（电力系统及其自动化专业论文）基于web的电能质量监测与诊断分析系统的研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 针对电网中各项电能质量指标进行准确及时的动态监测和综合评估，为电力商 业化运作提供可靠的指标数据，是保障各级电力用户正常用电秩序和监督管理的前 提。电能质量网络监测的提出为及时、准确、系统的整体分析电网电能质量起到了 重要的作用。本论文介绍了一种基于w e b 技术与面向对象技术相结合的电能质量监 测管理系统的设计方案及软硬件组成，详细描述了基于w e b 的电能质量信息发布系 统所实现的诊断分析功能。另外针对目前电能质量数据交换没有统一文件格式的情 况，系统采用了i e e e 标准委员会推荐的电能质量数据交换格式一一p q d i f ( 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 ) 来设计实现本系统的交换文件，并提供了应 用实例。该格式适用面广，可扩展性强，这为将来开发更完善的电能监测系统打下 了坚固的基础。该系统已在天津市静海地区电网中挂网试运行，运行结果表明这种 基于w e b 的电能质量监测管理系统运行可靠，具有很强的实时性、灵活性和可扩展 | 生。 关键词：电能质量监测，浏览器, i l l 务器，p q d i f ，w e b 信息发布 a b s i 。r a c + i t h ed y n a m i cm o n i t o r i n ga n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ft h ei n d e x e so fp o w e r q u a l i t y w h i c hh e l p st o p r o v i d er e l i a b l ei n d e xd a t a f o rt h ec o m m e r c i a lp o w e ro p e r a t i o ni st h e p r e c o n d i t i o nt os e c u r et h en o r m a lo r d e ro fp o w e ru t i l i z a t i o na n ds u p e r v i s e dm a n a g e m e n tf o r c u s t o m e r sa td i f f e r e n tl e v e l s as y s t e mi sd e s i g n e df o rt h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n tw h i c hi s b 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 to r i e n t e dt e c h n i q u e s ， i n c l u d i n gh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n dh a r d w a r ec o n s t i t u t i o n t h es p e c i f i cf u n c t i o n so fp o w e r q u a l i t yi n f o r m a t i o na n n o u n c i n gs y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h es y s t e ma d o p t sp q d i 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 ) a si t sd a t af o r m a tw h i c hi sr e c o m m e n d e db yi e e e c o m m i t t e e i to f f e r sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fd i f f e r e n tp o w e rq u a l i t yf i l ef o r m a t s t h e s y s t e mh a sa l r e a d yr u ni ng r i d sa tp r o v i n c ea n dc i t yl e v e l ，a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo fp o w e rq u a l i t yw h i c hi sb a s e do nw e bt e c h n o l o g yc a n r u nw i t hh i g hr e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t y z h a o y i z h o n g ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ：p o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n g ，b r o w s e r s e r v e r , p q d i f , w e b i n f o r m a t i o na n n o u n c e m e n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于w e b 的电能质量监测与诊断分析 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 作和耿得的研究成果。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已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 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： 逆纽兰鱼朔 导师签名： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 111 现代电能质量问题的提出 第一章绪论 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水 平的主要标志之一。从2 0 世纪8 0 年代以来，伴随着高技术的新型电力负荷迅速 发展以及它们对电能质量不断提出的更高要求，电能质量问题碍到了普遍的关注和 深入的讨论。越来越多的电力科研工作者、工程师在电能质量的标准、监测、分析、 控制、管理等各个领域取得了丰硕的成果。当然对电能质量关注的原因是多方面的， 归纳起来有以下几个方面。 1 为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备和电 子装置投入使用，这些装置对电能质量非常敏感。一个计算中心失去电压2 s 就可能 破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。当今自动化设备的连 续精加工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自动化生产线，例如柔 性制造系统( f m s ) 或计算机综合制造系统( c i m s ) ，它们对配电系统中的干扰和异常 非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些用户对不合 格电力的容许度可严格到1 2 个周波。 2 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸 管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由 于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变或引起电 压波动和闪变以及三相不平缀，由此降低了电网供电的安全性和可靠性，极大的削 弱和干扰了电网的经济运行； 3 电能质量也是电力市场兴起与发展的要求。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实行竞争，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、而且清洁的电力能源成为电力部门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。 4 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、校正功率因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 华北电力人学硕士学位论文 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。 5 终端电能用户己提高对电能质量的认识。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，甚至通过签订供电合同和质量协议予以 保证【2 】i 引。 随着对电力系统扰动敏感的各种设备的广泛使用以及涉及到的相关经济方面， 人们逐步提高对电能质量问题的认识和关注，并渴望电力部门对电力系统运行情况 提供广泛的监测 4 1 。欧美一些工业发达国家己进行了多年的研究，取碍了许多重要 的理论和应用成果。在法国，国家电力公司己经开始向用户提供不同等级的电能， 分别标明翠绿色、银白色、金色和绿色等，按不同的价格收费。美国国家电力科学 研究院也计划提供“用户电力技术”( c u s t o mp o w e rt e c h n i q u e ) 。用户电力技术是 将电力电子技术、微处理机技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配、用电系 统，以减小谐波畸变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断， 从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术的提出为电力公司 在系统侧以最经济的方法综合解决电能质量问题提供了一种新途径【5 】。改善电能质 量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活 和生产的正常等有着重要的意义。 1 1 2 电能质量网络化监测的必要性 长期以来，我国的电力供应一直比较紧张，人们关注的焦点主要在电力供应量 方面，对电能质量关心不多，通常只对电压、频率两个指标进行考核。近年来，随 着电力供应紧张局面的初步缓解、电能质量的日益恶化和用户对电能质量要求的不 断提高，这一问题已引起了各级电力部门的高度重视，国家已颁布了相关的技术标 准。为了保证电网安全稳定运行，提高电能的综合管理水平，为用户提供优质的电 能，必须对影响电能质量的诸多因素进行综合治理，改善电能质量的各项指标，使 其达到国标规定的正常水平。而合理的治理方案的提出，必须依赖于对电网运行状 态的实时准确跟踪。 由此可见，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、 性能优良、安装简单、使用方便的电能质量监测与分析系统，是十分必要的。 目前，国内外对电能质量的监测方式大致分为三种： 1 、专门测量：即对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器 组、滤波器等在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通 过与国家相关标准对照，决定其是否可以投运。 2 、定期或不定期监测：即针对普通电力干扰源，根据干扰的大小、危害程度 华北电力大学硕+ 学位论文 和需要等采取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查， 主要目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性。不定期榆测主要是针对电 力用户的特殊电能质量问题进行检测分析。 3 、在线监测：也称为连续监测、全过程监测或日常监测等。即对于大型干扰 源( 如炼钢厂、电气化铁路等) 必须按照电能质量标准，对电压偏差、频率偏差、谐 波、电压波动和闪变、三相不平衡等指标进行连续跟踪监测。 当前，国内对电能质量各项指标的测量大多数还处在专门测量和定期或不定期 检测阶段，没有形成对电能质量的长期连续监测，在电能质量问题日益严重并同益 受到重视的今天，前两种方式显然己不满足需要。 综观国内目前采用的各种电能质量监测手段和管理模式，主要存在以下一些不 足【6 1 ： 1 实时性不强：由于监测手段落后、监测周期长、监测点分散，造成数据时 效性差，上级部门无法及时了解各地区各电压等级的电能质量水平，从而无法及时 采取相应措施改善电能质量。 2 设备配置的灵活性、通用性差：往往只能用于特定的操作环境，远程通信 能力有限，不易实现远程监控、数据共享和长期评估与预测。 3 监测指标少：受监测装置的影响，无法同时提供多项电能质量指标，如电 压暂降、短时中断、电压波动和闪变等等。 4 缺乏决策判断的依据：由于监测手段的落后，无法对监测点进行跟踪测试， 从而难以深入分析造成电能质量的成因，也难以进一步提出改善电能质量的敏感 点。 5 对干扰的分析和故障的辨识能力有限：不具备智能分析功能，时频分析手 段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获能力，不能提供给用户可直接 用于决策的信息。 6 工作量大：一方面，需要花费很多的人力和物力去收集数据，另一方面， 还要对收集的数据进行大量的统计分析。 7 效率低：从发现电能质量的问题到解决该问题，往往需要很长时问，不利 于管理工作的开展，无法形成一个高效率的电能质量监督管理体系。 基于这种现状，以实用性、先进性、可靠性和可扩充性为原则，在全国各级电 网中逐步建立存储容量大、实时更新能力强，浏览方便，能够实现高速数据流、数 据库管理及数据共享等功能要求的电能质量监测系统，从而对电能质量进行持续永 久、全面广泛的监测己在国内外电力行业达成共识。欧美一些国家在上世纪未已经 丌始实现电能质量监测网络化运行。目前，国内的广东、浙江、江苏等省电力局正 在丌展网络型电能质量监测系统的设计、开发和实验工作。 华北电力大学硕士学位论文 1 ，2 国内外发展动态 12 1 国内外的电能质量标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户f 常使 用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护 供用电双方合法权益的法律依据。从六、七十年代开始，世界各国几乎都制定了有 关供电频率和电压允许变动的计划指标，部分国家还制定了限制谐波电压和电流畸 变、电压波动等推荐导则。近十几年来，许多工业发达国家已经制定和颁御实施了 更加完备的电能质量系列标准。随着工业经济国际化的发展，世界各国制定的电力 系统电能质量标准f 在与国际权威专业委员会推荐标准及相应的试验条件等一系 列规定接轨，逐步实现标准的完整与统一【7 1 。 1 9 8 8 年，国务院电力工业部为加强电网电能质量管理工作，曾颁布执行了电 网电能质量技术监督管理规定，提出了“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，并 指出为保证电网安全、稳定、经济、优质运行，全面保障电能质量是电力企业和用 户共同的责任和义务。迄今为止，我国已经制定并颁靠的电能质量国家标准有：供 电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 一1 9 9 0 ) ；电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 一 1 9 9 3 ) ；电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ；电能质量电 力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 一1 9 9 5 ) ：电能质量电压波动和c j _ = i 变( g b 1 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) 和电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t18 4 8 1 2 0 0 1 ) 标 准等六项国家标准。有关电能质量国家标准的详细介绍与说明可参看电压电流频 率和电能质量国家标准应用手册，这里不再赘述。 表1 1 中，e n 5 0 1 6 0 是欧洲共同体在英国标准的基础上形成的一个电能质量标 准，拟作为欧洲共同市场对中、低压电能质量的统一标准。c e a 是加拿大测量电能 质量指标的基准协议，该协议中的l l 项指标是从2 5 类电能质量指标中筛选出来的， 该协议成为加拿大全国电能质量指标监测的准则。各国对电能质量关注程度和范围 决定了监测指标的不同。相应的电能质量标准也j 下在逐步完善中。 电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和发 展的，从现有的国家标准不难看出，我国的电能质量标准体系还很不完善。有些动 态电压问题，如电压暂降，骤升，暂态浪涌与电压中断并无国家或国际标准，缺少 相应的检测推荐方法和测量精度等的规定，但因为它们对敏感负荷的重要影响，也 被纳入监测范围。部分扰动负荷( 如电弧炉、循环换流器等) 运行中产生间谐波电 流，没有国家或国际标准，但它对电容器，滤波器及敏感负荷的影响不可忽视。有 些指标的科学性和可操作性差等，而且还缺少完整的技术指导和行业规程和导则。 建立全面的电能质量标准体系仍有大量的工作需要开展。 4 华北电力大学硕士学位论文 表1 1 国内外电能质量监测指标 序号监测指标国标e n 5 0 1 6 0 ( 欧共体)c e a ( 加拿人) 1 频率偏差 2 电压偏筹 3 电压波动和闪变 4 电压骤降 5短时断电 6 k 时断电 7 暂时过电压 8 瞬态过电压 9 电压不平衡 1 0 谐波 1 1 间谐波 1 2 电源信号电压 1 3 波形畸变指标 1 4 电压骤升 1 2 2 电能质量监测技术发展现状 在工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题看待，各 国均在加强有关电能质量相关课题的研究，从所使用的理论到电能质量评价指标体 系的建立限9 ，1 0 ，1 2 l ；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义： 各种电能质量问题分析方法的提出1 1 3 , 1 4 1 ，以及“用户电力术”等电能质量控制技术 的研究和装置的开发正深入进行f 1 5 】。 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 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。直到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 1 6 , 1 7 1 。 到上世纪末本世纪初，i n t e r n 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。国际测控技术向网络化发 展，出现了“网络就是仪器”的概念，电能质量网络化监测技术应运而生，利用网 络实现电能质量的远程监测和网络化管理。瑞典联合电力公司最新开发的p q s e c u r e s 华北电力大学硕士学位论文 在线式电能质量监测分析系统和瑞士莱姆( l e m ) 公司开发的p q f i x 电能质量监测装 置都可以非常灵活地利用现有通讯接口( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，m o d e m 、局域网等) 实现 电能质量网络化监测。美国t v a ( t h et e n n e s s e ov a l l e ya u t h o r i t y ) 和e p r i ( t h e e l e c t r jcp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 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【l “，它为各种分布 装置接入系统提供接口，为广阔的电能质量信息提供足够的运转空间和容量，使新 的监测系统与现存的旧式监测系统融成一体，并且还把电能质量监测网络智能化的 实现列为重要的发展目标。 我国的电能质量在线监测一般都以某一个厂家的监测设备为核心，建立小范围 的数据中心，通讯方式有基于m o d e m 的，有基于以太网的，这类方式存在着明显 的问题： 1 各监测仪器之间的数据不能互相交换，无法实现数据的共享 2 不同测试点考察的电能质量指标不同，而且指标也在不断增加，那些小范 围的数据中心灵活性不够，数据维护困难， 3 目前数据的分析仍停留在汇总、统计上，没有更进一步的专家分析系统。 美国对电能质量问题进行了大量的监测和研究工作，为了了解和解决全国的电 能质量问题，美国电科院( e p r i ) 于1 9 9 3 年5 月一1 9 9 5 年9 月间做了一个课题，针 对全美2 4 种不同供电企业的2 7 7 个监测点进行了数据采集和统计分析，研究系统 性能如何监测、特殊的电能质量问题如何监测、为提高供电的服务质量如何监测等 等。这个研究成果成为美国开展电能质量监测的指导方针。随后，美国e p r i 又针 对不同的数据采集源研究制定电能质量数据交换格式p q d i f ( p o w e rq u a l i t yd a t a i n t e r c h a n g ef o r m a t ) ，该格式被i e e e 采纳并将打算将其作为标准来制定1 9 】。近年 来，基于w e b 技术，采用p q d i f 标准格式的在线监测系统己经有成功的应用实例。 由美国电力士( d r a n e t z b m i ) 公司及电子技术公司( e l e c t r o t e kc o n c e p t s ) 根据现 场使用需求研制开发的“签字系统( s i g n a t u r es y s t e m ) ”作为一种全新的网络监测 管理方案，采用p q d i f 的标准数据存储格式，广泛地应用于美国电力系统、汽车 工业、冶金工业等各个行业的电能质量监测方面，成功地解决了与其它分析和监测 工具兼容问题，优化了电能管理，实现了海量数据的全面控制。目前，这种签字系 统在我国也有应用的实例，如广东省引进该系统监测由三峡直流输电线路在广东省 内逆变成交流的线路运行情况。 在电能质量监测仪器和设备的研制，以及在系统构建的研究上，国际上越来越 多地采用了先进的软、硬件技术、网络技术及各种数学方法，例如，d s p 技术、虚 拟仪器技术、基于互联网以及电讯s m s 的数掘发布技术和中间件技术，以及采用小 波变换、神经网络和专家系统等作为检测识别和分析诊断工具 2 0 , 2 1 】。各方人士丌始 6 华j 匕电力大学硕士学位论文 积极探索和应用如何通过电能质量的在线监测对电力设备的预防性维护提供一些 有用的建议等。目前美国的e 1 e c t r o t e kc o n c e p t s 公司f 在这方面进行尝试。 e p r i 在对全国范围内的电能质量问题实现普查的同时，组织刀：发了电能质量诊断系 统p q d s ( p o w e rq u a l i t yd i a g n o s t i cs y s t e m ) 。该系统从数据采集、数据处理、数据 管理、波形辨识、系统仿真、以及经济评估等方面全方位地对电能质量问题实现了 综合性地分析和管理，为以后开展电能质量问题的研究工作奠定了良好的基础。随 着集成电路技术和计算机技术的发展，网络技术和嵌入式实时系统技术的f 1 益成熟 和完善，电能质量监测系统正在朝着在线监测，实时分析，网络化和智能化的方向 发展，更高一级的监测系统，如故障趋势分析型、预见维护型必将成为对电网安全 经济运行进行综合评价不可缺少的一部分。 1 2 3 电能质量管理的发展趋势 电能质量监测的目的是为了更好的改善电能质量，但是仅仅依靠电能质量的监 测是没有办法改善电能质量水平的。电能质量的管理也是不可忽视的环节，为此必 须进行以下工作： 1 建立质量管理体系 将电能质量的监督管理正式纳入电力生产轨道，同时建立国家、网省、地市3 级电能质量管理体系。 作为电能质量指标的电压和频率偏差，基本上由各级电力调度部门进行日常监 管。谐波、电压波动和闪变以及三相不平衡一般由实验部门定期组织测量。根据实 际工作的需要，有必要在国家质量监督部门领导下建立国家级电能质量检测中心， 作为电能质量监管的归口单位。各省、地、市可以建立相应的电能质量监测站。 2 制定与国家标准配套的行业标准或规程、导则 电能质量标准工作不能停留在定出几个国家标准，国标贯彻执行中还会出现许 多需要进一步明确的问题。 3 电气产品的电能质量管理 对大量干扰源电气产品，应制定产生干扰的限制指标；对于电气产品耐受干扰 的能力，也应根据i e c 电磁兼容标准制定相应的标准。 1 3 本文的主要研究工作 在电力系统安全稳定、经济运行条件下，电能质量的优劣，同样起着举足轻重 的作用，直接关系到国民经济的总体效益。因此，建立一个包括动态电压质量在内 的电能质量监测与分析系统，对其进行正确的监测、评估和分类是十分必要的。本 文根据前述国内外在此课题方面的研究现状，将对国内外监测分析数据处理技术做 进一步的研究，把电能质量监测网络模式的研究和开放式电能质量管理分析软件的 华北电力人学硕士学位论文 研制作为主攻方向，主要内容包括： ( 1 ) 本文首先概述了电能质量的定义、分类、管理以及电能质量监测的特点和 要求，并简要介绍了我国电能质量标准。 ( 2 ) 对分层分布式电能质量监测网络进行深入的分析和研究，做出网络的总体 设计，除了遵循基本的设计原则及现场需求外，重点着眼于丌放性好、灵活性强的 标准化网络的开发，并对其做出长远的目标规划；此外，还对基于i n t e r n e t 或i n t r a n e t 技术的三层b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 体系结构进行了详细规划。 ( 3 ) 将统计、分析、数据处理技术等技术与采用w e b 技术的信息查询、发布系 统有机结合，提出实现了查询与分析并举，数据处理、图表显示、报表输出打印等 模块化功能，支持在任意查询时间内进行电能质量分析，提高了信息的能见度，减 少了数据处理时间和信息资源的浪费。 ( 4 ) 剖析p o d i f 数据设计格式，著对其在电能质量监测网络中运用的优势做出 归纳和总结。选择v b 高级编程语言作为软件开发工具，结合数据传输流程，通过 使用动态链接库函数，写出网络型电能质量监测系统中p q b i f 的具体实现方法。并 根据实际情况，针对实现过程中出现的问题进行深入分析，提出进一步的完善措施。 ( 5 ) 完成软件设计、编程、测试和调试。 ( 6 ) 最后给出本课题研究的结论。 8 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章电能质量分类与分析方法 2 1 电能质量的概念 理想状态的公用电网应以恒定频率( 5 0 h z ) 和正弦波形，按规定电压水平对用 户供电。且在三相交流电力系统中，各相电压和电流应处于幅值大4 n 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 想或对称的，加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操 作、各种敌障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，因此产生了电网运行、 电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。从普遍意义上 讲，电能质量就是指优质供电。但是由于人们看问题的角度不同，对于同样的电能， 不同的行业会对其提出不同的要求。比如，电力部门关心的是电能的电压和频率是 否满足国标的要求，系统是否能够可靠运行，而电力用户关心的则是电力部门所提 供的电能是否能向负荷正常供电、是否能使负荷正常运行。所以迄今为止，对电能 质量的技术含义仍没有统一认识，还不能给出一个准确统一的定义。目前，从工程 实用的角度出发，可将电能质量概念迸一步分解为以下几个方面： 1 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、瞬 变现象、波动与闪变、凹陷( 凸起) 与间断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电 压等。 2 电流质量：为反映与电压质量有紧密关系的电流变化情况，除了对用户电 流提出单一频率正弦波形要求外，还力图要求该电流波形与供电电压同相位，以提 高输配电效率。电流质量通常包括：电流谐波、间谐波、次谐波、相位超前与滞后、 噪声等。 3 供电质量：它包括技术含义和非技术古义两部分。技术含义有电压质量和 供电可靠性；非技术含义是指服务质量，它包括供电部f 1 对用户投诉与抱怨的反应 速度和电力价目的透明度等。 4 用电质量：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。 通过不断的研究和实践，迄今关于电能质量的定义主要有以下三种： 定义l ：合格电能质量是指提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适 合于该设备正常工作。 定义2 ：对于造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题， 其表现为电压、电流或频率的偏差。 9 华北电力大学硕士学位论文 定义3 ：电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值 的正弦波形电压。 实际上，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，用户的衡量标准 应占有优先的位置。因此，我们认为电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不 能正常工作的电压、电流或频率的偏差，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、电压凹陷与短时问间断以 及供电连续性等【7 1 。 值得一提的是，随着工业规模的扩大和科学技术的发展，电力系统用电负荷结 构发生了重大变化，越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感 的高科技设备，电力用户对电能质量的要求在不断提高。与此同时，许多新型的电 气设备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰，它们对电网的安全运行和用电 设备的正常工作造成的危害与影响不断增加，电能质量问题日益突出，引起电力部 门和电力用户的高度重视。仅仅考虑谐波、工频变化、三相不平衡、电压偏差等稳 态电能质量指标已经不能满足现代电力用户的要求1 2j 。人们想得到关于电能质量更 为准确的实时信息，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结果，以利 于对电能质量问题做出决策。 由此可见，随着电能质量概念不断深化和量化，对其研究尚待深入认识和探索， 同时也对采用技术先进的产品来全面可靠的监测和分析电网电能质量提出了进一 步需求。 2 2 电能质量的分类 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够根据各种扰动特征提出相应的测量 方法，进而对其测量结果进行分选，从而找出引起电能质量问题的原因和采取针对 性的解决办法，将电能质量进行分类和给出相应的定义很重要。表2 1 给出了i e e e 关于电能质量领域电磁现象的具体分类。 对表2 1 中列出的各种现象，可进一步用其属性和特征加以描述。对于稳态现 象，可利用以下属性：幅值、频率、频谱、调制、电源阻抗、陷落深度、陷落面积； 对于非稳态现象，还可能需要一些其它特征：上升率、幅值、相位移、持续时间、 频谱、频率、发生率、能量强度、电源阻抗等1 7 | 。 由上述分析结果可看出，根据各种电能质量现象分类的属性和特征的不同，我 们所采用的测量方法也有差别： ( 1 ) 一些特征量可瞬时测出，例如电压或电流的幅值大小、频率、各种扰动 持续时间等。 ( 2 ) 一些特征量需要通过一定的数学解析方法来提取，例如对谐波、陷波、 0 华北电力人学硕士学位论文 电压波动、噪声等扰动现象进行识别时所需要的频谱是利用傅立叶变换来获得的； 三相不平衡度是通过相序变换获得的。 ( 3 ) 还有一些特征量是通过长期或长时间的测量数据4 可得出的统计值。例 如电压波动的频次、长时间闪变值和短时问闪变值等。 表2 1i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 类别典型频谱典型持续时间媳型l u 慷幅值 冲击 纳秒级5 n sk s t - i m s 瞬变现象 低频 5 k h zo3 5 0 m s0 4 du 振荡中频5 5 0 0 k h z 2 0 b s 0 8 。u ， 高频0 5 5 m h z 5 p s 0 4 p ，u 暂降 05 - - 3 0 周波0 i 0 9 du 瞬时 暂升 05 - - 3 0 周波1 i 18 p u 中断 05 周波3 s l m l n08 0 9 d u 过电压 l r a i n11 i2 p t l l 乜k 小，r 衡 稳态os 2 直流偏置 稳态0 0 1 谐波0 1 0 0 t h稳态 0 2 0 波形畸变 问谐波 0 6 k h z 稳态0 - - 2 陷波稳态 噪声宽带稳态 0 - - l 电坼波动 2 5 h z问歇0 1 7 _ t 频变化 1 0 s 电能质量问题还有一种分类方法，即按照电能质量扰动现象的两个重要表现特 征一一变化的连续性和事件的突发性为基础广泛地分成变化型和事件型两类。变 化型是指连续出现的现象，其重要的特征表现为电压或电流的幅值大小、频率、相 位差等在时问轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。例如，系统频率不可能一成 不变的等于5 0 h z ( 或6 0 h z ) ，系统电压也不可能每时每刻恒定等于其额定值，与 理想值的偏差始终存在。这一类现象包括前述的电压幅值变化、频率变化、电压与 电流间相位变化、电压不平衡、电压波动、谐波电压和电流畸变、电压陷波、主网 华北电力大学硕士学位论文 载波信号干扰等。事件型是指突然发生的现象，其重要的特征表现为电压或电流短 时严重偏离其额定值或理想波形。这一类现象包括电压凹陷和电压短时问断、欠电 压、暂态过电压、阶梯形电压变化、相位跳变等。 由于电力系统中的电能质量现象多为随机现象，在对变化型电压和电流进行质 量评估时，往往采用概率统计方法来处理，即采用概率密度函数给出相应变量在某 一确定点的概率值，并且用概率分布函数反映该变量处在某一确定范围内的可能性 有多大。图2 1 、图2 2 所示为供电电压日变化概率密度函数曲线和概率分布函数 曲线。根据变化型电能质量的特征，当测量变化型电压和电流时要求连续记录它们 的变化值。 - l 2 2 0 电压( v ) 幽2 1 电压幅值的概率密度 02 。 0 、 一。 2 1 0 2 1 5 2 2 02 2 52 3 0 电爪( v ) 图2 2 电压幅值的概率分布 在对事件型电压和电流分析评估时，通常采用其特征量，如用幅值偏离量的多 少、事件持续时间长短以及发生的频次等来描述。并且用概率论和数理统计方法以 及可靠性计算来处理。监测事件型电压和电流时，要求有一个事件启动信号，如电 压均方根值低于某一预定的阈值便开始记录，待事件结束时停止记录。 当然，根据不同基础对电能质量现象进行分类，结果也有所不同，国际上较有 影响的还有t e c 以电磁现象及相互干扰的途径和频率特性为基础引出广义的电磁扰 动的基本现象分类，文献 2 中对这种分类做了较详细的描述。总体说来，通过电 能质量分类，我们会对各种电能质量现象的特征有全面统一的了解，正确区别它们 时域、频域、瞬态、暂态、稳态、统计等方面的特性，并有针对性地提出测量方法， 找到解决问题的路径，所以电能质量分类不仅为电能质量的测量分析提供了基础， 同时也促进了电网电能质量系列标准的制定和实施，进而又为测量数据提供了统一 的、可比的、科学的平台。 2 3 电能质量的分析方法 近年来，许多数学分析方法已在许多电能质量领域中得到广泛应用，如分析谐 波在网络中的传播、自动识别在复杂系统中的电能质量扰动类型和丌发各种电能质 量监测控制装置以及分析它们在解决电网电能质量问题方面的作用等。电能质量测 i 一 一 ， 雌 一年末辞章 呲 哪 州 哪 恤 。 趔骺瓣鼙 华北电力大学硕士学位论文 量手段可分为模拟与数字两大类。模拟测量仪器功能单一、精度低、抗干扰性差： 而与之相比。计算机技术以及数字信号处理技术却为实时准确完成电能质量的分析 提供了保证。目前，人们在电能质量分析中大量采用了各种基于c p u 的测量单元， 同时也结合硬件创造了多种多样的数字处理算法。本节将着重介绍分析讨论这些数 字处理算法。 己有的分析技术围绕着如何计算出所要的参数与指标，大致上可分为：时域处 理技术；变换域处理技术：神经网络处理技术；模糊数学分析技术和专家系统处理 技术。其中后三者实质为基于前两者的分析手段，由于分析系统的非线性，从而可 以较好的完成对于非线性系统的分析。 2 3 1 时域处理技术 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f h j 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。 连续周期信号得方均根值定义为： y 旷丽d t ( 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 ( 2 2 ) 式中n 为总的采样点数。 方均根值法通常来求取电压、电流等信号的总有效值，且应用相当广泛。 2 3 2 变换域处理技术 在数学中，为了把较复杂的运算转换为较简单的运算，常常采取一种变换手段。 例如数量的乘积或商可以通过对数变换变成对数的和或差，然后再取反对数，即得 到原来数量的乘积或商。这种变换的实质就是把较复杂的乘除运算通过对数变换化 为较简单的加减运算。在数字信号处理技术中也常常采用基于此种思想的方法处理 问题，利用域变换可以将所需要的参数较为简单的求解出来。一般较为常用的变换 域变换为：傅立叶变换、小波变换等。 ( 1 ) 傅立叶变换 鬲 雁 华北电力大学硕士学位论文 任何稳定的时域周期信号可以采用无限项谐波信号之和来表示，且 厂( f ) = s “。- + 吼c o s ( 纠) ( 2 3 ) - n = o 2 ，r d 。= 三f a ，c o s ( n c o t ) d t ( 2 4 ) 1 2 ，7 12 1r 以= 吾p ( r ) s i n ( h c o t ) d t ( 2 5 ) 一2 r 式中：厂( f ) 为时域函数，n 为谐波倍数值，l 为周期值。这就是所谓的周期函 数傅立叶级数。 从域变换的角度看待傅立叶级数，可表示为 2 ：r f ( ) = l ( t ) e x p ( - j c o t ) d t ( 2 6 ) 一2 ，r 经典的信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优点，d f t 算法构成 了现代频谱分析的基础，已经成功地应用于非静态信号，而且有象f f t 这样的快速 算法，因此在电能质量仿真分析得到了广泛的应用。但在运用f f t 时，必须满足以 下基本条件： 1 满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上 2 被分析的波形必须是稳态的、随时问周期变化的。 由于f f t 变换是对整个时间段的积分，时间信号得不到充分利用：信号的任何 突变，其频谱将散布于整个频带。因此，傅立叶变换只能适用于确定性的平稳信号 ( 如谐波) 对时变非平稳信号却难以充分描述。 为解决上述问题，g a b o r 利用加窗的方法提出了短时f o u r i e r 变换方法( s t f t ) ， 即将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合，将傅立叶变换用于不平稳信号 的分析。但是s t f t 的时一频窗口不具有自适应性，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。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。n 们 ( 2 ) 小波变换 连续小波变换的积分变换式 c 胛? ( 口，6 ) = ) ，脚) = 卜( f ) 瓦虿汹 ( 2 7 ) 其中九脚= 忑1 矗( 1 - b ) a a ，v 6 r ，v 口r ”+ 、， 华北电力大学硕士学位论文 显见，其域变换核为吃6 ( f ) ，而啊。被称为“母小波”( m o t h e rw a v e l e t ) 其要 满足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 丁f 数，函数满足： 鼍 i t q 矗。( f ) = 0 ( 2 8 ) j ” 一 小波函数集合通过变化a 与b 可从母小波中推演出来。个小波函数的振荡频 率、持续时间由a 决定，时域的位置由b 决定。这样，由于时域分析的窗口时间可 变，对于任意波形都可以进行分析，恰好弥补了s t f t 的缺点。 考虑到数值计算的要求，人们采用了离散小波变换( d i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m d w t ) + 巴 d 玎呵? ( ，k ) = 口i 川2i x ( o h ( a ；。，t 一丘x 打 ( 2 9 ) 一 由于b 要满足奎斯特定律，所以只由a 加以确定。如l a n g r is a n i