【《电能质量分析案例》4500字】

电能质量分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18962电能质量分析案例 1220661.1电能质量标准 178841.2电能质量分析方案 2107521.3短时扰动监测方案 755201.4电能质量分析总流程 81.1电能质量标准不同国家对电能质量关注重点各不相同，对其的要求标准亦各不相同。但是从工程实际应用来看，电能质量的内涵可分为三个方面[36]：电压质量。通过实际与额定电压的偏差，包含幅值、相位、波形等。用来判断供电企业向用户分配电能的合格程度。可能出现的问题有：频率偏差、欠电压、过电压、三相电压不平衡、电压暂降、电压谐波和陷波等。电流质量。对用户所用电流提出的要求，保证系统以高功率运行。电流质量与电压质量直接相关。供电质量。包括技术含义方面和非技术含义方面的定义。前者包括：电压质量和供电可靠性，后者主要包括：供电企业应对电力用户投诉的处理情况和电价。为了保证电力系统的安全性、可靠性和用户的用电利益。从以上三个工程角度出发，我国出台了相关电能质量的国家标准，表3.2列出了部分与光伏发电系统相关的国标及摘要。表3.SEQ表_3.\*ARABIC2部分光伏系统相关的电能质量国家标准Tab3.2Somenationalpowerqualitystandardsrelatedtophotovoltaicsystem国标编号国标名称内容摘要GB/T12325-2008供电电压偏差1.正负偏差绝对值之和不超过10%2.三相供电为±7%3.单相供电为+7%和-10%GB/T12326-2008电压变动各级电网低频度电压变动限值频度r（次/h）电压变动的相对百分值dLV,MVHV4332.521.51.251注：标称电压等级划分标准为低压（LV）中压（MV）高压（HV）GB/T14549-1993公用电网谐波各级电网谐波电压限值（%）电压（kV）THD奇次偶次0.3854.02.06、1043.21.635、6632.41.2110/22021.60.8GB/T15543-2008三相电压不平衡正常允许，短时不超过GB/T15945-2008系统频率偏差正常允许，根据系统容量可以放宽到1.2电能质量分析方案为了获得高质量电能，依据相关国标开展电能质量监测和分析，然后实施相应改善和治理，这已成为一种必然趋势。实际工作中开展电能质量分析的基本环节有四个：信号去噪、信号特征提取、信号扰动分类，扰动参数估计。其中信号特征提取环节是电能质量波动是否存在和扰动分类的参考依据，因此最为关键。而信号去噪方案在3.2节中已经详细介绍，本节主要讨论剩余三个环节。接下来本文将用快速傅里叶变换（FFT），用来研究信号特征量的提取。傅里叶变换（FT）是常用的信号特征提取方法，它可以实现信号在时域和频域间的相互转换，该转换是一种具备线性形式的积分变换，属于整体性变换，适用于时域和频域均连续的连续非周期信号。但是计算机只能处理离散的数字信号，因此连续时域信号须通过时域采样进行离散化，这一过程被称为离散时间傅立叶变换（DFDT），DFDT虽然可以把时域离散，但是处理后的信号的频域依旧是连续的，不便于数字运算存储，还是无法应用于计算机分析。针对FT和DFDT在计算机分析中难以应用的问题，离散傅里叶变换（DFT）被提出，DFT是在DFDT的基础上对信号进行频率域采样并截取主值区间，相当于把信号的傅里叶变换进行频率间隔采样，因此DFT可实现信号的时域和频域离散化。但是在实际应用中，DFT计算量过大，无法得到有效使用，而快速傅里叶变换（FFT）则有效的解决了这一问题并FFT是DFT的快速算法，它通过时间抽取或者频率抽取的方法，不断地将长序列的FFT变换为短序列的FFT，实现DFT的快速计算。在电力系统电能质量分析领域中，FFT应用广泛，可利用FFT通过对电网周期非正弦信号（如电网电压、电流）进行采样，转化成离散形式的傅里叶级数，经近似计算，求出基波和各次谐波的幅值和相位，继续计算，得到电压电流有效值、频率、功率等电能质量参数[37]。为消除可能出现的频谱混叠现象，本文仿真模型采样频率设置为10kHz。下面具体介绍利用FFT进行的电能质量分析方案。（1）电压变动电压变动广义上指“电压均方根值一系列的变动或连续的改变”，其主要由供电系统中非线性和冲击性负荷引起，是电力系统中较为常见的电能质量问题，近些年由于用户端非线性、冲击性负荷比重越来越大，引起的问题愈发严重。具体危害表现在：高自动化程度的工艺产品出现质量问题、影响电机寿命和产品质量、使电子仪器设备工作异常等。根据GB／T12326-2008，电压变动指供电电压在持续1s以上的两个相邻周期的电压均方根值Ut1、Ut2之间的差值[38]。国标规定，电压由小到大或由大到小的变化各算一次变动；同一方向的若干次变动，若变动间隔时间小于30ms，亦算一次变动。在电能质量标准中，电压变动的相对百分值du通常用标称电压UN的相对百分数来表示，即： (3.6)在国标中，r为电压变动频度，指单位时间内电压变动的次数。不同的电网电压等级，针对不同程度的电压变动，要求的变动频度从1-1000（次/时）不等，具体数据可见前文表3.2。图3.SEQ图\*ARABIC\s17电压变动分析流程图Fig3.7Flowchartofvoltagevariationanalysis电压变动判别算法主要通过采样计算，比较相邻两个周期内电压有效值的变化分析电压变动情况，从某时刻t开始，首先计算[t，t+T]时间内电压信号有效值并以标准电压有效值为基准进行归一化，记为Ut1，同理，在[t+T,t+2T]时间内计算归一化电压Ut2，再利用式(3.6)计算du，通过对du落在区间[1%,2%],(2%,3%]，(3%,4%]，及4%以上的情况进行统计，便可获得系统电压变动的情况分析，当统计过程累计达到一个小时后，即可获得国标要求的各幅度下电压变动频度的结果，电压变动分析流程图见图3.7。（2）谐波分析任何一个周期信号都可以进行傅立叶级数分解，分解成由基本的正弦波的变换和叠加，在这组正弦波中，频率为基波频率大于1的整数倍的分量，就称为谐波。谐波一般是设备或者负荷非线性特性导致的波形畸变所产生的。谐波直接危害设备正常运行，甚至会对电网安全可靠运行产生很大影响。工程中常使用总谐波畸变率（THD）衡量电能质量中谐波问题的严重程度，THD定义为所有谐波均方根值的平方和的方均值与基波均方根值的百分比，反映了因谐波引起的畸变波形相对正弦基波的畸变程度[39]，以电压为例，THD计算公式如下： (3.7)式中为基波均方根值，为h次谐波均方根值。对于任意一个未知的电能信号来说，可为其谐波参量的分析计算编写一个新算法。根据GB／T14549-1993中谐波测量分析相关要求：谐波测量时间间隔不大于两分钟，测量次数一般不少于30次，分析谐波次数一般为2到19次。据此，拟定新算法以5个周波为1个谐波分析窗口，连续计算30次，取算术平均值为最终分析结果。谐波分析算法整体上基于FFT分析，根据国标中对谐波分析的计算要求，首先将采样电压序列按时间顺序分为30组，每5个电压周波进行1次FFT计算，先计算电压基波有效值，再依次统计2-19次基波倍频谐波成分的含量，获得THD值，并将30次计算的THD结果取平均值，作为谐波分析的结果，算法的实现过程可以用图3.8所示流程图表示。图3.SEQ图\*ARABIC\s18谐波参量分析流程图Fig3.8Flowchartofharmonicparameteranalysis（3）电压偏差电压偏差指实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值[40]，以百分数表示，其危害有以下几个方面：电压偏差将影响用电设备的正常运行，致使用电设备运行效率降低，可能引起诸如照明设备寿命降低、电动机绕组烧损、自动化控制装置的误动等问题，致使用电设备运行性能恶化，产品质量下降，在用户方面甚至引起生产线程序紊乱等严重危害经济运行的后果；此外，电压偏差可能影响电网安全稳定，如加快电容器、电动机、变压器等绝缘老化，造成电力设备损耗增大、使用年限降低等危害。并且，当低电压运行时，输电线路功率储备降低，容易产生不稳定现象，对电力系统存在一定威胁。低电压运行时电力系统有功无功损耗会大大增加，导致供电成本大幅升高。电能质量的实时监测需要包含统计电压偏差情况。根据GB／T12325-2008，获得电压有效值的基本测量时间窗口应为10周波，且各个相邻的测量时间窗口接近而不重叠，连续测量并计算电压有效值的平均值，最终计算出电压偏差值，其计算公式为： (3.8)连续正弦电压有效值公式如下： (3.9)由于在实际情况下，信号采集均为离散信号因此式(3.9)并不适用，则离散电压有效值即均方根值的公式如下： (3.10)式中k为单位时间内的采样点数，i为采样序列编号0<i≤k，ui为时间i处的电压值，电压偏差的算法设计为：将离散电压数值序列分成三段，根据公式（3.10）进行三次有效值的计算，最后求出三次有效值的平均值做结果，与系统标称电压220V通过式(3.8)进行电压偏差的计算，流程图如图3.9。图3.SEQ图\*ARABIC\s19电压偏差计算流程图Fig3.9Flowchartofvoltagedeviationcalculation1.3短时扰动监测方案使用FFT提取出的信号特征频谱反映了分析时段上的整体信息，但无法反映局部特性，如信号的突变信息，以及有关频率成分的时间局部化信息。因此，傅里叶变换较适合于分析平稳性信号，如电压的波动和闪变、谐波、三相不平衡等。即傅里叶变换主要用于分析变化相对缓慢、持续时间较长的电能质量问题。针对快速傅里叶分析难以识别的部分短时扰动，本文使用小波分析中的模极大值原理进行暂态扰动的监测，下面将介绍小波分析模极大值的原理及在短时扰动检测上的具体应用。在电能质量分析中，电压凹陷、电压突起、电压中断等短时电能质量扰动亦是不可忽视的部分。本文采用小波分析的模极大值原理对这类短时扰动进行检测，具体可表述为：对于某一函数，若该函数的某点存在间断或者某阶导数不连续则称这个点位该函数的奇异点，而短时扰动引起的电压波形局部突变则具有奇异点的特征，若小波变换在更小的尺度上不存在局部极大值，那么在该邻域内不可能有奇异点，通过这些奇异点可以检测出电压或电流信号中的短时扰动。被测信号被小波分解后，在不同尺度层，能量集中在信号突变处的少数小波系数上，因此，像电压过压欠压等短时扰动的起始时刻均对应奇异点。模极大值原理可轻易检测暂态、突变信号发生突变的时刻。以模极大值原理作为检测方法，对短时电能质量扰动和长期电能质量波动进行区别，即信号扰动分类的判别，最后展开扰动参数估计，下面介绍其具体原理。模极大值的定义为：设Wf（）为原信号在点（）处的小波变换结果，该点满足： （3.7）则称点（）为局部极值点；同时在尺度f下，若在的某一领域内，均有，则称（）为小波变化模极大值点。由小波分析中的模极大值定义可以看出，（）在左右领域局部最大。可以根据模极大值点（）来定位函数的奇异点，在扰动信号发生与结束时刻，波形会出现微小的突变，小波变换可利用模极大值原理将其放大并显示出来，进而检测出信号变点，定位扰动信号的发生与结束时刻，最后实现扰动时刻定位。其具体检测流程如下：对信号小波分解，得出小波变化第一层高频系数d1；求出的模平均值，记；求出的模最大值，记；比较与，若满足，则认为突变点出现，即扰动发生；扰动起止时刻为d1模极大值对应的时刻。以模极大值原理作为检测方法，对短时电能质量扰动和长期电能质量波动进行区别然后分类判别，是电能质量分析流程中必不可少的判别。1.4电能质量分析总流程综合前几节所介绍的电能质量分析原理及具体应用，包括信号采样与小波去噪预处理、基于模极大值进行的信号短时突变检测方案以及基于FFT的信号电能质量分析，可以得出本文所提出的电能质量分析方案总流程如图3.10所示，其具体流程为通过霍尔传感器或互感器采样所得的电能信号（如电压、电流等）上传至采样调理电路，在该电路中信