（电力系统及其自动化专业论文）基于arm和dsp的电能质量监测仪的研究.pdf

a b s t r a c t e l e c t r i c a le n e r g yi st h eb r o a d e s tu s e de n e r g ya n di t sa p p l i c a t i o nl e v e lh a sb e c o m ea m a i nd e v e l o p m e n tl e v e l s y m b o l o fac o u n t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n d p o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e r p o w e re l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y m o lea n d m o l ea t t e n t i o n so f p o w e rs y s t e md e p a r t m e n t sa n dc o r l s u m e r st u r nt ot h ep o w e r q u a l i t y s oi t sv e r ys i g n i f i c a n tt om e a s u r ea n da n a l y z et h ep o w e rq u a l i t y t i l i sp a p e rh a st h e r e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fp o w e rq u a l i t y a n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo fd o u b l ec p u p o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e do nd s p a n da r m c h i p f i r s t l y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fp o w e rq u a l i t yh o m e a n da b r o a d e x p o u n d e dt h ea n a l y s i sm e t h o d sr e l a t e dt op o w e r q u a l i t y a n dp u tf o r w a r d t h ed e s i g nt h o u g h t so i lp o w e rq u a l i t ym o n i t o r t h i sp a p e ra d o p t e dd o u b l ec p u h a r d w a r es t r u c t u r e u s i n ga r mt om a n a g et h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e s s u c h 弱 k e y b o a r da n dd i s p l a y u s i n gd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 at ot a k ec h a r g eo fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g u s i n g14b i t sa dc o n v e r s i o nc h i pt or e a l i z eh i 9 1 1a c c u r a c ya d c o n v e r s i o n a n du s i n gp h a s e l o c k c dl 0 0 p p l l c i r c u i tt o 仃a c kt h ep o w e rn e t f r e q u e n c y t h es o t t w a r es y s t e mu s e dm o d u l ed e s i g nm e t h o df o rf u t u r eu p g r a d e t h e r e w e r ea l s os e v e r a lt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s s i x p u l s eb r i d g e w h i c hi so n eo ft h em a i n h a r m o n i cs o i l i c c s w a sc h o s e na st h er e s e a r c ho b j e c t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w e d t h el i n kb e t w e e nc o n t r o la n g l ea n dh a r m o n i cc u r r e n t a n di ta l s os h o w e dt h el i n k b e t w e e nc o m m u t a t i o no v e r l a pa n g l ea n dh a r m o n i cc u r r e n t as i m u l i a t i o nm o d u l ew a s f o u n d e dw i t hp s c a d e m t d cs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r es i m i l a rt ot h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s w a v e l e tt r a n s f o r mw a su s e dt oa n a l y z et h ed i s t u r b a n c e s i g n a l f i n a l l y t h ef i e l dm e a s u r e dd a t aw a sa n a l y z e d a n dt h ep r o b l e m sw h i c he x i s t e di n c u r r e n tp o w e r q u l i t yw e r ep o i n t e do u ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sw e r ep r e s e n t e d t h ee r r o ra n a l y s i so f p o w e rq u l i t ym o n i t o rw a sd o n ei nt h ep a p e r k e yw o r d s p o w e rq u a l i t y d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d o u b l ec p us y s t e m w a v e l e tt r a n s f o r m p s c a d e n 仃d c 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 踟邵 洲年弓月i1 日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 学位论文作者签名 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 签名 核编争 柳艿年弓月 if 日 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 2 1 世纪能源与环境问题成为人类发展面临的极其重要的问题 对于二次能 源的主要提供者 如何在保证可持续发展的前提下 在保证良好环境的条件下 为人类提供安全可靠 优质经济的电能 是电力系统面临的主要问题 随着时代进步与科技的飞速发展 现代电网与负荷构成出现新的变化趋势 由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视 l j 一方 面 电网中整流器 变频调速器 电弧炉 电气化铁路以及各种电力电子设备 的大量使用 虽然带来了可观的经济效益 但由于这些负载的非线性 冲击性 以及不平衡性 使得电网中的各种扰动成分增加 使电网出现诸如波形畸变 电压闪变 电压凹陷等较为严重的电能质量问题 另一方面 人们所使用的精 密和复杂电子设备也要求高质量和高可靠性的电能供应 许多自动化程度很高 的工业用户对电能质量越来越敏感 任何电能质量问题都将导致产品质量的下 降 甚至工程作业的停顿 给用户造成不可估量的损失 对电能质量指标进行 监测 统计和分析 实现对电能质量的全面质量控制是十分必要的 1 2 电能质量监测 1 2 1 电能质量监测方式 电能质量监测主要有定期巡检 专项检测或抽检 在线监测等三种方式 定期巡检主要用于需要掌握电能质量又不需要连续检测或不具备连续在线 监测条件的场合 如 检测居民 商业区及小工厂供电系统配电点的电能质量 根据重要程度一般一个月或一个季度检测一次 专项检测主要用于负荷容量变化大或有干扰源设备接入电网 或反映电能 质量出现异常 需要对比前后变化情况的场合 以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 或验证技术措施效果等 专项检测 第1 章绪论 工作在完成预定任务后即可撤销 在线监测主要用于监测重要变电站或实施无入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 数据远传及对监铡项量的越限报警或发控制指令 通过计算枫网络将监测 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方监 控 对于电能质量进行全恧监测和评价需要多神学科融合 多种技术结合 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路化 信息化 标准化 1 2 2 电能质量监测仪器 按照不同测试和分析方式 电能质量监测仪器可分为远程式 便携式多功 能式和手持式谐波分析仪 2 捌 1 电熊质量远程监测仪 电能质量远程监测仪主要有上海宝钢安大电能质量有限公司的p q l 0 6 和 p q l 0 6 i i 瑞士l e m 公司的p q f i x 瑞典联合电力u n i p o w e r 公司的u p 2 2 1 0 美 国e i g 公司的n e x u s l 2 5 0 等产晶 这些仪器适用予公共供电点电能质量的连续 监测和多点监测组成区域电能质量监预l 网 可以连续监测公共点的电压偏差 频率偏差 电压谐波 三相电压不平衡度以及用户注入电网的谐波电流和负序 电流 具有电能质量指标超限报警 数据录取 电能质量放障分析预报和通信 等功能 但只能进行固定监测点测量 2 便携式多功麓毫熊质量分析仪 便携式多功能电能质量分析仪主要有上海宝钢安大电能质量有限公司的 蹭l1 6 瑞士l e m 公司的p q 陌1 0 0 0 和p q p t l 0 0 1 瑞典联合电力u n i p o w e r 公司的 u 9 0 0 f 澳大利亚红相公司的p m 3 0 等产品 这些仪器可用于干扰源设备介入电 露前爵的专项监测 滤波装置调试及功畿评估测试 科学研究测试和现场定时 测试 测量通道多 动态范围大 多种触发方式 可以记录分析电能质量全部 指标 信息处理功能强 有良好的软件警台 但不适合连续远程监测和多点监 测 3 手持式谐波分析技 2 第1 章绪论 手持式谐波分析仪主要有上海宝钢安大电能质量有限公司的p q l 0 2 瑞士 l e m 公司的a n 2 0 6 0 和a n 3 0 6 0 美国f l u k e 公司的f 4 3 和f 4 3 b 意大利h t 公司 的h t 9 0 3 0 等产品 这类仪器适用于现场定期点验和非线性电力设备的调试 测 量参数范围较前两类仪器小 一般针对单相电压 电流输入进行监测 可以测 试分析电压 电流的基波有效值 2 5 0 次谐波 有功功率 无功功率及功率因 数等 并且具有波形存储 豳放 逶信接口和通信软件 1 2 3 电能质量监测仪国内外研究现状 电能质量监测仪 p o w e rq u a l i t ym o n i t o r p q m 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鲢数据采集和分撬 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1 4 用 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 这类电能质量监测设备主要有以下不足 由于采用各种计算 机作为现场监测分析工具 导致设备成本偏高 设备配置的灵活性 通用性 差 往往只能用予特定的操作环境 远程通信能力有限 不易实现远程监控 数据共享和长期评估及预测 对干扰的分类和故障的辨识能力有限 不具备 智能分析功能 不麓提供给用户可直接用于决策的信息 实时性差 时频分 析手段落后 不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获能力 现场设备不 具备实时分析能力 大量采样数据都要传送绘专门的分析工具去处理 导致对 现场设备的存储容量要求很大 设备本身的不足不仅影响现场监测 也影响整 个系统的功能 如现场设备的实时性不好 对瞬时扰动的识别能力差等 都会 影响系统对问题的快速反应能力 电能质量评估能力和决策分析能力 面对这 些问题 需要新的思路和方法来解决 随着集成电路技术和计算机技术的飞速发展 对予电能矮量篮测仪的开发 开始采用以单片机为仪器的核心 加上数据采集卡 存储 显示模块组成便携 式仪器 但由于受单片机运算麓力的限制 此种仪器在测量精度 实时性方面 还达不到实用的阶段 近来研究重点是以数字信号处理芯片为核心 克服了单 膀机运算能力差 功熊简单的缺点睁嘲 文献 5 意大利 提出了一种基予w e b 的电能质量监测系统的设计实例 该监测系统主要用于监测 分类和测量电力 系统的各种暂态扰动 采用小波变换技术作为分析手段 整个系统的设计基本 第1 章绪论 上顺应了目前的发展方向 但文献 5 中主要介绍了系统的体系结构和小波变换 技术的应用 未对现场的实时监测设备做具体介绍 而且对于稳态电能质量也 不能进行分析 具有一定局限性 文献 6 美国 提出了一种基于数字信号处 理 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d s p 该方案采用了d s p 和p c 机的双处理器结构 d s p 处理实时任务 p c 机用于和用户交互 解决了电能质量监测的实时问题 但还没有达到智能化和网络化的程度 而且p c 机的采用加大了设备的成本 不 适于作为永久性在线监测设备大量安装在现场 文献 7 是国内提出了的一种基 于双c p u 的主从式结构 采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和m c u 5 1 能够实现高精度 的数据采集功能 事件记录功能和远程通信等功能 但是主要描述了对稳态电 能质量的监测结果 对于暂态方面还有很多不足之处 1 2 4 电能质量监测技术的发展趋势 随着对电能质量监测研究的逐步深入 人们对电能质量关注的焦点已不仅 仅是电压 频率和谐波等各种暂态指标 还包括影响电能质量的实时信息 比 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 比如要求系统能够进行故障辨识 干 扰源识别 故障预测和信息共享等功能 现今飞速发展的电子技术和网络技术 使得这些需求的实现变得可能 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 1 3 4 1 从设备的角度考虑 目前电能质量监测的发展趋势倾向于采用永久性的固 定设备对现场数据进行在线监测 对电能质量监测仪的具体要求可以概括为 1 设备要能满足实时性要求 具备对电网问题的快速捕获能力 2 在分析手段上要能够对采样数据预处理 比如小波去噪 能对数据实 时分析 对瞬时和稳态干扰性事件进行跟踪和预分类 这样可以降低对存储容 量的要求 同时为现场的实时监控提供更快速 更有价值的评估和决策信息 3 要具备强大的通信功能 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 4 在功能上要具备配置的灵活性 以适应电力系统的不同应用场合 5 在成本上要适合于大量安装到现场 4 第1 章绪论 1 3 电能质量分析方法 1 3 1 电能质量分析方法介绍 电能质量分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述 由于干扰源 性质各异 电网中各元件在不同干扰作用下也会呈现不同的性质 因此很难对 各种干扰源和电网元件建立精确的数学模型 此外 分析及计算的准确性不仅 取决于数学模型和计算方法 还有赖于电网基础资料的可信度 1 1 1 2 近年来 基于时域 频域和变换域的各种分析方法已在以下的电能质量领 域中得到了广泛的应用 1 分析谐波在网络中的传播 2 分析 检测各种电能质量扰动 3 开发各种电能质量控制装置 分析它们在解决电能质量问题方面的作 用 1 3 2 时域仿真方法 三种分析方法中 时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛 其中 最主要的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 目前采用较多的时域仿真程序有e m t p e m t d c n e t o m a c 等系统暂 态仿真程序和m a t l a b p s p i c e s a b e r 等电力电子电路仿真程序两大类 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表示的 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 利用 隐式可保证求解过程中的数值稳定 采用变阶 变步长技术可缩短迭代计算的 时间 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 因此必须事先已知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 要采用相应技术抑制数值振荡的发生 影响电能质量的暂态现象根据电流 电压的波形可分脉冲暂态和振荡暂态 两种 它们主要是由闪电电击线路和投切电力设备引起 此外 伴随着暂态过 程还会出现电压骤升 电压骤降 和瞬时中断等现象 因此 利用上述暂态仿 真程序可在如下电能质量领域开展研究 5 第1 章绪论 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陷波 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电力电子控制器 由于配电系统中电能质量问题的日益严重 而广大电力用户对电能质量要 求的不断提高 研究和应用各种用以改善电能质量的电力电子控制器已成为当 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向 此外 由于e m t p p s c a d 等系统暂态仿真程序的不断发展 其功能日益强 大 还可利用它们进行电力设备 元件的建模和电力系统的谐波分析 1 3 3 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 具体包括频率扫描 谐波潮流计算等 1 频率扫描 在谐波分析中 线性网络可用式 1 1 表示 i 匕巩 脚 1 2 h 1 1 式 卜1 中 l 为节点导纳矩阵 l 为注入电流源向量 玑为节点电压向 量 优为谐波次数 其中 对应每个谐波频率的y 卅都要单独生成 通过向所需研究的节点注入幅值为1 的电流 其余节点的注入电流置为零 求解式 1 1 所得的电压即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 2 常规谐波潮流计算 利用频域分析法还可进行谐波潮流的计算 从而分析谐波在系统中的分布 6 第1 章绪论 情况 对应每个谐波频率 从各非线性负载电流中取出相应的分量组成注入电流 向量 代入式 1 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 际谐波潮流计算中应用较多 但在某些情况下 如上的非线性负载模型误差较大 因此 又提出了一种 改进方法 即将非线性负载电流表示为式 1 2 所示的负载节点电压和负载控制 变量的函数 l f u u 2 c 1 巳 加 1 2 9o h 1 2 式中 厶 厶 厶为非线性负载电流各次谐波分量 u u 为负载节点电压 各次谐波分量 c l c 二为负载控制变量 逆变器触发角等变量 利用牛顿法 联立求解式 1 1 1 2 即可得各节点谐波电压 3 混合谐波潮流计算 由于用上法表示的非线性负载仍不能反映其动态特性 近年来 又提出一 种更精确的方法一混合谐波潮流计算法 网络仍采用式 1 1 所示的模型 非 线性负载则用微分方程描述 求解时 先设定电压初值 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 直至稳态 可得各非线性负载新的各次谐 波电流分量 形成各次谐波电流向量 代入网络方程求解 又可得各次谐波节 点电压向量 反复如上过程 直至网络方程收敛 并且所有非线性负载都处于 稳态 这种方法的优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用 因此可精确 描述其动态特性 缺点是计算量大 求解过程复杂 1 3 4 基于变换的方法 基于变换的方法主要指f o u r i e r 变换方法 短时f o u r i e r 变换方法和 w a v e l e tt r a n s f o r m 小波变换方法 1 f o u r i e r 变换方法 f o u r i e r 变换是时域到频域互相转换的工具 从物理意义上讲 f o u r i e r 变 换的实质是把f t 这个波形分解成许多不同频率的正弦波的叠加和 在运用 7 第1 章绪论 f f t 时 必须满足以下条件 1 满足采样定理的要求 即采样频率必须是最高信号频率的2 倍以上 2 被分析的波形必须是稳态的 随时间周期变化的 当采样频率或信号不能满足上述条件时 利用f f t 分析就会产生 频率混 叠 和 频率泄漏 的现象 给分析带来误差 此外 对于一些非平稳信号 例如电能质量领域中的电压暂降等问题 由于信号在任一时刻附近的频域特征 都很重要 且信号在局部有突变 对它们仅从时域或频域上分析是不够的 因 此它们不适合用f f t 来进行分析 这是由于f f t 变换是对整个时间段的积分 时间信息得不到充分利用 且信号若有任何突变量 其频谱将散布于整个频带 2 短时傅里叶变换 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 即将不 平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合 将f o u r i e r 用于不平稳过程的分析 由于这种时频窗口不具有自适应性 因此只适合分析特性尺度大致相同的过程 不适合分析多尺度过程和突变过程 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 3 小波变换方法 小波变换 w a v e l e tt r a n s f o r m w t 这一新概念是由法国工程师m o d e t l 9 8 1 年在进行地质数据分析时提出的 1 9 8 5 年 法国数学家m e y e r 构造出一个真正 的光滑正交小波基 从而掀起了小波的研究热潮 1 9 8 9 年 比利时数学家 d a u b e e h i e s 提出了具有紧支集的光滑正交小波基 将小波分析研究向前大大地推 进了一步 随后 m e y e r 和m a l l a t 在多分辨分析的基础上 给出构造正交小波基 的一般方法和相应的快速算法一 m a l l a t 算法 使小波变换从理论研究走上了广 泛的应用研究 小波变换 作为近十年来应用数学的重大突破 不仅具有丰富 的数学内涵 而且具有重要的应用价值 小波变换由于其同时具有时一频局部 化的特点 克服了以上f f t 和s t i 叮的缺点 因此特别适合于非平稳信号的分 析 小波变换作为一种新的信号处理技术被引入工程界后 很快成为研究信号 分析与处理的一大热点 经过近十年的发展 在信号分析 图像处理 数据压 缩 故障诊断等许多领域得到了广泛的应用 由于小波变换在时一频平面不同 位置具有不同的分辨率 是一种多分辨分析方法 利用小波变换对信号进行分 8 第1 章绪论 析 既可以看见信号的概貌 又能得到信号的细节 因此将小波变换应用于电 能质量分析领域 尤其是暂态扰动信号分析领域将具有f f t s t f t 所无法比拟 的优点 变换域分析法是一种有效的分析方法 目前它在电能质量分析中起到很重要 的作用 它包括傅立叶变换方法 短时傅立叶变换方法和小波变换 f f t 及其改 进算法在谐波和间谐波等稳态信号的分析中是很有优势的 但它对非平稳信号的 分析就有限了 相反 小波变换具有良好的时一频局部化特征 可以聚焦到信号 的任意细节 能够很好地处理突变信号 特别适合于非稳态畸变波形问题的分析 但它不能准确的测量谐波分量的幅值 为此 基于信号的奇异性检测理论 利用 小波分解的高频系数是否具有模极大值作为区分稳态和非稳态现象的判据 利用 快速傅立叶变换方法对谐波 间谐波和纯正弦波等稳态现象进行分析 利用小波 变换的快速算法 m a l l a t 算法来确定非稳态扰动的持续时间和扰动波形 从而区 分各种非稳态扰动现象 1 4 本论文主要研究内容 本论文重点研究了电能质量的各个指标的算法及硬件和软件方面的实现 分析了六脉动整流桥的谐波电流大小与控制角和换相重叠角之间的关系 并运 用p s c a d e m t d c 建立模型进行分析 本文内容主要分为以下六个部分 第一章主要介绍电能质量监测仪的国内外现状及常用的电能质量分析方 法 第二章主要对电能质量指标及相关算法进行了详细深入的阐述 并以谐波 源一六脉动整流桥为研究对象 理论推导谐波电流与控制角和换相重叠角之间的 关系 并通过p s c a d e m t d c 建立模型验证理论推导的正确性 第三章主要是采 用小波变换对电能质量的各种扰动信号进行检测 并通过m a t l a b 仿真 能够很 好地实现对电能质量扰动的起止时刻和持续时间的检测 第四章主要是对电能 质量监测仪的软硬件设计 第五章对实测的电网数据进行电能质量分析 第六 章为对全文进行总结并对未来进行展望 9 第2 章电能质量指标及其算法研究 第2 章电能质量指标及其算法研究 2 1 电能质量的定义及分类 电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质 理想状态 的公用电网应以恒定的频率 正弦波形和标准电压对用户供电 在三相交流系 统中 还要求各相电压和电流的幅值应大小相等 相位对称且互差1 2 0 0 但由 于系统中的发电机 变压器 输电线路和各种设备的非线性或不对称性 以及 运行操作 外来干扰和各种故障等原因 这种理想状态并不存在 因此产生了 电网运行 电力设备和供用电环节中的各种问题 也就产生了电能质量问题 其表现在 电压 频率有效值的变化 电压波动和闪变 电压暂态 短时中断 和三相电压不平衡 谐波 暂态和瞬态过电压以及这些参数变化幅度 围绕电能质量的含义 从不同角度理解通常包括如下几方面 1 3 1 4 1 电压质量 指实际电压与理想电压的偏差 反映供电企业向用户提供 的电能是否合格 这个定义包括大多数电能质量问题 但不包括频率造成的电 能质量问题 也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染 2 电流质量 反映了与电压质量有密切关系的电流的变化 电力用户除 对交流电源有恒定频率 正弦波形的要求外 有些用户还要求电流波形与供电 电压同相位以保证高功率因数运行 这个定义有助于电网电能质量的改善和线 损的降低 但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题 3 供电质量 技术含义是指电压质量和供电可靠性 非技术含义是指服 务质量 包括供电企业对用户投诉的反应速度以及电价组成的合理性 透明度 在蟹 号乎o 4 用电质量 包括电流质量 还包括反映供用电双方相互作用和影响中 的用电方的权利 责任和义务 电力用户是否按期 如数缴纳电费等 i e c 1 0 0 0 2 2 4 标准将电能质量定义为 供电装置正常工作情况下不中 断和干扰用户使用电力的物理特性 i e e e 协调委员会对电能质量 p o w e rq u a l i t y 的技术定义为 合格的电能质 量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正常工作的 1 0 第2 章电能质量指标及其算法研究 国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识 但大多数专家 认为 电能质量的定义应理解为 导致用户电力设备不能正常工作的电压 电 流或频率偏差 造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题 2 2i e e e 关于电磁现象和电能质量的分类 电能质量与一般的产品质量不同 它不完全取决于电力生产企业 有些指 标 如谐波 电压波动 三相不平衡等 是由用户的干扰决定的 近年来 配 电网中整流器 变频调速装置 电弧炉 电气化铁路以及各种电力电子设备不 断增加 这些负荷的非线性 冲击性和不平衡的用电特性 使网络中的电压电 流波形发生畸变 或引起电压波动 闪变和三相不平衡 对供电质量造成严重 污染 还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏 如雷击 引起的 电能质量扰动对国民生产生活的影响已有了相当的记录 包括居民在内的 更多的电力用户 大量使用对供电的小干扰更加敏感的电力终端设备 这囊括 了大到工厂的调速电机 d n 普通的家用电脑或办公设备在内的全部器件 不 断提高的负载敏感性对原有计划编制的模型和方法提出了这样的要求 即具备 快速测量用户所关心的电能质量影响的能力 传统的用户购电方式对不充分用电容量和不良电压质量基本没有明确的评 判标准 当电压或电流极限超出峰值负荷时 计划者总是建造新的容量以收回 投资 除了容量限制外 对电能质量的考虑也许能保证收回投资 当敏感负载 越来越多时 生产停顿 清除故障 设备损坏等越来越影响到系统升级 在当 前竞争激烈的环境下 计划者总是明智地将用户成本放入不同投资评估中 这 样 作出的选择往往有利于供电公司和用户双方 对于电能质量现象可以从不同角度分类 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了依据 电能质量分类如表2 1 所裂1 3 针对我国目前电能质量的研究 分析和监测 主要集中在现有电能质量六 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 过电压等 第2 章电能质量指标及其算法研究 表2 1i e e e 电力系统电磁现象的特性与分类 种类频谱成分持续时间电压幅值 上升沿5 n s l m s 磁 瞬 态 低频 5 妞z o 3 6 0 m s o 4 p 1 l 振荡中频 5 5 0 0 1 d h2 0 u s 0 一8 p u 高频 o 5 6 m h z 5 u s o 4 p u 中断o 5 q 0 周波 0 1 p 1 l 瞬时跌落0 5 3 0 周波 0 1 p u 旬 9 p u 升高o 5 3 0 周波 1 1 p u 一1 8 p u 短 中断3 0 周波一3 s 0 1 p u 时 电 暂时跌落3 0 周波一3 s 0 1 p u o 9 p u 压 变 动 升高3 0 周波一3 s 1 1 p u 一1 4 p u 中断 3 s lr a i n l m i n 0 o p u 长期电压变动 欠电压 lr a i n 0 8 p u 旬 9 p u 过电压 1r a i n 1 1 p u 1 2 p u 电压不平衡稳态 0 5 2 直流偏移稳态0 一0 1 波 谐波 肛1 0 0 出 稳态 0 2 0 形 问歇波 0 6 k h z 稳态o 2 畸 变 陷波稳态 噪声宽带稳态0 一1 电压波动 2 5 h z 问歇o 1 一7 工频变化 p 2 q 孑 它们的差值称为畸变功率d d i s t o r t i o np o w e r d s 2 一 p 2 q 2 1 9 畸变功率d 简称为畸变伏安 实际上是由不同频率谐波造成的 严格来讲 不 能称为功率 因为它仅是一个数学上定义的量 并不像功率一样在系统中流动 2 5 3 六脉动整流桥的谐波影响分析 六脉动整流桥是用于将电网工频电压转换成所需幅值的直流电压最常见的 整流装置 为了对六脉动整流桥产生的谐波进行分析 先介绍两个概念 控制 角口和换相重叠角丫 控制角口是指晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加脉冲 止的电角度 实际变压器绕组总有漏感 该漏感可用一个集中的电感厶表示 由 于电感对电流的变化起阻碍作用 电感电流不能突变 因此换相过程不能瞬闻 1 8 第2 章电能质量指标及其算法研究 完成 而是会持续一段时间 换相过程持续时间用电角度y 来表示 称为换相重 叠角 t 为 时也就是认为换相是瞬间完成的 2 3 4 1 控制角及换相重叠角与谐波电流关系的理论推导 主要分两种情况进行讨论分析 即当不考虑变压器漏感厶 也就是当换相重 叠角y 为0 时 不同的控制角口对电网谐波电流的影响 当考虑变压器漏感厶时 不同换相重叠角对谐波电流的影响 但是不论换相重叠角和控制角选取何值 都有一个不变的事实 就是 六脉动整流桥装置是一个谐波源 不论采取多合 适的换相重叠角和控制角 它都会引起变压器一次侧电流的畸变 只是畸变程 度不同而已 本章只讨论带阻感负载 因为六脉动整流桥电路大多用于向阻感 负载和反电动势阻感负载供电 用于直流电机传动 假定整流桥直流侧电感量 不足引起直流电流脉动 不考虑变压器的漏感时 以a 相电压零点做时间基准点时 a 相电流屯波 形为奇函数 不含余弦项 傅里叶分解系数为 a h 0 2 2 0 瓯 小t n h c o d 舡昙f ks i n h c o t 鲁s m 等s m 等汜2 l 式中 如耐为整流桥负载侧直流电流 故屯的表达式为 乞2 华 s i n a 气t l s i n 5 a t t 可1s i n 7 a t 扣螂 2 2 2 古s i i l l 3 q f 一专s i n l 7 唧一西1 s i n l 9 a f 从式 2 2 2 可以得知 屯中只有6 七 1 次的特征谐波存在 且h 次谐波电 流均方根值为 厶 1 i h 6 k 1 k 1 2 3 2 2 3 从式 2 2 2 2 2 3 可知 当不考虑变压器漏感的存在时 谐波电流大 小跟控制角口无关 考虑变压器漏感时 对重叠角肚行推导 分析矿5 向y 1 的换相过程如图2 1 所示 1 9 第2 章电能质量指标及其算法研究 o o 暇一 z 3 z 5厂 l 一聚u c 虹 s y 7 4z 6 z 一 图2 1 六脉动整流桥v 5 向v 1 的换相过程 a 原理接线图 b 换相过程 忽略开关器件导通时的正向压降 可得 一丘鲁 一皤 而乞 之 代入式 2 2 4 可得 2 4 e 万i o 一心 吃 惹出 f 6 u 矿s i n c o t 6 d 耐 卜等酬刎一詈 ck 一瓦 s 刎一 c 考虑到边界条件 c o t 詈 口时 乇 o 可确定常数c c 堕 s 口 2 以 因此 导通开关器件中的电流为 2 0 2 2 4 2 2 5 2 2 6 2 2 7 2 2 8 第2 章电能质量指标及其算法研究 乞 等呐s 口 c o s 刎一和 2 2 9 a2 瓦 一 j z z 9 当耐 等 口 7 换相过程结束时 n f 4 磐 c o s g c o s 甜肭 2 3 0 7 喇卅洳s 口一等6 u 2 3 1 可见 重叠角丫与许多因素有关 且当直流电流如甜和变压器漏感厶一定 时 将随着控制角口的增加而减小 将交流侧电流波形用傅里叶级数展开 可求得谐波电流的均方根值为 厶2 丽南 厨耳丽而 2 3 2 抻墨 等舻百s i n h i 由式 2 3 2 可知 控制角卿换相重叠角 都能影响谐波电流的大小 下 面对上述结论进行仿真分析 2 p s c a d e m t d c 仿真建模分析 瑚2 i l c o m a u s a 錾姐 聋子千 咀 i u y j 1 u uu 胛 0 0 盟 f 埏m 店 日日 卯 目 i b l 导日 柙i 口y 1 8 0 j 鱼 记 u 00 0 0 们 c0cci cl sc砖毒幸 u 例v t v u 一 0 0 i h 磐 l 觉察单位 说翡实验观察者中有更多的入对灯光闪烁有明曼感觉 则规定为 对应闪变不允许水平 3 撬惑度额率特性系数k f 通过对闪变实验的研究发现 人对闪变的视觉反映还与照度波动的频率特 性有关 其频率分布规律可概括为以下几点 1 闪变的一般觉察频率范围 l 2 5 h z 2 闲交的最大觉察频率范围 0 0 5 3 5 h z 其上下限值称为截止频率 上限值又称为停闪频率 即高于这一频率的闪变人眼是感觉不到的 3 闪变的敏感频率范围 6 一1 2 h z 4 闪变的最大敏感频率 8 8 h z 为了从本质上认识电压波动号l 起的人对照度波动反应的频率特性 引申出 视感度频率特性系数k f 它是在s t 一l 觉察单位下 最小电压波动值与各 频率电压波动值的比 即 一 s t l 觉察单位的8 8 h z 乖弦电压波动值 o t t 2 荪河琵藕蕊丽厩莎丽丽夏面西两酉 喵 3 b 一 7 s t l 觉察单位的频率为啪正弦电压波动值 图2 5 视感度频率特性系数的频率特性曲线 2 6 第2 章电能质量指标及其算法研究 图2 5 给出了在正弦电压波动条件下 由试验数据描绘出的视感度系数的频 率特性曲线 它反映了不同频率正弦电压波动所引起的灯光闪烁在人眼和大脑 中产生的主观感觉相对强弱的程度 将视感系数的频率特性曲线以列表形式给 出 见表2 3 可以方便地查找在觉察单位条件下 不同波动频率所对应的电压 波动大小 显然 对应闪变的最大敏感频率8 8 h z 有电压波动值d 最小值 查表2 3 可知 对应f 8 8 h z 点 正弦调幅波相对电压波动值d 0 2 5 为最小值 所以有 k 0 1 将视感系数的频率特性曲线以列表形式给出 见表2 3 可以方便地查找在 觉察单位条件下 不同波动频率所对应的电压波动大小 表2 3 视感度s t 1 觉察单位的电压波动 频率f频度r电压波动值d 波形因数 h z m i n l 正弦波矩形波r f 视感度系数 0 56 02 3 4 00 5 1 04 5 50 1 0 7 1 o1 2 01 4 3 20 4 6 83 0 4o 1 7 5 1 51 8 01 0 8 0 0 4 2 9 2 5 0 o 2 3 l 2 o 2 4 0 0 8 8 2 0 3 9 92 2 00 2 8 3 2 53 0 00 7 5 40 3 7 12 o l0 3 3 2 3 o3 6 00 6 5 40 3 5 21 8 40 3 8 2 3 54 2 00 5 6 80 3 4 21 6 50 4 4 0 4 o4 8 00 5 0 0o 3 3 l1 5 00 5 0 0 4 55 4 00 4 4 6o 3 1 31 4 l0 5 6 1 5 o6 0 00 3 9 80 2 9 11 3 90 6 2 8 5 56 6 00 3 6 00 2 6 91 3 4 0 6 9 4 6 07 2 00 3 2 80 2 4 91 3 20 7 6 2 6 57 8 00 3 0 00 2 3 01 3 00 8 3 3 7 08 4 00 2 8 0o 2 1 71 2 90 8 9 3 7 59 0 00 2 6 60 2 0 61 2 90 9 4 0 8 0 9 6 0 0 2 5 6 0 2 0 01 2 70 9 7 7 8 81 0 5 60 2 5 00 1 9 61 2 61 0 0 0 9 51 1 4 60 2 5 40 1 9 91 2 70 9 8 4 1 0 01 2 0 00 2 6 0 0 2 0 31 2 7 0 9 6 2 1 0 51 2 6 00 2 7 00 2 1 21 2 70 9 2 6 1 1 01 3 0 00 2 8 20 2 2 21 2 6 0 8 8 7 1 1 5 1 3 6 00 2 9 60 2 3 31 2 60 8 4 5 1 2 01 4 4 0o 3 1 20 2 4 41 2 70 8 0 1 2 7 第2 章电能质晕指标及其算法研究 频牢f频度r电压波动值d 波形因数 视感度系数 t z m in1 正弦波矩形波 r f 1 3 o1 5 6 00 3 4 80 2 7 51 2 70 7 1 8 1 4 o1 6 8 00 3 8 80 3 0 61 2 60 6 4 4 15 o1 8 0 00 4 3 20 3 3 91 2 60 5 7 9 1 6 01 9 2 00 4 8 00 3 7 51 2 6o 5 2 l 17 0 2 0 4 0 o 5 3 00 4 2 l 1 2 60 4 7 2 1 8 o2 1 6 00 5 8 40 4 5 7i 2 70 4 2 8 1 9 02 2 8 00 6 4 00 4 9 51 2 60 3 9 1 2 0 02 4 0 00 7 0 00 5 3 91 2 7o 3 5 7 2 1 02 5 2 00 7 6 00 5 8 31 2 6 0 3 2 9 2 2 o2 6 4 00 8 2 40 6 1 3 1 2 5 0 3 0 3 2 3 o2 7 6 00 8 9 00 6 7 91 2 5o 2 8 1 2 4 02 8 8 00 9 6 20 7 5 l1 2 50 2 6 0 2 5 03 0 0 01 0 4 20 2 4 0