（控制理论与控制工程专业论文）学生公寓电能智能化管理系统的研究(1).pdf

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： 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谫 的地方外，论文 ! 三导含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭友堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本 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 芬喙签字日期：础朋始曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重迭太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被奁j 刊和借阅。本人授权 垂迭态堂 可以将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、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在：述个括号内打“”) 学位硷文作者签名 芬字 导帅签名：沙幼涉 签字目期： 坷年岁月彤f 1签字日期：亭一f 年月力日 墼堑型型 兰堡墨 摘要 本文阐述了现代社会电能质量存在的问题，针对具有f 一泛影响的电能质量问 题介绍了一种新型的混合信号处理算法，并通过专家系统进行了识别。重点在于 结合学牛公寓用电管理的实际情况，提出了电能智能管理器的实现思路。 文中首先埘现代社会存在的电能质量问题、社会的要求和目前管理的现状进 行了广泛的介绍，对电能质量现象发国内外电能质量标准进行了综述。并且介绍 了这些电能质量问题所引起的危害。 采用专家系统的方法进行模式 = 别，在对神经网络、最近邻法、模糊逻辑和 0 家系统及一一些交义方法等模式识别方法进行比较分析的螭础i i ，根据电能后弘 信号故障分析的特点，分析了采用姚则基专家系统的方法，该模式i j 别方；j ；， 便于扩展、修改和u 别率高等特点。 结合学生公寓中用咆管理的实际情况，文斗j 介绍了一种相角测量方法，并 与其他算法进行了比较，进而提 u 了负载性质识别系统的史现。舀：剥小波理论进 行简单的介绍后，举例说明了d m e x e r 小波函数在负载性质识别叶1 的心用。 本文最后阐述了电参量测量及负载性质- 【_ ! 别的实现，重点提出了电能智能管 理器的设计思想。 关键词：电能质爨、小波多分辨率分解、专家系统、电能管理、负载性质识别 重庆大学硕上学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h ep a p e r ，t h ep r o b l e m so ft h ep o w e rq u a l i t yi nm o d e r ns o c i a la r es u m m a r i z e d ，a n e wm i x e ds i g n a la r i t t m l e t i ci si n t r o d u c e dt oa i m i n ga tt h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m sw i t h e x t e n s i v ei n f l u e n c e ，a n dt h ea r i t h m e t i ci si d e n t i f i e db ye x p e r ts y s t e m c o m b i n i n gw i t h t h er e a l i t yo ft h ep o w e rm a n a g e m e n ti ns t u d e n t s d o r m i t o r y ，t h ea u t h o rd e s i g nt h e t h o u g h ta b o u tp o w e ri n t e l l i g e n tm a n a g e r f i r s t ，t h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m sa r ei n t r o d u c e dw i d e l y a sw e l la st h ed e m a n do f t h e s o c i e t ya n d c u r r e n ts i t u a t i o no fm a n a g e m e n ta tp r e s e n t ，t h ep o w e rq u a l i t y p h e n o m e n o na n dd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp o w e rq u a l i t yl e v e la r es u m m a r i z e d a n d t h eh a r m l e s sb r o u g h tb yq u a l i t yp r o b l e m si si n t r o d u c e d i ti si d e n t i f i e db ye x p e r ts y s t e m b a s e do i lc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gn n ，n e a r e s t n e i g h b o r s ，f u z z yd e c i s i o n ，a n de x p e r ts y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r sa b o u ta n a l y s e o fp o w e rq u a l i t ys i g n a lf a u l t ，t h em e t h o dr u l e - b a s e de x p e r ts y s t e mi sa n a l y s e d ，a n dt h e m e t h o d sc h a r a c t e r sa r ee x p a n d i n g ，a m e n d i n ge a s i l ya n dh i g hi d e n t i f y i n gr a t ee t c c o m b i n e dw i t ht h ef a c t sa b o u tt h ep o w e rm a n a g e m e n ti nt h es t u d e n t s a p a r t m e n t a k i n do fp h a s e a n g l em e t h o di si n t r o d u c e di nt h ep a p e r ，c o m p a r e dw - i t ho t h e ra r i t l l r n e t i c t h er e a l i z a t i o na b o u tl o a dd i s t i n g u i s h i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d a f t e ri n t r o d u c i n gt h e w a v e l e tt h e o r y s i m p l y ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ed m e y e rw a v e l e t f u n c t i o ni nl o a d d i s t i n g u i s h i n gs y s t e mi si l l u s t r a t e d i nt h ee n do ft h ep a p e r ，t h em e a s u r ef o re l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n dr e c o g m z m gt h e e l e c t r i c a la p p l i a n c e sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h ea u t h o rd e s i g nt h et h o u g h ta b o u tp o w e r i n t e l l i g e n tm a n a g e r k e yw o r d ：p o w e rq u a l i t yw a v e l e tm u l t i r e s o l u t i o nd e c o m p o s i t i o n - e x p e r ts y 8 t 。m ， p o w e rm a n a g e m e n t ，r e c o g n i z i n gt h ee l e c t r i c a la p p l i a n c e s 重螳竺圭堂竺堡苎 ! 堕堡 1 绪论 本文着重介绍了研究电能质量的意义，总结了当今社会对电能质量的要求，并 介绍了本文的研究重点。 1 1 电能质量的定义 个理想的电力系统应以恒定的频率( 2 1 2 频5 0 h z ) 和i f 弦波形，按规定的电 压水平( 标称电压) 对用户供电。在二相交流电力系统中，各相的电压和电流应 处于幅值人d q ； 1 等、相位互差1 2 0 。的对称状态。由于系统各元件( 发电机、变压 器、线路等) 的参数并不是珲想线性的或对称的，负荷性质各异且随机变化，加 之调控于段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态 在实际当中并不存在 因此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问 题，也就产牛了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 从普遍意义上讲，合格的电能质逮是指优质供电。但迄今为止，人们对电能质 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。例如， 电力部f 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 足安全、叮靠运行的：电力j i j 一则可能把r 巳能质量简单定义为足甭向 负荷正常供电；而设备制造j 家则呵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i f 常工作需要。但实际上，不同厂家和不同i 殳备对电源特性的要求 可能相去甚远。另一方面，对电能质量的认识也受e u 力系统发展水平的制约，特 别是用电负荷的性能和结构等方面的制约。 什么是电能质量? 在这一研究领域的许多义献和报告中曾使用过如下的相关 术语1 1 ； 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) 。就是用实际电压与理想电雎删的偏差( 应理解 为广义偏差，即包含幅值、波形、相位等等) ，反映供屯部j 向用户供给的电力 是否合格。 电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) 。为反映与电压质量有紧密关系的电流变化情况， 除了对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求外，还力图使该电流波彤与供 电电压同相位，从而保证系统以高功率因数运行。 供电质量( q u a l i t yo fs u p p l y ) 。包括技术含义和非技术含义眄个部分。技术 含义指电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ， 包括供电部门对片j 户投诉与抱怨的反应情况、电力价格( 合理性、透明度) 等。 用电质量( q u a l i t yo fc o n s u m p t i o n ) 。反映供用双方相了工作用与影响中用电 方的责任和义务。如用户是否按时、如数缴纳电费等。 皇垦查竺塑兰兰篁堡兰 ! 堕堡 实际上，供电系统只能控制电压的高低，不能控制某一负载汲取电流的大小。 因而大多数情况是在讨论电压的质量问题。当然，系统在实际运行时，电压与电 流q 总是存在着不町分割的紧密联系，尽管发电机提供了几乎纯j 卜弦的电压，但 通过系统阻抗的电流可能造成对公共连接点( p c c ) 电压的扰动而使之变化。如： 短路电流可能引起电压的跌落或者完全消失。 雷电电流注入系统引起冲击电压，造成频繁的绝缘闪络，还可能导敏短路故 障等其他现象的发生。 谐波源负荷注入的畸变电流流经系统阻抗时，也使f 世线电压发生畸变，该母 线上的其它电力用户将承受非正弦波电压。 i e e e 技术协调委员会给山电能质量相j 衄的技术定义为：“合格电能质量的概 念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统足均适合于该设备萨常丁作 兄有专家主张采川如f 的电能质量定义。：表现为电压、电流或频率的1 q 式k 。 用户设备故障或错误动作的任何电力问题鄙是电能质量问题。根据这一定义，r 包 能质量除了保汪额定电压和额定频率下的丁f 弦波形外，还包括所有的瞬变现象， 如冲击脉冲、衰减振荡、瞬时间断和陷波等。 1 2 现代社会对电能质量的要求 自二十世纪九卜年代以来，随着高新技术，尤其是信息技术的e 速发展，f 乜 子控制器、芯片生产线、p l c 、精密机械1 具、微型电机、计算机装置等设备对电 力供应的质量提出了更全面的要求，尤其是其暂态性能方面的要求，如高可靠性、 高动态恒定特性，这就是所谓的信息电力。凼此现代电能质量的评估应转为以用 户侧的需求为标准，而不是单单由 个或儿个行业米决定。目前围际上普遍认为， 电压幅值低于0 1 p t j 和大于0 5 周波的供电中断对敏感的用户而言都被认为是断 电故障，这对传统的观点是一种挑战，如过去的自动重合器或自动切换装置，其 机械开关的操作至少需要好几个周波卅能恢复供电，因此已难以适应信息电力时 代电能质量的需求，此外，电压跌落也成为危害用电设备的严重的电能质量问题。 据统计，这两种供电问题对信息用电设备造成了极大的危害，这在信息技术特别 发达的美固非常突出，据美国电力科学院( e p r i ) 有关专家估计，当自电能质量 的相关问题每年造成的损失可达数百亿美元。 随着社会对商品质量认识的提高，电能质量自然成为供用f 巳再力关注的热点t 它主要由以f 几方面决定： 在电力市场化的初期，公众最关注的是供电的可靠性和收费的合理性，但 是随着市场的规范和电网的发展，特别是配电网络的发展，供电可靠和收费合理 是供电企业向社会承诺的最基本的内容。随之而来的是对电能质量的要求，电力 _ 重坠塑鲨丝坚 ! 笪堡 企业要在电力市场化中赢得声誉，争取主动，必须重视电能质量。另一方面，关 于电能质量问题，还存在许多分歧和争论，主要表现在电能质量问题发生的原冈 与责任上，供用电双方从认识和看法卜往往存在很大的不同。例如，配电系统普 遍采用和经常遇到的电容器投切操作，有可能引起暂态过电压而损坏用，1 t 设备， 也可能造成用户设备掉屯，此时用电方会简单的孢怨供电质量太筹，以至于投诉。 又如，当电网某处发生短路故障，很可能在一些负倚公共连接点出现小同程度的 短时电压凹，其结果将造成某工厂的变频驱动装置掉电。而由1 二目前电力部门还 缺少对类似现象的监测屺录与统计，供电方可能会认为对该工厂的电力供应是i f 常的。 现代：i ：业的发展对提高供电的可靠性，改善电能质量提出了越米越高的要 求，存现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密的加工工 具、可编程控制器、计算机信息系统的f 1 盘r 一泛应用，对电能质量的控制提出了 日益严格的要求。这些设备刘电源的波动和备种干扰十分敏感，任何供电质量的 恶化都将影响这些设备工作的正确性，对生产过程和产品质吊造成危害。 电j 系统的安全经济运行依赖于刘电能质量的控制。电力系统是一个整体， 一旦它的局部受到污染和干扰丽造成区域性的故障，就有。t 能酿成系统事故。此 外，研究和试验已经汪明，电刚污染影响电能汁量的准确性，其结果是供电企业 向污染源氽业少收电费，电量损失可达干分之几。 综上所述，现代电网与负荷构成出现的变化是工业生产4 j 断发展的必然结果， 这有利于电力用户提高生产率并按得更大的经济效益。同时采_ l j 高效电力负荷 设备可大量节约能源、延缓用电需求，从而节省电力建改所需的人量投资。阅此 提高供屯质量、满足生产发展的需求已成为供用双方共同的愿望。深入分析和研 究电能质量问题，探寻在一定条件f 发生电磁r 扰的冈果关系，明确责任和义务， 是电力l ：业适应市场竞争和可持续发展所必须的。 1 3 国内外的现状 国际上对电能质量问题的系统研究u r 以追溯到八卜年代兴起的电磁兼容 ( i i m c ) 学科。而电能质量问题基本上属于e c 中的传导低频现象。e m c 的基本任 务是协调干扰发射者和接受者之 j 的天系，使其“兼容”。协凋方法是制定合理 的规定值。1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会发前i 公用配电系统的供电特性 草案。该草案在广泛吸收i e c 标准的基础上，对巾、低，丝配电系统用户供电端的 电能质量作了全面规定，包括频率、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压 等“。 国外从9 0 年代以来已经出现了定制电力( c u s t o mp o w e r ) 的供电技术。把人 重庆大学坝上学位论文 1 绪论 功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用，1 t 对电力可靠性和质量的要 求为依据，为用户配置所需要的电力。使单独的用户或用户群从标准质量的配电 系统上得到用户指定水平的电力。到此，研究和丌发电能质量领域的新技术己成 为近年来电力系统研究的新热点。 和世界先进固家相比，综观我国的电能质量状况，还存在一定的差距，主要 表现在： 电能质量意识落后，还停留在传统的电压、频率偏差。认为只要供电电压、 频率在规定允诈范围内，电能质量就是合格的，甚至对外公布的公告也只有这两 个指标。目前电力企业列电能质量的评估主要依据国家质量技术监督局颁布的系 列标准，如供电电压允许偏差、公用电网谐波、三相电l 允许不甲衡 度等。显然，传统的电能质逞的概念主要强调供电系统稳态的特征，如电力企 业常统计供电电压和频率的合格率百分数( 9 9 9 9 ) 来况明供电对用，、的可靠性， 而不注_ 歪：其暂态即动态的特征。因此，同6 u 电力食业对电能质量的控制手段仍主 要依赖于对供电电压的调整”1 。 未进行系统化的研究，主要表现侄： 1 ) 未对电能质量问题进行广泛调研。电能质量问题范围很广，但 要是电流 质量问题和电压质量问题。英刚1 9 9 5 年就电能质量川题对容量超过l m w 的1 0 0 家 用户作了调奄，结果显示在过去的1 2 个月晕，6 9 的用户的牛产过程冈电能质量 问题而受到破坏，其中4 5 的用，1 。遭到多次扰动，在事故原囚凋杏统计中发现， 8 3 的事故由电压跌落和瞬时供电中断造成”。茭翻e p r i 也已进行过长期、广泛 的实测调研i ，这地调研结果无疑为解决电能质量问题提供了重要的参考依据，而 我凼还未引起相应的重视。 2 ) 未开展电能质量对不同行业用户影响的试验研究。研究电力用户对电能质 量的敏感性问题可为选择恰当的补偿方式提供重要的依据，同时也为今后制定也 能质量标准提供重要的参考。 3 ) 缺乏电能质量问题的监测、评他技术。目前国内广泛采用统计型电压表监 测电压质量水平，这些电压监测仪j l 能监测电压合格率需要人工抄表，缺乏统 计分析功能：而谐波和电压波动、l 、 j 变的测量则用便携式测试仪器，分别对变电 所的各级母线电m ，土变j i 器各侧的谐波电流、电容器组的偕波 u 流进行测量、 列人、中型非线性负荷用户和电厂以及低从配电网进行测量然后根据测量数抓 进行汇总、统计分析对电网的电能质量水平进行评估。这种电能质量监测手段 和管理模式存在着实时性差、监测指标少、工作量大、测量误差大、效率低等明 显的局限性o “。 绪论 1 4 本文的主要工作 本文针刘电能质量主要进行了以f 的工作： 详细阐述了现代社会的电能质量刚题，包括电能质量的各种概念、倍受火 注的原凼以及国内外的标准等。 介绍电能质最扰动波形的处理方法，根据电能扰动信号的不同特。 ，分析 了一种基于时域和小波多分辨率分解相结合的规则基分析方法，对电能质量问题 进行有效的分类。通过仿真，证明了该方法的有效性。 阐述了学生公寓安全用电的重要性，提出了负载性质识别及电参量测试的 _ ：爻现方法。 结合学生公寓用电管理的实际，提m 了学生公寓电能智能管理器的设计思 想。 15 本章小结 本章通过划电能质晕的枞念及现代社会的要求的介绍，指出了研究电能质量 的意义，并结合国内外的现状提h 了本文的主要工作。 重壅查兰丝兰羔型兰堕l ! 曼! ! 旦里 2 。电能质量 2 1 电能质量问题综述 i e e e 对现代供电系统典型的电磁干扰现象进行了特征分类，根据扰动的频谱 特征、持续时问、幅值变化等将其进行了细分，为准确区分这些暂态现象提供了 依据。i e e e 将电磁系统的暂态现象分为二二大类：瞬时、短时和长期的电压变动， 反映在电压的波形特征上，其中瞬时电压变动根据波形频谱特征和持续时间，短 时电压变动和长期电压变动根掘持续时川和幅值变化又进 步细分为1 8 个子类。 其中，短时电压变动，尤其是中断和跌落已成为固际关注的问题。这螳现象往往 由于供电线路遭雷击对地闪络，或系统发生故障致使保护动作，电源短时失去后 又重合闸等原因而产生，短时的电压变动对于具有鞍慢惯性矩的传统机电设备不 会造成明显的影响，但会严重影响现代信息用屯设筝的矿：带使用，成为现代电能 质量的主要问题之一。 2 1 1 频率偏移 频率偏移是电能质黾的重要指标之 ，定义为电力系统基波频率偏离额定频 率的程度。大容量负荷或发电机的投切以及控制设备不完善都有一u 能导致频率偏 移。我国电力 业技术管理法规规定，犬容量电力系统的频率偏移不得超过0 ，2 h z ， 一些工业发达国家规定频率偏移不得超过0 1 【z 。 系统频率的过大变动对用户和发电一的不利影响二l 耍表现在以一v l 个方面： 频；年变化引起异步电动机转速变化，导致纺织、造纸等机械的产品质量受 到影响； 与系统频率有关的测控设备受系统频率的影响而降低性能，甚至不能下常 1 作： 系统频率降低引起电动机的转速和功率降低，导致传动机械效率降低： 频率降低，发电厂汽轮机叶片的振动鞭打。影响使用寿命，甚至产生裂纹 而断裂；给煤、排水系统效牢降低，从而使系统频率状态进步恶化； 系统频率降低将引起异步电机和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率 增加，恶化了电力系统的 皂压水、f ； 频率的变化有可能引起系统中滤波器的失谐和电容器纽的无功功率变化。 2 1 2 长时电压偏移 长时电压偏移是衡量电能质量的另一个重要指标定义为持续时问超过1 分 钟，稳态工频电压有效值超过规定限值的所有电压偏移包括过电压、欠电压和 持续失去电压三种情况，常用电力嘲中各节点电压值对其额定值的大小来表示， 重旦2 兰型堕兰堂堂生鱼：墨一 ! 生堂垦量 一般规定长时电压偏移的大小应存额定值的1 0 之内。 大负荷与无功补偿电容器的投切操作，系统阻抗较大或电压调节不善都可能 引起长时电压偏移，长时电压偏移过大会对电力系统的j f 常运行产生不利影响， 集中表现存两个方面： 对用电设备的危害。用电设各在额定电压时性能最好、效率最高，电压偏 离额定值时，其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命。电压偏差超过 定值时，还会引起设备的损坏。 对电网稳定、经济运行的影响。 2 1 3 短时电压偏移 短时电压偏移包括电压跌落、电压升高和失去电压，对短时电压偏移，冈外 已进行了不少研究工作，国内尚未引起足够重视。 电压跋港足掐工频电压或电流降低剑0 i p u o 9 p u 之间，持续时间在o 5 个 周波到1 分钟之间的电压质量问题。瞬时性故障往往以电压跌落丌始，大电力负 荷的投入，大容量电容器的切除，大电机的启动或多个电动机的同时启动都有司 能引起邻近负荷的电压跌落。变电站内某条配电线的单相接地战障也有一】丁能引起 邻近馈电线路的电压跌落。 电压升高是指_ 二频电压或电流有效值j ：j i 到1 j p u 1 s p u 之闸，持续时m 在 0 5 个周波到1 分钟之间的电压质量问题。单棚接地敞障会引起非故障相的电压升 高，大负荷的切除或电容器组的充电也会导致类似的电压质量i i u j 题。 失玄电压是指供电电压或电流降到0 1p u 以下，持续时间不超过1 分钟的电 能质量问题。失- 去电压的主要原因是由于雷击、树木倾倒、刮风等引起晌电力系 统瞬时性故障，也有可能是因为设各失效或控制装置的误动作。 2 1 4 电磁暂态 电磁暂态是指电力系统从个稳定状态过渡到另一个稳定状态时电压或r 包 流数值的暂时性变化。产生电磁暂态的主要原凼是雷电波冲击和电力系统故障等。 电磁暂态可分为冲击暂态和振荡暂态两类。 冲击暂态定义为电压或电流在稳态下的突然非i 一频变化，变化是单方向的， 常用其卜升和延迟时间米描述。产生冲击暂态的主要原因是闪电。由于涉及到的 频率很高，所以产生的冲击电压或电流衰减很快，同一个冲击暂念事件，在电力 网络的不同点会观察到不同的结果。冲击暂态常常引起设备因过电压而损坏，还 有可能激发电力系统的固有振荡而导致振荡暂态。 振荡暂态定义为电压或电流在稳态下的突然非工频变化，变化足双向的，常 用频谱成分( 主导频率) 、持续时问和幅值进行描述，根据其频谱范罔，振荡暂 态可分为高频、q - 频和低频三种。 里垦蔓! 兰竺! ：堂壁堡兰 ! 生堂垦篁 2 1 5 三相不平衡 电压不平衡定义为相电压或相电流对于 , t l l 电压或电流平均值偏移的最大 值t 三相电压( 电流) 不平衡的产生既有没计方面的原因，如单相r 乜气没备二相 分布的严重不对称；也有存在火容量单相负荷的客观塬因，如单卡h 电力机车、电 弧炉等：另外，系统故障也会导致三相不平衡的产生。在三相电力系统中，三相 f j 平衡的程度常用负序分量与正序分量有效值之比来表征。根据g t i 、1 5 5 4 3 1 9 5 5 电能质量= 相电压允许不平衡度的规定，电力系统公共连接点i r 常电压不平 衡度允许值为2 ，短时不得超过4 。 三相不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害。主要有： 引起以负序为起动元件的多种保护发生误动作，威胁电嘲的安全运 j ：。 使半导体变流设备产生附加的谐波咆流。 0 引起旋转电机的附加发热和振动，危害电机的安全运行一。i l j i ! 一，j 变压器的三 日负荷不平衡会使负荷较大的一相绕组过热而缩短其寿命， 并且会由十磁路的彳i 平衡产生附加损耗。 干扰通信系统，影响j 卜常的通信质量。 使电网的损耗增加。 影响计算机的j r 常t ：作：使照明电灯f l 勺寿命缩短或照度不够以及电视机的 损坏等”。 2 1 6 波形失真 波形失真定义为理想r 频正弦波的稳态偏移，常用其频谱含量术拙述。波形 失真主要包括五个方面的内容：直流偏移，渚波，问凿波，陷波和噪声。 交流电嘲中如果存在直流电压或电流，则称为直流偏移。广生直流偏移的主 要原因是由于地磁暴产生的电磁干扰和电嘲中半波整流设备的存在。直流电流流 过变压器的直流偏磁，产生附加损耗而过热并降低其使用寿命。直流电流还会导 致接地体或其他联接器的电化腐蚀。 谐波( h a r m o n i c ) 定义为其有供电系统基波频率整数倍频率的一弦电j i 或电流， 导致波形失真的原因是非线性负荷的存在，谐波失真水平可以用每个单一谐波成 分的帽值和相位描述，也可b ：j , i f f l 某一特定的参数，如喈波必真度来描述。喈波失 真度和畸变率是评价电力系统中谐波含量的t 要指标，定义为各次喈波分量总有 效值与基波分量有效值之比。 谐波对电力系统的危害极大。主要有： 使旋转电机的附加损耗增火、设备过热。 引起变压器绕组的附加损耗，使变压器的外壳、外层硅钏片和某些金属固 件发热，并引起变压器的振动。 重庆大学硕t 学位论文 2 【乜能质量 对继电保护和自动装置产生干扰，使其动作不稳定甚至发生误动或拒动。 输电线路的谐波放大有可能引起系统的谐振。 谐波“污染”已成为电力系统的公害之一，因此对谐波进行准确的测鼍与分 析已成为电力行业普遍关心的问题。进行谐波分析的方法有多种，如f f t 、k a l m a n 滤波及近年来兴起的小波分析等。 小波变换在时域和频域同时具有良好的局部性，特别适合于突变信号和不平 稳信号的分析。由于电力系统中的负载大多是动态的，特别是大型的工业负载如 轧钢机、电弧炉的起停使得电网电压和电流的波形是时变的。前人常用k a m a n 滤 波的方法检测时变的谐波，但浚方法一般适用于跟踪变化缓慢的信号。而小波变 换谐波检测方法的突出优点是可以实时的跟踪谐波的变化，具有史时性。小波变 换本身对信号的奇异点非常敏感，这个特，_ 呵以跟踪那些突变的信号。但小波变 换乃法在电能质量研究领域的f 、vf f j 迁处于起步阶段，现有的小波变换均无法实现 谐波的精确测量，必须构造分频严格、能量集中的小波函数来改善监测的精度。 间谐波定义为具有供电系统基波频牢非整数倍频率的正弦电压或电流，它常 表现为离散频率或宽带频谱。i 白j i r 波广泛存在于各级电网中，产牛的原因是静止 频率变换器、整流器、感应电机和电弧设备等，电力线路上的载波信号也，叮以认 为是删谐波，叫谐波会引起显示设备的洲烁。 陷波是由于换流器换相而产生的周期性电压t 扰，尽管可以利用傅立叶变换 将陷波分解成一系列喈波，但般将陷波币独处理，因为其谐波次数般较高且 幅值不大，用谐波测量设备很难表征。 噪声是指叠加在每相电压或电流，中性线或信号线l 的，频率超过2 0 0 k h z 的 不希望的电气信号，电力电子设备，控制电路，电弧装置，以及供电系统的投切 都会产生电磁噪声。噪声会影n 向微机和呵编程控制器的正常工作，装设滤波器和 隔离变压器可降低电磁噪声的影响。 2 1 7 电压波动和闪变 电压波动( f l u c t u a t i o n ) 是指电压包络线的规则变化或电压的一系列随机变化， 但其变化范围在额定值的l o z 内。闪变( f l i c k ) 指的是电压波动对照明设备 产生的影响，这个影响被人眼主观感觉到了。电压波动的主要影响足引起白炽灯 照明设备、电视机等显示没备的闪烁现象。电弧炉和轧钢机等大容量冲击性负荷 的存在是引起电压波动和闪变的根本原因。决定闪变的主要因素有； 供电电压波动的幅值、频度和波形： 照明装置，以对白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定 电压等有关； 人对l 、 j 变的主观视感。 重庆大学硕上学位论文 2 电能质量 2 2 电能质量的相关标准 世界上主要的两大电能质量标准分别为以f e e e 出版物为代表的北美标准和以 【e c 出版物为代表的欧洲标准。其他固家结合木 量| 实际经过修改也都提出了自己的 标准，如俄国、波兰、日本等。 2 2 1 国外电能质量标准的概况 各种电气设备之间以电磁传导、感应利辐射这三种方式彼此关联，相互影响， 在一定条件下会对设备的正常工作和人类造成干扰和危害。从8 0 年代兴起的电磁 兼容( e m c ) 学科，就是以研究和解决这方向问题为其宗旨。该学科的着眼点是对 于扰的产生、传播、接收、抑制机理以及其相应的测量、计量技术进行深入的研 究。在此基础上，根据经济、技术最合理的原则，对产生的十扰水平、抗十扰水 平以及抑制措施作出明确的规定，使处于同电磁环境中的设备都是“兼容”：+ 。“ 也就是说个设备( 或装置、系统) 住其电磁环境中，满意地执行其功能，；o 义不向该环境中的任何实体引入4 i 能允许的电磁扰动。显然，电能质量问题堆奉 上属j ie m c 中传导低频现象。e m c 的基本任务是协调二f 扰发射者平u 扰 承受者之间的关系使具“兼容”。 水 协调的办法就是制定出合理且配 套的规定值。m 调中所涉及的几 个参数的关系如图2 1 所示。图 中横坐标为独立变量，如频率、 电压偏差值、谐波含量、电压波 动和i j 变值、三相电压不平衡度 等等。实际上某一种设备的发射 水平和抗扰水平随制造和运行状 况而有所不同，从整体上表现出 统计的特性，可以用概率密度的 方式来描述，如图2 2 所示。 为了统一各固有关电气标准和规范， 图2i 电磁兼容协调。 】的有关参数 f i g 2 1t h er e l e v a n tp a r a m e t e r si ne l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y l 际电工委员会( i 比) 于1 9 7 3 年建立 了第7 7 技术委员会，下设3 个分委会，其中1 9 8 1 年3 月建立的s c 7 7 a 分委会负 责低频扰动的电磁兼容标准的制订，该委员会 作成果以i e c 出版物1 0 0 0 的形式 表示。i e c 的1 0 0 0 系列标准拟包括6 个部分： 0 3 总论1 0 0 01 包括总的考虑( 介绍、基本原则) 、定义、术语： 环境1 0 0 02 包括环境描述、环境的分类、兼容水平； 重璧奎i 型望丝笙皇 ! 皇璧鐾薹 袋毽1 0 0 0 3 包季薹笈射袋筑、撬虢鞭蓬： 试验和测燮技术1 0 0 04 包括测赞技术、试验技术： 安装稻臻裁导弼1 0 0 0 5 怠括安装学瘸、籀裁静方法帮装嚣 杂项1 0 0 0 - 6 。 概凇磐胜) 鞠2 。2 扰动东i f 翱概率密接的关系 f i g 2 , 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep e r t u r b a t i o nl e v e la n dp r o b a b l ed e n s i t y 以上每一部分均商套标准，鼗莉已 f 式氆舨的文霸强是其中的小部分， 而1 0 0 0 3 、1 0 0 0 5 、1 0 0 0 6 部分尚未址任何标准出版。将来即使手j i e c 配套的系 列标撵，鑫其俸运_ 籍j 上也还奈天萋王偌需婪徽。1 9 9 2 年7 月，欧测电工标准纯委 员会( c e n e l e c ) 发布公用配电系统供电特性文件c i 。c b t t f 6 8 6 ( s e c ) l s 号 文 孛。该文彳牛在广泛啜浚i e c 标毽静莲硝匕疆电黥 乍为稃产磊，对中、羝疆 配电系统用户供电端的电能质量做了较全面的舰定，内容涉及频率、电压值、电 压刁；平菠、毫疆波形以及龟源麴信号电疆等。浚文 枣室称，蓦呼怒定弱电压特性耷 是作为公用配电网t 牛 传导性于扰的电磁兼窬水平。从其规定为用户供电端的电能 震璧攉溺，浚标准主爱是麸愆电没螯的事焘挽淡逡柬考感夔。e m c 承乎楚为t 凌* 溺 的目的而定出的一个参考值，有这参考值便可以采用适当的方法和裕度t 确定 于援添懿发瓣陵谴，以及电气莰器圭蓖挠限僮，这套蹬2 。t 鞠爨2 2 中一蠢了然。因 此，不能把e m c 水平当作电能质量施行的杯准柬对待u 1 9 9 5 年欧潲茭嘲体在英瓣标准的纂媾，颁囊了一个电麓质量栎准，稳为“公 用配电系统供电特性”，作为欧洲共同市场划中、抵压电能质量的统一标准。标 准共分5 大炎1 3 令撂器： 频率偏差：1 ) 在互联电列巾；2 ) 在孤立电剐( 如岛屿供电等) 巾。 电压螺篷：】) 慢速电压变化( 电压煽差) ；2 ) 快速电压变化( 电压波劫 重庆大学顺十学位论文 2 电能质量 和闪变) ；3 ) 电压暂降；4 ) 短时断电；5 ) 长时断电；6 ) 暂时工频过电压：7 ) 瞬态过电压。 电压不平衡。 电压波形：1 ) 谐波电压；2 ) 间谐波电玉。 信号电压。 事实上，各国在制定电能质量标准时，均会衡量电力部门和用户两方的投入 比重，并受制丁电力供求关系和技术绎济发展水平。然而，对标准某一规定值作 出确切的技术经济估算几乎是不可能的，而且标准只可能具有统计意义上的合理 性。因此尽管电能质量标准至今尚未统一，但随着国际贸易的发展和各罔问技术 交流的需要，标准的国际化趋势是小可避免的。 2 2 2 电能质量国标介绍 从, q o 年代初丌始，国家技术蛉督局将制定国家电能质量系列标准列为重点项 同。系列标准共有j 个，即6 8 1 2 3 2 5 9 0 供电电址允许偏差；( m 1 2 3 2 62 0 0 0 电 压允- 【， = 波动和闪变：g b t 14 5 4 9 一公用电网谐波：g b ，i1 5 5 4 ：i 一9 5 三相电 压允许不平衡度；o b t 1 5 9 4 5 9 5 电力系统频率允许偏差。从上述标准可以 看出： 国标已将反映电能质量的5 个主要指标包括伍内，这些指标和电力系统- i i 常运行状态密切相关； 将电能作为产品，明确了质量指标的衡量点； 与负荷性质相关的3 个指标存测量方法、取值及测量仪器等力面均做了相 应的规定。并就单个用户允许的丁扰指标在谐波、4 j 平衡度和频率3 个标准中提 供了计算方法或控制指标。这些规定为标准的实施提供了依据； 新制订的国家标准和围内现行的行业标准以及相关的国家标准基本上协 调，和国外工业化国家的标准基本 ：“接轨”，但和近年来i e c 提出的e m c 标准 相比显得“严些。对此，如考虑到我国的标准是从“发射限值”出发制定的t 就不足为奇了。 1 ) 电压允许偏差 允许限值：a 3 5 k v 及以上为正负偏差绝村值之和不超过1 0 ；b 1 0 k v 及以下 三相供电电k 允许偏差为7 ；c 2 2 0 v 单干h 供电电压允许偏差为+ 7 一1 0 a 衡量点为供用电产权分界处或电能训量点。 用电设备的运行指标和额定寿命足对其额定电压而言的。当其端子上出现电 压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差大小、持续时间和设 备状况而异，电压偏差计算式如下： 电压偏差= ( 实际电压一额定电压) 额定电压1 0 0 ( 2 1 ) 重淡天学蛟上学位论文 2 奄姥疆鼙 电麓质量供电电压允许偏差( 0 8 1 2 3 2 5 9 0 ) 筑定电力系统在矛常运行条 件下，_ 耳j 户受电端供电电压的允许偏差为：a 3 s k y 及以l 供电和对电压质蹬有特 臻簧隶戆拜j 广；为羲定电压懿+ s 5 ；b ，i o k v 爱以下高压供电和低愿电力蠲 户为额定电压的+ 7 7 ；c 低压照明用户为额定电压的+ 5 一1 0 。为 了辍涯焉毫设备鹣正常运行，茳综合考虑了设备毒l 造霹电瓣建设簿经济台囊褴岳， 对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，也为工业企业供配电系统设计提供厂 袋爨。 2 ) 公用电网谐波 各级电网谐波电压限值见下表。衡量点为p c c ，取实测9 5 概率值：对用， 允许产生的谐波电流，提供计算方法；对测量方法和测量仪器作出基本规定；对 同次谐波随机性合成提供算法。 表21l 司怀中备级电阚i 旨波电腿限值 t a b l e2 1t h el i m i tv o l t a g eo f a l ll e v e l so f e l e c t r i cw ir en e ti nn a t i o n a ls t a n d a t d 电网协、称电压电脏总惜波畸变率 各玖浩波【乜i 含有：群( ) ( k v )r | f j ( ) 奇次f f 3 ；欠 o3 8 5 ，o4 02 o 6 l o4 0321 6 3 5 6 63 02 ，4l2 1 1 02 o1 6o8 谐波( h a r m o n i c ) 即对周期性的交流量进行傅立叶分解得到的频率为人j 二l 的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。数掘丢失、计算 机误动作、断路器无故跳闸、设备过早失效和电气设备过热等等电气敞障都足山 谐波造成的。电能质量一公用电l a l 喈波( g b t 1 4 5 2 9 9 3 ) 中规定了各电难等 级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限值。该 标准还规定了电网公共连接点的谐波电流( 2 2 5 次) 注入的允许值；而且同一公 共连接点的每个用，、t 向电刚注入的谐波电流允许值按此用，。在该点的协议容量与 其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。 3 ) 电n 三波动和闪变 允许限值：电压变动d 的限值和变动频度f ( h1 ) 有关；当r 1 0 0 0 时，对于 低压( i , v ) 和中压( m v ) d = 1 2 5 4 ：对于高压( h v ) d = l o 3 ：对于随机不 规则的变动d = 2 ( l v 、m v ) ；d = 1 5 ( 【v ) 。闪变限值如下表所示。衡量点 为电网公共连接j 囊( p c c ) ：p ，每次测量周期1 0 i n ir i ，取实测9 5 概率值：p n 每次 测量周期2 h 不得超标；规定限值分三级处理原则；提供预测计算方法，规定测 重庆大学坝j 学f l 论殳 2 咆能质量 量仪器并给出典型分析实例。 表22 国标中闪变限值 t a b l e2 2t h ef l a s hl i m i t a t i o nj nn a f i o n a 】s l a n d a r d 系统电压等级l v m vh v p n 1 o 0 9 ( 1 0 ) o 8 p 】t 0 8o 7 ( 0 8 )o 6 电压波动( f h c t u a t i o n ) 即电压均方根值一系列的变动或连续的改变，l n 变 ( f 1i c k ) 即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧 焊机等引起的。 电能质量一电压波动和闪变( g b l 2 3 2 62 0 0 0 ) 足存原标准 ( g b l 2 3 2 6 9 0 ) 的基础上，参考了固际电j = 委员会( i e c ) 电磁兼容( e m c ) 标准 e c 6 1 0 0 37 等修订而成的适川于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动 及由此人可能对灯i 刈有明显感觉的场合，该标准规定