电能质量在线监测装置的设计与实现论文.pdf

湖南大学 硕士学位论文 电能质量在线监测装置的设计与实现 姓名 李唐兵 申请学位级别 硕士 专业 电力系统及其自动化 指导教师 姚建刚 20090410 硕士学位论文 摘要 近年来 电能质量问题逐渐引起人们的重视 一方面 随着电力系统规模的 不断增大 电力系统中整流型 冲击性等非线性负荷日益增多 这些非线性负荷 的存在 往往导致电网发生电压畸变 电压波动 电压闪变和三相不平衡等电能 质量问题 致使电网供电质量降低 甚至恶化电网运行状况 另一方面 随着各 种复杂的 精密的 对电能质量敏感的用电设备的不断普及 电力用户对电能质 量提出了更高的要求 如何对电能质量进行监测与治理 向电力用户提供优质的 电能成为国内外研究的热点 根据电力行业的发展需要 论文开发了一种基于混 合信号片上系统型m c u c 8 0 5 1 f 0 6 4 芯片的电能质量在线监测装置 论文首先介绍了国内外电能质量研究的现状与发展趋势 并对电能质量国家 标准作了详细说明 总结了各类电能质量指标的测量原理和计算方法 其中对电 力系统谐波的测量理论方法进行了深入研究 其次 在分析电能质量测量方法及 其实现平台的基础上 论文提出了基于c 8 0 5 i f 0 6 4 芯片的电能质量在线监测解决 方案 以实现对三相电压 电流 功率 频率 谐波等参数的测量 设计了基于 c 8 0 5 1 f 0 6 4 芯片的电能质量在线监测装置的硬件系统 并重点研究了信号调理 a d 采样 测频模块和人机交互模块的电路设计 最后 论文开发了电能质量在 线监测装置的软件系统 重点分析了f f t 算法及其实现 基于c 8 0 5 1 f 0 6 4 芯片的电能质量在线监测装置具有可靠性好 测量精度高 适用范围广和成本低等特点 有效地提高了电能质量在线监测系统的灵活性和可 扩展性 关键词 电能质量 在线监测 谐波 快速傅立叶变换 c 8 0 5 1 f 0 6 4 电能质量在线监测装置的设计与实现 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s p o w e rq u a l i t y p q h a sg r a d u a l l yb e c o m ea ni m p o r t a n tc o n c e r n w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m m o r ea n dm o r en o n l i n e a r l o a d s s u c ha sr e c t i f i e rl o a d sa n di m p u l s el o a d s a d d e dt ot h em o d e me l e c t r i cp o w e r s y s t e m s t h ee x i s t e n c eo ft h e s en o n l i n e a rl o a d si np o w e rs y s t e m sw i l lr e s u l ti nb a d p q s u c ha sv o l t a g ed i s t o r t i o n v o l t a g ef l u c t u a t i o n f l i c k e ra n dt h r e e p h a s eu n b a l a n c e o nt h eo t h e rh a n d a l ls o r t so fc o m p l e xa n dp r e c i s ea p p a r a t u s e s w h i c ha r es e n s i t i v et o p q a r ei n c r e a s i n g l yc o n n e c t i n gt ot h ep o w e rn e t t h e r e f o r ec u s t o m e r sd e m a n dm u c h h i g h e rp qf o rt h e i ra p p a r a t u s e s h o wt om o n i t o ra n dm a n a g ep qa n dh o w t oi m p r o v e p qt os u p p l yt h ec u s t o m e r sw i t hh i g h q u a l i t yp o w e rh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u s b o t ha th o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt ot h ep o w e ri n d u s t r y sd e v e l o p m e n tn e e d s a n o n l i n e m o n i t o r i n ge q u i p m e n t f o rp qb a s e do n f u l l yi n t e g r a t e dm i x e d s i g n a l s y s t e m o n a c h i pm c u c 8 0 5 1f 0 6 4 i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r a ni n t r o d u c t i o no ft h es t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fp qr e s e a r c hb o t ha t h o m ea n da b r o a di sg i v e ni nt h i sp a p e rf i r s t l y f o l l o w e db yad e t a i l e dd e s c r i p t i o no f n a t i o n a ls t a n d a r d so fp q t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e dm e a s u r e m e n tt h e o r i e sa n d a r i t h m e t i c so fp qi n d i c a t o r s i nw h i c ht h em e a s u r e m e n tt h e o r i e so nh a r m o n i c si n e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sa r es t u d i e di nd e p t h s e c o n d l y an e ws o l v i n gs c h e m ef o rp q o n l i n em o n i t o r i n gb a s e dc 8 0 51f 0 6 4i sp o i n t e do u ti n t h i sp a p e rb ya n a l y z i n gt h e m o n i t o r i n gm e t h o d sa n di m p l e m e n tp l a t f o r m so fp q i nw h i c ht h em e a s u r i n go ft h r e e p h a s ev o l t a g e c u r r e n t p o w e r f r e q u e n c y p a r a m e t e r so fh a r m o n i ca n do t h e r p a r a m e t e r sw i l lb er e a l i z e d t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h eh a r d w a r em o d u l es y s t e mo f t h eo n l i n em o n i t o r i n ge q u i p m e n t f o c u s i n go nt h ed e s i g no ff i l t e rc i r c u i t a ds a m p l e f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta n dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nm o d u l e f i n a l l y as o f t w a v ef o r o n l i n em o n i t o r i n ge q u i p m e n th a sb e e nd e v e l o p e di nt h ee n do ft h i sp a p e r f o c u s i n go n t h ef f ta l g o r i t h ma n di t si m p l e m e n t a t i o n t h eo n l i n em o n i t o r i n ge q u i p m e n to fp qb a s e do nc 8 0 51f 0 6 4h a st h ea d v a n t a g e s o fg o o d r e l i a b i l i t y h i g hm e a s u r ed e f i n i t i o n w i d ea p p l i c a t i o na n dl o wc o s te t c i th a s e f f e c t i v e l yi m p r o v e df l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s p o w e rq u a l i t y o n l i n em o n i t o r i n g h a r m o n i c f f t c 8 0 51f 0 6 4 h i 硕士学位论文 插图索引 图3 1 硬件测频原理框图 2 8 图3 2 采样频率自动跟踪说明图 2 9 图4 1 系统组成框图 3 2 图4 2 硬件结构示意图 3 3 图4 3 信号调理电路图 3 6 图4 4a d 采样电路图 3 7 图4 5 通讯模块电路图 3 8 图4 65 0 h z 带通滤波电路图 3 9 图4 7 方波形成电路图 一3 9 图4 8 人机交互模块电路图 4 0 图5 1 主程序流程图 4 5 图5 2 键盘扫描流程图 4 6 图5 3 液晶显示流程图 4 7 图5 4 通讯处理流程图 4 8 图5 5f f t 程序流程图 5 0 电能质量在线 l f 测装置的设计 i 实现 插表索引 表2 1i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 8 表2 2i e c 关于引起电磁扰动的基本现象分类 9 表2 3 公用电网谐波电压限值 1 0 表2 4 各级电压下的电压波动限值 1 2 表2 5 各级电压下的闪变限值 1 2 表4 1s g l 2 8 6 4 一l 管脚功能表 4 l 表5 1 通讯协议描述表 4 7 表6 1 电压准确度实验数据 5 2 表6 2 电流准确度实验数据 5 2 表6 3 谐波准确度实验数据 5 3 表6 4 频率准确度实验数据 5 3 v i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担 作者签名 茗藤 日期 呷钳月f o 日 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 本人授权湖南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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编 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 不保密团 请在以上相应方框内打 v 作者签名 和 导师签名 u 日期 加 i 年厂月i 日 日期 伽c 年f 月 日 1 1 l 一 肘 葱 g 一赵 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 近年来 由于大量采用电力电子技术的工业设备和家用电器的应用 电能质 量逐渐恶化 严重影响了电力用户的生产和生活 高压直流输电系统的应用和大 量非线性负载的接入 使得电网中的谐波污染情况日趋严重 谐波含量不断增加 个别超高压输电线路不循环换位和电动机车等大容量轧钢机等冲击性负载的接 入 部分电网的暂态干扰较大 使得电压闪变现象时常发生 此外 由于目前电 力供需矛盾仍比较大 电网中的自动调压 无功补偿装置的正确动作率不高等原 因 造成用户端电压严重不稳定 用电高峰时电压过低 而在用电低谷时电压偏 高 电网的频率也会受到负荷过重的影响 另一方面 现代社会中 电能是一种广泛使用的能源 随着国民经济的发 展 对电能的需求量日益增加 同时随着计算机系统 可编程控制器 微电子设 备等敏感设备的广泛应用 用户对电能质量要求也越来越高 1 1 谐波 闪变 不 平衡度 电压不合格 均有可能导致信息系统破坏 产品质量下降 造成巨大损 失 这就需要电力部门实时监测电能质量情况 并及时采取相应措施来对电能质 量进行调整 电网供电电能质量是电力工业产品的重要指标 涉及发 供 配 用电各方 面投资者 经营者的权益 优良的电能质量对保证电网和广大用户的电气设备和 各种用电器具的安全经济运行 保障国民经济各行各业的正常生产和产品质量以 及提高人民生活质量具有重要意义 1 1 1 电能质量污染的危害 电网电能质量污染的危害和影响主要涉及三个方面 即电力系统本身 电力 用户和相关行业 1 电能质量污染对电力系统的危害 1 线损增加 谐波污染引起的谐波电流在输电线路上的流动 产生附加能 耗 增加线损 线路的谐波阻抗随着频率的升高而增加 2 一次运行设备寿命降低 谐波电流使变压器的铜耗增大 引起变压器振 荡 谐波电压使变压器的磁滞及涡流损耗增加 使绝缘材料承受的电气应力增大 3 继电保护装置的误动作 电网电能质量指标恶化会引起各类继电保护装 置的误动作和拒动 谐波分量较高的情况下 会引起过电压保护 过电流保护动 电能质量在线监测装置的设计与实现 作等 2 电能质量污染对电力用户的危害 1 危害用户用电设备 例如 供电质量指标低 对电机的直接危害是 产 生附加损耗 发热和震动 发出较高的噪声 承受过高的疲劳应力 2 影响电力用户生产的产品质量 给用户造成重大损失 3 电能质量污染对相关行业的危害 1 对通信的干扰 一般情况下 电力网和电信网的架设距离一般比较近 很多情况下甚至是同杆架设 随着低压电网电能质量污染的日益加剧 电能质量 问题对通信的影响也日益严重 其中谐波是电网干扰通信的主要因素 2 对其他行业的干扰 电能质量污染对其他行业的影响主要有如下两个方 面 通过供电电源直接对其正常的生产运行造成伤害 通过电感应产生影响 如 对有线电视 广播的干扰等 1 1 2 电能质量在线监测目的及必要性 在满足工业生产 社会和人民生活对电能需求量的同时 提高电能质量水平 是一个国家工业发达 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 民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证 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 控制和改善电能质量也是保证电力 系统发展的必要条件 在国内 电能质量问题还未引起足够重视 这一方面使得 电网运行存在很大的安全隐患 另一方面 电能质量很难使用户满意 因此 从 促进国民经济健康发展的全局出发 应进行电网电能质量在线监测系统的开发 促进电能质量水平的提高 1 对电能质量实施在线监测 首要目的是尽可能减小因各种电能质量问题 而造成的经济损失 通过在线监测 可以及时发现电网中存在的一些重大问题 通过启动相应的保护装置 最大限度的降低电网运行故障率 从而减少经济损失 2 通过在线监测获取电能质量信息 对电网中各种电气设施的抗干扰性能 有充分了解 为后续的电气设备入网提供必要的信息 3 电能质量的提高也是电力市场兴起与发展的要求 在电力市场环境下 供电表现为一种商业行为 电能作为商品在电力市场运行机制下不同的发电公司 包括独立电能生产者在发电侧竞争 输配电系统与发电分离独立经营管理 为发 电公司和用户提供输配电服务 用户侧也可以作为独立实体参加价格控制 这样 一个开放和鼓励竞争的运行环境必然使得电力部门不仅要满足用户对电力数量不 断增长的需求 还必须满足用户设备用电要求的电能质量 因此电能质量问题己 成为在当前电力市场条件下各个方面关注的焦点 电能质量是电力企业及用户普 硕士学位论文 遍关注的问题 构建电能质量监测网络 对各监测点的数据集中到电能质量监测 中心进行分析和评估 并将评估结果作为治理电能质量问题的依据 在电力市场 环境下尤为重要 2 1 1 2 电能质量国内外研究现状 电能质量问题的重要性日益突出 在许多国家已经引起电力部门及用户的广 泛关注 3 卅 电能质量领域新技术的开发和研究已成为当前电力系统研究领域的 新热点之一 c i r e d 组织第1 6 届轮值主席c o n n e r o t t e 先生在c i r e dk l 2 0 0 2 大会的 专题发言中把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要技术问题 2 0 0 8 年在 中国扬州举行的第四届国际电能质量研讨会上 也把电能质量监测 分析和综合 评估技术与方法列为主要议题之一 近年来 电能质量问题在一些经济发达国家 或地区 电力公司已被提上议 事日程 马来西亚 新加坡及香港等地的电力公司与欧美发达国家一样 十分重 视电能质量 成立专门负责电能质量管理的机构 做了大量工作来解决用户的电 能质量问题 国外发达国家对电能质量进行了多年的研究 取得了许多重要的理 论和应用成果 一方面采取种种可能的技术措施抑制电能质量的恶化 使其尽量 得到改善 另一方面在系统中特殊点装设专门的电能质量监测装置 准确及时地 监测出电能质量方面存在的问题 相比较而言 我国在电能质量问题认识上和措 施实践方面存在较大差距 尚未开展细致的电能质量管理工作 日常工作上对电 能质量问题的把握还不够全面 主要集中在电压合格率及谐波方面 对电压骤降 以及供电瞬时中断引起的电能质量问题 危害认识不足 l0 1 目前 国内外对电能质量监测方式大致分为三种 l l 1 2 1 专项测量 即对各种干扰负荷或补偿设备 如电弧炉 换流设备 电容 器组 滤波器等在接入电网前后 或反映电能质量出现异常 需要对比前后变化 情况的场合 测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响 通过与国家相关标 准对照 决定其是否可以投运或确定电网电能质量指标的背景状况和负荷变动与 干扰发生的实际参量 专项检测工作在完成预定任务后即可撤消 2 定期或不定期监测 即针对普通电力干扰源 根据干扰的大小 危害程 度采取定期或不定期监测方式 定期监测多用于电网电能质量的定期普查 主要 目的是全面了解全网电能质量水平和干扰源的特性 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 3 在线监测 在线监测主要用于监测重要变电站或实施无人值班变电站的 公共配电点或重要电力用户的配电点的电能质量 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和远程控制 通过计算机网络 将监测的实时数据 历史变化曲线 指标越限报警信号等进行就地显示和实现远 电能质量在线i 监测装置的设计与实现 程监控 我国的电能质量监测技术起步于2 0 世纪8 0 年代的电气化铁道建设 随后 在 葛上线 5 0 0 k v 直流输电项目中 促进了电能质量监测技术的发展 这一时期的 电能质量监测技术主要以谐波监测为主 经过二十多年的发展 我国的电能质量 监测技术取得了很大的进步 也形成了基于数据库的 充分应用现有网络技术的 数字化电能质量监测系统模式 可以说近二十年的时间 是电能质量监测技术的 快速发展期 但是在目前的电能质量监测技术中 能够综合测量多种电能质量指 标的监测仪还较少 部分供电公司的电能质量测试设备大部分比较陈旧 还处在 需要测试人员到现场去监测电能质量状况的水平 测量的指标比较单一 实时性 较差 虽然记录电压合格率的自动装置 专门的谐波监测仪 测量频率装置等已 在一些电力部门投入实际运行 不少的微机式故障录波器 变电站自动化系统等 装置中也考虑了兼顾电能质量监测的功能 然而 这些装置在电能质量监测方面 功能还比较单一 不能将多项指标综合在一起 更不具备一个专门对电能质量各 个指标数据进行分析判断 管理 统计和实时监测与评估等功能的软件系统 随着电力系统电能质量问题的日益增多 研制一种能实现多种电能质量指标 的测量 又能与后台分析评估 统计系统实时交换数据的在线监测装置 是电力 系统发展的必然需要 1 3 电能质量在线监测装置性能要求 根据当前我国电能质量监测现状 针对电力市场条件下电能质量发展前景 结合电能质量在线监测系统和电能质量的五个国家标准的要求 根据电力装置的 电测量仪表装置设计规范 1 3 1 和电能质量监测设备通用要求 1 4 确定了电能质量在 线监测装置应具有的功能和所要达到的性能要求 1 电能质量在线监测装置以技术先进 经济合理 测量准确 监视方便为总 体设计原则 以满足电力系统安全经济运行和电力商业化运营的需要 2 电能质量在线监测装置工作环境允许温度为 1 0 5 5 允许相对湿度为 5 9 5 允许大气压力为8 0 1 1 0 k p a 3 电能质量监测装置应能够准确测量与电能质量指标相关的参数 包括三相 电压 三相线电压 三相电流 电网频率 2 5 波电流电压 零序电流 正序电流 负序电流 零序电压 正序电压 负序电压 有功功率 三相不平衡度 无功功 率 功率因数等 4 装置应具有现场实现对其内部时钟 系统基本数据的重新设置 更改 删 除功能 5 装置应至少具备9 5 概率大值的统计功能 该统计功能可以放在后台完 成 硕十学位论文 6 电能质量监测装置的测量精度应满足下述要求 1 电压 电流偏差 满量程误差不大于0 5 2 频率偏差 测量范围为4 5 5 5 h z 测量误差不大于o 0 1 h z 3 三相不平衡度 电压不平衡度测量误差不大于o 2 电流不平衡度测 量误差不大于1 4 谐波 测量准确度应不低于1 o 级 测量误差不大于1 o 谐波电流 允许值和谐波电压限值 应符合g b l 4 5 4 9 1 9 9 3 的有关规定 5 闪变 误差不大于5 6 功率 测量误差不大于1 o 功率因数 测量误差不大于0 5 7 本装置为在线监测设备 应根据实际应用环境的通讯要求 具备与远程计 算机监测系统通信的功能 实现监测数据的实时传输或定时提取存储记录 1 4 本文所做的工作 论文对电能质量在线监测进行了研究 搭建了电能质量在线监测装置硬件平 台 编写了装置的软件系统 具有一定的创新性和很高的实用价值 论文主要章节安排如下 第一章提出了课题的背景和研究意义 介绍了电能质量监测的发展状况 引 出了论文课题的研究内容 并且给出了论文内容上的安排 第二章介绍了电能质量的概念及指标 包括供电电压允许偏差 电力系统频 率偏差和三相不平衡 电压波动闪变和电网谐波等 第三章研究了电能质量分析常用的数学方法和电能质量在线监测参数测量的 数字化实现原理 第四章进行硬件模块的设计 开发和调试 搭建了电能质量监测装置的硬件 平台 其中包括信号调理电路 锁相倍频电路 a d 采集电路及控制程序 频率 测量模块 键盘接口电路等 第五章研究的是电能质量在线监测软件的开发 重点分析f f t 算法原理及其 实现 第六章对电能质量在线监测装置进行了实验分析 论文最后对本文所做的工作进行了总结 讨论了论文研究内容中的不足之处 提出对未来研究工作的展望和打算 电能质量在线峪测装置的设计与实现 第2 章电能质量概述 2 1 电能质量的定义和分类 2 1 1 电能质量的定义 随着电力市场的开放 电网结构和负荷构成的变化 面向用户的现代电能质 量有了新的内涵和意义 从广义上 它包含三个方面 供电可靠性 电能质量和 提供的相关信息 供电可靠性一般计及电力完全中断超过l m i n 2 m i n 甚至5 m i n 的事件 往往忽略了因重合闸或自投装置动作造成的短时间中断 电能质量反映 了电压和电流偏离其标准波形的程度 从工程实用上 可分为电压质量和电流质 量 前者包括电压偏差 电压频率偏差 电压不平衡 瞬变现象 波动与闪变 暂升暂降与中断 电压谐波 电压陷波 欠电压 过电压等 后者包括电流谐波 间谐波 次谐波 相位超前与滞后等 提供的相关信息是指通过监测和评估手段 获得的电能质量状态量 并解释为公认的和可交换的有用信息 电能质量存在很多种不同的定义 电力公司常将电能质量定义为供电可靠性 并用统计数据表示 而从用户方面考虑 电能质量常被定义为导致用户设备失效 或不能正常工作的电压 电流或频率偏移 电能质量定义有以下几种 1 i e e e 标准定义 i e e e 标准化协调委员会己正式采用 p o w e rq u a l i t y 电能质量 这一术语 并给出了其相应的技术定义 合格的电能质量的概念是指 给敏感设备提供的 电力和设置的接地系统是否均适合于该设备正常工作 在许多情况下 接地系统 对电能质量的影响很大 以往对其认识不足 除此之外 在这一领域的许多文献 和报告中还采用了一些并未得到公认的一些术语和补充定义 例如电压质量 电 流质量 供电质量和用电质量 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 电压不平衡 电压瞬变现象 电压波动与闪变 电压暂降与中断 电压陷波 电压谐波 欠电压和过电压等 2 电流质量 电流质量与电压质量密切相关 为了提高电能的传输效率 除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外 还应尽量保持该电流波形与供 电电压同相位 电流质量通常包括电流谐波 次谐波或间谐波 电流相位等 3 供电质量 包括技术与非技术含义两部分 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 它包括供电部门对电力用户投诉的反应速度 服务水平和电力价格的透明度等 硕士学位论文 4 用电质量 包括电流质量和非技术含义等 如用户是否按时 如数缴纳 电费等 它反映供用双方相互作用与影响中用电方责任和义务 2 i e c 标准的定义 为了统一各国有关电气标准和规范 国际电工委员会 i e c 于1 9 7 3 年建立 第7 7 技术委员会 下设3 个分委会 其中1 9 8 1 年3 月建立的s c 7 7 a 分委会负责 低频扰动的电磁兼容标准的制定 1 6 i e c 没有采用 p o w e rq u a l i t y 电能质量 这一术语 而是提出使用 e m c 电磁兼容 术语 指出和强调设备与设备之间 的相互作用和影响 以及电源与设备之间的相互作用和影响 在i e c 提出的电磁 兼容概念中 采用排放 e m i s s i o n 表示由设备产生的电磁污染 它反映出电流 质量问题 采用抗扰 i m m u n i t y 表示设备免除电磁污染的能力 它与电压质量 相关 并且以此为基础 制定出了一系列相关的电磁兼容标准 电磁兼容术语与 电能质量术语有很大的重叠性 在它们中间有很多的同义词 2 1 1 电能质量的分类 为了系统地分析研究电能质量现象 并能够根据各种扰动特征提出相应的测 量方法 进而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 针对性的解决办法 将电能质量进行分类和给出相应的定义很重要 1 7 1 电能质量的基本分类 对于电能质量现象可以根据不同的基础来分类 以下介绍了国际上在电能质 量现象分类和特性描述等方面取得的研究成果 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 对于表中列出的各种现象 我们可进一步用其属性和 特征加以描述 在国际电工界有影响的i e c 以电磁现象及相互干扰的途径和频率 特性为基础 引出了广义的电磁扰动的基本现象分类 如表2 2 所示 2 变化型和事件型分类 电能质量问题还有一种分类方法 即按照电能质量扰动现象的两个重要表现 特征 变化的连续性和事件的突发性为基础分为两类 所谓变化型是指连续出现的电能质量扰动现象 其重要的特征表现为电压或 电流的幅值 频率 相位差等在时间轴上的任一时刻总是发生着小的变化 例如 系统频率不可能一成不变等于额定数值 系统电压也不可能每时每刻恒等于其额 定值 与理想值的偏差始终存在 这一类现象包括电压幅值变化 频率变化 电 压与电流间相位变化 电压不平衡 电压波动 谐波电压和电流畸变等 所谓事件型是指突然发生的电能质量扰动现象 其重要的特征表现为电压或 电流短时严重偏离其额定值或理想波形 这一类现象包括电压暂降和电压短时中 断 欠电压 瞬态过电压 阶梯形电压变化 相位跳变等 电能质量在线监测装置的设计与实现 表2 1i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 硕士学位论文 表2 2i e c 关于引起电磁扰动的基本现象分类 现象分类 传导型低频现象 传导型高频现象 辐射型高频现象 辐射型低频现象 静电放电现象 e s d 核电磁脉冲 n e m p 谐波 间谐波 信号系统 电压波动 电压暂降和中断 电压不平衡 工频变化 感应低频电压 交流电网中的直流成分 感应连续波电压或电流 单方向瞬变 振荡性瞬变 磁场 电场 电磁场 连续波 瞬变 工频电磁场 2 2 电能质量概述及国家标准 1 9 8 8 年 我国为加强电力系统电能质量管理工作 曾颁布执行了 电网电能 质量技术监督管理规定 提出 谁干扰 谁污染 谁治理 的原则 并指出为保 证电力系统安全 稳定 经济 优质运行 提出电能质量是电力企业和用户共同 的责任和义务 迄今为止我国共颁布电能质量系列标准共有6 个 即 g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3 电能质量供电电压允许偏差 g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公 用电网谐波 g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变 g b t 15 5 4 3 1 9 9 5 电 能质量三相电压允许不平衡度 g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许 偏差 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 国标将反映电能 质量的6 个主要指标包括在内 这些指标和电力系统正常运行状态密切相关 电能质量在线监测装置的设计与实现 2 2 1 供电电压允许偏差 供电电压偏差允许限值如下 1 3 j 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士7 3 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的 7 1 0 本标准适用于交流5 0 h z 电力系统在正常运行条件下 供电电压对额定电压 的偏差 本标准不适于瞬态和非正常运行情况 用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的 当其端子上出现电 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 持续时间和 设备状况而异 电压偏差计算式如下 电压偏差 1 0 0 实际电压一额定电压 额定电压 1 0 0 2 2 2 公用电网谐波 各级电网谐波电压限值见表2 3 衡量点为p c c p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g 取实测9 5 概率值 电能质量公用电网谐波 g b t 1 4 5 2 9 1 9 9 3 对用户允许产 生的谐波电流 提供计算方法 对测量方法和测量仪器做出基本规定 对同次谐 波随机性合成提供算法 表2 3 公用电网谐波电压限值 谐波即对周期性的变流量进行傅立叶级数分解得到频率大于1 的整数倍基波 的频率分量 它是由电网中非线性负荷而产生的 数据丢失 计算机误动作 断 路器无故跳闸 设备过早失效和电气设备过热等等电气故障都是由谐波引起的 电能质量公用电网谐波 g b t 1 4 5 2 9 19 9 3 中规定了各电压等级的总谐波畸 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 该标准还规定 了电网公共连接点的谐波电流允许值 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公共连接点的供电设备容量之 比进行分配 以体现配电的公正性 用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户 在该点协议容量与公共连接电的供电设备容量之比进行分配 l9 1 硕士学位论文 谐波的含有率 谐波含量和总畸变率等特征量的计算方法如下 1 第h 次谐波电压含有率 r 舰 1 0 0 2 1 u l 式中 是第h 次谐波电压 方均根值 u 是基波电压 方均根值 2 第h 次谐波电流含有率 r h r 等 1 0 0 2 2 1 1 式中 厶是第h 次谐波电流 方均根值 厶是基波电流 方均根值 3 谐波电压含量 一 u 2 2 3 yh 2 4 谐波电流含量 一 如 厶 2 2 4 yh 2 5 电压总谐波畸变率t h d v r t h d v 等 1 0 0 2 5 u 1 6 电流总谐波畸变率t h d l t h d 等 1 0 0 2 6 1 1 2 2 3 电压波动和闪变 电能质量电压波动和闪变 g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 0 是在原来标准 g b t 1 2 3 2 6 1 9 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 而修订而成的 电压波动 v o l t a g ef l a c t u a t i o n 定义为电压方均根值 系列相对快速变动或连续改变的现象 其变化周期比工频周期大 在配电系统 运行中 这种电压波动现象有可能彼此出现 变化过程可能是规则的 不规则的 或是随机的 电压波动的图形也是多种多样的 如斜坡形 跳跃形或准稳态形等 在波动性负荷中 以电弧炉引起的电压波动最为严重 国标中对各级电压在一定 频度范围内的电压波动限值规定 如表2 4 所示 闪变 f l i c k 即灯光照度不稳定造成的视感 是由波动负荷 如电弧炉 轧机 电弧焊机等引起的 国标中对闪变限值如表2 5 所示 衡量点为电网公共连接点 电能质量稿 线j l f 测装置的设计与实现 p c c 每次测量周期1 0 m i n 取实测9 5 概率值 每次测量周期为2 h 不得超标 规定限值分三级处理原则 表2 4 各级电压下的电压波动限值 注 p s t 测量周期为1 0 m i n p l t 测量周期为2 h m v 括号中值仅适用于p c c 连接的所有用户为同电压等级的用户场合 电力系统公共连接点 由波动负荷引起的短时闪变值p s t 和长时间闪变值p l t 应满足上表所列的限值 2 0 1 2 2 4 三相电压不平衡度 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 规定了三相电压不 平衡度的允许值及其计算 测量和取值方法 该标准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电压不平衡度允许值为2 短时不得超过4 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 根 据连接点的负荷状况 临近发电机 继电保护和自动装置安全运行要求 可作适 当的变动 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 在确定三相电压允许不平衡 指标时 该标准规定用9 5 概率作为衡量值 即正常运行方式下不平衡度允许值 对于波动较小场合 应和实际测量的五次接近值的算术平均值对比 对于波动较 大的场合 应和实际测量的9 5 概率值进行对比 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值 以保证保护和自动装置的正确动作 2 1 1 三相不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害 主要有以下几个方面 1 引起以负序为起动元件的多种保护发生误动作 威胁电网的安全稳定运 行 硕士学位论文 2 使半导体变流设备产生附加的谐波电流 3 使旋转电机产生附加振动力矩和发热 危害到电机的安全运行和正常出 力 4 使变压器的三相负荷不平衡 会使负荷较大的一相绕组过热而缩短其寿 命 而且会由于磁路的不平衡造成附加损耗 5 干扰通信系统 影响通信质量 6 使电网损耗增加 2 2 5 电力系统频率允许偏差 频率是电能质量最重要的指标之一 系统负荷特别是发电厂厂用电负荷对频 率的要求非常严格 要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统的频率 使系统的频率偏差控制在允许的范围之内 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即系统的频率偏差 电能质量电力系统频率允许偏差 g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 中规定 电力系统 频率偏差允许值为0 2 h z 当系统容量较小时 偏差值可以放宽至u q o 5 h z 用户 冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过士0 2 h z 根据冲击负荷性质和大小以 及系统的条件也可适当改变限值 但应保证近区电网 发电机组和用户的安全 稳定运行以及正常供电 2 2 1 用于频率偏差指标评定的测量 须用具有统计功能的数字式自动记录仪表 其绝对误差不大于0 0 1 h z 2 2 6 暂时过电压和瞬态过电压 以u 表示系统最高电压 则峰值超过系统最高相对地电压峰值 2 3 u 或最 高相间电压峰值 2 u 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 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电压 内过电压是由于操作 事故或其它原因 引起电力系 统的状态从一种稳态突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 谐振过电压和操作过电压等 外过电压又叫大气过电 压或雷电过电压 它又分为感应雷过电压和直击雷过电压两种类型 下面根据电 能质量国标 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 介绍五种 类型的过电压 2 3 1 1 暂时过电压 t e m p o r a r yo v e rv o l t a g e 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 2 瞬态过电压 t r a n s i e n to v e rv o l t a g e 持续时间为数毫秒或更短 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 电能质量神 线监测装置的设计与实现 3 缓冲前过电压 s l o w f r o n to v e rv o l t a g e 及操作过电压 s w i t c h i n go v e r v o l t a g e 一种瞬态过电压 通常是单极性的并且峰值时间在2 0 芦和5 0 0 0g s 之间 半峰值时间小于2 0 m s 4 振荡过电压 r e s o n a n c eo v e rv o l t a g e 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 且波形具有周期性 5 快波前过电压 f a s t f r o n to v e rv o l t a g e 及雷电过电压 1 i g h t n i n go v e r v o l t a g e 是一种瞬态过电压 通常是单极性的 其波前时间在0 1 芦和2 0 9 s 之 间 半峰值时间小于3 0 0 厣 2 3 本章小结 本章概述电能质量定义和分类 介绍了我国的六项电能质量国家标准 供电 电压允许偏差 公用电网谐波 电压波动和闪变 三相电压不平衡度 电力系统 频率允许偏差和暂时过电压和瞬态过电压 说明了各个电能质量指标的合格参数 范围 硕上学位论文 第3 章电能质量在线监测算法研究 3 1 电能质量数学分析方法 电能质量问题主要的分析方法可分为时域 频域和基于数学变换的分析方法 三种 频域分析方法主要用于电能质量中的谐波的分析 包括频谱分布 谐波潮 流计算等 基于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换 短时傅立叶变换 矢量 变换以及近年出现的小波变换和人工神经网络等分析方法 2 4 3 0 1 傅立叶变换作 为经典的信号分析方法具有正交 完备等许多优点 短时傅立叶变换方法 s t f t 将信号不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合 从而将傅立叶变换用于不 平稳信号的分析 小波变换具有时域和频域局部化的特点 克服了傅立叶变换和 短时傅立叶变换的缺点 特别适用于突变信号和不平稳信号的分析 因而已在电 能质量扰动识别中得到广泛应用 3 1 1 傅立叶变换 3 1 1 1 连续傅立叶变换 设厂 f 为连续非周期时间信号 若 f 满足狄里赫利条件即 i s o 陋 3 1 那么 厂 f 的傅立叶变换存在 并定义 f r o f r o if t e o 耐出 3 2 其反变换为 f t v 2去 了 oof t f r of r o e j d d t 3 3 亡i 3 缈 是国的连续函数 称为信号厂 f 频谱密度函数 或称为频谱 它又可以 进一步分解为实部和虚部 幅度谱和相位谱 即 f r o r e f r o j l m f r o 3 4 i f c o i r e f 缈 1 2 l i m f 功 1 2 3 5 即 t g 黜 n 6 式中i f r o l 称为幅度谱 秒 c o 称为相位谱 傅立叶变换的结果是连续谱 电能质量在线监测装置的设计与实现 3 1 1 2 离散傅立叶变换 离散傅立叶变换 d f t 是数字信号处理中最基本 最常用的算法之一 它 涉及到信号与系统分析和综合这一广泛的信号处理领域 取厂 f 在r 实数域 上的离散点的值来计算傅立叶变换 实际当中实现信 号的频谱分析及其它方面的处理工作对信号的要求是 在时域和频域是离散的 且都是有限长的 我们由此给出离散傅立叶变换 d i s c r e t ef o u r i e rt r a