（电工理论与新技术专业论文）基于gpib总线的电能质量测试系统设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子设备的广泛应用 电能质量越来越受到重视 及时准确地得 到电能质量参数 对于工业生产有重要的指导意义 本文首先阐述了目前我国 电能质量国家标准的五个指标 频率 谐波 电压偏差 三相不平衡及电压波 动与闪变 据此给出了部分监测指标的算法和国家标准 阐述了对电能质量参 数监测的必要性以及传统电能质量参数监测装置的缺陷 分析了利用虚拟仪器 技术开发电能质量参数监测系统的可行性 本系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想 将传统的分立硬件仪器功能 软集成 即将各硬件仪器功能软件化 形成电能质量综合测量分析仪器 分析 了系统的软硬件设计 硬件设计方面对传感器 信号调理电路以及采集电路作 了详细介绍 软件设计方面重点讨论了利用图形化编程语言l a b v i e w 开发系 统的功能模块 数据采集模块 频率测量模块 有效值测量模块 三相不平衡 度测量模块 谐波分析模块 闪变测量模块 数据存储模块等 以实现对电能 质量参数的实时监测 最后 对系统进行了初步的测试 结果表明 本系统能 够满足电能质量参数测试的基本设计要求 关键词电能质量 虚拟仪器 l a b v l e w 快速傅立叶变换 通用并行总线 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v i n go fo u rn a t i o n a l e c o n o m y k i n d so fi n d u s t r yp r o d u c t i o n d e m a n dh i g hp o w e rq u a l i t y g e t t i n gt h ep o w e r q u a l i t yp a r a m e t e r so fp o w e rs y s t e m i nt i m ei sv e r yi m p o r t a n tt oi n d u s t r yp r o d u c t i o n a tp r e s e n t o u rc o u n t r y sp o w e r q u a l i t yn a t i o n a ls t a n d a r dw a sc h i e f l ys t i p u l a t e df i v eq u o t a s f r e q u e n c y h a r m o n i c a n dv o l t a g ef l u c t u a t i o n u n b a l a n c ea n dt h ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r t h e o b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri su s i n gt h en e w e s tt e c h n o l o g yo ft h ef i e l do fm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ln o w t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u et ow h i c hs t a n d a r d s i t sr e a lt i m e m o n i t o r i n gi sa b l et og od e e pi n t oi n f l u e n c e i ta l s oc a np r o v i d et h ed e t a i l e dp o w e r q u a l i t yp o w e rd e p a r t m e n lm e n t i o n e da b o v ef i v ep o w e rq u a l i t ya n a l y s i st ot h e m o n i t o r i n ga n dt h e nt h em o n i t o r i n ga n a l y s i sa n dr e s u l t sf o rt h ep o w e rd e p a r t m e n t t h ed e s i g na n di m p l e m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r em a i n l ya n a l y z e di n t h i st h e s i s w i t hr e g a r dt ot h eh a r d w a r ed e s i g n t h es e n s o r s i g n a lm o d u l a t i n gc i r c u i t a n dt h es a m p l i n gc i r c u i ta r ei n t r o d u c e d d e s i g nt h ef u n c t i o nm o d u l e so ft h es y s t e m b a s e do nt h eg r a p h i c sl a n g u a g el a b v i e wi sd i s c u s s e di nt h es o f t w a r ed e s i g n t h e f u n c t i o nm o d u l e so ft h es y s t e mi n c l u d et h ed a t a a c q u i r i n g f r e q u e n c y e f f e c t i v e v a l u e t h r e ep h a s eu n b a l a n c e h a r m o n i ca n a l y z i n g t h ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n d f l i c k e rm e a s u r i n g d a t as t o r a g e t h es y s t e mc a nm o n i t o re l e c t r i cp o w e rp a r a m e t e ri n r e a lt i m e f i n a l l y t h i st h e s i sp r e s e n t st h er e s u l t so fp r i m a r yt e s t t h er e s u l tp r o v e s t h a tt h es y s t e mc a nm e a tt h em o s tr e q u i r e m e n to fd e s i g n a t i o nf o rt h ep o w e rq u a l i t y p a r a m e t e r sm o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d sp o w e rq u a l i t y v i r t u a li n s t r u n a e n t l a b v i e w f f t g p i b 山东大学硕士学位论文 曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼孽i一一 一 一i 1 1 课题的提出 第一章绪论 近年来我国电力事业迅猛发展 电力系统的规模日益扩大 与此同时 电 网负荷急剧增加 特别是非线性 冲击性负荷容量的不断增加严重降低了供电 系统的电能质量 采用电力电子技术的工业设备和家用电器的大量应用 也致 使电能质量逐渐恶化 带来的后果越来越严重 由于高压直流输电系统的应用和大量变频器 整流器 电弧炉等非线性负 载的接入 使电网中的谐波污染日趋严重 谐波含量不断增加 由于个别超高 压输电线路不循环换位和电动机车等大容量非对称负载的接入 局部电网的不 对称度比较严重 由于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 电压闪变现象时常发生 此外 还由于目前电力供需矛盾仍比较大 电网中的自动调压 无功自动补偿装置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 而在用电低谷时又会偏高 电网的频率 有时也会受到负荷过重的影响 以上这些现象 都属于电能质量方面的问题 它们不仅对电网的安全 稳定运行极为不利 而且还会对用户用电设备的正常 工作以及工农业的持续高效生产产生十分不利的影响 因此 电能质量问题越 来越受到电力部门 工业生产 人们生活多方面的广泛关注 随着电力系统运行管理的系统化 网络化 自动化和智能化 功能单一的 电力系统测量仪表已经不能适应现代电能管理的需要 电能质量参数的测试和 分析无论在理论上还是在实践中都有许多值得深入研究的问题 利用测控领域 中最先进的虚拟仪器技术研制一种集测试 分析和通讯等功能于一体的新型电 能质量参数测试系统 实时监测电能质量对于保证电力系统运行的安全性 经 济性和可靠性具有重要意义 1 2 本课题的研究意义 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 山东大学硕士学位论文 耋曼曼爱嬲爱曼曼曼曼曼曼燃i i i i i i i i i i i i i i 1 1 1 1 1 i i i i i i i 曼曼皇曼曼黑嬲篡曼 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 如今 电能作为走迸市场的商品 与其他商品一样 无疑也应要求高质量 在市场经 济中 商品必须重视质量 只有质量好的商品才能更好的满足用户的需求 所 以了解电能质量 提升电能质壁是十分必要的 提升电毹质量的意义可简要概 括为以下几点 1 提升电能质量是电力系统安全 经济运行的必要条件 是电网运行水 平高低的重要标志 2 提升电能质量是提高国民经济总体效益 用电效率 改善电气环境以 及工业生产可持续发展的技术保证 3 提升电能质量是电力市场竞争机制建立的重要手段 4 在社会效益方面 通过建立和健全电能质量的全飚管理 保障各行各 业的正常用电秩序 为千家万户提供信得过的产品旺瑚 随着我圆国民经济的快速发展 各 亍业 各部门的数字化 信息化水平不 断提高对电力系统供电质量的要求也越来越高 同时电力系统的污染现象也日 趋严重 特别是干扰性负荷 如各种电力整流设备 电弧炉 大容量调速电机 电气化铁道等电力电子装置不断的接入电力系统 使电力系统的电能质量受到 严重威胁和影响 公用电霹的供电质量嗣益恶化 甚至发生因谐波干扰而引发 的安全事故 严重的威胁着电力系统的安全和经济运行 而对电能质量的监督 有赖于准确可靠的测量仪器和科学合理的测量方法 为保证电力系统安全和耀 户的用电安全 迫切需要对电能质量进行监测和分析 以提供整改方案 加强 防范措施 限制强干扰源 如谐波源 闪变源等 从两保谖电力系统的安全 可靠 经济运行 并保护电力用户的合法权益h 1 电能质量闯题关系戮雷民经济的方方面瑟 特别是涉及到电力 铁道 冶 金 化工 i t 等诸多行业的发展 引起了国内外专家学者的高度重视 随着经 济的发展和工业管理体制的转交 电力网逐步实行商业化运营 电力震户的需 求已成为优先考虑的问题 这大大促进了电能质壁标准化的进程和对电能质量 的监督 管理 尽管在电能质量的定义和解释上还存在许多不同的看法 在电 能质量恶化的起因上仍有较大分歧 但供电部门和电力终端用户对电能质量的 4 山东大学硕士学位论文 关心程度却与日俱增 九十年代中期以来 工业发达国家普遍认为电能质量问 题已经成为电力系统所面临的诸多问题中非常重要的方面 应当加强对电能质 量的综合控制和全面质量管理 吲 1 3 本课题的研究现状 目前进行电能质量监测的装置已有很多 但大多是基于传统智能仪器思想 的电能质量测试系统 传统电能质量测量是由功能分立的仪器完成的 如功率 测量装置 有功功率表 无功功率表 功率因数表和电量表 波形监测装置 模 拟或数字示波器 波形记录仪 谐波分析装置 负序装置和闪变仪等 这种 测试方法的主要弊端是成本高 装置体积庞大 自动化程度低 数据不集中 难以进行相关分析 且大量的信号采集工作重复化 其硬件负责数据信号采集 固化在硬件中的测量软件主要完成通讯数据管理工作 这样实现的测量系统的 功能主要是由硬件功能决定的 很难对系统的功能进行更改或添加 这样的智 能仪器也无法实现对测试数据全面的计算 分析 例如有些智能仪表对电能质 量全过程监测的方法在其实现方案中对于暂态故障事件完全依赖有效值门槛 值来记录 因此无法正确得到暂态故障的各种信息 虽然电能质量问题的研究己逐渐成为当前的热点 但是相对国外而言 国 内对电能质量监测装置的开发研制比较落后 大多数厂家采用的是单片机结 构 这些仪器性能单一 通用性和扩展性差 开发和维护相对复杂 已不能满 足市场的要求 还有部分高校和科研部门 开发出基于硬件d s p 技术的电能质 量监测装置 另外 国内目前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 量向题日益严重并日益受到重视的今天 前两种方式显然己不满足需要 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 提醒人们对供 用 电设备的运行状态进行调整和预防检修 因此 虚拟仪器在电力系统中的应用还处于起步阶段 其诸多功能还未完 山东大学硕士学位论文 鲁曼曼曼曼懋i i i i i i i i i i i i i 岂曼曼曼曼曼暴懋笪皇曼 曼曼曼燃皇皇 曼 曼鼍燃篡皇曼曼曼曼曼寰篡苎曼 曼黑燃皇曼曼曼曼曼舅嬲蔓 全得到体现 文献 7 利用虚拟仪器完成了谐波电力系统参数的测壁工作 虚 拟仪器的诸多优点也通过该系统焉显现感来 但虚拟仪器技术在电力系统中的 应用还相对较少 需要进 步推广 1 4 本文所做的工作 本文在研究电力系统电能质量指标及测量方法的基础上 研剽一个基于 l a b v i e w 的电能质量参数测试系统 通过计算机对电能质量的各个参数进行数 据采集 对数据进行分析 统计后以蚕形秘表格的方式直观的显示蕊来 本文主要工作包括 l 回顾电缝质量闻题研究的发展概况 说明对电能质量进行监测的意义 以及必要性 指出了电能质量测试领域的研究现状及其监测装置存在的问题 并提出了开发基于l a b v i e w 的电能质量参数测试系统的方案 2 讨论衡量电能质量的参数指标和电能质量监测的方法 指出了各种电 能质量问题带来的危害 并对电能质量的因家标准进行了简要介绍 3 对谐波和闪变的测量方法的研究 通过对谐波测量方法的研究 寻找 提高谐波分析精度的措施和方法 消除影响谐波分析精度的不利因素 对闪变 的测量采用补偿迭代的算法来计算闪变 减少了计算工作量 提高了测量精度 4 基于l a b v i e w 的电能质量参数测试系统的软硬件系统设计与实现 介 绍了虚拟仪器软件l a b v i e w 在此平台下开发了电能质量参数测试系统 详细 叙述了本系统的硬件构成以及软件设计方法 6 山东大学硕士学位论文 2 0 l 概述 第二章电能质量指标及其测试标准 在市场经济中商品必须重视质量 只有质量好的商品才能更好的满足用户 的需求 在电力市场中把电能作为商品融售 所以了解电能质量 提高电能质 量是十分必要的 对电能的各项技术指标作出规定以判断其是否合格这就是电能质量 电能 质量与一般的产品质量不同 有其特殊性 表现为 1 电能质量问题不完全取决于电力生产部门 如谐波电压波动和闪变 三相电压不平衡等问题往往由用户干扰水平所决定 2 由于电力系统是发电 输电 配电和用电同时进行 具有瞬时性的特 点 使电能质量问题的监测和分析变褥复杂和困难 3 对于不同的公共连接点在不同的时刻 电能质量指标往往是不同的 即电能质量指标在时闻上和空间上均处于动态变化中 随着电能质量标准的制定和实施 电能质量监督体系将逐步建立 这必将 有助于设备制造厂家提高其设备与电源系统的兼容性 严格限制对电源系统翻 其他设备的电磁干扰 并对促进供电部门加强电能质量的技术监督 推动有关 提高电能质量的先进技术 保证提供合格的电能和优质的服务等方嚣均有重要 意义 2 2 电麓质量的各项参数及其测试方法 为了系统地研究电能质量闻题 对其测量结果进行分橱 找出孳 超电能质 量问题的原因 并采取有针对性的解决办法 需要将电能质量问题进行分类并 给爨相应的定义或标准 电能质量标准是保证电购安全经济运行 保护电气环 境 保障电力用户正常使用电能的基本技术依据 是实施电能质量监督管理 维护供用电双方合法权益的法规条文 霸前 世界上工业发达国家都已制定和 颁布实施了符合本国情况的国家标准 并且随着经济一体化的发展 各国所制 山东大学硕士学位论文 曼 皇 曼 黑i i i i i i i i i i i i i i 1 1 11 111 hill 曼曼曼曼 燃燃 定的电能质量标准正在向国际专业委员会推荐标准靠拢 如国际电工委员会 i e c e m c 6 1 0 0 0 系列标准和国际电气与电子工程师协会 i e e e s t d 标准 目前 我国在参考了上述两项国际标准后 已经制定颁布的电能质量系列国家标准 有 供电电瘥允许偏差 g b t 1 2 3 2 5 1 9 9 0 电力系统频率允许偏差 g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 公用电网谐波 g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电压波动和闪变 g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 三棚电压允许不平衡度 g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 和 暂时过奄 压和瞬态过电压 g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 把电能质量的监测管理工作纳入了法制 亿轨道 从总体上讲 使电能指标接近额定值就是电能质量的标准 然而 电能从 生产到消费是一个整体 电力系统的发 输 配 篇始终处子动态平衡之中 其中任何一个环节的改变都会对电能质量产生影响 而提高电能质量需要投入 相当多的人力 物力以及财力 包括电网结构的改进 有功功率和无功功率的 平衡 各种调频 调压 滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运行管理技术 等 电能质量标准的制定 就是制定适当的电熊质量指标偏差的允许值 电 能质量指标的制定在经济上和技术上应满足以下三点 1 保证电力系统安全 提高供电可靠性和电网运行的经济性 2 保证用户电气设备的正常运行 3 当超标时 电力部f j 和干扰性用户在当前经济和技术水平上 做一定 的努力后应能达标 理想的三相交流电力系统可以用式 2 1 表示 描a x 2 u c o s c o t 9 掰b 2 u c o s c o t 一1 2 0 妒 e x 2 u c o s c o t 1 2 0 妒 2 1 从对理想的三相交流电力系统的分析不难看出 对电能质量标准的制定可 以从以下几个方面来考虑 1 对于三相制 三相之间是否平衡 2 对于电疆幅值 是否发生波动和阌变以及是否编离额定电压 3 对于频率 是否偏离额定值 8 山东大学硕士学位论文 4 对于波形 是否因为有干扰存在而发生波形畸变 从用户侧来说 电力用户负荷的要求不同 电能质量对它的影响也各不相 同 使得电能质量也非一项综合的指标所能衡量 目前 我国电能质量标准主 要包括六项指标 电箍偏差 频率偏差 谐波 电压波动和闪变 三相不平衡 和暂时过电压和瞬态过电压 其中频率取决于有功供求关系的平衡 电压取决 予电网的无功运幸亍状况 而后几项不仅与电力系统有关 而且受用户负荷特性 的影响 本文就五项稳态电能质量指标的标准及其测量方法进行具体阐述 2 2 1 供电电压允许偏差 2 2 1 l 供电电压允许偏差韵定义 供电电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时实测电压与额定电压之 差 通常指电压变化率小于1 秒黠 实测毫压与额定毫压之差溯 用标幺值 表示为式 2 2 电压偏差 茎塑警嚣警 t 2 2 2 2 1 2 电压允许偏差的危害 电压偏差过太造成的危害主要有 1 对用电设备的危害 用电设备设计在额定电压嚣寸性能最好 效率最高 电压偏离额定值时其性 能和效率都会降低 有的还会降低使用寿命 电压偏差超过一定值时会引起设 备的损坏 2 对电网安全稳定和经济运行的影响 当系统电压降低时 发电机的定子电流将因其功率角的增大露增大 如这 时电流已达额定值则电压降低后将使其超过额定值 为使发电机定子绕组不致 过热 不得不减少发电机所发功率 相应的变压器也得减少负荷 当系统中无 功短缺电压水平低下时 某些枢纽变电所母线电压在微小的扰动下有可能顷刻 之闻大幅度下降即产生电压崩溃现象 它是一种导致系统瓦解的灾难性事故 9 山东大学硕士学位论文 曼曼曼缫鼎蔓曼曼曼曼曼曼燃懋曼曼 皇曼兰i i i i i ii i i i 邕蔓 曼曼曼曼嬲皇 曼 曼黑篡笪皇 曼量舅燃皇曼曼曼曼曼寰燃皇 曼曼曼曼寰燃鼍 2 2 1 3 电压允许偏差的国家标准 在国家标准电能质量 供电电压允诲偏差 g b 1 2 3 2 5 1 9 9 0 q 数规定 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 如果供电电鼷上下偏差同号 均为正或负 时 按较大的偏差绝对值作为衡量依 据 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 单相供电电压允许偏差为额定电压的 7 1 0 供电电蘧为供电部f j 与用户的产权分界处的电压或由供用电协议所规定 的电能计量点的电压 1 2 2 2 电力系统频率允许偏差 2 2 2 1 频率偏差的危害 从整个电力系统来讲 系统低频或高频运行对发电厂和用户都有不利的影 响 1 用户使用的电动机的转速与系统频率有关 频率变化将引起电动机转 速的变化 从焉影镌产品质量 2 在频率降低时 火力发电厂的风机和水泵所提供的风量和水量将迅速 减少 影响锅炉的正常出力 3 低频率运行还将增加汽轮机叶片所受的应力 引起叶片的共振 缩短 叶片的寿命 甚至使吁片断裂 4 低频率运行时 发电机的通风量将减少 而为了维持正常电压 又要 求增加励磁电流 使发电机定子和转子的温升增加 5 低频率运行时 由于磁通密度的增大 变压器的铁芯损耗和励磁电流 都将增大 6 频率降低时 系统中负荷的无功功率将增大 而负荷的无功功率增大 又将促使系统电压水平下降 总之 由于所有用电设备都是按系统额定频率设计的 系统频率质量的下 降将影响各行各业 而频率过低时 甚至会使整个系统瓦解 造成大面积停惫 l o 山东大学硕士学位论文 2 2 2 2 频率偏差的测量方法 根据电工学理论 正弦量在单位时间内交变的次数称为频率 用 厂表示 单位为h z 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 用公式表示为式 2 3 s f 厶一瓜 2 3 式中 a f 为偏差频率 f o 为实际频率 为系统标称频率n 们 目前 频率测量的主要算法有 1 周期法 即零交法 通过测量信号波形相继过零点的时间宽度来计算 频率 该方法概念清晰 宜于实现 但精度低 易受谐波 噪声和非周期分量 的影响 实时性不好 对它的改进主要是提高实时性和测量精度 改进算法有 水平交算法 高 次修正函数法和最i j 乘多项式的曲线拟合法 这些算法的复杂度和计算量都 很大 2 解析法 通过对信号观测模型进行数学变换 将待测量 厂表示为样本 的显函数来估计 运算量大 精度较高 3 误差最小化原理类算法 包括最小二乘算法 最小绝对值近似法 牛 顿类算法 离散卡尔曼滤波算法 这些算法数学运算比较复杂 实时性不佳 4 d f t f f t 类算法及其改进算法 在理想的模型下d f t f f t 类算法选择 合适的参数能准确的地计算出模型参数 考虑谐波和噪声的情况下 其各类改 进算法能在一定程度上减小测量误差 但存在增大计算量和时滞等缺点n 2 2 2 3 频率偏差的国家标准 根据国家标准 电能质量电力系统频率允许偏差 g b f r l 5 9 4 5 1 9 9 5 的规 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 以放宽到 0 5 h z 标准还规定 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得 超过 0 2 h z 对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 n 引 山东大学硕士学位论文 曼蔓舅鼍曼i i 曼曼曼 曼曼 曼 曼曼曼曼曼曼 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 曼曼 曼吕曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 曼曼 曼曼曼皇曼舅舅 2 2 3 公共电网谐波 2 2 3 1 谐波的定义及谐波源 谐波的定义为 谐波是一个周期电气量的正弦波分量 其频率为基波频率 的整倍数 这一定义明确界定谐波次数k 必须是正整数 这与电磁兼容标准的 间谐波 次谐波和分数谐波等概念不同 另外 还要区分谐波与暂态现象 前 者是指电压电流波形基本保持不变 而后者是指电压电流波形每个周期都要发 生变化 谐波主要是由于电力系统中大容量电力设备和用电整流设备以及其它 非线性负荷造成 对系统危害很大n 3 1 我们一般用谐波含有率 总谐波畸变率这两个术语来表示谐波的严重程 度 这些谐波术语的数学表达式如下 第h 次谐波电压含有率 瑚巩 鲁 1 o 2 4 式中 u 第k 次谐波电压 均方根值 u 基波电压 均方根值 第k 次谐波电流含有率 砜 鲁川似 2 5 式中 第k 次谐波电流 均方根值 基波电流 均方根值 谐波电压 谐波电流 2 6 2 7 1 2 山东大学硕士学位论文 电压总谐波畸变率 电流总谐波畸变率 t h d 鲁圳 t h d i 生 1 0 0 厶 2 8 2 9 对谐波的监测原则上选取用户接入公用电网的公共连接点作为谐波的监 测点 但有时为了掌握电网的谐波水平 还应在电网内部如发电厂 主变电站 等处设置监测点 监测电网的谐波电压水平及有关线路的谐波电流n 们n 朝 系统中的主要谐波源可分为两大类 1 含半导体非线性元件的谐波源 如各种整流设备 交直流换流设备 变流器 直流拖动设备 整流器 p w m 变频器 相控调制变频器以及现代工 业设施 为节能和控制用的电力电子设备等 2 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源 如交流电弧炉 交流电焊机 日 光灯和发电机 变压器及铁磁谐振设备等 家用电气设备分属于上述两类谐波源 虽然其容量小 但数量很大 因此 也是不可忽视的谐波源 电气铁道机车采用的大容量单相整流供电设施 除了 产生大量的谐波电流外 还对三相交流供电系统产生三相不平衡 电弧炉等含 有电弧的冶炼设备和电焊设备 除产生高次谐波外还产生间谐波并造成电压波 动和闪变 这些负荷都使电力系统的电流和电压波形产生畸变 并对电力设备 广大用户设备 通信线路及电子设备产生危害和干扰n 引 2 2 3 2 谐波的危害 在电力系统中 各种谐波源产生的谐波也对电力系统环境造成污染 影响 到整个电力系统的电气环境 包括电力系统本身和广大用户 而且其污染影响 的范围大 距离远可能比一个工厂对大气环境的污染距离还要远 范围还要大 谐波对电力设备的影响和危害 就其后果来说 可分为两类 第一类是对电力设备的影响 它可以造成设备损坏 减少设备寿命 降低 出力等 山东大学硕士学位论文 第二类是对计算机 继电保护 控制器或系统仪表以及视听设备的影响 它可以造成设备的工作失误或性能恶化 具体表现为 1 对旋转电机 发电机和电动机 产生附加功率损耗和发热 产生脉动 转矩和噪声 2 对无功补偿电容器组弓 起谐振或谐波电流的放大 从丽导致电容器因 过负荷或过电压丽损坏 对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿 3 对供电网和导线 增加供电网的损耗 当发生谐振或放大时 损耗更 加严重 4 对断路器和熔断器 电流波形的畸变明显的影响断路器断路容量 当 存在负荷电流畸变时 在过零点时可能造成高的d i d t 比电流为正弦波时开断 将趸为困难 而且由于开断时闯延长而延长了故障电流切除时间 因而造成快 速蓬合阚后的再燃 5 对变压器 负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热 降低了其负荷能力 6 对调速驱动器的影响 谐波可能导致晶闸管误动作以及触发回路误触 发等故障 7 对电子设备的影响 由于波形畸变 影响电子设备的正常工作 8 对照明的影响 如运行电压的均方根值由于谐波畸变而高于额定值时 灯丝温度升高丽降低灯泡的寿命 9 对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动 尤其是一些 衰减时间较长的暂态过程 如变压器合闸涌流中的谐波分量 由于其幅值强 谐波含量也很大 更容易引起继电保护的误动作 造成供电中断 1 0 对仪表和电能计量的影响 现代指示均方根值的电压表和电流表相对 地不受波形畸变的影响 受谐波影响较大的是计量电能的感应型电能表 其误 差与频率特性和非线性度造成的误差有关 除电表本身误差外 谐波负荷从系 统中吸收基波功率丽向系统送出谐波功率 这样受谐波影响的用户既从系统吸 收基波功率又从谐波源吸收无用的谐波功率 其后果是谐波源负荷用户少付电 费丽受害的用户反而多付电费 1 4 山东大学硕士学位论文 1 1 对通信产生干扰 影响正常的通讯 总之 谐波对各种电力设备 通信设备以及线路都会产生有害的影响 严 重时会造成设备损坏和电力系统事故 尤其是近年来电子设备和电力电子设备 迅速的增加 而对它们的谐波影响问题还缺乏足够的研究 因此还应当加速在 这方面的研究工作n 7 1 2 2 3 3 谐波的分析方法 由于电力系统谐波具有很强的随机性 工程上大多是以实际测量结果作为 处理问题的依据 目前 谐波测量按实现方法分为频域测量法和时域测量法两 大类n 别 1 频域测量法 此方法的基本原理是使用模拟滤波器将输入信号的各次谐波分量分离出 来 滤波器的输出实际上是输入信号和滤波器脉冲响应的卷积 在频域中它相 当于两个频率响应的乘积 因此从滤波器得到的信号为频谱 2 时域测量方法 此方法基本原理是对信号进行离散化处理后变成数量序列 由离散傅立叶 变换 d f i 或快速傅立叶 f f t 计算各次谐波的幅值及相位等参数 按照信号分析原理划分 谐波测量又可分为f f t k a l m a n 滤波及近年来 兴起的小波变换等 傅立叶 f o u r i e r 变换作为经典的信号分析方法 已比较成熟 是电力系 统谐波分析的主要工具 f f t 是离散傅立叶变换 d f t 的一种快速算法 在 电能质量分析领域得到了广泛的应用 但运用f f t 必须满足两个条件 1 满足采样定理 即采样频率必须大于信号最高频率的两倍以上 2 被分析的波形必须是稳态的 随时间周期性变化 小波变换在时域和频域同时具有良好的局部性 特别适合于突变信号和不 平稳信号的分析 由于电力系统中的负载大多是动态的 特别是大型的工业负 载如轧钢机 电弧炉的启停使得电网电压和电流的波形是时变的 前人常用 k a l m a n 滤波的方法检测时变的谐波 但该方法一般适用于跟踪变化缓慢的信 号 而小波变换谐波检测方法的突出优点是可以实时的跟踪谐波的变化 具有 ls 山东大学硕士学位论文 实时性 小波变换本身对信号的奇异点非常敏感 这个特点可以跟踪那些突变 的信号 但小波变换方法在电能质量研究领域的应用还处于起步阶段 现有的 小波变换均无法实现谐波的精确测量 必须构造分频严格 能量集中的小波函 数来改善检测的精度m m 训 2 2 3 4 公共电网谐波的国家标准 根据国家标准电能质量 公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 对公用电网谐波 电压的限值 如表2 1 所示 表2 1 公网谐波限值 对谐波的测量仪器国家标准也有一些规定 1 应满足本标准的测量要求 2 为了区别暂态现象和谐波 对负荷变化快的谐波 每次测量结果可为 3 s 内所测值的平均值 推荐采用下式计算 u h 式中 3 s 内第七次测得的办次谐波的方均根值 m 3 s 内取均匀间隔的测量次数 m 6 3 谐波测量仪的允许误差应在规定范围以内 2 1 0 1 6 山东大学硕士学位论文 4 仪器有一定的抗电磁干扰能力 便于现场使用 仪器应保证其电源在 标称电压 1 5 频率在4 9 h z 5 1 h z 范围内 电压总谐波畸变率不超过8 条件 下能正常工作 5 在测量的频率范围内 仪用互感器 电容式分压器等谐波传感设备应 有良好的频率特性 其引入的幅值误差应不大于5 相角误差不大于5 在 没有确切的频率响应误差特性时 电流互感器和低压电压传感器用于2 5 0 0 h z 及以下频率的测量 6 1l o k v 电磁式电压互感器可用于1 0 0 0 h z 及以下频率测量 在谐波电压测量中 对谐波次数或测量精度有较高需要时 应采用电阻分压 1 k v 或电容式分压器 l k v 乜 2 2 4 电压波动和闪变 2 2 4 1 电压波动和闪变的概念 电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化 电压波动 值为电压均方根值的两个极值 和 之差 v 通常以其额定电压u n 的 百分数来表示其相对百分值 即 d 竺 1 0 0 2 1 1 d u r e a x u m i n u n 2 1 2 电压波动波形是以有效值电压或峰值电压的包络线作为时间函数的波形 电流幅值具有连续 快速变化特性的负荷会引起称之为闪变 f l i c k e r 的电压变 化 电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受 闪变这个 术语起源于电压波动对白炽灯的影响 它是人眼对照度波动的主观视感 由于 日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感程度远低于白炽灯 而且几乎所有的 建筑照明都装有大量的白炽灯 如果电压波动的大小不足以引起白炽灯的闪 变 则肯定不会影响到日光灯和电视机等的正常工作 因此 选择白炽灯的工 况作为判断电压波动值是否被接受的依据 准确地讲 电压波动是一种电磁扰 动现象 而闪变则是电压波动在某些负荷上的体现效果 然而 这两个术语在 山东大学硕士学位论文 蔓曼曼曼曼 曼 量曼 曼曼曼曼曼曼曼 曼曼曼 曼曼 曼曼曼曼曼曼 曼曼曼曼曼曼曼 曼曼曼曼曼曼曼i n 曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼鼍 标准中常被联系在一起 因此 我们也可以用电压闪变来指代电压波动乜2 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 影响闪变的其他因素还有照明装置 人的视感度等但副 闪变的发生是由几方面的因素共同作用而成的 然而 世界各国电力系统 的供电电压 频率不尽相同 照明装置的功率也千差万别 作为主观感受者的 人 不仅存在着地域 国家 年龄 性别的群体差别 而且存在着身体状况等 的个体状态差异 闪变的标准看来似乎无据可依 但经过国际电热协会和e e c 多年的协调 闪变的国际电工标准已趋于统一 以下的论述均指e e c 推荐的闪 变测量原理 2 2 4 2 电压波动和闪变的测量方法 在电能质量标准中 闪变以灯光闪烁对人眼视感的影响来反映供电电压的 波动程度 电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变 闪变是人对照度波动的主观视感 闪变不仅与电压波动的幅值有关 而且与电 压波动的频率和波形 照明灯具的性能及人的视感因素有关 闪变的最大觉察 频率范围为0 0 5 3 5 h z 最大敏感频率为8 8 h z 闪变一般用短时间闪变值只和 长时间闪变值r 两个指标作为闪变严重度的判据 实际应用时常用5 个概率分 布丑测定值计算出短时 1 0 m i n 闪变平滑估计值只 只表示实际检测到的短时 间闪变水平严重度 其近似计算公式为 只t x k o p o k l e k 3 b k l o e l o k s o 只o 2 1 3 式中 i 0 0 3 1 4 k t 0 0 5 2 5 k 3 2 0 0 6 5 7 k o 0 2 8 k o2 0 0 8 e o l 日 b 暑 氏分别为c p f 曲线上等于0 1 1 3 l o 和5 0 时间的s t 值 骱波动负荷各自引起的闪变及背景闪变在同一节点上相互叠加 其短时 间闪变值可按下式计算 1 8 山东大学硕士学位论文 只 尸 广 尸s t 2 胛 尸 协 册 2 1 4 式中 m 值取决于主要闪变源的性质及其工况的重叠可能性 t b l 用于波动负荷引起电压变动同时发生重叠率很高的状况 m 2 用于随机波动负荷引起电压变动同时发生的状况 m 3 用于波动负荷引起的电压变动同时发生的可能性很小的状况 m 4 仅用于熔化期不重叠的电弧炉所引起的电压变动合成 短时间闪变值适用于对单一闪变源的干扰评价 对于多闪变源的随机运行 情况 或者工作占空比不定 且长时间运行的单闪变源 则必须做出长时间评 价 长时间闪变值r 由测量时间段内包含的短时间闪变值计算获得 r 2 1 5 式中 疗为长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值个数 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 2 2 4 3 电压波动和闪变的有关规定 根据国家标准 电压波动和闪变 g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 对电压波动和闪变的限 值如表2 2 表2 3 所示 表2 2 电压变动限值 对于很少的变动频度 每1 3 少于1 次 电压变动限值还可以放宽 对于随 机性不规则的电压波动 依9 5 概率大值衡量 表中标有 幸 的值为其限值 本标准中系统标称电压 等级按以下划分 低压 u n l k v 中压 1 k v u n 3 5 k v 高压 3 5 k v u n 2 2 0 k v 标准中乞和r 每次测量周期分 1 9 山东大学硕士学位论文 别取为1 0 m i n 和2 h 中压括号中的值仅适用于p c c 连接的所有用户为同电压 级的用户场合 3 煳 表2 3 各级电压的闪变限值 2 2 5 三相不平衡度 2 2 5 1 三相电压允许不平衡度 电力系统的三相不平衡是由于三相负荷不平衡以及系统元件参数的不对 称所致 根据对称分量法 三相系统中的电量可分解为正序分量 负序分量和 零序分量三个对称分量 电力系统在正常运行方式下 电量的负序分量均方根 僮与正序分量均方根值之比定义为该电量的三楣不平衡度 黑德号s 表示 即 s 丝1 0 0 x 2 1 b 一 s l 么一l 彤l 式中 u 为三相电压正序分量的均方根值 以为三相电压负序分量的均方根值 1 由式 2 1 6 可见 要计算三相系统的不平衡度 必须首先计算三相系统的 正序和负序分量 测得各相电量的大小及其相位 根据对称分量法可以将三组 不对稼的分量唯一的分解为三组对称的分量 即正序分量 受序分量和零序分 量 糕a 热一m 一吉十 孚 叫2 帷 孚 2 1 7 2 0 j e e 疋 节睢 埘冀韭 罩 矿 口l j 封 钟 e e c lllliil t tl ll l 山东大学硕士学位论文 2 2 5 2 三相不平衡的危害 随着国民经济的发展 电力系统中出现了大量不平衡负荷 以及一些单相 大容量负荷 例如交流电弧炉 电气化铁路 使电网三相电压不平衡日趋严重 危及电力系统的安全和经济运行 三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户 造成一系列的危害 其中主要有 1 引起旋转电机的附加发热和振动 危及其安全运行和正常出力 2 引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作 特别是当电网中 同时存在谐波时 这对电网安全运行是有严重威胁的 3 电压不平衡使半导体变流设备产生附加的谐波电流 非特征谐波 而 这种设备一般设计上只允许2 的电压不平衡度 4 电压不平衡使发电机容量利用率下降 由于不平衡时最大相电流不能 超过额定值 在极端情况下 只带单相负荷时则设备利用率仅为0 5 7 7 5 变压器的三相负荷不平衡 不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其寿 命缩短 而且还会由于磁路不平衡 大量漏磁通经箱壁 夹件等使其严重发热 造成附加损耗 6 在低压配电线路中 三相不平衡会影响计算机正常工作 还会引起照 明电灯寿命缩短 电压过高 或照度不足 电压过低 以及电视机的损坏等 7 三相不平衡时 将引起电网损耗的增加 8 干扰通讯系统 影响正常的通信质量 2 2 5 3 三相不平衡的相关规定 根据国家标准 电能质量三相电压允许不平衡度 g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 的 规定 电力系统正常运行方式下 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 口钔 2 l 山东大学硕士学位论文 第三章电能质量虚拟仪器测试系统的硬件部分 3 1 虚拟仪器 一 测量仪器从产生到发展已经经历了三个阶段 1 以电磁机械式为代表的模拟仪表阶段 这类仪表大多用于检测信号变化缓慢的模拟量测试 对信号的敏感度 精 度不高 多用于实验的定性测量 2 以记录仪 示波器为代表的电子仪表阶段 这类仪表大多采用了单片机对采样数据进行处理 多用于响应较快的数字 量测试场合 这类仪表在现在已经非常普及 像经常用到的数字万用表 记录 仪 示波器都属于这种类型 但其功能比较单一 无法实现复杂的分析处理 3 以频谱分析仪为代表的智能仪器阶段 这类仪表大多采用d s p 等高端处理器芯片 通过硬件和固化在硬件中的软 件实现某种特定的测试功能 具备了一定的数据分析和处理功能 但固化的软 件也限制了其功能的扩展 不利于技术更新和升级 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向 粗略地说这种 结合有两种方式 一种是将计算机装入仪器 其典型的例子就是所谓智能化的 仪器 随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小 这类仪器功能也越 来越强大 目前已经出现含嵌入式系统的仪器 另一种方式是将仪器装入计算 机 以通用的计算机硬件及操作系统为依托 实现各种仪器功能 虚拟仪器主 要是指这种方式 2 0 世纪8 0 年代末 随着微电子技术 计算机技术和软件技术的高速发展 及其在电子测量技术与仪器上的应用 出现了一种全新的仪器结构 并由此产 生了一个新型的仪器概念 虚拟仪器 v i r t u a li n s t r u m e n t 任何一台测试仪器无非由以下三大功能块组成 信号的采集与控制 信号 的分析与处理 结果的表达与输出 虚拟仪器即是将这三大模块的功能尽可能 用计算机实现 大多数虚拟仪器是由计算机完成信号的分析和处理 结果的表 山东大学硕士学位论文 达与输出这两个功能块的部分或全部功能 也就是说 虚拟仪器是由计算机硬 件资源 模块化仪器硬 譬和震于数据分析 过程遭最及圈形用户界面 g u i 的 控制软件组成 在软件控制下 由模块化仪器硬件进行测量信号的数据采集 数据采集完毕詹 传绘计算机 软件再进行数据的分析处理 透过图形用户界 面等方式将结果显示给用户 虚拟仪器是基于计算机的仪器 就是利用现有的计算机 撩上特殊设计的 仪器硬件和专用软件 形成既有普通仪器的基本功能 又有一般仪器所没有的 特殊功能的高性价院的新型仪器 图3 l 反映了常见豹虚拟仪器方案 它