（电气工程专业论文）基于kalman滤波的动态电能质量监测.pdf

四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 断电等，另外还为用户提供了电能质量统计数据格式灵活、多样的显示和输出。 本系统具有良好的开放性、可扩展性和较好的稳定性。它的成功开发对于加强 电能质量的技术监管提供技术支持变为了现实；为进一步改善和提高电能质量 提供了科学的依据。 关键词：动态电能质量；ab 交换；k a l r m n 滤波；电压凹陷；监测系统；v b 编 程 堕型查堂三堡堡主兰堡丝苎( 型璺 d y n a m i c p o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e do nk a l m a n m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d a u t o m a t i o n g r a d u a t e ：y ux i m u a d v i s o r ：y a n gh o n g g e n g a b s t r a c t w h i l ea l a r g en u m b e ro f c o n v e r t e r sb a s e do np o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e sa n d o t h e rn o n l i n e a rl o a d sa l ew i d e l yu s e di np o w e rs y s t e m s ，t h ee l e c t r i cw o r k e r so fm a n y c o u n t r i e sh a v ea l r e a d yp a i dc l o s ea t t e n t i o nt ov a r i o u sk i n d so ft h er e l e v a n tp o w e r q u a l i t yp r o b l e m st h a tt h e s ee q u i p m e n t sb r i n g a tt h es a m et i m e , d e v e l o p m e n to f m i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n i q u es p u r sw i d ea p p l i c a t i o no fa l lk i n d so fa u t o m a t i cd e v i c 髂 a n dg r e a t l ya d v 绷【c c sp r o d u c t i v i t y b u tm a n ys e r i o u sa c c i d e n ta n dh u g 尊d a m a g e o c c u r r e di nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s si n t h a tt h ed e v i c es e n s i t i v i t yf o rd e s c e n d i n g p o w e rq u a l i t y t h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e mi sh a r m f u l n o to n l yt op o w e rs y s t e mi t s c t f , b u tt oal a r g ed e a lo fp o w e rc u s t o m e r s t h u s ，i t si m p o r t a n tf o ru st om e a s u r ep o w e r q u a l i t yo nl i n e t h eq u a l i t yp r o b l e mo fd y n a m i cp o w e ri st h eg r o w i n gn e wp r o b l e mt h a tr e v e a l s o u ts u d d e n l ya n dv i o l e n t l yb u tg r a d u a l l yu pt ot h es o c i a li n f o r m a t i o ni nr e c e n ty e a r s t h es t u d yo nt h e s ed y n a m i cp o w e rq u a l i t yp r o b l e m si ss t i l la tt h es t a r t i n gs t a g e ，h o w d e f i n ed y n a m i cp o w e rq u a l i t yp r o b l e m , w i t hw h a tk i n do fc h a r a c t e r i s t i ca m o u n t d e s c r i b e ，h o wt om a k et h er e a s o n a b l ei n d e xt oa s s e s se t c ，s t i l ll a c kr i p ee x p e r i e n c e a n dm e t h o d a l lt h e s en e e dt os t u d y e x p l o r ea n dp r a c t i c ed e e p l yf u r t h e r i ti s m a i n l yt a l ka b o u td i p sa n ds a g so fd y n a m i cp o w e rq u a l i t y r e c o m m e n db e i n g c o n s t r u c t e dt h et h r e e p h a s ef i c t i t i o u sv o l t a g eb yt h es i n g l e - p h a s ev o l t a g e ，t h e nv a r y a 8 r e c e i v et h ec h a r a c t e r i s t i ca m o u n to fd i p s n o to n l yt h ep r e c i s i o ni sh i g hf o rt h i s m e t h o d ，b u ta l s or e a l t i m ec h a r a c t e ri sb e t t e r b e c a u s ec o n t a i nal o to fh a r m o n i ci n t h ev o l t a g e ，t h er e s u l tr e s o l v e dt oa bn e e dk a l m a nf i l t e ri no r d e rt or e a c hm o r e 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 回 s a t i s f a c t o r yr e s u l t a n du t i l i z e sa b o v e - m e n t i o n e da l g o r i t h m so nt h eb a s i so fc h a r g i n g 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 mt h a tt h en e t w o r kr i s e si nd i s t r i b u t i o ns y s t e mo fa 自d o f y ，i n c r e a s et h eh l t e , f f a c eo fd i p sw i t hv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n g m a k e “b e c o m e as e to fm o 碍i n t a c to n e sa n di n c l u d et h eh a r m o n i c ，v o l t a g ef l u c t u a t e ，f l a s h ， t h r e e - p h a s ei m e v c n ，f r e q u e n c ys k e wa n dd i p se v e r yp o w e rq u a l i t yi n d e xi n c l u s i v e a n a l y s i sa d m i n i s t r a t i v es y s t e mt e m p o r a r i l y ， a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c e , p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gn o to i l y 啪s o l v et h e p r o b l e m so ft h ea c c u r a t eo fm e a s u r e m e n ti ns t a b i l ep o w e rs y s t e ms u c ha sh a r m o n i c , i n s t a n t a n e o u sv o l t a g ef l u c t u a t i o na n ds oo n , b u ta l s ot r a n s i e n tp o w e ri s s u e ss u c ha s v o l t a g ew e l l ，v o l t a g es a ga n dv o l t a g ei n t e r r u p t i o na n ds oo i la d d i t i o n a l l y ，t h i s s y s t e mp r o v i d e st h ef l c m b l ea n dv a r i o u sd i s p l a ya n do u t p u t t h i ss y s t e mh a sg o o d o p e n i n g ，e x p a n s i b i l i t ya n db e t t e rs t a b i l i t y d e v e l o pa n ds u p e r v i s ea n do f f e rt e c h n i c a l s u p p o r tt ot u r nt ot h et e c h n o l o g yw h i c hs t r e n g t h e n sp o w e rq u e r yi n t or e a l i t yi ni t s s t l c r 。e s s ，h a v eo f f e r e dt h es c i e n t i f i cb a s i sf o ri m p r o v i n gp o w e rq u a l i t yf u r t h e r k e y w o r d s ：d y n a m i cp o w e rq u a l i t y ；a 8t r a n s f o r m ；x a l m a nf i l t e r ；v o l t a g es a g ； m o n i t o rs y s t e m ；v bp r o g r a m 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 0 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工作及取得的 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，也不包含为获得四川大学或其他教育机 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谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 研究生： 指导教师： 2 0 0 6 年9 月 l 绪论 1 1 研究背景及其意义 电能是人类生活中的最重要的能源。一个理想的电力系统应以恒定的频率和 正弦波，按规定的电压水平对用户供电，在三相交流电力系统中，各相的电压 和电流处于幅值大小相等、相位互差1 2 0 。的对称状态，由于系统各元件的参 数并不是理想线性的或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段不完 善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，使电网的实际运行状态与理想 状态产生了偏差，这就是电能质量问题的由来【1 1 随着国民经济和科学技术的发展，微电子器件与电力电子技术的广泛应用， 对电能质量的要求越来越高；同时由于扰动负荷( 如非线性、冲击性或不对称 负荷) 接入电力系统或其它扰动源( 系统短路故障) 存在，造成了大量的电能 质量问题。不但影响公用电网的安全运行，还对各种电力用户的用电过程造成 直接与间接的危害圆。 目前对电能质量这一术语尚未形成统一定义。i e e e 给出电能质量问题的一 般解释为i 在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象， 如电压凹陷、过电压、暂态、谐波畸变和电气噪声等。卅前一部分描述电能质 量= 供电质量；后一部分给出电能质量问题在供电电压上的具体表现，似乎界定 在电能质量= 电压质量上m 。 电能质量离不开电力系统的可靠性问题，其包含系统的容量储备( 满足供 电需求的能力) 和安全性( 承受突发扰动的能力) 叫。但从电力系统与电力用户 共同关心的内容来看，可以认为： 电能质量= 供电质量= 电压质量+ 供电可靠性嘲 供电可靠性是对电力系统持续供电能力( 考查大于3 分钟的电压中断情况) 的评估。 目前，电能质量问题在许多国家已经引起电力部门和用户的广泛关注o ”。 电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应该讲究质量。我国的电 力市场已逐步开始实施，随着电力市场的不断完善，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 四1 1 1 大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 良好的社会效益的唯一手段。因此，电网的质量问题成为近年来各个方面关注 的焦点，电能质量监测是国际上的一个研究热点“”对于象我国这样的发展 中国家更具有不可忽视的现实意义。 供电系统中发生短路故障，大容量电动机启动，投切变压器或投切电容器组 等都可能引起电压凹陷。电压凹陷会导致敏感用电设备损坏或误动作，从而造 成严重经济损失。随着精密控制装置、自动化生产线等敏感用电设备的不断推 出和广泛应用，电压凹陷已成为各方面共同关注的电能质量问题，如何对它进 行测量和监测也就成为需要解决的重要问题 近年来，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。对电力系统的电能质 量提出了更高的要求如一个计算中心2 s 的电压丢失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，如柔性制造系统( f m s ) 或计算机综合制造系统( c i m s ) ，对配电系统中的干扰和异常非常敏感，甚至几 十分之一秒的不正常就可能造成工厂内部混乱这些用户对不合格电力的容许 度可严格到1 - 2 周波。纺织厂由 s d 驱动的主要设备，若发生1 次电压降至8 0 额 定电压和持续时闻为6 个周期的电压凹陷，其损失代价相当于电压中断2 h 造成的 生产停顿的损失“”旧。生活中受电压凹陷影响的事件也屡见不鲜，1 9 9 9 年1 1 月9 日，中国国际广播电台报道了美国 商业周刊的一名编辑因被困在电梯内长 达4 0h ，以心理和身体受严重伤害为由向办公大楼的物业管理部门提出索赔2 5 0 0 万美元的要求。此次电梯故障的原因是由于供电系统电压突然降低1 s 造成1 。 但是长期以来，恶劣的动态电能质量对电力系统运行的不利影响并没有引起人 们足够重视从危害程度来看，某些动态电能质量问题的危害是破坏性的。例 如，雷击波冲击、电容器和电缆线路的投切时因谐振而引起的过电压往往造成 电器设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的正常运行“1 1 因此，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问题已经不能满足 现代电力用户的要求，有必要对动态电能质量问题进行治理。对动态电能质量 问题的监测和识别是治理的第一步，可以为以后的分析、治理提供科学依据。 实时的监测和识别为补偿、治理这些动态电能质量问题提供方法。 2 1 2 国内外的发展现状及动态 上世纪八十年代以来，由于电气化机车的出现，国内在电能质量问题的研 究中往往多偏重于谐波。此外还有三相不平衡、电压波动与闪交、电压偏差、 工频变化等稳态电能质量问题“1 ”。目前也开始对诸如电压凹陷、脉冲、振荡等 动态电能质量的分析”砌。文献( 1 4 ) 不仅详细介绍了谐波、电压波动与闪交 的监测和控制技术，还对电压凹陷、脉冲、振荡等动态电能质量问题进行了介 绍，尤其是对电压凹陷的定义、起因、敏感度、预估、监测以及抑制措施进行 了阐述。此外还有大量文章利用小波变换和人工神经网络对低频振荡、高频振 荡、脉冲暂态、电压凹陷、电压凸起、短时电压间断、谐波、噪声等电能质量 问题也进行了离线识别，同样取得了良好的仿真结果伽。国内外许多专家、学 者对电能质量扰动的检测、识别、分类、建模和危害等问题进行了大量的研究， 许多研究方法和理论被提出和采用。 目前所采用的电能质量分析方法有三种： 1 时域分析方法 时域分析方法主要包括时域的单一特征值法和时域仿真法。时域分析的特 点是简单、快捷。但是当有噪声存在时，时域分析存在着较大的误差嘧矧。 单一特征值法：常见的主要有有效值法，电压均方根值法、缺损电压法等。 这些方法除了计算速度较慢外，均存在一个严重的缺陷，只运用了单一特征值， 不能体现短时振荡、谐波、脉冲等电压扰动的综合畸变特性。且计算时至少有 半个周期以上的延时，不能准确界定短时电能质量扰动的起始和终止时间。 2 频域分析方法 该方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计 算等。考虑到一些非线性负荷的动态特性，近年来又提出一种混合谐波潮流的 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，可求出各次谐波电流矢量，从而的到谐波潮流汹”1 。 3 基于变换的方法 主要指d q 变换方法、f o u r i e r 变换方法、短时f o u r i e r 变换方法和小波变换 方法等4 ”1 d - q 变换法：d - q 变换的算法可对三相对称电力系统的电压扰动进行识别， 但是实际系统中的扰动并不是完全三相对称的，这是需要构造虚拟三相进行计 3 四川大学工程硕士学位论文 算而且d - q 变换和有效值法、电压均方根植法，缺损电压法等一样，计算时有 延时现象，不能准确界定短时电能质量扰动的起始和终止时间。 傅立叶变换：电能质量问题分析中非常重要的一种方法，作为经典的信号 分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优点，而且有f f t 之类的快速算法， 因此在电能质量仿真分析中得到了广泛的应用。但运用f f r 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 ) 采样窗口与被采集信号周期严格同步；( 3 ) 周期内的采样点应是2 1 ，n 为整数。 当采样频率或信号不满足要求时，利用f f t 变换是对整个时间段的积分，时间信 息得不到充分利用，信号的任何突变，其频谱将散布于整个频带因此只适用 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渊。 短时f o u r i e r 变换：为解决上述问题，g a b o r 利用加窗，提出了短时f o u r i e r 变换方法，即将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合，克服了一般傅 立叶变换不具有局部分析能力的缺陷，将f o u r i e r 变换用于不平稳过程的分析。 由于这种时一频窗口是固定不变的，不具有自适应性，难以适应在非平稳信号 波形变化剧烈的时段内( 主要是高频) 要具有较高的时间分辨率，而在波形变 化比较平缓的对段内( 主要是低频) 又要求有较高的频率分辨率的情况，因而 只适合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”“， 小波变换：小波变换是一种良好的时域、频域分析工具，克服了f f t 的缺点， 适合于突变信号和不平稳信号的分析。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，将小波变换用于电能质量非平稳扰动信号的分析 具有f f t 所无法比拟的优点。小波变换特有尺度伸缩功能使其具有很强的突变点 检测能力，能有效检测到非平稳信号的瞬时成分，使其在设备状态监测和时变 信号分析领域具有明显优势呻”，。 作为一种数学分析工具，小波变换将时域信号分解为不同分辨率、不同水 平的频域信息。由于它在时域和频域都有很好的分辨率，因而特别适用于分析 需要信号时、频信息的问题( 如分析电能扰动问题) 。多分辨率分析能够逐级 地提取给定信号的细节部分与平滑部分的信息。在电能扰动信号中，很多扰动 信号中包含尖锋、跳跃和下降，可以通过多分辨率分析将其分解为平滑信息和 包含尖锋等特征的细节信息，再进行分别分析。但是因为它是对信号频域成分 的提取，将信号按频带分解为平滑信息和细节信息，而对一些扰动的分类存在 4 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 困难，仍需要时域的辅助。 卡尔曼滤波：卡尔曼滤波是现代控制理论的重要组成部分，它成功地将状 态变量法引入到滤波理论中。卡尔曼滤波采用递推算法，适合于用数字计算机 实现，并适用于非平稳随机工程的滤波和状态估计，目前已在卫星导航、经济 预测、水文研究等领域的研究中广泛应用，而在电力系统中的应用尚处于探索 阶段。近年来国内外一些文献提出了将卡尔曼滤波用于动态电能质量监测，但 通常是运用于线性定常模型系统，很少对模型噪声作详细讨论，而噪声估计的 精确性往往直接影响到滤波的追踪能力和估计的精确度。有些文献涉及了关于 卡尔曼最优滤波签别以及噪声协方差的估计，可以有效地去除嗓音，实时地跟 踪实际波形地变化4 1 ”】。 许多发达国家在该领域的研究工作十分活跃，所涉及的内容及其丰富。值 得一提的是瑞典学者m a t hl - kj b o o l e n 在这一领域进行了长期的研究工作，做 出了突出贡献。其专著对现代电能质量问题的各种分析方法进行了介绍和分析， 并对电压凹陷等动态电能质量问题的起因、监测、抑制措旌等内容进行了深入 研究。此外许多发达国家还对一些动态电能质量问题如电压凹陷进行了多年的 监测，如美国e p r i 对电压凹陷进行了长期、广泛的实测。结果表明许多电压凹 陷的幅值是变化的，且有的还伴随相位突变、不对称以及波形的畸变：另外，绝 大多数的电压凹陷深度小于4 0 的额定值，且持续时间不足1 0 个周期。因此，如 果能够持续z o o m s 补偿3 0 的负载容量，则估计可以消除9 5 以上的电压凹陷扰 动。英国、加拿大等发达国家也进行了类似的电能质量监测工作，为抑制和改 善电能质量获取了直接的信息。近年来，电力科研工作者们正力图根据当代电 力系统的特点将电能质量现象视为一个整体进行整理和研究，给出统一的科学 定义和符合本地区本系统实际情况的质量标准，逐步开展综合治理和法规管理， 最终构成电力工业的全面质量管理体系“” 总之，动态电能质量问题，尤其是电压凹陷己经成为国内外专家学者、供电 企业、电力用户以及电力制造商关注的焦点。我国仅对暂时过电压和瞬态过电 压制定了国家标准，对于动态电能质量的监测方法、方式和监测内容还没有 个明确的国家标准。此外，至今国内尚无电压凹陷等动态电能质量测量仪器。 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 3 本文的主要工作 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 本文首先概述了电能质量的定义，分类，以及电能质量监测的特点和要求。 然后从实时监测的角度出发，提出了瞬时ab 变换方法和卡尔曼滤波相结合的 实用分析方法，并用于电能质量监测系统中。利用本系统可以观察各种电压凹 陷的发生时间、持续时间和凹陷深度等特征值本文所做工作主要包括以下几 个方面： 1 论述电压波动和闪变、谐波、电压偏差、三相不平衡、频率偏差和电压 凹陷等各种电能质量的概念、产生原因、危害及解决方法。讲述稳态电能质量 和动态电能质量各自的特点和区别。 2 对电压质量各种监测方法进行比较。电压质量监测方法包括均方根值计 算方法，缺省电压计算方法、瞬时电压d q 变换法以及ab 变换法等。本文讲述 了各种监测方法的基本原理和各自的优缺点。其中主要讲述了瞬时ab 变换方 法的原理和实现方法。由单相电压构造虚拟三相进行qb 变换，计算电压凹陷的 有效值 3 瞬时ab 变换的结果含有大量的谐波分量，不能直接用作电压的有效值， 所有要对其进行卡尔曼滤波。卡尔曼滤波具有良好的谐波监测功能和消噪作用， 可以有效的提取动态电压的基波有效值分量 4 。目前用于工厂配电系统的电能质量监测系统只包含电力谐波、电压波 动、闪交、三相不平衡、频率偏移等各项电能质量指标，没有包含电压凹陷这部 分本文利用ap 变换与卡尔曼相结合，用v i s u a lb a s i c 开发电能质量监测系 统的电压凹陷界面。使其成为一套比较完整的适用于工厂配电系统的电能质量 监测系统。 5 利用电能质量监测系统来分析某工厂的电压凹陷情况。用可视化的界面 显示电压凹陷的实际波形和卡尔曼滤波得到的有效值波形。并把各个电压凹陷 情况显示在电压凹陷容许曲线中，可以方便、直观地观察每个电压凹陷地持续时 间和凹陷深度。为管理者，客户作出正确决策提供了依据。 6 2 电能质量问题分类及介绍 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发 展水平的主要标志之一随着电力市场的形成和推进，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。电能质量问 题已经受到电力部门和用户的广泛关注。下面对电能质量有关问题做一个介绍。 2 1 电能质量基本概念 电能质量是指优质供电，合格电能质量的概念是指提供给敏感设备的电力和 相应的接地系统是适合该设备正常工作的伽。一个理想的三相交流电力系统应 具有恒定的频率( 5 叫z ) 和正弦的波形，三相电压应有同样数值，且a 、b 、c 相序互成1 2 0 。角，按照规定的电压水平向用户供电肼 电压与电流相互联系。电能通过一定电压等级向用户输送，电能质量的变 化通过电压质量体现出来。在不同环境下，用电压质量( 百分比) 而不是电流 质量来衡量电能质量更具有可比性。国际上通常用电压质量作为电能质量的重 要指标。咽此，从供用电的角度观察，电能质量可以简单表述为：， 电能藏量= 频率+ 供电质量 供电质量= 供电可靠性+ 电压质量 电能质量问题又以各种稳态的或暂态的电磁现象表现出来，根据电磁现象的持 续时间、电压幅值变化和典型频谱分量” 因此，把电压质量作为评估电能质量的一个重要指标，围绕电压幅值、持续 变化时间、频谱分量来分类评估电能质量是正确的。不但在理论上使问题得到 简化，在工程技术上也是可行的。电力系统的安全稳定运行始终是第一位重要 的，因此与系统稳定直接相关的参数即频率偏差和电压偏差最早引起人们的关 注。 除此之外，在这一研究领域的许多文献和报告中还采用了一些未得到公认 的术语和补充定义。如： 1 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) ，即用实际电压与理想电压间的偏差( 应理 解为广义偏差，即包含幅值、波形、相位等) ，以反映供电部门向用户供给的电 力是否合格。 7 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) ，即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形 要求，并使电流波形和供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。这个 定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原因 造成的质量问题，而后者往往并不总是由用电造成的。 3 供电质量( q u a l i t yo fs u p p l y ) ，它包括技术含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( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，它包括 供电部门对用户投诉与抱怨的反映速度和电力价格( 合理性、透明度) 等。 4 用电质量( q u a l i t yo fc o n s u m p t i o n ) ，包括电流质量和非技术含义，如 用户是否按时、如数缴纳电费等它反映供用电双方相互作用与影响中用电方 的责任和义务。 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的电流的大 小。因而大多数情况是在讨论电压质量问题。本文中的电能质量主要指电压质 量。 2 2 电能质量问题的分类 为了系统地分析研究电能质量现象，弗能够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方法，将电能质量进行分类和 给出相应的定义是很重要的。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。 8 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 叼 表2 - - 1 与电能质量有关的电磁现象 1 】 t a b l e2 1e l e c t r o m a g n e t i cp h e n o m e n aw i t hr e s p e c tt op o w e rq u a l i t y 类别频谱h z持续时间电压幅值 冲 n s 5 n s 上升 i r e s 现 振 低频 5 k0 3 5 0 m s 0 4 p u 象 荡中频 5 5 0 0 k2 0 s 0 8 p u 高频0 5 5 t l5 i js 0 4 p t t 瞬中断 0 5 3 0 t 0 1 p u 短间凸起0 5 3 0 t 0 1 9 p t t 期 凹陷 0 5 3 0 t 1 1 8 p u 电 暂中断3 0 t 3 s i m i n 0 8 o 9 p u 变动 过电压 i m i n 1 1 1 2 p u 电压不平衡稳态o 5 2 波 直流偏移稳态0 o 1 形 谐波 o l o o t h 稳态 0 2 0 畸 问谐波0 6 k稳态o 2 变 波形下陷稳态 噪声 宽带稳态 0 1 龟压波动 2 5 间歇 0 1 o 7 频率变化 1 0s 9 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 2 1 电网谐波 谐波是指具有电源系统指定运行频率( 基频) 整数倍频率的正弦电压或电 流。谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即 所加的电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变吲 一个非正弦的周期波( 如电压、电流、磁通等) ，可以分解为一个同频率和 很多整数倍频率的正弦波之和。其中频率与原非正弦波频率相同的正弦波称为 基波，频率为基波整数倍的正弦波称为高次谐波或谐波谐波是一个周期性电 量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍。 利用傅立叶级数及傅立时交换把周期性的菲正弦波形( 畸交波形) 分解为 基波及各次谐波的方法称为谐波分析方法。一般来讲，电力系统的畸变波形， 都满足傅立叶变换的存在条件，都能分解到基波和无限个高次谐波之和。 一切非线性的设备和负荷都是谐波源。谐波源产生的谐波与其非线性特性 有关。当前，电力系统的谐波源，其菲线性特性主要有三大类： 1 铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性是 非线性。 2 电子开关型；主要为各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 、双向晶 闸管、可控开关设备等。在系统内部，则如直流输电中的整漉阂昶逆变阀等。 其非线性呈现交流波形的开关切合和换相特性。 3 电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交漉电弧焊机在焊接期间，其 电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其非线性呈 现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。 谐波对电力网的污染日益严重，其产生的主要危害有： ( 1 ) 大大增加了电力网中发生谐振的可能，从而造成很高的过电流或过电 压而引发事故的危险性； ( 2 ) 增加附加损耗。降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率； ( 3 ) 使电气设备( 如旋转电机、电容器、变压器等) 运行不正常，加速绝 缘老化。从而缩短它们的使用寿命； ( 4 ) 使继电保护、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常 或者不能正常动作或操作； ：璺查堂三堡堡主兰垡丝壅! ! 塑 ( 5 ) 使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量； ( 6 ) 干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损 坏通信设备。 2 2 2 电压偏差 电压偏差，属于基波无功的范畴，是指电力系统电压缓慢变化时( 电压变化 率小于每秒1 ) ，实际电压与系统额定电压之差，主要和电能传输的导线线径、 供电距离、潮流分布、调压手段、无功补偿容量有关m 嘲 电压偏差( ) = ( 实际电压一额定电压) 额定电压l 0 0 9 6 电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) 规定电力系统在正常运行条 件下，用户受电端供电电压的允许偏差为： 、 ( 1 ) 3 5 k v 及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的+ 5 一5 ： ( 2 ) 如k v 及以上高压供电和低压电力用户为额定电压的+ 7 一7 ； ( 3 ) 电压照明用户为额定电压的+ 7 一1 0 。 为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合 理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业、企业供配电 系统设计提供了依据。 2 2 3 电压波动和闪变 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或连续的改变“m 啕。 电压波动值为相邻电压方均根值的两个极值u 。和之差u ，常用标称电压 的百分数来表示其相对百分值，即川- 鼍产蛆嘣 i e e e 将电磁系统中的典型的暂态现象进行了特征分类，主要列出了暂态和瞬态 扰动现象“1 根据电磁现象的持续时间、电压幅值变化和典型频谱分量等，将其 分为瞬时、短期和长期变化三大类、1 8 个子类。其中短期电压变动( s h o r tt i m e v o l t a g ec h a n g e s ) ，尤其是电压中断和电压暂降( d i p s 或s a g s ：又称作电压跌 1 1 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) ， 落) 已成为国际上所关注的问题。 电压波动常会引起许多电器设备不正常工作。如果电压波动引起自炽灯闪 变，我们就称发生了电压闪变闪变是人对照度波动的主观视感。 闪变的主要决定因素有： 1 供电电压波动的幅值、频度和波形； 2 照明装置，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： 3 人对闪变的主观视感由于人们视感的差异，需要对观察者的闪变做抽 样调查。供电系统的电压波动和闪变多由用户的波动性质负荷所引起。波动性负 荷可分为周期性的和非周期性的两大类，其中，周期性的或接近周期性的波动性 负荷对闪变的影响更为严重。波动性质的负荷主要有：电弧炉、感应炉的变频电 源、绞车、轧机、电动机启动( 尤其是频繁起停的工况) 、采矿的挖掘机、锯木 机和粉碎机等。这些波动性负荷影响和危害公共连接点( p c c ) 上的其它用户设 备，必须引起重视 2 2 4 三相电压不平衡 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应该具有相同的数值，且按a 、b 、 c 三相顺序互成1 2 0 0 角度，这样的系统叫做三相平衡( 或对称) 系鲥”嘲然 而由于存在种种不平衡因素，实际的电力系统并不是完全平衡的不平衡度允 许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷引起的电压不平衡度为最大 的生产( 运行) 周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在溶化期测量等。在确定 三相电压允许不平衡指标时，国标g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 规定用9 5 概率值作为衡量 值。即正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和实际测 量的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实际测量 的9 5 概率值对比；来判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过 的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。 三相电压不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，其中主要有： 1 引起旋转电机的附加发热和振荡，危及其安全运行和正常出力： 2 引起以负序分量为启动元件的多种保护误动作： 3 使半导体变流设备产生附加的谐波电流； 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 4 使发电机的利用率下降； 5 将引起电网损耗增加； 6 会增大对通信的干扰，影响正常通信质量。 2 2 5 电力系统频率偏差 电力系统正常运行情况下，应在标称频率下运行，但是电力系统负荷在不断 的变动其大小，电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系 统频率总是在一定的变化中，这种电力系统的频率偏离其标称值的现象叫电源 频率变化n m 嘲。频率变化的大小及持续时间依赖于负荷的特性以及发电控制系 统对负荷的反应能力。运行频率偏差对电力系统以及设备的危害程度取决于偏 差的大小和持续时间，频率偏差超过0 2 h z 可能危及系统的安全稳定及设备 的安全，甚至引起系统崩溃。 2 2 6 过电压 以玑表示三相系统最高电压，则峰值超过系统最高相对地电压峰值 ( 2 3 瓯) 或最高相间电压峰值( 2c ，- ) 的任何波形的相对地或相间电压 分别为相对地或相间过电压“删蚴。注：系统最高电压是指当系统正常运行时， 在任何时间、系统上任何一点所出现的电压最高值( 不包括系统的暂态和异常 电压) 电力系统中过电压是经常发生的。作用于设备的过电压传统的分类是按其来 源分为内过电压和外过电压。内过电压是由于操作( 如切、合闸) 、事故( 如接 地、断线) 或其它原因，引起电力系统的状态突然从一种稳态转变为另一种稳 态的过渡过程中出现的过电压。这种过电压是由于系统内部原因而造成并且能 量又来自电网本身，所以叫内过电压。内过电压又可以分为工频过电压、操作 过电压和谐振过电压等：外过电压又叫大气过电压或雷电过电压，它又分为直 击雷过电压和感应雷过电压两种类型。下面根据国标g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 ( 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压) ，下厩介绍五种类型的过电压； 1 暂时过电压：在给定安装点上持续时间较长的不衰减或弱衰减的( 以工 频或其一定的倍数、分数) 振荡的过电压。 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 瞬态过电压：持续时间数毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡 的一种过电压。它可以叠加于暂时过电压上。 3 缓波前过电压及操作过电压：一种瞬态过电压，通常是单极性的并且峰 值时间在2 0 u s 和5 0 0 0 u s 之间，半峰值时间小于2 0 m s 4 振荡过电压：某些通断操作或故障通断后形成电感、电容元件参数的不 利组合而产生谐振时出现的暂时过电压，其持续时间较长，且波形有周期性。 5 快波前过电压及雷电过电压：一种瞬态过电压，通常是单极性的，其波 前时间在0 1 u s 和2 0 u s 之间，半峰值时间小于3 0 0 u s 2 2 7 电压凹陷 电压凹陷是指电压幅值的暂时下降“瑚嘲嘲电压凹陷在电力系统的频繁出 现将引起许多电能质量问题。最近十几年来，由于敏感负荷的增加，由电压凹 陷造成的经济损失也迅速增加 电压凹陷由电压跌落的幅值和持续的时间界定大体上，电压凹陷事件中 电压均方根值的跌落在1 0 9 0 ，持续时间在0 5 个周期1 分钟“1 典型的电 压凹陷事件持续时间在0 5 3 0 个周期，凹陷深度取决于距离故障点的位置和 电网结构。 电压凹附1 1 嘲啪1 分为： ( 1 ) 故障引起的电压凹陷； ( 2 ) 感应电动机启动引起的电压凹陷； ( 3 ) 多级电压凹陷； ( 4 ) 故障自清除引起的电压凹陷； ( 5 ) 变压器激磁涌流引起的电压凹陷。 电压凹陷分析是非常复杂的课题，涉及到大量随机因素，如： ( 1 ) 短路类型，三相故障比单相线一地故障造成更大的电压凹陷。 ( 2 ) 故障位置，输电系统故障比配电系统更严重，并造成更大面积影响。 ( 3 ) 保护装置性能，电压凹陷时间直接与保护装置性能一故障清除时间有 关。 ( 4 ) 大气层放电，观察显示大多数电压凹陷发生与大气层放电有关。 ( 5 ) 冲击性负荷启动的不确定性。如电弧炉起弧、大型感应电机启动等。 1 4 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 电压凹陷没有国际 j 时，对爻蚶的估计称为预测或外推，即依据过去直至现在的观测 量来预测未来的状态，并把殳蛐称为的最优预测估计值。这类估计主要用于对 系统未来状态的预测和实时控制。 ( 3 ) 当k j 时，对r 蚶的估计称为平滑或内插，即依据过去直至现在的观测 量去估计过去的历史状态