（电力电子与电力传动专业论文）采用usb通信的电能质量测量装置的研究.pdf

茎墨茎兰重兰量竺兰塞丝婴 a b s t r a c t c r t ht h e 蓼缸l j a le s t a b l i s h m e n to f o 口p o w e rm a r k e t p o w e rq u a yi s i s s u r et h a t 迭 b e c o m 面鐾a g t yi n r p o r t a n tt oe l e c t r i c i t yc o 签u m e r s 越a l ll e v e l so fa s a g 工o nt h eo n e h a n d ，e e c l l - i cp o w e rs y s t e ms h o u l dp r o v i d ee l e c t r i c i t yc 0 i i e r sw i t hb i 曲q u a l 畸 e l e c t r i c a le n e m ya n dp r e v e n tp o l l u t i n gf r o mp o w e rl o a d s o nt h eo t h e rt r o d e l e c t r i c i t y c ：0 1 1 s l m l e r sr e 血eh i g hq u a l i t ye l e c t r i c a le n e r g ym a k i n gt h e i r - e q u i p m e 盘i n s l r t m l e n t sa n d s y s 垃mw o r ki n 骅s oh o wt os e tu pt h eh a r m o n yb e t w e e np o w e rs y s t e ma n de l e c n i e i _ f y c 咀商赂a n d 口讲麻k 蚯啦郇嘶e l e c t r i c a le n e r g yf o re l e c t r i c i t yc | c 畹m 船，w h i c h b e e nf o c u s e db ym a n y p e o p l e o v e r a l ls u p e r v i s i o na n dm e a s u r e m e n to fp o w e rq u a l i t yi sp r e c o n d i t i o nt o i m p r o v e p o w e r 乖嘶a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l i t yo fc u r r e n tp o w e rs y s t e ma n ds c 口n a t i o n a lo r 缸地m 筮i 嘲s 冽a r d s 盘 o 啦p o w e rq 删i 觋t h i sp a p e rp r o v i d st h es 阿e i i j ca p p m e bt o t e a l i 2 血o no f e a s u 理虹地日【乜o fp o w e rq u a l i t ya n dd t 瑚e l o p sa l lo v e r - a l ls u p e r v i s o r ya a d m e a s u r i n gd e v i c eo f p o w e rq u a l i t y t h ee m p h a s e so f r e s e a r e h a ska st h ef o l l o w i n g ： b a l l rt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( 册h a sg r e a ta d v a n l a g ei n 雠c o m p u t a t i o n a l p l o c 晦o fh a r m o n i c ，v o h g ed e v i a t i o n , 曲，e e p h a s em 出a l a 血d e g r 吐e t ts ot h ed e v j c e a d o p t st h em u l t i p l e x o rc h a n n e l , t h eh t o r - a j g i ra n dm 罾 5 p 咧a d n v t 黯b ym e a n so f f f t t e c h 啕u a n dm u l t i - b y t ef l o a t i n gp 0 | 皿o p e r a t i o n s a m o t 趣t h et h r - p h a s ev o l t a g e a n dc u l t e t l ti nt h ep o w e rs y s t e ma tt h es a l n et i m e _ w h i c hr e a 【晓p e r f e c ta n a l y s ea n d 咖斑m r 啪e mo fl i a m 痢c ，t h r e e - p h a s eu r t h a l a n e ed e 挈e ea n ds 0 1 t i eo t h e re x p o n e n t so f ，o w e rq u a l i t y t h em e t h o d o f s y n c hw a v e f o r mp r e - 栅a n ds y n c h p h a s el o c k e di su s e d a at h es y n c h r o n o u ss a 口n p l e s y s t e m , w h i c he f i m i n a m st h ei n f l u e n c eo fl e a k i n g - e f f e c to t l a a e a s u r e m e n ta c c u r a c yt oag r e a te x t e n t t h ee x c e l l e n td i g i t a lw a yt om e a s l l l ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e rw s s u td i s c o v e r e d _ | n t e r i o r l y ak e ya c h i e v e m e n to ft h ep a p e rw a sb u i d i n gt h ed i g i t a ls i m u l a t i o ns y s t e m t c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fw ca n ds t u d yt h ed i g i 乜1w a y t of f l e a s u r ev o l t a g ef l u c t a t i o na n d l i c k e ri nt h e e n v i r o n m e n to f m a r l 曲t h es i m u l a t i o nr e s u l tp m v e dt h ea l g o r i t h ma n dm e t h o d r r e s e n t e dt ob ee o i t e c ta n d a c c e p t a b l e t h ep a p e ra c c o m p l i s h e st h es y s t e m i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es u p e r v i s o r y m dm e a s u r i n gd e v i c ea n dr e a l i z e sf u n c 矗o n a l s y n c h r o n o u sm e a s u r e m e a to fh a r m o n i c m t a m e t e r so ft h r e e p h a s ev o l t a g ea n dc u 玎t n 七s e q u e n c e c o m p o n e n t sa n dt h r e e - p h a s e m b a l a n c ed e 笋；e 缸d v ev a l u eo ft h r e e - p h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n t ；r e a lp o w e r , w a t t l e s s ) o w e r , p o w e rf a c t o r , f r e q u e n c ea n ds o m eo t h e re x p o n e n t so fp o w e rq u a l i t y b e s i d e st h o s e ， h eh a r d w a r e 出她a n d3p a r to fa l g o r q t h _ mp r o g r a m m et or e a l i z em e a s n t e m e n to ff l i c k e r f i n i s h e d u s bc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei s a p p l i e dt oc o n a m t m i c a t ew i t hp c w h i c hi sa p e e i a i t yo ft h ed e v i c e u s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h ed e s i g no fi n t e r f a c ec i r c u i t i r m w a r e d r i v e ra n da p p l i c a l i o np r o g r a m sb a s e do np cm d e m i l e d l yi n t r o d u c e d 武汉大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es u p e r v i s o r ya n dm e a s u r i n gs o f t w a r eo f p o w e rq u a l i t yb a s e do i lv c 6 ，0i sd e s i g n e d , w h i c hp r o v i d e sc o n s u m e r saf r i e n d l yc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e e x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h ed e v i c ei so f t h eh i g h e rs p e e da n d b e t t e ra c c u r a c yo fs u p e r v i s i o na n di t sp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o na r ea l la tt h ep r e c e d e n c e l e v e lt h a nh o m o g e n e o u sp r o d u c t s ，a sw e l li t sr a t i oo f p e r f o r m a n c et op r i c ei sg r e a t k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y - s u p e r v i s i o na n dm e a s u r e m e n t ，h a r m o n i c ，v o l t a g e f l u c t u a t i o n ，f l i c k e r ，u s b ，s i m u l a t i o n ，v i s u a lc 州0 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请硕士学位的论文是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：彳；钐f 习日期：弘d 3 年f 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉大学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，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密瓯在2年解密后使用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 作者签名：i 多形i 纠 ，1 导师签名： 日期：函。多年三月加日 日期：年月日 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 电能是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，是由发、供、用电三方 共同保证质量的一种特殊产品【1 】。它已成为现代社会中使用最为广泛的能源，其应用程度是 衡量一个国家或地区发展水平的重要标志之。近年来，随着我国电力事业的迅猛发展， 电力系统的规模日益扩大，电能紧缺的问题已逐步解决，但与此同时，有关电能质量的问 题却日益紧迫的摆在我们面前。供电网中由于高压直流输电系统的广泛应用和大量变频器、 整流器、电弧炉等非线性负荷的接入嗍，电阿中谐波污染情况日益严熏；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荷的接入，导致电网三相电压的不对称 度也比较严重；由于太容量的轧钢机、电弧炉等冲击性负荷的应用，使得电网中电压的波 动和闪变也时常发生。此外，电压及频率的稳定也会受到负荷波动的影响。以上这些现象 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不利，而且还会对用户用电 和工农业生产造成不利的影响。 一 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。因 此，提高电能质量的监测水平已引起全国电力工作者广泛关注。 电能质量的检测不论在理论上还是实践上都有许多值得深入研究的问题。研制一种新 型的电能质量监测装置，集测量、控制、通信等功能于一体，有效的进行电能质量监测， 对于保证电力系统运行的安全性、经济性、和可靠性具有重要意义。 1 1 电台邕质量的基本概念 一个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，按规定的电压水 平( 标豫电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小 相等，相位互差1 2 0 0 的对称状态。由于系统各元件( 发电机，变压器，线路等) 参数并 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、 外来干扰和各种故障等原园。这种理想状态在实际中并不存在而由此产生了电网运行、 电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量的概念。 从普遍意义来讲，电能质量是指优质供电口】，i e e e 技术协调委员会已正式采用“p o w e r q u a l i t y ”这一术语，并且给出了相应的技术定义：“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是均适合于该设备正常工作的”。这个定义的缺点是不够直 接和简明。d u g a n r c 又将电能质量定义为：“导致用户设备故障或不能正常工作的电压、 电流或频率偏差”。这个定义较简明，也概括了电能质量问题的成因和后果，当然这里的 偏差应广义理解，甚至包括供电可靠性。 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 1 电能质量的一般分类 为了系统地分析、研究电能质量l l j ，并能够对其测量结果进行分析，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或规 定是很重要的。对于电能质量现象可以从不回的角度分类。电力系统中各种扰动引起的电 能质量问题主要可分为稳态和暂态两大类。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、波形下陷以及噪声等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续 时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类f 国际电工委员会( 1 e e ) 从电磁现象及电磁干扰的特性考虑，给出了引起电磁干扰的 基本现象分类方法。将引起电磁扰动的基本现象分成了传导型低频现象、辐射型低频现象、 传导型高频现象、辐射型高频现象、静电放电现象和核电磁脉冲等六种情况”1 。与此同 时，美国电气电子工程师学会( i e e e ) 也给出了电能质量领域电磁现象的具体分类i l 。 而且i e e e 还对其所分类的现象进行了进一步的细化和描述。对于稳态现象，可以利用以 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、能量强度、 电源阻抗等。具体来讲，i e e e 将电力系统的电磁现象分为了瞬变现象、短时间变动、长 时间变动、电压不平衡、波形畸变、电压波动和工频变化等七种现象、相对于c 的分 类而言，i e e e 的分类更加细化、更贴近电力系统的实际。 1 1 2 改善电能质量的意义 改善电能质量的意义可简要概括为以下几点【i l j ： ( 1 ) 是保证电力系统安全( 包括用户设备的用电安全) 、稳定、经济运行的必要条件， 是电网运行水平高低的重要标志，同时也是电力企业用电管理水平考核的重要指标。 ( 2 ) 是提高国民经济总体效益，用电效益( 节能，降损) 和改善电气环境，以及工业 生产可持续发展的技术保证。 ( 3 ) 是面向电力市场，适应竞争机制强有力的手段。 ( 4 ) 通过建立和健全电能质量的全面管理，保证各行各业的正常用电秩序，为千家 万户提供安全可靠的电能。 由于电能质量关系重大，已引起世界各国越来越多的重视，其中美国、日本、法国等 发达国家对此进行了多年的研究，在电能质量检测方面己取得了许多重要的理论和应用成 果。丽我国由于长期以来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，对电能质量关心并不多，通常也只对电压、频率两个指标进行监测、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，电能质量综合检测h 这一问题己；f 起各级电力部门以及电力终端用户的高度重视。 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 电能质量的溅量 1 2 1 国内外电能质量检测的现状和电能质量标准 国际上对电能质量问题的系统研究可以追溯到八十年代兴起的电磁兼容( e m c ) 学科。 该学科对干扰的产生、传播、接收、抑制机理及相应的测量、计量技术进行深入的研究， 根据经济、技术最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平、及抑晦i 措施作出规定， 使处于同一电磁环境中的设备“兼容”。而电能质量问题基本上属于e m 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收者之间的关系，使其“兼容”。协调方法 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布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，对中、低压配电系统用户供电端的 电能质量作了全匾的规定。包括频率、电压( 电压偏差、电压波动及闲变、短时和长期停 电、暂态工频过电压、瞬态过电压) 电压不平衡度、电压波形以及电源的信号电压等”j 。 1 9 9 3 1 9 9 5 年，美国e p r i 在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，得到了大量的电 能质量数据“j 。 目前我国对电能质量的研究主要集中在以下5 个方面，并制定了相应的国家标准i l i j ： 公用电网谐波( gb t1 4 5 4 9 9 3 ) 、电压允许波动和闪变( gb1 2 3 2 3 2 0 0 0 ) 、三相电压允许 不平衡度( gb t1 5 5 4 3 - 1 9 9 5 ) 、电力系统频率允许偏差( gb ，t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、供电电压允 许偏差( gb1 2 3 2 5 - 9 0 ) 。而西方发达国家对电能质量的研究主要集中在以下几类，每一类 包含若干项目：暂态电能质量问题( t r a n s i e n t s ) 、短持续时间电能质量问题( s h o r td u r a t i o n v a r i a f i o n s ) ；长持续时间电能质量问题( l o n gd u r a t i o nv a r i a t i o n s ) 、三相电压不平衡、波形 畸变、电压波动和闪变、频率变化等。从上面的介绍中可以看出，国外电能质量研究的范 围要远远大于我国电能质量的标准范围，我国目前的电能质量标准不能覆盖暂态等类型电 能质量问题，因此需要发展满足以下要求的新监测技术“j ： ( 1 ) 能捕捉快速( m s 级甚至n s 级) 瞬时干扰的波形。因为许多瞬间扰动很难用个别参 量( 如有效值) 来完整描述，同时随机性强，因此需要采用多种判据来启动量测装置，如 幅值、波形畸变、幅值上升率等。 ( 2 ) 需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位；需要有足够高的采样速率，以便 能测得相当高次谐波的信息。 ( 3 ) 建立有效的分析和自动辨识系统，使之能反映各种电能质量指标的特征及其随 时间变化规律。一 一 随着计算机和微电子技术的发展，进一步促进了电能质量问题的研究及其监测装置的 研制。国外在电能质量监测设备( p o w e rq u a l i t y 许多先进软、硬件技术，以及各种数学工具1 4 如d s p 技术，基于p c 微机p x i 总线的硬件 设计，虚拟仪器技术，基于互联网毗及电讯s m s 技术的数据发布技术，以及采用小波技 术、神经网络和专家系统等作为监测、分析工具。因此，能够实现对多种类型的电能质量 精确测量、分类和评估，但这些设备大都价格昂贵。在国内，虽然记录电压合格率的自动 装置、专门的谐波监测仪、测量频率装置等己在一些电力部门投入实际运行，不少的微机 3 茎堡查兰堕主兰垡堡兰墨二量茎笙 式故障录波器、变电站自动化系统等装置中也考虑了兼顾电能质量监测的问题。然而这些 装置在电能质量监测方面的功能还比较单一，不能将多项指标测量综合在一起。 1 2 2 我国电毖质量测量尚存问题及发展 近些年，我国开发了一些电力测控装置和电能质量检测装置，但在功能上、实用化方 面均未达到理想的效果。还存在一些问题：一 ( 1 ) 在国标五项电能质量标准中，频率、谐波、电压和三相不平衡度的测量方法相 对比较成熟。而对电压波动与闪变测量方法和实现技术的研究，因为重视程度不够相对滞 后一些。同时，我国原电压波动与闪变标准参照日本闪变标准制定，新制定的标准已转为 参照i e c 的闪变标准。据已查到的文献看，目前国内鲜有自行研制并依据新标准的闪变 测量装置，依据新标准的数字式闪变测量装置几乎是空白。 ( 2 ) 目前的数字式电能质量测量装置不能综合考虑五项电能质量指标的监测，只能 监测其中的一项或几项。从资料来看，国内尚没有能够同时监测国标规定的五项电能质量 指标、尤其是包括测量电压波动与闪变指标的装置。 ( 3 ) 原有的电能质量测量系统大都采用串口与p c 机通信，受串口较低通信速率的 影响，当数据量较大时，很容易使系统偏离稳定工作状态，不利于对电网运行状态的实时 在线监测。u s b 总线作为p c 机与外设连接的标准方式，传输速率大，不占用系统的中断 资源，即插即用，易于扩展等优点己呈现出取代传统的r s 2 3 2 4 8 5 总线的趋势。 ( 4 ) 原有电能质量监测系统后台软件大多运行于d o s 平台，人机交互性不好。 1 3 本课题研究的内容 本文在对电能质量及其测量的理论基础进行比较全面的讨论的基础上，提出了一种数 字式电能质量测量实现方案，设计了采用u s b 总线通信的，能同时对五项电能质量指标监 测的p q m ，并对电压波动和闪变测量的全过程进行了模拟仿真研究，以闪变测量作为一 个单独的功能模块完成了其初步设计。 主要研究内容及成果如下： 1 充分考虑监测要求、实时计算能力和通信能力，提出了一种数字式电能质量测量 实现方案，最计了采用u s b 总线通信的，能同时对五项电能质量指标监测的p q m 。 2 完成了电能质量监测系统软、硬件设计，实现了三相电压、电流的谐波参数：序 分量及不平衡度；三相电压、电流有效值：有功、无功、功率因数、频率等电能质量指标 的监测。谐波、序分量和不平衡度测量具有单次、3 秒平均和统计等测量方式。 3 依据l e c 推荐的闪变测量原理和规范，对电压波动和闪变测量的全过程进行了模 拟仿真研究。包括波动信号的产生、各种滤波器的最计、输出结果的统计分析以及输出波 形的比较分析，为数字式闪变仪的实现提供理论和技术依据。仿真结果表明所提供的方法 能很好地满足i e c 所提精度要求。并以闪变测量作为一个单独的功能模块完成了其初步 设计。 4 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 4 对u s b 通信接口进行了深入的研究，掌握了u s b 总线的通信协议，并设计了u s b 通信接口的软件和硬件。将u s b 接口用于电能质量测量系统，大大提高了测量装置和后 台计算机间的数据交换能力。 5 设计了基于v c 6 0 开发平台的电能质量监控软件，为用户提供了友好的人机界面。 后台软件不仅实现对数据的传输、存储、管理，快速计算及显示，同时使用户能方便地看 到全面、直观的各类分析统计结果。 武汉丈学硕士学位论文 第二章电能质量测量原理及数学模型 第二章电能质量测量原理及数学模型 2 1 电能质量指标 电能质量指标是电自 质量各个方面的具体描述闭，不同指标有不同定义。长期以来， 一 人们对电能质量的关注主要集中在电压和频率两个指标上。近年来，随着电力供应紧张的 初步缓解和用户对电能质量要求的不断提高，又针对电能质量提出了以下三个指标：电压 波动与闪变、电力谐波及三相电压不平衡度。 2 1 1 供电电压允许偏差 电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时，实际电压与系统标称电压之差f ”。通 常指电压变化率小于每秒l 时实际电压值与系统标称电压值之差，可用有名值或标么值 表示。 电压偏差c ，= 苎堑生是篆若- 。 电压偏差过大会使用电设备偏离额定电压工作，其| 生能和效率都会降低，有的还会减 少使用寿命。当电压偏差超过一定值时会引起设备的损坏，对电网的稳定经济运行产生较 大的影响。因此，我国对电压偏差颁布了如下标准：( 1 ) 3 5 k v 及以上供电电压正、负偏 差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ：( 2 ) l o k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定 电压的7 ；( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 、1 0 。 2 1 2 电力系统频率偏差 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标i i ”。需要加以动态监测，另一方面作 为实施安全稳定控制的重要状态反馈量，要求能实施重构。另外，频率同步也是实现高精 度谐波分析的重要措施之。从测量的角度讲，定间隔采样难以同时满足计算量大、跟踪 速度快和计算精度高的要求。而自适应调整采样间隔，即根据信号当前的频率随时调整采 样间隔，可以有效的消除由于频率变化带来的误差。从整个电力系统来讲，系统低频或高 频运行对电厂、负荷都有不利的影响，概括的说，在o 5 h z 之内主要是经济问题，郎设 备的效率降低。偏差值大于o 5 h z ，则不仅仅是使设备的效率降低，还危及设备的安全， 引起设各的累积陛损伤，损伤设备，导致系统瓦解甚至崩溃。 频率偏差是指电力系统频率的实际值和标么值( 5 0 h z ) 之差： f = f f n( 2 一1 ) 电力系统的频率允许偏差是指系统正常运行自频率允许偏差范围，它决定着电力系统 发电、输变电设备和负荷的运行频率。系统频率允许偏差是安全、质量和经济三方面综合 考虑、统一协调而确立的。根据国家标准电能质量电力系统频率偏差的规定，电力系 6 武汉大学硕士学位论文第二章电能质量测量原理及数学模型 统正常频率允许偏差值为0 2 h z 。当系统容量较小时，其偏差值可以放宽到0 5 h z 。 2 1 3 三相电压的不平衡度 电力系统的三相电压不平衡度是由于三相负载不平衡阻及系统的元件参数不对称所 致。三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除含有谐波分量外，还含 有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路，只含有正、负序分量。三相电量的不平 衡度通常以负序分量与正序分量均方根值的百分比来表示。 e 一堕l o o ( 2 2 ) q 式中：u 1 为三相电压正序分量的均方根值； u 2 为三相电压负序分量的均方根值。 三相电压不平衡会对电力系统和用户造成一系列危害【1 5 1 。主要有： ( 1 ) 引起以负序为启动元件的多种保护发生误动作，威胁电阿的安全运行。 ( 2 ) 使半导体变流设备产生附加的谐波电流。 一 ( 3 ) 引起旋转电机的附加发热和振动，危害电机的安全运行和正常出力。 ( 4 ) 变压器的三相负荷不平衡，会使负荷较大的一相绕组过热而缩短其寿命， 并且会由于磁路的不平衡造成附加损耗。 ( 5 ) 干扰通信系统，影响正常的通信质量。 ( 6 ) 使电网的损耗增加。 ( 7 ) 影响计算机的正常工作和照明电灯的寿命缩短或照度不够以及电视机的损 坏等。 国家标准对三相不平衡度的规定只适用于电力系统正常运行方式下在电网公共连接 点的电压不平衡。故障引起的不平衡( 如单相接地、两相短路故障等) 不在考虑之列。标 准规定：( 1 ) 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2o o o ，短时不超过4 ；( 2 ) 接于公共接点的每个用户，引起该点电压不平衡度的允许值一般为1 3 。 2 1 4 电网谐波 谐波是一个周期性电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍。当电力系统中存 在非线性负荷时，电压或电流波形就有可能发生畸变，不再是正弦波。任一非正弦周期波 f ( u t ) ，总可以分解为 厂( 甜) = + ( 矗耐) ( h _ l ，2 ，3 ”) ( 2 3 ) h 式中：却一直流分量； h 一正整数，称为谐波次数( 阶数) ： f k ( hut ) - 基波频率h 倍的正弦波分量，h = l 的正弦波分量为基波，h = z 3 等的正弦波分量称为高次谐波或谐波。 我们通常所说的谐波就是上式中所指的谐波，但实际电网中有时存在一些频率不是基 武汉大学埙士学位论文第二章电能质量测量原理及数学模型 波频率整数倍的正弦波分量，其中有称为分数次谐波【l ”( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 和间谐波 ( i n t e r - h a r m o n i c s ) 的：低于工频的谐波又称为次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 。 谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、 谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法 等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。 谐波测量的主要作用有【q 【“j ： ( 1 ) 鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有 谐波源用户的设备投运时的测量。 ( 2 ) 电气设备调试、投运时的谐波测量，可以确保设备投运后电力系统和设备的安 全及经济运行。 ( 3 ) 谐波故障或异常原因的测量。 ( 4 ) 谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。 上面我们已经说明了电能质量五项指标中：供电电压允许偏差、电力系统频率偏差、 三相电压不平衡度及电网谐波等四项电能质量指标的定义，测量模型与意义以及相应国标 规定的内容：对于电压波动与闶变的检测我们将在第3 章作详细讨论。 2 2 测量方法及数学模型 快速傅立叶变换f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 在谐波测量、电压偏差、三相不平衡度 等的计算过程中有极大的优势，因此选用f f t 作为这三项电能质量指标的测量计算方法。 一个周期为t 的连续波形y ( o 其傅立叶级数的复数形式为： y ( f ) = 瓦p ( 2 - - 4 ) 复系数c 谱，玩= 圭c 吒一属，= 手羔c ，弦划盛疗= o ，t ，2 ，c ：一s ， 其中：吒= 吾莲巾) c 。s 础 1 o ( 2 6 ) 2 玉 6 j ，。f 垃y ( t ) s i n n c o 。t d t n = o ，i 2 ( 2 7 ) 1n 1 0 3 0 = 2 矾 工是基波频； s 上兀 = 瓦 武汉大学硕士学位论文 第二章电鹾质量授j 量原理及数学模型 且有：0 2 = q 2 + 6 。2 ，巩= 伽培拿 钆 吒，见为第n 次谐波的幅值与相角。 所谓谐波分析就是求出复系数瓯，从而隶出各次谐波的幅值c n 和相角以。 2 2 i 王数字谐波分析 为了进行数字谐波分析，将( 2 4 ) 式离散化后，傅立叶级数式变成 y ( k r ) ；敏e 牡“ ( 2 8 ) 离散夏系数( 谱) i 瓦= 主( 口：一州) = 专篓y ( e 2 m ”( ：呻) 其中：口：_ 三笋y 泔) e o s n * ( 2 - - 1 ( 3 ) 其中：2 寺萎k y 汜 争v = 0 v 屯= 斋薹m 小”z , r k ( 2 - - 1 1 ) 式中n 为谐波次数，n 为一个周渡内的采样点数，k - - - - 0 ，1 , 2 ，n 1 为时域采样序号， t 为同步采样脉冲周期，t = nt 。在装置申为了提高处理速度，对( 2 5 ) 式的计算采用了 f f t 算法。各次谐波的幅值为： ，= 如h 一b o 一( 2 - 1 2 ) n 次谐波含有率( 与基波的百分比) ： 二三1 0 0 ( )( 2 一1 3 ) c r i 次谐波的相角( 以同步信号正同过零点为相位角参考点) a 吼2 a r c t g 0 总谐波畸变荤，以电压为例： 9 ( 2 1 4 ) 武汉大学硕士学位论文 第二章电篚质量测量原理及数学模型 t d 。= 厅广一 1 ( u 。) 2 11 ：2 - 1 0 0 ( 2 - - t 5 ) u ， 装置在3 秒平均方式时，在3 秒钟内等间隔采样m 次，即进行1 1 1 次谐波测量，然后 根据国标g b t 1 4 5 4 9 9 3 中盼( d 1 ) 式对各次谐波进行方均根计算。 u 。= ( 2 1 6 ) 式中，u “；为3 秒内第k 次测量的n 次谐波有效值 m ：为3 秒内取均匀间隔的测量次数，m 在绕计测量方式中，连续测量m 次( 3 0 s m d r i v e r e x t e n s i o n - a d d d e v i c e = u s b k d b a d d d e v i c e ： 在p n p 管理器调用& d d d e v i c e 入口点时( 即驱动程序加载时) 执行u s b k d b a d d d e v i c e 例程。 d r i v e r o b j e c t - d r i v e r u n l o a d = u s b k d b u n l o a d ： 设置在驱动程序卸载时自动调用u s b k d b u n l o a d 例程。 d r i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n ( i r pm jc r e a t e ) = u _ s h k a b c r e a t e ； 设置打开设备( 通过在w i r d 2 应用程序中谓用c r e a t f f l e ( ) ) 时自动谓用u s b k d b c r e a t e 例程。 d r i v e r o b j e c t - m a j o 婿u n c t i o n ( i r pm jc l o s e ) = u s b k d b c l o s e ；, 设置关闭设备( 通过在w m 3 2 应用程序中调用c l o s e f d e ( ) ) 时自动调用u s b k d b c l o s e 例程。 d r i v e r o b j e e t - m a j o r f u n c t i o n f l r pm jp n p ) = u s b k d b p n p ； 设置当驱动程序收到p n p l r p 时自动调用u s b k d b p a p 例程，在u s b k d b p n p 设置了具 有不同p n p 次功能代码的不同消息的处理例程入口。 d r i v e r o b j e e t - m a j o r f u n c t i o n ( i r pm jp o w e r ) = u s b k d b p o w e k 设置电源管理饲程为u s b k d b p o w e r 。 d r i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n ( i r pm jr e a d ) = u s b k d b r e a d ； 设置当驱动程序收到“读”i r p 时自动调用u s b k d b r e a d 例程。 d r i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n ( i r pm jw r i t e p u s b k d b w r i t e ： 设置当驱动程序收到“写”i r p 时自动调用u s b k d b w r i t e 例程。 d r i v e r o b j e c t - m a j o r f u n c t i o n ( i r pm jd e c eo n t r o l ) = u s b k d b d e v i c e c o n t r o l ： 设置当驱动程序收到i o c t li r p 时，自动调用u s b k d b d e v i c e c o n t r o l 例程，在 u s b k d b d e v i c e c o n t r o l 例程中设置了具有不同 o c t l 次功能代码的不同消息的处理例程入 口。 在完成了驱动程序的入口例程后我们再根据设备需要，完成各相应子功能例程的编 制工作，便完成了整个设备驱动的开发，在此我们不再详细描述。 武汉大学硕士学位论文第五章电篚质量监测装置的设计 第五章电能质量监澍装置的设计 5 1 系统的硬件设计 5 1 i 硬件电路总体设计 为实现国家标准规定的五项电能质量指标的测量，我们设计了一种新型的电篚质量监 测装置，其硬件系统如图5 一l 所示。各功能模块设计说明如下： 1 信号输入部分 电压信号由电阻分压器衰减后经过精密隔离变压器送到缓冲器；电流侧每一通道前有 一个无感分流电阻，将电流信号转变为电压信号后经过一精密的隔离变压器送至缓冲器， 实现仪器与被测系统的电隔离。由于实际应用中输入信号的幅值范围有所不同，因此设有 自动量程切换环节，它能够根据输入信号的幅值大小控制程控放大器的放大倍数，使得模 数转换器在采样时输入的模数量总是接近满量程。然后经过低通滤波器是为了消除高于截 止频率的谐渡成份，消除混叠误差。 2 谐波、三相不平衡度、频率、有效值等指标测量部分 为了对六个通道的电压、电流信号同时采样，在装置中有六片采样保持器和3 片1 4 位高速的模数( a d ) 转换器。一片模数转换器处理一相的电压和电流信号。谐波、序分 量和不平衡度测量具有单次、3 秒平均和统计测量方式。当电压谐波含有率或t h i ) l i 越限， 或电流谐波有效值越限时，装置可发出报警信号。 3 闪变测量 这是一个相对独立的系统，其硬件设计原理与谐波测量类似。它的输入数据来源于经 通道选择后的某一相电压采集电路数据处理也是由一片专门的8 0 c 1 9 6 k c 负责完成，两 片8 0 c 1 9 6 k c 并行工作。由于闪变测量要求在1 0 分钟内不间断地以2 0 0 h z 的频率对连续 信号采样并作相应处理，其实时性要求高，如果同谐波测量共享采样数据的话有可能造成 系统的不稳定，并且实现起来也较为困难。然而闪变测量的结果却非常简单，十分钟内只 产生一个短时间闪变值。产生的短时值通过串口送计算机显示。 武汉大学硕士学位论文第五章电能质量监测装置的设计 3 7 圃|_毋器沸呻整脚烯随赢齐莆圃 武汉大学硕士学位论文 第五章电能质量监测装置的设计 5 1 2 同步采样 1 同步采样的必要性 为了消除泄漏效应引入的测量误差。人们进行了长期的研究采用了各种采样方式。 目前主要有3 种方法：同步采样、准同步采样、非同步采样。 同步采样就是对周期为t 0 的被测电气信号在u l 血，一 一，轧1 如，时刻进行交流采 样( 不失一般性，令t o = 0 ) 如果有 t - - t n - - t 产0【5 1 ) t ，= t 。- - t = t s ( i ：o ，i ，2 一n - l ，n ，一) ( j 一2 ) 同时成立，则称采样为理想同步采样”。，式中t ；为采样周期。可见，理想同步采样需满足 两个条件。首先，信