（电力电子与电力传动专业论文）电力系统电能质量分析方法的研究.pdf

出丕太堂亟堂僮途塞 冈交仪中使用的检波方法，之后重点阐述了i e c 闪变仪的原理以及其模拟和数字 化两种实现方法，并对其各环节进行了设计。采用线性插值法来计算短时间闪变 值巴。m a t l a b 仿真及计算结果表明所实现的闪变仪能够满足i e c 的精度要求。最 后对本论文进行了总结，并对本课题的研究前景作了展望。 关键词：电能质量。电压跌落，派克变换，电压波动和闪变，h i l b e r t 交换，检测 算法，i e c 闪变仪 v a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g y ，t h es u d d e ni n c r e a s eo fl o a d s ， e s p e c i a l l yt h ei n c e s s a n ti n c r e a s eo fn o n l i n e a r , i m p u l s i v ea n df l u c t u a t i n gl o a d s ，p o w e r q u a l i t yp r o b l e m so r e no c c u r ，s u c ha sh a r m o n i c ，v o l t a g es a g ，v o l t a g ef l u c t u a t i o na n d f l i c k e r ，u n s y m m e t r i c a lv o l t a g e ，e t c t h i s p a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，h a r n l $ ，a n d c o m p e n s a t i n gs t r a t e g i e so fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s i n v a r i o u sp o w e r q u a l i t y p r o b l e m s ，v o l t a g es a g s a r et h ew o r s td y n a m i cp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s w i t h h i g h - p o w e ri m p u l s i v ea n df l u c t u a t i n gl o a d sa c c e s s i n ge l e c t r i c a ln e t w o r k , v o l t a g e f l u c t u a t i o n sg a l l tb et o l e r a t e di n $ o n l ep o w e rs u p p l yn e t w o r k s t h i si n d i c a t e s d y n a m i cp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sh a v eb e c o m ep r i m a r yd i s t u r b a n c e si n f l u e n c i n g s u p p l yr e l i a b i l i t yn o w b u tt h er e s e a r c hi nt h o s ea s p e c t ss u c ha sh a r m o n i c ，v o l t a g e d e v i a t i o n , 疔e q u e n c yd e v i a t i o na n de t c o fp o w e rq u a l i t yi sm o r et h a ni nv o l t a g es a g ， v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r t h er e s e a r c ha b o u tv o l t a g es a g ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n a n df l i c k e rs t a r t e ds ol a t ea n ds t i l lh a sm a n yp r o b l e m s s ot h i sp a p e rm o s t l ys t u d i e s t h ea l g o r i t h mo fd e t e c t i n gv o l t a g es a g ，v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e ri np o w e rq u a l i t y p r o b l e m s i no r d e rt od e t e c tv o l t a g es a g s ，t h i sp a p e rm a k e sa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na m o n g t h em e t h o d so fd e t e c t i n gv o l t a g es a g si ne v e r yr e l a t i v el i t e r a t u r e ，p o i n t so u tt h e i r a d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s + a n dt h e ut h i sp a p e rp r o p o s e san e w d i s c r e t em e t h o d t h a ti su s e dt od e t e c tf u n d a m e n t a lp o s i t i v e - s e q u e n c ev o l t a g eb a s e do np a r k t r a n s f o r m a t i o n w i t hc o m p l e xi n t e g r a la l g o r i t h mr e p l a c i n gf i l t e r ，t h ea c c u r a c yo f d e t e c t i n gd i r e c tc u r r e n tc o m p o n e n tc a n b ei m p r o v e d t h i sm e t h o dc a n tb ei n f l u e n c e d b yv o l t a g ed i s t o r t i o n ，a n dc a nb ea p p l yo nt h ee a s eo fu n s y m m e t r i c a ll o a d s i t s d y n a m i cr e s p o n s et i m ei sh a l fo ff u n d a m e n t a lp e r i o d t h er e s u l to ft h i s m e t h o d d e t e c t i n gv o l t a g es a g si ss t a b l e ，a n dp o s s e s s e sv e r yh i g hc a l c u l a t i o na c c u r a c y t h i s m e t h o dc a l lb er e a l i z e de a s i l y m a t l a bi sa d o p t e dt os i m u l a t et h ea l g o r i t h mf o r v i d e t e c t i n gv o l t a g es a g s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sm e t h o dc a na c c u r a t e l y d e t e c tt h em a g n i t u d e ，d u r a t i o na n dp h a s e j u m pi n f o r m a t i o no f v o l t a g es a g s i no r d e rt od e t e c tv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r , t h i sp a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e s m e t h o d so fd e t e c t i n gv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e ri ne v e r yr e l a t i v el i t e r a t u r e t h e n ， t h eh i l b e r tt r a n s f o r m ( h da r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r 硒a ne f f e c t i v ea n dr e a l t i m e a p p r o a c hf o rd e t e c t i n gt h ev o l t a g ef l i c k e rl e v e l si nd i s t r i b u t i o ns y s t e m s c o m p a r e d w i t ht h ec o m m o n l yu s e da l g o r i t h m si nt h el i t e r a t u r e ，t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ei s s i m p l e ri nm a t h , a n di si m p l e m e n t e de a s i e r m o r e o v e r , t h eh ti sc a p a b l eo f d e t e c t i n g t h ev a r i a t i o n so ft h ev o l t a g ef l i c k e ra n ds u p p l yf r e q u e n c yi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m sw i t h h i g hp r e c i s i o n s u c ha c c u r a t ed e t e c t i n gf a c i l i t a t e st h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ec o n t r o lo f f l i c k e rm i t i g a t i o nd e v i c e s m a n yd i f f e r e n tv o l t a g ef l i c k e rs i g n a l sa r ea d o p t e dt o v a l i d a t et h ea p p r o a c h m a t l a bs i m u l a t i o n so ft h ep r o p o s e da p p r o a c hf o rd e t e c t i n g v o l t a g ef l i c k e rt h a tp r o f i l et h ed i f f e r e n tf a c t o r sa f f e c t i n gt r a c k i n ga c c u r a c y a l e p r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r o v i d e dt ov e r i f yt h ed e t e c t i n gc a p a b i l i t i e so f t h eh ta n di n d i c a t et h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo f t h eh ti nd e t e c t i n gv o l t a g ef l i c k e r a c c o r d i n gt oi e cs t a n d a r d si n v o l v e d , s h o r t - t i m ef l i c k e r 匕i sp r i m a r yi n d e x s c a l i n gv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r t h i sp a p e rs t u d i e st h ea n a l o g u ea n dd i g i t a l r e a l i z a t i o no fi e cf l i c k e r m e t e r d e t e c t i n gm e t h o d si nf l i c k e r m e t e r sa r ei n t r o d u c e d t h e nt h ep r i n c i p l eo fi e cf l i c k e r m e t e ra n db o t ht h ea n a l o g u ea n dd i g i t a lr e a l i z a t i o n m e t h o d sa l ee x p o u n d e d 舔e m p h a s e s a tt h es a m et i m e a l lp a r t so ff l i c k e r m c t e ra l e d e s i g n e d l i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t e 圪m a t l a bs i m u l a t i o n a n dc a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sf l i c k e r m e t e rm e e t si e c sa c c u r a c ys t a n d a r d s f i n a l l y , t h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d ，a n dp r o s p e c to f t h i st o p i ci sv i e w e d k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，v o l t a g es a g s ，p a r kt r a n s f o r m a t i o n , v o l t a g ef l u c t u a t i o na n d f l i c k e r ，h i l b e r tt r a n s f o r m a t i o n , d e t e c t i n gm e t h o d ，i e cf l i c k e r m e t e r 山东大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：态盘 日期：竺翌：羔：! 。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鱼盘导师签名： 1 1 引言 第一章绪论 随着科技的迅猛发展，电力用户工艺过程水平飞速的提高，各种新设备新器 件不断出现，尤其是计算机设备、微电子设备以及电力电子设备等敏感负荷的不 断增加，使得电力用户对配电系统供电质量的要求日益提高。同时，冶金、化学 等现代化大工业和电气化铁路的发展，电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷 ( 硅整流设备、电解设备、电力机车) 及冲击性、波动性负荷( 电弧炉、轧钢机、电 力机车运行) 使得电网发生波形畸变( 谐波) 、电压波动、闪变、三相不平衡，非对 称性( 负序) 和负荷波动性日趋严重，恶化电能质量。电能质量的下降严重地影响 了供用电设备的安全、经济运行，降低了人民的生活质量。根据美国电力科学研 究院( e p r i ) 1 9 9 5 年的调查报告显示，在美国因为电能质量问题每年给用户造 成的损失超过2 0 0 亿美元【”。 供电部门也因此不断收到用户的投诉，随着全球电力市场的不断开放，电能 质量的好坏，更能影响一个供电企业的竞争力，直接关系到企业的受益。所以， 在世界各国都十分重视电能质量的管理，对于如何提高电能质量已成为进几年来 的一个热门课题 2 , 3 1 为了保证我国的电能质量，自1 9 9 0 年以来，我国相继发布了六项电能质量 国家标准，分别为：g b1 2 3 2 5 - - 1 9 9 0 ( 电能质量供电电压允许偏差、g b 厂r1 4 5 4 9 - - 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、g b t1 5 5 4 3 - - 1 9 9 5 电能质量三相电压允 许不平衡度、g b t1 5 9 4 5 - - 1 9 9 5 5 0 0 人) 的视觉反应作抽样调查，用下式求出闪变觉察率 f ( ) 的统计值： f = 不而c + d x100(4-3) a + b + c + d 式中a 没有觉察的人数； b 略有觉察的人数； c 有明显觉察的人数； d 一不能忍受的人数。 4 1 4 瞬时闪变视感度s ( t ) 电压波动引起照度波动对人的主观视觉反应称为瞬时闪变视感度s ( t ) ( i n s t a n t a n e o u sf l i c k e rs e n s a t i o nl e v e l ) ，取f = 5 0 作为瞬时闪变视感度的衡量单位， 即定为s = l 觉察单位( u n i t o f p e r c e p t i b i l i t y ) 。与s = i 觉察单位相应的不同频度的电 压波动值d ( ) ，见表4 - l 所列和图4 - 2 所示。这是研究闪变的实验依据。 表4 1 视感度s = l 觉察单位的电压波动 f i g 4 1v o l t a g ef l u c t u a t i o nf o ri n s t a n t a n e o u sf l i c k e rs e n s a t i o ns = lu n i to f p e r c e p t i b i l i t y 频率f频度r 电压波动d ( ) 视感度系数 ( h z ) ( m i f f l )正弦波矩形波 k ( 0 0 56 02 3 4 0o 5 1 40 1 0 7 1 o1 2 0l ，4 3 20 4 7 1 0 1 7 5 1 51 8 01 0 8 0 0 4 3 20 2 3 1 2 o 2 4 00 8 8 2 0 4 0 l0 2 8 3 2 53 0 00 7 5 40 3 7 40 3 3 2 3 o3 6 00 6 5 4 0 3 5 50 3 8 2 3 5 4 2 0 0 5 6 80 3 4 50 4 4 0 4 ，04 8 00 5 0 00 3 3 3 0 5 0 0 4 55 4 00 4 4 5o 3 1 6o 5 6 l 5 o6 0 00 3 9 80 2 9 30 6 2 8 5 56 6 00 3 6 0 0 2 6 90 ，6 9 4 6 o7 2 00 3 2 80 2 4 90 7 6 2 6 57 8 00 3 0 0o 2 3 l 0 8 3 3 7 08 4 00 2 8 00 2 1 70 8 9 3 7 59 0 00 2 6 60 2 0 70 9 4 0 8 o9 6 00 2 5 6o 2 0 10 9 7 7 8 81 0 5 60 2 5 0o 1 9 9 1 0 0 0 9 51 1 4 60 2 5 40 2 0 00 9 8 4 1 0 01 2 0 00 2 6 20 2 0 50 9 6 2 l o 51 2 6 00 2 7 0o 2 1 30 9 2 6 1 1 o1 3 0 0 0 2 8 20 2 2 3 0 8 8 7 1 1 51 3 6 00 2 9 60 2 3 40 8 4 5 1 2 01 4 4 0o 3 1 2 0 2 4 6 0 8 0 1 1 3 o 1 5 6 0 0 3 4 80 2 7 50 7 1 8 1 4 01 6 8 00 3 8 80 3 0 80 6 4 4 出丕盔堂亟堂鱼诠室 1 5 o1 8 0 00 4 6 20 3 4 40 5 7 9 1 6 o1 9 2 00 4 8 00 3 8 00 5 2 l 1 7 o2 0 4 00 5 3 00 4 2 10 4 7 2 1 8 o2 1 6 0 0 5 8 4 0 4 6 l0 4 2 8 1 9 02 2 8 00 6 4 00 5 0 6o 3 9 l 2 0 o2 4 0 00 7 0 00 5 5 20 3 5 7 2 l 。o 2 5 2 00 7 6 00 6 0 3 0 3 2 9 2 2 o2 6 4 0 0 8 2 4 0 6 5 70 3 0 3 2 3 02 7 6 00 8 9 00 7 1 30 2 8 1 2 4 o2 8 8 00 9 6 20 7 6 70 2 6 0 2 5 ，o3 0 0 0 1 0 4 2 0 2 4 0 j 1i | | | | 一 十一 一 | o e 障肆 占i i ：i2喜 i ， 二档鬟伸 夥 人脑神经对照度变化需要有最低的记忆时间，高于某一频率的照度波动普通 人觉察不到，这一频率称为停闪频率。人的眼和脑对白炽灯照度波动的视感，对 于2 3 0 v ，6 0 w 自炽灯的闪变觉察频率范围约为l 2 5 h z ，闪变敏感的频率范围约 为6 - - 1 2 h z ，正弦调幅波在8 8h z 的照度波动最为敏感。人对照度波动的最大觉 察范围为0 0 5 - 3 5h z ，这两个频率限值称为截止频率。截止频率的上限又称为停 闪频率闪变是经过灯眼脑环节反映人对照度波动的主观视感，图4 - 2 所示的 s = 1 觉察单位的正弦电压波动的特性曲线反映了该环节的频率特性。引入视感度 系数k ( f ) 描述灯眼脑环节的频率特性。 r ，n 一兰三! 堂窒璺垡竺! ：! 垦至堕皇垦婆塑璺! 塑“4 1 k uj2 _ 正j 磊焉蚕i 砭丽面云正磊趸亚西夏历面瓦厂 ”1 图4 - 3 视感度系数k ( f ) 的频率特性曲线 f i g 4 - 3f r e q u e n c yp e r f o r m a n c ec u r v eo f i n s t a n t a n e o u sf l i c k e rs e n s a t i o ne o e f f i c i e n t k 根据式( 4 - 4 ) a - 和表4 1 ，便可得出s = i 觉察单位的视感度系数k ( f ) 的频率特性曲线， 如图4 - 3 所示。 电压波动对电灯照度波动的影响，根据自动控制理论分析，可用传递函数对 灯- 眼脑环节从本质上进行表述。根据k ( f ) 的频率特性曲线，以五个典型环节逼 近，可得到灯一眼- 脑环节的传递函数k ( s ) 。即。 足( s ) 2 再丽t a c o , s 万瓦1 + 丽s c 0 2 式中m = o 2 1 1 3 5 ，。1 = 2n8 1 ，d2 = 2 2 2 ，6 a3 = 2 1 2 ， 。4 = 2 2 0 5 ，：0 5 。 u i e 给出的传递函数为 足( s ) 2 再丽k c o i s 而而1 + 丽8 0 7 2 ( 4 6 ) 式中k = l 7 4 8 0 2 ， 2 2 4 0 5 9 8 1 ，o 1 = 2 9 1 5 4 9 4 ，0 2 _ 2 2 2 7 9 7 9 ，3 _ 2 1 2 2 5 3 5 ， 0 4 = 2 2 1 9 。 比较上两式可看出，两式基本一致，只是其中式( 4 5 ) q bm c o = 1 0 7 5 6 与式( 4 6 ) 中k 2 1 7 4 8 0 2 相差约6 倍，但此比例系数并不影响闪变仪的性能。 4 1 6 短时i 曰l x - j 变值只 对于电压波动，不仅要检查它的最大值，还要在足够长时间( 至少1 0 m i n ) 观测电压波动的统计特征量。 如图4 - 4 所示，在1 0 r a i n 内对瞬时闪变视感度s ( t ) 计算出1 5 0 0 0 个数据，因 为数据采集的时间间隔一定，可按数据采集次数来计算时间t 。将s ( t ) 在2 p u 范 雏 ( 欢) p k ( s ) 7 5 0 0r5 0 i4 0 5 0 0 0p 3 0 2 0 2 5 0 0 i i - l 1 0 olo 图4 - 5s ( t ) 统计计时的概率分布直方图( 注：p ( ) ，七= 1 , 2 ，l o 级：p 7 = 2 9 ) f i g 4 - 5f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o nh i s t o g r a mo f s o ) s t a t i s t i c a la n a l y s i s ( n o t e ：仇( ) ，七= 1 , 2 , , 1 0 c l a s s e s = p 7 = 2 9 ) 由图4 5 直方图p i ( ) 累加，可得出图4 - 6 所示的累积概率函数( c p f ) ， 根据c p f 便可作出闪变的统计评定。这称为“水平时间”( 1 e v e l t i m e s ) 法。 o ! l0 2 3o ? 50 0o ? 9i ? li3l ? 5i ? 7 糟擐潍。 图4 6 将s ( t ) 分成l o 级的c p f 曲线 f i g 4 - 6c p f c l t r v co f s ( t ) s u b d i v i d e di n t o1 0c l a s s e s 对于l o m i n c p f 曲线，常用5 个规定值( g a u g ep o i n t s ) 或称百分值( p e r c e n t i l e s ) 计算短时间闪变的统计值只，只称为短时间闪变值，如图4 - 7 所示，在图中5 个规定值昂，、只、只、气和分别为l o m i n 内瞬时闪变视感度s ( t ) 超过o 1 、 l 、3 、1 0 和5 0 时间的觉察单位值。 窜 匿 1z35678， 1 0 ( 缓) “t ) 0 ，l0 30 50 70 9ll1 3i 51 71 9pu 图4 - 7l o m i n c p f 曲线示例 f i g 4 - 7l e g e n do f1 0m i n u t e sc p fc t u v o u i e 专家组拟定计算巴算式的形式为 尸盯= k o l 昂l + k l b + k 3 只+ k i o 置o + k 钟只o ( 4 7 ) 式中k o i = 0 0 3 1 4 ，k i = o 0 5 2 5 ，k ，= o 0 6 5 7 ，k l o = 0 2 8 ，k 如= o 0 8 对于采用2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯照明，当巴 1 3 时，则闪变使人感到不舒服。所以，i e c 推荐匕= l 作为低压供电的闪 变限值，称为单位闪变( u n i tf l i c k e r ) 。 4 2 电压闪变的模型 通常将电压波动看成以工频电压为载波、其电压的方均根值或峰值受到以电 2 8 出丕太堂亟堂僮途塞 压波动分量作为调幅波的调制。对于任何波形的调幅波均可看作是各种频率分量 的合成。为使分析简化一开始先不考虑谐波，在后面的部分再考虑谐波。如果忽 略谐波成分，电压闪变信号可用下式表达： 旦 x o ) = 【a + ( 4 0 ) c o s ( q _ o p + 。) ) l c o s ( n o t + 中o ) ( 4 8 ) 式中凡是供电电压的标称幅值，q 。是供电系统基波角频率，吼是供电电压基波 相位角，4 是角频率为q $ 相位角为中。的调幅波分量的幅值。4 最大能达基波幅 值的1 0 左右。 4 3 电压闪变源的种类及其特点 引起电压闪变的原因有很多，主要可以分为三类：一是电源引起电力系统电 压闪变：二是负载的切换、电动机的起动引起电压闪变；三是冲击性负荷投入电 网运行引起的电压闪变。下面就各种闪变源进行详细阐述。 一、电源引起的电压闪变 电源引起电压闪变主要是指风力发电机在发电时产生的闪变，这是因为风力 发电机组的出力( 输出功率) 是随风速变化而改变的并且随机性很大，有些风机随 风停起以及风速不断的变化，造成功率的连续波动和暂态扰动，从而使电网产生 电压波动和闪变渊。 二、电动机起动引起的电压闪变 在实际工作中，许多用户正常运行的电动机根据工序要求需要不断起停，在 电动机起动时，高浪涌电流和低功率因数共同作用引起闪变，如电扇、泵、压缩 机、空调、冰箱、电梯等属于这种负载。另外，功率因数校正电容器的投切也引 起电压闪变。根据电动机引起的闪变干扰限制，电动机引起电压变动越大，就要 求限制使其每单位时间内起动的次数越少 三、冲击性负荷的投入引起的电压闪变 冲击性负荷的种类很多，如电弧炉、轧钢机、矿山绞车、电力机车等，这类 负荷的功率都很大，达几万千瓦甚至几十万千瓦，它们具有一些共同的特点： 有功功率和无功功率随机地或周期地大幅度波动； 出丕盔堂亟堂焦诠塞 有较大的无功功率，运行时的功率因数通常较低； 负荷三相严重不对称； 产生大量的谐波反馈入电网中，污染供电系统。 因此，这些负荷运行时，电网电压就不稳定，从而产生电压快速或缓慢波动， 但由于这些冲击性负荷的特性又各有差异，故它们产生的电压波动及闪变情况也 不相同。 电弧炉负荷所产生的电压闪变的频率范围集中在1 h z - 1 4 h z ，且其频率分量 的幅值基本上与其频率成正比，此频率正处于人类视觉敏感区域，引起的闪变最 严重。因此国内外有关规定主要是针对电弧炉而言的，因为如果能满足电弧炉标 准，对其它类型的波动负荷一般也会满足。有关研究表明，电弧炉运行引起的电 网电压波动大小与调幅波的调制频率有关，其关系为：。c 击，一般情况下， ， l = 一。 2 由各种电压闪变源的特点可以分析出电压闪变现象分为两类，周期性闪变和 非周期性闪变雎9 1 。前者主要是由周期性电压波动引起的，如往复式压缩机、电焊 机、电弧炉等；后者往往与随机性电压波动有关，如风力发电机的运行、大型电 动机的起动；有些负荷还可以引起周期性的和非周期性的闪变，如电弧炉、电焊 机等。因此，电压波动和闪变信号是一种随机的、动态的信号，也就是说它是一 种非平稳信号。 4 4 电压波动和闪变对电力系统的影响 电压闪变对电力系统的影响主要有两方面，一方面是对附近的电力用户产生 不利影响，另一方面是对灵敏性负荷产生扰动【3 0 1 。 一、对附近电力负荷用户的不利影响 照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，进而影响视力。 电视机画面亮度变化，图像垂直和水平摆动，从而刺激人们的眼睛和大脑。 电动机转速不均匀，不仅危害电机电器正常运行及寿命，而且影响产品质 量。 二、对灵敏性负荷的扰动 使精密仪器、电子计算机、自动控制设备、电子生物医疗器械等设备无法正 常工作，而且还影响对电压波动较敏感的工艺或实验结果。 电压闪变给电力用户及灵敏性负荷带来了这些比较严重的危害，因此，电力 研究者及工作人员必须采取措施抑制电压闪变，甚至是消除闪变( 理想情况) 。 4 5 电压波动和闪变的抑制措施 通常采取的技术措施主要有三种：一是改进运行操作和工艺：二是提高供电 能力；三是安装补偿装置。 一、通过改进运行操作和工艺抑制闪变 这种措施是针对最主要的电压闪变源电弧炉而言的1 3 1 j 2 1 。在扰动严重 的场合必须采取外部抑制措施，但是，在许多情况下，闪变水平并不很高，通过 改善电弧炉的运行操作和工艺即可得到有效控制，如： ( 1 ) 优化电弧炉的电气参数； ( 2 ) 在关键时刻修订电力使用计划： ( 3 ) 在一定时期改变电弧长度； ( 4 ) 改善废钢装载做法； ( 5 ) 采取预热、吹氧、添加助燃物质等措施。 二、通过提高供电能力抑制闪变 提高供电能力：架设的专线将大容量冲击性负荷用户接至较高电压等级的供 电系统。新架设线路的代价是很昂贵的，但若预计用户负荷有发展并需提高供电 的可靠性，可以采取这种措施。 三、通过安装补偿装置抑制闪变 安装补偿装置抑制电压闪变是最常用的措旄。抑制电压波动和闪变的装置主 要有以下几种：配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 、不间断电源( u p s ) 、动态电 压恢复器( d v r ) 、超导磁场储能系统( s m e s ) 、蓄电池储能系统( b e s s ) 、配电 串联电容器( d s c ) 、静止无功补偿器( s v c ) 以及高级静止无功发生( a s v g ) t 3 3 3 q 4 6 国内外研究现状 4 6 1 国外研究现状 从本世纪的2 0 年代起，有些国家的电力部门已开始测量电压波动和闪变， 以后在英、法、德、意、日等一些工业先进国家中，由电工和有关的技术委员会 进行协调统一测量电压波动和闪变的仪器规格。从6 0 年代起，日本就有几种闪 变仪问世，经过十几年的应用后，1 9 7 8 年日本电气加热技术协会和电弧炉技术 委员会制定日本国内统一的闪变标准并协调k 。闪变仪的规格。英国早在6 0 年 代就重视研究电弧炉等波动性负荷干扰所引起的闪变干扰。英国所研制的闪变仪 测量电压波动在l m i n 的方均根值v ，存入记录器可进一步统计处理。为与i e c 推荐的闪交仪协调一致，1 9 8 2 年日本电弧炉技术委员会根据现场实测调查并邀 请5 个制作公司共同开发新型闪变仪，于1 9 8 3 年1 月完成。1 9 8 4 年6 月向u i e 报告并展示可监测k o 和只的闪变仪。1 9 8 6 年国际电工委员会i e c 依据1 9 8 2 年国际电热协会u i e 的推荐，给出闪变仪的功能和设计规范，1 9 9 2 年国际电热 协会u i e 又作出详细的阐述。 4 6 2 国内研究现状 随着我国工业的迅猛发展，电力系统中具有冲击性的负荷日益增加，造成了 电力系统的严重“污染”。因此，我国的电力专家及学者对电压闪变进行了比较 深入的研究。他们通过引进日本的巧。闪变仪及国内仿制的k 。测量仪对国内 的电压闪变情况作了大量的测量和研究。在此基础上，根据我国的情况并参考了 国外取得的研究成果，制定了有关电压波动和闪变的标准，并在标准中规定了应 使用的专门测量仪器。我国在这一领域的起步比较晚，近二十年来才开始了一批 测量方法研究及测量仪器研制工作。 关于u i e 闪变仪国际上己有样机和产品，我国不少单位也在u i e 闪变仪研 制方面做了不少工作。v f 9 1 0 1 型数字式电压闪变测试仪是由西安理工大学和西 北电管局联合研制而成，完全符合g b l 2 3 2 6 9 0 ( 电能质量电压容许波动和闪变 出丕太堂亟堂鱼途塞 对测量仪器的要求，是监测电网电压闪变的专用测量仪器。数字式电压闪变测试 仪在测量原理和测试方法上与a e 。表完全不同，它以单片机为核心，在外部处理 电路和应用程序配合下，采用频谱分析技术实现了闪变电压值a v , 。的数字化测 量，在测量精度和统计处理方面优于模拟式a v , 。表目前，我国正致力于研制依 据i e c 测量原理的数字式闪变仪。 近几年来，电压波动和闪变已成为国内外许多学者研究的热点，如电压闪变 检测方法的数字化算法及实现就是研究热点之一，国外有很多有关这方面的文 献。 4 7 电压闪变检测方法 检测电压闪变水平的方法有很多种。常见的闪变调制波检波方法可分为3 种，即半波有效值法、平方解调法和全波整流法。这几种方法都不适用于时变的 电压闪变信号的检测与时频分析，更适合于在模拟测量装置中应用1 2 6 】。快速傅立 叶变换( f f t ) 可用于电压闪变的跟踪1 3 s ，其主要缺点是信号被认为是稳定的， 把这种方法应用到非稳定信号时所得结果的精度会大大降低。为了避免这种局限 性，又提出了基于不同估算准则的方法，如最小绝对值( l a v ) 状态估计【3 6 】和 扩展卡尔曼滤波( e k f ) 【3 7 1 。尽管l a v 和e k f 对非稳定信号是有效的，但它们 仍有很大的缺陷。l a v 状态估计的主要缺陷是假定事先已知闪变频率，而且这 种方法收敛缓慢，至少需要3 个周波的时间才能得到正确的结果。因此这种方法 对于在线跟踪和实现不太适合。e k f 需要大量的计算，参数要求非常精确，不容 易实现。近年来，又引用了小波变换( w t ) 来分析电压闪变【3 8 j 9 1 。然而，这种 方法不仅计算复杂，需要大批的处理过程，而且合适的小波选择困难，因此w t 仅适合离线诊断和分析 第五章利用h i l b e r t 变换求取电压闪变有关参数 5 1 引言 在前面章节已经讨论了目前检测电压波动与闪变的方法，各种方法都有其局 限性，本章提出了利用h i l b e r t 变换( h t ) 对配电系统中的电压闪变水平进行实 时检测，与前面介绍的方法相比，本章所用方法在数学上更简单，实现更容易。 而且，h t 能够检测配电系统中的电压闪变和系统频率的变化，精度高，使电压 闪变补偿装置更容易控制。采用了不同的电压闪变信号验证该方法。通过m a t l a b 仿真，简述了影响检测精度的不同因素。仿真结果验证了h t 的检测能力，表明 h t 在检测电压闪变方面具有良好的性能。 5 2h i l b e r t 变换基本原理1 4 0 i h i l b e r t 变换在信号分析、数字信号处理、通信、雷达和光学领域都有着重要 的应用。在信号处理中，h i l b e r t 变换是获得窄带信号包络的常用方法。 闪变低频调制信号频率范围从1 h z 到1 0 h z ，是人眼视觉最为敏感的频率区 域。1 0 h z 以下的闪变频率基本可以认为满足窄带信号条件。显然，闪变为典型 的幅值低频调制的窄带信号。这一特点使得我们可以通过h i l b e r t 变换方法获得 电压闪变的包络信号以及调制信号( 调幅波) 对一个具有傅立叶变换的实信号x ( o ，其h t 量( ，) 定义为： 1 叠( f ) = x ( t ) 二 ( 5 1 ) 厅f 式中，表示卷积。圣o ) 可以看成是x 0 ) 通过滤波器的输出，该滤波器的单 位冲激响应h ( t ) = l 肼。 由傅立叶变换的理论可知，j h ( t ) = j t r t 的傅立叶变换是符号函数s 烈q ) ， 因此h i l b e r t 变换器的频率响应 悯叫s g n c 妒口2 ： ：， 对应式( 5 1 ) ，傅立叶变换为： 叠( q ) = - j s g n ( i 2 ) x ( 2 ) 这里圣( q ) 是曼( ，) 的傅立叶变换。定义 z ( t ) = 工( f ) + 矗( f ) 为信号x ( f ) 的解析信号。对上式两边做傅立叶变换并由( 5 2 ) 式，有 所以 ( 5 3 ) ( 5 - 4 ) z ( j n ) = x u q ) + j x ( j n ) = x ( j q ) + j h ( j n ) xo q ) 砌锄= 2 z p 黧 s ， z ( f ) 的模和相位可用来估算x ( f ) 的幅值包络i 爿( r ) i 和瞬时频率q ( f ) 。如式( 5 6 ) 、 ( 5 7 ) 所示： ) l = i z ( f ) l - 归石丽丽 吣警= 丢c a r c 州黝 5 3h i l b e r t 变换的实现 ( 5 6 ) ( 5 - 7 ) 为了实现h t ，设计了个有限冲激响应滤波器( f i r ) 。本文采用了数字的 形式来实现这个h t f i r 滤波器，用r e m e z 交换算法和切比雪夫逼近理论可以设 计一个具有奇对称系数的h t f i r 滤波器。该设计方法可使频率响应的最大误差 降到最小程度。由于这种滤波器的频率响应具有等纹波特性，因此称它为等纹波 - 1 滤波器。f i r 滤波器的转移函数采用日( z ) = h ( n ) z 1 的形式。滤波器长度n 影 h i 0 响h t 的检测速度和精度。