕士学位论文 式中匕为节点导纳矩阵；l m 为注入电流源矢量；为节点电压矢量；m # j i 皆波次数，其中， 对应每个谐波频率的匕都要单独生成。通过向所需研究的节点注入幅值为l 的电流，其余节点的注 入电流置为零，求解式( 2 3 ) 所得的电压即为该节点的谐波输入阻抗和相应各节点间的转移阻抗。当 注入电流的频率在一定范围内变动时，可得相应谐波阻抗一频率的分布图，从图中曲线的谷值和峰 值可确定该节点发生串并联谐振的频率。 对应每个谐波频率，从各非线性负载电流中取出相应的分量组成注入电流矢量，代入式( 2 3 ) 即 可求出各节点电压的相应频率分量。将这些分量合成，又可得各节点电压的时域波形。这种方法简 单，适用于大多数情况，因此在实际谐波潮流计算中使用较多。 考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种更精确的方法一混合谐波潮流计算方法， 即在常规的谐波潮流计算基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各 次谐波动态电流矢量，从而得到动态谐波潮流解。优点是可精确描述其动态特性，缺点是计算量大， 求解过程复杂。 3 基于变换的方法 基于数学变换的分析方法：主要指傅立叶交换方法、短时傅立叶变换方法、以及近年来出现的 小波变换方法等。 傅立叶变换方法 在电能质量分析领域，常常利用离散傅立叶变换( d f l ) 和快速傅立叶变换( r 邯对非正弦周期信 号的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样，并把采样值依次转化成数字序列，然后借助计算机 进行辅助计算。作为经典的信号分析方法，傅立叶变换具有正交、完备等许多优点，而且有像f f l r 这样的快速算法，因此，己在电能质量分析领域中得到广泛应用。但在运用f f t 时必须满足以下条 件：1 ) 满足采样定理的要求，即采样频率必须是信号最高频率的两倍以上：2 ) 被分析的波形必须 是稳态的、随时间周期变化的。因此，当采样频率或信号不能满足上列条件时，利用f f l 分析会产 生“旁瓣”和“频谱泄漏”现象，给以后的分析带来误差。此外，由于f f t 变换是对整个时间段的 积分，时间信息得不到充分反映；信号的任何突变，其频谱将散布于整个频带。图2 1 给出了傅立叶 变换的示意图。 图2 1 傅立叶变换示意图 短时傅立叶变换 为解决上述问题，g a b o r 币1 用加窗，提出了短时f o u r i e r 变换方法。图2 3 给出了短时傅立叶变换 的示意图。短时傅立叶变换( s t f t ) 是一种局域化的时频分析法，其基本思想是：在傅立叶变换的 框架中，把北平稳过稗看成是一系列短时平稳信号的叠加，而短时性则是通过一个参数t 的平移来覆 盖整个时域，也就是说采刚一个窗函数y ( t t ) 对信号v ( t ) 作乘积返算米实现在t 附近的开窗和平移，然 后再进行傅立叶变换。 1 0 第2 章电能质量监测相关理论 图2 2 短时傅立叶变换示意图 虽然短时傅立叶变换在一定程度上克服了标准傅立叶变换不具有局部分析能力的缺陷，但其自 身也存在很大的不足。由于实际多尺度过程的分析要求时一频窗口具有自适应性，即对于非平稳信 号在信号波形变化剧烈的时段内( 高频时) 频窗大、时窗小，而波形变换比较平稳的时段内( 低频 时) 频窗小、时窗大，而s 1 r i 丌的时一频窗口则固定不变。即当窗口函数确定后，只能改变窗口在 相平面上的位置，而不能改变窗口的形状。可以说短时傅立叶变换实质上是具有单一分辨率的分析， 若要改变分辨率，则必须重新选择窗函数。因此，它只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适 合分析多尺度过程和突变过程，人们难以从其频谱图上看出信号的时变特性。而且，这种方法的离 散形式没有正交展开，难以实现高效算法。 针对这一问题，g t h e y d t 等人提出了宽度可调节的滑动窗口。其基本思想是：先采用宽窗对监 测数据进行快速浏览，监测到扰动后，再采用窄窗对扰动进行聚焦，从而进行细节分析。 小波变换法 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ) 是一种多尺度分析，它对时间序列过程从粗到细加以分析，即 从低分辨率到高分辨率分析，既显示过程变化的全貌，又剖析局部变化特征。因为具有对信号的自 适应性，所以小波变换在电能质量分析领域大有用武之地。常见的小波基函数有：b i o n h g o n a l 小波、 c o i f l e t s 小波、d a u b e c h i e s 小波、h a a r 小波、s y m l e t s 小波、m o r l e t 小波、m e x i c a nh a t 小波及m e y e r 小波等。 小波变换是由m o r l e t 于1 9 8 0 年在进行地震数据分析工作时创造的。小波( w a v e l e t ) ，即小区域 的波，是一种特殊的长度有限、平均值为0 的波形。它有两个特点：一是“小”，二是正负交替的“波 动性”，也即直流分量为零。小波分析方法是一种窗口大小同定但其形状可改变的时频局部化分析方 法。它在低频部分有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，而在高频部分具有较高的时间分辨率 和较低的频率分辨率。正是这种特征，使小波变换具有对信号的白适应性。小波变换是一种多尺度 分析，对时间序列过程从粗到细加以分析( 从低分辨率到高分辨率) ，既显示过程变换的全貌，又剖析 局部变化特征。对电能质量领域的非平稳时间序列，小波变换大有用武之地。近年来，国外许多学 者都利用小波变换对电能质量问题进行研究。下面分析一下小波变换的原理和性质。 小波分析的出现，为非稳态信号的分析提供了强有力的工具，它即保持了傅立叶分析原有的优 点，又能弥补傅立叶分析没有时域信息的不足，提供了一种新的时频分析的方法。小波变换的思想 与傅立叶变换是相似的，它们都是通过一族函数去表示一个信号，这一族函数被称为小波函数系， 它是通过一个基本小波函数在不同尺度上进行平移和伸缩构成的。 基本小波的定义很简单，对于一个函数妒( f ) cl 2 ( r ) ，它只要满足以- 卜条件： 振动性，即m ( t ) d t = 0 ； ， 正则性，即几妒( f ) 2d t + o o ： 东南大学硕十学位论文 能量零均值，即r fi 妒o ) 2d t 一0 ； 我们就将妒o ) 称为基本小波函数，也可称为母小波( m o t h e r w a v e l e t ) ，引进参数a 和b ，对妒o ) 进行伸缩和平移，就得到小波函数：妒。上( f ) ；i 口i x 缈( ；生) ，其中参数a 为尺度因子，b 为平移 因子。对于任意一个函数厂( f ) cl 2 职) ，其小波变换定义如式( 2 4 ) 所示： 阡丁( 口，b ) = r 厂( f ) 缈： ( t ) d t ； ( 2 4 ) 其中：+ 表示复共轭；t 表示时间；a ，b 表示小波函数的伸缩和平移参数； 表 示待分析的信号和小波函数的内积。 小波变换实质上是函数在小波函数族上的分解，如果这一分解还满足下述式( 2 5 ) 条件， c 掣；臼型i zd + o o ( 2 5 ) 其中：t o 表示频率；l l r ( 印) 表示小波函数的傅立叶变换函数。 则称该小波为可允许的小波。使用可允许小波的小波变换是可逆的，即小波变换能够重构出它 的原始信号： m 一寺伍町肿舶) 警 ( 2 6 ) 其中：t 表示时间；a ，b 表示小波函数的伸缩和平移参