（通信与信息系统专业论文）基于pqdif的电能质量监测数据的处理.pdf

摘要 摘要 电能质量能否满足经济发展的要求已经成为一个突出的问题，电能质量的 监测和分析是现代电力生产发展的关键部分。 在分析电能质量监测的发展状况的基础上，对电力系统中常用的底层数据 通信方法进行了比较，通过制定合适的通信数据格式，压缩了通信时数据的传 输量，采用了串行通信方式，保证了通信的稳定性。对电压偏差、公用电网谐 波、电压波动和闪变、三相电压不平衡、频率偏差、暂时过电压和瞬态过电压 等六项电能质量指标进行了分析和计算，并以图形化的形式显示出来，同时提 供了报表打印，历史曲线分析等功能，相对国内同类技术提供了更多的功能及 更友好的用户操作界面。另外剖析了p q d i f 数据格式，并对其在电能质量监测 网络中运用的优势做出归纳和总结，通过使用i e e e 提供的标准c o m 组件，实 现了网络型电能质量监测系统中p q d i f 数据格式的转换，保证了系统的通用性 及兼容性。 与国内已有技术相比较，本电能质量监测数据处理系统在稳定性、通用性、 实时性、数据存储量、系统运行速度及功能的多样性方面具有较大的综合优势。 关键词：电能质量；串行通信；p q d i f a b s t r a c t a bs t r a c t w h e t h e rt h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t yp o w e rc a l lm e e tt h en e e d so fe c o n o m i c d e v e l o p m e n to rn o ti so n eo ft h ep r o m i n e n tp r o b l e m s m o n i t o r i n ga n da n a l y s i so ft h e q u a l i t yo fe l e c t r i c i t yi st h ec r i t i c a lp a r t i t i o no fm o d e me l e c t r i c i t yp o w e rd e v e l o p m e n t b a s e do na n a l y s i so fm o n i t o r i n go ft h eq u a l i t yo f e l e c t r i c i t yp o w e r ，w ec o m p a r e d t h ec o m m o nm e t h o d su s e di nt h ep o w e rs y s t e mf o rb o t t o md a t ac o m m u n i c a t i o n b y d e c i d i n gt h es u i t a b l ed a t af o r m a tf o rc o m m u n i c a t i o n s ，w ec o m p r e s s e dt h ea m o u n to f d a t at r a n s f e r e d w ea l s o a d o p t e dt h e s e r i a l w a yt o e n s u r et h e s t a b i l i t y o f c o m m u n i c a t i o n s w ea n a l y z e ds i xp a r a m e t e r so ft h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t yp o w e r t h r o u g hc a l c u l a t i n g ：d i f f e r e n c eo fv o l t a g e 、c o m m o nh a r m o n i cg r i d 、f l u c t u a t i o n si n v o l t a g e 、n ob a l a n c eo ft h r e ep h a s ev o l t a g e 、f r e q u e n c yd i f f e r e n c ea n di m p u l s e v o l t a g e t h ep a r a m e t e r sa r ed i s p l a y e di nag r a p h i cw a yw i t hp r i n t ，h i s t o r i c a lc u l w e a n a l y s i sf u n c t i o n sa n ds oo n c o m p a r e d 、析t l lt h ed o m e s t i ct e c h n o l o g y ，t h ep o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mo f f e r sm o r ef u n c t i o n sa n dm o r ef r i e n d l y i n t e r f a c e w ea l s oa n a l y z e dt h ed a t af o r m a to fp q d i fa n ds u m m a r i z e di t sa d v a n t a g e s i nt h em o n i t o r i n go ft h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t yp o w e r w i t hs t a n d a r dc o m c o m p o n e n t o fi e e e ，w ei m p l e m e n t e dt h ef o r m a tt r a n s f o r m a t i o ni np q d i fi nt h eq u a l i t yo f e l e c t r i c i t yp o w e rw h i c he n s u r e st h es y s t e mu n i v e r s a la n dc o m p a t i b l e t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mh a sg r e a ta d v a n t a g ei n s t a b i l i t y ，u n i v e r s a l i t y ，p r a c t i c a l i t y ，c a p a b i l i t yo fd a t as t o r e ，s p e e do fs y s t e ma n d d i v e r s i t yo ff u n c t i o n st ot h ed o m e s t i ct e c h n o l o g y k e y w o r d s ：q u a l i t yo fe l e c t r i c i t yp o w e r ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o mp q d i f 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 为获得直昌太堂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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ： 叫建 签字日期：榔年彩月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太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、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：钏瘤 导师签名： i 签字日期：枷2 年乡月 日 签字日期：2 叩髟年6 月户日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 自工业社会以来，电力已经成为现代人类社会中不可缺少的重要能源，无 论是在工业生产还是在日常生活中，电力用户对电力的可靠性以及质量的要求 都在不断地提高【i 】。随着科学技术以及工业的发展，许多自动化程度很高的工业 用户对电能质量越来越敏感，任何电能质量问题都将导致产品质量的下降，甚 至是工业作业的停顿，给用户造成不可估量的损失。信息科技的发展则对电能 质量以及供电可靠性提出了更高的要求。信息电力供应应该具有高可靠性、高 动态恒定特性、互不干扰性、控制灵活性和应用方便性等特点。它与传统电力 供应的区别主要体现在：除了包括人们已经了解的稳态电压质量、谐波和电能 的可靠性问题，还包括未为人们所熟知的动态电能质量问题。如何提供方便、 优质的电能，使之能够更好的为信息化社会服务是当今电力工作者面临的新机 遇和新挑战。同时，现代电力系统中，电力电子设备的应用越来越广泛，各种 非线性、冲击性、波动性负载也大量增加，使电力系统所遭受的电能质量污染 也日趋严重。电能质量直接关系到国民经济的总体效益，因此对电能质量进行 深入研究有着非常重要的意义。电能质量的监测和分析也已经成为现代电力生 产发展的关键部分。本课题来源于与江西省电力科学研究院合作的电气铁路监 测及对地区电网电能质量影响评估项目。 1 2 电能质量的研究概况 电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的 品质，可用电网谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度等指标来表示。国内外 对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识，但是大多数的专家认为， 电能质量的定义可以理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或 频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题。 国际电工委员会i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准将电能质量定义为：供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力 的物理特性1 2 1 。 第1 章绪论 电气电子工程师协会i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ) 协调委员会对电能质量的技术定义为：合格的电能质量是指给敏感设备提供电 力和设备的接地系统均是适合该设备正常工作的【3 1 。 无论如何表达，电能质量的概念中都应该包括电能供应过程中所要考虑的 主要方面。 造成当前电能质量问题主要有以下两个方面的原因f 4 1 。 ( 1 ) 电力负荷构成的变化。目前，电力系统存在大量非线性负荷：大规模 电力电子应用装置( 节能装置、变频设备等) 、大功率的电力拖动设备、直流输 出装置、电化工业设备( 化工、冶金企业的整流) 及其它非线性负荷。另外， 还存在很多快速变化的冲击性负荷。 ( 2 ) 大量谐波注入电网。含有非线性、冲击性的负荷的新型电力设备在实 现功率控制和处理的同时，都不可避免地产生非正弦波形电流，向电网注入谐 波电流，使公共连接点的电压波形严重畸变，负荷波动性和冲击性导致电压波 动、瞬时脉冲等各种电能质量干扰。随着非线性、冲击性负荷的大量使用，电 能质量问题将会变得更加突出，对电网运行、敏感电气设备的影响和危害将更 加明显，电力事故发生的可能性将逐步表现为由电能质量不合格所引起。 电能质量研究主要包括电能质量分析、监测、自动识别和补偿等问题，经 过多年的研究，已经取得了很多成果【5 8 】。国内这个领域的研究概括起来可以分 为以下3 个阶段【4 j 。 ( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代以前，供电企业普遍认为，保证了电网的频率以及供 电电压在合适的范围以内，也就保证了电网的供电质量；同时，电力企业还把 提高功率因数放在一个非常重要的位置。 ( 2 ) 随着改革开放的深入，工业负荷大量增加，电网飞速发展，电能作为 一种特殊的商品，除了频率、电压等参数外，还需用其他物理量才能比较全面 地描述其性能。 ( 3 ) 最近几年，人们对电能质量的认识和要求又发展到一个新的阶段，开 始注意到一些暂态电能质量参数，并认为电力系统电能的传输不仅是能量的传 递，同时是信息的传输。 2 第l 章绪论 1 3 电能质量监测系统的研究概况 自8 0 年代开始，我国就已经开展了电能质量监督工作，主要的工作方式是 技术人员携带仪器到分布在各个地区的发电厂、变电站进行现场测试，将测试 结果进行后期分析处理后，再形成测试报告，报送有关部门。这样的研究方式 存在以下几个问题【9 】： ( 1 ) 受到当时电网运行方式、用户负荷情况及测试环境等因素的影响，测 试结果往往不能真实反映出电网长期电能质量。 ( 2 ) 只能依靠人工操作，不能自动地上传或下传信息，自动化程度很低。 ( 3 ) 每次只能对个别电厂、变电站进行测试，无法同时纵观全网的电能质 量。 ( 4 ) 对电厂、变电站和非线性负荷非对称性用户只能是不定期测试，以致 无法及时把这些数据提供给管理分析人员，使得管理分析人员难以进行及时地 诊断和提出解决措施。 当今企业对新技术的需求不断提高，但是以往的电能质量技术监督手段又 存在以上诸多不足，因此有必要建立一套能实时测量重要点的电能质量状况， 并且能长期存储数据的电能质量在线监测系统【1 0 1 。国内目前对电能质量的监测 分析手段还比较落后，还停留在只能进行简单监测分析的阶段，国外同类产品 相对国内产品进步一些，功能也相对齐全，但这些产品一方面价格昂贵，另一 方而功能模块固定，升级维护复杂，不能满足用户多方而的需要。鉴于这种情 况，很有必要引入新技术开发一种全新的电能质量监测装置，能够对电力系统 电能质量进行实时准确的监测分析。 我国现有的电能质量在线监测一般都以某一厂家的监测仪器为核心，建立 小范围的数据中心，监测装置和中心站之间的通信方式有基于m o d e m 的，有 基于以太网的等等，这类方式存在着明显不足：第一，各监测仪器之间的数据 不能相互交换，无法实现数据的共享；第二，随着监测指标不断增加，特别是 对于各种暂态过程，都需要采用高速数据采集系统，以反映信号的完整性，采 样频率的提高对存储量提出了一定的要求。电能质量监测和分析不仅需要海量 数据，而且涉及广泛的数据来源、多种类型的数据内容和描述。如果数据格式 各异，指标含义不统一，必将导致数据管理的混乱【l l 】。为了适应电能质量有关 测量数据和计算数据的存储，必须制定统一的数据指标体系，作为数据采集、 交换和分析标准，因此，i e e e 标准委员会提出了一种电能质量数据的交换格式 3 第l 章绪论 p 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 ) ，完全独立于监测设备的软、硬 件，不仅可以较好地解决多数据源数据的兼容问题，还可以实现电能质量物理 属性的多角度观察功能，满足了电能质量监测技术的发展需要。因此，实现传 统电能质量监测仪器所采用的数据格式与p q d i f 标准数据格式之间的转换和把 数据库技术应用到电能质量在线监测中来以实现海量数据的存储、分析和处理 具有十分重要的意义。 目前逐步被重视的电能质量问题，在数据采集与监控系统( s c a d a ) 中没 有给予应有的重视，这是由于对电能质量的认识不足以及s c a d a 系统的前端硬 件设备条件所决定的。s c a d a 系统主要负责对工频量的测量，为电网的经济、 可靠运行提供重要数据。如果认为仅仅对现有的s c a d a 系统升级改造就可以实 现电能质量的在线监测分析，这是不符合实际情况的【1 2 】。 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问题的研究，已得出不少理论成果，并提出了一系 列综合监测控制和管理方法【1 3 1 贸。国际上对电能质量的研究是从电磁兼容学科 入手的，该学科对于干扰的产生、传播、接受、抑制机理及相应的测量技术进 行了深入系统的研究，根据经济、技术最合理的原则对产生的干扰水平、抗干 扰水平以及抑制措施做出规定，使处于同一电磁环境中的设备兼容。电能质量 问题基本上属于电磁兼容中的传导低频现象。1 9 9 6 年，由欧共体率先将电气产 品的电磁兼容性要求纳入国家技术法规的范畴，其中就包括电能质量标准。 上世纪九十年代以来，在几个工业发达国家出现的定制电力( c u s t o mp o w e r ) 技术，即将电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和 质量的要求为依据，为用户配置所需的指定可靠性与质量水平的电力。目前， 采用先进的电力电子技术和计算机技术、网络技术研究电能质量问题和开发相 关监测治理装置己成为近年来电力系统研究的新热点。 电能质量监测分析技术是电测与仪表技术针对电力系统电能质量问题派生 出的一个重要分支。众所周知，只有对反映电能质量指标的电参量进行实时准。 确的测量，才能为进一步分析判断这些指标是否满足国家标准做好准备，电能 质量在线监测也正在适应这个潮流，利用网络实现电能质量的远程监测和网络 化管理。 目前，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 4 第1 章绪论 重并日益受到重视的今天，这两种方式显然已不能满足需要。因此，当前电能 质量测量装置应向在线监测方向发展，并形成网络化，对全网多个监测点进行 全面的监测分析，建立起表征电能质量的真正有用的数据库。这样，就可以在 供配电系统和用电设备运行失效之前，能捕获到其早期的故障信息，使入们能 够对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修【1 6 1 。 1 4 本文主要完成的工作 本课题是在研究电力系统电能质量指标及测量方法的基础上，研制一套电 能质量在线监测分析系统。客户端负责采集数据，对数据进行分析处理，形成 具有p q d i f 格式的测量文件，然后将带有时间标签的测量文件通过网络传送给 电能质量中心的数据库服务器，服务器将综合各个客户端的数据，就可以清楚 地了解整个网络的电能质量情况。服务器通过数据库来管理电网的设计数据和 运行数据，提供w e b 方式的页面浏览服务。 本文的具体工作如下： ( 1 ) 底层数据通信。电能监测系统中底层数据通信多采用串行通信、u s b 通信及网口通信等方式，由于在电力现场中，干扰比较大，而串行通信抗干扰 性较强，并且底层通信数据量相对较小，对通信速度要求不高，所以在设计中 采用了串行通信方式。 ( 2 ) 数据处理的实现。采用合适的算法，对底层数据进行处理，对包括电 压偏差、公用电网谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡、频率偏差、暂时 过电压和瞬态过电压等电能质量各项指标进行分析计算，并以图形化的形式显 示。同时将监测数据存入数据库中，在监测端提供了历史数据分析，报表打印 等功能。 ( 3 ) 剖析了p q d i f 数据格式，并对其在电能质量监测网络中运用的优势做 出归纳和总结。通过使用i e e e 提供的标准c o m 组件，实现了网络型电能质量 监测系统中p q d i f 数据格式的转换。 5 第2 章电能质量分析方法及标准 第2 章电能质量分析方法及标准 2 1 电能质量分析方法 电能质量的分析涉及到对各种干扰源和电力系统的数学描述，主要分析方 法有时域仿真法、频域分析法和基于变换的方法等3 种。 2 1 1 时域仿真法 在电能质量分析方法中，时域仿真法的应用最为广泛，它的主要用途是利 用各种时域仿真程序对电能质量问题的各种暂态现象进行研究【1 7 2 2 1 。目前使用 比较广泛的时域仿真程序主要有两类，一类是e m t p e 2 3 捌】、e m t d c 、n e t o m a c 等系统暂态仿真程序，另一类是s p i c e 、p s p i c e 等电力电子仿真程序。由于电 力系统主要由电阻、电感和电容元件构成，这些程序在求解微分方程的时候， 通常采用简单易行的变阶、变步长的隐式梯形积分法，因为利用隐式可保证求 解过程的数值稳定，采用变阶、变步长技术可以缩短迭代计算时间。 采用时域仿真方法的缺点是仿真步长的选取限定了可分析的最高频率范 围，因此，必须事先知道待分析系统暂态过程的最高频率。另外在仿真开关的 开合过程中，还会引起数据震荡，必须采用相应技术以抑制这种数据震荡的发 生。 2 1 2 频域分析法 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【2 5 】。 1 频率扫描 在谐波分析中，线性网络可用下式表示： l = 匕 ( 2 1 ) 式中，匕为节点导纳矩阵；厶为注入谐波电流源列向量：为节点谐波电 压列向量；聊为谐波次数。其中，对应每个谐波频率的匕都要单独生成。 通过向所需研究的节点注入幅值为1 的m 次谐波电流，其余节点的注入电 流设置为零，求解式( 2 1 ) 所得的电压即为该节点的m 次谐波输入阻抗和相应 各节点间的转移阻抗。当注入电流的频率在一定范围内变动时，可得相应谐波 6 第2 章电能质量分析方法及标准 的阻抗频率分布特性曲线，从曲线的谷值和峰值可确定该节点发生串、并联谐 波的频率。 2 常规谐波潮流计算 利用频域分析法还可进行谐波潮流计算，从而分析谐波在系统中的分布情 况。对应每个谐波频率，从各非线性负载电流中取出相应的分量组成注入电流 列向量，代入式( 2 1 ) 即可求出各节点电压的相应频率分量。将这些分量合成， 又可得各节点电压的时域波形。 但是在某些情况下，上述非线性负载模型的误差较大。因此又提出了一种 改进方法，即将非线性负载电流表示为式( 2 2 ) 所示的负载节点电压和负载控 制变量的函数 l = f ( u ，c l ，g9 1 9 g ) ，m = 1 ，2 ，h ( 2 2 ) 式中，l ，厶为非线性负载电流各次谐波分量；u ，为负载节点 电压各次谐波分量；c 1 ，c 2 ，g 为负载控制变量。利用牛顿法联立求解式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 即可得各节点谐波电压。 2 1 3 基于变换的方法 基于变化得方法主要包括傅立叶变换法、短时傅立叶变换法( s t f t ) 和小 波变换法【2 6 1 。 1 傅立叶变换法 傅立叶变换法不仅具有正交性的优点，而且具有f f t 的快速算法，它在电 能质量问题分析领域具有广泛的应用【2 7 】。但是运用f f t 时必须满足两个条件， 即最高信号频率小于采用频率的1 2 ，且被分析信号是稳态的。如果不满足上面 两个条件，将可能发生频谱泄露、旁瓣现象，从而导致分析误差。另外，f f t 变换是在整个时间段的积分，时间信息没有得到充分利用，突变信号的频谱将 扩散整个频带，会产生较大误差，所以不适合那些不稳定电能信号的分析和处 理。 2 短时傅立叶变换法 为解决f f t 变换中存在的上述问题，g a b o r 利用加窗，提出短时傅立叶变换 方法，即将不平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合，实现了傅立叶分析法 用于不平稳过程【2 8 9 1 。但是，它要求各个分析特征尺度大致相同，所以它不适 7 第2 章电能质量分析方法及标准 合分析多尺度过程，而且它的离散形式没有正交展开，因此难以实现高效算法。 3 小波变换法 小波变换法具有时频局部化的特点，它克服了f f t 和s t f t 的缺点实现了 频率窗口的自适应变化，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。在电能质 量分析尤其是暂态电能质量分析中，小波变换法具有f f t 、s t f t 无可比拟的优 势。目前已经有许多文献介绍了应用小波变换法进行电能质量的分析和监测【3 o 3 1 】。利用小波变换进行电能质量分析的难点在于找出最合适于电能质量分析的小 波基函数。 由于电能质量中非线性负荷及干扰产生的不确定性，传统方法在适用范围 和准确度上都有很多缺陷。近年来，随着数学及人工智能领域中的一些新学科、 新理论的兴起，使得电能质量的研究向前大大的迈进了一步，同时，也为电能 质量的监测和改善提供了坚实的基础【3 2 3 3 1 。 2 2 电能质量标准 为了保证电网安全、经济运行，保护电气环境，保证对用户连续、可靠地 供应电能，保证输配电设备、用电设备与装置的正常使用，必须以科学技术和 运行经验的综合成果为基础，按照标准化的原则对电气产品制定并发布统一的、 适度的基本指标规定，以统一的质量检验方法指导实施，这一工作被称为电能 质量标准化1 4 。 国家技术监督局从1 9 9 0 - - - 2 0 0 1 年相继颁布了涉及电能质量的6 个国家标准 【3 4 3 9 】： g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏差； g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变； g b t1 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 电能质量电力系统频率允许偏差； g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压。 这些标准分别规定了电压偏差、公用电网谐波、电压波动和闪变、三相电 压不平衡、频率偏差、暂时过电压和瞬态过电压的监测标准、监测方法和监测 设备的要求。这些标准的实施，使我国供电电能质量得到了基本保证。 8 第2 章电能质量分析方法及标准 2 2 1 供电电压允许偏差 供电电压允许偏差是指电力系统各处的电压允许偏移其额度值的百分比。 g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏差中规定：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 ；1 0 k v 及以下三相供电电压允 许偏差为额定电压的7 ；2 2 0 v 单向供电电压允许偏差为额定电压的 + 7 - 1 0 。 在一定的周波范围内计算一次电压的有效值，在1 0 m i n 内连续记录几次电 压有效值，取其方均根为电压一次实测值。每天记录的次数不少于4 8 次。统计 电压超上限累计时间、电压超下限累计时间和电压监测总时间，计算出电压合 格率及电压超上限率和电压超下限率，以此确定电压的水平。正常的供电电压， 在一星期内9 5 概率的1 0 m i n 平均电压偏差应在3 额定电压以内。 电压偏差计算公式如下： 电压偏差( ) = 型警x 1 0 。( ) ( 2 3 ) 电压合格率c ) = ( ，一窖鍪揣) 。( ) c 2 4 ， 电压超限率( ) = 甏器x o o ( ) ( 2 5 ) 2 2 2 电压波动和闪变 电压波动是指电压幅值在一定范围内有规则变动时，电压变动或工频电压 包络线的周期性变化，或电压幅值不超过0 9 1 1 ( p u ) 的一系列随机变化：电 压波动值为电压方均根最大值和最小值之差相对额定电压的百分比。电压波动 引起照明灯的照度波动。闪变用于说明对不同频率电压波动引起灯闪的敏感程 度及引起闪变刺激性程度的电压波动值。闪变的定义是：人眼对照度波动的一 种主观感觉。 对用户负荷引起的闪变限值，是根据用户负荷的大小、协议用电容量占供 电容量的比例及系统电压等级规定的。按冲击负荷产生的电压波动允许值的百 分数不同，电力系统公共供电分3 级并作不同的规定和限制。 ( 1 ) 1 0 k v 及以下为2 5 。 ( 2 ) 3 5 1 1 0 k v 为2 0 。 9 第2 章电能质量分析方法及标准 ( 3 ) 2 2 0 k v 及以上为1 6 。 对于任何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成的。为使分析简化 又不失一般性，研究电压波动的检测方法可分析单一频率的调幅波对工频载波 的调制，将电网电压甜( ，) 解析式可表达成： ”( ，) = a 1 + 番( t ) c o s c o o t ( 2 6 ) 式中，c o o 为工频载波电压的角频率；a 为工频载波电压的幅值；五( r ) 为z ，( ，) 的包络波相对于其本身假象零线的电压瞬时值的相对大小( 相对于a ) 。在对 u ( t ) 的闪变测量中，需要对甜( ，) 的调制信号西( ，) 进行检波，即从甜( f ) 中提取出 磊( ，) 。 目前国内外电压波动的检测方法主要有4 种，即平方检测、整流检测、有 效值检测以及小波分解和同步检波对电压波动信号的检测。 对于闪变的测量，可以采用闪变预测法和直接检测法。闪变预测法只能简 单地估计一台或多台新用电设备投入电网运行时，电力系统是否接受；但在用 电系统投入运行后，无法确切知道电力系统中电压闪变值是多少。只有通过在 公共供电处的直接测量，才能得到闪变值。 2 2 3 公用电网谐波 国际上公认的谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍。畸变波形可以用一组正弦函数来近似表示。谐波分析是 计算周期性波形的基波和谐波的幅值和相角的方法。谐波分析又称为频域分析， 所得到的表达式通常称为傅立叶级数。各级电网谐波电压限值见表1 所示【4 】。 表1 各级电网谐波电压限值 注：( 1 ) 2 2 0 k v 电网参考1 1 0 k v 执行。 1 0 第2 章电能质量分析方法及标准 为了对暂态现象和谐波进行区别，在计算电压( 或电流) 畸变率时，采用 谐波电压( 或电流) 的平均有效值或平均总畸变率，其时间区间段取取3 s ， 即取3 s 中的测量或计算的平均有效值或平均值。以电压为例，即 砜= 辱 见= 1 0 0( ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中，m 为将出分成的区间数；u 为第n 次谐波电压的3 s 平均值；见为 电压总畸变率的3 s 平均值；u 。为第七个区间测出的基波电压有效值；为第k 个区间测出的第r 次谐波电压的平均值。 非正弦周期电流的有效值，等于其各次谐波电流有效值的平方和的平方根 值，即 = 矸+ ，；+ 露+ + e + = 、e ( 2 9 ) 非正弦周期电压的有效值为 u = 田+ u ；+ 嵋+ + 谚+ = 研 ( 2 1 0 ) 畸变波形偏离正弦波形的程度，常以其正弦波形畸变率表示。各次谐波有 效值的平方和的平方根值与其基波有效值的百分比，称为正弦波形畸变率( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) ，简称畸变率。表示谐波电压总量，厶表示谐波 电流总量。 电压正弦波形的畸变率为： 觋：静：华m ， 旺 电流正弦波形的畸变率为： 第2 章电能质量分析方法及标准 嗍：，nx 1 0 0 ( ) = 华( ) ( 2 1 2 ) j l1 2 2 4 三相供电电压允许不平衡度 三相供电电压不平衡度是指三相系统中三相电压不平衡程度，主要是由负 荷不平衡、系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐引起的，用电压或 电流负序分量与正序分量的均方跟百分比来表示。工作于额定转矩的电动机， 如长时间在负序电压含量4 的状态下运行，由于发热，电动机绝缘寿命就会减 半，若某相电压高于额定电压，其运行寿命减短的更快。 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规定了电力系统公共 连接点正常时电压不平衡度允许值为2 ，短时不平衡度不得超过4 ，其短时 允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证继电保护和自动装置正常运 作。对接入公共连接点的每个用户，规定其引起该点正常电压不平衡度允许值 一般为1 3 。 不平衡度的计算公式： 毛= 詈1 0 0 ( ) ( 2 1 3 ) h r r， 岛= 争1 0 0 ( ) ( 2 1 4 ) 其中，u 、五为电压、电流正序分量的有效值；、厶为电压、电流负序 分量的有效值。 系统三相不平衡的检测方法为：信号经过f f t 变换，得到基波的幅值和相 角，利用对称分量法h 0 1 ，把三相量分解为三组对称的正序、负序、零序分量， 计算电压、电流不平衡度。 为了减少偶然性波动的影响，和谐波国标规定类似，标准中规定了每次测 量一般按3 s 均方根取值，按下式计算： ( 2 1 5 ) 式中，气为3 s 内第k 次测得的不平衡度；小为3 s 内均匀间隔取值次数 ( m 6 ) 。 1 2 第2 章电能质量分析方法及标准 对于负荷波动大的，测量的次数不少于3 0 次，取其实测值9 5 概率的数值 ( 同谐波类似) 。波动小的负荷，可取5 个接近的实测值，求算术平均。 2 2 5 电力系统频率允许偏差 电力系统正常运行工况下，应在额定频率下运行。电力系统负荷的大小每 时每刻都在不断变动，电源出力及其频率调节系统跟随负荷变化又有一定的惯 性，使得系统频率总是处在不断变动的状态之中。电力系统频率允许偏差是指 电力系统频率的实际值和标称值( 5 0 h z ) 之差。国家标准g b t15 9 4 5 1 9 9 5 电 能质量电力系统频率允许偏差规定以5 0 h z 作为我国电力系统的标准频率，并 规定电力系统正常的频率标准为5 0 h z + 0 2 h z ，当系统容量较小时，可放开到 5 0 h z 0 ，5 h z 。 测量正弦稳态交流的单相电压信号在预定时间间隔内的周期数是检测频率 最一般的方法，也可以用高速秒表或计数器来实现。但是，精确程度受到检测 电压过零时引起的误差和参考时钟的速率及精度所限，当单相电压信号受噪声、 谐波和运行操作之类的随即干扰时，测量结果可能误差过大。 频率的统计以欧洲发电统计联盟( u c p t e ) 的统计方法为参考，根据频率 的均方差来评价频率的质量。从概率统计的角度考虑，厂为随机变量，其数学 期望值为 ，考虑厂与 的偏差可正可负，因此，可用其绝对值f 一 f 或 ( 厂一 ) 2 的大小来衡量厂与 的靠近程度，即可用均方差仃来表示频率的离散 程度，即： 盯= 厢 ( 2 1 6 ) 每秒钟采样一次，每1 5 分钟计算出一个盯值，然后通过仃的统计分析来评 价系统的频率质量。 2 2 6 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 过电压是指电压幅值高于额定电压，且持续时间大于b 。电力系统中的过 电压是相对于系统最高运行电压睨而言的。在系统中某一部分出现的最高相对 斤 一 地电压峰值超过、博或最高相间电压峰值超过2 巩的任何波形电压为相对 1 3 第2 章电能质量分析方法及标准 地或相对过电压。系统工频过电压限值和操作过电压限值分别见表2 、表3 所示。 暂时过电压是指在电网给定点上持续时间较长的不衰减和弱衰减的( 以工 频或其一定的倍数或分数的频率) 振荡过电压。包括工频过电压和谐振过电压。 瞬态过电压是指持续时间数毫秒或更短，通常带有强阻尼的振荡或非振荡 的过电压。它可以叠加与暂时过电压上。包括操作过电压和雷击过电压。 暂时过电压和瞬态过电压是由于电力系统运行操作、受雷击、发生故障等 原因引起的，是供电特性之一。表2 、表3 所示分别为系统工频过电压限值和操 作过电压限值 4 1 。 表2 系统工频过电压限值 电压等级k v 过电压限值( p u ) 2 5 2 ( i ) 砜 2 5 2 ( i i ) 1 1 0 。2 2 0 3 5 - 6 6 3 一1 0 1 3 1 4 1 3 压 1 1 压 注：( 1 ) 乩指j 二频峰值电压 ( 2 ) 砜 2 5 2 ( i ) 和 2 5 2 ( i i ) 分别指线路断路器两侧变电所的线路电压 表3 操作过电压限值 电压等级k v 过电压限值( p u ) 2 0 2 2 3 0 注：幸表示该过电压为相对地统计操作过电压 1 4 记 o o 一 姗 瑚 眦 第3 章底层数据通信 第3 章底层数据通信 3 1 常用通信技术 电力系统中常用的通信技术包括串行通信技术、u s b 通信技术和以太网通 信技术。 3 1 1 串行通信技术 所谓“串行通信 是指在数据终端设备( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ，d t e ) 和数据通信设备( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ，d c e ) 之间使用一根数据信 号线( 另外需要地线，可能还需要控制线) ，数据在一根数据信号线上一位一位 地进行传输，每一个数据都占据一个固定的时间长度。串行通信数据示意图如 图3 1 所示【4 1 1 。这种通信方式使用的数据线较少，在远距离通信中可以节约通信 成本，但是反过来，它的传输速度比较慢。 i d oi d id 2i d 3 i d 4ld 5ld 6id 7i 厂 厂 厂 厂 一t 卜 图3 1 数据示意图 串行通信有两种基本的类型：异步串行通信和同步串行通信。两者之间最 大的区别是前者是以一个字符为单位，后者以一字符序列为单位。 由于c p u 与接口之间按照并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输， 因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器 ( 串专并) 和“发送移位寄 存器”( 并专串) 。 在数据传输过程中，数据1 位1 位地从外设进入接v i 的“接收移位寄存器”， 当“接收移位寄存器 中已接收完1 个字符的各位后，数据就从“接收移位寄 存器”进入“数据输入寄存器 。c p u 从“数据输入寄存器中读取接收到的字 符( 并行读取，即d 7 d o 同时被读至累加器中) 。“接收移位寄存器”的移位速 度由“接收时钟确定。 在数据输出的过程中，c p u 把要输出的字符( 并行的) 送入“数据输出寄 第3 章底层数据通信 存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器，然后由“发送移 位寄存器移位把数据l 位1 位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由 “发送时钟确定。 接口中的“控制寄存器 用来容纳c p u 送给此接口的各种控制信息，这些 控制信息决定接口工作方式。 “状态寄存器 的各位称为“状态位，每一个状态位都可以用来表示数据 传输过程中的状态或某种错误。典型的串行接口的结构如图3 2 所示【4 1 1 。 图3 2 串口结构示恚图 3 1 2u s b 通信技术 u s b 是为主机软件和它的u s b 应用设备间的通信服务的，对客户与应用间 不同的交互，u s b 设备对数据流的要求也不同。 一个u s b 系统主要被定义为三个部分：u s b 的互连、u s b 的设备和u s b 的主机。u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作。数据和 控制信息在主机和u s b 设备间的交换存在单向和双向两种通道。u s b 的数据传 1 6 第3 章底层数据通信 送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间进行的，这种主机软件和u s b 设备的端口间的联系称为通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互独立 的，一个指定的u s b 设备可以有很多通道。 u s b 的结构包括四种基本的数据传输类型1 4 1 1 ： ( 1 ) 控制数据的传送：在设备连接时用来对设备进行设置，同时还可对设 置进行控制，例如通信控制。当u s b 设备初次安装时，u s b 系统软件使用控制 数据对设备进行设置，设备驱动程序通过特定的方式使用控制数据来传送，数 据传送是无损性的。 ( 2 ) 批量数据的传送：大批量产生并使用的数据，在传输约束下，具有很 广泛的动态范围。批量数据是由大量的数据组成，如使用打印机和扫描仪时， 批量数据是连续的。在硬件级上可使用错误检测来保证可靠的数据传输，并在 硬件级上引入了数据的多次传送。此外，根据其它的一些总线动作，被大量数 据占用的带宽可以进行相应的改变。 ( 3 ) 中断数据的传送：用来描述或匹配人的感觉或对特征反应的回馈。中 断数据是少量的，且其数据延迟时间也是在有限范围内的。这种数据可由设备 在任何时刻发送，并且以不低于该设备指定的速度在u s b 上传送。 ( 4 ) 同步数据的传送：由预先确定的传送延迟来填满预定的u s b 带宽。同 步数据的建立、传送和使用时是连续且实时的，同步数据是以稳定的速率发送 和接收实时的信息的，同步数据要使接收者与发送者保持相同的时间安排，除 了传输速率，同步数据对传送延迟非常敏感。同时同步通道带守的确定，必须 满足对相关功能部件的取样特性。不可避免的信号延迟与每个端口的可用缓冲 区数有关。 对于任何给定的设备进行设置时，一种通道只能支持一种上述方式的数据 传输。 当设备被连接和编号以后，该设备就拥有一个唯一的u s b 地址。设备就是 通过该u s b 地址被操作的，每一个u s b 设备通过一个或多个通道与主机通信。 所有u s b 设备都必须在零号端口上有一指定的通道，每个u s b 设备的u s b 控 制信道将与之相连。通过此控制通道，所有的u s b 设备都列入一个共同的准入 机制，以获得控制操作的信息。 1 7 第3 章底层数据通信 3 1 3 以太网通信技术 以太网这个术语一般是指数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 、英特尔 公司( i n t e lc o r p ) 和x e r o x 公司在1 9 8 2 年公布的一个标准。它是当今t c p i p 采用的主要的局域网技术。它采用一种称为载波侦听多路接入冲突检测( c a r d e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，c s m a c d ) 的媒体接