（电工理论与新技术专业论文）电能质量监测系统及pqdif数据存储格式的研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y p o w e rq u a l i t yi sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n p o w e ri ss p e c i a l p r o d u c tw h o s eq u a l i t yd e p e n d so np o w e rs u p p l yd e p a r t m e n t sa n de l e c t r i c i t yu s e r s p o w e rq u a l i t ya l s o i n f l u e n c e st h e i ri n t e r e s t s t h em o n i t o r i n go fp o w e rq u a l i t yh a sb e c o m ea ni n e x o r a b l et r e n d f i r s t l y i t i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o n a n a l y z i n gm e t h o da n dm e t r i c a lt h e o r y t h e no f f e r san e wt y p ed e s i g np l a no f t h em o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e rq u a l i t y c o m b i n i n gw i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o n o fw e bt e c h n o l o g y a n dc o m p a r e dw i t ht h em o s ts o f t w a r e so fp o w e rs y s t e mw h i c hi sd e s i g n e da sc s m o d e t h et h r e e t i r eb sm o d es y s t e mi sb a s e do ne l e c t r i cw a n s u i t i n gt ol o w c o s ta n dw i d e s p r e a d m o n i t o r i n gs y s t e m s e c o n d l y i to f f e r st h ei d e aa n dm e t h o da b o u tt r a n s f o r m a t i o nf r o mp q d i fd a t a f o r m a tr e c o m m e n d e db yi e e et of a c t o r yd a t af o r m a t u s i n ga d v a n c e dp r o g r a ml a n g u a g ed e l p h i i t r e a l i z e st h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e np q d i ff o r m a td a t aa n dt e x tf i l e s a c c o m p l i s hp a r s i n gp q d i ff i l e s t h e s es t u d i e sa n dw o r k sc o n t r i b u t et os p r e a dp q d i fi no u rc o u n t r y f i n a l l ys o m ea d v i c eo fp q d i f s f u t u r es t u d yi sp u tf o r w a r d f r o mt h ea b o v ep r a c t i c e t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n si sr e a c h e d t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g s y s t e mb a s e o nt h r e e t i r eb sm o d eh a ss t r o n g e re x p a n s i b i l i t ya n df l e x i b i l i t y p r o v i d i n gan e w a p p l i c a t i o np l a t f o r mf o rl a r g e s c a l ei n f o r m a t i o ns h a r e t h ep e r s p e c t i v eo fp q d i fi s s oe x p a n s i v e i t s h i e l d st h eo t h e r n e s so fm u l t i d a t a s o u r c e sa n da f f o r d sau n i f o r md a t aa c q u i r em o d e e s p e c i a l l yf o r p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mt o d a y w h i c hi sb e c o m i n gn e t b a s e d s t a n d a r d i z a t i o n p q d i fi s m o r e i n d i s p e n s a b l e 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 gn e t t h r e e t i e rs t r u c t u r e p q d l f i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南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 确的说明并表示了谢意 签名 墨晶盆日期 筮遂 i 兰2 关于学位论文使用授权的说明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借 阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大 学研究生院办理 签名 葛黟酗导师签名 日期 加0 6 司 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 现代社会中 电能是一种最为广泛使用的能源 其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之 一 随着科学技术和国民经济的发展 人们对电能的需求日益增加 同时对电能质量的要求也越 来越高 改善电能质量对于电网和电气设备的安全 经济运行 保障产品质量和科学实验以及人民 生活和生产的正常等均有重要意义 2 0 世纪8 0 年代以来 随着电力电子技术的广泛应用与发展 包括大功率整流在电气化铁道的应 用 电弧炉在炼钢中的应用等 供电系统中增加了大量的非线性负载 冲击性和不平衡性负载 对 供电电能质量造成了严重的干扰和污染 不仅导致供用电设备本身的安全性降低 而且会严重削弱 和干扰电网的经济运行 造成对电网的 公害 与此同时 为提高劳动生产率和自动化水平 大 量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用 这些装置对电源特性变化敏感 电力用户对电 能质量提出了更高的要求 另外 电力行业发电与输配电分离 电能按质按量论价 电网逐步实行 商业化运营和市场交易已是大势所趋 电力作为一种商品进入市场 无疑也应讲求质量 不同于一般商品的是 电能是由供 用电双方共同保证质量的特殊产品 在某些质量问题的 起因上 电能质量的下降更多的是受到使用者的影响 面不在于电力生产者 因此要保证电能质 量 必须由电力部门和广大用户共同维护 再则 由于电能质量问题的特殊性 电力系统的电能 质量始终是处在动态变化之中 即不同时刻 不同公共连接点 电能质量现象和指标往往是不同 的 且电力系统是一个整体 其电能质量状况相互影响 因此 要想加强对电能质量的管理 必 须建立一个实时在线的监测系统 1 2 电能质量的含义及国内外标准 在过去 由于认识有限 各国对电能质量都是用频率和电压的允许偏差值加以衡量和作出规定 的 但是仅用这两个指标来表征电能的质量是很不完善的 波形畸变 电压闪变和三相电压或电流 不平衡也是影响电能质量的重要因素 简单的说 电能质量就是优质供电 但由于人们看问题的角 度不同 所以迄今为止 还不能对电能质量给出一个统一准确的定义 i e e e 标准化协调委员会已正式通过采用 p o w e rq u a l i t y 电能质量 术语的决定 并给出技术 定义 合格电能质量的概念指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是都适合于该设备正常工 作的 1 我国国家标准中已正式更名采用国际通用的英文名词 国际电力电子工程师协会i e e e 根据电压扰动的频谱特性 持续时间 幅值变化等将其进行了细分 并对供电系统典型的电磁干扰 现象进行了特征分类 为准确地区分电压暂态现象提供可靠依据 i e e e 对电磁现象的分类参见文 献 3 在此还需提及的是 国际电工委员会o e c 没有采用 p o w e r q u a l i t y 这一术语 而是提出使 用电磁兼容 e m c 的概念 它对电磁兼容的定义是 设备 装置或系统在其电磁环境中能正 常运行且不向该环境中的任何实体带来不能容许的电磁扰动的能力 电磁兼容强调的是设备和设 备相互之间的电磁作用和影响 以及电源和设备相互之间的电磁作用和影响 i e c 以电磁现象及 相互干扰的途径和频率特性为基础 对电磁扰动的基本现象进行了分类 如表1 1 所示 东南大学硕士学位论文 表1 1i e c 关于引起电磁扰动的基本现象分类 现象 分类 现象 分类 谐波 问谐波辐射型低频现象工频电磁场 信号系统 电力线载波 磁场 电压波动电场 电压暂降和中断辐射型高频现象 电磁场 传导型低频现象 电压不平衡连续波 工频变化畸变 感应低频电压静电放电现象 e s d 交流电网中的直流成分核电磁脉冲 n e m p 感应连续波电压或电流 传导型高频现象单方向瞬变 振荡性瞬变 我国根据电网电能质量的概念主要引用国际电气电子工程师协会i e e e 对电能质量的概念制 定了国家标准 国家质量技术监督局已经颁布的涉及电能质量六个方面的标准为 公用电网谐波 g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 夺 电压允许波动和闪变 g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 三相电压允许不平衡度 g b 厂r1 5 5 4 3 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差f g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 夺供电电压允许偏差 g b1 2 3 2 5 1 9 9 0 夺暂时过电压和瞬态过电压 g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 显然 传统的电能质量的概念主要强调供电系统稳态的特征 如电力企业常统计供电电压和频 率的合格率百分数 如9 9 9 9 来说明供电对用户的可靠性 而不注重其暂态即动态的特征 因此 目前电力企业对电能质量的控制手段仍主要依赖于对供电电压的调整 各个电能质量国标要求的具 体指标参数如表1 2 所示 表1 2 六项电能质鼍国家标准摘要 标准编号指标信息描述指标要求 说明 电力系统正常频率偏差允许值 0 2 i l z 为 频率偏 g b r1 5 9 4 5 1 9 9 5 系统容量较小时偏差值 0 5 h z 差 用户冲击负荷引起系统频率变 0 2 h z 动 3 s k y 及以上供电电压正 负偏 ia u i l o 蛐 电压偏 差衡量点为供电 g b1 2 3 2 5 9 0 1 0 k v 及以下三相供电电压允许产权分界处或 差a u 土7 u 偏差电能计量点 2 2 0 v 单相供屯电压允许偏差一1 0 u 2 5 2 i 1 3 1 0 指工频峰 过电压 以 2 5 2 i i 1 4值电压 暂时过1 1 0 及2 2 01 3 2 电压和3 5 6 6压以 2 5 2 i 和 g b 厂r1 8 4 8 l 2 0 0 l 瞬态过3 1 01 1 以 2 5 2 i i 分 电压 过电压限值 别指线路断路 电压等级 k v p u 器两侧变电所 瞬态过电压 操作过电压和雷电 的线路 5 0 02 0 过电压 3 3 02 2 1 1 0 2 5 23 o 需要指出的是 我国的电能质量标准体系还很不完善 如有些指标已经是工业生产中急需提 出的 但目前仍没有作出必要的规定 缺少相应的检测推荐方法和测鼍精度等的规定 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导则 因此 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 3 电能质量监测技术 目前供电部门电能质量的主要监测手段一般是利用便携式测试仪不定期地对某些线路和变电 所进行测试 或对发现有电能质量问题的电厂或用户进行测试分析 然后通过硬盘将数据上报到省 电力试验研究所 经过其汇总 统计分析 对全省电网的电能质鼍水平进行评估 提出电网目前存 在的问题 供电力公司领导决策参考 这样的运行方式工作量大 数据采集不系统 不全面 时间 的延续性短 监测功能较少 实时性较差 监测效率低 统计分析功能欠缺 另一方面 现实中 供 用电双方对电能质量现象或事件发生的原因与责任上往往存在许多分歧和争论 只有对电能质 量问题进行实时监测 直接地获得电能质量信息 才能使双方共同协商解决问题 因此 必须对电 东南大学硕上学位论文 能质量进行长久持续 全面广泛的监测 对电能质量指标监测的目的和内容的不同 也导致了对电能质量监测方式和要求不尽相同 迄 今为止 国内外对电能质量的监测方式主要可概括为非在线监测和在线监测两种方式 i 非在线监测 对于干扰强度较小 危害程度不太大 不是持续产生干扰的普通干扰源通常选择传统的监测方 式即非在线监测 它使用的监测仪器包括专用万用表 便携式谐波监测仪及具有一定综合功能的电 能质量监测分析仪等 这种方法虽然也可以提供所需的电能质量数据 对故障进行分析和判断 但 它无法满足供用电双方对电能质量监测更高的要求 这主要表现在以下四个方面 1 传统的电能质量监测方法不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监测 一般只是在需 要时才对电能质量相关指标进行检测 而对于电能质量波动较大的情况 如系统中存在大功率的电 弧炉和整流设备时往往不能得到全面的电能质量信息 2 传统的电能质量监测不能综合考虑六项电能质量的监测 由于重视程度不够和实现起来的 难度 传统的电能质量测量 监测装置往往只能监测其中一项或几项 并不能实现六项电能质量的 同时监测 3 传统的电能质量监测大多孤立地对某个站点进行监测 不能从系统的观点来考虑电能质量 的监测 监测结果具有局限性 4 传统的电能质景监测装置多采用模拟元器件 受器件性能和信号处理方法的限制 存在不 适合长期运行和抗干扰能力有限等问题 1 2 在线监测 对重要大型用户的电能质量和整个电网的电能质量状况进行全面监测通常选用在线监测 近年 来网络技术和信息技术的发展为电能质量监测系统实现实时网络化提供了有力的技术保证 提出了 电网电能质量测量的全面解决方案 即通过网络通信技术 构建基于网络平台的电网电能质量在线 监测网络 实时在线监测和发布电能质量信息 实现电能质量监测的自动化和现代化 大大降低劳 动强度 提高工作效率 为电能质量的综合治理提供保障 图1 1 为一配置先进的电能质量监测系 统结构图 仅供参考 1 圈i i 配置先进的电能质量监测系统 4 第一章绪论 监测系统的真正价值就是能从测量仪器上自动下载数据 当监测系统下载重要数据时 提醒的 e g a i l 或纸制消息就会发送到有权限人员或供电公司领导那里 任何人通过以太网查看数据时 都 可以使用当地工作站的应用程序来分析数据 监测系统的 心脏 部分是服务器 对数据管理和分 析进行最优化 m i c r o s o f tn t4 o 的操作系统足以维持w w 和f t p 服务 e m a i l 和网页提示 以及处 理大量的数据 电能质量监测技术的发展动态就是进一步开发性能优异的在线电能质量监测产品 建立在线监 测的网络化系统 改变以往单装置安装和监测的作法 采用实时在线监测 实时获得系统电能质量 信息 建立起表征电能质量的 真正有用的数据库 提供给电力部门实时 详细和准确的数据信息 在电能质鼍监测和分析的基础上 实现电能质量的统一管理 在最大程度上削弱电能质量问题所带 来的危害 1 4p q d i f 的提出 就目前市场上存在的电能质量监测仪器而言 种类繁多 不同厂家装置的数据存储格式 转换 格式自成体系 互不兼容 这使得电能质量管理信息系统没有统一的数据录入格式 难以实现数据 的共享 因此数据存储格式的统一化 规范化作为电能质量标准化工作中的基本内容逐渐成为人们 关注的焦点 针对上述标准化工作中的实际问题 i e e e 标准委员会在九十年代中期起草了i e e e l l 5 9 3 号文 件 采用了美国e p r i 电力科学研究院 提出的一种电能质量数据交换格式一p q d l f p o w e r q u a l i t y d a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t 紧接着又对其进行了几次修改 终于在2 0 0 2 年形成了比较成熟的 i e e e i1 5 9 3 d r a t t9 号文件 此草案对于电能质量监测的数据记录格式给出了统一的术语 定义和 指导方针 解决了监测数据可交换性和可比性差的问题 一经推出 引起了很大的反响 并在美国 开展实践工作 目前己有应用的实例 待其各方面成熟以后将会被作为一种标准来制定 本文跟踪 国际电力的新趋势 提高电网数据的可信度 可比性及与其它系统的开放性和共享性 分析研究了 基于广域网的电能质量监测系统中的电能质量数据交换格式p q d i f 1 5 本论文主要完成的工作 如前所述 电能质量的监测和分析是对电力系统进行治理而改善其电能质量的前提条件 完 善电能质量监测水平 扩大监测范围 提高故障分析能力是很有意义的工作 本文考虑当前我国 电能质量监测系统现状主要是传统的c s 模式 根据我国电能质量监测的现状和发展前景 提出 了一种新型的基于电力广域网的b s 三层体系结构管理模式 并结合国内外研究现状 把i e e e 标准委员会制定的p o d i f 格式的研究和实现作为目标 进行了深入的研究 进行了深入的研究 主要工作及成果如下 1 总结了国内外对电能质量问题的定义和分类 电能质量监测系统的发展过程和未来趋势 为i e e e 推荐使用的p q d i f 格式的研究和实现提供了分析依据 2 总结了现有电能质量国家标准指标的主要类型和特征 提出了电能质量问题的分析方法 并且重点分析对比了傅立叶变换方法 短时傅立叶变换方法 小波变换方法等三种基于数学变换 的分析方法 文章同时详细分析了针对电压和电流的有效值 电网的频率 电压及电流中各次谐 波的含量及谐波总含量 各次谐波的功率及畸变功率 波形及波峰因数 电压及电流中的负序和 零序分量 电压闪变等电能质量的指标的常用的检测原理及方法 5 东南大学硕士学位论文 3 对分层分布式的电能质量监测系统进行了深入研究 作出鼯络总体设计方案 介绍各层系统 结构和功能 另外 根据当前我国电能质量监测系统现状主要是传统的c s 模式 提出了一种新 型的基于w e b 技术的三层体系结构管理模式 并对其中的数据库设计和w e b 发布的实现进行了详 细介绍 该监测软件系统能以低成本的方式实现电能质量信息收集 管理和有效发布 对电力的 稳定可靠运行具有巨大的使用价值 4 从p q d i f 数据格式产生的背景出发 在详细介绍了p o i i f 数据存储格式的物理和逻辑结构 如何描述波形 实现工具的选择等信息的基础上 选择d e l p h i 高级编程语言作为软件开发工具 通过使用动态连接库p q d c o m 4 d l1 实现了p q d i f 文件的解析工作 6 第二章电能质量概述 第二章电能质量概述 现代生产和现代化生活离不开电力 电力部门不仅要满足用户对电力需求不断增长的需要 而且也要满足对电能质量的要求 如同其它产品一样 电能质量也是有优劣之分的 超出一定范 围的频率或电压的偏差或者波形的畸变 都会对电力用户以及电网的安全 经济运行等带来不良 影响 因此必须要研究评价电能质量的指标 并且采用合适的检测 分析方法来保证这些指标在 合理的范围内 从而提高电能质量 2 1 电能质量的指标 对运行电网进行电能质量的测量和分析时 考察的参数很多 随着科学技术的发展以及对电能 质量要求的提高 考察的指标也不断增多 针对我国目前对电能质量的研究 分析和监测 主要集 中在现有电能质量国家标准的六个方面 供电电压偏差 电力系统频率偏差 公用电网谐波 电压 波动和闪变 三相电压不平衡度 过电压 对这些指标的类型和特征的文字性描述通常 很多 现将其进行归纳总结为一张表格 方便查看和比较 表2 i电能质量主要类型 电能质量 波形或r 船变化特征描述引起扰动的原因解决方法 表现形式类别 峰值雷电装避雷器 沙 暂态冲击暂态扰动上升时间电焊机装滤波器 持续时问 负荷开关装隔离变压器 波形线路或电缆开关避雷器 朋 短时波动暂态扰动峰值电容器开关滤波器 频率分量负荷开关隔离变压器 雕s 及对应时间调压变压器 弋厂 骤降 骤升趾s 扰动邮值远端系统故障能量存储技术 持续时间 u p s 系统保护能量存储技术 1厂 电力中断 删s 扰动持续时问断路器u p s 熔断器 备用发电 马达起动 低电压 过 r m s 及相对时间电压调节器 稳态变化 负荷增加 电压 统计调压变压器 负荷减少 7 东南大学硕士学位论文 谐波频谱 非线性负荷 八八户 谐波稳态变化总谐波畸变率 滤波器 系统谐振 统计 p s t 和p i t 间歇性负荷 叭岬矿 电压闪变稳态变化 变化频度马达起动静态无功补偿器 调制频率电弧炉 2 2 电能质量问题的分析方法 近年来 基于数字技术的各种分析方法已在电能质量领域中得到广泛的应用 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 9 1 2 2 1 时域仿真方法 时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛 其主要用途是利用各种时域仿真程序对电能 质量问题中的各种暂态现象进行研究 目前通用的时域仿真程序主要有e m t p b p a n e t o m a c 等系统暂态仿真程序和s p i c e p s p l c e m a t l a b 等电力电子仿真程序 由于电力系统主要由r l c 等元件组成 这些程序在求解用微分方程描述的电力元件方程时 通常采用简单易行的变阶 变 步长 隐式梯形积分法 采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围 应此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围 此外 在模仿开关的开合过程时 还会引起数值振荡 因此 要采用相应技术以抑制发生数值振荡 利用暂态仿真程序可在如下电能质量领域开展研究 1 计算系统中出现的过电压 分析其对各种保护设备的影响 2 分析电容器投切造成的暂态现象 3 分析可控换流器换流造成的电压波形下陷 4 分析电弧炉造成的电压闪变 5 分析不正常接地引起的电能质量问题 6 开发改善电能质量的新型电力电子控制器 由于配电系统中电能质量问题日益严重 而广大电力用户对电能质量的要求不断提高 研究和 应用各种改善电能质量的电力电子控制器己成为当务之急 利用暂态仿真程序对这些控制器及其控 制策略进行仿真分析 将成为这些时域仿真程序在电能质量应用中最有发展前途的方法 此外 由 于e m t p 等系统暂态仿真程序在不断发展中 其功能日益强大 还可利用它们进行电力设备 元件 的建模和电能质量波形分析 2 2 2 频域分析方法 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析 包括频谱分布 谐波潮流计算等 在谐波分析中 线性网络可用式 2 1 表示 l 圪玑 f 1 2 h 8 2 1 第二章电能质量概述 式中匕为节点导纳矩阵 l 为注入电流源矢量 玑为节点电压矢量 m 为谐波次数 其中 对应每个谐波频率的匕都要单独生成 通过向所需研究的节点注入幅值为l 的电流 其余节点的注 入电流置为零 求解式 2 i 所得的电压即为该节点的谐波输入阻抗和相应各节点间的转移阻抗 当注入电流的频率在一定范围内变动时 可得相应谐波阻抗一频率的分布图 从图中曲线的谷值和 峰值可确定该节点发生串并联谐振的频率 对应每个谐波频率 从各非线性负载电流中取出相应的分鼍组成注入电流矢量 代入式 2 1 即可求出各节点电压的相应频率分量 将这些分量合成 又可得各节点电压的时域波形 这种方法 简单 适用于大多数情况 因此在实际谐波潮流计算中使用较多 考虑到一些非线性负载的动态特性 近年来又提出一种更精确的方法一混合谐波潮流计算方 法 即在常规的谐波潮流计算基础上 利用e m t p 等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算 可 求出各次谐波动态电流矢量 从而得到动态谐波潮流解 优点是可精确描述其动态特性 缺点是计 算量大 求解过程复杂 2 2 3 基于变换的方法 基于数学变换的分析方法 主要指傅立叶变换方法 短时傅立叶变换方法 矢量变换方法以及 近年来出现的小波变换方法等 一 傅立叶变换方法 在电能质量分析领域 常常利用离散傅立叶变换 d f t 和快速傅立叶变换 f f t 对非正弦周期信 号的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样 并把采样值依次转化成数字序列 然后借助计算机 进行辅助计算 作为经典的信号分析方法 傅立叶变换具有正交 完备等许多优点 而且有像y f t 这样的快速算法 因此 己在电能质量分析领域中得到广泛应用 但在运用f f t 时必须满足以下条 件 i 满足采样定理的要求 即采样频率必须是信号最高频率的两倍以上 2 被分析的波形必须 是稳态的 随时间周期变化的 因此 当采样频率或信号不能满足上列条件时 利用f f t 分析会产 生 旁瓣 和 频谱泄漏 现象 给分析带来误差 此外 由千f f t 变换是对整个时间段的积分 时问信息得不到充分反映 信号的任何突变 其频谱将散布于整个频带 图2 i 给出了傅立叶变换 的示意图 图2 l 傅立叶变换示意 由于电力系统的实际信号中往往含有衰减的直流分量 因此采用基于f f t 算法的谐波测试仪进 行谐波分析时必然会产生误差 为了解决这一问题 可以采用滤除非周期分晕的全周期傅立叶算法 该方法有效的克服了非周期分量的影响 提高了计算精度 但速度较慢 虽然傅立叶变换能够将信 号的时域特征和频域特征联系起来 分别从时域和频域观察 但却不能把两者有机的结合起来 傅 立叶变换只能适用于确定性的平稳信号 如谐波 对时变非平稳信号却难以充分描述 这是因为傅 9 东南大学硕士学位论文 立叶变换是在整个时域内积分 因而去掉了非平稳信号中的时变信息 为了分析电能质量领域的突 变信号和非平稳信号 必须寻求新的信号处理工具 要求它既能保持傅立叶分析的优点 又能弥补 其不足 二 短时傅立叶变换 为解决上述问题 g a b o r 利用加窗 提出了短时f o u r i e r 变换方法 图2 2 给出了短时傅立 叶变换的示意图 短时傅立叶变换 s n 丌 是一种局域化的时一频分析方法 其基本思想是 在 傅立叶变换的框架中 把非平稳过程看成是一系列短时平稳信号的叠加 而短时性则是通过一个 参数t 的平移来覆盖整个时域 也就是说采用一个窗函数g t t 对信号f t 作乘积运算来实现在 t 附近的开窗和平移 然后再进行傅立叶变换 图2 2 短时傅立叶变换示意图 虽然短时傅立叶变换在一定程度上克服了标准傅立叶变换不具有局部分析能力的缺陷 但其 自身也存在很大的不足 由于实际多尺度过程的分析要求时一频窗口具有自适应性 即对于非平 稳信号在信号波形变化剧烈的时段内 高频时 频窗大 时窗小 而波形变换比较平稳的时段内 低频时 频窗小 时窗大 而s t f t 的时一频窗口则固定不变 即当窗口函数确定后 只能改 变窗口在相平面上的位置 而不能改变窗口的形状 可以说短时傅立叶变换实质上是具有单一分 辨率的分析 若要改变分辨率 则必须重新选择窗函数 因此 它只适合于分析特征尺度大致相 同的过程 不适合分析多尺度过程和突变过程 人们难以从其频谱图上看出信号的时变特性 而 且 这种方法的离散形式没有正交展开 难以实现高效算法 针对这一问题 g t h e y d t 等人提出了宽度可调节的滑动窗口 其基本思想是 先用宽窗对监 测数据进行快速浏览 监测到扰动后 再用窄窗对扰动进行聚焦 从而进行细节分析 三 小波变换法 小波变换 w a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n 是由m o r l e t 于1 9 8 0 年在进行地震数据分析工作时创造的 小 波 w a v e l e t 即小区域的波 是 种特殊的长度有限 平均值为0 的波形 它有两个特点 一是 小 二是正负交替的 波动性 也即直流分量为零 小波分析方法是 种窗口大小固定但其形 状可改变的时频局部化分析方法 它在低频部分有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率 而在高 频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率 正是这种特征 使小波变换具有对信号的自适 应性 小波变换是一种多尺度分析 对时间序列过程从粗到细加以分析 从低分辨率到高分辨率 既显示过程变换的全貌 又剖析局部变化特征 对电能质量领域的非平稳时间序列 小波变换大有 用武之地 近年来 国外许多学者都利用小波变换对电能质量问题进行研究 下面分析一下小波变 换的原理和性质 小波分析的出现 为非稳态信号的分析提供了强有力的工具 它即保持了傅立叶分析原有 的优点 又能弥补傅立叶分析没有时域信息的不足 提供了一种新的时频分析的方法 小波变 换的思想与傅立叶变换是相似的 它们都是通过一族函数去表示一个信号 这一族函数被称为 1 0 第二章电能质量概述 小波函数系 它是通过一个基本小波函数在不同尺度上进行平移和伸缩构成的 基本小波的定义很简单 对于一个函数 f cr r 它只要满足以下条件 1 振动性 即l v t d t 0 2 正则性 即0 矿 i 2d t 2 2 其中 表示复共轭 t 表示时问 b 表示小波函数的伸缩和平移参数 表 示待分析的信号和小波函数的内积 小波变换实质上是函数在小波函数族上的分解 如果这一分解还满足下述可允许性条件一式 2 3 岛 瞄业1 2d c a 栩 2 3 m 其中 珊表示频率 l 壬r 功表示小波函数的傅立叶变换函数 则称该小波为可允许的小波 使用可允许小波的小波变换是可逆的 即由小波变换能够重构出 它的原始信号 吉亡e 町 6 虬 o 之苎 2 1 其中 t 表示时间 a b 表示小波函数的伸缩和平移参数 c v 见式 2 3 w f a 6 表示 f 的小波变换 f 经过伸缩和平移的小波函数 由公式 2 2 和公式 2 4 就构成了小波分析的正反变换式 小波变换的性质 1 线性特性 小波变换是一线性变换 它把信号分解成不同尺度上的分量 彼此之间不会 产生干扰成分 有利于分析复杂的信号 2 能量有限特性 信号总的能量可以用小波变换模的平方的形式给出 b 寺c e 1 r e f a b 1 2d adb 2 5 小波变换模的平方可以看成是尺度一位移平面上的能量密度分布 3 平移不变性 若信号时域平移 即厂 f f t t o 那么小波变换 东南大学硕士学位论文 w f a b jw f a b t o 4 小波变换的时频性质 这是小波变换重要的性质 1 1 从小波变换的定义可知尺度的倒数二在一定意义上对应与频率国 即尺度越大对应 口 频率越低 尺度越小频率越高 同时在任何b 值上 小波的时 频域窗口的大小a t a c o 都随 1 着频率m 或二 的变化而变化 小波变换的时域和频域局部化特性是随着分析信号的频率变 口 化而变化的 它的时域分辨率在高频时高 这符合高频信号变化迅速的特点 时频分辨率在低 频时低 这符合信号在低频时变化缓慢的特点 即小波变化具有较好的时频局部化特性 适合 分析突变信号 2 由时间窗口 频率窗口 就得到了小波函数的时间一频率平面上的矩形时间一频率 窗口 6 谢 一口 r b a t r n f 芦一 国 生 三 国 其e e a t a c o 分别是小波母函 4口口口 1 数的时域窗口宽度 频域窗口宽度 同时频域的窗口中心为 彩础 二n 0 其中缈 是母小波的 傅立叶变换 王 m 的频域窗口中心 由此可以看出连续小波基函数的窗口面积不随a b 的变化 而变化 同时小波基函数的品质因数q 不随a b 的变化而变化 是一组恒q 的带通滤波器 上述的式 2 2 和式 2 4 就是了信号的连续小波变换的定义 从定义可以知道将一维信号 厂 f 变换成为二维的形0 b 后信息是有冗余的 因此希望能够在离散的尺度和位移下计算小 波变换而不致丢失信息 一种常用的分析方法是 对尺度离散化取为 a o 2 0 口l 2 1 吒 2 对位移离散化 当a o 2 0 时妒l f f i l t g 注 这里 以f 代替b 表示位移 通常对f 进行均匀离散取值 以覆盖整个时间轴 为了不丢失信息 要 求采样间隔f 满足n y q u i s t 采样定理 即采样频率 该尺度下频率通带的二倍 每当m 增加1 尺度增加一倍 对应的频带减少一倍 见上文所述 因此采样率可以降低一半 也就是采样间 隔增大一倍 如果在尺度m 0 时f 的采样间隔为t 则在尺度为2 时采样间隔取为2 此 时虬 d 可表示为 古妒仁等马 古咕嘲 c z 咱 如果将t 轴用t s 归一化 这样得到 d 22 y 2 一t 一胛 2 7 所以得到离散的小波变换为 w f m 功 j o 妒0 f 西 当该离散的小波函数序列构成了一个紧框架时 示为 2 8 即可以将任意信号f t 用小波函数序列表 厂 f 伊 t 且ai i 酽 i m 一 1 2 第二章电能质量概述 则可以知道离散小波变换的逆变换为 f 既 o 专 町 脚 开 v f 2 9 m m m 一 式 2 8 和式 2 9 定义了离散小波及其逆变换 正是由于小波变换存在着的时频性质 因 此小波变换可以为突变信号提供较强的分析工具 同时在i d a l l a t 塔式算法提出后 小波变换系 数的运算也不在是一个难题了 图2 3 时域信号及与其对应三种变换的示意图 图2 3 给出了时间域信号 傅里叶变换 短时傅里叶变换和小波变换对比的示意图 由于小 波变换具有时域和频域局部化的特点 且小波函数本身衰减很快 也属一种暂态波形 将其用 于电能质量分析领域 尤其是暂态过程分析领域将具有f f t s t f t 所无法比拟的优点 特别适 合于突变信号和不平稳信号的分析 与f f t s t f t 相比 小波变换是时间和频率的局域变换 因而能有效地从信号中提取有用的信息 通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度 细化分析 赢得了 数学显微镜 的美誉 小波变换为电能质量分析提供了新的数学工具和研 究方向 目前在电能质量研究领域的应用还处于起步阶段 但随着小波变换技术的进一步发展 和性能更好的小波基函数出现 小波变换技术必将在电能质量研究中得到更广泛的应用 2 3 电能质量指标的检测 2 3 1 检测的基本内容 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阜检测两种 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 通常装置测量计算的电气量主要有 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 波形及波峰因数 电压 电流中的负序 和零序分量 在出现电压闪变的情况下 对闪变的性质进行分析 并记录闪变暂态过程中的电压波 东南大学硕士学位论文 形 2 3 2 电能质量指标的测量原理和方法 一 电压 电流 功率 功率因数的测量原理和方法 由于电力系统中电压 电流信号是连续的模拟信号 而被测信号一般是带宽有限 它的带宽由 最高频率所决定 的若干分鼍 基波 谐波 合成的周期性信号 这为测量带来了一定的方便 模拟 量在数字式仪表中不能直接处理 需要经过加转换 进行离散化 首先模数转换器以一定的采样频 率对连续模拟量进行采样得到一系列数据 x x 1 2 x 3 x n 因为模拟量是周期性的 所 以只要采下一个完整周期模拟量 得到的离散数据就可以完整地体现模拟量的特征 根据电路理论的知识 可得交流电压 电流的有效值 有功功率值的计算公式分别如下 f 厢丽 i 承丽 p 毫珏 t i t d t 式中 t 为被测量的周期5 o f o 为被测量的瞬时值 2 1 0 2 1 1 2 1 2 仪器在被测信号的一个周期内进行n 次采样 测得离散值为u n i n 则根据式 2 1 0 2 1 1 2 1 2 可得对应离散值的计算公式 u 珊 i p 专车删 2 1 3 2 1 4 2 1 5 求出了电压和电流的有效值 就可以求出视在功率 视在功率等于电压的有效值乘以电流的有 效值 再用有功功率除以视在功率 则可以求出系统的功率因数 二 频率的测量原理和方法 频率测 最方法有硬件和软件两种方法 硬件的方法就是增加硬件电路 硬件电路由比较器 锁 相环和分频器组成 软件测频的方法比较多 这些方法大多依靠复杂的计算 软件的方法对硬件的 要求低 应用灵活 软件的方法常见的有 a 周期法 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 易于实 1 4 而 鬲 晒痧 第二章电能质量概述 现 但精度低 受谐波 噪声和非周期分量的影响 它的改进算法有水平交算法 高次修正函数法 和最小二乘多项式的曲线拟和法 这样计算量和复杂度会很大 一定程度上丧失了周期法的简明性 周期法因简便易于实现 是各种电能质量检测装置采用最多的方法 下面详细介绍此法 一般的方法是先进行数据采样 再进行滤波然后通过插值法 用求周期的方法求得频率 假 定经过数字滤波后得到的基波信号的波形如下图 a 所示 下图 b 和 c 为相邻两个正斜率过零点 波形由负变正的过零点 附近放大后的波形 在图 b 中 4 和4 分别为第一个正斜率过零点 瓦前 后的采样值 在图 c 中 以和4 十1 分别为第二个正斜率过零点互前 后的采样值 五为 采样周期 五 和瓦 分别是a o 和4 采样时刻距第一个正斜率过零点瓦时刻的时间 瓦 和z k 分 别为4 和文 采样时刻距第二个正斜率过零点夏时刻的对闻 a 1 罄 剁h 舛t s 一 b 图2 4 插值法求频率示意图 纠 t s k 一 c 在图 b 中 4 和4 之间的一段曲线应该为正弦曲线 但在采样周期足够短时 可以近似为 一直线 这样可以从图 b 中得出公式 嚣 击五堋理 从图 c 中得出公式 焉 乃 如果两个过零点 瓦和五 之间共有 次采样 则该正弦波的周期为 t 一1 磊 最o z 0 求出周期t 后可以方便地计算出其频率 从而进行频率合格率的检 测 b 对信号观测模型进行数学变换 将待测量f 表示为样本值的显函数来估计 解析法的特点是 涉及复杂的数学推导 为简化分析和计算 只能采用简单的信号观测模型 难以考虑谐波 噪声和 非周期分量的影响 难以适应非稳态状态下的频率测量 精度总体不高 c 误著最小化原理类算法 采用含噪声的信号观测模型 算法设计以最小化误差的某种范数 为目标 问题的关键在于将测量求解化为相应的标准格式 并减少计算量 d f 盯类算法 f 盯是一种典型的数字滤波算法 f f t 算法具有内在的不敏感于谐波分量的特 性 但对信号的周期延拓引入频率混叠 实际应用中需要精细设计前置抗混叠滤波 硬件测频工作可靠 但要增加相应的硬件电路 同时增加成本 而软件测频方法可以节省开支 同时又具有灵活的特点 可以根据需要选择合适的算法 1 5 东南大学硕士学位论文 大部分软件测频的方法计算鼍比较大 而本系统要对电能质量进行实时监测 如果采用复杂的 测频算法 就会影响实时性 所以对于实时监测系统推荐采用周期法测频 频率的测量精度和选择数据采集的频率及长度有很大关系 理论上 提高数据采集的采样频率 可以提高测量精度 但采样频率过高 采样点与过零点的间隔过小 就可能采入一个极小的值 使 过零点判断产生困难 出现误判 三 谐波的测量分析 1 1 1 先对信号进行快速傅立叶变换得到幅频图再做计算 计算出基波和各次谐波的实部和虚部 进而可以求出其幅值和相位 电力系统正弦波形畸变程度的定量表示可以用各次谐波含量及谐波总量表示 1 谐波含有率 h r h 次谐波分量的有效值 或幅值 与基波分量的有效值 或幅值 之比 值 第h 次谐波电压含有率 第h 次谐波电流含有率 其中 厶为第h 次谐波电压 电流的有效值 u 为第1 次谐波电压 电流的有效 2 总谐波畸变率 t h d 谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比 谐波电压总量 谐波电流总 电压总畸变 电流总畸变 u 厨面而再 虐斫 量 躬虿而i j 薹露 盔 t h d 罾圳蝴 雁c 舰 2 圳蝴 蛊 嘲 孚i 删 雁c 嗍 2 枷蝴 3 此外 还可以考虑从功率的角度来衡量正弦波形的畸变程度 i e e e 的非正弦工作组将电 1 6 灯 瓦 州 一 生 r l h 胍 巩 第二章电能质量概述 压量的基波和谐波分开 即令u 2 听 嵋 其中 嵋 睇 而视在功率为 h 2 s 2 叩 2 矾 2 u 如 2 2 如 2 s 2 岛 舭值h 2 阱 酬2 酬2 能更好地反映 谐波污染 程度 因为电流畸变加大总要使昂 s 增大 当然 随着对电能 质量的深入了解 也许还会有其它的计算指标 冲击性负载的接入 电网的结构都会对电网谐波产生影响 这是众所周知的 但我们还应该综 合考虑各种情况 对谐波的产生有一个全面的认识以便于检测和分析 负荷谐波电流的方向和序性