（电气工程专业论文）用户电能质量监测技术研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近年来随着电网规模的不断扩大和对电能质量问题的日益重视，供用电双方对 电能质量监测提出了更高要求。论文首先简要介绍了电能质量国家标准，据此给出 了部分监测指标的算法，然后给出了分布式电能质量监测系统监测终端的总体设计 方案。通过本课题的研究，其目的就是设计一种能够采集电能质量数据的监控终端， 并将采集的数据经运算后通过g p r s 网络发给监控中心，从而建立起一个基于g p r s 的无线、实时、经济的嵌入式的电能质量监测系统，以满足电力系统管理自动化和 网络化的要求。 关键词：电能质量监测，锁相环，嵌入式系统，g p r s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu t i l i t yg r i da n dt h ei n c r e a s e dc o n c e r nf o rp o w e rq u a l i t y ( p q ) ，t h em o r ef u n c t i o n sf o rp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ( p q m s ) i sr e q u i r e db y u t i l i t i e sa n dc u s t o m e r si nt h ep a s tf e wy e a r s i nt h ep a p e r ，f i r s t l y , t h en a t i o n a ls t a n d a r d s o fp qa n dt h ec o r r e l a t i v ea l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y , t h ed e s i g no fm o n i t o r i n g i n s t r u m e n tf o rad i s t r i b u t e dp q m si sp r o p o s e d t h r o u g ht h es t u d yo ft h es u b j e c t ，i t sa i m w a st o d e s i g nac o l l e c t i o no fp o md a t at e r m i n a l s ，a n d t h ed a t ac o l l e c t e db yt h e p r e t r e a t m e n tt h r o u g ht h eg p r sn e t w o r kt ot h em o n i t o r i n gc e n t r e ，w h i c he s t a b l i s h e da g p r s - b a s e dd i s t r i b u t e dp q ms y s t e m ，f o rt h ep o w e rs y s t e ma u t o m a t i o na n dn e t w o r k m a n a g e m e n tr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e rh a db u i l d e daw i r e l e s s ，r e a l t i m e ，e m b e d d e d l o n g - r a n g e ，e c o n o m i cp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gp l a t f o r m g a om i n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o es h ix i n - c h u n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) ，e m b e d d e d s y s t e m ，g p r s 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近年来随着电网规模的不断扩大和对电能质量问题的日益重视，供用电双方对 电能质量监测提出了更高要求。论文首先简要介绍了电能质量国家标准，据此给出 了部分监测指标的算法，然后给出了分布式电能质量监测系统监测终端的总体设计 方案。通过本课题的研究，其目的就是设计一种能够采集电能质量数据的监控终端， 并将采集的数据经运算后通过g p r s 网络发给监控中心，从而建立起一个基于g p r s 的无线、实时、经济的嵌入式的电能质量监测系统，以满足电力系统管理自动化和 网络化的要求。 关键词：电能质量监测，锁相环，嵌入式系统，g p r s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu t i l i t yg r i da n dt h ei n c r e a s e dc o n c e r nf o rp o w e rq u a l i t y ( p q ) ，t h em o r ef u n c t i o n sf o rp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ( p q m s ) i sr e q u i r e db y u t i l i t i e sa n dc u s t o m e r si nt h ep a s tf e wy e a r s i nt h ep a p e r ，f i r s t l y , t h en a t i o n a ls t a n d a r d s o fp qa n dt h ec o r r e l a t i v ea l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e db r i e f l y , t h ed e s i g no fm o n i t o r i n g i n s t r u m e n tf o rad i s t r i b u t e dp q m si sp r o p o s e d t h r o u 曲t h es t u d yo ft h es u b j e c t ，i t sa i m w a st od e s i g nac o l l e c t i o no fp o md a t at e r m i n a l s ，a n dt h ed a t ac o l l e c t e db yt h e p r e t r e a t m e n tt h r o u g ht h eg p r sn e t w o r kt ot h em o n i t o r i n gc e n t r e ，w h i c he s t a b l i s h e da g p r s - b a s e dd i s t r i b u t e dp q ms y s t e m ，f o rt h ep o w e rs y s t e ma u t o m a t i o na n dn e t w o r k m a n a g e m e n tr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e rh a db u i l d e daw i r e l e s s ，r e a l t i m e ，e m b e d d e d l o n g - r a n g e ，e c o n o m i cp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gp l a t f o r m g a om i n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o s h ix i n - c h u n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ，p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) ，e m b e d d e d s y s t e m ，g p r s 声 叩r - j 尸 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士学位论文用户电能质量监测技术研 究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。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：刍亟日期：垄望：圣：塑 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) 日期：幽：了! z p 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1课题研究的背景和意义 电能作为最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的 主要标志之一，是支撑国民经济和社会发展的基础性产业和公用事业。在满足工 业生产、人民生活对电能基本需求的同时，提高对电能质量的要求是一个国家工业 生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现、是信息时代和信息社会发展 的必然结果、是增强用电效率、节能降损、改善电气环境、提高国民经济总体效益 以及工业生产可持续发展的技术保证。随着科学技术和国民经济的发展，人们对电 能需求r 益增加，同时对电能质量的要求也越来越高，深入理解现代电能质量问题， 从技术、经济和运行管理等方面加大力度，保证优质供电，最大程度减少电能对现 代工业，企业和重要电力用户的影响，既是电力用户对电网运行提出的必然要求， 也是信息时代对电能提出的新挑战。可以讲，当代电力系统的发展赋予了电能质量 新的内涵和意义，时至今日，电力工业面向市场经济，引进竞争机制，以寻求最大 效益。电能质量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，同时， 控制和改善电能质量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。“十一五 期 间，我国电力行业将转变增长方式，国家将积极倡导和大力推动可持续发展战略， 以人为本，实现电力工业全面、协调、可持续发展。 电能作为一种经济实用、清洁方便且容易传输的能源是一种由电力部门向电力 用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。电能质量问题贯穿于工程设 计、设备采购、施工建设到电能的生产、输送、分配、使用的全过程，所以电力市 场环境下，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也讲究质量。良好的 电能质量无疑对电器设备的运行是有利的，但恶劣的电能质量对电力系统运行，及 对用户的不利影响并未引起人们足够的重视乜1 。 关于电能质量指标恶化对电气设备危害的研究已有大量研究成果，然而电能质 量不同指标对不同设备均有不同影响，特别是电能质量多个指标的不同组合对设备 的影响十分复杂，目前尚无一个准确的定量计算公式，只有一些粗略的公式和经验 结果供工程估计之用。电能质量问题大体如表i - i 所示： 华北电力大学工程硕士学位论文 表1 - 1电能质量现象 扰动 类型 特征指标 产生原因后果解决方法 性质 谐波频谱电压、 非线性负载、 设备过热、继电保 有源、无源滤 谐波稳态固态开关负护、误动、设备绝缘 电流波形波 载 破坏 三相不设备过热、继电保护 对称 稳态不平衡因数 不对称负载静止无功补偿 误动、通信干扰 计时器计时错误、通电容器、隔离 陷波稳态持续时间、幅值调速驱动器 信干扰电感器 电压闪 波动幅值、出现电弧炉、电动伺服电动机运行不 变 稳态 静止无功补偿 频率、调制频率机起动正常 谐振暂 暂态 波形、峰值、持 线路、负载和滤波器、避雷 电容器组投 设备绝缘破坏、损坏 器、隔离变压 态续时间电力电子设备 切器 脉冲暂暂态上升时i 日j 、峰雷击线路、感 设备绝缘破坏避雷器 态度 值、持续时间性电路开合 电压暂幅值、持续时不闻断电源、 升7 琶暂态 阃、瞬时值时 远端故障、电设备停运、敏感负载 动态电压恢复 降问 动机起动不能j 下常运行 器 稳态不正常接地、 微处理器控制设备正确接地、滤 噪声f 琶 幅值、频谱固态开关负 态载 不正常运行波器 随着社会的不断发展及w t o 的成功加入，国外许多高精尖企业( 如：芯片制造、 精密加工等) 纷纷落户我国，这些企业所在地( 如：上海浦东开发区、北京中关村、 苏州新加坡工业园、宁波市科技园区等) 已经对供电中断、闪变和谐波含量等电能 质量问题提出了严格要求。电能进入市场，电能质量的好坏成为用户选择用电的关 键，良好的电能将吸引用户，从而占领更多的市场，雨恶劣的电能将会在各电网的 竞争中失去优势。目前国内对高科技产业园区的电能质量监测管理系统的研究和建 立仅处在起步阶段。另外随着国家对电力市场的进一步推动，按质论价己经提到议 事日程，电力公司可以依据一定的标准，针对不同用户的需求提供不同质量的电能， 对不符合国家指标的超标电力用户采取惩罚性电价。 随着国家大力发展新能源战略的持续深入，未来的电力系统必将是大机组、大 2 华北电力大学工程硕士学位论文 电网、高电压与能源形式多样、控制方法灵活、电能质量各异的分布式电源并存的 格局。随着能源问题的日益突出，国家能源政策对新能源发展的鼓励政策，电力市 场的扩大以及分布式电源技术的发展使得分布式电源成为新世纪重要的能源选择。 随着新能源( 如：太阳能、风能，生物能，燃料电池等) 发电装机容量不断增加， 随机的、不稳定的新能源并网运行造成的电压、频率波动、直流偏磁及运行中产生 的高次谐波等电能质量问题对电网的影响不容忽视。为了保证电能质量和电网安 全，必须采取合理有效的电能质量控制措施，使电网稳定运行，使新能源发电获得 最大效益。 根据国家电网电能质量技术监督管理规定的有关规定，因电网或用户用电 原因引起的电能质量不符合国家标准时，按“谁干扰、谁污染、谁治理 的原则及 时处理，督促电能质量指标不合格的电力用户采取行之有效的治理措施达到国标要 求引。 综上所述，电能质量问题之所以成为近来关注的焦点，主要原因归为以下五个 方面： 1 、由于计算机业的蓬勃发展，现代化技术设备已进入了数控时代，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设备投入使用， 这些装置其本身固有的精密性和敏感性对电能质量的要求都极为严格，电力用户对 电能质量提出了更高的要求。 2 、随着电力电子技术的普及，电力系统的负荷结构正在发生着重大变化，尤其 是非线性冲击性、波动性负荷会产生的大量高次谐波造成了电网电压波动、闪变、 三相不平衡等严重的电能质量问题，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 、随着电力市场机制的逐步建立，打破行业垄断，厂网分开，发电厂独立经 营，电价不完全由政府来决定，所以，电力企业的发展需要争取用户，为用户提供 个性化需求的高质量和合理电价的电能是大势所趋。 4 、电力网各个部分相互联系，综合协调处理至关重要，任何一个局部的故障 或事件都有可能造成大面积的影响，甚至重大损失。这迫使供电部门在保证向用户 提供优质电能的同时，还须极力避免电力系统遭受用电设备产生的电力干扰，维护 电网的安全运行。 5 、电能质量问题最终是由电力用户的生产需求驱动的，用户的衡量标准占有 优先的位置，与此同时，电力用户已提高了对电能质量的认识，正在掌握如供电间 断、电压凹陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题，并且为满足高效生产流程的 华北电力大学工程硕士学位论文 需要，维护用电设备的正常运行，向电力部门提出了更高标准的供电需求，甚至通 过签订供电合同和质量协议予以保证。 改善电能质量对电网的安全、经济运行、保障工业产品合格、科学试验正常进 行以及降低能耗等均有重要的意义。电能质量监测是评估电能质量水平，发现电能 质量问题的主要手段，只有对电能质量做出精确的监测和分析，才有可能对影响电 能质量的因素做出正确地分析和判断，为电能质量的改善提供依据。因此，深入分 析和研究现代电能质量问题，从控制全局的整体性出发，对电能质量进行监督和管 理，把电网的电能质量指标控制在允许的范围内，以保证供给用户合格电能，并有 效限制用户干扰源对电能质量的影响，使其不超过规定标准，是电力企业适应市场 竞争和实施可持续发展必须解决的重要课题。 1 2 电能质量监测研究现状及未来发展方向 电能质量监测是发现电能质量问题的重要一环，它为电网优化、事故分析、电 能质量评估提供切实可靠的数据，是电力企业面向市场，适应竞争的强有利手段。 我国现阶段对电能质量监测的重视度越来越高，但是研究水平同发达国家相比仍有 很大的差距，随着电网改造，建设的进一步完善，以及客户要求的不断提高，我国 的电能质量监测工作必会在借鉴国外研究过程与成果的基础上结合我国国情不断 开展。 1 2 1电能质量监测设备发展史 同其它电子设备样，电能质量监测设备也经历了从模拟到数字的转变。大体 可以分为以下四个阶段： 第一代简单的电能仪表，不论是模拟的还是数字的都没有存储器； 第二代数据记录仪，提供周期性数据监测和记录的设备； 第三代电能质量分析仪，允许按照预先设定的阀值记录部分信息； 第四代电能质量数据中心，可存储一年或一年以上所有周波数据； 第三代设备可以显示在何时发生了什么( 如：在z 时间、y 区域内电压跌落了x ) ， 而电能质量数据中心还能显示为什么出现这种状况，以及问题的根源是什么。第四 代设备可以帮助电能质量工程师采取正确的应对措施，从而防止问题的再度出现， 第四代电能质量分析仪的典型代表是e 1 s p e cg 4 0 0 0 n 1 。 e l s p e cg 4 0 0 0 电能质量监控系统是首个不需要触发阈限值，能够连续记录发电、 用电质量的电能质量数据监控中心产品。它采用独特的p q z i p 数据压缩技术，可存 4 华北电力大学丁程硕士学位论文 储超过一年以上每2 0 m s 电网周波的1 0 2 4 个数据。对采集后的波形进行处理，可以计 算出有效值、谐波及其它所有数据，而所能记录参数的总数在实际应用中是没有限 制的。其独特的时间同步算法保证了多个g 4 0 0 0 设备的数据能被准确地同步，并以 典型的0 1 m s 精度显示在同一时间轴上。每个事件都能被准确地分析，每个周波的 数据都可以被还原、显示，从而可精确地查找出事故发生的原因。 1 2 2 电能质量监测方式的研究现状 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题的监测方式和要求也不 尽相同。目前为止，国内外电能质量监测方式主要有三种嫡1 ： l 、专项监测 专项监测主要用于负荷容量变化大或有干扰源设备，如：电弧炉、环流设备、 电容器组、滤波器等接入电网时，或反映电能质量出现异常，需要对比前后变化情 况的场合。专项监测工作在完成预定任务后即可撤销。 2 、非在线监测。 非在线监测是针对普通电力干扰源，根据于扰的大小、危害程度和需要等采取 的定期或不定期检测方式。定期监测主要用于需要掌握电能质量又不需要连续监 测，或不具备连续在线监测条件的场合。不定期监测主要是针对电力用户的特殊电 能质量问题进行监测分析，它使用的监测仪器包括专用力 用表、便携式谐波仪器、 便携式录波仪器及具有一定综合功能的电能质量分析仪等。这些装置尽管也可以为 电力系统维修、供电故障排除及设备故障诊断提供所需的测量值，但是，它们采用 的监测方法和手段无法满足供用电双方对电能质量更高的要求。 3 、在线监测。 对整个供电网络的电能质量状况和大型用电客户的电能质量状况进行全面了 解和跟踪采取的有效办法是实行长时间在线监测。在线监测主要用于重要变电站或 实施无人值班变电站的公共配电或重要电力用户( 如：炼钢厂、电气化铁路等) 的配 电点的电能质量连续跟踪监测。在线监测的功能包括：数据显示、数据存储、数据 远传、对监测项目的越限报警或发控制指令，并通过计算机网络将监测的实时数据、 历史变化曲线、越限报警信号等进行就地显示，从而实现远方监控。按电能质量标 准的规定和要求，在线监测需要进行连续监测的内容有电压偏差、频率偏差、以及 大型干扰源、危害较大或容易引发事故的相关电能质量指标1 。 1 2 3电能质量监测的发展趋势 我们能够清楚的看到，随着用户对用电质量要求的日益提高，现有电力设备监 5 华北电力大学工程硕士学位论文 控系统及用户端电能参数记录状态已远远不能跟上实际需求，所以，随着电力部门 对用户承诺制的实行，除了具有单一功能终端监测设备外，还会出现一种抗干扰性 强、功能齐全、读取方便、接口灵活的电能参数监视系统，而这个电能监视系统可 以及时测量监测点电能参数，并通过分析精确掌握运行情况，合理配置负荷，通过 缺相时间统计，及采样分点等手段为电网安全提供可靠的保障。 电能质量的分析和监测是一个复杂的系统工程，它涉及到电力系统、自动控制、 现代通信等多个方面。近年来，随着网络通信技术的飞速发展，目前乃至今后较长 一段时间内电能质量监测系统向着网络化、智能化、标准化的方向发展嫡1 。 1 、网络化 现代电网规模越来越大，监测点越来越多，未来电能质量的监测不会局限于某 一点，而是整个供电系统、不同地点的电能质量监测，甚至实现多个不同供电系统 的集中监测。在功能上除具有计算、实时显示外，还需要有一定的判断、分析、决 策等功能，如能进行事件预测、故障辨识、干扰源识别和实时控制，初步具有自动 的、先进的计算智能评估功能。如今电子技术和网络技术的飞速发展使这种需求的 实现成为可能。网络型电能质量监测系统如图卜1 所示1 ： 雠质燮撇鬻统) 趣豆 尊 鬯 i u 力广域网或i n t e m e t i 兰兰：瓣oj| 吣莲扛 i 1 厂_ 上t l o i i i i 囝o i i i 圃o i i i 司； ! 临测点l 监测点2监测点n ! i 一一 i 独立l 盗测点 地区电网电鐾质量蝴冀理系统n l 照尽一l 一 面虱面醪”面面 监测点i监测点2监测点n 图卜l网络型电能质量监测系统结构框图 当前i n t e r n e t 技术的发展为信息共享、数据交换提供了便利，也为电能质量监 测的网络化提供了有效的手段。目前国内的广东、浙江、江苏、华北电力科学研究 设计院等部门正在开展网络型电能质量监测系统的设计、开发和实验工作h 1 。在未 来的监测网络中，应具有对引起电能质量扰动的原因进行分析的功能，并对扰动发 生源进行定位，从而为市场化条件下明确责任、进行经济处罚提供依据。此外，利 用监测结果对合格供电点或系统进行电能质量等级的综合评价，还可为制定市场化 6 华北电力大学工程硕士学位论文 电能质量价格机制提供科学依据。 2 、智能化 由于电能质量问题的动态性和复杂性使得故障分析常处于模糊的边缘状态，只 靠简单的确定型判断无法实现对系统状态的准确识别，因此，智能化的研究成为热 点。人们希望利用擅长逻辑思维的专家系统和擅长经验思维的人工神经网络，逐步 建立“智能系统”，从而实现对电能质量评估和预测的智能化阳1 。智能化的监测系统 除了具有对电能质量数据指标进行归类、统计分析等基本功能外，还可以建立知识 库和合适的神经网络模型，不断从人类专家处获德反馈信息，对知识转化和表达中 出现的错误进行及时修改，在用户的积极参与下结合神经网络的数据处理和模式判 别能力，实现知识和样本的创造。对电能质量可能造成的危害，负荷对电网电能质 量的影响范围和程度提出相应策略，从而实现从电能质量发生危害后采取应急措施 的被动模式到预测电能质量危害而采取积极措施的主动模式的转变。 3 、标准化 电能质量问题在不断地的变化中，人们对问题的认识也在不断地深入中。电能 质量标准化进程作为电能质量监测系统的发展趋势是一项长期且需要不断探索的 研究工作。电能质量数据转换格式( p q d i f ) 是i e e el l5 9 规定的一种通用电能质量转 换格式，使多数据具有良好的兼容性，便于实现不同监测系统间数据共享。目前 p q d i f 已经成为发达国家电能质量信息标准化的趋势。我国也加快了这方面的研究 和应用工作。电能质量标准化可分为以下几个方面拍h 引： ( i ) 电能质量的评价标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使 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。近几十年来，许多工业发达国家已经制定，颁布， 实施了比较完备的电能质量系列标准。随着经济国际化的发展，世界各国制定的电 能质量标准正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统一。目前我国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、暂态浪涌等) 并无国家及国际标准，缺少相应的 监测推荐方法和测量精度等规定，但它们对敏感负荷的影响较大，也被纳入了监测 范围。部分扰动负荷( 如：电弧炉，循环换流器) 运行中产生的问谐波，没有国家或 国际标准，但它们对电容器，滤波器及敏感负荷的影响不容忽视。有些指标的科学 性和可操作性差，而且还缺少完整的技术指导和行业规程，所以，建立全面的电能 质量标准体系仍有大量的工作需要开展。 ( 2 ) 信息发布标准化 我们在不同的监测点和供电站点中可看到多种报表格式和入机交互界面，它们 7 华北电力大学工程硬士学位论文 形式多样，这为操作人员带来很大不便。为了提高信息共享的效率，便于工作人员 之间交流经验，提倡信息发布标准化。除了一些基本功能外，还可以要求监测系统 显示出实时图形，基本数据变化趋势。系统统计参数标准化，信息发布形式标准化 以后，工作人员很容易地就可以找到图示的具体含义，这便于各级主管部门和用户 进行综合查询。 ( 3 ) 数据格式标准化 不同电能质量分析仪的监测指标不尽相同，数据源的存储格式、转化格式自成 体系，这些异构数据源各不兼容，使得建立多数据源、海量数据库基础上的电能质 量监测和管理网络难以形成统一的数据摄取模式。为了对监测信息进行全面、高效 的管理和使用，i e e e 标准委员会提出了电能质量数据交换格式一p o 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 ) n 引。它是一种平面文件结构，由一系列逻辑相 关地记录链连接而成，其功能类似于中间件，使多数据源具有良好的兼容性，便于 实现数据共享，为分析电网电能质量问题以及实现电能质量管理和分析提供了一种 良好的平台。电能质量监测系统中标准数据传输如图卜2 所示： 善基蓬嚆辫百莉翌w 堡j 黼嬲f 一王二_ 荐+ ，数据搔式转换为标 准的p q d i f 格式 脚 按p q o if 格式j ：f 上 实时数据库 址否超杯 是 兰秒i 叠j o r a c l e 格式数据 图卜2电能质量监测系统数据流程图 p q d i f 是专门针对电能质量数据特点设计的一种数据交换格式，它完全从电能 质量信息角度来考虑问题，位于整个系统数据层的底层，所要解决的是相对于一个 数据库来说异构数据源之间的数据通用性的问题，为处于上层的数据库提供良好统 一运行环境。 国外电能质量研究起步较早，对各指标的监测算法都做了比较详尽的推导，并 r 旦一 一能分澍 f | 能 一电计预 二电 一 上纵黝篓| 一系数评 二 一 訇一 鬲脚饥二 一 华北电力大学工程硕士学位论文 且与许多相关技术( 如：信号处理技术、网络技术、数据库管理等) 相融合，而国内 研究起步晚，目前主要采用传统的方法对电能质量进行监测，而且是主要针对电力 系统稳态过程，对于一些暂态指标，还存在标准不统一，算法精度和实时性不能满 足要求等问题，需进步的研究和改进。 1 3 本论文的主要研究工作 作为构建电能质量监测网络的数据源，电能质量监测设备的性能对整个监测网 络的精确性有至关重要的作用。本课题以设计一种能够采集电能质量数据的监测终 端为目的，并将采集的数据经运算后通过g p r s 网络上传至监控中心，从而建立起一 个基于g p r s 的无线、实时、经济的电能质量监测系统，以满足电力系统管理和电网 监测网络化、智能化的要求。本论文以用户电能质量监测终端为研究对象，立足于 当前国内对电能质量监测的基本要求，严格依照国家电能质量的相关标准，主要完 成以下工作： 1 深入理解国家电能质量的相关标准，掌握其原理及实现方式； 2 按照电能质量监测设备要实现的指标，在监测终端硬件电路中实现 被测三相电压和三相电流共6 个并行通道的数据采集及其信号调理； 3 针对采样频率和系统频率不同步的情况，采用硬件锁相技术产生同步采样信 号，来提高频率测量和谐波分析的精度； 4 监测系统的软件设计采用c 语言进行编程，深入分析系统要实现的功能和要求 的基础上，进行详细的规划，确保系统准确，稳定运行； 5 设计人性化的人机交互界面； 6 利用t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议，即， 传输控制协议、互联网协议，将采集的数据经预处理后通过g p r s 发送到监控 中心，从而建立起基于g p r s 的分布式电能质量监测系统，为实现远程电能质 量监控打下基础。 1 4 本章小结 本章主要介绍了该课题的背景及其重要意义，特别介绍了与本课题相关的国内 外研究现状和己达到的技术水平，详细说明了电能质量监测系统的发展趋势。结合 国内外仪表的特点和国内电力行业的实际情况，分析了国内外电能质量监测设备的 发展史，比较了它们的各自的优缺点，提出了本课题研究任务，给出了实现这些功 能的硬件及软件总体构想，为下面的研究工作给出了具体指导思想。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章电能质量各项指标及测量方法 2 1 电能质量的基本概念 对电能质量问题的研究已有几十年的历史，但由于人们看问题的角度不同，迄 今为止，还不能对电能质量给出一个统一、准确的定义。i e e e 标准化协调委员会已 正式通过采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 术语的决定，并给出技术定义：“合 格电能质量概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是都能适合于该设 备正常工作的 。本文的电能质量定义为：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、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断及供电连续性等。 目前国际上流行的两大电能质量标准分别是i e e e 标准和i e c 标准，我国在参考 两大电能质量标准的基础上，结合本国国情，制定了自己的电能质量标准。迄今为 止，我国已经颁布了6 项电能质量国家标准，即： g b 1 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 六项电能质量国家标准摘要如表2 - 1 所示： l o 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 - 1六项电能质量国家标准摘要 标准编号标准名称允许限值说明 1 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不 电能质量 g b1 2 3 2 5 超过1 0 衡量点为供电产权分 供电电压 1 9 9 0 2 1 0 k v 及以下三相供电为7 界处或电能计量点 允许偏差 3 。2 2 0 v 单相供电为+ 7 ，一1 0 电压变动d 限值和变动频度，有关：当， 1 0 0 0h 。时，对r 丁低压( l v ) 和中压 ( m v ) ，d = 1 2 5 4 ；对于高压( 1 t v ) 庐1 3 ：对于随机不规则的变动，出2 1 衡鼙点为公共连接 ( l v ，i l v ) 和d = - i 5 ( t t v ) ，闪变限值如点p c c 下表 2 p 。每次测量周期 为1 0 m i n ，取实测9 5 电能质量系统电 l vm vh v 概率值：p i 。每次测茸 g b1 2 3 2 6 电压波动 压等级 周期2 h ，不得超标 2 0 0 0 和闪变 p s t l 。00 9 ( 1 0 )0 8 3 限值分三级处理原 p i l o 80 7 ( o 8 )0 6 则 注1 括号中的值仅适用于所有用户为同 4 提供预测计算方 电压等级的场合。 法，规定测量仪器并 2 p 。为短时间闪变；p i l 为长时间闪给出典型分析实例 变 电能质量 1 正常允许o 2 h z ，根据系统容量可以 g b t 放宽到0 5 h z 电力系统对测量仪器提出基本 1 5 9 4 5 2 用户冲击引起的频率变动一般不得超 频率允许 要求 1 9 9 5 过0 2 i t z 偏差 华北电力大学_ i 程硕士学位论文 1 各级电压要求一样 2 衡量点为p c c ，取 实测9 5 概率值或日 累计超标不超过 电能质量 7 2 m i n ，且每3 0 m i n g b t 三相电压 1 正常允许2 ，短时不超过4 中超标不许超过 1 5 5 4 3 允许不平 2 每个用户一股不得超过1 3 5 m i n 一1 9 9 5 衡度 3 对测量方法和测量 仪器作出基本规定 4 提供不平衡算法 1 衡量点为p c c ，取 各级电网谐波电压限值( ) 实测9 5 概率值 2 对川户允许产生的 电压( k v ) t h d 奇次 偶次 g b t电能质量 54 02 o 谐波电流，提供计算 0 3 8 1 4 5 4 9 公用电网 方法 6 、1 043 2l 。6 一1 9 9 3谐波 3 对测量方法和测量 3 5 、6 632 41 2 仪器作出规定 l l o 21 6o 8 4 对同次谐波随机性 合成提供算法 1 ，系统：f ：频过电压1 暂时过电压包括工 电压等级( k v )过电压限值( p u ) 频过电压和谐振过电 u m 2 5 2 ( i )1 3 压。瞬态过电压包括 u m 2 5 2 ( i i )1 4 操作过电压和雷m 过 1 1 0 、2 2 0 1 3 电压 电能质量 g b t3 5 6 6 ； 2 1 ：频过电压 暂时过电 1 8 4 8 l 3 1 01 1 以 1 o p u = u m 4 3 。谐 压和瞬态 2 0 0 1 注1 u m 指工频峰值电压 振过电压和l 操作过电 过电压 2 u m 2 5 2 ( i ) 和u m 2 5 2 ( i i ) 分别 压1 o p u = 指线路断路器两侧变电所线路 压u m 石 3 除统计过电压( 不 2 操作过电压限值 小于该值的概率为 空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相 0 0 2 ) 外，凡未说明 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 传统的电能质量概念主要强调供电系统稳态特征，而不注重其暂态即动态特 征。从现有的国家标准来看，我国的电能质量标准体系还很不完善，如有些指标已 经是工业生产中急需解决的，但目前仍没有作出必要的规定，缺少相应的检测推荐 方法和测量精度等的规定，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准则。因此，建立全面的电能质量标准体系仍有大量的工作 需要开展。 2 2 电能质量指标分析及测量方法 2 2 1 常用电能质量参数测量 电能质量标准中虽然不包括各种有效值、功率及功率因数的测量，但这些指标 是电力系统中最基本也最重要的参数。它们不仅关系到用户的安全用电，而且也关 系到电力系统的安全运行，长久以来倍受电力部门的重视，现做简要说明如下： 根据电路理论相关知识，我们可得交流电压、电流、功率计算公式如下： u = i = p = ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 式中z 是被测量信号的周期，“( f ) ，砸) 为被测量信号。仪器在被测信号的一个 周期内进行n 点采样，测得离散值为“( 刀) ，f 0 ) ，离散后的计算公式为： 华北电力大学工程硕士学位论文 u = 孱磊 ，= 孱鬲 p = 厮 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 求出了电压和电流的有效值，就可以求出视在功率等其它电能质量的值。视在 功率等于电压的有效值乘以电流的有效值。用有功功率除以视在功率，则可以求出 系统的功率因数，数学表达式如下： 有功功率：尸= u i lc o s 仍 ( 2 7 ) 无功功率：q ，= u i i ls i n c p i ( 2 8 ) 视在功率：s = 专善u ：专善： c 2 9 ， - - - - - 牛h 总有功功率p 的计算公式为： p 2 专( n = l “一k 幺+ n = l “胀k + 善“蹦k ) ( 2 l o ) 1 月；l( | 1 1 1 三相视在功率的计算公式为： s = u a i a + u b i b + u c i c ( 2 1 1 ) 功率因数：名= i - ( 2 1 2 ) 上述式中，u 。为第h 次谐波电压( 均方根值，h = l ，为基波，下同) ；j 为第 h 次谐波电流( 方均根值) ；仍为基波电流滞后基波电压的相角。 2 2 2 供电电压偏差 供电系统在正常运行方式下，某节点的实际电压与系统标称电压之差相对于 系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差，通常指电压变化率小于每秒1 时 实际电压值与系统标称电压之差，可用有名值或标称值表示1 ： 电压偏差c ) = 塞堕焉嚣茅 1 0 0 ( 2 1 3 ) 式中实际电压为实际测量电压，额定电压为系统标称电压2 2 0 v 或3 8 0 v 等。电 压变动指的是供电点电压在两个相邻的、持续一定时间的电压方均根值，其数学表 达式为： 1 4 华北电力人学工程硕士学位论文 删) = 半x l o 似 ( 2 - 1 4 ) 式中：g u 为电压偏差；巩为实际电压：u 为系统标称电压。 在电学计算中，通常以电压整周期的方均根值来衡量电压的大小。电压方均根 的离散计算公式为： u 呲s = ( 2 - 1 5 ) 式中，n 为一个周期内的采样点数；材。为第k 点的电压瞬时值。 2 2 3 频率偏差 频率一方面是衡量电能质量的重要指标，另一方面是电力系统安全运行的重 要指标，故国家对频率偏差有严格规定。电力系统在正常运行条件下，系统频率的 实际值与标称值之差称为系统的频率偏差。其数学表达式为： 酗= j 吧一j 吨( 2 - 1 6 ) 式中：谚一频率偏差，h z ； ”一为实际频率，h z ； ，一为系统标称频率，h z ； 理论上已经有很多方法可以较好的测量电力系统的频率：频率测量有硬件和软 件两种方法。硬件法就是增加硬件电路，电路由比较器、锁相环和分频器组成。软 件法对硬件的要求低，主要是复杂的计算，应用较灵活。软件方法常见的有：l 、 周期法；2 、解析法；3 、误差最小化原理算法；4 、d f t ( f f t ) 类算法及改进算法n 舶。 其它算法还有正交去调制法、谱分析法、二次型商法、虚拟转子法、正交信号法( 典 型的如9 0 0h i l b e r t 滤波算法) 和最大似然法等。以上这些软件测量频率的方法，有 的精度低，受谐波、噪声和非周期分量影响较大，有的则实时性不好，有的则含有 复杂的数学推导，实现困难，难以真正在实际工程中应用。 根据系统的硬件特点和提高计算速度的要求，本文采用了基于硬件电路的锁相 环( p l l ) 测频法，它具有原理简单，精度高，容易实现等优点，在频率测量中具 有广泛的应用。它的原理和实现方式将在以下章节给予详细说明，在此暂不赘述。 2 2 4电网谐波测量的理论分析及实现方法 电力系统中，人们希望电压、电流的波形是工频的正弦波。以正弦电压为例， 电压可表示为： 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 u ( t ) = x 2 u s i n ( w t + 0 ) ( 2 1 7 ) 式中：u 为电流的有效值； w 为角频率； 0 为初相角。 正弦电流作用在无源线性元件( 如电阻，电感和电容) 上时，所产生的压降仍 为同频率的正弦波，但是当正弦波电流施加在非线性负荷上时，电流就可能变成非 正弦波。当此电流流过线路，产生的电压降与原来的电压波形叠加，使得原来的电 压波形发生畸变。对于周期为t 的非正弦信号u ( w t ) ，在满足狄里赫利条件下，可 以利用傅立叶级数对其分解为下面的形式： u ( w t ) = 4 。+ ( c o s ( n w t ) + b s i n ( n w t ) ) ( 2 1 8 ) 式中= 去“w 州( 似) 口。= 昙f ”“( 1 w f ) c 。s ( ，z w f ) d ( w f ) 阮= 去f ”咖邮i n ( 删) d ( m ) 上式也可写为： u ( w t ) = 口。+ c 。s i n ( n w t + q 9 ) 其中c n ，纯与a 。，钆的关系为： 纯2a r c t a n ( b a 。) 在傅立叶分解式中，频率与工