（模式识别与智能系统专业论文）铝电解整流供电网谐波监测与故障预警系统的研究.pdf

中南大学硕士论文 摘要 摘要 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统 中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重，谐波问题引起 人们越来越充分的关注。铝电解整流供电网谐波监测与故障预警系 统在铝电解生产和电网安全运行中起着重要的作用，它可以监视电 网谐波的变化趋势，给操作人员以提示，从而降低电网事故率。 论文首先介绍了电力系统谐波的基本概念、谐波产生的原因及 其主要危害。然后以某铝业公司整流供电网为研究对象，详细说明 了供电网的结构和参数，分析了其主要谐波源整流装置产生谐波的 机理，由此分析其谐波特性。研究了电力系统元件的谐波模型，建 立了整流供电网等效电路由此得出谐波阻抗曲线，并对整流供电网 发生串联谐振和并联谐振的可能性进行了详细分析。对整流供电网 谐波含有率变化趋势预警模型进行研究，提高了电网预警的准确度。 最后提出了谐波监测与故障预警系统总体设计方案。 在此研究基础上，在w m d o w s2 0 0 0 操作系统中采用d e l p h i 7 0 软件开发工具进行软件编制，实现了电网参数设定、谐振预警、三 相不平衡预警、谐波含有率变化趋势预警等功能，并给出了相应的 程序框图，阐述了数据库设计技术、a d o 技术、多线程技术及通信 技术在系统中的应用，给出了部分功能模块的实现代码和界面。最 后对现场调试过程中遇到的问题进行分析。本系统设计思想和方法 对其它电网预警系统设计具有参考价值。 关键词：铝电解整流供电网，电力系统谐波，谐波监测，故障预警 中南大学硕士论文 a b s t r a o t 晰mt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep 0 、盯e l e e 打o m et e c h n o l o g ya n d v a r i o u sp a w 盯e l e e t r o m ed e v i c e sa p p l i e dw i d e l yi np o w e rs y s t e m , d a m a g e r e s u l tf r o mh a r m o m ei sm o r ea n dm o r es e r i o u s p e o p l ep a ym o r ea n dm o r e a 曲e n t i o nt oh a r m o m ep r o b l e m s 1 1 1 cb r e a k d o w np r e w a r n i n gs y s t e mf o r a l u m i n u me l e e t r o l y z a f i o nr e c t i f y i n ge l e c t r i cn e t w o r kp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ci ns e e u r i 够o p e r a t i o n s , w h i c hc a nm o m t o rt h ec h a n g et e n d e n c yo f h a r m o m et or e d u c c 位r a t eo f t r o u b l eb yw a r n i n gm e o p e r a t o 瑙 t h eb a s i ce o n c e p t i o l l ，t h ec a l l s ca n dm a mh a r mo fh a r m o m ea r e m t r o d u e e di nt h i s p a p e rf i r s f l y t ot a k ea l u m i n u md e e t r o l y z a f i o n r e c t i f y i n ge l e c t r i cn e t w o r ki ns o m ec o ，l t d 也co b j e c to fs t u d y , a n di t s s t n a e t u r ea n dp a r a m 嘲i sd a b o r a t e d , a n dm e ni tw e r ea n a l y s e dm a tt l l e m e c h a n i s ma n de h a r a 阳o fh a r m o m cp r o d u c e db yt h em a i nh a r m o m e s o 删f i e a t i o nd e v i c e i th a ss c tu pt l l ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp o w 盯 s u p p l yn e t w o r ko fr e c t i f i c a t i o nb yt l l e h a r m o m cm o d e lo ft 1 1 ep o w 盯 s y s t e mc o m p o n e n ta n dd r a w nm eh a r m o m ci m p e d a n c ec i 】t r c e t h e p o s s i b i l i 够o fe m c r g e n e eo ft h el e s o n a l l c es e r i e sc o n n e c t i o na n dp a r a l l e l c o n n e c t i o nt 0t h er e e t i f i e a f i o np o w e f s u p p l yn e t w o r k h a sb e e na n a l y s e di n d e t a i l i th a si m p r o v e dt h el l c c u l a c yo fp o w e rs u p p l yn e t w o r kp r e w a m i n g 诮ms t u d y i n gm ee a r l yw a r n i n gm o d e lo fc h a n g et e n d e n c yo fh a r m o m c c o n t a i n i n gr a t eo fp o w e fs u p p l yn e t w o r l 【o fr e c t i f i c a t i o n f i a n a l l yt h e o v e r a l ld e s i g ns c h e m ei sf o r m u l a t e d o nm eb 勰i so ft h i sr e s e a r e h i th a sd e v e l o p e d t h es o f t w 鲫es y s t e m b a s e do nw i n d o w s2 0 0 0o sw i m d e l p h i7 0 ，a n dr e a l i z e ds o m em o d u l e s s u c h 勰t h ep a r a m 嗽o f 龇p o w e rs u p p l yn e t w o r ks e t t i n gm o d u l e ， l r e s o n a n e , ep r e w a m i n gm o d u l e , t h r e ep h a s e si m b a l a n c ep r e w a m i n g ，c h a n g t e n d e n c yo fh a r m o m ec o n t a i n i n gm t ep r e w a m i n g ，e t c ，a n dp r o v i d e dt l l e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a md i a g r a m t h et e c h n i q u eo f 廿1 ed a t a b l e , a d o , m u l t h r e a da n dc o m m u n i c a t i o ni nt h es y s t e mi se l a b o r a t e d , a n d 廿1 cc o d e s a n di n t e r f a c e so f 翻w l 他f t m e t i o nm o d u l ea 碥p r o d d e d t h eq u e s t i o ni nm e f i e l dd e b u gi sa n a l y z e df h l a l l y t h i sd e s i g ni d e aa n dm e t h o d sa r cw o r t ho f f e f e r r i n gt om ee a r l yw a r n i n gs y s t e m0 f o m e rp o w e rs u p p l yn e t w o r k 中南大学硕士论文 k e yw o r d s ：a l u m i n u me l e c t r o l y z a t i o nr e c t i f y i n ge l e c t r i cn e t w o r k , h a r m o m ci np o w e rs y s t e m , p o w e rs y s t e m s ，h a r m o m cm o m i t o r i n g ， b r e a k d o w np r e w a m i n g h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：毖 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：垄塾盔导师签名避日期：2 孕年 月卫日 中南大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 “谐波”一词起源于声学，有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠 定了良好的基础。电力系统中的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起 了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形 畸变【1 1 到了2 0 世纪5 0 6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关 变流器引起电力系统谐波问题的大量论文1 2 1 ，e w k i m b a r k 在其著作中对此进行 了总结。2 0 世纪7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子器 件研制成功，变流装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波 所造成的危害也日趋严重，谐波问题引起人们越来越充分的关注。 1 1 电力系统谐波 1 谐波的基本概念 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。如正弦电 压可表示为 u ( o = d 2 u s i n ( 耐+ ( 1 1 ) 式中u 电压有效值； 口初相角； 脚角频率。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比 例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上 时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也 变为非正弦波。对于周期为t = 2 ：r a ，的非正弦电压( 甜) ，一般满足狄里赫利条 件，可以分解为傅立叶级数【3 1 u ( c o t ) = 口o + ( 口。0 0 5 以科+ 6 s i n n a t ) ( 1 - 2 ) 式中 a0 ：去e 。“t ) d ( e a t ( 国f ) 2 瓦j o “ 【国) 口。= 弘( 国f ) c o sn c a t d ( c a f ) 中南大学硕士论文第一章绪论 e ”h ( c o f ) s i n 以a n d ( c o r ) o = 1 , 2 ，3 ，) 或 ”( 甜) = 口o + qs i n ( n a , t + 口o ) ( 1 - 3 ) 式中，q 、死和4 。、6 | 的关系为 乞= 4 ：+ 醪 纯= a r c t g ( a 。吒) a = qs i n v 7 吒= q c o s 赐 在式( 1 - 2 ) 或式( 1 - 3 ) 的傅立叶级数中，频率为i t 的分量称为基波，频 率为大于1 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的 整数比。以上公式及定义均以非正弦周期电压波形为例，对于非正弦周期电流波 形也完全适用，把式中u ( a x ) 转成f ( 耐) 即可。 从以上介绍可以看出，谐波是一个周期电气量中频率大于1 整数倍基波频率 的正弦波分量，由于谐波频率高于基波频率，因此谐波也称为高次谐波。谐波次 数撑为非整数时的正弦分量称为次谐波( s u b h a r m o n i c ) 或间谐波 ( i n t e r - h a r m o n i c ) 1 4 。 此外，暂态现象和谐波是不同的，在进行傅立叶级数变换时，要求被变换的 波形必须是稳定的周期性波形 5 1 。实际供用电系统的负载总是变化的，因此其电 压、电流波形也是不断变化的，进行分析时，只要被分析波形能稳定持续一段时 间，就可以应用傅立叶级数变换。暂态现象在供用电系统中总是经常发生的，有 时也会对供电系统和用户带来不利影响，在采用现代谐波抑制装置时，对这种暂 态现象的不利影响也可以起到一定的抑制作用。 2 谐波产生的原因 谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备或负载的非线性，即所加电压与 产生电流不成线性正比关系而造成波形畸变。当系统的正弦波形电压加在非线性 负载上时，产生的电流为非正弦波形，波形的畸变即产生了谐波。向公用电网注 入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。 电网中的主要谐波源可分为两大类嘲；一类是含半导体非线性元件的谐波 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 源，另一类是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、变流器、 p w m 变频器、相控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，后者如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯和发电机、变压器及铁磁谐振设备 等。 一谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非 线性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能量，并将其中一部分工频能 转换为各次谐波能量向系统馈送的过程。由此可见，高次谐波是电力系统的一种 “污染”据国外的经验，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发 电设备容量增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 3 谐波的危害 谐波电流和电压对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的用电环境恶 化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设备广泛 应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波 污染还不够严重，没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅 速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断 发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的 危害大致有以下几个方面【_ 7 咽： ( 1 ) 产生附加损耗，增加设备温升与基波电流相比，尽管谐波电流的比例 不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁心的电气设备中，铁心的 磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加了电力系统的损耗外，还使 设备温升增加，尤其局部发热的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。 ( 2 ) 恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较 高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提 高。当电压畸变波形出现尖顶波时，还增大了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。 ( 3 ) 可能引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉 动转矩可能使电机发生振动，当电机的机械系统的自然频率在受到上述转矩的激 发而可能引起共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。 ( 4 ) 谐波产生干扰会导致继电保护、自动控制装置和计算机误动作。这些保护 和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形而设计 的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者 导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 6 ) 影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差。 3 中南大学硕士论文 第一章绪论 对用电设备其他的影响。如电视机图象质量变差，机内元件加热等。 当然，谐波危害的程度将因谐波量的大小以及设备的其它条件的不同而不 同，但危害是客观存在的。 4 谐波监测系统国内外研究的现状 谐波监测装置的研制和开发的关键在于谐波快速分析算法的研究及硬件系 统的设计。谐波分析方法主要有以下四种： ( 1 ) 傅立叶分析法【3 鲫】 傅立叶分析法是当今应用最多、最广泛的一种方法。实质是把连续时间信号 的一个周期t 等分成n 个点，在等分点进行采样而得到一系列离散时问信号， 然后采用离散傅立叶( d f t ) 或快速傅立叶( f f t ) 的方法进行谐波分析，最终 得出谐波电流( 压) 。 优点：测量谐波的精度较高，功能较多，使用方便。 缺点：要求有严格的同步采样和等间隔采样，否则将会出现栅栏效应和频谱 泄漏现象，从而影响检测的准确性。 ( 2 ) 瞬时无功功率理论分析法 3 e l 这种方法通过准确分离基波分量来提取谐波分量。它在计算中忽略了零序分 量，电网发生故障时计算值与实际值有很大偏差，且基波电流计算精度受低通滤 波器限制。 优点：实时性好，抗干扰能力强。 缺点：一般只能得到总的畸变电流值，若要得到各次谐波值，必须进行分离 有局限性。 ( 3 ) 小波变换分析法【3 9 l 小波变换是一种新型的数学理论，电网谐波是由各种频率成分合成的信号， 在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下，可以充分发挥小波变换的优 势。 优点：能很好地检测出谐波谐波中的基波信号，并且有较快的跟踪速度。 缺点：小波理论的主要问题是要减小因频域分析造成的误差，必须设法改造 一个分频严格，能量集中的小波级数，这种理想的小波级数很难获得。 ( 4 ) 基于自适应对消理论的单神经元分析法 4 0 4 2 神经元的学习规则采用最小均方( l m s ) 【4 3 1 算法，利用误差反馈信号础) 来调整权值w i ( t ) ( 其中1 3 ) ，电流l ( l 1 0 ) 。 玑、，。分别为一次谐波电流。深圳中电公司产品为集散形式，现场仪表负责数 据采集，通过串1 ：3 将数据送到主计算机，谐波分析计算在计算机上进行，该产品 是针对电厂和变电站数据采集系统而设计的。 1 2 课题来源及研究意义 该课题来源于“河南中孚实业股份有限公司3 0 0 k a 级铝电解槽生产综合节 能技术开发”项目。 目前，河南中孚实业股份有限公司为铝电解整流供电系统配套了6 台均为 1 2 脉波的大功率整流装置，总容量接近2 0 0 m w ，运行时产生大量的特征谐波和 部分非特征谐波。为了抑制电网谐波公司为每台整流装置配套5 、7 、1 1 次谐波 无源滤波装置，对降低公司电网谐波污染起到了一定的作用。然而由于供电系统 实际负荷的不均衡性、无源滤波装置的局限性及电网谐波的随机性等原因，整流 供电系统因谐波导致的隐患仍然存在。 虽然谐波问题已经逐渐引起关注，由于受谐波分析算法和硬件等制约因素， 使得国内外对谐波测量和分析的研制与所要达到的要求还有一定的差距。论文从 中孚公司的实际情况出发，研制一台高精度、数据容量大，集多回路在线检测、 分析、显示、预测和报警于一体的谐波监测装置。 电力系统中的电容器，如无功补偿器，它们与系统其它部分组合，在某种频率 下，可能造成系统的局部谐振。这些谐振可能是串联谐振，也可能是并联谐振。 谐振会使并联电容补偿装置中的电容器和串联的电抗器产生谐振过电流、过电 压，致使电容器等电气设备异常发热，加快电气设备绝缘老化，经过一段时期的 5 中南大学硕士论文 第一章绪论 积累，促使电容器和电抗器损坏，影响电网的供电安全，还有可能引起跳闸【埘。 因此有必要研究电网的故障预警技术。 在谐波故障预警方面，国内外研究很少。研究电网的故障预警技术是一种创 新。建立精确的谐波模型是研究谐波故障预警的前提，也是研究谐波故障预警的 难点。 1 3 论文的主要研究内容和结构 论文分析了中孚公司铝电解整流供电网的谐波源特性及谐波污染水平，根据 现场情况制定了系统设计方案，并开发了谐波监测与故障预警系统。 论文首先介绍电力谐波的基本概念，谐波产生的原因及危害等，说明了谐波 监测的研究现状以及课题来源。 第二章介绍中孚公司铝电解整流供电网基本情况，分析主要谐波源谐波特 性，研究了电力系统谐波模型和故障预警模型。 第三章阐述系统总体设计方案，初步确定系统硬件和软件架构。 第四章介绍故障预警系统的软件具体实现，包括软件开发平台、软件总体框 架、软件系统开发过程应用的技术、主要功能模块的设计和现场调试经验。 第五章是本文的最后一章，对论文进行总结，提出今后改进的方案和研究方 向。 6 中南大学硕士论文 第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 针对电力系统谐波引起谐振的随机性和隐蔽性，有必要对电力系统元件谐波 模型和潜伏性故障预警模型进行研究，以达到提高工业安全生产，降低事故率的 目的 2 1 铝电解整流供电网基本情况 某铝厂整流所供电系统如图2 1 所示：总共有4 条进线，分别是：1 1 0 k v 电网 进线i 和、厂内l 群和2 搏发电机组供电线路。4 条进线经过变压器变为1 1 0 k v 电 压通过断路器接入东母线和西母线。采用双母线供电方式，一般是西母给整流机 组和两台动力变压器供电正常运行时6 台整流机组投入运行；当一台机组检修 时，其它5 台仍能满足电解生产需要。每个机组有2 台整流变压器，其中一台一次 侧为星形曲折接法，另外一台一次侧为三角形曲折接法，二次侧也有两个三相 绕组，都采用三角形接法，但绕向相反，每台整流变压器接两个反并联整流桥， 6 台机组网侧分别移相士1 2 5 0 、士7 5 。、士2 5 。，每台机组之间移相5 0 ，因此6 台运行 时输出7 2 脉动的直流电流。 东 西 北 图2 - l 铝电解整流供电网结构简图 铝电解整流供电系统主要参数： 母线电压：1 1 0 k v ，母线公共连接点最小短路容量：1 6 2 8 m v a ，厂发电机组 容量：1 3 5 m wx 2 台，总的有功功率：1 8 2 8 m w ，总的无功功率：4 0 9 m w ， 7 中南大学硕士论文 第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 直流母线电压：5 1 2 v ，直流母线电流：3 2 0 k a 。 主要设备参数： ( 1 ) 有载调压变压器 有载调压变压器型号：z h s p t f 1 0 5 3 0 0 1 1 0 ，共6 台，额定容量为1 0 5 3 m v a 1 0 5 3 m v a 2 8 m v a ，额定电压为1 1 0 k v 1 1 0 k v 3 0 k v ，有载调压变压器出厂负 载损耗及短路试验数据如表2 2 ( 按额定容量折算到7 5 摄氏度) ： 表2 - 2 有栽调压变压器出厂测试数据 档位11 83 65 4 7 2 9 0而芝 空载损耗呻) 2 8 52 0 7 23 7 9 95 2 9 42 7 9 6 1 1 2 2 51 8 9 6 阻抗电压比( 呦 1 9 81 4 71 8 41 5 81 0 10 2 50 5 2 ( 2 ) 整流变压器变压器 整流变压器变压器1 2 台，额定容量：s 2 e = 1 0 8 8 8 2 k v a ，网侧额定电压： u 2 e = 1 0 8 7 8 1 v ，阀侧额定电压1 0 9 9 v ，短路损耗：p i - 7 6 1 1 4 k w ，阻抗电压百 分值：、红1 0 4 5 。 ( 3 ) 电容补偿与滤波装置 六台整流机组中都有5 次、7 次、1 1 次电容补偿与滤波装置各一套，单套滤 波装置额定工作电压3 0 k v ，额定频率5 0 h z 。 ( 4 ) 饱和电抗器 饱和电抗器的调压深度x u = 6 0 v ，电流为i = 2 1 7 k a 。 2 2 谐波分析 从整流供电网结构分析，主要的谐波源是整流装置，当然变压器也会产生少 量的以3 次为主的奇次谐波，相对于整流装置的谐波忽略不计。另外还要考虑 1 1 0 k v 电网传递过来的背景谐波的影响。 1 整流装置移相工作原理 整流装置由六台整流机组组成，每个机组两台整流变压器并联运行，其中的 一台一次侧用星形曲折接法，另一台的一次侧采用延边三角形接法，其二次侧同 名端线电压相差3 0 。，这样构成1 2 脉动整流单元，每台整流机组包含一组这 8 中南大学硕士论文第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 样的整流单元，6 台机组网侧分别移相士1 2 5 。、4 - 7 5 0 、士2 5 0 ，每台机组之间移相 5 0 ，每台机组之间产生5 0 角差，意味着每隔5 。就有一个桥臂的整流元件切换导通， 整套整流装置产生7 2 脉波直流电压输出。因此6 台整流机组运行时输出7 2 脉动 的直流电流，电网特征谐波为7 2 k + _ l ( k = - i ，2 ，3 ) ，但由于六台整流机组参数 并不完全一致，还会产生3 ，5 ，7 ，1 1 ，1 3 等奇次非特征谐波。 2 十二相桥式整流装置谐波特性 十二相桥式整流电路拓扑结构如图2 - 3 所示【i u 。忽略交流器漏抗，认为电抗 器电感为无穷大，设三绕组变压器匝数之比为1 ：l 3 。设变压器网侧线电流为i a ， 其值等于阀侧y 形和形联结绕组折算到网侧的电流屯与f j 之和【1 2 1 。设i 桥触 发角为啦，桥触发角为，则触发角差a t r = 嘞一喁。当强= 啦，a a = 0 时， 则图2 3 电路工作模式为1 2 脉动相整流电路，网侧电流见图2 叫a ) 。 a b c i l 4 - i n a 图2 - 3 十二相桥式整流装置主电路 屯= 垒堡l f 咖耐二三5 s i n s 甜一号s i n 7 耐+ 击s 诅l 甜+ 击s i n l 3 耐) ( 2 1 ) 也= 筝厶触耐+ 1 5 s i n 5 甜+ 1 7s i n 7 翻t + 土1 1 s 诅1 1 耐+ 击s i n l 3 聊+ ( 2 - 2 ) 故合成的网侧电流为； “= “+ 乜= 4 压万l d ( s i n a g + 击咖1 1 耐+ 吉咖1 3 甜+ ) ( 2 - 3 ) 9 中南大学硕士论文 第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 由式( 2 3 ) 可得电流基波和各次谐波有效值分别为 f ( 2 4 ) 七= 1 , 2 , 3 ，) j 当i 桥和桥晶闸管触发角不同时，特征谐波将有所变化，为了分析触发角 不同时对谐波的影响，设一个桥的触发角固定，另一个桥的触发角处在连续的变 化或某一个固定角，但两桥触发角不相等。这里设q = 0 ，在0 1 8 0 。范围内 任意变化，对应的网侧电流如图2 - 3 ( b ) 所示从图2 - 4 彻波形中可以看出，屯傅 立叶级数 仁k r仁k r 表达式与式( 2 。2 ) 一致，但f i u 的波形在相位上较图2 - 3 ( a ) 波形滞后了口，则 乜：坐厶【咖( 耐一a o + - 。1s i n s ( 耐一动+ l ，s i n 7 ( a x - a 曲+ 万 57 ( 2 5 ) l s i n l l ( c o t 一彩+ l s i n l 3 ( m t 一动+ 】 、 111 3 j = 二蒜2 二：二蠹2 卜回对n 7 ( 甜一锄】+ 击蛐蚣+ s i n l 一酬+ 去阻姒+ 8 i n l 弛一硼+ ” 1 0 l l 虬参孓 = = = l 中南大学硕士论文第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 通过式( 2 - 6 ) 可以看出，5 、7 、1 7 、1 9 、次谐波依然存在，它的基波和 各次谐波的幅值均与a a 有关【1 3 1 3 变压器产生的谐波 变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路【。在不计磁滞及铁芯未 饱和时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后它就是非线性的，即外加电压是纯正 弦波时电流也要发生畸变。且饱和程度愈深，电流波形的畸变愈严重 忽略磁滞并不计漏磁的空载变压器，当外加电压为正弦波= x 2 u s i n o o t 时， 由端电压和铁芯磁通之间关系得： ”：旷坐 ( 2 7 ) 出 式中矽为线圈匝数，为交变的主磁通。于是 s i n ( 一争( 2 - s ) 而螂2一 即外加电压为正弦时，磁通也是正弦的，只是相位滞后电压昙。若铁芯为线 性的，则其电流也是正弦的，当铁芯饱和变为非线性后，电流就会发生畸变。一 般可将铁芯磁化曲线近似表示为1 5 】 i = a l + 6 l 矿( 2 - 9 ) 则有 i f f i a # s i n ( c a 一要) + 6 i 形s i n 3 ( c a 一争 = ( q 九+ 3 b # ：) s i n 1 3 ，偶次 3 测量谐波的方法与数据处理 测量谐波的方法必须根据快、慢变化不同的谐波源而选择不同的测量间隔。 为了区别暂态现象和谐波，根据国际大电网会议3 6 _ _ 0 5 工作组建议【3 1 1 ，每次测 量结果应为3 秒内所测值的平均值。其计算式： u 丽 ( 2 3 9 ) 式中：【矗r - 3 秒内第k 次测得的 次谐波的均方根值； 辨3 秒内均匀间隔的测量次数，刀之6 。 国标g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 p 训要求在进行谐波测量时，应选择在电网正常供电时可 能出现的最小运行方式，且应在谐波工作周期中产生的谐波量大的时段内进行 ( 例如：电弧炼钢炉应在熔化期测量) 。当测量点附近安装有电容器组时，应在电 容器组的各种运行方式下进行测量。测量的谐波次数一般可取扣1 9 次。由于谐 波的波动性，宜用概率选值，为了实用方便，在国标中规定用9 5 概率大值”。 对于波动谐波源，规定实测值不少于3 0 个，是使测量平均数的分布接近于正态 分布所需的最低样本数。对于较稳定的谐波源，国标规定可选用五个接近的实测 值，取算术平均值。 4 测量结果分析 在生产正常情况下进行测量，共测量1 6 次因为测量负荷变化快，取1 6 次 实测值9 5 概率值最大值即将电流谐波含有率总值按由大到小次序排列，舍去1 个最大值( 5 ) ，取剩下测量值中最大值作为判断谐波是否超过国家标准允许值 的依据。 国家标准谐波电流允许值( a ) 按短路容量为1 6 2 8 m v a 进行换算，实测3 次、5 次、7 次、9 次、1 1 次、1 3 次、1 7 次、1 9 次、2 3 次、2 5 次谐波参数如表 中南大学硕士论文第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 2 1 1 和2 1 2 所示。 表2 - 1 1 某时刻捌机组a 相谐波电流实洲值和允许值对照表 表2 - 1 2 某时刻2 劝l 组a 相谐波电压实测值和允许值对照表濮) 从测试结果可知，2 辅l 组电压总谐波畸变率为0 5 2 ，低于国家标准限值2 的水平，奇次谐波含有率均未超标；电流谐波总畸变率为2 5 4 ，低于国家标准 限值4 的水平，其中1 1 次谐波电流含有率和1 3 次谐波电流含有率分别为1 9 和3 4 6 ，超过国家规定的标准。 5 谐波含有率预警模型 整流供电网谐波是由多种频率成分合成的，具有随机性、隐蔽性、变化频 率高等特点，难以建立精确的谐波数学模型，可以利用历史数据来分析谐波含有 率的变化趋势，以提供故障预警的依据，以下以5 次谐波电流含有率为例分析它 的变化趋势。 取n 天内( 包括当天) 的谐波含有率数据进行分析，设谐波采样周期r 秒，求 取每一个小时的平均值，得到5 次谐波电流含有率的小时平均值数列fj ，j 2 ， 厶，j i ，) ( j 小于等于2 4 n ) ，如果 j r j ，2 ，厶，i k ， 是单 调递增的数列，说明5 次谐波电流含有率在天内一直递增并且超过国家标准 允许值，上位机软件给出预警信息，提示5 次滤波器可能出现故障。 中南大学硕士论文 第二章电力系统谐波模型及故障预警模型 2 6 本章小结 本章首先详细的介绍河南某铝铝电解厂整流所供电网结构和电力系统参数， 并分析了电网的主要谐波源十二相桥式整流装置的谐波特性，以及变压器谐波 特性和背景谐波情况。然后，建立电网的等效谐波模型，由此得到电网谐振预警 模型；为了定量描述谐波的污染程度，引入了谐波含量、谐波含有率、谐波畸变 率等概念，介绍了谐波的参量方法和测量标准，国家电网质量标准规定了电网各 次谐波的限制，根据测量数据进行分析，得出了谐波含有率预警模型，根据此模 型可以分析谐波的变化趋势，并给操作人员以提示。 3 1 中南大学硕士论文 第三章谐波监测与故障预警系统总体设计 第三章谐波监测与故障预警系统总体设计 3 1 谐波的监测 1 谐波监测的原理 图3 - 1 所示，谐波监测主要包括信号采集、数据分析、通信接口和用户组成 嗍。 图3 1 谐波监测原理 传感器对采样点的信号进行采集，d s p 对采集的数据进行分析，得出谐波的 重要参数。然后，通过通信接口，把参数传送到用户工作站上，以图表形式显示 数据，保存重要数据，并对电网谐波进行预警分析。 2 谐波测量标准和内容 根据电力系统谐波测量算法和国家标准电能质量公用电网谐波( o b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ) 的要求，进行电力谐波在线检测与故障预警装置的研制。 技术指标要求： ( 1 ) 信号通道：3 个电压、3 个电流同步采样 ( 2 ) 信号范围：交流电压0 1 0 0 v 交流电流4 , - 2 0m a ( 3 ) 谐波次数：3 - 2 5 次 ( 4 ) 测量误差：满足g b t 1 4 5 4 9 - 9 3b 级测量仪为标准 ( 5 ) 工作电源：a c2 2 0 圭2 0 v ( 6 ) 环境温度：0 - - 4 0 谐波测量仪器应具有一定的精度要求及满足系统现场使用的工作条件。国家 标准采用1 9 8 8 年国际电工委员会( i e c ) 文件中规定的最大允许误差，如表3 1 所示。表中以和厶为第弹次谐波电压和谐波电流的测量值，巩和知为仪器电压、 电流的额定输入值。对于每个等级的仪器，电压、电流测量的允许误差，均分为 相对误差和绝对误差两档，例如a 级仪器，当谐波电压和谐波电流分别大于或 等于其额定输入电压和电流的l 和3 时，采用允许的相对误差都为5 ，而当 分别小于l 和3 时，采用允许的绝对误差为仪器额定输入电压、电流的0 0 5 和0 1 5 在表3 - 1 中所给的条件下，同一仪器的绝对允许误差较相对允许误差 中南大学硕士论文第三章谐波监测与故障预警系统总体设计 为大，即对较小谐波测量的测量，允许精度较低。而b 级仪器比a 级仪器对应 的允许误差较大，精度较低。 a 级仪器用于较精度的测量，其频率范围为0 - - , 5 0 0 h z ，仪器的相角测量误差 不大于5 。或l 。b 级仪器供一般性的测量或监测使用，主要用于测量谐波大 小，相对精度不作规定。 表3 - 1 谐波测量仪器的危许误差 仪器的工作条件应该保证其电源在表称电压士1 5 、频率在4 9 5 1 h z 范围 内，电压总谐波畸变率不超过8 的条件下能正常工作，并且有一定的抗电磁干 扰和机械振动能力以及耐久性，便于现场长期使用。 谐波测量内容； ( 1 ) 基波分量及各次谐波分量的幅值和相位； ( 2 ) 第呱萨3 ，5 ，7 ，1 1 ，1 3 ，2 5 ) 次谐波电压( 或电流) 含有率； ( 3 ) 谐波电压( 或电流) 含量； ( 4 ) 电压( 或电流) 总谐波畸变率t h d | ( 5 ) 直流侧电压和电流； ( 6 ) 整流机组视在功率和无功功率； ( 7 ) 基波分量和各次谐波分量的序分量。 3 谐波测量点的选取 根据整流所电网分布特点，第2 # 8 1 , 组的谐波含量较高，谐波测量点选择如 下： ( 1 ) 从2 魍耋流机组的交流电压和电流互感器的测量端子分别引入装置的相 应接口； 中南大学硕士论文第三章谐波监测与故障预警系统总体设计 ( 2 ) 谐波装置放在控制室，显示屏嵌在谐波装置正面，便于观看； ( 3 ) 上位机监控工作站安装在主控室。 4 谐波分析方法 现有谐波检测方法主要有基于模拟滤波器、基于f r y z e 传统功率定义、基于 瞬时无功功率理论、基于傅立叶变换、基于神经网络、基于自适应对消原理和基 于小波分析等谐波监测法嘲。基于神经网络实现对电力谐波的自适应检测与跟 踪，能够同时检测出所有指定阶次的谐波成分和总的谐波电流，可在2 0 m s 以内 完成检测并进入动态跟踪阶段，与傅立叶分析法和瞬时无功功率理论分析法相 比，既适用于对电力谐波进行动态检测，又能实现对各次谐波的高精度检测。 在铝电解谐波监测与故障预警系统中，采用基于自适应对消理论的单神经元 谐波分析算法，提高了检测精度，满足了实时性高的要求。 3 2 总体设计方案 谐波监测与故障预警系统的功能部件及总体结构如图3 - 2 所示，下位机是电 力谐波动态检测系统，它从整流机组的电压互感器p t 和电流互感器c t 分别获 取0 - , 1 0 0 v 电压信号和4 2 0m a 电流信号，经过光电隔离变换器，放大偏置以后， 经过a d 采样，采样频率为1 2 8 k ，一周期采样点数为2 5 6 ，6 路a d 采样，包 括三相电压和电流，输入到3 块d s p ，每块d s p 各负责处理一相电压和电流信 号，另一块d s p 负责把处理后的数据通过c a n 总线发送给上位机。为保证同步 采样，采用锁相环电路。上位机为工控机，安装电力谐波动态检测系统软件，该 软件采用基于自适应滤波理论的单神经元的谐波检测算法【1 2 1 ，对接收到的数据 进行处理，获得3 砣5 次谐波电流、谐波电压、谐波含量、畸变率，总的谐波含 量和总畸变率，基波功率和无功功率，功率因数等多项电网参数并用列表法、棒 状图、趋势图和仪表面板等多种方式实现了在线显示。通信连线示意图如图3 - 3 所示，图o e 0 ) 为电力谐波监测系统机柜，( 2 ) 为电力谐波监测信息液晶显示屏， ( 3 ) 为电力谐波动态监测装置，( 4 ) 为电力谐波信号采集装置，( 5 ) 为上位机，( 6 ) 为 c a n 总线通信插件。 中南大学顼士论文 第三章谐波监测与故障预警系统总体设计 图3 2 系统总体结构图 图3 - 3 系统通信连线示意图 3 。3 系统硬件和软件结构 1 系统硬件结构 ( 1 ) 硬件原理图 图3 - 4 系统硬件原理图 中南大学硕士论文第三章谐波监测与故障预警系统总体设计 以高速数字信号处理芯片1 m s 3 2 0 u 屹4 0 7 为核心，信号处理速度为4 0 m 口s ， 具有强大的指令系统、高速数据处理能力、内在的灵活性和革新结构，能满足高 速数据处理和复杂运算的要求咐】。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有姆下优点： 执行速度快t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器的指令周期为3 3 n s ，有良好的实时控 制性能。 对于不同的存储要求，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 可分别使用f l a s h s a r a m d a r a m r a m 进行存储；可利用i o 口连接1 2 c 接口的串行e 2 p r o m ，片存储 重要的数据。 有很大的扩展空间：6 4 k 程序空间，6 4 k 数据空间，6 4 k i o 空间。 内置有采样、保持功能的a d 转换器，其最小的转换时间为5 0 0 n s ，有1 6 个模拟输入通道，可排序控制，具有多个触发源启动a d 转换，有灵活的中断 控制。 采用l m 系列的霍尔传感器采集信号，测量范围宽( 可达3 2 0 r a ) ，频率特 性好( 采样频率为1 2 8 z ) ，精度高，响应速度快而无饱和现象。 电压互感器( p d 的一次侧对应于负载电压“，所采集的电压信号一路经过 a d 6 2 0 放大偏置以后作为d s p 检测谐波电压的输入信号，另路经斯密特触发 器整形后送锁相控制电路，产生一个与被测电压同步的控制信号，此信号送入 d s p 的外部中断控制端，用于自动调整谐波电流检测算法的计算步长。电流互感 器( c d 的一次侧对应于负载电流j ，其二次侧输出的交流电流通过采样电阻转换 成交流电压形式，经a d 6 2 0 线性放大偏置后作为d s p 检测谐波电流的输入信号。 ( 2 ) 同步时钟电路 为了保证采样的同步性，采用倍频锁相技术【”】，取一相电压信号经比较器 ( l m 3 1 1 ) 输出，跟踪电压频率的方波信号，作为锁相环( c d 4 0 4 6 ) 的输入信号， 同时也可作为频率监测的信号源。方波信号经锁相环( 由c d 4 0 4 6 和计数器 ( c d 4 0 4 0 ) 组成锁相倍频电路) 产生同步信号倍频作为采样保持器( l f 3 9 8 ) 和a d 触发信号，进行整周期采样，采样点数为2 5 6 点。采样完成后由d s p 进行滤波 处理和谐波分析。 ( 3 ) 通信电路 中南大学