（系统分析与集成专业论文）基于tms320f2812的电力参数测试仪的设计与实现.pdf

南京信息工程大学硕士论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 摘要 随着科学技术和经济的快速发展 我国电力事业无论是发电总量还是电网 的建设都得到了迅猛发展 电力系统的规模不断扩大 应用在电力线上的非线 性负载也越来越多 这些负荷的用电特性 非线性 冲击性和不对称性 使电 力系统中电压和电流的波形发生较严重的畸变 对电能质量产生严重影响 电力参数监测作为电能质量监控的一个关键环节 在电力系统运行管理和 技术监督中起着重要的作用 同时也是保证电力系统良好供电质量的必要手段 研发高精度的电力参数测试装置 使之能准确记录电力系统运行过程中的电能 质量指标 监测电能质量污染源 从而为电网电能质量的治理和改善提供依据 对保证电力系统的安全 经济及稳定运行有重要的意义 本装置应用了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器和高精度a d c 实现对三相 电网3 路电压 3 路电流 功率等基本参数的实时测量 还具备谐波分析的功能 该装置采用交流采样技术采集电网实时电压 电流等数据 实现多种电力参数 的在线测量 通过d s p 芯片高性能处理能力实现数据处理 进行f f t 算法等运 算 并通过液晶屏显示三相电压有效值 三相电流有效值 功率 谐波等特征 值和三相电压电流波形 同时本系统还有数据上传功能 可以实现分析结果的 实时上传 便于数据的进一步分析 统计和存储 为电力部门的安全生产提供 长期有效的依据 实践表明 本装置具有很高的测量速度和测量精度 人机界面友好 易于 操作 功能齐全 具有可扩展性 也可用于其它参数检测 具有很广阔的应用 前景和实用价值 关键词 电力参数 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 谐波分析 f f t 数字信号处理 a b s t r a c t w i t ht h ed r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n df a s td e v e l o p i n ge c o n o m i e s c h i n a sp o w e ri n d u s t r yh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yw h e t h e r t h et o t a l p o w e r s g e n e r a t i o no rt h ep o w e rg r i dc o n s t r u c t i o n p o w e rs y s t e mi s c o n s t a n t l ye x p a n d i n gi n s i z e a n dm o r ea n dm o r en o n l i n e a r l o a d sa r eu s e di np o w e rl i n e e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h o s el o a d s n o n l i n e a r i m p a c ta n da s y m m e t r i c c a u s eas e r l o u s d i s t o r t i o no fp o w e rs y s t e mv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m s w h i c hi sa s e r i o u si m p a c t t ot h ep o w e rq u a l i t y e l e c t r i cp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ti s ak e yp a r tf o rt h ec o n t r o l l i n go fp o w e r q u a l i t y i ta l s op l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns u p e r v i s i n ga n dm a n a g m g o fp o w e rs y s t e m a n da tt h es 锄et i m ei ti san e c e s s a r ym e a n sf o rp r o v i d i n gb e t t e rp o w e rq u a l i t y i ti s o fg r e a t i m p o r t a n t t or e s e a r c ha n dd e v e l o p ap o w e r f u le l e c t r i cp a r a m e t e r m e a s u r e m e n td e v i c e w h i c hc a nr e c o r di n d e x e so fp o w e rq u a l i t ya n dc a l ls u p e r v l s e p o l l u t i n gs o u r c ed u r i n gr u n n i n gi n d e t a i l t h e np r o v i d ee v i d e n c ef o ri m p r o v i n ga n d r e n o v a t i n gt h ep o w e rq u a l i t y a n de n s u r et h es e c u r i t y s t a b i l i z a t i o na n de c o n o m yo f t h ep o w e rs y s t e m t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n d2 4 b i th i g hp r e c i s i o na d c i s u s e df o rt h i sd e v i c e i tc a nr e a l i z er e a lt i m em e a s u r e m e n t t os o m eb a s i cp a r a m e t e ro i t h r e e p h a s ev o l t a g e t h r e e p h a s e c u r r e n ta n dp o w e re r e m e a n w h i l e i th a st h e f u n c t i o no fh a r m o n i ca n a l y s i s i nt h i sd e v i c e t h et e c h n o l o g yo fa l t e r n a t i n gc u r r e n t s a m p l i n gi sp r o p o s e dt oc o l l e c tv o l t a g ea n dc i r c u i to f t h ee l e c t r i cg r i dr e a lt i m e i t c a nr e a l i z er e a lt i m em e a s u r e m e n to fv a r i o u se l e c t r i cp a r a m e t e r s t h ed e v i c e c a n p r o e s sd a t aa c c o r d i n gt ot h ef f ta l g o r i t h m a n ds oo nb yh i g h p e r f o r m a n c ed s pc h i p i td i s p l a y st h r e e p h r a s ev o l t a g e se f f e c t i v ev a l u e sa n dt h r e e p h a s ec u r r e n t s e f f e c t i v e v a l u e s p o w e r h a r m o n i c t h r e e p h a s ev o l t a g e a n dc u r r e n tw a v e f o r mb yl c d m e a n w h i l e t h ed e v i c eh a st h ef u n c t i o no ft r a n s f e rd a t a a n di t i sc o n v e n i e n tt ot h e d a t a sf u r t h e ra n a l y s i s s t a t i s t i c sa n dm e m o r y i tc a np r o v i d et h el o n g t e r me f f e c t i v e b a s i sf o rt h ep o w e rs y s t e m ss a f e t yi np r o d u c t i o n t h ep r a c t i c ei n d i c a t e dt h a tt h ed e v i c eh a sv e r yh i g hm e a s u r i n gs p e e da n d i l 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 a c c u r a c y f r i e n d l yi n t e r f a c e e a s yt oo p e r a t e c o m p l e t ef u n c t i o na n d c o n v e n i e n t e x t e n s i o n i tc a na l s ou s e df o ro t h e rp a r a m e t e re x a m i n a t i o n s s oi th a st h ev e r yb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dt h ep r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d e l e c t r i cp a r a m e t e r t m s 3 2 0 f 2 81 2 h a r m o n i ca n a l y s i s f f t d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g i i i 果 学位论文独创性声明 本人郑重声明 1 坚持以 求实 创新 的科学精神从事研究工作 2 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 本论文中除引文外 所有实验 数据和有关材料均是真实的 4 本论文中除引文和致谢的内容外 不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果 5 其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意 作者签名 日期 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留 使用学位论文的规 定 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅 有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 保密的学位论 文在解密后适用本规定 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送 交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以采用 影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵循此规定 作者签名 日期 导师签名 日期 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 第一章前言 1 1课题研究的背景及意义 现代社会中 电能作为一种使用最为广泛的能源 其应用程度成为一个国家发展水平 的主要标志之一 随着科学技术的发展 产业规模的扩大以及我国社会经济生活水平的提 高 使得对电能的需求量大大增加 同时对电能质量的要求也不断提高 l 电能质量关系 到人民的生活用电和国民经济各部门的安全 高效运行 进而影响广大居民的生活质量和 国民经济总体效益 实施对电能质量科学的监管是维护广大电力使用者的合法权益和社会 公共利益的重要保障 同时也是建设 节约型社会 的必要条件之一 近年来 由于经济的发展和人民生活水平的提高 使得大量非线性负荷 冲击性负荷 特别是电炉炼钢 可控硅整流以及冰箱 空调等设备的广泛应用于电力系统 造成电网中 的电压 电流波形畸变 谐波污染问题日益严重 电能质量严重恶化 电能质量的恶化 引起了大量的电力故障和经济损失 2 如电网中存在大量的谐波电压和谐波电流会在电力 系统内部引起局部的并联或串联谐振 导致系统中元件产生附加谐波损耗 降低用电设备 的使用效率 缩短使用寿命 还可能引起自动装置 继电保护装置误动作和工业生产电子 控制装置失灵 使重要的生产过程中断 在工业生产中使元器件的合格率降低 造成巨大 的经济损失 现代化工业精密测量控制装置与民用用电设备等新型负荷大量应用和普及 对于提高 我国工业化程度和人民生活水平具有重要意义 然而它们对于电压 电流扰动极其敏感 这些精细过程控制和设备极易受到电力系统扰动的影响 所以提高电能质量 提供优质电 能是对供电系统迫切要求 同时 网络技术的迅速发展 使得许多设备都互连于一个网络 之中 意味着任何一个元件的故障都可能会导致网络的瘫痪或者更为严重的后果 电能质 量的优劣将直接影响整个系统的稳定性和可靠性 另外 电力用户正在了解和熟悉如 供电间断 电压凹陷 电压膨胀 等对生产 流程造成的损失 越来越多的电力用户向供电部门提出高质量供电的要求 甚至通过签订 供用电合同和保证电能质量的协议等方式 保障自己可靠的用电权益 对电能质量提出了 新的更高的要求 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 研究电能质量问题 改善电能质量对于电网的安全 经济运行 保障工业产品质量和 用电设备的正常运行以及降低能耗等均有重要意义 它既是电力系统安全 包括用户设备 的用电安全 稳定 经济运行的必要条件 也是电网运行水平高低的重要标志 同时也是 电力企业用电管理水平考核的重要指标 提高电能质量是提高国民经济总体效益和工业生 产可持续发展的技术保证 有利于通过建立和健全电能质量的全面管理 提高用电效率 改善电气环境 保障各行各业的正常用电秩序 为千家万户提供信得过的电能 基于上述对电能质量问题重要性的认识 提高电能质量的新技术及改善电能质量的分 析方法已成为电力系统领域中的研究热尉3 5 1 为了采取合理的措施提高电能质量 对电能 质量参数指标准确的检测和分析是解决电能质量问题的一个重要环节 只有对所存在的电 能质量问题进行有效的检测 数据分析 才能清楚该电能质量问题的特性 进而采取相应 的措施来解决这一问题 综上所述 为了解决非线性负载对电能质量的影响 人们就迫切需要精确测量电网各 项参数 以便采取有效的措施来改善电能质量 所以 研究电力参数的测试理论和技术有 着十分重大的理论和现实意义 1 2 国内外研究水平及发展状况 电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和发展的 大 量电力电子设备的使用是新技术的运用 同时也是电能质量恶化的制造者和受害者 有目 共睹 电力质量问题是严重的 近2 0 年来全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故己 达2 0 多起 每年电能质量扰动和电力谐波污染引起的国民经济损失高达两千亿元 这使得 我们需要监测电力系统各种技术指标进行综合分析电能质量问题 为预防和减少电能质量 引起的故障提供依据 国外对电能质量研究起步较早 目前有关电能质量的研究已取得很多成果 从所使用 的理论到电能质量评价指标体系的建立 从全国性的电能质量普查 监测到用户终端电气 环境的定义 各种电能质量问题分析方法的提出 以及 用户电力技术 等电能质量控制 技术的研究正深入进行 近年来 每两年召开一次的电力谐波与电能质量学术会议嘲 把 电能质量提高到一个新的认识高度 在电能质量监测装置开发领域 美国的f l u k e 公司 瑞士的l e m 公司 瑞典u n i p o w e r 公司等国际电能质量领域的知名公司的产品在全球占 有相当的市场份额 特别在高端产品领域占据主导地位 在国内 目前电能质量中某些问题已成为电工领域的前沿性课题 吸引了许多高等院 2 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 校 科研院所的一大批科技人员投入其中进行研究 理论研究方面 正致力于电能质量的 界定方法和评估体系的建立 国家电能质量标准的完善和电能质量分析相关算法的研究 其中电能质量评价体系的建立主要涉及电能质量的定义 综合评价体系及其在电力市场 智能建筑中的应用等方面 2 0 0 6 年4 月 经国家发展和改革委员会办公厅批准组建的电力 行业电能质量计柔性输电标准化技术委员会 正迸一步完善国家的电能质量标准体系 算 法分析是电能质量研究的重要内容 目前相关的算法研究主要致力于利用f f t 算法 小波 分析 窗函数等工具 进行信号去噪 信号提取以及谐波分析等方面的处理 电能质量的检测及应用仪器和设备开发方面 国内正进入一个澎渤发展期 各种参数 检测装置研究方案层出不穷 硬件方面有基于d s p 芯片 基于单片机 基于双c p u 系统 基于a r m 系统等 软件方面充分利用了l a b v i e w 技术 c a n 总线 l o n w o r k s 总线 w e b 技术等技术实现在线检测 此外还有一些专门测量电压闪变等暂态量的测量装置 国内致力于电能质量产品研究的企业很多 较有影响力的企业包括深圳领步科技有限 公司 上海宝钢安大电能质量有限公司 安徽振兴科技股份有限公司等 其产品在市场上 占有一定的份额 总体来看 国内对电能质量装置的研究起步较晚 仍广泛采用统计型电 压表监测水平 使用测量装置功能单一 需要计算机作为现场监测分析工具 设备成本高 配置灵活性 通用性差 往往只能用于特定的操作环境 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与预测 实时性差 对干扰的分析和故障的辨识能力有限 不具备智能分析功能 随着电力系统运行管理的系统化 网络化 自动化和智能化 对电 能质量产品提出的更高的要求 以适合现代化电能管理的需要 1 3 本课题的提出和研究意义 近年来 随着我国经济的发展和改革开放的深入 国内高新技术产业公司越来越多 国外许多如芯片制造 精密加工等高新企业也纷纷落户中国 这些企业的生产运行需要对 供电中断 闪变和谐波含量等电能质量提出了严格的要求 另外 随着国家对电力市场的 进一步推动 按质论价己经提到议事日程 电力公司可以依据一定的标准 对这些企业和 用户进行按质收费 同时对电流谐波含量超标的电力用户也采用惩罚性电价 因此 对于 电力参数测量装置要求高速度 高精度和高性价比 然而 现在国内外的电能质量分析产品 有一种两极分化的现象 一类是高端产品 主要由国内外知名企业生产 价格昂贵 功能强大 能够测量包括稳态 暂态量在内的绝 大部分电能参数 并且有着良好的存储 联网与图形显示功能 由于价格昂贵 这些产品 3 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 大部分都用于电力公司 电力研究部门 应用范围不是太广 另一类是中低档产品 主要 由国内中小企业生产 产品价格相对便宜 但产品性能稍差 测量的参数较少 精度低 抗干扰性能差 缺少通信模块及接口 这些产品能够适合大部分普通用户的需求 但对于 要求测量要求比较高的场合 有点力不从心 基于上述认识 本课题提出研究一种基于t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的电力参数测试 仪 该装置采用2 4 位a d 采样芯片a d s l 2 7 8 在参数测试精度上取得突破 同时以数字信 号处理技术为出发点 采用更灵活 更准确的数字信号处理算法程序进行数据处理 提高 系统参数分析和计算效率 使电力参数监测符合数字化技术发展的需要 这些数字信号处 理技术包括快速傅里叶变换 f f t 技术 各种数字滤波技术等 通过这些数字技术的应 用 本监测仪能比较准确地测量分析出电压和电流有效值 视在功率 有功功率 无功功 率 功率因数 2 5 0 次谐波电压和电流含量 总谐波畸变度等电力参数指标 并对参数 异常情况进行记录处理 同时 可根据要求不同应用于低压开关柜 配电房及电能综合管 理系统 工厂能源管理系统和分布式综合电力参数采集 控制系统 能够单独工作 具有 较高精度 也能相互间实现联网测量 形成一个大型测量网络 实现单个仪器难以实现的 功能 使本监测仪的开发具有较强的现实意义 通过对装置采集到的多个电力参数进行监测分析 可以了解公用电网电能质量的水平 和存在的问题 找出电网受哪些因素影响以及引起电网电能质量下降的部门 为相关电力 部门提供电力系统运行的基本状态和性能情况 从而对公用电网的性能做出正确和全面的 评估 这样 我们可以根据测试仪的结果 对电网产生干扰和影响的地方进行检查和维修 从而避免电力部门和用电用户电力设备的损耗和重大电力故障 提高用电效率和用电安全 1 4 本课题的主要工作和内容 鉴于以上电能监测和分析的重要性及市场的需要 本文经导师指导 选择电力参数监 测系统的开发这一课题 从测量装置的硬件设计 软件设计 算法等角度进行研究 重点 在该装置各部分功能实现上 主要完成下面的工作 1 阐述电能质量监测装置研究的背景 现实意义和发展现状 分析我国电能质量衡 量标准和电力参数技术指标数字化测量及计算方法 2 在研究无功功率理论的基础上 给出了基于瞬时无功功率理论的电力参数测试模 型 并利用离散傅里叶变换对交流信号进行了频域分析 对交流采样理论和频谱泄漏进行 了讨论 讨论了谐波分析的几种理论特点 分析了f f t 应用于谐波检测方法理论 提出了 4 南京信息工程大学硕士论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 整个系统装置的设计方案 3 进行了电力参数测量装置的软硬件设计 本系统设计采用了t i 公司的定点处理 器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 作为数据处理核心 具有很高的实时运算能力 采用八通道2 4 位 a d s l 2 7 8 作为数据转换单元 提高了系统采样精度 整个系统设计包括d s p 最小系统设计 前端信号调理电路 数据采集模块和外围器件接i s l 电路 其中外围器件接口电路包括液晶 显示模块和外部通信单元 4 在软件设计方面 采用集成开发环境c c s 编写了交流信号的各个电力参数测试 程序和硬件接口部分程序 主要包括主程序 数据采集与数据处理程 1 2 c 软件实现处理 程序和人机接口程序的实现 本论文的内容包括六章 第一章阐述了论文选题背景和研究意义 电能质量问题和电力参数测试装置的研究现 状及在国内外的发展动态等 总领下文 第二章阐述了电能质量国家标准问题 包括现行的电能质量六项国家标准和其他一些 标准 概括了我国电能质量标准的现状 逐一介绍了电能质量技术指标的测量算法以及相 关知识 即通过本章内容对电能质量标准相关问题和本文的电力参数测量对象做较为全面 的阐述 第三章是本文的重点章节之一 首先介绍了基于瞬时无功功率理论的电力参数测试模 型 给出了波形畸变情况下无功功率的计算方法 然后介绍了基于傅立叶变换交流信号分 析 包括离散傅立叶变换及其分辨率分析 同时 还综述了谐波分析的几种方法及其优缺 点 详述了基于f f t 的谐波分析方法 最后 文章提出了基于d s p 的电力参数测试仪的整 体设计方案 第四章也是本文的重点章节 根据电力参数测试装置的整体设计方案实现各个系统模 块 首先介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 最小系统的设计 作为整个装置系统设计方案的基 础 然后介绍了前端信号调理电路的设计 包括电压电流互感器的选择 低通滤波电路 过零比较电路和同步电路 接着介绍了日历时钟电路和数据采集电路模块的设计 最后介 绍人机接口电路的实现 其中人机接口电路包括液晶显示和控键模块和外部通信单元 第五章也是本文的重点章节 介绍了整个装置系统软件设计的设计 首先介绍了t i 系列d s p 的集成开发环境c c s 是在此基础上实现了交流信号的各个电力参数测试程序和 硬件各部分程序 然后分别介绍了主程序 数据采集与数据处理程 1 2 c 软件实现处理程 序和人机接口程序的设计和实现 第六章对装置参数测量精度进行了验证并分析误差原因 同时文章提出了系统抗干扰 5 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 设计的观点和注意事项 最后对论文工作进行了总结 提出进一步提高系统能力需要作的 努力 6 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 第二章电力参数指标及其测量 电力系统在运行过程中 要监测很多的电力参数 以此来判断电的质量是不是达到电 能质量标准 其主要电力参数有电压 电流的有效值 频率 有功功率 无功功率 功率 因数 以及关于谐波方面的各种参数 在本章中将对电能质量标准 各种电力参数技术指 标数字化测量及计算方法加以讨论 2 1 电能质量国家标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行 的基本技术规范 是实施电能质量监督管理 权益的法律依据 保护电气环境 保障电力用户正常使用电能 推广电能质量新技术 维护供用电双方合法 从2 0 世纪8 0 年代初到2 0 0 1 年 国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量 国家标准p 12 1 这六项电能质量国家标准的摘要如表2 1 所示 表2 1 六项电能质量国家标准摘要 标准 标准名称允许限值说明 编号 1 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不超过 衡量点为供电产权分界 g b r 电能质量供 l o 1 2 3 2 5 电电压允许偏 2 1 0 k v 及以下三相供电为 7 处或电能计量点 2 0 0 3 差 3 2 2 0 v 单相供电为 7 1 0 电压变动d 的限值和变动频度 有关 当 1 0 0 0 f f l 时 对于低压 l v 和中压 m v 1 衡量点为公共连接 d 1 2 5 4 对于高压 h v d 1 0 一3 点p c c 对于随机不规则的变动 d 2 l v m v 和 2 乃每次测量周期为 d i 5 h v 1 0 m i n 取实测9 5 g b 闪变限值 概率值 n 每次测 电能质量电 量周期2 h 不得超 1 2 3 2 6 一 电压等级 l v m vh v 压波动和闪变 标 2 0 0 0 p s 1 0o 9 1 0 o 8 3 限值分三级处理原 p h o 8o 7 0 8 1 0 6 则 注1 括号中的值仅适用于所有用户为同电压等级场 4 提供预测计算方法 合 规定测量仪器并给 2 p 为短时间闪变值 为长时间闪变值 出典型分析实测 7 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 各级电网谐波电压限值 1 衡量点为p c c 取实测 电压 k v t h d奇次偶次9 5 0 溉率值 g b 厂r 电 o 3 85 4 02 0 2 对用户允许产生的谐波电 流 提供计算方法 1 4 5 4 9 一能质量公 6 1 04 3 21 6 3 对测量方法和测量仪器做 1 9 9 3 用电网谐波 3 5 6 63 2 4 1 2 出规定 1 1 02 1 60 8 4 对同次谐波随机性合成提 注1 2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 执行 供算法 2 表中t h d 为总谐波畸变率 1 各级电压要求一样 g b 厂r电能质量 2 衡量点为p c c 取实测 1 正常允许2 短时不超过4 9 5 概率值或日累计超标不 1 5 5 4 3 三相电压允 许超过7 2 m i n 且每3 0 m i n 2 每个用户一般不得超过1 3 中超标不许超过5 m i n 1 9 9 5 许不平衡度 3 对测量方法和测量仪器做 出基本规定 4 提供不平衡度算法 电1 正常允许 0 2 h z 根据系统容量可以放 g b 厂r 能质量电宽到 o 5 h z 1 5 9 4 5 对测量仪器提出了基本要求 力系统频率 2 用户冲击引起的频率变动一般不得超过 1 9 9 5 允许偏差 o 2 h z 1 系统工频过电压限值1 暂时过电压包括工频过电 电压等级 k v 过电压限值 p u 压和谐振过电压 瞬态过电 压包括操作过电压和雷击过 u 2 5 2 i 1 3 电压 u 2 5 2 i i 1 4 1 1 0 及2 2 01 3 2 工频过电压1 o d u 3 5 6 6 压 3 谐波过电压和操作 3 1 0 1 1 3 过电压1 0 p u 正 拈 电 注 l 指工频峰值电压 3 除统计过电压 不小于该 g b 厂r 能质量暂 2 u 2 5 2 k v i 和u 2 5 2 k v i i 值的概率为0 0 2 外 凡未 1 8 4 8 l 一 分别指线路断路器变电所侧和线路侧 说明的操作过电压限值均为 时过电压和 2 操作过电压限值 最大操作过电压 不小于该 2 0 0 1 瞬态过电压 空载线路合闸 单相重合闸 成功的三 值的概率为o 0 0 1 4 相重合闸 非对称故障分闸及振荡解列过电 压限值 4 瞬态过电压还对空载线路 电压等级 k v 过电压限值 p u 分闸过电压 断路器开断并 联补偿装置及变压器等过电 5 0 02 0 压限值做出了规定 3 3 02 2 3 2 2 03 0 表示该过电压相对地统计操作过电压 8 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 实际上表2 1 中所列的标准只是用于电网中电能质量指标的控制 处理电力公司和用 户的关系 有关测量仪器 电气设备和改善 治理 装置也有相应的标准 如电能质量测 量 试验国家标准 电气设备国家标准 电能质量改善 治理 装置国家标准等 二十世纪9 0 年代以来 国际电工委员会 i e c 陆续颁布了i e c6 1 0 0 0 系列电磁兼容 e m c 标准文件 e m c 涉及范围十分广泛 其基本任务是协调干扰发射和承受者之间关 系 使其 兼容 而电能质量标准的任务是维护公用电网电气环境 在现代技术条件下 保证电网安全 经济运行和广大用户正常用电 因此电能质量标准和e m c 标准是既有联 系 又有区别的两套标准 e m c 标准中诸如电磁环境的分类 等同于电能质量指标 测 量和试验技术 抑制措施等等的标准基本上可以用于电能质量领域 从1 9 9 8 年以来 我国 发布的e m c 标准很大一部分取自 等同或等效 i e c6 1 0 0 0 系列标准文件 总的来说 我国的电能质量标准体系还处在初级阶段 还很不完善 如有些指标已经 是工业生产中的急需提出的 但目前仍没有做出必要的规定 相应的监测推荐方法和测量 精度等的规定还不完善 有些指标的科学性和操作性差 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 2 2 电力参数测量 2 2 1 频率测量 国家标准g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 规定以5 0 h z 作为我国 电力系统的标准频率 工频 并规定电力系统的频率标准为5 0 h z 0 2 h z 当系统容量较 小时 可放宽到5 0 h z 0 5 h z 实际运行中我国电力系统频率的允许偏差都保持在 0 1 h z 的范围内 目前 关于频率的测量的研究 国内外已经有很多成果 也获得许多成熟的算 法 大体可以归结为两类 1 硬件测频法 1 计数法 即首先经过波形转换电路 把待测信号转变成脉冲序列 然后在一定的 时间段t 内 对该脉冲序列进行计数 则频率f r 此种方法只适合于高频信号 频率越高 测量越准 对于低频信号 则测量误差较大 2 周期法 最早的周期法是用定时器测量周期信号邻近两个过零点的时间差丁来计 算频率的大小 此方法适应于低频信号的测量 但该方法容易受谐波 噪声和非周期信号 9 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 的影响 另外也受制于定时器位数的限制 后来在直接测频法上又发展出来的等精度测量 法 多周期同步测频法和双路寄存器测频法 这些方法有的提高了测量的速度 有的消除 了测量中计数器造成的士1 误差 有的提高了测量范围 实现大范围内的等精度测量 但 不可避免的都增加了硬件的复杂性 2 软件测频方法 软件测频法通过对交流采样值的分析和计算 采用一定的算法来求取系统频率 软件 测频方法主要以下几种 1 周期法 周期法即为零交法 也是通过信号波形相继过零点的时间宽度来计算频 率的 原始的周期法测量频率实时性不好 测量精度略差 为了提高测量精度和实时性 典型的改进算法有水平正交算法 高次修正函数法和最小二乘多项式曲线拟合法 这些方 法是以增加了算法的计算量和复杂度来提高算法的精度和相应速度的 2 解析法 解析法是对信号观测模型进行数学变换 将测量值厂发或 厂表示为采 样值的函数来计算 解析法算法简明 计算量不大 较传统的周期法有所改进 但是一般 采用较简单的信号数学模型 难以考虑谐波 非周期分量等的影响 因此谐波含量较高时 会有较大的误差 3 误差最小原理类算法 包括最小二乘算法 最小绝对值近似法 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 2 2 2 电压 电流有效值及电压偏差 1 在非正弦波情况下 电流 电压包含各次谐波 产生畸变时 相电压有效值计算公 式为 u 2 2 2 1 将连续时间信号u t 离散化 在每个周期内采样 点 可得有效值离散计算公式 u t v i r 辱n 1 同理 可得电流有效值公式 1 0 一 2 2 2 2 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 i 甄in i t v 万1 刍n 1 2 2 2 2 3 式 2 2 2 2 2 2 2 3 中 为一周期采样点数 为一周波内第m 次的采样值 2 电压偏差 电压偏差指的就是实际电压与额定电压的差值 再除以额定电压所得的百分比 按下 式来求 电压偏差 壅堕焉蒹茅 其中额定电压为2 2 0 v g b l 2 3 2 5 1 9 9 0 电能质量供电电压允许偏差 中规定 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 1 0 k v 及以下三相供电电压偏差为额定电压的 7 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压的 7 一1 0 2 2 3 功率及功率因数 理想正弦波条件下 有功功率为p u l c o s o p 但是在电压 电流畸变时 非理想 状态下 则有功功率需按其定义式 尸 一1 u i d t 2 2 3 i 2 u 离散化 以一个周期内有限个电压和电流瞬时值来代替一个周期内连续电压和电流 则单 相有功功率为 尸 薹c v 瓦 薹c 专 专薹 乙 c 2 2 3 三相总的有功功率为各单相有功功率之和 p 专 砌 z 锄 2 2 3 3 v m 0 视在功率为各单相实在功率之和 s u i a u b l b 2 2 3 4 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 式中u 和 是算好的各相电压和电流的有效值 无功功率采用f r y z e 无功定义 q 厨 则根据算好的有功功率和视在功率 可得功率因数 c o s 自o e s 2 2 4 三相不平衡度 2 2 3 5 2 2 3 6 三相不平衡度是指三相系统中三相电压不平衡程度 用三相电压的负序电压的有效值 和正序电压有效值的百分比表示 三相电压不平衡度会引起继电保护误动 电机附加振动 力矩和发热 g b t 1 5 5 3 4 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度 规定了电力系统公共连 接点正常时电压不平衡度允许值为2 短时不平衡度不得超过4 对接入公共连接点的 每个用户 规定其引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 当三相电压发生畸变时 在三相四线制 电网中除含有谐波分量外 还含有正序分量 负序分量和零序分量 三相 三线制中有正序分量和负序分量 没有零序分量 三相不平衡度 s 堡 1 0 0 2 2 4 1 u 矿和以为负序电压和正序电压的有效值 在三相四线制中 应用对称法可以求得 u 口 仅 u u bu c u a a 2 u a u bu c 2 2 4 2 2 2 4 3 分别为三相的基波电压 a 为旋转因子c 一圭 譬 1 2 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 2 2 5 谐波量计算 电力系统谐波问题并不是一个新的问题 早在1 9 2 0 1 9 3 0 年间 德国就己提出静态整 流器产生的波形畸变问题 但直到2 0 世纪5 0 6 0 年代 由于高压直流输电技术的发展 才 有大量关于换流器谐波问题的文章发表 近年来 由于电气铁道的发展以及化工 冶金 钢铁 有色金属 媒体和交通等工业部门大量使用了电力电子设备和应用电力整流和换流 技术 造成大量谐波注入电网 现在谐波问题已经对电力系统产生了严重的危害和影响 必须认真研究并采取相应限制和管理措施 2 2 5 1 谐波的产生 理想的状况下 电压的波形是正弦波 函数关系为 肌 面s i n c o t p 2 2 5 1 c o 2 矿 其中u 为电压有效值 厂为频率 然而在实际的工业系统中 电压波形并不是理想的正弦波 发生了畸变 目前电网电 压畸变的原因主要有两大类 1 线路中的元件的非线性 实际中的电阻并不是纯阻性元件 当电压加载在这些元 件中 电流波形就会发生畸变 这样的电流流经其他电阻时 将导致其上电压也会成为非 正弦波形 从而产生了谐波 2 大量的电力电子设备的投入运行 目前电网中越来越多的使用整流器 变频调速 装置 电弧炉 电气化铁路以及各种电力电子设备 这些设备的非线性 以及其中的开关 管的频繁开断 使得电网中波形强行发生变化 虽然由于电感的存在 使得电压没有发生 突变 但是不可避免的产生了大量的高次谐波 总体来说 谐波的来源可以分为两大类 一类来自电力系统本身 主要是直流输电中 的换流站 高磁密的电力变压器和改善功率因数的s v c 组等 另一类则来自用户 主要有 电气化铁路 静止补偿电容 交直流整流设备 电弧炼钢炉等 2 2 5 2 谐波的相关定义 l 谐波含量 1 3 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 谐波含量为从周期性交流量中减去基波分量后所得的量 谐波电压含量 uh 其中氓是第h 次谐波电压 谐波电流含量 i h 其中j a 是第h 次谐波电流 2 2 5 2 2 2 5 3 2 谐波含有率 h r 周期性交流量中含有的第h 次谐波分量的方均根与基波分量的方均根值之比 用百分 数表示 第h 次谐波电压含有率以h r u 表示 第h 次谐波电流含有率以h r i h 表示 第h 次谐波电压含有率 示 h r 卟 o o 晓2 s 4 其中u 是基波电压 第h 次谐波电流含有率 h r h 瓷川慨 2 s 5 其中 是基波电流 方均根值 3 总谐波畸变率 n d 周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比 用百分数表 电压总谐波畸变率 t d h 鲁枷 电流总谐波畸变率 1 4 2 2 5 6 南京信息工程大学硕士论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 肋凰 生1 1 l o o 2 2 5 7 本章小结 本章主要介绍了我国电能质量标准相关问题和各个电力参数指标的原理及计算公式 包括频率 电压 电流有效值 功率及功率因数和三相不平衡度等 给出了电网谐波含量 的有关指标 1 5 南京信息工程大学硕士论文基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 第三章电力参数测试的理论研究与整体方案设计 本装置采用交流采样法实现对三相交流电压信号和三相交流电流信号6 路电信号实时 检测 电力系统的电压 电流有效值 有功功率 无功功率 谐波含量等参数都是基于对 三相电信号的分析计算得出的 3 1基于瞬时无功功率理论的电力参数测试模型 3 1 1基于瞬时功率电路无功功率理论的分析 电力系统中很多动态过程的时间很短 往往发生在几个甚至一个周波之内 特别是随 着对电力系统供电质量要求的提高 许多对电力系统的瞬态控制也要求在几个甚至一个周 波内完成 这使得电压和电流的幅值和相位差都可能在一个周波内发生变化 相应地有功 功率和无功功率可能在一个周波内发生变化 这些现象用基于平均值 均方根值 概念的 电压和电流的有效值 有功功率和无功功率是无法描述的 下面介绍基于瞬时电路的无功功率理论 输入任何一端口的瞬时功率p f 等于端口的瞬时电压 f 和瞬时电流f f 的乘积 如 图3 1 所示 有p f f f u t p f f 砸 f o 一r 图3 1 瞬时功率 在正弦稳态的情况下 设正弦电压和电流分别为甜 f 压u s i n c o t t p f f 五s i n c o t t p 其中u 为电压电流的有效值 有 1 6 南京信息工程大学硕士论文 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电力参数测试仪的设计与实现 u 1 3 1 1 1 3 1 1 2 对于图3 一l 所不一端口正弦稳态电压和电流 先将正弦稳态电流分解成两部分 如图 3 2 所示 第一部分电流与正弦稳态电压同相位 第二部分电流与正弦稳态电压正交 即 稚 扬s i n c o t q o f 扫c o s 嘞 耐 吼 一西s i n 9 c o s 耐 吼 式中9 吼一9 f 2 1 c o s q s i n c o t 9 属于电阻性电流 故为有功电流 下面给 出正弦隐态电流的有功电流定义为i p f 2 i c o sc p s i n c o t 吼 2 s i n 妒c o s 耐 吼 属于位移电流和磁场电流的瞬时值 它引起磁场能量和电场能 量随时间的交换 也就是变化的电场产生变化的