（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp和arm的双核电能质量分析仪的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 s t u d i e so nd u a lc o r e sp o w e r q u a l i t ya n a l y z e rb a s e d o hd s pa n da r m m a j o ro fp o w e r e l e c t r i ca n dp o w e rd r i v e m a s t e rz h a o h u ih a oa d v i s o rb i nj i n a l o n gw i mt h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fm o d e mp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , p o w e rp o l l u t i o nb e c o m e ss e r i o u si n c r e a s i n g l y , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n so fp o w e r d e p a r t m e n t sa n dc o n s u m e r sa ret u r n e dt ot h ep o w e rq u a l i t y t h e r ei sg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yb ym o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ec o n c e p to ft h eb a s i cp o w e r q u a l i t y , p o w e rq u a l i t y p r o b l e m so ft h ev a r i o u sc l a s s i f i c a t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc a u s e sh a r ma n da d e t a i l e d e x p o s i t i o n t h r o u g h t h e p o w e rq u a l i t yi n d i c a t o r s ( t h r e e - p h a s ev o l t a g e i m b a l a n c e ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n df l i c k e r , s u p p l yv o l t a g ed e v i a t i o n , t h ep u b l i c p o w e r 鲥dh a r m o n i c s ，f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) a n a l y s i st o t h et r a d i t i o n a lf o u r i e r t r a n s f o r mb a s e do nt h et h e o r yo fl i g h tp o w e rq u a l i t ya n a l y s i so ft h ed i f f i c u l t i e st h a t t h em u t a t i o n ，t h et r a n s i e n t ，n o n - s t a t i o n a r ys i g n a l si nt h ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n , b a s e do nt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r mt ot h et r a n s i e n tp o w e r q u a l i t ya n a l y s i s a f t e ras y s t e ms t u d yo fp o w e rq u a l i t ya n a l y s i st h e o r ya n dt h eb a s i so fd e t e c t o r t e c h n o l o g y , p o w e rq u a l i t ya n a l y s i ss y s t e mf o rt h en e e dt os u p p o r tt h ec o m p l e x a l g o r i t h m sa n dr e a l t i m et om a i n t a i nt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fd e v e l o p i n ga f r a m e w o r kb a s e do nt h ed s pa n da r me m b e d d e dp o w e rq u a l i t ya n a l y s i ss y s t e r a h a r d w a r ep l a t f o r m sa n ds o f t w a r es y s t e m s f o c u so ft h ed s pa n da r ms e l e c t i o n b a s e do ns t r u c t u r a lf e a t u r e sa n ds p e c i f i ca p p l i c a t i o n s a n dd e t a i l e di n t r o d u c t i o no fa h a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ec o m p o n e n t sa n dc i r c u i ts c h e m a t i c s s u b s e q u e n t l y ，t h e p r o p o s e dp a r to ft h ed e v i c es o f t w a r ed e s i g n ，w h i c hf o c u s e s0 nt h ed s pp a r to ft h e 西华大学硕士学位论文 f f ta l g o r i t h md e s i g n ，t h eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i im i g r a t i o no fa r mp a r ta n d d e v e l o p m e n tm i n i g u ig r a p h i c a li n t e r f a c e f i n a l l y ，c o n c l u d et h ep a p e r sm a i nw o r k ， a n dt h ed i r e c t i o no ft h ef u t u r e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；f o u r i e rt r a n s f o r m ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) ； u c o s i i ；m i n i g u i h i 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明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。除了文中特别加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 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感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 属西华大学所有，特此声明。 作者签名前期帮常d 日 导师签名麓妄扒叼幻2 0 日 西华大学硕士学位论文 西华大学 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，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：帮鹌辉 日期：d 7 。f i o 指导教师签名： 屯吾扒 日期： o 7 易1d 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 电能质量的研究背景 随着电力电子技术的蓬勃发展和广泛应用，电力系统自动化有了众多技术 创新和生产应用，为我们的工作生活带来了诸多便利。但与此同时，技术的创 新也给电力系统带来了许多不稳定因素，例如电网谐波污染、三相电压不平衡、 电压波动和闪变，其结果是造成了电网的电能质量低劣。电能质量差一方面不 利于电力系统安全运行，使电气设备寿命缩短、电网损耗增大、继电保护和自 动装置误动，给对电能质量要求较高的行业带来严重的经济损失n 3 ：另一方面， 随着电力系统改革，厂网分开，电能质量的好坏将直接影响到电力公司的市场 占有率。 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分类整理和研究，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。 从技术角度讲，提供优质电能是由供用电双方共同保证的( 可以将发电厂视 为理想的正弦电压源) ，因而对电能质量日益关注的原因是多方面的，归纳起来 主要有4 点例： ( 1 ) 现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高，许多新的电器和装置 都带有基于微处理器控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感。 ( 2 ) 对电力系统运行总效率的重视程度不断加强，特别在用电设备方面表现 突出，但这些设备的使用又会导致电网谐波污染( 更广义的称为电气环境污染) ， 致使供电电压干扰水平加重，对电力系统安全运行带来直接的或潜在的危害。 ( 3 ) 电力用户已经提高了对电能质量的认识，正在了解如供电中断、电压凹 陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的需要，维护 用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求， 甚至通过签订供电合同和质量协议的方式以获得保证。 ( 4 ) 电力网的各个部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何 西华大学硕士学位论文 一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使 供电部门在保证向用户提供优质电能的同时，还需极力避免遭受用电设备产生 的电力干扰，维护电网的安全运行。 现代电网与负荷构成出现的变化是工业生产不断发展的必然结果，这有利 于电力用户提高生产并获得更大的经济效益n 1 。同时，采用高效电力负荷设备可 大量节约能源、延缓用电需求，从而节省电力建设所需的大量投资。因此提高 电能质量，满足生产发展的需求已经成为供用电双方共同的愿望。 改善电能质量的意义在于： ( 1 ) 是电力系统安全、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、用电效率和改善电气环境，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，保障各行各业的正常用电秩序， 为用户提供信的过的产品。 1 2 电能质量的研究现状 1 2 1 电能质量标准的国内外研究现状 从“电能质量 这一技术术语的出现到广泛使用经历了相当长的一段时间。 最初，人们在谈到电压和电流对电气设备工作的干扰和供应的电力质量问题时， 有的使用电力系统质量，也有的使用供电质量、电压质量、耗电质量、电流质 量等术语。据文献报道，技术术语“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 最早时出现在 1 9 6 8 年发表的一篇关于美国海军电子设备用电源规范要求的研究论文中。此后， 关于电能质量问题方面的研究越来越多，世界各国电气工程界关于电能质量问 题所采用的技术名词也渐趋统一。电气与电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委 员决定统一采用“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 术语，并给出了“电能质量的 定义：合格电能质量的概念，是指提供给敏感设备的电力和接地适合于该设备运 行。 2 西华大学硕士学位论文 同时期，国际电工委员会( i e c ) 提出了“e m c ( 电磁兼容) 的概念，以强调 和指出设备与设备之间以及电源与设备之间的相互作用和影响。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受者 之间的关系，使其“兼容 。协调方法是制定合理的规定值n 1 。1 9 8 1 年3 月i e c 建立s c 7 7 a 分委会负责低频扰动的电磁兼容标准的制订，工作成果以i e c 出版 物1 0 0 0 的形式表示。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，在广泛吸收i e c 标准的基础上，把电能作为一种产品，对 中、低压配电系统用户供电端的电能质量作了全面规定，内容涉及频率、电压( 电 压偏差、电压波动及闪变、短时和长期停电、暂态工频过电压、瞬态过电压) 、 电压不平衡、电压波形等h 1 。1 9 9 3 1 9 9 5 年，美国电力研究院( 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。 目前，西方发达国家对电能质量的研究主要集中在以下几类： ( 1 )暂态电能质量问题； ( 2 )短持续时间电能质量问题； ( 3 )长持续时间电能质量问题； ( 4 )三相电压不平衡度； ( 5 )波形畸变； ( 6 )电压波动和闪变； ( 7 ) 频率变化。 我国长期以来的电力供应一直比较紧张，随着电力系统日益面临着电能市 场化的严峻挑战，如何提高电能质量也已经提上了议事日程。1 9 9 6 年4 月1 日 开始实行的中华人民共和国电力法第二十八条规定：供电企业应当保证供给 用户的供电质量符合国家标准。对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及 时处理。用户对供电质量有特殊要求的，供电企业应当根据其必要性和电网的 可能，提供相应的电力。而这里所谓的电能质量国家标准主要是指国家技术监 督局发布的中华人民共和国电能质量五项标准口1 ： ( 1 )电能质量供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 - 9 0 ) ； ( 2 )电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ) ： ( 3 ) 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 - 1 9 9 5 ) ； 3 西华大学硕士学位论文 ( 4 )电能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 ) ； ( 5 )电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) 。 2 0 0 1 年，我国又制定了一项新的标准：电能质量暂时过电压和瞬态过电压 ( g b t1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 ) ，旨在规定电能质量有关暂时和瞬态过电压要求、与之相 适应的电器设备绝缘水平，以及过电压保护方法。 从我国电力系统目前的发展水平和保护供用电双方权益的角度来看，这些 标准是比较现实和易于操作的。但是，随着国际贸易的发展和各国间技术交流 的需要，标准的国际化趋势是不可避免的。目前国外电能质量研究的范围还是 要比我国广泛。技术的发展，新情况的出现，国际标准的变化，使得我国电力 工作者不仅需要对现有的六项国家标准作完善和修改，而且还应该根据实际情 况，研究制定其他标准，开展进一步的研究工作。 i 2 2 电能质量监测与分析仪的国内外研究现状 对电能质量的监督有赖于科学合理的测量方法和准确可靠的测量仪器。近 年来，随着对电能质量问题的重视和研究，国内外仪器制造厂推出了多种类型 的电能质量监测与分析仪器( q p m a ) 。大体上可分为以下三类： ( 1 )远程监测仪器，该类仪器被定点安装在现场，连续监测公共供电点 的一些主要电能质量指标，产生实时数据，以通信的方式把数据集中上传到管 理机进行统一分析处理； ( 2 )手持式仪表，由技术人员随身携带，定期点测或是随u p i 受, j 量一些电 能质量指标，分析能力比较简单； ( 3 )便携式多功能分析仪器，此类仪器特点是智能化、多功能、信息容 量大、数据处理功能强，主要适用于现场专项测试，价格较高。 、 由于国外电能质量的长期重视和科学技术上的整体优势，他们研制的电能 质量监测设备水平普遍较高，且种类繁多。远程监测仪表以r e l i a b l ep o w e rm e t e r 品牌的智能型电力品质记录仪的技术水平较高，它的实用性较强，可以固定在 户外，适用于恶劣的环境。它以中央处理器为核心，配备了高精度快速的数据 采集装置以及大容量硬盘，能够做到测量电力系统每个周波的谐波和功率等。 它可以监测用户的用电设备对电网质量的干扰情况，将测量和计算后的数据通 4 西华大学硕士学位论文 过以太网、m o d e m 等方式传回控制中心作进一步的分析，具有较强的实时性。 该类仪表基于系统考虑，将分布于各个变电站和关键用户接入点处的电能质量 监测单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个电网的电能质量 分析。这种监测方式功能较为完备，通过进一步地分析，可以完成整个电网的 电能质量各项指标分析、谐波污染源的定位等功能。但是由于仪表本身没有完 善的界面，不易实现在各监测点的现场分析功能。 手持式仪表以美国福禄克公司生产的f l u k e4 3 型电能质量分析仪最具代 表旧。它具有完善的测试功能，除了电流、电压等常规指标外，还能测量电力系 统的高次谐波，最高可达5 1 次，并能捕捉瞬变电压和波形失真，此外还融合了 万用表功能，可测量电阻、二极管等器件的参数。它还配有光电隔离的r s 2 3 2 接口于计算机通信。该类仪表操作灵活方便，可以随时测试电能质量各项指标， 而且它具有友好的测量界面，较高的显示分辨率，能较真实地反映电能质量。 但是它的测量精度不够高，只能作为对各种状况判断的参考和发现问题的手段， 而不能作为计量和判断的依据。而且仅配有r s 2 3 2 串口实现点对点的本地数据 传输，只适合于对某一个厂站内各个监测点的数据的存储和分析，无法完成数 据的横向比较以及统计性指标的分析。加上其昂贵的价格，推广有一定的难度。 国内的谐波研究工作开始于上世纪8 0 年代，随后陆续有一些科研院所和公 司加入到对电能质量的研究和电能质量仪器的开发中，在电能质量监测方面也 取得了一定的成果。上海宝钢安大电能质量有限公司和安徽振兴科技有限公司 都开发出一些具体产品，走在国内前列。国内远程监测仪表的应用场合主要是 电厂、大型变电站等电力系统中的主要电网节点。该类仪表测量精度较高、功 能强、操作界面友善，一般基于p c 机操作，可以实时地将数据上传至中央管理 机统一分析。但是它体积大、移动不方便，只适于主要节点的单点监测、成本 也较高。便携式分析仪如宝钢安大的p q l l 6 电能质量分析仪，可进行谐波测试 分析、电能质量综合测试分析、功率分析、故障录波等功能踊1 。该类仪表一般根 据实际出现的问题，用于现场的专项测试和分析，无法把握电网的长期运行状 况。 5 西华大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 为跟踪国际电力科技发展的趋势，针对国内远程监测仪表和便携式仪表的 缺陷，结合我国电网运行和电力市场发展的实际需要，我们开发研制基于我国 五项电能质量标准的电能质量监测系统。监测系统的监测指标包括：三相电压、 电流有效值、电网频率、三相电压不平衡度、多次谐波t h d 值、有功功率、无 功功率、视在功率、功率因素，电压波动与闪变有效值及发生和持续时间。 在系统的研究了电能质量分析的相关理论和检测技术的基础上，针对电能 质量分析系统中需要支持复杂算法和保持实时性的特殊要求，我们研制了基于 d s p 与a r m 构架的嵌入式电能质量分析系统的硬件平台和软件系统。在现场 通过装置的人机交互界面实现对该监测点电能质量的实时监测、分析和存储。 并且可以实时的通过以太网将该监测点电能质量数据上传至上位机集中分析和 处理。 论文的具体工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 回顾了电力系统电能质量发展的概括，分析了电能质量问题产生的原 因，造成的危害以及我国电能质量监测的现状，详细的比较了国内外有关电能 质量的标准，确定了本文所参照的标准。 ( 2 ) 分别研究了电能质量各项指标的监测分析算法，通过比较各种算法的 优缺点，提出了以快速傅里叶变换为主的测量模型。 ( 3 ) 根据监测系统的各项要求，选择了以d s p 与a r m 为基础的嵌入式电 能质量分析系统的硬件平台，并对d s p 与a r m 进行选型以及相关的硬件电路 设计，包括信号采集、d s p 最小系统、a r m 最小系统、彩色l c d 和触摸屏驱 动等各部分电路。 ( 4 ) 根据设计要求，在硬件平台上进行了u c o s i i 操作系统移植和 m i n i g u i 图形界面开发，并且进行了相关的底层驱动程序和应用程序开发，实 现了方便、友好、美观的人机交互界面。 ( 5 ) 最后，通过对试验结果的分析，总结了该监测系统的优缺点，并指出 了下一步工作的方向。 6 西华大学硕士学位论文 2 电能质量指标与监测方法 2 1 电能质量的概念 电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态 的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系 统中，还要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称并且互差1 2 0 。但 由于系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的非线性或不对称性，以 及运行操作外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在，因此产生了 电网运行、电力设备和供用电环节的各种问题，也就产生了电能质量的概念旧。 什么是电能质量，从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是迄今为止， 人们对电能质量的技术含义却存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一 的定义。如何描述供电与用电( 电力系统与负荷) 双方的互相作用和影响，并 且给出相应的技术定义仍是人们不断探索的问题。一种普遍接受和采用的技术 名词和定义方法是：从工程实用角度出发，将电能质量概念进一步具体分解并 给出解释。其内容如下n ，： ( 1 ) 电压质量：给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用 户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不 平衡、瞬变现象、波动与闪变、凹陷( 凸起) 与间断、电压谐波、电压陷波、 欠电压、过电压等。但不包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对 电网电能质量的影响和危害。 ( 2 ) 电流质量：为反映与电压质量有紧密关系的电流变化情况，除了对用 户电流提出单一频率正弦波形要求外，还力图要求该电流波形与供电电压同相 位，以提高输配电效率。电流质量通常包括：电流谐波、间谐波、次谐波、相位 超前与滞后、噪声等。这个定义有助于电网线损的降低，但不能概括大多数因 电压原因造成的电能质量问题。 ( 3 ) 供电质量：它包括技术含义和非技术含义两部分。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，它包括供电部门对用户投诉与抱 怨的反应速度和电力价目的透明度等。 7 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) 用电质量：包括电流质量，还包括反映供用电双方相互作用和影响的 用电方的权利、责任和义务，用户是否按时、如数缴纳电费等。 国内外对电能质量的定义至今尚没有统一的共识。但大多数专家认为，电 能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率 的偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题忉。 2 2 电能质量指标 电能质量是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量。我国根据国情， 已经制定了六项电能质量国家标准口1 ，目前的研究主要集中在如下五项指标：( 1 ) 供电电压偏差；( 2 ) 公用电网谐波；( 3 ) 三相电压不平衡度；( 4 ) 电力系统频 率偏差；( 5 ) 电压波动和闪变。对于暂时过电压和瞬态过电压，由于标准出现 的较晚，该部分的研究也相对较少阳3 。 2 2 1 供电电压偏差 用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当出现电压偏差 时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设 备状况而异，电压偏差计算公式如下： 电压偏差( ) = ( 实际电压一额定电压) 额定电压1 0 0 9 6 ( 2 - 1 ) 用电设备运行在额定电压时性能最好，效率最高。电压超过允许偏差时， 其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命。电网在缺乏无功功率的情况 下，运行电压低，有可能产生电压不稳定现象，造成电网电压崩溃。 电能质量一供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) 规定电力系统在交流 5 0 日，的正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：( 1 ) 3 5 k v 及以 上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 ：( 2 ) 1 0 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 单项供电电压允许偏差为 额定电压的+ 7 、一1 0 0 , 6 驯。 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。在工业企业中，改善电压偏差的主要措施有三：( 1 ) 无 8 西华大学硕士学位论文 功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的根源， 因此，就地进行无功功率补偿，及时调整无功功率补偿量，从根源上解决问题， 是最有效的措施。( 2 ) 在铭牌规定值的范围内适当调整同步电动机的励磁电流， 使其超前或滞后运行，就能产生超前或滞后的无功功率，从而达到改善网络负 荷的功率因数和调整电压偏差的目的。( 3 ) 采用有载调压变压器。从总体上考 虑无功负荷只宜补偿到功率因数为0 9 0 - 0 9 5 ，仍然有一部分变化无功负荷要电 网供给而产生电压偏差，采用有载调压变压器就是有效而经济的解决办法之一。 2 2 2 公用电网谐波 谐波( h a r m o n i c ) 即对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基 波频率大于1 整数倍的分量。电网谐波产生的根本原因是由于系统中某些设备 和负荷的非线性特性，即所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。 波形畸变后，会产生高次谐波。 电力系统中，通常用某次谐波幅值相对于基波幅值的百分数来反应该次谐 波的含量，即：第h 次谐波电压含有率为： h r u k - - u u lx 1 0 0 ( 2 2 ) 电压总谐波畸变率为： t h d , , = u 日u , x 1 0 0 ( 2 - 3 ) 其中，u h = 电网谐波的增加，将导致电器设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐 振的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置的误动、仪器指示和电度 计量不准以及通信受干扰等一系列问题。由于谐波引起的损耗以及电气设备绝 缘寿命的缩短所造成的等值损失电量也很可观n 们。提高电能质量，防止谐波的 危害，限制电力系统的谐波，就是要把上列指标限制到国家标准规定的允许范 围之内。 电能质量一公用电网谐波( g b t1 4 5 2 9 9 3 ) 中规定了各电压等级的总谐 9 西华大学硕士学位论文 波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值如下： 电网标称电压电压总谐波畸变各次谐波电压含有率 k v率 奇次偶次 o 3 85 o4 o2 o 64 o3 21 6 l o 3 53 o 2 41 2 6 6 1 l o2 o 1 6o 8 该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流( 2 2 5 次) 注入的允许值；而 且同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的 协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正 性。 2 2 3 三相电压不平衡度 在理想的三相电力系统中，三相电压幅值应有同样的数值，且按a 、b 、 c 顺序互成2 刀3 角，这样的系统叫三相平衡系统。然而由于存在种种不平衡因 素，实际电力系统并不完全平衡。不平衡系统因素可分为事故和正常两类。事 故性的不平衡是由于三相系统中某一相或二相断线、单线接地等故障所致，这 种不平衡工况是不允许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障单元后， 在短期内使系统恢复正常。正常性的不平衡则是由于电力系统中存在着千千万 万的不同用户，他们的电力负荷各不相同，因此电力系统的三相负荷也很难平 衡，这种不平衡现象对外则表现为三相电压的不平衡n 1 1 。作为电能质量指标之 一的“三相电压不平衡度，是针对正常不平衡运行工况制定的。 三相电压不平衡度是用电压负序分量与正序分量的均方根值百分比表示。 计算公式如下： = u 2 u lx 1 0 0 ( 2 - 4 ) 式中u ，为电压的负序分量均方根值，u 为电压的正序分量均方根植。正序 分量和负序分量可以按对称分量法分解后求得。 西华大学硕士学位论文 电能质量一三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 - 1 9 9 5 ) 适用于交流额定 频率为5 0 h z 电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的公共连接点的电压 不平衡。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下电压不平衡度允许 值为2 ，短时允许值为4 。对接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压 不平衡度允许值一般为1 3 。 该标准还解释：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 负荷所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 弧炉应在熔化期测量等。对于日波动负荷，可取典型日2 4 小时测量。标准中规 定的正常g 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，以 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。 2 2 4 电力系统频率偏差 我国的电力系统额定频率为5 0 h z ，频率偏差是指电力系统频率的实际值和 额定值之差u 3 。用下式表示： a f = 厂一 ( 2 5 ) 式中为频率偏差，厂为系统的实际频率， 为系统的额定频率，即 5 0 h z 。频率偏差对电力系统及其设备的影响，取决于偏差的大小和偏移持续时 间。概括地说，0 5 h z 之内主要是经济问题，即引起设备的效率降低；偏离值 超过了0 5 - z ，不仅使设备效率降低，还有可能危及设备的安全。轻则引起不 可逆转的累积性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃。 电能质量一电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 ) 中规定：电力系 统正常频率偏差允许值为0 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可放宽到 o 5 - z 。标准中并没有说明系统容量大小的界限，而在全国供电规则中有 规定：“供电局供电频率的允许偏差：电网容量在3 0 0 万千瓦及以上者为0 2 h z ； 电网容量在3 0 0 万千瓦以下者为o 5 - z 。 实际运用中，我国各跨省电力系统 频率偏差都保持在0 i h z 范围内，这样使电网运行更有保障。 西华大学硕士学位论文 2 2 5 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工频电压包络线的周 期性变化，常以电压均方根值的相邻两个极值u 一和u 晌之差相对于额定电压 u 的百分数表示嘲。即电压波动值为： u = ( u 一一u 疵) u x 1 0 0 ( 2 - 6 ) 电弧炉、轧钢炉等大功率装置的运行会引起电网电压的波动，这种波动可 看成是由正弦工频电压作为载波，被一低频信号进行调幅处理的结果。电压的 快速波动会使电动机转速不均，不仅危及电动机的安全运行，而且还会影响一 些产品的质量。 电压闪变( f 1 i c k ) 是指人眼对电压波动所引起的照明异常产生的视觉感受。 影响闪变的因素包括供电电压波动的幅值、频度和波形，照明装置和人的主观 视感度等n 羽。尽管广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，但不能以电压波 动来代替闪变，因为闪变是人对照度波动的主观视感。闪变可分为周期性和非 周期性两种，前者主要是由于周期性的电压波动引起的，如往复式压缩机、电 弧炉等；后者往往与随机性电压波动有关，如电焊机等。 闪变可用下式表示： 姗= 丽2 2 ( 2 - 7 ) 式中口，为电压调幅波中频率为厂的正弦分量的视感度加权系数，它用来反 映人眼对电压调幅波中各种频率成分的敏感程度。以为电压调幅波中频率为 厂的正弦分量的幅值n 钔。对闪变的计算远复杂于对波动的计算，它需对调幅波 进行频谱分析并做出统计评价。 电能质量一电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) 是在原来标准( g b 1 2 3 2 6 - 9 0 ) 的基础上，参考了国际电工委员会( i e c ) 电磁兼容( e m c ) 标准i e c 6 1 0 0 3 - 7 修订而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及 由此可能引起人对灯闪明显感觉的场合。该标准规定了各级电压下的波动和闪 变的限制值。电压波动：( 1 ) 1 0 k v 及以下为2 5 ；( 2 ) 1 0 1 0 0 k v 为1 5 ；( 3 ) 1 0 0 1 0 0 0 k v 为1 。闪变：对照明要求较高时为0 4 ；一般照明负荷时为0 6 。 1 2 西华大学硕士学位论文 2 3 电能质量监测方法 目前，国内外对电能质量的监测方法可概括为连续监测、定期或不定期检 测和专门测量三种方式。 1 、连续监测 连续监测也称为在线监测或日常监测。按电能质量标准的规定和要求，需 要进行连续监测的内容有电压偏差和频率偏差，以及大型干扰源、危害较大或 容易引发事故的有关电能质量标准，如大型电弧炉引起的电压波动、易受干扰 的大型设备或线路的谐波电流以及重要用户的电能质量指标。 2 、定期或不定期监测 对于普通干扰源的监测，根据干扰的大小、危害程度以及需要等，选择采 取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查，每隔一 定时间( 如l - 2 年) 对全网进行普查测试，全面了解和掌握全网的电能质量水平 或干扰源的特性。定期普查的检测点和检测指标由普查需要确定，但应包括连 续监测的内容。对于一些特殊情况根据电能质量监督管理的需要，也可采取不 定期检测方式。定期或不定期检测一般采用专门仪器、设备到现场进行测试， 测试之后根据测试结果提交分析报。 3 、专门测量 专f - i n 量是指对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器 组、滤波器等接入电网前后，比较这些设备投入前后对电网电能质量水平的影 响而进行的测量，以决定其能否正式投入运行。对于可能产生各种干扰的设备， 如果投入电网之后产生的干扰超过标准，则不允许该设备投入运行。 就名词含义和意义而言，监测和检测是两个不同的概念。监测是一个连续 时间的概念，在监测时间段内往往持续不断地执行某一个例行的任务：而检测则 是一个时间点的概念，它大多是为了完成某一具体的任务而执行一次操作。另 外，监测一般是对全程的跟踪监视，在监测伊始，往往不能具体预测监测结果： 而检测则带有明确目的，所有的操作都紧紧围绕着检测的目的而进行。 电能质量检测在改善电能质量的过程中起着关键的作用，因为要改善电能 质量问题就必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚。如要减轻或消除谐波 对系统造成的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小，并以此作为控制变量 1 3 西华大学硕士学位论文 来削弱谐波造成的不利影响。 然而，随着电力用户对电能质量要求的逐步提高，以及供电系统中干扰现 象日益增加，电能质量日常监测在电能质量监督管理中的作用越来越重要。如 果说检测能从微观上、某一个时间点上说明电能质量存在的问题，那么日常监 测无疑从宏观上、一个时间段内说明了电能质量的整体状况。 1 4 西华大学硕士学位论文 3 电能质量分析方法和数学模型 建立电能质量监测与分析系统，为了获得有关电能质量的信息，往往需要 对三相电压、三相电流、中线电流和中线对地电压等信号进行测量与储存，它 们构成了电能质量分析的数据源。由于这些数据必须以足够高的采样速率进行 采样并储存，而且又必须长期在线进行，所以每年存储的数据量相当大，必须 采用合理的处理方法。 日前电能质量分析方法主要有时域分析法、频域分析法和基于数字变换的 分析方法等三种。在三种方法中，时域仿真方法在电能质量分析中应用最广泛， 其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对供电系统电能质量扰动现象进行研 究，对于高采样率的大量数据，很难实现在线实时分析。频域分析方法主要用 于电能质量中谐波问题分析，如频谱分布、谐波潮流计算等。基于数字变换的 分析方法，主要指傅立叶变换法、短时傅立叶变换法、矢量变换法、小波变换 法等等。它们都有其特点，常将时频率分析方法结合起来使用，但目前基于数 字变换的分析方法在电能质量应用中得到更广泛的应用，其它如专家系统、人 工神经网络分析法等等在研究和应用上也都有了可喜的成果。本章主要对傅立 叶变换法、短时傅立叶变换法、小波变换法等方法的原理和优缺点进行了简单 的分析，并给出了本论文中所采用的数字分析方法和公式n 1 。 3 1 主要数学分析方法 3 1 1 傅立叶变换 任何一个畸变的、非正弦的周期波( 如电压、电流或磁通等) ，都可以分解 为一系列正弦波之和，且每个正弦波的频率都是该畸变波形基波频率的整数倍。 这种“整数倍数”即称作基频的谐波。一系列正弦波之和称作傅立叶级数，这 一概念是法国数学家约瑟傅立叶提出的。时至今日，各种基于傅立叶级数和 傅立叶变换的方法仍然是电能质量分析领域( 尤其是谐波分析领域) 必不可少的 手段。 如果畸变波形镜对称于横轴，即后半周波与前半周波的波形相同但符号相 1 5 西华大学硕士学位论文 反，则傅立叶级数仅含有奇次谐波。该特性使电能质量领域的研究工作获得了 进一步简化，因为电力系统中绝大多数畸变波形都是镜对称的。其实，偶次谐 波的出现常常意味着问题的发生一可能是负荷设备的问题，也可能是用于测量 的传感器的问题，当然也有例外的情况，如半波整流装置和电弧炉，它们产生 的电流就可能含有偶次谐波。 在电力系统分析中，常常忽略较高次数的谐波( 次数 ( 2 5 5 0 ) ) 。虽然这 些高次谐波会影响到小功率的电子器件，但是通常不会对电力系统造成损害， 况且，我们也很难收集到足够准确的数据来对电力系统在这些频率上建模。 一、非正弦信号分解成傅里叶三角级数n 1 周期性电压和电流等信号都可以用一个周期性函数表示为： f ( t ) = f ( t + k t ) ( 七= 0 ，l ，2 ，) ( 3 一1 ) 式中r 为其周期 非正弦信号满足狄里赫利条件时可分解为傅里叶级数，而电气工程中所处 理的信号都能满足这个条件。 。 傅里叶级数的三角数学形式为： f ( t ) = c o + , c h s 姒厅鳓f + 织) ( 3 2 ) 一 也可以写成 厂( f ) = c o + z ( a c o s h o 睛t + b s i n h m t ) h = l ( 3 - 3 ) 式中 仞。周期函数的角频率，缈= 等 h 谐波次数 把各次谐波的有名值或对于基波的相对值作成以谐波次数或谐波频率为横 坐标的直线图，称为幅频谱。 二、连续傅里叶变换 设f ( t ) 为一连续非周期性时间信号，若它满足狄里赫利条件及 1 6 西华大学硕士学位论文 口托) i 疵 ( 3 4 ) 那么，( f ) 的傅里叶变换存在，并定义为： ，( 动= d ( f ) p 咖疵( 3 - 5 ) 反变换为 。 ( f ) = 芴i e f ( 动p ， ( 3 6 ) ， ) 是( - 0 的连续函数，称为信号( f ) 的频谱密度函数，简称为频谱，它又 可以分成实部、虚部、幅度谱、相位谱即： f ( 仞) = r e f ( r n ) + ji m f ( r n ) 】 ( 3 7 ) if ( a 9j - 4 r e f ( r o ) 2 + ji m f ( m ) 2 ( 3 8 ) 划 黜 ( 3 - 9 ) 三、离散傅里叶变换 我们常希望在计算机上实现信号的频谱分析及其他方面的处理工作，对信 号的要求是：它在时域或频域应是离散的，且是有限长的。因此，在实际应用 时，定义一个离散傅里叶变换( d f t ) ：一 给定实或复的离散时间序列洳，期，x 2 ，j c 3 ，枷_ l ，设该序列绝对可和，即满 足：n - i i 而i ，则有离散傅里叶变换( d f t ) 为： “l一罂h x ( k ) = y x ( n ) e 。n( k = 0 ，1 ，n - 1 ) ( 3 1 0 ) 其逆离散傅里叶变换( i d f t ) 为： x ( 一) ：喜, i t 戥( k ) p 簪( n = 0 , 1 , - - n - 1 ) ( 3 - 1 1 ) x ( 一) 2 丙酽( ) p “ 式中，r l 相当于对时间域的离散化，k 相当于频域的离散化，且它们都是以n 点 1 7 西华大学硕士学位论文 为周期的。而离散傅里叶序列( x ( k ) ) 是以2 万为周期的，且具有共轭对称性。 离散傅里叶变换( d f t ) 是数字信号处理中最基本也是最常用的运算之一，它涉 及到信号与