（电路与系统专业论文）基于DSP的电能质量监测系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 摘要 随着大功率电力电子开关设备的普及应用，它所带来的各种电能质量问题已 引起各国电力工作者的高度重视，提高电能质量的新技术已成为近年来电力系统 研究领域中新的研究热点。通过对电能质量进行实时监测、记录和分析，可以为 改善电能质量、制定有关电能质量的治理措施以及确定治理装置的技术参数提供 必要的依据，这就使得研究电能质量监测技术具有十分重要的现实意义。本文以 电能质量监测系统为研究对象，对电能质量参数的测量方法和系统的软硬件设计 做了详细的分析和研究，本文研究的主要内容有： ( 1 ) 在分析国内外对电能质量参数测量方法基础上，研究了本课题的电能质 量参数的测量计算方法，详细讨论了一种基于布莱克曼窗函数的高精度f f t 谐波 分析方法，并经过仿真比对验证了这种方法能显著提高谐波测量的精度。 ( 2 、) 按照网络化、智能化、模块化的设计思路，设计了系统的技术指标，提 出了系统的总体设计方案，构建了以d s p 和c p l d 为核心，包括信号采集模块、 d s p 数据处理模块、c p l d 逻辑控制模块、外扩存储模块、键盘及液晶显示模块 和通信模块六大模块的系统总体架构。 ( 3 ) 根据系统的总体设计思路，对电能质量监测系统的软硬件进行了分块设 计：采用1 6 位的a d 转换芯片，实现了对数据的高精度采样；采用主频1 5 0 m h z 的3 2 位d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，实现了对高速采样数据的实时处理，提高了系统的数 据处理能力；利用c p l d 作为外围电路的逻辑控制模块，实现了对外围电路的灵 活可靠控制；键盘及液晶显示模块的设计，为系统提供了友好的人机界面环境； 多种通信接口的设计，极大的提高了系统的通信水平，实现了网络化的总体设计 目标；此外，按照模块化的设计思想和本课题所采用的电能质量参数测量方法进 行了程序的编写。 f 4 、) 根据系统总体设计要求，对系统硬件电路及软件程序进行了分模块调试， 给出了测试结果和试验波形，并对测试结果进行了分析。 ，通过对系统主要模块的测试表明，系统采样模块、数据处理模块和通信模块 均能正常工作，且测试的参数能达到系统的技术指标要求，实现了预期的设计目 标。 关键词：电能质量；监测系统；数字信号处理器；快速傅立叶变换 基于d s p 的电能质量监测系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fl a r g e - p o w e rp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，a l l k i n d so fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sc a u s e db yt h o s eh a v ea t t r a c t e dh i g ha t t e n t i o n sf r o m r e s e a r c h e r sd e v o t e di np o w e rf i e l d ，a n dn e wt e c h n o l o g yw h i c hc a ni m p r o v ep o w e r q u a l i t yh a sr e c e n t l yb e c o m en e wh o ts p o ti nt h er e s e a r c ho fp o w e rs y s t e m i tc a n p r o v i d ee s s e n c i a le v i d e n c ef o ri m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y ，m a k i n go u tc o n t r o lm e a s u r e s a n dm a k i n gs u r et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc o n t r o le q u i p m e n t sb yr e a l t i m em o n i t o r i n g ， r e c o r d i n ga n da n a l y s i sf o rp o w e rq u a l i t y t h ed e t a i l e da n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rt h e m e a s u r e m e n t so fp a r a m e t e r so fp o w e rq u a l i t ya n dt h es o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g no f s y s t e mi sp e r f o r m e di nt h i sp a p e r t h ed e t a i li ss h o w na sb e l o w f i r s t l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fm e a s u r e m e n t so fp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r s ，w e p e 订o r mt h er e s e a r c h o nm e a s u r e m e n t so fp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r su s e di nt h e p r o j e c t ，d i s c u s saf f ta l g o r i t h mb a s e do nb 1 a c k m a nw i n d o wf u n c t i o ni nd e t a i l ，a n d t h e nv e r i f yt h ea l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ea c c u r a c yw i t hs i m u l a t i o n s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt o t h en e t w o r k ， i n t e l l i g e n t ， m o d u l a rd e s i g n c o n c e p t ，w e d e s i g nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e f so fs y s t e m ，p r o p o s et h ed e s i g np r o g r a mo fs y s t e m ，a n d b u i l dt h ew h 0 1 ef r a m e w o r kw h i c hc o n s i s to fa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d s pm o d u l e ，c p l d m o d u l e ，m e m o r ym o d u l e ，k e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h i r d l y ，t h es o f t w a r e h a r d w a r ed e s i g ni sd i v i d e di n t om u l t i p l eb l o c k s ，w h i c hi s s h o w na sb e l o w t h e h i g h - a c c u r a c ya c q u i s i t i o n i sa c h i e v e d b y 16 一b i ta d ；t h e r e a l - t i m e p r o c e s so fd a t ai sa c h i e v e db y3 2 一b i td s p ；t h ec o n t r 0 1f o rp e r i p h e r a l si s a c h i e v e db yc p l d t h ek e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l ep r o v i d ef r i e n d l ym a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，a n dt h ed e s i g no fm u l t i p l ec o m m u n i c a t i o np o r t si m p r o v et h ec a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o n a d d i t i o n a n y ，t h e s o f t w a r ed e s i g ni sp e r f o r m e db a s e do nm o d u l a r c o n c e p t f i n a u y ，w ep e r f o r mt h ed e b u gf o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s h o wt h et e s tr e s u l t s a n dw a v e f o r m ，a n da n a l y z et h et e s tr e s u l t sa c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr u l e0 fs y s t e m t h et e s tr e s u h sd e m o n s t r a t et h a tt h em a i nm o d u l e so f s y s t e mi n c l u d i n g a c q u i s i t i o nm o d u l e ，d s pm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ec a nw o r kn o r m a l l y ，t h e t e s t p a r a m e t e r sc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft e c h n i c a lp a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，t h e d e s i g no b j e c t i v ei so b t a i n e da se x p e c t e d k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；d s p ；f f t n 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。 作者虢敏 日期：2 口d 艿年月2 口日 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“”) 作者签名：惯尖 导师签名：嗜三之 日期：少d 艿年月2 p 日 日期：力眸勿月日 硕士学位论文 1 1 电能质量的概念 第1 章绪论 1 1 1 电能质量的基本定义 电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部 门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品( 它同样具有 产品的若干特征，如可被测量、预估、保证或改善) 。如今，电能作为走进市场 的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。 什么是电能质量，由于出发点不同，电能质量存在很多不同的定义。i e e e 标 准化协调委员会对电能质量的技术定义为：合格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均适合于该设备正常工作的( ，在许多情况下，接 地系统对电能质量有很大的影响，以往对其认识不足) 【扪。国际电工委员会( i e c ) 给出的电能质量定义是指：在电力系统中某一指定点上电的特性，这些特性可根 据预定的基准、技术参数来评价【踟。但是，电力公司常将电能质量定义为供电可 靠性，并用统计数字来表示；设备制造商常将电能质量定义为能使设备正常运行 的供电特征，因此不同的设备制造商往往采用不同的电能质量指标；从用户方面 考虑，电能质量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 差。除此之外，在这一研究领域的许多文献和报告中还采用了一些并未得到公认 的定义。例如，有把电能质量描述为众多单一类型的电力系统干扰问题总称的： 有把电能质量简单定义为优质供电的。 由此可见，时至今日在供用电双方，甚至在电力研究者中关于电能质量的范 畴、定义，以及质量下降的起因等许多方面仍存在着分歧与争论，在使用的相关 名词上也并未完全达成共识。不过，采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 术语描述供 电与用电( 系统与负荷) 双方的相互作用和影响不仅己经基本得到普遍接受，而且 统一到”p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 术语己是一种必然趋势。 1 1 2 电能质量指标 电能质量通常用电网的实际状况与理想系统的差距来衡量。主要有五个指标： 电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和闪变、三相电压不平衡1 4 】【5 】1 6 1 。 1 电压允许偏差 电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时，电力系统供电实测电压对额定 电压的偏差。其计算公式为： 基于d s p 的电能质量监测系统的研究 电压偏差= 茎塑嘎荔茅1 。 ( 1 1 ) 用电设备在发生电压偏差时，其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿 命。比如，电网用户负荷中占比例最大的异步电动机，其负荷为恒定时，电压减 少1 0 ，则滑差约增大0 6 ；负荷率为8 5 的电机，电压降低1 0 1 5 时则有可 能失去稳定性。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。 2 电力系统频率允许偏差 频率偏差是指电力系统频率的实际值和标称值( 5 0 h z ) 之差。 系统频率的过大变动对用户和发电厂的不利影响主要有如下几个方面1 9 】： ( 1 ) 频率变化引起异步电动机转速变化，导致纺织、造纸等机械的产品质量 受到影响； ( 2 ) 与系统频率有关的测控设备受系统频率影响而降低其性能，甚至不能正 常工作； ( 3 ) 系统频率降低引起电动机的转速和功率降低，导致传动机械效率降低； ( 4 ) 频率降低，发电厂汽轮机叶片的振动变大，影响使用寿命，甚至产生裂 纹而断裂； ( 5 ) 频率降低，发电厂给煤、排水系统效率降低，从而使系统频率状态进一 步恶化； ( 6 ) 系统频率降低引起异步电机和变压器激磁电流增加，所消耗的无功功率 增加，恶化了电力系统的电压水平； ( 7 1 ) 频率的变化还可能弓 起系统中滤波器的失谐和电容器组发出的无功功率 变化。 3 电压允许波动和闪变 电压波动是指工频电压包络线的系列变动或周期性变化，常以相邻两个电 压波形极值电压均方根值( 或峰值) u 懈和血之差相对于额定电压的百分 数表示。即电压波动值u 为： u ：竺避兰望也1 0 0 ( 1 2 ) u n 电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。它通 常是以白炽灯的通光量作为判断。影响闪变的因素包括供电电压的波动、照明装 置和人的视感度等。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 的电压波动弓 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。 2 硕十学位论文 4 电网谐波及波形畸变 电网谐波是指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 的整数倍分量。对谐波的测量一般包括：各次谐波量即谐波幅值和相位、各 次谐波含有量、总谐波畸变率、谐波功率、谐波阻抗。 谐波污染对电力设备的危害是严重的，主要表现在如下几个方面【9 】： ( 1 ) 谐波电流在旋转电机绕组中流通，使电机产生附加功率损耗而过热，产 生脉动转矩和噪声； ( 2 ) 引起无功补偿电容器组谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过负荷或 过电压而损坏，对电力电缆也会造成过负荷或过电压而损坏； ( 3 ) 由于集肤效应和邻近效应的存在，使输电线路、变压器等因产生附加损 耗而过热； ( 4 ) 电压或电流波形的畸变改变了电压或电流的变化率，影响了断路器的断 路容量，对晶闸管的使用寿命产生严重影响： ( 5 ) 对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动； ( 6 ) 使计量仪表，特别是感应式电能表产生计量误差； ( 7 ) 造成通信干扰。 5 三相不平衡度 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按a 、b 、c 顺 序互成1 2 0 度。三相电压( 或电流) 不平衡度是指三相电力系统三相电压( 或电流) 不平衡的程度，用电压( 或电流) 负序分量与正序分量的均方根百分比表示。即： ， 。= 1 0 0 ( 1 3 ) h t r、， u l 负序和零序分量的存在会对电力设备的运行产生下列影响【9 】： ( 1 ) 凸极式同步电机对负序分量存在很强的谐波变换效应，三相不平衡会导 致同步电机产生电力谐波，污染电力系统的运行环境； ( 2 ) 负序电流流入同步电机或异步电机，会使电机因产生附加损耗而过热， 产生附加转矩而降低使用效率； ( 3 ) 对直流输电的换流器来说，三相不对称不仅会增加控制的困难，还会导 致非特征谐波的产生： ( 4 ) 零序电流的存在会对邻近的通信线路产生很强的干扰。 1 1 3 电能质量的分类 电能质量问题的分类有很多种方法，按照产生和持续时间可分为稳态电能质 量问题和动态电能质量问题。 3 基于d s p 的电能质量监测系统的研究 1 稳态电能质量问题 稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，一般持续时间较长，在一段时间 内( 通常是1m i n 以上) 出现的电能质量不正常的情况，主要有下列类型： ( 1 ) 过电压：是指持续时间大于1m i n ，数值大于标称电压的电压； ( 2 ) 欠电压：是指持续时间大于1m i n ，数值小于标称电压的电压； ( 3 ) 电压不平衡：是指电压的最大偏移与三相电压的平均值的比值超过规定 的标准； ( 4 ) 谐波：对厨期性电压或电流进行傅立叶分解，得到频率为基波整数倍分 量的含有量，谐波是衡量电能质量的重要指标之一； ( 5 ) 频率偏差：指电力系统频率的实际值和标称值( 5 0 h z ) 之差，电力系统正常 频率允许频率偏差为o 2 h z 。 2 动态电能质量海题 动态电能质量问题通常是以暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态 两大类，主要有以下几种形式【3 】： ( 1 ) 电压骤升、骤降：持续时间为0 5 个周期至1m i n ，电压有效值上升或下 降至标称电压的1 1 0 1 8 0 或1 0 9 0 ； ( 2 ) 电压瞬变：持续时间很短的电压值发生快速的变化； ( 3 ) 电压闪变：电压波形包络线呈规则的变化或电压幅值一系列的随机变化， 一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。闪变分为周期 性和非周期性两种； ( 4 ) 短时断电：持续时间在0 5 个周期至3 秒之间的供电中断。 1 1 4 我国电能质量的标准 从8 0 年代初开始，国家技术监督局相继颁布了5 项电能质量的有关标准， 即：g b1 2 3 2 5 9 0 供电电压允许偏差，g b1 2 3 2 6 9 0 电压允许波动和闪变，g b 1 4 5 4 9 9 3公用电网谐波，g b t1 5 5 4 3 9 5 三相电压允许不平衡度，g b t 1 5 9 4 5 9 5 电力系统频率允许偏差。上列标准的摘要如表1 1 所列。 1 2 电能质量监测技术研究背景和意义 1 2 1 电力系统开发高性能电能质量监测系统的必要性 自从八十年代以来，随着新型电力负荷的出现以及它们对电能质量不断增加 的要求，电能质量问题逐渐引起电力公司和电力用户的普遍关注，其主要原因有 以下几个方面【1 】： ( 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 4 硕上学位论文 都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感； 表1 1 电能质量国家标准摘要 标准编号 标准名称允许限值 说明 电压波动： g b供电电压允 ( 1 ) 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和 衡量点为供用电 不超过1 0 ；产权分界处或电 1 2 3 2 5 9 0许偏差 ( 2 ) 1 0 k v 及以下三梧供电为7 ； 能计量点 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电为+ 7 ，一1 0 。 电压变动d 的限值和变动频度r ( h o u r ) 有 关：当rs1 0 0 0 时，对于低压l v 和中压 衡量点为电网公 m v ，d = 1 2 5 4 ；对于高压h v ， 共连接点( p c c ) ，取 d = 1 o 3 ：对于随机不规则的变动， 实测9 5 概率值； ( l v 、m v ) d = 2 ，( h v ) d = 1 ，闪变限值如下 给出闪变电压限 g b电压允许波表： 值和频度的关系 1 2 3 2 6 2 0 0 0 动和闪变 i m vh v 曲线，可以根据电 二 1 o o 9 ( 1 o ) o 8 压波动曲线查得 屹 o 8 o 7 ( o 8 ) o 6 允许值，并给出算 注：1 括号中的值仅适用于所有用户为同 例；对测量方法和 电压级场合；2 为短时间闪变，e 为 测量仪器作出基 本规定。 长时间闪变。 各级电网谐波电压限值衡量点p c c ，取实测 电压( k v ) t h d ( ) 奇次( ) 偶次( ) 9 5 的概率值；对用 g b 公用电网谐 0 3 854 02 0 户允许产生的谐波 6 1 043 21 6 电流，提供计算方 1 4 5 4 9 9 3波 3 5 6 632 41 2 法；对测量方法和 1 1 021 60 8 测量仪器作出基本 ( 2 2 0k v 电网参照1 1 0k v 执行) 规定。 各级电压要求一 样；衡量点为 p c c ；取实测9 5 概率值或日累计 g b 厂i 三相电压允 ( 1 ) 正常允许2 ，短时不超过4 ； 超标不超过7 2 m i n ，且每3 0m i n 1 5 5 4 3 9 5 许不平衡度 ( 2 ) 每个用户一般不得超过1 3 。 中超标不超过 5 m i n ；对测量方法 和测量仪器作出 基本规定；提供不 平衡度算法 ( 1 ) 正常允许0 2 h z ，根据系统容量可以 g b t电力系统频 放宽到0 5 h z ；对测量仪器提出 1 5 9 4 5 9 5率允许偏差 ( 2 ) 用户冲击引起的变动一般不得超过 了基本要求 0 2 h z 。 5 基于d s p 的电能质量临测系统的研究 ( 2 1 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1 ， 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。例 如，高效率电机变速驱动、为降低损耗和校正功率因数而采用的并联电容补偿器， 以及大量的用户电子设备等； ( 3 ) 电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解如供电间断、电压凹陷、 电路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的需要，维护用电设 备的正常运行，越来越多的用户阿电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过 签定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 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力的同时，还需极力避免遭受用电设备产生的电 力干扰，维护电网安全运行，因此电能质量已经成为一项系统工程问题。 电能质量的恶化威胁着国民经济的安全、正常运行。如何提高和保证电能质 量己经成为我国电力系统面临的重要问题。为了改善电能质量和制定有关电能质 量的治理措施和政策提供必要的依据，电力部门需对电能质量进行连续的监测。 目前，我国对电能质量的研究、分析和监测，主要集中在五个方面：供电电 压允许偏差、电力系统频率允许偏差、三相电压允许不平衡度、电压允许波动和 闪变、公用电网谐波。而西方发达国家如美国、加拿大等国，对电能质量的研究、 分析和监测范围己远远超过我国的电能质量的标准，如加拿大的电能质量指标有 2 5 个，美国的电能质量监测己经扩展到用户端等等。概括起来，西方发达国家的 电能质量监测不仅包括了我国的全部指标( 5 项) ，而且包括了暂态过程 仃r a n s i e n t s ) 、长持续时间( l o n gd u r a t i o nv a r i a t i o n s ) 、短持续时间( s h o r td u r a t i o n v a r i a t i o n s 、等电能质量指标，因此我国电能质量监控技术还有很大的发展空间。 1 2 2 电能质量监测设备研制的意义 在现代社会中，电能成为极为重要的能源，作为电能载体的电力系统，无不 受到世界各国的高度重视，电力系统的规模空前庞大，而在电力系统的发电、输 电、配电、用电的各个环节对电能质量都有严格的要求。当前，电能质量已受到 了越来越多的电力企业和电力用户的关心，而在线监测是电能质量监测技术的新 趋势。 目前无论是企业用户还是普通用户都对电能质量提出了更高的要求，而国内 对于电能质量监测设备的研制方面还处于起步阶段，即使已经研制出来的监测设 备也还存在各种各样的缺陷，需要进一步的功能完善。 电能质量监测设备的研制无论对于供电方还是用电方都能带来良好的经济效 6 硕士学位论文 益：其一，电力部门可以据此对电力甩户的用电设备造成电网污染情况进行评价： 其二，电力用户可以对供电方电网电能质量进行监督；其三，监测数据可以用来 作为判断电能质量问题产生原因和改善电能质量的依据。 因此电能质量监测设备不仅可广泛用于电力系统内部的变配电站，也广泛用 于各种工业、电气化铁道、城市地铁以及重要的商业、农业和民用用户，也可作 为教学、科研的实验设备，有着巨大的市场前景。 1 3 电能质量监测技术的发展现状和趋势 近几年，我国不少电网的谐波含量己大大超过了标准值，并引起了不少问题， 例如湖南省云田5 0 0k v 变电站s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，静止无功补偿器) 装置的电容器组由于受到3 次谐波的影响，1 9 8 8 年投运以来己发生4 次爆炸事故。 1 9 9 0 年4 月，山西省晋东南电网由于太焦线电气铁路的谐波和负序干扰，引起漳 泽电厂j g x 1 1 a 型高频保护误动作，使2 2 0k v 长治变电站及9 个3 5k v 一2 2 0k v 变电站全部停电，甩负荷1 0 0 m w 以上，使电网和用户均受到重大损失。陕西省 安康1 1 0 k v 电网由于电气铁路供电使电网中多种保护和自动装置受到负序电流 影响而频繁误动，每天达1 0 0 余次。上述事故足以说明谐波和不平衡负荷的严重 性。因此电力部门对此很关注，谐波管理和监督工作正在纳入电力生产的正常轨 道。 1 3 1 电能质量监测技术的发展现状 目前，各国在电能质量问题的研究方面，取得了一些进展，但仍有很多问题 难以解决或达成共识。 1 电能质量的定义 时至今日，在供用电双方，甚至在电力研究者中关于电能质量的范畴、定义， 以及质量下降的起因等许多方面仍存在着分歧与争论，在使用的相关名词上也并 未完全达成共识。不过，采用“p o w e fq u a l i t y ”( 电能质量) 术语描述供电与用电( 系 统与负荷) 双方的相互作用和影响不仅已经基本得到普遍接受，而且统一到 “p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 术语已是一种必然趋势。 2 电能质量的分类 目前的电能质量分类并未统一，不过，尽管i e c 与i e e e 、欧洲共同体给出的 电能质量现象分类有所不同，但是其本质是相同的；不同的是i e e e 给出的关于 电能质量领域电磁现象分类更具体，对各种现象进一步用其属性和特征加以描述。 因此i e e e 提供了一个更清晰描述电能质量及电磁干扰现象的实用工具。另外， 根据研究对象的不同，电能质量可以分为电压质量、频率质量、电流质量；根据 7 基于d s p 的电能质量j | c 测系统的研究 在电力系统中作用的不同，电能质量可以分为发电质量、输电质量、供电质量、 用电质量等等。我国对电能质量分类的研究不是很深入，基本上是等同采用i e e e 或者i e c 的分类方法，没有形成自己的分类体系。 3 电能质量标准 为了便于开展电能质量工作，国际上制定了各种电能质量标准。i e e e 制定了 i e e e5 1 9 电力系统谐波控制规范和要求，i e e e1 1 5 9 电能质量监测推荐规范。i e c 把电能质量归为电磁兼容范畴，在i e c6 1 0 0 0 ( 1 6 部分) 系列标准中，制定了专 门的电能质量标准，主要有i e c6 1 0 0 0 4 3 0 电能质量测量方法、i e c6 1 0 0 0 4 7 供 电系统及其连接设备的谐波与间谐波测量与仪器通用指南、i e c6 1 0 0 0 - 4 1 5 闪变 仪功能与设计规范。欧洲共同体也颁布了一个电能质量标准，称为公用配电系 统供电电压特性( 1 9 9 4 年) ，作为欧洲共同市场对中低压电能质量的统一标准。 我国相继颁布了6 个单项电能质量标准，它们是供电电压允许偏差( g b t 1 2 3 5 2 1 9 9 0 ) 、电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、三相电压允许不平衡度 ( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 、公用电网谐波( g b t1 4 5 4 3 1 9 9 3 ) 、电压允许波动和闪变( g b t 1 2 3 2 6 1 9 9 0 及g b t1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) ， 标准规定了交流电力系统中作用于电气设备稳态电压、频率、三相不平衡度、波 动与闪变、波形畸变以及暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平， 以及过电压保护方法。但是电能质量标准体系远没有完善，国内外正在加快电能 质量标准的制定步伐，我国己经在着手进行电能质量监测设备通用要求和电 能质量电压暂态和短时断电标准制定工作。 4 电能质量检测方法 电能质量指标很多，使用的检测方法也很多。归纳起来，电能质量检测方法 可以分为基于方均根值、变换、滤波、统计、函数、人工智能等几大类。一般来 说，缓慢电压变动( 电压偏差) 、三相不平衡度多采用基于方均根值的检测方法； 频率偏差、电压长时闪变、电压短时闪变检测需要用到统计分析方法；电压波动 检测可采用的方法有滤波、变换、神经网络等方法；波形畸变中的谐波与间谐波 检测多采用各种变换方法( 傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换、正交变换) 和人工智能方法；暂态电能质量常采用变换、统计分析、分形理论和人工智能相 结合的方法。 5 电能质量监测装置 目前，国内外电能质量监测装置种类非常繁多，就其性能来说，可以分为高、 中、低档电能质量装置。国外高档电能质量监测装置的突出表现在功能丰富和精 度高两个方面，如美国的福禄克公司、加拿大电力测量公司、瑞典联合电力公司、 8 硕士学位论文 美国e i g 公司等生产的电能质量监测装置具有检测精度高、检测指标多、功能丰 富等特点。而国内电能质量监测装置的性能与国外先进水平存在明显的差距，精 度低、功能少、可靠性差是其主要标志。 6 电能质量控制 目前国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，正在大力发展用户电力技术 ( c u s t o mp o w e r ) ，这是一种应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控 制和为用户提供用户特定要求的电力供应的技术。我国在电能质量方面的研究总 的来说才刚刚起步，大部分研究都局限在谐波和无功补偿的范围内，与国外还存 在着很大的差距【4 5 1 。 1 3 2 电能质量监测技术的发展趋势 随着电力系统的发展和科学技术的进步，尤其是近二十年来，微电子技术、 计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、 网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术等高新技术获得了迅猛发展。这一背 景和形势，不断向电能质量监测提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更 快、灵敏度更高、稳定性更好、使用更方便、成本更低廉等。目前，由于大量高 新科学技术的研究成果、跨学科的综合设计、高精尖的制造技术的实际应用，使 得电能质量监测正朝着更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、 控制对象全方位信息的方向阔步前进。 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要实现不同 供电点甚至多个供电系统的集中监测。在功能上，更强调智能化，除有计算、显 示功能外，还要有一定的判断、决策功能，例如能进行事件预测、故障辨识、干 扰源识别和实时控制等，初步具有自动的、实用先进的智能评估功能。电能质量 在实现了在线监测、实时分析的基础上，正向着网络化、信息化、标准化、智能 化的方向发展完善。 网络化、信息化、标准化和智能化已成为电能质量监测系统的必然发展趋势， 它为电网的优化和事故分析提供实时可靠的数据，为电能质量综合评估提供切实 依据，也是电力企业面向市场，适应竞争的强有力手段，可以进一步保障各级用 户的正常用电秩序，为其提供优质的电能【7 】。 1 4 本文的结构和主要内容 本文的结构和主要内容安排如下： 第1 章，绪论。主要介绍了电能质量的定义、主要参数指标和国家标准，并 分析了目前电能质量研究的现状和未来的发展趋势。 9 基于d s p 的电能质量豁测系统的研究 第2 章，电能质量参数测量方法的研究。在分析国内外对电能质量参数测量 方法基础上，提出了本课题的电能质量参数的测量计算方法，讨论了一种基于布 莱克曼窗函数的高精度f f t 谐波分析方法，并经过仿真比对验证了这种方法能显 著提高谐波测量的精度。 第3 章，电能质量监测系统总体设计。按照网络化、智能化、模块化的设计 思路，给出了系统的性能和设计指标，讨论了系统的主c p u 选型，提出了以d s p 和c p l d 为核心的系统的总体设计方案，并给出了系统的总体设计框图。 第4 章，电能质量监测系统硬件设计。根据系统的总体设计思路，对电能质 量监测系统的硬件进行了分块设计：采用1 6 位的a d 转换芯片，实现了对数据 的高精度采样；采用主频1 5 0 m h z 的3 2 位d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，实现了对高速采样 数据的实时处理，提高了系统的数据处理能力；利用c p l d 作为外围电路的逻辑 控制模块，实现了对外围电路的灵活可靠控制；键盘及液晶显示模块的设计，为 系统提供了友好的人机界面环境；多种通信接口的设计，也极大的提高了系统的 通信水平，实现了网络化的总体设计目标。同时，详细讨论了各个模块电路的选 型和设计过程，并给出了电路原理连线图。 第5 章，电能质量监测系统软件设计。按照系统的总体设计思路，对电能质 量监测系统的软件进行了分块设计：数据采样软件模块采用中断方式在中断服务 程序里实现，其他程序模块采用无限循环执行方式在主程序中循环执行。同时， 详细讨论了系统各个模块的设计思路，给出了各个模块软件的程序流程图。 第6 章，系统调试与分析。对系统的主要模块进行了一系列调试，给出了测 试数据和波形，验证了本系统的设计方案确实可行。 1 0 硕士学位论文 第2 章电能质量参数测量方法的研究 电能质量的检测通常包括主干电力网电能质量检测和特殊用电户的电能质量 检测两种。主干电力网的检测装置安装在系统的枢纽变电站中，主要对系统母线 电压进行监测，检测的目的是了解整个电网的电能质量情况。特殊用户的电能质 量检测装置可以安装在用户变电站的电源进线侧，也可以安装在向该用户供电的 系统变电站的出线侧，主要监视装置安装处的母线电压和线路中的电流，检测的 目的是了解被监视用户对电网产生污染的情况。 装置测量计算的电气量主要有：三相电压、电流的有效值，电网的频率，电压、 电流中各次谐波的含量及谐波总含量，各次谐波的功率及畸变功率，电压、电流 中的负序和零序分量。 在检测的上述各量出现异常时，装置应能够根据要求给出报警信号，并能够 记录异常发生的时刻、持续的时间等信息。 2 1 电能质量参数的检测 2 1 1 电压电流有效值的检测 1 有效值的定义 任意周期信号x ( f ) 的有效值定义为【1 0 l ： 斤了一 一 x 腓2 、寺f x ( f ) 2 出 ( 2 1 ) 如果x ( f ) 为正弦波，即x ( f ) ax 。s i n ( 耐+ 臼) ，则有x 一以2 。 这样电压、电流有效值由( 2 1 ) 式可得： 吣历 l 髑。际 2 电压电流的检测 在实际测量中考虑到输入信号中含有谐波分量， 用下式表示【1 1 】1 1 2 】： “2 荟玑s i n ( 七伽+ 吼) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 输入电压、电流的瞬时值可 ( 2 4 ) 基于d s p 的电能质量监测系统的研究 f = n ( 尼m ) ( 2 5 ) 式中：以，厶表示第k 次谐波电压、电流的峰值；吼，吼表示第k 次谐波电 压、电流的初相角；表示所含谐波的最高次数。 现在有两种方法计算有效值。第一种方法就是用各次谐波的峰值计算有效值， 公式如下： u 删。= ， 一 ，j 咐 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中各次谐波的峰值，厶可由f f t 算法求出。 第二种方法是根据有效值定义，将( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式离散化，用离散求和的方 法代替积分运算，可得： 【， = 一椰 ， ； 力，仃 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中：m 为每次采样的点数，“( s ) 、f ( j ) 分别为电压、电流在第s 个采样点 的采样值。 当各相电压有效值求出后，就可以求出各相电压偏差，从而判断电压偏差是 否在标准之内。 2 1 2 功率的检测 1 各种功率参数的定义 ( 1 ) 单相有功功率 在任意单相电路中，同相电压“( f ) 和电流f ( f ) 在时间t 内产生的平均功率( 有 功功率) 为： p = ；印) f ( 渺 ( 2 1 0 ) 若电压h ( f ) 和电流f ( f ) 为正弦波，则有 p = 明c o s 口 ( 2 1 1 ) 口为同相h ( f ) f ( f ) 的初相位差，u 、，为时间t 内的有效值。 硕上学位论文 ( 2 ) 单相无功功率 在任意单相正弦电路中，同相电压“( f ) 和电流f ( f ) 在时间t 内产生的无功功率 为： q = 凹s i i l 口 ( 2 1 2 ) 口为同相“o ) 与i ( f ) 的初相位差，u 、，为时间t 内的有效值。 ( 3 ) 单相视在功率和功率因数 同相电压“( f ) 和电流f ( f ) 在时间t 内产生的视在功率为 s = ( 2 1 3 ) 功率因数为c o s 口( a 为同相比( f ) 与f ( f ) 的初相位差) ( 4 ) 单相畸变功率 同相电压“( f ) 和电流f ( f ) 在时间t 内的畸变功率为 d = s 2 一p 2 一q 2 ( 2 1 4 ) ( 5 ) 三相总有功功率、无功功率和视在功率 设a 、b 、c 三相电路的各相单相有功功率为只，最，只，则三相总有功功率p 为： p = + + ( 2 1 5 ) 设a 、b 、c 三相电路的各相单相无功功率为q ，q ，q c ，则三相总无功功率 q 为： q = q 4 + q 6 + q c ( 2 1 6 ) 设a 、b 、c 三相电路的各相单相视在功率为只，瓦，则三相总视在功率 s 为： s = - 叉+ 咒+ s 。 ( 2 1 7 ) 2 功率参数的计算 如( 2 6 ) 式和( 2 7 ) 式所示，我们在求电压电流有效值的过程中使用了谐波分量 的方法，同样，在计算有功功率、无功功率、视在功率时也可以用谐波分量的方 法【1 3 1 。 谐波有功功率： 1 最= 云玑lc o s ( 吼一铱)( 2 1 8 ) 有功功率： p 。荟最2 去荟矾l c o s ( 吼一魄)( 2 1 9 ) 无功功率： 基于d s p 的电能质量监测系统的研究 q = 耋鲛= 三耋厶s i n ( 眈一魄) ( 2 2 。) 视在功率： s = u 棚乙= 三 上面四式中：最，q 分别为第k 次谐波的有功功率和无功功率； 为第k 次谐波的电压，电流峰值；晚，饩分别为第k 次谐波盼电压， 其中，l ，戗，鲰可由f f t 算法求出。 功率因数： ( 2 2 1 ) 乩，以分别 电流相位； c o s 口= ( 2 2 2 ) ，3 、 畸变功率： d = s 2 一p 2