（电力电子与电力传动专业论文）基于web的数字化远程电能质量管理系统的研究.pdf

声明尸明 i i i irl ii l li iii i iii iijj y 17 8 5 4 8 4 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 基于w e b 的数字化远程电能质量管 理系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 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。 学位论文作者签名：三誓二奉卑日 期：塑! ! ：! ：墨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：塑! 兰：垒13 ri ，rl 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电能是现代社会中最为广泛使用的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平 的主要标志之一。随着社会的不断进步，电能质量问题已经成为电力系统的重大课 题。本文介绍了二种基于w e b 技术与面向对象技术相结合的数字化远程电能质量管 理系统，详细描述了基于w e b 的电能质量信息发布系统所实现的功能。另外，针对 目前电能质量数据格式各异的情况，采用i e e e 推荐的电能质量数据交换格式( p o w e r q u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ，p q d i f ) 来保证整个系统数据的共享与兼容，并对 其在电能质量管理系统中的优势做出了归纳和总结。通过使用i e e e 提供的标准 c o m 组件实现了p q d i f 格式的转换工作，为将来开发更为完善的电能质量管理系 统打下了坚实的基础。 关键词：电能质量，分布式数据库系统，地理信息系统，电能质量数据交换格式 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e ri st h em o s tw i d e l yu s e de n e r g yi nm o d e ms o c i e t ya n di t sa p p l i c a t i o n l e v e lr e p r e s e n t sac o u n t r y sd e v e l o p m e n ts t a g e w i t ht h er a p i dg r o w t ho fe c o n o m i c s ， p o w e rq u a l i t yi s s u eh a si n c r e a s i n g l yd r a w nc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf r o mb o t hc o m p a n i e s a n dt h e i rc u s t o m e r s i nt h i sp a p e r ad i g i t a la n dr e m o t ep o w e rq u a l i t ym a n a g e m e n t s y s t e m ( p q m s ) w a sg i v e nb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fw e ba n do b j e c t o r i e n t e d t e c h n i q u e s ，a l s os o m ec e r t a i ns p e c i f i cf u n c t i o n so fp qi n f o r m a t i o np u b l i s h i n gs y s t e m w e r er e a l i z e d t h es y s t e ma d o p t sp q d i fr e c o m m e n d e db yi e e ec o m mi t t e ea si t sd a t a f o r m a tt os o l v et h ep r o b l e mo fd i f f e r e n tp qf i l ef o r m a t sa n dt oa c c o m p l i s ht h ed a t a s h a r i n ga n dc o m p a t i b i l i t yi nt h ew h o l es y s t e m ，s u m m a r i z e di t sa d v a n t a g e st o o t h e s y s t e mi m p l e m e n t sd a t af o r m a tt r a n s f o r m a t i o nw i t ht h es t a n d a r dc o mc o m p o n e n t t e c h n o l o g yo fi e e e ，am o r ec o m p r e h e n s i v ep q m sw a sa c c o m p l i s hi nt h ef u t u r e l is h u j u n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e r d r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f s h ix i n c h u n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，d i s t r i b u t e dd a t a b a s es y s t e m ，g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) ，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 ( p q d i f ) 盘ti，。 咻，1j 华北电力 中文摘要 英文摘要 第一章引言 1 1 课题研究的背景和意义一1 1 - 2 电能质量监测技术的研究现状及发展趋势：j 。：j ：j 。：。：“。2 。 1 2 1 电能质量监测的研究现状2 一1 2 2 电能质量监测的发展趋势：03 1 3p q d i f 的提出5 1 4 本文的主要研究工作5 第二章电能质量分析方法及指标测量6 2 1 电能质量的概念6 2 2 电能质量的分析方法7 一一2 2 1 时域仿真法7 2 2 2 频域分析法7 2 2 3 基于数学变换的分析法8 2 3 电能质量指标及测量方式1 0 2 3 1 供电电压偏差1 0 2 3 2 电力系统频率偏差1 1 2 3 3 公用电网谐波1 l 2 3 4 三相电压不平衡1 2 2 3 5 电压波动和闪变1 3 一一 2 3 6 电压暂降，1 6 2 3 6 1 电压暂降的定义1 6 2 3 6 2 电压暂降分类及暂降源识别1 6 第三章电能质量管理系统的设计及w r e b 信息发布系统的实现2 0 l 3 1 数字化远程电能质量监测系统建设的指导思想2 0 3 1 1 系统建设的目标2 0 3 1 2 系统建设的原则2 0 3 2 电能质量管理系统总体设计二2 1 3 3 软件系统的设计2 2 3 3 1 基于w e b 的三层b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 体系结构2 2 3 3 2 多层分布式数据库设计2 4 3 3 3 基于w 曲的地理信息系统2 7 3 4 电能质量数据管理中心：2 8 3 4 1p q v i e w 数据库平台系统2 9 3 4 2 区域电能质量综合评估系统3 0 华北电力人学硕士学位论文目录 3 5 基于w e b 的信息管理和发布3 4 3 5 1 用户登录3 4 3 5 2 站点管理3 5 3 5 3 数据分析3 5 3 5 4 报表管理3 6 第四章电能质量数据交换格式( p q d i f ) 的剖析与实现3 8 4 1p q d i f 数据存储格式的优点3 8 4 2p q d i f 的结构3 8 4 2 1p q d i f 的物理层结构3 8 4 2 2p q d i f 的逻辑层结构。4 0 4 3p q d i f 文件的压缩算法4 3 4 4p q d i f 在监测系统中的应用4 5 4 4 1p q d i f 开发工具的选择4 5 4 4 2p q d i f 格式文件的转换方式4 6 4 4 3 文本格式数据转化为p q d i f 的程序设计4 7 4 4 4p q d i f 转换程序实现实例4 9 4 5p q d i f 存在问题的分析5 l 第五章结论与展望5 3 5 1 结论5 3 5 2 展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 8 i i 1 1 课题研究的背景和意义 第一章引言 电能作为最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的 主要标志之一。如果问现代社会最离不开什么，电能绝对是一个重量级的选项u 1 。 电能作为一种经济实用、清洁方便且容易传输的能源，是由供、用电双方共同保证 质量的特殊商品，在某些质量问题的起因上，电能质量的下降更多的是受使用者的 影响，而不在于电力生产者。因此要保证电能质量，必须由电力部门和广大用户共 同维护，而供电部门则有责任保证电力这种特殊商品的质量，以便更好地为用户服 务。 电力系统在保证每天输送足够能量的方面已经做的非常成熟，随着我国经济社 会的快速稳步发展，用户对电能在质的方面也提出了更高的要求。现代科学技术及 工业，特别是信息工业和精细工业的电力供应具有高可靠性、高动态稳定性、互不 干扰、控制灵活等要求，因此，如何提供方便优质的电能，使之更好地为现代化、 信息化社会服务，成为当今电力工业面临的新机遇、新挑战。随着中国加入w t o ， 国外许多高精尖企业纷纷落户我国，对供电质量提出了更高的要求乜1 。电能作为商 品进入市场，其质量的好坏成为用户选择用电的关键，良好的电能将吸引用户，从 而占领更多的市场，而劣质的电能将会在各电网的竞争中失去优势。 随着社会的发展及各国对环境和能源安全问题的考虑，电力供应出现了由集中 纵向供电模式向集中分散供电模式相结合的过渡趋势，新型、高效、绿色的分布式 电源( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d o ) 在电能中所占的比重越来越大。理论上d g 分散供 电与大电网集中供电相结合的供电模式是综合利用现有资源的最佳方式，可部分或 全部缓解由传统供电模式产生的问题，成为了当前国内外研究的热点口1 。随着国家 大力发展新能源战略的持续深入，未来的电力系统必将是大机组、大电网、远距离 大容量直流输电与能源形式多样、控制方法灵活、电能质量各异的分布式电源并存 的格局，为了保证电能质量和电网安全，必须采取有效的电能质量控制措施，使电 网稳定运行，使新能源发电获得最大效益h 1 。 电能实行按质论价是现代社会发展的需要，是供用电双方共同的愿望，也是电 力行业市场化的重要课题聆1 。根据用户的需求采用不同的供电技术是电力市场化改 革的必然产物，“定制电力”既含有向用户提供新型电力技术的意义，又意味着用 户至高无上的原则，以“定制电力”技术为依托而产生的定制电力市场是实现多种 品质电能供应、优质优价的有效途径哺1 。 在满足工业生产，保证人民生活对电能基本需求的同时，提高电能质量的标准 1 华北电力大学硕士学位论文 是一个国家生产力发达、社会文明进步的标志，是信息社会发展的必然结果，是提 高国民经济总体效益和保证工业生产可持续发展的基本要求。深入理解现代电能质 量问题，从技术、经济和运行管理等方面保证优质供电既是用户对电能提出的更高 要求，也是信息时代对电能提出的新挑战。当代电力系统赋予了电能质量新的内涵， 控制和改善电能质量是保证电力系统安全运行的必要条件，也是电力企业转变增长 方式，实现以人为本，全面、协调、可持续发展的重要战略。 1 2 电能质量监测技术的研究现状及发展趋势 电能质量监测可以为电网优化、事故分析、综合评估提供科学依据，是电力工 业面向市场，适应竞争的必由之路。 1 2 1 电能质量监测的研究现状 作为构建电能质量监测网络的数据源，电能质量监测设备的性能对整个监测网 络的精确性至关重要。国外企业，如福禄克、电力士、莱姆等公司都研发了一系列 的电能质量监测仪，这些产品功能齐备，在事件检测、数据全面性等方面的性能比 较突出，基本上代表了国际先进水平，但价格较高。国内的厂家主要有深圳领步、 保定三伊方长等，这些设备基本上实现了对相对稳定和暂态的电能质量数据的采 集，有些产品还具有对一些数据统计的功能。总体来讲，国内仪器在测量精度、数 据全面性等方面和国外还存在一定的差距，但国外设备一般不会轻易增加新功能或 修改原有功能，对一些问题的响应也异常缓慢，而国内设备价格适中，能快速响应 市场需求及国家标准的变更，更适合中国的用户。 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题进行监测的方式和要求 也不尽相同。到目前为止，国内外电能质量监测方式主要有三种m ： 1 专项监测：专项监测主要用于负荷容量变化大或有干扰源设备接入电网的情 况下，检测这些设备对电能质量各指标的影响，以决定是否可以投运。 2 非在线监测：非在线监测是针对普通电力干扰源，根据干扰大小、危害程度 和实际需要采取的定期或不定期的监测方式。主要用于既需要掌握电能质量状况， 又不需要进行连续监测或不具备在线监测条件的场合。 3 在线监测：在线监测是对整个供电网络的电能质量状况进行全面了解和实时 跟踪的有效办法。电能质量各指标的特性是不断变化的，一般通过概率的分析方式 对其进行量化，而概率统计分析需要足够的样本，否则难以得出正确的结论，解决 的办法是实行在线监测。 国外厂家的主要分析软件就其整体思路来说相对比较先进，对监测数据格式的 支持也比较广泛，在图形、国际标准支持、软件业务深度等方面均要优于国内软件。 但是，基本上所有的国外产品都是通过代理的方式来完成销售和基本维护的，在 2 华北电力大学硕士学位论文 b u g 修正、较深入问题的探讨等方面相对滞后。国内分析软件已经取得了很大的成 就，但在业务深度、分析功能等方面均不及国外软件，还需要进行更加深入的研究。 1 2 2 电能质量监测的发展趋势 电能质量监测是一项复杂的系统工程，它涉及到电力系统、现代通信等多个方 面，并且随着监测工作的不断细化，其它领域的科技成果不断地被应用于电能质量 的检测，使得监测数据相互之间的纵向关联性和横向共享性加强。现代通信技术的 飞速发展为电能质量监测提出了网络化、智能化、标准化的发展方向。 1 网络化 现代电网规模越来越大、监测点越来越多，未来的电能质量监测必将是对整个 供电系统的多个监测点同时进行的，甚至实现对不同区域供电系统的集中监测。 i n t e r n e t 技术的发展为信息共享、数据交换提供了有利条件，也使得网络化电能质量 监测成为可能。 2 智能化 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 是计算机发展到一定阶段的产物，主要研 究怎样用机器模仿人类的逻辑思维活动，解决迄今为止仍需由人类专家才能处理好 的复杂问题。电能质量问题的动态性和复杂性使得对事故的分析常处于模糊识别的 边缘状态，简单的确定型判断己无法满足对系统状态准确识别的需要，因此，人们 希望利用擅长逻辑思维的专家系统和擅长经验思维的人工神经网络结合用户的参 与逐步建立“智能系统”，实现从电能质量发生危害而采取应急措施的被动模式向 预测电能质量危害而采取积极措施的主动模式的转变。 3 标准化 标准化是电能质量监测网络化发展的必然要求，而合理电能质量标准的制定需 要相关方面在技术、经济、国家政策等方面深入研究，协商一致，以确保社会效益 最大化。电能质量问题处在不断地发展变化中，人们对问题的认识也在不断地深入 中，标准化进程作为电能质量监测系统的发展趋势是一项需要长期探索的工作。电 能质量问题的标准化体现在以下几个方面： 电能质量监测指标标准化 电能质量标准是保证电网安全经济运行、实施电能质量监督管理、维护供舳皑 双方合法权益的法律依据。各国对电能质量关注程度和范围的不同决定了监测指标 的不同，e n 5 0 1 6 0 是欧洲共同体在英国标准基础上形成的电能质量标准，拟作为欧 共体市场对中、低压电能质量的统一标准。c e a 是加拿大电能质量指标的基准协议， 该协议从2 5 类电能质量指标中选出1 1 项作为加拿大全国电能质量指标的准则。国内 外电能质量指标对比如表卜1 所示。 从表卜1 可以看出，发达国家已经制定了比较完备的电能质量系列标准，而我 3 华北电力大学硕士学位论文 国的电能质量标准还不完善，重点强调稳态特性，而对暂态特性关注较少，因此， 建立全面的电能质量标准体系仍有大量的工作需要开展。伴随着电能质量产业的崛 起及电力市场化的发展，世界各国制定的电能质量标准正在与国际权威专业委员会 推荐的标准及相应的试验条件等一系列规定接轨，以便逐步实现标准的完整统一。 表1 - 1 国内外电能质量监测指标对比 信息发布标准化 为了方便工作人员交流经验、提高信息共享的效率，提倡信息发布标准化。信 息发布形式标准化以后，工作人员能快速理解相关信息的具体含义，便于各级主管 部门和用户进行信息综合查询。国外在信息发布标准化方面做得比较完善，已经形 成了标准的信息发布体系，而国内则相对落后。 数据格式标准化 长期以来，我国的电能质量监测设备及通信规约没有统一标准，一般以设备厂 家的监测仪为核心，基于m o d e m 和以太网建立小范围数据中心，造成了电能质量 监测缺乏统一的信息平台，形成了“孤岛作业、各自为战”的格局，无法跟踪先进 信息技术，因此，电能质量数据格式规范化和标准化逐渐成为国内外关注的焦点。 利用i n t e r n e t 技术和现代通信技术构建覆盖大电网的实时电能质量监测和管理 系统，真正实现对海量数据进行合理控制、存储、实时更新和共享，进而实现对电 网进行全面的监测，是建设数字化电网的必然选择，这种数字电网也必将成为我国 国土资源的重要组成部分，为国民经济的优质发展打下坚实的基础。随着电网改造、 建设的进一步完善及客户要求的不断提高，引进与采用国外成熟的电能质量监测技 术将成为我国与国外迅速接轨的一条捷径，我国的电能质量监测工作也必将在借鉴 国外研究过程与成果的基础上结合本国国情不断展开。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3p q d i f 的提出 开发商使用各自的通信协议和数据存储格式开发的监测仪侧重点各异，使得建 立在多数据源、海量数据库基础上的电能质量监测和管理网络难以形成统一的数据 摄取模式，无法满足可持续发展的需求。国际电气电子工程师协会( i e e e ) 标准协调 委员会推出的电能质量数据交换格式( p o w e r q u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ，p q d i f ) 是专门针对电能质量数据特点设计的一种数据格式哺1 ，它完全从电能质量信息的角 度来考虑问题，所要解决的是相对于一个数据库来说异构数据源的可交换性和可比 性差的问题。p q d i f 对电能质量数据给出了统一的术语描述、定义和指导方针，适 应了电能质量监测网络化、标准化的发展需求。 美国电力科学研究院和美国电力士公司共同开发了与p q d i f 配套的数据库应用 软件一p q v i e w ，它以p q d i f 格式的文件作为数据源，用于存储和分析电能质量数 据。作为一种全新的网络管理方案，p q d i f 和p q v i e w 的联合使用不仅较好地解决 了多数据源数据的统一处理问题，还实现了电能质量相关指标物理属性的多角度观 察，彻底解决了监测设备和管理系统的兼容问题，实现了数据共享，极大地满足了 电能质量监测技术的发展需求。并且它还是完全开放的，灵活的信息平台支持原有 l t 投资，支持开放的数据接口，遵循业务模型标准，这是打破“信息孤岛”，抛弃 “点对点”接口方式，实现统一业务数据中心的关键，在电能质量监测系统逐步向 网络化、标准化发展的今天，p q d i f 有着广阔的应用前景。 1 4 本文的主要研究工作 本文依据国内外研究现状及国内需求，将开放式数字化远程电能质量管理系统 的构建、分析软件的研制和p q d i f 的开发作为重点，进行深入的研究。论文的主要 工作包括： 1 深入理解电能质量国家标准及相关行业标准，对电能质量的分析方法：时域 仿真法、频域分析法、基于数学变换的分析方法进行详细的分析； 2 对不同干扰源引起的电压暂降幅值、变化趋势、三相不平衡、相位跃变等特 性进行分析，为线路故障、变压器投切及电动机启动引起的暂降源的识别提供依据： 3 对基于w e b 的多层分布式数字化电能质量管理网络进行深入研究，做出系统 的整体规划，并将统计分析、数据处理等技术与采用w e b 技术的信息发布系统结合 起来，提高信息的能见度； 4 详细剖析p q d i f 数据格式，选择v b 编程语言作为p q d | f 的开发工具，结合数 据传输流程，使用p q d c o m 4 d l l 动态链接库函数实现p q d i f 的转换工作。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量分析方法及指标测量 2 1 电能质量的概念 什么是电能质量? 简单的说，电能质量是指优质供电。国际电气电子工程师协 会( i e e e ) 标准化协调委员会已正式通过采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 术语的决 定，并给出技术定义：“合格电能质量概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接 地系统是都能适合于该设备正常工作的 。国际电工委员会( i e c ) 提出了电磁兼容 ( e m c ) 的概念，对电磁兼容的定义是：“设备、装置或系统在其电磁环境中能正常 运行且不向该环境中的任何实体带来不能容许的电磁扰动的能力 。 电能质量问题终究是由用户的需求驱动的，用户的衡量标准占有优先的位置。 因此，本文的电能质量定义为：电网输送给用户的电能的品质，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1 。随着科技的不断发展，电压暂降( 包括短 时供电中断) 成为对敏感设备影响最大的因素，电能质量的内涵得以进一步扩展， 除了供电系统的稳态性能外，对其暂态性能也提出了新的理解。 我国在参考两大电能质量标准的基础上，结合本国国情制定了自己的电能质量 标准。目前，由国内标准化委员会及相关行业标委会组织制定的电能质量方面的标 准有： 1 七项电能质量国家标准：( ! ) g b t1 2 3 2 5 - - 2 0 0 8 电能质量供电电压偏差； ( 喜) g b t1 2 3 2 6 - - 2 0 0 8 电能质量电压波动和闪变；g b t1 4 5 4 9 一1 9 9 3 电能质 量公用电网谐波；( 至) g b t1 5 5 4 3 - - 2 0 0 8 电能质量三相电压不平衡；g b t 1 5 9 4 5 - - 2 0 0 8 电能质量电力系统频率偏差；g b t1 8 4 8 1 - - 2 0 0 1l ：电能质量暂 时过电压和瞬态过电压；公用电网间谐波( 报批稿) ； 2 电能质量测量国家标准一项：g b t1 9 8 6 2 - - 2 0 0 5 电能质量监测设备通用要 求； 3 相关设备的国家标准一项：g b t1 0 2 3 6 - - 2 0 0 6 半导体变流器与供电系统的 兼容及干扰防护导则： 4 电能质量治理设备国家标准三项：( ! ) g b t2 0 2 9 7 - - 2 0 0 6 静止型无功功率补 偿装置( s v c 现场试验) ；( 窑) g b t2 0 2 9 8 - - 2 0 0 6 静止型无功功率补偿装置( s v c ) 功能特性；输配电系统静止无功补偿器用晶闸管的试验( 报批稿) ； 5 电能质量行业十三项标准。 国家标准是电能质量监测顺利实施的前提条件，行业标准是国家标准的必要补 充和细化，有利于电力部门加强电能质量监管，提高电网的运行和管理水平。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 电能质量的分析方法 近年来时域仿真法、频域分析法、基于数学变换的分析方法在电能质量领域中 得到了广泛的应用，为改善电能质量提供了重要的理论依据n 们。 2 2 1 时域仿真法 时域仿真法利用时域仿真程序对电能质量问题的各种暂态现象进行研究。目前 使用较多的仿真程序主要有两类：一类是e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 等暂态仿真 程序；另一类是s p i c e 、p s p i c e 等电力电子仿真程序。时域仿真方法具有物理意义 明确、直观性强等特点，主要应用于以下电能质量领域： 1 可控换流器换流时造成的电压波形下陷和电流波形畸变； 2 电弧炉引起的电压波动和闪变； 3 系统不正常接地短路或相间短路引起的电压暂降； 4 电容器投切、重负荷启动、牵引系统再加速等引起的电压暂降现象。 利用暂态仿真程序对系统现象、控制器及其控制策略进行仿真研究将成为时域 仿真法在电能质量领域中最有发展前途的方法。该方法的缺点是必须事先知道待分 析系统暂态过程的最高频率，而仿真步长的选取限制了可分析的最高频率范围。另 外，在仿真开关的投切过程中还会引起数据震荡，必须采取有效措施来抑制数据震 荡现象的发生。 2 2 2 频域分析法 频域分析法主要用于谐波的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算等。 1 频率扫描 在谐波分析中，线性网络的表达式为： 厶= 匕虬 ( 2 一1 ) 式中：匕一节点导纳矩阵； l 一注入电流源矢量； 砜一节点电压矢量； m 一谐波次数。 通过向所需研究的节点注入幅值为1 的m 次谐波电流，其余节点不注入电流， 求解式( 2 - 1 ) 得到的电压即为该节点的m 次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波动时，可以得到相应的谐波阻抗一频率特性 分布曲线，从曲线的峰值和谷值可得到该节点发生串并联谐振的频率。 2 常规谐波潮流计算 某些情况下，式( 2 - 1 ) 所述的非线性负载模型会有较大的误差，因此又提出了 7 华北电力大学硕士学位论文 一种改进方法，即将非线性负载电流表示为如式( 2 2 ) 所示的负载节点电压和负载 控制变量的函数： 厶= f ( u ，u ，c l ，c 2 ，q ) ，m = l ，2 ，h ( 2 - 2 ) 式中：厶，厶，厶一非线性负载电流各次谐波矢量； u ，玩，u 一负载节点电压各次谐波矢量； q ，g ，c 一负载控制变量。 利用牛顿法，联立求解式( 2 一1 ) 和式( 2 - 2 ) 可得到各节点的谐波电压。 2 2 3 基于数学变换的分析法 基于数学变换的分析法主要指傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换。 1 傅里叶变换( o f t ) 傅立叶变换是是目前使用最广泛、理论和技术最成熟的方法，它不仅具有正交、 完备等优点，而且有像f f t 这样的快速算法，在电能质量分析领域得到了广泛的应 用。运用f f t 时必须满足下列条件： ( 1 ) 采样频率必须是信号最高频率的两倍以上： ( 2 ) 被分析的波形是随时间周期变化的。 当采样频率和信号特性不满足上面条件时，使用f f t 会发生“频谱泄露”和。旁 瓣”现象，从而导致分析误差。另外，f f t 是对整个时间段的积分，时间信息没有 得到充分的利用，时变信号的频谱扩散到整个频带，因此不适合非平稳信号的分析 和处理。 2 短时傅里叶变换( s t f t ) 对频谱特性随时间变化的非平稳信号采用时一频分析法，最常用的是基于短时 傅里叶变换的能量频谱图，即将不平稳信号看做一系列短时问内平稳信号的集合， 从时域或频域的角度来反映信号的能量。任意一个信号的能量频谱计算式为： 州) = 万1 - o 批( 历哪片1 2 熙三z ( 2 - 3 ) 式中：缸所) 一输入信号；c o ( 聊) 一窗函数；肛取样点数；肛窗函数长度。 i e c 把电网谐波分为三类：准稳态谐波( q u a s i s t e a d yh a r m o n i c s ) 、波动性谐波 ( f l u c t u a t i n gh a r m o n i c s ) 和快速谐波( r a p i d l yc h a n g i n gh a r m o n i c s ) ，并推荐了不同类 型的谐波在使用s t f t 时采用的窗函数和窗宽。我国的电能质量标准基本采用了i e c 标准，如表2 - 1 所示。 对信号加窗函数后得到的是窗函数和原始信号函数混合后的频谱图。由于多尺 度过程的分析要求时一频窗口具有自适应性，即高频时频窗大，时窗小；低频时频 华北电力大学硕士学位论文 窗小，时窗大，而s t f t 的时一频窗口保持固定不变，因此，s t f t 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。 表2 - 1i e c 关于电网谐波的分类及推荐窗宽 3 小波变换( w t ) 小波变换分析方法具有良好的时频局部化性质，是新的多尺度分析技术。它通 过对时间序列过程从低分辨率到高分辨率的分析，显示过程变化的整体特征和局部 变化行为，即在高频时，时一频窗变窄，做到时间分辨率低而频率分辨高，在低频 时则正好相反。这一点克服了f f t 和s t f t 在频域完全局部化，在时域完全无局部 性的缺点，实现了频率窗口的自适应变化，突出问题变化的部分，适合于非平稳信 号的分析与处理。 连续小波变换的积分变换式为： c 啊( 口，6 ) - 似吐吃“啪2 p 丽 ( 2 - 4 ) 其中：( f ) ： 办( 马，v b r ，v a r 肿 、，a “， 吃。o ) 称为域变换核，扛。被称为“母小波”( m o t h e rw a v e l e t ) 。小波的积分变换 要求满足两个条件：振荡且幅值迅速衰减到零；至少有一个衰减过程，即当且 仅当对于任意q d 的正数，函数满足： 也 p 曩。o ) = 0 ( 2 - 5 ) 小波函数集合通过变化a 和b 可从母小波中推演出来。一个小波函数的振荡频 率、持续时间由a 决定，时域位置由b 决定，这样，由于时域分析的窗口时间可变， 对任意波形都可以进行分析，弥补了s t f t 的缺点。实际应用中，人们采用离散小 波变换( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ，d w t ) 1 ： d 矿矽( ，k ) = a g j 7 2f x o ) 办( 啄，t 一6 0 后) 衍 ( 2 6 ) 由于b 需要满足奎斯特定律，所以只由a 加以确定。如l a n g r s i n a i 等人取 a = 2 p 州m ，其中，为频率等级数，m 为信号频率，m 为每等级分析的信号数量。基 9 华北电力大学硕士学位论文 于此种d w t 实现了在电能质量分析中对噪声的抑制。 小波变换被称为“数学显微镜”，由于小波变换的正交性、紧支撑性，故将小 波变换用于电能质量分析尤其是非稳定信号的分析具有f f t 、s f f t 无法比拟的优 势。但是，小波变换是对所分析的信号进行调和的一种方式，不如傅氏变换的频率 分辨率，用它换来了傅氏变换所不具备的时间分辨率。在实际应用中，小波变换的 缺点是运算量大，难点在于找出最合适的基函数。 2 3 电能质量指标及测量方式 电能质量问题可分为稳态和暂态两大类：稳态电能质量以波形畸变为主要特征 量；暂态电能质量中最重要的是电压暂降，以暂降幅值、持续时间和暂降频次为特 征量。 2 3 1 供电电压偏差 供电系统在正常运行方式下，某节点的实际电压与系统标称电压之差相对于系 统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差，计算公式为： 电压偏差c 哟= 皇堡塑雩篓篙翥嘉器x 10 0 c 2 7 ， 获得电压有效值的基本测量时间窗口应为1 0 个周波，并且每个测量时间窗口应 该与紧邻的测量时间窗口接近而不重叠，连续测量并计算电压有效值的平均值，最 终计算获得供电电压偏差值。 电压合格率是通过对监测点供电电压偏差的统计计算获得的。通常以月( 或周、 季、年) 的时间为电压监测的总时间，电压偏差超限的时间累计之和为电压超限时 间。电压合格率的计算公式为： 电压合格率( ) = ( 1 一l 主曼主揣) l 。 ( 2 8 ) 各类监测点电压合格率为其对应监测点个数的平均值： 月度电压合格率( ) ：妻皇垦鱼塑皇( 2 - 9 ) 一i 刀 式中：刀一各类监测点电压监测点数。 年( 季) 度电压合格率( ) ：童旦鏖皇垦全整皇( 2 - 1 0 ) 下 朋 式中：朋一年( 季) 度电压合格率统计月数。 电网年( 季、月) 度综合电压合格率，： l o 华北电力大学硕士学位论文 ，( ) _ o 5 么+ o 5 学( 2 - 1 1 ) 式中：r a 、r n 、r e 、，d _ a 、b 、c 、d 类的年( 季、月) 度电压合格率。 2 3 2 电力系统频率偏差 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，数学表达式为： 6 ，= l ，一l 。 式中：爹厂一频率偏差，单位( h z ) ； 厶一实测频率，单位( h z ) ； 厂一系统标称频率，单位( h z ) 。 频率合格率是电网频率在限值内的时间和统计时间的一个比值， 频率在限值以内的概率。统计时间以s 为单位，计算公式为： 频率合格率( ) = ( 1 一主粪揣) l 。 2 3 3 公用电网谐波 ( 2 - 1 2 ) 用来表征电网 ( 2 - 1 3 ) 频率是基波频率大于1 的整数倍的电压或电流称为谐波，谐波次数为谐波频率 和基波频率的整数比。实际电网中还存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分 量，为延续谐波概念，称为分数次谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 或称为间谐波 ( i n t e r - h a r m o n i c s ) ，频率低于工频的间谐波又称为次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 。 对于整数次谐波，表征波形畸变的参量有谐波含有率( h a r m o n i cr a t i o ，h r ) 和 总谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 。电压、电流信号的h r 和t h d 计 算公式分别为： 1 第h 次谐波电压含有率h r ： h r u h = 瓷l o 似 ( 2 1 4 ) 式中：乩一第h 次谐波电压( 方均根值) ； u 。一基波电压( 方均根值) 。 2 第h 次谐波电流含有率月：i 玩： h r i h = 争1 0 0 ( 2 1 5 ) l 式中：，。一第h 次谐波电流( 方均根值) ； ，。一基波电流( 方均根值) 。 华北电力大学硕士学位论文 3 谐波电压含量( ，j ：r ： u h = 踊 4 谐波电流含量： 厶= ( 厶) 2 yh = 2 5 电压总谐波畸变率t h d ； 觋= 鲁枷。 6 电流总谐波畸变率乃坦： t h d ；生, 1 0 0 1 2 3 4 三相电压不平衡 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 电力系统中三相电压在幅值上不同、相位差不是1 2 0 ，或兼而有之的现象称为 电压不平衡。三相系统中的电量可由对称分量法分解为正序、负序和零序三个对称 分量，由于谐波的序分量计算十分复杂，目前仅考虑对基波信号进行序分量计算。 用f f t 算法得到三相基波电压，各序电压的三相不平衡度可由下式得到： 阱 ll 1 口一1 硝 1 e - n 鲥豳- 协2 。， 式中：砜一零序分量的方均根值，单位( v ) ； u 一正序分量的方均根值，单位( v ) ； 一负序分量的方均根值，单位( v ) 。 负序不平衡度是负序分量方均根值与正序分量方均根值之比，用符号气：表示， 即： 勺：( ) 老l o 似 ( 2 _ 2 1 ) 零序不平衡度是零序分l h - 均根值与正序分量方均根值之比，用符号气。表示， 即： 勖。( ) = 鲁x l o ( 2 - 2 2 ) 将式中的u o 、u 、u s 换成o 、厶即为相应的电流不平衡度毛：、毛。 埘 w l 华北电力大学硕士学位论文 在不含有零序分量的三相系统中，只要知道三相电量a 、b 、c 的幅值，即可由 下式求出三相不平衡度，计算公式为： 1 0 0 ( 2 - 2 3 ) 式中： 三= ( 口4 + 6 4 + c 4 ) ( 口2 + 6 2 + c 2 ) 2 。 工程上为了估算某个不对称负荷在公共连接点上造成的三相电压不平衡度，可 以用以下公式近似计算： s 衄1 0 0 ( 2 - 2 4 ) l o s , 式中：厶一电流的负序分量，单位( a ) ； u ，一公共连接点的线电压方均根值，单位( k v ) ； & 一公共连接点的三相短路容量，单位( m v a ) 。 2 3 5 电压波动和闪变 电压波动是电压方均根值一系列的变动或连续的改变。在l m i n 内测量各个周 波( 2 0 m s ) 的有效值，然后对其进行比较，用最大的差值( u 。一) 除以额定电压的 有效值，即可得电压波动值，计算式为： d ：二坠 ( 2 2 5 ) u n 波动检测方法有三种：半波有效值检波法；平方解调检波法；全波整流 检波法。三种方法的原理如图2 1 所示： a 半坡有效值法 b 平方解调法 c 全波整流法 图2 - 1 三种电压波动测量法 i e c 推荐使用平方解调检波法测电压波动m 1 。 t 频电压u ( f ) 瞬时值可表示为： u ( f ) = a ( i + m c o s f 2 t ) c o s c o o t ( 2 - 2 6 ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 u 2 0 ) t 等( 1 + 了m 2 ) + 刎2 c o s q + 华c o s 2 跏 + 复等一+ j m 2 a 2 删y 2 7 ， + 华c o s 2 ( 沪跳+ 等酬孙+ 跳 舶o ) 。刎2c o s q f + 华o s 2 q f ( 2 - 2 8 ) 图2 - 2i e c 推荐的闪变测试框图 框1 ，把被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能产生标准的调制波电压用 于仪器自检； 框2 ，3 ，4 模拟灯一眼一脑环节对电压波动的反应； 框2 ，反映灯光强度与电压的关系，给出与调制波幅值成线性关系的电压； 框3 ，由带通滤波器和视感度加权滤波器，以及一个测量范围选择器构成，用 于模拟人眼的频率选择特性。其中，带通滤波器的功能是消除平方解调后电压信号 中含有的直流分量和载波倍频分量，通频带宽为0 0 5 h z 一- 3 5 h z 。视感度加权滤波器 是最重要的滤波器，其频率集中在8 8 h z 。各环节的传递函数为： 0 0 5 h z 高通滤波器的传递函数为： h p ( j ) ；旦 ( 2 2 9 ) j l + sf ( 1 4 华北电力大学硕士学位论文 式中：国= 2 万0 0 5 s - 1 3 5 h z 低通滤波器为六阶巴特沃