（通信与信息系统专业论文）基于web服务的电能质量监测技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电能质量对于保障电网安全经济运行 提高供电系统的稳定性具有重要的意 义 为适应管理部门对电能质量数据的实时了解和达到网络化共享的发展要求 本 文利用w e b 服务的跨地域性 跨平台性 信息传输的快捷性和方便性以及使用标准 协议规范 x m l s o a p w s d l u d d i 的特点 提出了基于w e b 服务的电能质量监测 的方案 并给出了系统实现的过程 对系统所涉及到的电能质量分析 数据传输 w e b 服务的封装以及使用j s p 方式对w e b 服务进行调用等内容做了介绍 可满足网 络化电能质量监测的需求 为最终消除 信息孤岛 现象 实现电能质量信息的共 享提供了基础 关键词 w e b 服务 电能质量监测 网络化 j s p a b s t r a c t p o w e rq u a l i t yi sv e 叫i m p o r t a n tf o rt h es t a b i l i z a t i o na i l de c o n o m yo fp o w e rs y s t e m ar e a l t i m ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t c mb 嬲e do nw 曲s l c r v i c e si sd e s i g n e dt om e e t t h er c a l t i m cu n d i e r s t 越l d i n gt 0 廿l ep o w 艘q u a l i t d 砒ab ym a n a g e m e n td e p a r t m e n ta n dt h e n e t w o f k s h a r i n gr e q u 沁m e n t s i tu s e sw e b s e r v i c e 也a th a v ef c a t l l r e so fc s s b o u n d a r y c r o s s p l a t f o m t l l ef a s ta i l d c o n v e n i e n c et r 肌s m i s s i o no fi n f o m a t i o na n ds t a n d a r d p r o t o c o is p e c i f i c a t i o n s x m l s o a p w s d l u d d i a n dt h ep r o c e s s e so fs y s t e m i m p l e m e n t a t i o na r ea l s od e s c r i b e d t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s 肌a l y s i so fp o w e rq u a l i t y d a t at r a n s m i s s i o n e n c a p s u l a t i o no fw 曲s e r v i c e s a n di n v o c a t et h ew e bs e n i c e r sb yj s p a r ea l s oi n v o l v e di nt h ep a p e r i tc a nf i n a l l ya c h i e v i n gt h ep u 叩o s ea sf 0 l l o w s e l i m i n a t i n g i n f o m a t i o ni s l a n d s h a r i n gp o w e rq u a l i t yi n f o 订n a t i o na i l dm e e t i n gt h e d e m a n df o rn e t l i k eo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g p e iw e i t a o c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f k o n gy i n g h u i k e yw o r d s w e bs e n r i c e s p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g n e t l i l e j s p 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电能质量对于保障电网安全经济运行 提高供电系统的稳定性具有重要的意 义 为适应管理部门对电能质量数据的实时了解和达到网络化共享的发展要求 本 文利用w e b 服务的跨地域性 跨平台性 信息传输的快捷性和方便性以及使用标准 协议规范 x m l s o a p w s d l u d d i 的特点 提出了基于w e b 服务的电能质量监测 的方案 并给出了系统实现的过程 对系统所涉及到的电能质量分析 数据传输 w e b 服务的封装以及使用j s p 方式对w e b 服务进行调用等内容做了介绍 可满足网 络化电能质量监测的需求 为最终消除 信息孤岛 现象 实现电能质量信息的共 享提供了基础 关键词 w e b 服务 电能质量监测 网络化 j s p a b s t r a c t p o w e rq u a l i t yi sv e 叫i m p o r t a n tf o rt h es t a b i l i z a t i o na i l de c o n o m yo fp o w e rs y s t e m ar e a l t i m ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t c mb 嬲e do nw 曲s l c r v i c e si sd e s i g n e dt om e e t t h er c a l t i m cu n d i e r s t 越l d i n gt 0 廿l ep o w 艘q u a l i t d 砒ab ym a n a g e m e n td e p a n m e n ta n dt h e n e t w o f k s h a r i n gr e q u 沁m e n t s i tu s e sw e b s e r v i c e 也a th a v ef c a t l l r e so fc s s b o u n d a r y c r o s s p l a t f o m t l l ef a s t a i l dc o n v e n i e n c et r 肌s m i s s i o no fi n f o m a t i o na n ds t a n d a r d p r o t o c o is p e c i f i c a t i o n s x m l s o a p w s d l u d d i a n dt h ep r o c e s s e so fs y s t e m i m p l e m e n t a t i o na r ea l s od e s c r i b e d t h ef o l l o w i n gc o n t e n t s 肌a l y s i so fp o w e rq u a l i t y d a t at r a n s m i s s i o n e n c a p s u l a t i o no fw 曲s e r v i c e s a n di n v o c a t et h ew e bs e n i c e r sb yj s p a r ea l s oi n v o l v e di nt h ep a p e r i tc a nf i n a l l ya c h i e v i n gt h ep u 叩o s ea sf 0 l l o w s e l i m i n a t i n g i n f o m a t i o ni s l a n d s h a r i n gp o w e rq u a l i t yi n f o 订n a t i o na i l dm e e t i n gt h e d e m a n df o rn e t l i k eo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g p e iw e i t a o c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f k o n gy i n g h u i k e yw o r d s w e bs e r y i c e s p o w e rq u a 锣m 仰i t o r i n g n e 蜥k e j s p 声明户 只月 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 基于w 曲服务的电能质量监测技 术研究 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 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 蚴日期 坦星座 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 作者签名 蛳 日期 导师签名 逊 日 期 粤牡 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 随着科学技术不断创新和国民经济蓬勃发展 以及电力市场的形成与推进 对 电能质量的要求越来越高 可是在实际中只有发电机输出端的电压波形十分接近标 准正弦波 电能在输送过程中会受到各种干扰性负荷的影响 其频率和电压是不可 能维持不变 导致到达用户受电端的电压 电流偏离正弦波形而发生畸变 造成电 能质量的恶化 1 如果电能质量的指标偏离正常水平过大 就会给用户带来不同程 度的危害及损失 故电能质量的优劣会直接关系到国民经济的总体效益 因此 很 有必要对电能质量的各类问题进行有效的检测 评估 分析 电能质量监测的主要目的有 对各种电能质量问题进行检测和数据采集 并进 行分类 2 监测电网的可靠性程度 提高电网的可靠性 掌握电能质量问题产生的 条件 从而能采取措施把有可能造成的损失减到最小 3j 如今 仅仅考虑谐波 工频变化电压偏差等稳态电能质量指标已经不能满足现 代要求 电力部门希望能得到包括暂态在内的电能质量指标更为全面的实时信息 及时采取措施来改善电力系统电网的电能质量 因此对电能质量的指标进行全面的 综合的分析很有必要 近年来 全球各行业网络化的趋势也越来越明显 我国各地区电力系统的信息 化建设和计算机网络建设也有了飞速进步 把这种技术应用到电能质量监测 4 分 析中可以保证信息的共享性及传递的快速性 5 j 这也是电能质量监测所必需的 因 此把网络技术引入电能质量监测中1 6 建立一种新的用户 服务器模式 对提高电力 系统供电的安全性 可靠性和经济性 保证用电设备的正常工作 都有十分重要的 意义 由于w e b 服务的跨地域性 跨平台性 和信息传输的快捷性和方便性 基于w e b 服务的数据监测被广泛的重视和研究1 7 相比于w e b 服务在电子商务 天气预报等 传统领域中的应用 把其应用到电能质量监测中拓宽了w e b 服务的作用范围 能达 到电能质量网络化监测的要求 可以实现信息共享 及时发现电能质量问题 1 2 国内外研究现状 本选题的国内外动向涉及到三部分 电能质量监测的发展动向 w e b 服务技术及 应用现状 w e b 服务与数据监测相结合的动向 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 电能质量监测的发展动向 电能质量问题主要可分为暂态和稳态 稳态电能质量以波形畸变为主要特征 包括谐波 间谐波 波形下陷及其噪声等 暂态电能质量通常以频谱和动态扰动持 续时间为特征 可分脉冲和振荡两大类 这些电能质量问题会造成巨大的经济损失 所以就必须使用各种方法以及仪器对其进行监测 分析l s 9 只有对电能质量进行 及时 有效地监测才会对问题的产生有清楚的认识 这样才能为电能质量的改善 供用电双方的协调和供用电市场的规范提供真实依据 以便采取有效的解决措施 以前的电能质量监测主要采用手持式电能质量监测仪 由工作人员对电网单 一节点监测 某些地区现在仍在使用这种测量方式 这种简单的监测方式有很多缺 点 比如 只能对稳态量进行分析 l 缺乏暂态电能质量指标监测能力 不同厂家 设备的接口和数据格式不统一 没有数据共享能力 监测点少 实时性差 数据往 往受到当时系统运行状态的影响 测试结果不能反映电网长期电能质量情况 现场 人工监测工作量大 效率低 单点监测方式不能得到某一时刻全网运行情况 不具 备数据远传和远程监控能力 基于以上这些原因 同时电力部门希望通过在电力系统电网中的各等级变电 站和特殊点安装专门的电能质量在线监测装置 力求实时 精确地测量电能质量 所以必须对传统的电能质量监测方式 1 1j 进行改进 进行电能质量在线监测系统的设 计 围绕上述原因和要求 可见对电能质量进行全面的监测和分析需要多个学科融 合 多种技术结合 1 2 从理论和实践上不断探索 以电力工业可持续发展和经济建 设为驱动力 最终实现电能质量监测的网络化 智能化 标准化 下面分别描述这 三种趋势 网络化是随着当今社会网络技术 光纤通信技术及标准化协议等为数据的采集 远传分析与共享提供了基本条件后发展起来的 国内外开始出现有统一开放的监控 和管理平台的电能质量监测网络 国外提出了基于w e b 的电能质量监测系统的设计 实例l b l 在上世纪末欧美一些国家已经开始实现电能质量监测网络化运行 我国最 早实现是借助公用电话线路的有线拨号方式将若干变电站的监测装置和质量管理 中心联系起来 目前 国内广东 浙江 江苏等省电力局已经开展网络型电能质量 监测系统的设计开发和实验工作 l 引 由于电能质量问题的动态性和复杂性 使得有时只靠简单的判断无法实现对系 统状态的准确识别 因此智能化的研究成为热点 人们希望实现电能质量评估和预 测的智能化 智能化的监测系统 除了对电能质量数据指标进行归类 统计分析等 2 华北电力大学硕士学位论文 基本功能外 还可以建立知识库和合适的神经网络模型以及一些相应的学习样本 集 在知识库有了一定的积累后 通过该系统的总体协调 启发式推理能力 结合 神经网络的数据处理和模式判别能力 并在用户的积极参与下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影响程度 提 出相应的策略 进而实现从电能质量发生危害而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 电能质量控制的整体性决定了它是一项系统工程 电能质量监测技术的发展也 必须趋于标准化 6 1 从整个电力系统角度 保证优质电力生产和用户安全使用电力 需要多方共同努力 制定统一的和可操作的适度质量标准体系 按照电力用户对电 能质量的不同要求实行分级控制和质量达标 实现技术与经济的综合优化 共同获 得最大的生产效率和经济利益 电能质量监测方法和指标评估的标准化也是十分重 要的基础工作 从六 七十年代开始 世界各国几乎都制定了有关供电频率和电压允许变动的 计划指标 部分国家还制定了限制谐波电压和电流畸变 电压波动等推荐导则 近 十几年来 许多工业发达国家已经制定和颁布实施了更加完备的电能质量系列标 准 随着工业经济国际化的发展 世界各国制定的电力系统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 完整与统一 迄今为止 我国已经制定并颁布了六项国家电能质量标准 我国的电 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 暂态浪涌与 电压中断并无国家或国际标准 缺少相应的检测推荐方法和测量精度等的规定 另 外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规 则 建立全面的电能质量标准体系仍有大量的工作需要开展 1 2 2w e b 服务技术及应用现状 w e b 服务可以被认为是一种部署在w e b 上的对象 w e b0 b j e c t 简单来说 w e b s e r v i c e 就是为了使原来各孤立的站点之间的信息能够相互通信 共享而提出的一 种接口 w e b 服务是随着国外电子商务的发展而产生的 特别是动态电子商务的发 展和企业由b 2 c b u s i n e s st oc u s t o m e r 向b 2 b b u s i n e s st ob u s i n e s s 转变 的过程都推动了w e b 服务的发展 目前 w e b 服务在我国已经应用到股票行情 天 气预报 企业应用集成 e a i 等领域 综合当今的w e b 应用以及w e b 服务的特点 根据应用的领域w e b 服务可以分为以下四类 面向商务的w e b 服务 面向客户 的w e b 服务 面向设备的w e b 服务 面向系统的w e b 服务 3 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3w e b 服务与数据监测相结合的动向 随着网络技术的飞速发展 基于w e b 服务的数据监控也被广泛的重视和研究 加上网络应用范围不断的拓宽 使得传统的监控网络可以做到与i n t e r n e t 的无缝 整合 l7 l 在工业应用中 基于互联网的过程可视化已经成为现实 这就使得用户可 以通过互联网 公司内部网或局域网操作设备 而不必改变现有的运行系统 简单 易用的客户浏览器 客户端操作界面的一致性 克服了两层结构c s 模式客户端多 种程序带来的不一致性 服务器端的开放和基于标准的连接方案大大加强了企业与 外部的联系 数据库不是直接服务于每个客户机 而与w e b 服务器沟通 有利于实 现对客户信息服务的动态性 实时性和交互性 l 引 对服务的提供者及服务的使用者 来说 w e bs e r v i c e 是一个开放的信息平台 任何数据都可以通过w e bs e r v i c e 技 术进行传输 服务的使用者面对的仅仅是服务接口 而不关心服务提供者如何提供 这些服务 w e bs e r v i c e 看起来更像是存在于网络环境中的a p i 服务使用者通过 调用现有的来自不同厂商的服务来组成自己的业务逻辑 从而大大节省了系统的开 发时间 文献 1 9 采用w e bs e r v i c e 技术开发了基于w e b 的y s z w e b 实时数据监控系统 系统采用基于服务的设计思想 通过w e b 服务的形式为客户端提供各种功能应用 系统从一个单纯的监控系统转变为服务的提供者 其它厂商可以通过w e bs e r v i c e 技术实现对监控系统接口的调用 获取电力设备运行数据 从而为系统与系统间的 集成创造了条件 文献 2 0 采用w e b 服务设计了基于w e b 服务的电力系统实时监控 的方案 把前置机所完成的功能封装成w e b 服务 为其他部门的调用提供标准的接 口 其他部门通过调用此服务 获取所需要的实时数据 最终达到信息共享的目的 1 3 论文的主要工作 本课题利用w e b 服务所具备的语言独立性 良好的封装性以及跨地域性 跨平 台性 信息传输的快捷性和方便性 设计基于w e b 服务的电能质量监测系统 并完 成w e b 服务的制作与调用 论文的主要工作如下 1 基于w e b 服务的电能质量监测系统的方案设计 基于w e b 服务的电能质量监测系统分为三个部分 数据层 服务器层 用户层 数据层中 得到监测数据和电能质量的一些监测结果 按照规约将这些电能质量信 息发送到w e b 服务入口 w e b 服务提供者将数据规约解释任务封装成w e b 服务 为 其他用户使用提供了接口 u d d i 注册中心为w e b 服务提供注册 并给出w e b 服务的 描述语言 w s d l w e b 服务的使用者到u d d i 注册中心进行查询 获取w s d l 采用j s p 的方式调用服务 获取所需电能质量指标的实时数值 使用j s p s e r v l e t 4 华北电力大学硕士学位论文 j a v a b e a n s a p p l e t 的组合 将监测到的实时数据图形化显示 这样在用户层中 用户就可以通过浏览器获取自己所需要的实时数据还有电能质量指标的监测结果 2 w e b 服务的制作 底层发送过来的数据是按照规约打包好的数据 所以需要对数据进行解包 提 取出信息字 本文利用w e b 服务来完成解包的功能 发送部分按照c d t 规约将要发送的电压 电流数据以及根据国标计算出的电压 偏差 三相不平衡等指标 打包 成帧并发送 并按格式生成控制字 再按格式将 数据放置在信息字中的信息数据中 信息和功能码组装成信息字 最后 将同步字 控制字 信息字按帧结构组成一帧 接收部分即客户端接收数据包 本文将数据规约解释任务封装成w e b 服务 按 照c d t 规约对数据进行打包 采用面向连接的s o c k e t 通信方式将数据包传递到服 务的入口 将通信规约的解释任务封装成w e b 服务 具体来说就是去除数据包中的 控制字与同步字 调用控制字解释 获取该帧的帧类别 源站址和目的站址信息 然后把信息字提取出来 获取电能质量信息 3 w e b 服务的调用以及用户界面的设计 w e b 服务制作完成之后 到u d d i 注册中心获取w e b 服务的描述语言 w s d l 使 用j s p 方式来实现w e b 服务的调用 以获取所需要的电能质量信息 为了便于用户 获取电能质量信息 需要设计用户界面 用户登录后 可以查看实时数据 查询历 史数据 使用j s p s e r v l e t j a v a b e a n s a p p l e t 的组合 将监测到的实时数据图 形化显示就可以获取实时数据对应的图形 论文分六章介绍课题的主要工作 第一章为引言部分 主要介绍选题背景及意义 课题的国内外研究现状和论文 的主要工作 第二章为电能质量概述 主要讲电能质量的定义 分类 标准以及电能质量的 分析方法 第三章为w e b 服务及其它关键技术 对w e b 服务的概念 体系结构 标准以及 优越性 j 2 e e 的多层结构 技术体系做了介绍 重点对调用w e b 服务所需要的j s p 和a p p l e t 技术做了说明 第四章为系统总体设计方案 给出了基于w e b 服务的电能质量监测系统的整体 框架 并对系统进行了详细介绍 第五章为监测系统的具体实现 主要针对w e b 服务的调用以及用户界面的设计 5 华北电力大学硕士学位论文 使用j s p 方式调用监控的w e b 服务 获取所需电能质量信息 为了便于用户对服务 的调用 设计了用户界面 用户登录后 可以查看实时数据 查询历史数据 获取 数据对应的图形 使用j s p s e r v l e t j a v a b e a n s a p p l e t 的组合 将监测到的实 时数据图形化显示的过程做了阐述 第六章结论与展望 介绍了本文的成果以及下阶段的工作 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量概述 为了改善和治理电能质量所遇到的问题 许多电能质量专家对电能质量各个方 面做出大量研究 找出电能质量的合理分类 并研制出各种监测仪器取得数据参数 进行分析 从中找出问题所在 本章主要讲电能质量的定义 分类 标准以及电能 质量的分析方法 2 1 电能质量基础理论 2 1 1 电能质量定义 一个理想的电力系统以恒定的频率 5 0 h z 正弦波形 按规定的电压水平对用户 供电 在三相交流电力系统中 各相的电压和电流应处于幅值大小相等 相位互差 1 2 0 度的对称状态 可是在实际中只有发电机输出端的电压波形十分接近标准正弦 波 电能在输送过程中会受到各种干扰性负荷的影响 其频率和电压是不可能维持 不变 导致到达用户受电端的电压 电流偏离正弦波形而发生畸变 由此产生了电 网运行 电气设备和用电中的各种各样的问题 也就产生了电能质量的概念 从一般意义上讲 电能质量是指优质供电 包括频率 供电持续性 电压稳定 和电压波形 电力部门可能把电能质量简单的看成电压与频率的合格率 并且用统 计数字来说明电力系统9 9 是符合质量要求的 电力用户则可能把电能质量笼统看 成是否向负荷正常供电 设备制造商则认为合格的电能质量是电源特性完全满足电 气设备正常设计工况的要求 但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能 相差甚远 电能质量最先来源于1 9 6 8 年一篇关于美国海军电子设备用电源规范研究的论 文中 国际电工委员会 i e c 为强调设备和设备之间 电源与设备之间的相互作用 和影响 提出使用 e m c e 1 e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 一 电磁兼容 这一技术 术语 i e e e 标准化协调委员会正式采用 p o w e rq u a l i t y 这一术语 并给出了技 术定义 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 这个定义不太直接 文献 2 1 采用的电能质量定义为 导致用户设备故障或不能正常工作的电压 电流或频率偏差 这个定义较简洁 也 概括了电能质量问题的成因和后果 当然这里的偏差应广义理解 甚至应包括供电 可靠性 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 质量概念具体分解并给出解释 其内容如下 7 华北电力大学硕士学位论文 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 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 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 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 因此电能质量可以定义为 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 三项不平衡 暂 时或瞬态过电压 波形畸变 电压暂降与短时间中断以及供电连续性等 简而言之 便是 导致用户设备故障或不能正常工作的电压 电流或频率偏差 这个定义简单 明晰 概括了电能质量问题的成因和后果 2 1 2 电能质量标准与分类 2 2 2 4 1 9 8 9 年 欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准 1 9 9 2 年7 月欧洲电工标 准化委员会 c e n e l e c 正式颁布 公用配电系统供电特性 文件 c e n e l e c c l c b t t f 6 8 6 s e c 1 5 作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准 目 前已为国际电工委员会 i e c 采用 国际电工委员会 i e c 从电磁现象及相互干扰的方式考虑 给出了引起电磁干 扰的基本现象分类 传导型低频现象 谐波 间谐波 信号系统 电力线载波 电压波动 电压 凹陷 骤降 和间断 电压不对称 频率偏差 感应低频电压 交流电网中的直流分 且 亘o 辐射型低频现象 工频电磁场 传导型高频现象 感应连续波电压或电流 单方向瞬变 振荡性瞬变 辐射型高频现象 磁场 电场 电磁场 连续波 瞬变 静电放电现象 e s d 核电磁脉冲 n e m p 8 华北电力大学硕士学位论文 表1 1 给出了美国电子电气工程师协会 i e e e 关于电力系统电磁现象的种类和 特征 表卜1i e e e 给出的电力系统电磁现象的特性及分类 类别典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值 暂态 脉冲暂态 纳秒级 5 n s 上升沿 1m s 振荡暂态 低频 5 k h zo 3 5 0 m s o 4 p u 中频5 5 0 0 k h z o s 0 8 p u 高频 0 5 5 m h z5 u s 0 4 p u 短期变化 断电 0 5 c y c i e s lm i n l m i n o o p u 欠电压 1 m i n 0 8 o 9p u 过电压 1 m i n 1 1 1 2p u 电压不平衡 稳态o 5 2 波形畸变 直流偏移稳态 o 0 1 谐波 o 1 0 0 t h 稳态 o 2 0 间谐波 o 6 k h z 稳态 0 2 陷波稳态 噪声宽带稳态 o l 电压波动 2 5 h z 间歇 o 1 7 电源频率变化 所示 尸 专艺砒 v o 视在功率s 的定义为 s u u i 为电压 电流的有效值 三相功率公式如下所示 1 一l 一i 一l p 2 专 莓私 瓜 鼬 傩b s u 4 u 8 j r 8 u c c 功率因数 c o s 矽 尸 s 2 2 2 频率的测量1 2 5 l 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 电力系统的频率偏差是指电力系统正常运行条件下 系统频率的实际值与标称 值 5 0 h z 或6 0 h z 我国采用5 0 h z 标准 之差 用公式 2 9 表示 砑 l 一 n 2 9 华北电力大学硕士学位论文 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标 需要加以监测 另一方面作为 实施安全稳定控制的重要状态反馈量 要求能实施重构 另外 频率同步也是实现 高精度电气量测量的重要措施之一 关于频率测量的研究 国内外已经有很多的成果 进行频率测量的算法主要有 1 周期法 周期法即为零交法 通过测量信号波形相继过零点间的时间宽 度来计算频率 2 解析法 通过对信号观测模型进行数学交换 将待测量f 或 f 表示为样 本值的显函数来估计 但精度总体不高 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 4 d f t f f t 类算法及其改进算法 5 正交调制法 本文采用基于简单信号观测模型的周期法测量频率信号 周期法物理概念清 晰 易于实现 电压信号普遍取单一的相电压或相电流 2 u s i n 耐 口 经低通滤波器 滤除掉高次干扰成分后 送入到比较器得到与电压信号频率相同的方波信号输出 经可编程逻辑器件自动完成计数 从而计算出频率 f 计数基准频率 测频计数器 2 1 0 信号周期t 1 f 将信号周期n 等分 就可得到信号的采样间隔 2 6 1 从而实现 采样频率对系统频率的跟踪 2 2 3 电压偏差的测量 电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时 实际电压与系统标称电压之差 通常指电压变化率小于每秒l 时实际电压值与系统标称电压之差 如公式 2 1 1 所示 电压偏差 塞堡专毳茅 l o o 2 一l1 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 电压变动指的是供电点电压在两个相邻 持续一定时间的电压均方根值u i 和 u 2 之间的差值 通常以额定电压的百分数来表示电压变动的相对百分值 v 如公 1 2 华北电力大学硕士学位论文 式 2 1 2 所示 矿 螋 l o o u n 2 一1 2 在同一方向小于3 0 m s 的快速变化不计入电压变动 小于3 0 m s 的期间内 同 方向的电压均方根值的变动只算作一次变动 在单位时间内电压变动的次数称为 电压变动的频度 一般以次 m i n 或次 s 为单位 2 2 4 三相不平衡度的测量 2 7 三相不平衡度的测量建立在各序分量的计算上 电力系统三相不对称时 三相 电路的电压和电流的基频分量都呈现为不对称的分量 根据对称分量法可以将三相 不对称的分量唯一的分解为3 组对称的分量 即正序分量 负序分量和零序分量 以电压为例 a b c 三相电压的零序u o 正序u i 负序u 2 的公式如 2 1 3 所 示 u o u 月 u 且 u c 3 u l u 4 口u 嚣 口2u c 3 2 一1 3 u 2 u 口2u 占 口u c 3 式中u 一 u 8 u c 为a b c 三相电压矢量 口为旋转因子 三相电压不平衡 度通常以负序分量与正序分量均方根值的百分比来表示 f 丝 1 0 0 f 三 l u u 绚 u 结合 2 1 4 式便可得到三相电压 电流的不平衡度 不平衡度的3 秒均方根值 式中 在3 秒内第k 次测得的不平衡度 1 3 2 1 4 2 1 5 华北电力大学硕士学位论文 聊 在3 秒内均匀间隔取值次数 m 6 不平衡度的统计测量方式和谐波的统计测量方式相似 采用上述方法计算较为繁琐 国际中给出了几个简化的计算公式 但都有其限 定的应用条件 1 0 0 2 一1 6 式中 l 口4 6 4 c 4 0 2 6 2 c 2 a b c 为三相量 该公式适用于没有零序分量的三相系统中 而且计算繁琐 不适合于实时运算 另有不平衡度的近似计算公式 铲警 毛2 奇 2 一1 7 式中 一电流的负序值 a s 一公共连接点的短路容量 m v a u 一线电压 k v 该公式的前提是假设公共连接点的正序阻抗与负序阻抗相等 2 2 5 谐波的测量f 1 一般地 认为电网的稳态供电电压波形为工频正弦波形 其数学表达式为如公 式 2 一l8 所示 材 2 u s i n 倒 口 2 1 8 其中 功 2 矿寺 式中u 一电压的有效值 其幅值为皿 口一初相角 缈 厂和r 一工频角频 率 频率和周期 在电路中 线性无源元件上的电压和电流之间的关系 不外乎比例 材 尺f 微分似 和积钒 灿 等关系 正弦周期函数在进行加 减 微分和积 分等运算时仍保持正弦函数的特点 所以在电网中要求尽可能由正弦波形的电源来 供电 但是 由于非线性负荷的存在 电网电压的波形偏离正弦波形而发生畸变 1 4 华北电力大学硕士学位论文 畸变波形可以用 系列不同频率的波形来近似表示 其中 与电源频率 假设电源频 率为峨 一致的项 带有s i n 劬f 的项 为基波分量 其他为谐波分量 谐波频率是基波 频率的整数倍 是几倍就称为几次谐波 如含有s i n 3 劬f 项的称为三次谐波 含有 s i n 5 劬f 项的称为五次谐波 其它依次类推 在实际的电网中还存在着一些不是基波 整数倍的正弦分量 称为次谐波和间谐波 在近代的交一交变频器中还存在 旁频 即在整数次谐波附近的非整数次谐波 为了表示出畸变波形偏离正弦波形的程度 最常用的特征量有谐波含量 总畸 变率和五次谐波的含有率 其概念表述如下 所谓谐波含量 就是各次谐波的平方和开方 谐波电压含量如公式 2 1 9 所 示 卟露 谐波电压总畸变率如公式 2 2 0 所示 觋 鲁川慨 第h 次谐波电压含有率如公式 2 2 1 所示 脚 鲁川 2 1 9 2 2 0 2 2 1 上述三定义同样适用谐波电流 在实际测量中 为了对暂态现象和谐波加以区别 在国际大电网会议工作组一 致同意在计算电压或电流畸变率时 采用谐波电压或电流的平均有效值或平均总畸 变率 其时间区段 t 取3 秒 即取三秒中的测量或计算的平均有效值或平均值 以 电压为例 即 u n 1 5 2 2 2 华北电力大学硕士学位论文 d 1 0 0 u 2 2 3 式中 m 为将 t 分成的区间数 公式 2 2 2 所示u n 为第n 次谐波电压 的3 秒平均有效值 公式 2 2 3 所示d u 为电压总畸变率的3 秒平均值 u t 为第 k 个区间的基波电压有效值 u 诎为第k 个区间测出的第n 次谐波电压有效值 2 2 6 电压波动和闪变的测量 电压波动与闪变 2 3 的测量 一般是测量等值1 0 h z 电压闪变值 k 短时间c j j 变严重程度只 及长时间闪变严重程度兄 常用的电压波动检测方法有整流检测法 有效值检测法和同步检测法 为检测出电压波动分量 通常将电压波动看成以工频电压为载波 其电压的均 方根值或峰值受到以电压波动分量作为调幅波的调制 对于任何波形的调幅波均可 看作是由各种频率分量合成 下面一般性的分析仅含单一频率的调幅波对工频载波 的调制 调制波解析式的一般表达式如公式 2 2 4 所示 f u v 缈f f c o s 国 f 式中 u 一工频载波电压的幅值 v 1 一调幅波电压 v 若调幅波电压为单一频率的正弦波形 达式 2 4 7 则有 2 2 4 国 一工频载波电压的角频率 r a d s f 一调幅波电压的角频率 r a d s 则v 绯 圪c o s 缈f 将其带入一般表 矿 圳 1 毋c 0 蚴一 c o s 忙 l 棚c o 蚴一 c o s 7 心 2 的 婴所称为调制指数 m 岳 裟 要求删闱 挣出现包 络线畸变 衲队田 1 田咀 按照同步检测方法 可将调幅波电压自乘求平方 得到 1 6 华北电力大学硕士学位论文 秘2 f u 1 2 m c o s 国f f m 2c o s 2 彩f f c o s 2 缈 f 譬c 等 以所c s 州 譬c 譬细s 吖一罕c 眦州 竿c o s 2 州 罕础 州r 字c o s 2 州 字c o s 2 旷 r 2 2 6 从上式可以看出 调制波电压的平方项除了有直流成分外 含有以下频率分量 彩f 2 缈f 2 国 2 缈f 利用o 0 5 3 5 h z 的带通滤波器滤除其中的直流分量和工频及以上频率的分量 且考虑到实际中存在的调幅波电压的倍频分量幅值远小于调幅波的幅值 可忽略不 记 因此滤波后可实现解调 获得近似加权的调幅波电压 1 f 脚u c o s 国f f u 所kc o s f f 2 2 7 已知相对电压变动值为坐 并且假定调幅波为正弦函数波形 则有 u 朋 皂 兰l 三d 2 粕 2 2 2 2 将它带入式 2 2 7 可以得到用相对电压变动d 参量表示的表达式 v r 肌u c o s 缈f o 3 5 u d 2 2 9 由调幅波得到电压波动值 u 并由 u 得到l o h z 等值电压闪变的百分数 u o 厦瓦面了 1 7 2 3 0 华北电力大学硕士学位论文 式中 口 为闪变视感度系数 为电压调幅波中频率为 的正弦波分量一 分钟均方根值 2 3 电能质量监测系统的要求 电能质量问题不仅仅关系到用电设备运行的可靠性和安全性 而且还关系到供 用电市场的规范性 电能质量问题的产生来源于供电方 用电端或雷电等自然现象 只有对电能质量进行有效的监测才会对问题的产生和影响有清楚的认识 才能为电 能质量的改善 供用电双方的协调和供用电市场的规范化提供真实依据 以便采取 有效的解决措施 因此要求电能质量监测仪器能够真实有效的测量电能质量的各项 指标 随着电能质量监测仪器的广泛应用 电能质量数据采集 管理及分析的任务 也日益显得繁重 电能质量监测仪器的传统设计大多采用工业计算机配备数据采集 卡来实现电能质量的数据采集和分析 主要针对稳态指标进行监测 系统的实时性 难以保证 智能化和网络化水平也不高 一方面是由于人们对电能质量的认识水平 还没有达到一定的高度 另一方面也受到当时技术条件的限制 随着电能质量对国民经济的影响逐渐加大和人们对电能质量研究的逐渐深入 人们对电能质量关注的焦点已不仅仅是电压 频率和谐波等各种稳态指标 还包括 影响电能质量的实时信息 如瞬时扰动和暂态谐波等 同时也要求电能质量监测系 统提供更为直观的分析结果 以利于对电能质量问题做出决策 如要求系统能够进 行故障识别 干扰源识别 故障预测和信息共享等 如今电子技术和网络技术的飞 速发展使得这种需要的实现成为可能 为满足电力系统网络化 自动化的发展需要 电能质量监测系统正在朝着在线监测 实时分析 网络化和智能化的方向发展 目前 电能质量监测采用的监测方式主要有连续监测 定时巡回监测 专项监 测 1 连续监测 对重要的变电站的公共供电点的电能质量实行连续监测 监测 的主要技术指标 供电频率 电压偏差 三相电压不平衡度 负序电流 有功功率 电网谐波 功率因数 2 定时巡回监测 适用于需要掌握供电电能质量而不需要连续监测或不具备 连续监测条件的监测方式 一般的公共供电点的供电质量通常只需要定时监测对 于无冲击性负荷的电网 一般不存在电压波动和闪变 电压波动和闪变指标是不需 要在线连续监测的 一 两年监测一次即可而对于有冲击性负荷的电网 也只需 一个月或一个季度监测一次 监测周期和每次的监测时间视情况而定 对于负荷稳 定 用户用量不大的电力用户 电能质量指标比较稳定 则可一周或一个月定时监 测一次 1 8 华北电力大学硕士学位论文 3 专项监测 主要适用于干扰源设备接入电网 或容量变化 前后的监测方式 用以确定电网电能质量指标的背景状况和干扰发生的实际量或验证技术措施效果 目前电能质量监测的发展趋势倾向于采用永久的固定设备对现场数据进行在 线监测 应满足以下要求 1 监测设备要能满足实时性的要求 具备对电网问题的快速捕获能力 2 要具备强大的通信能力 能方便集成到企业信息管理系统中和互联网上 以便于为电能质量的深入分析 事件统计 长期评估和预测提供可靠数据 3 构建电能质量数据中心 并在此基础上建立面向管理层的综合信息查询系 统 通过因特网查询各种数据和报表了解电网的运行状况 应充分了解电力系统情况 规划 设计 运行 管理各环节和部门都调查考虑 了解电能质量问题的类型和性质 分析致使电能质量下降的可能因素 确定哪些指标 是需要测量 哪些数据需要统计得出 哪个站点哪些量需定期或不定期监测等等 4 必须把电能质量各项指标的国家标准作为电能质量监测系统中所用原理 方法的依据 5 根据不同电能质量问题的监测要求和特点 以及电网的具体条件来选择 和设置监测点 按监测电压偏差 频率偏差 谐波 电压波动与闪变 三相不平衡 这几项电能质量问题 具体选择和设置的监测点包括 与主网直接连接的发电厂高 压母线以及带地方负荷的发电厂公用母线 地区变电站二次公用母线 以及用户变电 站一次母线 接有大型干扰源用户的发电厂 变电所的公用母线 其它需要进行监测 的母线 2 4 本章小结 本章介绍了电能质量的概念 分类以及分析方法等基本知识以及电能质量监测 系统的要求 人