基于arm和dsp的电能质量监测仪的研究

摘要摘要电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度已成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及，电能质量已成为电力部门及其用户日益关注的问题，对电能质量监测和分析也具有重要的现实意义。本文主要对电能质量监测分析的相关理论和技术进行了研究，设计了基于DSP和ARM的双CPU电能质量监测仪的硬件系统和软件系统。本文首先对电能质量当前国内外的研究现状进行了分析，对电能质量相关分析方法进行了阐述，提出了电能质量监测仪的设计思路。本文采用双CPU的硬件结构方式，利用ARM管理键盘和显示等人机接口，采用高速数字信号处理器TMS320LF2407作为运算单元，采用专门的14位AD转换芯片来实现高精度的采样，同时利用锁相环电路硬件跟踪电网频率。软件系统方面采用了模块化设计，以便于软件功能的改进和升级。在理论方面也有所研究，以谐波源一六脉动整流桥为研究对象，分析控制角和换相重叠角与谐波电流大小之间的关系，并通过PSCADEMTDC仿真验证理论分析的准确性；对于暂态电能质量扰动采用小波变换进行检测，并通过MATLAB仿真验证检测效果。本文最后对电能质量的实测数据进行分析，指出当前电能质量中存在的问题，并给出了相应的改善措施。对电能质量监测仪进行了误差分析，并结合误差的原因提出了软件校正方法。关键词电能质量，数字信号处理，双CPU系统，小波变换，PSCADEMTDCABSTRACTELECTRICALENERGYISTHEBROADESTUSEDENERGYANDITSAPPLICATIONLEVELHASBECOMEAMAINDEVELOPMENTLEVELSYMBOLOFACOUNTRYWITHTHEDEVELOPMENTANDPOPULARIZATIONOFCOMPUTER,POWERELECTRONICANDINFORMATIONTECHNOLOGY,MOLEANDMOLEATTENTIONSOFPOWERSYSTEMDEPARTMENTSANDCORLSUMERSTURNTOTHEPOWERQUALITYSOITSVERYSIGNIFICANTTOMEASUREANDANALYZETHEPOWERQUALITYTILISPAPERHASTHERESEARCHONTHETHEORYANDTECHNOLOGYOFPOWERQUALITY,ANDDESIGNEDTHEHARDWAREANDSOFTWAREOFDOUBLECPUPOWERQUALITYMONITORBASEDONDSPANDARMCHIPFIRSTLY,THISPAPERANALYZEDTHECURRENTRESEARCHSITUATIONOFPOWERQUALITYHOMEANDABROAD，EXPOUNDEDTHEANALYSISMETHODSRELATEDTOPOWERQUALITY,ANDPUTFORWARDTHEDESIGNTHOUGHTSOILPOWERQUALITYMONITORTHISPAPERADOPTEDDOUBLECPUHARDWARESTRUCTURE，USINGARMTOMANAGETHEMANMACHINEINTERFACES，SUCH弱KEYBOARDANDDISPLAY,USINGDSPCHIPTMS320LF2407ATOTAKECHARGEOFDIGITALSIGNALPROCESSING,USING14BITSADCONVERSIONCHIPTOREALIZEHI911ACCURACYADCONVERSION,ANDUSINGPHASELOCKCDL00PPLLCIRCUITTO仃ACKTHEPOWERNETFREQUENCYTHESOTTWARESYSTEMUSEDMODULEDESIGNMETHODFORFUTUREUPGRADETHEREWEREALSOSEVERALTHEORETICALRESEARCHESSIXPULSEBRIDGE，WHICHISONEOFTHEMAINHARMONICSOILICCS，WASCHOSENASTHERESEARCHOBJECTTHETHEORETICALANALYSISSHOWEDTHELINKBETWEENCONTROLANGLEANDHARMONICCURRENTANDITALSOSHOWEDTHELINKBETWEENCOMMUTATIONOVERLAPANGLEANDHARMONICCURRENTASIMULIATIONMODULEWASFOUNDEDWITHPSCADEMTDCSOFTWARETHESIMULATIONRESULTSWERESIMILARTOTHETHEORETICALANALYSISWAVELETTRANSFORMWASUSEDTOANALYZETHEDISTURBANCESIGNALFINALLY,THEFIELDMEASUREDDATAWASANALYZED，ANDTHEPROBLEMSWHICHEXISTEDINCURRENTPOWERQULITYWEREPOINTEDOUTANDTHECORRESPONDINGSOLUTIONSWEREPRESENTEDTHEERRORANALYSISOFPOWERQULITYMONITORWASDONEINTHEPAPERKEYWORDSPOWERQUALITY,DIGITALSIGNALPROCESSING，DOUBLECPUSYSTEM，WAVELETTRANSFORM,PSCADEN仃DC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11引言第1章绪论21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【LJ。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。12电能质量监测121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。122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PQL06和PQL06II、瑞士LEM公司的PQFIX，瑞典联合电力UNIPOWER公司的UP2210、美国EIG公司的NEXUSL250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L16、瑞士LEM公司的PQ陌1000和PQPTL001、瑞典联合电力UNIPOWER公司的U900F，澳大利亚红相公司的PM30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PQL02、瑞士LEM公司的AN2060和AN3060、美国FLUKE公司的F43和F43B，意大利HT公司的HT9030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，250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POWERQUALITYMONITOR，PQM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14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WEB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DIGITALSIGNALPROCESSING,DSP该方案采用了DSP和PC机的双处理器结构，DSP处理实时任务，PC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PC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CPU的主从式结构，采用了TMS320LF2407和MCU51，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。124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【1，341。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13电能质量分析方法131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【11,12】。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。132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EMTP、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真程序和MATLAB、PSPICE、SABER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EMTPPSCAD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。133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11表示I。匕巩脚1,2，H11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11，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11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12所示的负载节点电压和负载控制变量的函数。LFUU2，C1，巳加1,29OH12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，CL，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11、12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11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EMTP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。134基于变换的方法基于变换的方法主要指FOURIER变换方法、短时FOURIER变换方法和WAVELETTRANSFORM小波变换方法。1FOURIER变换方法FOURIER变换是时域到频域互相转换的工具。从物理意义上讲，FOURIER变换的实质是把FT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FFT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FFT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FFT来进行分析。这是由于FFT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，GABOR利用加窗，提出了短时FOURIER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FOURIER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WAVELETTRANSFORMWT这一新概念是由法国工程师MODETL981年在进行地质数据分析时提出的。1985年，法国数学家MEYER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。1989年，比利时数学家DAUBEEHIES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，MEYER和MALLAT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MALLAT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FFT和STI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FFT、STFT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。FFT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MALLAT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。14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PSCADEMTDC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PSCADEMTDC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MATLAB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21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1200。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【13,14】。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O4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。IEC1000224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。IEEE协调委员会对电能质量POWERQUALITY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。10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。22IEEE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IEEE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21所裂13】。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21IEEE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5NSLMS磁瞬态低频LMIN0OPU长期电压变动欠电压LRAIN08PU旬9PU过电压1RAIN11PU12PU电压不平衡稳态052直流偏移稳态0一01波谐波肛100出稳态020形问歇波06KHZ稳态O2畸变陷波稳态噪声宽带稳态0一1电压波动P2Q孑，它们的差值称为畸变功率DDISTORTIONPOWERDS2一P2Q；219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。253六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18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【234】。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AH0220瓯小TNHCO。D舡昙FKSINHCO。T鲁SM等SM等汜2L，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SINA气TLSIN5A，TT可1SIN7AT扣螂222古SIILL3QF一专SINL7唧一西1SINL9A,F从式222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_1IH6K1，K1，2，3223从式222、223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Y1的换相过程如图21所示。19第2章电能质量指标及其算法研究OO暇一，Z3Z5厂L一聚UC虹SY74Z6Z一图21六脉动整流桥V5向V1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224可得24E万IO一心吃惹出、F6U矿SINCOT6D耐卜等酬刎一詈CK一瓦S【刎一_C考虑到边界条件，COT詈口时，乇O，可确定常数CC堕S口2以因此，导通开关器件中的电流为20224225226227228第2章电能质量指标及其算法研究乞等呐S口COS刎一和229A2瓦一_JZZ9当耐等口7，换相过程结束时NF4磐COSGCOS甜肭2307喇卅洳S口一等6U231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232抻墨等舻百SINHI；。由式232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。2PSCADEMTDC仿真建模分析。瑚2I,LCOMAUSA。、錾姐聋子千咀IUYJ1UUU胛00盟F埏M店日日卯目IBL导日柙I口Y180J鱼；记_U0000们、C0CCICLSC砖毒幸、U例VTVU，一00IH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KF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“25HZ；2闲交的最大觉察频率范围005“35HZ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6一12HZ；4闪变的最大敏感频率；88HZ。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KF。它是在ST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STL觉察单位的88HZ乖弦电压波动值，OTT2荪河琵藕蕊丽厩莎丽丽夏面西两酉喵3B一”7STL觉察单位的频率为啪正弦电压波动值图25视感度频率特性系数的频率特性曲线26第2章电能质量指标及其算法研究图25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23，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88HZ有电压波动值D最小值，查表23可知，对应F88HZ点，正弦调幅波相对电压波动值D025，为最小值，所以有K01。将视感系数的频率特性曲线以列表形式给出见表23，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23视感度ST1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HZMINL正弦波矩形波RF视感度系数05602340051045501071O12014320468304O1751518010800429250O23L2O24008820399220028325300075403712OL03323O360065403521840382354200568034216504404O4800500O33L1500500455400446O31314L05615O600039802911390628556600360026913406946072003280249132076265780030002301300833708400280O21712908937590002660206129094080960025602001270977881056025001961261000951146025401991270984100120002600203127。09621051260027002121270926110130002820222126088711513600296023312608451201440O3120244127080127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TZMIN1正弦波矩形波RF13O156003480275127071814O168003880306126064415O1800043203391260579160192004800375126O52L1702040O530042L126047218O216005840457I2704281902280064004951260391200240007000539127O357210252007600583126032922O264008240613125030323O276008900679125O28124028800962075L1250260250300010420240山实验得到的视感度ST1觉察单位的电压波动数据表23还可描绘出两种波动电压波形与频率的关系曲线，称之为闪变曲线，如图26所示。它提供了很有用的视觉反应难以忍受的门槛值。图26STL觉察单位的电压波动与频率的关系曲线28第2章电能质量指标及其算法研究从图中我们可以很容易看到，视感度ST户1觉察单位的矩形电压波形与频率的关系曲线在正弦电压波动关系曲线的下方在同等条件下，如ST1时，矩形调幅波相对电压波动值D0199，矩形波动值小于正弦波动值。这说明RF户1，即在相同频率下，矩形电压波动非正弦波形比正弦电压波动对闪变的影响更严重。4波形因数RF通过闪变实验人们还发现，周期性或近于周期性的电压变动对照度的影响大，而且不同波形的电压波动引起的闪变反映也是不同的。通过对相同频率的两种不同波形例如，正弦调幅波和矩形调幅波的电压波动做比较，可以计算出波形因数。R篱攥篙篡燃弦36，利用式237，对矩形和正弦调幅波电压做比较可知，以最大敏感频率88HZ为对比起点，当频率R9HZ时，RD约等于常数127。这说明矩形波所含频率为KX9HZ的谐波分量比其基波9HZ对闪变影响要小。263闪变视觉系统数学模型对闪变视觉系统建立数学模型的基本思路是，通过对电压波动的响应特性、人眼的感光反映能力和大脑的记忆存储效应的近似数学描述，从而得到人的视觉系统模型，即所谓闪变的灯一眼一脑反应链传递描述得到。灯一眼脑环节的频率特性KO，可用拉普拉斯复变量S表示成传递函数KS的形式。若以SJ舻硼代入KS，则成为酬，通常多采用幅频特性KLKJI。UIE给出的传递函数表达式为KS插两丽LS哆237式中的系数分别为KI74802，拮2兀405981，EL2NX915494，C022兀X第2章电能质量指标及其算法研究227979，32兀122535，国42兀219。264闪变的评估方法UIEIEC建议在进行闪变监测时，对于运行周期时间较长一类的波动性负荷如电弧炉等一般用短时间闪变值和长时间闪变值两个指标作为闪变严重度的判据，分别用来确定一段时间115MN的闪变强弱和整个工作周期1H7天的闪变严重度。1短时间闪变水平值H在观察期内如其典型值T。衍10MIN，对瞬时闪变视感度S0作递增分级处理标准规定，实际分级应不小于64级，并计算各级瞬间闪变视感水平所占总检测时间长度之比也称为时间水平统计法，可获得概率直方图。进而采用IEC推荐的累积概率函数CPF，即水平分级状态时间计算法，对该段时间的闪变严重度作出评定。图27所示为某一观察时间段，如取LOMIN内等间隔采样时间为百测算到的15000个数据所描述的瞬时闪变视感度ST变化曲线，将该变化曲线分为10级，每级级差为02PU。例如，处于第7级1214PU的时间总和T7TITLT2T3咱T54350X。不难计算出第7级瞬时闪变视感水平所占总检测时间长度之比，即概率分布PK印7TTTX1004350X1500H29。依次对其他9级SO进行统计计算，可得出概率分布直方图，如图28所示。图27将ST分级计时示例30；争扎卜牡怔K卜T0第2章电能质量指标及其算法研究吼I骧；乱5OT口JI。L131I，L。图28ST统计计时概率分布直方图研究表明，对于不同类型的供电电压干扰采用多点测定算法可以更准确地反映闪变的严重程度。实际应用时常用54“概率分布PLC测定值计算出短时间10RAIN闪变平滑估计值P吼，P吼表示检测到的短时间闪变水平严重度。其近似计算公式为PNKOIPO1KLEK3P3KLOPIOK50P50238式中，硒1O0314，KIO0525，K300657，K10028，KSO008。式239中5个测定值PO1、PL、P3、P10、P50分别为10MINP勺瞬时闪变视感度ST超过01、1、3、10和50时间的觉察单位值。当PST13时，则闪变使人感到不舒服。所以，IEC推荐PSTI作为低压供电的闪变限制，称为单位闪变。2长时间闪变水平值PH长时间闪变的统计时间需在1H以上，国标中规定为2H。在2H或更长时间测得并作出的累计概率统计曲线CPF中，将瞬时闪变视感度不超过99概率的短时间闪变值P武用符号P髓，99表示或超过1时间的P吼值用符号PL表示作为长时间闪变水平值PH。在实际处理时，长时间闪变值还可根据具体情况，分别利用4种不同的计算方法来处理1仍利用长时间CPF进行多点计算和分析。2有些专家主张以95概率代替99概率，以放宽对电能质量的要求，使之更符合实际，即E。E。95P52393111FL叶上第2章电能质量指标及其算法研究并利用由大型电弧炉在其供电点的实测数据总结的经验公式作简化计算气95O895或气嗍12SA。一52403对于电弧炉等类型的负荷所引起的闪变，至少需观测一星期才能作出全面评定，在整个闪变观测结束时方能给出P吼和PN两项指标。具体处理时可在每天保留的P吼中取出第3个大值作为PI。值。4UIEIEC推荐的计算式与上述算法不同。它规定对于已顺序测得的N个LOMIN短时间闪变值P髓TK1F1，2，3，N数据，长时间闪变值PH可由这N个P吼。K的立方和求根得到耻雠31争PI3265电压波动与闪变的测量1电压波动的测量241电压波动的测量通常采用以下方式在LMIN棚LJ量各个周波20MS的有效值，然后对上述有效值进行比较相减，取得最大的差值UM戤UNLIN再乘以2，再除以额定电压，即是电压波动值。2闪变的测量采用了V10标准，即把电压波动的调幅波进行FFT分析后，分别乘以相应的视感度系数，化为电压波动调幅波在10HZ时的值。而实际上，人眼对电压波动频率在88HZ时最为敏感，因此IEC标准推荐使用AV88标准，该标准目前已逐渐被国际社会认可，我国目前已对原有的标准进行了修改，使之符合IEC标准，并由此产生相应的检测方法。根据IEC闪变仪使用的平方检测法，其功能设计框图如图29所示2破9】图29IEC闪变仪功能设计框图32，一的评框一变计定一闪统N一第2章电能质量指标及其算法研究框1将输入的被测电压适配成适合仪器的电压数值，并能发生标准的调制波作仪器自检用。框2框4对灯眼脑环节的模拟。框2模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波动中解调出反映电压波动的调幅波。闪变仪要求在相对电压变动为5的范围最为灵敏，解调调制波的幅值变动必须不小于1的范围，其对二倍工频100HZ的衰减须在90DB的数量级。这个衰减作用要用平方检测滤波器和加权滤波器来完成。6阶巴特沃斯低通滤波器的截止频率为35H