（电力电子与电力传动专业论文）智能电力监测仪的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , t h ed e p e n l a b i l i t ya n d s e c u r i t yo f s u p p l y i n gp o w e rn e t w o r ka r er e q u i r e df o rt h ec o n s u m i n gp o w e re q u i p m e n t ， w h i c hn e e d st om o n i t o ra l lk i n d so f o p e r a t i o np a r a m e t e r so f t h ep o w e rn e t w o r ki nr e a l t i m ea n dp r e v e n t st h ep o w e rc o n s u m i n ge q u i p m e n tf a i l u r ec a u s e db yp o w e rs u p p l y q n a l i t ya n dp m d u c 面na c c i d e n ta c c o r d i n gt ot h er u n n i n gq u a l i t yo ft h ed a t aa n a l y s i s p o w e rn e t w o r km e a s u r e d t h es t a n d a r do f t h ep o w e rq u a i l t ym a d ec h i n ah a st h ef o l l o w i n gs e v e r a lr e s p e c t s m a i n l y ：v o l t a g ed e v i a t i o n 。f r e q u e n c yd e v i a t i o n ，h a r m o n yc o n t e n t ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n a n df l i c k e r , u r t e v e ni nv o l t a g et h r e e p h a s e a l lt h e s ef a c t o r sp r o b a b l yc a u s ep o w e r c o n s u m i n ge q u i p m e n tf a i l u r ea n dp r o d u c t i o na c c i d e n t t h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e tt r a n s f o r ma n df l o u r i e rt r a n s f o r mi np o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n ge s p e c i a l l yi n t r o d u c e d t h r o u g ht h ea n a l y s i s o n ed i m e n s i o nw a v e l e t t r a n s f o r mi ns a c c e s s i o n ，t h ed i s p e r s e dw a v e l e tt r a n s f o r ma n dt h et w o - d i m e n s i o n w a v e l e tt r a n s f o r m ，u s i n gw a v e l e tt r a n s f o r mo fm a i l a ta n a l y s e st u r n i n gv o l t a g ei n t o f l i c k e rs i g n a la n dp r o v i d e st h ea r t i f i c i a lp i c t u r e i nt h es a m et i m e ，u s i n gf a s tf l o u r i e r t r a n s f o l x t la n a l y s e sh a r m o n i co f p o w e rs y s t e m o nt h i sb a s i s ，b a s e do nd s pi n t e l l i g e n te l e c t r i cm o n i t o r i n gi n s t r u m e n ti sd e s i g n e d t h i s m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t c a nm o n i t o rp o w e rq u a l i t yo n l i n ea n do a r r y0 1 7 1 c o m m u n i c a t i o nw i t ht h el o c a t i o ng o i n gt om a c h i n e i nt h eh a r d w a r e ，t h er e s p e c tt o p r o v i d es o m ec i r c u i td i a g r a mj sd e s i g n e d ；i nt h es o f l w a r e ，i th a sg a t h e rm o d u l e ，d a t a p r o c e s s i n gm o d u l e ，c a l c u l a t i o nm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei nd a t a ，t h ek e y b o a r d a n dd i s p l a ym o d u l e ，e t c a n t i i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g yi sp r o p o s e di nc h a p t e rf i v e ，w h i c hp o i n t so u tt h a tt h e s o u r c eo f i n t e r f e r e n c ea n dh o w t or e s t r a i ni n t o r f e r i n gm a i n l y , k 呵w o r d s ：p o w e rq u a l i t y , d s p , w a v e l e tt r a n s f o r m ，f l o u r i e rt r a n s f o r m 第一章绪论 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，各行各业对电力系统供电质量的要求越来越 高。同时，电力系统的污染现象也日趋严重，特别是干扰性负荷，如各种电力整 流设备、电弧炉、大容量调速电机、电气化铁路、无功补偿等电力电子装置或非 线性设备不断地“涌入”电力系统，使电力系统的电能质量受到了严重的影响和 威胁，使公用电网供电质量日益恶化，甚至发生因谐波干扰而引发的安全事故， 严重地威胁着电力系统的安全和经济运行。为保护电力系统安全和用户的用电安 全，迫切需要对电能质量进行监测和控制，以提供整改方案、加强防范措施、限 制强干扰源( 如谐波源) ，从而保护电力系统的安全、可靠、经济运行，并保护 电力用户的合法权益n 。 1 1 电能质量 电能是种特殊商品，既具有以商品形式向用户出售的性质，又具有为千百 万用户服务的公用事业性质。电能的特点是不能储存，丽且是发、供、用电同时 完成，并由用电的多少来决定发电与供电的多少。因此，对用户连续不断供电是 电能质量的一个重要标志。 电能质量是指这样一种电磁现象，它们标志着在电力系统中给定时间和给定 地点的电压、电流特征。泛泛地说，电能质量就是要使电力传输线的电压波形为 正弦波，并保持在额定幅值和额定频率下。 1 2 电能质量的现象与危害 电能质量下降主要体现在电网频率与电压幅值相对于标准值的偏差、电压电 流的周期性畸变、电压的闪变、电压电流的三相不平衡等方面，电能质量的下降 已经在世界范围内引起了广泛的重视。以下将给出各种现象的定义，然后说明它 们的危害。 1 2 1 各种现象的定义 为了准确的分析各种电能质量问题的现象，参照i e e e s t d i l 0 0 1 9 9 2 叫，各 主要现象定义如下： 电压闪变( f l i c k e r ) ：输入电压的波动持续时间足以影响到电灯亮度，使之 可以被人肉眼观察到。 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) ：电网频率的增加或减少。频率变动的持 续时间可从几个周期到几个小时。 电压电流谐波畸变( h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ：相对于纯粹正弦波的畸变。如 图卜l 所示。 第一章绪论 图卜1电压电流谐波畸变示意图 电力中断( i n t e r r u p t i o n ) ：在一段时间内电压小于0 1u ，持续时间在0 5 周波到3 s 之间为瞬时中断( m o m e n t a r yi n t e r r u p t i o n ) ，3 s 到i m i n 之间为短时 中断( t e m p o r a r yi n t e r r u p t i o n ) ，其余为持续中断。电力中断如图卜2 所示。 洲- 蛾嘈洲 图卜2 电力中断示意图 电压缺口( n o t c h ) ：由于开关( 或其它) 对正常电压波形产生扰动，持续时 间小于半个周期，如图i - 3 所示。 2 第一章绪论 有效值为( 1 卜1 2 ) u 。 1 2 2 各种电能质量现象产生的根源 经过人们的测量与分析，对于各种现象的根源有了较深入的认识，以下主要 分析谐波、闪变和电压偏差的来源。 ( 1 ) 谐波污染的产生 谐波主要来源为电力电子换流器，但由于原有电力系统元件的非线性也会产 生少量谐波”。下面分析工程中的各种谐波： 同步发电机：同步发电机产生的谐波电动势是由于转子和定子之间空气隙 中的磁场非正弦分布所引起的。发电机每对磁极下气隙中的磁场不可能完全按正 弦分布，而这是由磁极的结构所决定的。因此电动势中必然含有谐波分量。根据 i e c 的规定，发电机端电压的波形畸变率不得大于5 ，因此，通常可以认为发电 机的电动势是正弦波形而忽略其谐波分量。 变压器( 包括铁心电抗器) ：变压器的励磁回路具有非线性电感，因此励 磁电流是非正弦波形。在额定负载下，励磁电流只占总电流的5 左右，电流波 形接近正弦波，波形畸变可以忽略。而在空载时，非正弦的励磁电流在变压嚣原 边绕组的漏感上产生压降，使变压器感应电动势上包含谐波分量。变压器空载合 闸时，常常会出现很大的励磁涌流，其大小取决于铁心材料、剩磁大小和合闸初 相角。在严重的情况下，涌流波形强烈畸变，不但幅值可高达数十倍的额定空载 电流，而且正负半周的波形极不对称。 电力电子变流装置：在电力系统内部的典型代表为高压直流输电中的晶闸 管换流阀( 包括整流阀和逆变阀) ，由于直流输电中常用的脉动数为6 或1 2 ，因 此直流侧存在有6 k 或1 2 k 次的谐波电压，而交流侧产生6 k l 或1 2 k 土1 次谐波 电流。这些谐波成为换流阀的特征谐波，是整流设备产生波形畸变的主要成分。 除此之外的其他谐波，即非特征谐波，则是由于诸如三相电压不平衡、晶闸管触 发脉冲时序不严格对称等原因造成的。 随着国家工业化水平的不断提高和家用电器的普及，各种电力电子装置进入 了电力系统。这些设备大至电气化机车，电解槽，小至电视机，计算机充电器与 节能灯等，这些大大小小的谐波源都给电力系统造成了谐波污染。即便供给它们 理想的正弦波电压，流过它们的电流也含有谐波成分。由于谐波的含量取决于装 置本身的特性和工作状况，基本上与电力系统的参数无关，因此可看作谐波恒流 源。而实际上，由于电力系统，尤其是低压配电网的容量有限，谐波电流注入电 力系统后，在系统内阻上造成的谐波压降，使电力系统中各点电压产生畸变。 其它非线性负载，主要为冶炼用的电弧炉，由于在冶炼阶段它的电流基本 为随机变化，因此产生大量整数次谐波与间谐波( 其频率为基波频率的非整数 倍) 。 谐波问题之所以成为电能质量主要问题之一，一方面由于谐波源的增加，另 方面也是与电容对于谐波的放大作用分不开的。这是因为电力系统中的元件大 多为感性元件，故系统阻抗呈感性，这样即使在各级电压的变电所中装设了补偿 电容器，并考虑了高压输电线的电容后，系统的基波阻抗也呈感性。但是，由于 系统为电容与电感元件并联或串联的电路，因此，在不同的频率下，将会呈现不 同的阻抗性质和数值，有时使注入系统的谐波电流加大，在某些次数的谐波下还 第一章绪论 可能发生谐振，使系统的电压、电流波形畸变得更为严重，影响系统的正常运行。 系统的谐波谐振最主要的是由并联补偿电容器引起的。谐波谐振与放大的发生， 反过来恶化了电容器的运行状况，因为加载电容器上的谐波电压被放大后，进入 电容器的谐波电流也会增大，因而可能引起电容器由于过载而损坏，同时由于畸 变电压的尖峰值超过了局部放电熄灭电压，引起持续的局部闪络或电晕发生，最 终导致电容器损坏，有资料表明，由于谐波使电容器损坏的比例约占4 0 以上， 有的电容器的寿命甚至只有几个月。 ( 2 ) 电压闪变的产生根源 随机非线性用电设备，如现代炼钢用的电弧炉，并不同于电力电子变流器， 因为它的电流乃至于电压是随机变化的”1 ，从理论上是无法只用整数倍谐波表示 的，必须包含大量的间谐波成分，这就成了电压闪变的产生根源。 ( 3 ) 电压偏移的产生 电压中断依据持续时间长短可分为长时间( 3 m i n ) 和短时间( 3 m i n ) ， 依据性质又可分为预先安排的和突发的。对于因电网建设、检修等预先计划的电 压中断，供电部门可事先通知用户，用户可通过调整生产计划使其损失降到最少。 对于偶然的突发事故引起的电压中断则使用户的生产被迫中断，造成严重的经济 损失。 电压下凹通常是由供电系统的短路故障或用户内部的短路故障引起的，是不 可预测的随机事件。如雷击和绝缘子污闪( 污秽闪络，对架空电力线路而言，就 是由绝缘子表面上逐渐沉积的一些污秽物质而引起的。在干燥的条件下，这些污 秽物质往往对运行的危害并不显著，但在一定湿度条件下，这些污秽物质溶解在 水分子中，形成电解质的覆盖膜，或是有导电性质的化学气体包围着绝缘子，绝 缘子的绝缘性能大大降低，致使表面泄漏电流增加，当泄漏电流达到一定数值时， 导致闪络事故发生。) 引起系统短路，保护迅速将其切除，而后又自动重合闸成 功，这样就会引起1 次电压下凹过程。即使是某用户发生内部短路故障也会影响 到其他用户。 1 2 3 电能质量各现象的危害 首先，由于以电力电子器件为核心的换流器的大量采用，使谐波“污染”成 为了电能质量研究的主要方面之一，其危害主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 影响电网和供电一次设备的安全运行。 对旋转电机产生有害影响，主要表现为产生附加损耗和转矩。危害的严 重性与谐波电压、谐波电流以及旋转电机的型式和结构有关。例如：在感应电动 机的定子绕组中所引正序谐波电流都将产生正方向的电磁转矩，有助于转子的旋 转，而负序谐波电流的作用恰好相反，对汽轮发电机的振荡力矩可能激起汽轮发 电机复杂的耦合振荡，使转子元件发生扭力振荡并使汽轮机叶片屈曲。 谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力 增大。而谐波电流使变压器的铜耗增加，普通变压器在严重的谐波负荷下往往会 产生局部过热，噪声增大等现象。 除了谐波电压使电容器产生额外的功率损耗外，谐波还造成电容器与电网 其它部分之间产生谐波谐振。当电网系统参数存在不利配合和有足够强的谐波源 时，串联或并联谐波谐振问题就必然存在，发生危险的过电压、过电流，引起熔 断器熔丝熔断或使电容器损坏，将会严重损坏一次设备而导致系统事故的发生。 4 第一章绪论 前苏联曾对两条同时敷设在相似环境温度下的电缆进行试验，其中一条在 基波电压下运行，另一条在电压总畸变为6 9 卜8 5 ( 主要为5 、7 次谐波) ，经 2 5 年运行后。后者的泄漏电流平均高出3 6 ，而3 5 年后则高出4 3 ，由此可 见，谐波对电力电缆的损坏程度也是相当大的。 谐波电压引起的电压波形畸变会影响线路正常运行，当谐波电压与基波电 压波峰重合时，可能使线路的电晕问题变得严重；而谐波电流流过输电线路时， 因集肤效应使输电线路的附加损耗增大。 谐波电流较大时将使断路器关断能力降低，这是因为当电流有效值相同 时，波形畸变严重的电流与基波电流相比，在电流过零点处d i d r 可能较大，在 严重的谐波电流时，一些断路器磁吹线圈不能正常工作。 同时，谐波源注入系统的谐波，将会引起系统各类继电保护和自动装置误动 或拒动，例如：发电机的负序电流保护、主变压器的复合电压起动过电流保护、 母线的差动保护、线路的各型距离保护和高频保护、故障录波器、自动准同期装 置以及音频负荷控制装置等。 谐波对计量仪表也会产生影响，例如：感应式电度表对谐波频率有负的频率 误差特性，电度表对谐波消耗的功率计量是不足的，在谐波源的情况下，电度表 记录的是基波电能扣除一小部分谐波电能。因此谐波源虽然污染了电网，反倒少 缴电费；在畸变电源供线彤负荷时，电度表记录的是基波电能及部分谐波电能。 因此用户不但多缴电费，而且受到损害。 谐波还会干扰通信系统、降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至 损坏通信设备。谐波对通信线路干扰的物理机制主要体现在电容耦合、电磁感应、 电气传导三个方面。 ( 2 ) 其余现象的危害不容忽视。 三相电压不平衡( 即存在负序分量) 会引起电机附加震动力矩和发热。对于 额定功率的电动机，如负序电压含量为4 ，由于发热，其绝缘寿命缩短约一半。 如果某相电压高于额定值，则其寿命缩短更严重。一些保护会因负序和谐波的干 扰而发生误动作。 电压与频率偏差主要受无功和有功平衡的影响。由于负荷的波动，会造成电 压与频率的偏差。当此偏差超出一定范围，就会对用户以及电力系统造成损害。 另一方面，电压跌落对用户的影响更为显著。电压下凹对于那些电压敏感的 用户的危害较大，如半导体制造业、造纸、纤维抽丝、板材加工、注塑压模生产 线等。对于电压下凹较为敏感的设备有可编程控制器、变频调速电机( a s d ) 、计 算机和接触器等。在生产自动化程度日益普及的今天，电压下凹对于流水线的生 产方式产生了极大的威胁。纺织厂由a s d 驱动的主要设备，如发生1 次电压降至 8 0 额定电压和持续时间为6 个周期的电压下凹，其损失相当于电压中断2 小时 造成的生产停顿损失。 电压的快速波动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且 还影响一些产品的质量，并引起照明的“闪变”，使人眼疲劳而降低功效等等。 第一章绪论 1 3 电能质量的标准 1 3 1 我国电能质量的标准 我国关于电能质量的指标主要有以下五个方面： 电压偏差，参见电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) ； 频率偏差，参见电能质量电力系统频率允许偏差( g b t 1 5 9 4 5 9 5 ) ； 谐波含量，参见电能质量公共电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - - 9 3 ) ； 电压波动和闪动，参见电能质量供电电压允许波动闪变( g b l 2 3 2 6 - - 9 0 ) ： 三相电压不平衡“1 ，参见电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 一1 9 9 5 ) 。 这些指标是电能质量的技术性指标，是从供电是否合格的角度提出的。 l 。3 2i e e e 关于电能质量的标准 i e e e 关于电能质量的标准主要有： 1 i e e es t d5 1 9 一1 9 9 2 2 i e e es t dl1 5 9 一1 9 9 5 ， 3 i e e es t d11 0 0 一1 9 9 2 ， 在本文在对主要电能质量现象进行分析的时，常用到以下参数，其含义如下 瞬时( i n s t a n t a n e o u s ) ：从0 ，5 3 0 个周波的时间。 间谐波( i n t e r h a r m o n i c ) ：频率不是电力系统频率整数倍的谐波分量。 短时( m o m e n t a r y ) ：从3 0 周波一3 s 的时间。 持续( s u s t a i n e d ) ；较长时间的描述语，例如大于i m i n 。 畸变因数( d i s t o r t i o n f a c t o r ) ：所有谐波的平方和与基波平方的比值。与 常用的总谐波畸变( t h d ) 相当。 缺口深度( n o t c hd e p t h ) ：相对于正弦电压波形的平均电压缺口深度。 电话影响因数( t i f ，t e l e p h o n ei n f l u e n c ef a c t o r ) ：对于电路中的电压或 电流信号，基波与各次谐波的加权均方根的平方和开根号于整个波形的均方根值 的比。 1 3 3i e c 标准 1 9 8 9 年，欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准。1 9 9 2 年7 月欧洲电工 标准化委员会( c e n e l e c ) 正式颁布公用配电系统供电特性文件( c e n e l e c b t t f 6 8 6 ( s e s ) 1 5 ) 9 ，作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准，并已为国际电 工委员会( 1 e o 采用。标准共分为5 大类1 3 个标准，详情请参见文献“1 0 。 6 第一章绪论 1 4 电能质量监测的国内外发展的现状及其意义 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题的监测方式和要求也 不尽相同。迄今为止，国内外对电能质量的监测方式可概括为连续监测、定期或 不定期检测和专门测量三种方式“。 1 4 1 连续监测 连续监测也称为在线监测或日常监测“2 ”1 。按电能质量标准的规定和要求， 需要进行连续监测的内容有电压偏差和频率偏差，以及大型干扰源、危害较大或 容易引发事故的有关电能质量指标，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器 组的谐波电流、易受干扰的大型设备或线路的谐波电流以及重要用户的电能质量 指标。 1 4 2 定期或不定期检测 对于普通干扰源的监测，根据干扰的大小、危害程度、以及需要等，选择采 取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查。定期普查 是每隔一定时间( 如2 3 年) 对全网进行普查测试”“，全面了解和掌握全网的 电能质量水平或干扰源的特性。定期普查的检测点和检测指标由普查需要确定， 但应包括连续监测的内容。对于一些特殊情况根据电能质量管理的需要，也可采 取不定期检测方式。 定期或不定期检测一般采用专门仪器、设备到现场进行测试，测试之后根据 测试结果提出测量和分析报告。 1 4 3 专门测量 专门测量是指对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、 滤波器等接入电网前后，比较这些设备投入前后对电网电能质量水平及影响进行 的测量，以决定其能否正式投入运行。对于可能产生的各种干扰设备，如果投入 电网之后产生的干扰超过标准，则不允许该设各投入运行。 然而，随着电力用户对电能质量要求的逐步提高，以及供电系统中干扰现象 日益增加，电能质量日常监测在电能质量监督管理中的作用越来越重要。如果说 检测能从微观上、某一个时间点上说明电能质量存在的间题，那么日常监测无疑 从宏观上、一个时间段内说明了电能质量的整体状况。 采用电能质量日常检测的重要意义为： ( 1 ) 电能质量日常监测是获取电力系统运行状况和电能质量水平的重要手段。 为了全面准确地反应地区电力系统的运行状况和电能质量水平，选择有代表性的 监测点并对其进行日常监测是最好的方法之。通过这种手段，不但能够获取系 统内一些重要节点和重要出线的电能质量参数，而且可以由这些重要节点和出线 的电能质量数据得出整个系统的基本电能质量水平。同时，由于电能质量监测是 第一章绪论 一个持续的时间量，它不但可以反映当前时间的系统电能质量状况，而且可以得 到系统历史时间内的电能质量状况。因此，对电能质量进行日常监测，现在己成 为国外许多电力公司的共同做法。如美国电力研究院( e p r i ) 为了了解全国配电 系统的电能质量状况，在1 9 9 2 年开始设计了专门监控仪器( b m l 8 0 1 0p q n o d e ) c 1 5 ，建立了监测系统用于对全国2 4 个电力公司的配电系统电能质量进行监测， 研究计划的主要目标是提供有关属地总体范畴内电能质量参数的基本统计数据。 ( 2 ) 日常监测可为辅助决策提供必要的参考依据。电能质量日常监测数据里含 有丰富的信息，通过对这些数据的分析统计便可以得到供决策用的参考依据。一 个正确的决策来自于对实际情况的真实调查，由于电能质量监测数据是对实际系 统长时间监测的结果，所以它比理论推测更具有说服力。依据它所做出的决策也 更接近实际情况、更具可行性。例如，某变电站出线向一小型炼钢厂供电，在变 电站母线上引起了较严重的谐波污染，通过对该条出线进行连续监测并分析得到 的监测结果，提出了具有针对性的治理方案。 ( 3 ) 电能质量日常监测能及时全程跟踪线路或设备的运行状况，将问题的事后 解决变为事先预防。电力系统是一个实时运行的系统，保证其可靠稳定运行是各 级电力部门应尽的责任。然而，由于电力系统是一个复杂庞大的系统，虽然各级 电力部门都在努力提高运行管理的水平，但仍存在着一些安全隐患。电能质量监 测的重要意义就在于通过连续收集、记录、存储电能质量的信息，在供配电系统 和用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，以便在事故发生之前，提 醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。 【4 ) 电力系统不可避免地会发生各种各样的事故，在对其进行事故分析时，往 往由于缺少发生事故时的原始数据而找不到引发事故的真正原因，从而也难以找 到有效的预防方法。电力系统的运行时时存在着隐患，如果在发生事故后不能尽 快分析出事故的原因所在，那么不但现有事故的损失无法弥补，而且系统还有时 爆发相同事故的可能性。加强电能质量的监测，则可通过对所监测历史信息的分 析找出事故症结的所在，从而避免类似事故的再次发生。 以上论述了电能质量日常监测的重要意义。虽然传统的供电方案中包含有对 电能质量的监铡，如对p c c ( 公共连接点) 电压、频率等的监测：近年兴起的变 电站综合自动化技术甚至将保护控制和部分电能质量的监测集成到了一起。然 而，传统的电能质量监测方法和手段仍然无法满足供、用电双方对电能质量更高 的监测要求。 随着供电紧张局面的逐步缓解，无论是发、供电部门还是普通的电力用户， 对电能质量问题已逐步重视起来，这为进一步开展电能质量监测工作提供了良好 的环境。另外，随着计算机技术和芯片制造技术的进步，数字装置必备的芯片， 如a d 、微处理器等，都提供了很好的性价比。基于数字信号处理方式且具有 很高精度的监测装置的价格已在承受范围之内。鉴于此，研究数字式并能实时监 测国标所规定五项电能质量装置的条件己经非常成熟了。 1 5 本文研究的主要内容 为了采取合理的措施提高电能质量，首先必须建立电能质量监测与分析系 统，对其进行正确的检测、评估和分类。本文首先介绍了电能质量的现象及理论， 对各种电能质量扰动的分类、定义、特征及其电能质量管理体系。其次对小波变 换和傅立叶变换这两种方法的基本原理及其在电能质量分析领域的应用现状作 8 第一章绪论 了深入的探讨和比较，阐明了各种方法的特点及其适应条件；进而，从实时监测 的角度出发，提出了一种基于小波变换的方法，应用于监测电压闪变信号，主要 包括以下几个方面： 确定电压闪变的数学模型。 对信号进行多分辨率分解和子带滤波。 用小波变换多分辨率信号分解方法，将包络信号中分离出不同频段的信 号。 本文在借鉴了许多现有设备的功能和特性的基础上，利用数字信号处理技 术，设计开发了电力监测仪。 本文将具有快速定点运算能力的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 用于电力 系统的监测装置研制中，充分利用d s p 强大的运算能力，采用先进的软件编程技 术开发一种智能型电力监测仪。 设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计给出了各部分电路图。软件设计采 用模块化设计，包括初始化模块、中断服务模块、数据采集模块、通信模块、显 示模块等。 9 第二章电能质量的分析方法 第二章电能质量的分析方法 随着电能质量问题的日益严重以及广大用户对电能质量要求的不断提高，建 立电能质量监测与分析系统，对其进行正确的检测、评估和分类就显得十分必要。 为了获得有关电能质量的信息，往往需要对三相电压、三相电流、中线电流和中 线对地电压等信号进行测量与储存，它们构成了电能质量分析的数据源。由于这 些数据必须以足够高的采样速率进行采样并储存，而且又必须长期在线进行，所 以每年存储的数据量相当大。为了充分合理地利用这些数据，可以采用某种基于 变换的方法将时域信息映射到频域，或者将时、频域信息结合起来进行电能质量 分析。近年来，在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有傅立叶 变换法、小波变换法和短时傅立叶变换法。本章将针对这几种变换域方法中的前 两种进行详细阐述。 2 1 采样定理 首先让我们看一下模拟信号x ( t ) 经过等时间间隔采样后信号的频谱复制特 性。采样后信号x ( f ) 可以表示为： ! x ( o = x ( ，) 芝：a ( t n t ) = x o ) j o ) ( 2 1 ) 我们可以把这个过程看作是基带信号x ( t ) 对载波信号s ( t ) 的调制，进而产 生了频率转移。具体分析如下，将s ( t ) 展开成f o u r i e r 级数，即以各次谐波的 线性组合表示： 则， s ( r ) = 妻一”r ) = i 1 妻e 2 械 ( 2 2 ) n _ 一 1 m o 妊) 跏搬归；奎e 2 栅 ( 2 _ 3 ) 根据f o u r i e r 变换的频移特性，如果x ( t ) 的f o u r i e r 变换为x ( f ) ，则 x ( t ) e 2 删。的f o u r i e r 变换为x ( f 一五) 。对( 2 - - 1 ) 式两边同时进行f o u r i e r 变 换，则得，x i f ) = 专x ( f 一娥) ，如图2 1 所示： 由此，我们可以看出，信号x ( t ) 经过采样后，其频谱是原信号频谱的周期性 重复，而相邻重复体的中心频率偏移为六。如果六选择不当，相邻重复体之间 就会重叠，实际上就造成了信号采样后信息失真。f 的选择要根据采样定理来 进行。 1 0 第二章电能质量的分析方法 竺! 三夕 一 x ( f 一六) 罴飘锄狲缀缀。 x ( 厂+ 工) x ( 厂) 一 ：0 一 s 图2 一l采样后信号的频谱重复特性 设模拟信号x ( t ) ，其等间隔采样序列为x ( n t ) 。如果x ( n t ) 能够正确( 即信 息无损失) 的表示信号x ( t ) ，则必须满足如下的条件： 1 模拟信号x ( t ) 必须是有限带宽的，也就是说它的频谱必须被限定在最高 频率范围内，记为厶。，即x ( t ) 中没有大于厶。的频率分量。 2 采样频率t 必须大于等于信号x ( t ) 中最大频率，m 。的两倍，即，f 2 兀。 f 2 被称为n y q u i s t 频率。 2 2 交流电气量的测量 交流电气量测量，通常是指电压、电流、功率、平均值、有效值等的测量。 交流电压u ( t ) 和电流i ( t ) 是这些电气量测量的基础。对被测电压u ( t ) 信号 进行采集，将所获得的被测信号u ( t ) 的时间序列变成u ( n ) ，n = l ，2 ，n 被测电压电流的有效值的表达式为“： u = 被测电压电流的平均值的表达式为： ；= 吾0 出 -0 按离散形式进行计算，则 磊= 专扣， i = ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ；：吉兰和) ( 2 _ 7 ) v 抽i 对于周期性信号，其有功功率的表达式为 p = l ! u o ( t ) i o ( t ) d t + 。c r ，。，击+ 。c r ，c r ，西 c z s ， 按离散的形式进行计算，则 i _ 擎 触 雁。 一- l r 第一二章电能质量的分析方法 肚专善。巾蹦卅州n ) i a 卅姒m ) ) ( 2 - 9 ) 无功功率采用三瓦计法，得 q = ( u 。l ) 2 一巧+ ( u 。，。) 2 一霹+ ( u 。，如) 2 一覃 ( 2 1 0 ) 视在功率 s = u ，+ u e 口+ u ( 丘 ( 2 1 1 ) 功率因数 五= p s( 2 1 2 ) 式中：u ( n ) ，i ( n ) 被测电压1 2 ( t ) 和电流i ( t ) 的采样后的时间序列， r l = 1 ，2 ，n ： n 一个周期内的采样点数； 2 3 傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ) 2 3 1 傅立变换的基本概念 设f ( t ) 在全实轴r 上是以2 为周期的函数，f ( t + 2 ) = f ( t ) ，且在( o ，2 n ) 上平方可积， 2 $、“ 1 去炒1 2 破j 一( 2 - i 。， 其中，i f ( t ) 1 2 = 厂( r ) 而。 在全实轴上以2 为周期且在( 0 ，2 ) 上平方可积函数全体组成的空间记 为l 2 ( 0 ，2 万) 。对于厂( r ) l 2 ( 0 ，2 z ) ，f ( t ) 的傅立叶级数为 其中常数q 定义为 ，o ) = c k e 。 ( 2 1 4 ) q = 去“出( 2 - 1 5 ) 对于厂( f ) 上2 ( o ，2 露) ，它的傅立升交换定义为 f ( 国) = 卜1 “f ( t ) d t ( 2 1 6 ) 而f ( ) 的逆傅立叶交换定义为 第二章电能质量的分析方法 邝) = 去 “f ) 如 在全实轴r 上的傅立叶变换定义为 f ( 甜) = p 1 “f ( t ) d t f ( u ) 的逆傅立叶变换定义为 弛) = 去p 蜘 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 傅立叶变换是时域到频域互相转化的工具。从物理意义上讲，傅立叶变换的 实质是把f ( t ) 这个波形分解成许多不同频率的正弦波的迭加和。因此，我们就 可以把对原函数f ( t ) 的研究转化为对其权系数，即其傅立叶变换f ( t ) 的研究。 从傅立叶变换中可以看出，这些标准基是由正弦波及其高次谐波组成的，因此它 在频域内是局部化的。 2 3 2 离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 为了计算傅立叶变换，需要用数值积分，即取f ( t ) 在r 上的离散点上的值来 计算积分。在实际应用中，我们希望在计算机上实现信号的频谱分析和其它方面 的处理工作，所以要求信号在时域和频域应该是离散的，而且都是有限长的。下 面给出离散傅立叶变换( d f t ) 的定义。 给定实的或复的序列f o ，工，厶一， 称序列 g o l n - i ，设该序列绝对可和，即满足k 1 a o ， = o - 1 仇p g n = 以9 1 百 n = 0 , 1 ，n 一1( 2 2 0 ) 为序列仇) 的离散傅立叶变换定义为 五= 专势等 丑舻( 2 - 2 1 ) 为序列 q 的逆离散傅立叶变换定义为 瓯：芝 。一j 等：窆 ( 蝶) t ( 2 - 2 2 ) k = 0i - 0 2 口 其中= 9 1 i ，共需要n 2 次乘法，对于一个n ，有n 次乘法，又 ”= o ，l ，n 一1 ，所以共有2 次乘法。 第二章电能质量的分析方法 2 3 3 快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 快速傅立叶变换( f f t ) 是离散傅立叶变换( d f t ) 经过适当安排后的快速算 法，用以满足工程技术及科学研究上的需要。其原理是“7 “3 ： 1 利用。的周期性，注意这里= e 。“= l ，如果n 是n 的整数倍 n = t 州，煲 曙= 形孑“= ( n ) 4 = 1 “= l ； 2 利用指数运算。由暇“= 昭暇把一个复杂的运算分成几个简单的 运算就可以节省时间。 f f t 的采样点数由运算过程决定，通常为 ，= 2 ”，此时n 和k 用整数的二进 制写法如下： 玎= 玎一1 2 ”一1 + 即m 一2 2 “一2 + k = k 。一1 2 一1 + t 。一2 2 ”2 + 其中n ，和t 取0 或l 。 记 g ( 卅_ i ， + 啊2 ：+ 1 7 0( 2 2 3 ) + k 1 2 1 + k o k l , k 筹o ( 2 - 2 4 ) 利用( 孵“) 。= 1 ，则 g 一确，= 参羔膳e 。：( k m k o = 0一咿2 “) 咿“+ 峨) g ( l - ，) = - 1 ，一，) 声2 ”l 蝶2 ”2 + 峨1 i “【_ - l = oj ， f l ( n o ，k ，k o ) 睇k 。”2 。“ ( 2 2 6 ) k 一2 t o 其中 ， z ( ，七，：，k o ) = ，似。，腑。”1 ( 2 2 7 ) k l - o 注意到计算f l ( n o ，k m 。，c o ) 需要2 ”1 次乘法。继续如上分解，则 z ( n o ，n 1 ，门，_ l ，k _ f _ 1 ，- ，k l ，k o ) = z l ( ，以- 2 ，k m 。，) 妒- i 2 t - i + + n 0 ) ” ( 2 2 8 ) 1 一，；o ，= 1 , 2 ，m 最后 ：( 甩o ，玎i ，一，n m - i ) = g ( n m - i 聆。一2 ，n 0 ) ( 2 2 9 ) 由于每计算一个石需要2 ”1 次乘法，所以共用掰。2 “次乘法。较之d f t 的： 次乘法，运算量大为减少。 1 4 芝怒 一一 一一 瓯 时这 k 八。 ，一 ，忡，啪 | i 岫 ， | i 第二章电能质量的分析方法 这种以二为底的快速算法称为基2f f t ，最早由j w c o o l e y 和j w t u k e y l 9 6 5 年提出。基2 f f t 的计算程序一般包括采样序列的二迸制编码序号倒序排列和蝶 形递推运算两个部分，自c o o l - t u k e y 的算法提出之后，新的算法不断涌现。总 的来说，这几十年中快速傅立叶变换的发展方向有两个：一是针对n 等于2 的整 数次幂的算法，如基2 算法、基4 算法、实因子算法和分裂基算法等；二是n 不等于2 的整数次幂的算法，它是以w i n o g r a d 为代表的一类算法( 例如素因子 算法、w i n o g r a d 算法等) 。 2 3 4 利用快速傅立叶变换求基波频率 一个具有各次谐波的周期函数可表示为： x ( t ) = a ，s i n ( 2 z f + 以) ( 2 3 0 ) 式中，为第i 次谐波频率，a 、竹分别为第i 次谐波幅值及相角，m 为最 高谐波次数。 信号在满足香农采样定理的条件下以采样频率工对其进行采样。当对信号采 样频率不是基波频率的整数倍时，基波信号的频率可表示为： 兀= ( 。+ d 。) n i l ( 2 3 1 ) 式中，n 为采样点数；k 。为整数；d 。为小数。信号采样值为 x ( n t d = 彳，s i n l2 z ( k ，+ 吐) 台帕+ 仍i ( 2 3 2 ) 式中，t = ”为采样时间间隔，n 为整数( n = 1 ，2 ，n ) 。 对( 2 - 3 2 ) 式做傅立叶变换得 x ( 七) = 篓喜，sn2z，+吐)-景+纯e,-j塑na i 2 z ( k c z 一3 3 ) x ( 七) = ，sn l，+ 吐) - 号+ 纯卜 “ ( 2 一 月i o i 卸l j 海宁窗是余弦窗的一种，通常信号加窗都是在时域进行的，而对于余弦窗， 可以先对信号进行傅立时变换，然后在频域进行处理。海宁窗的n 点( n 为偶数) 对称表达式为 吣) = 挂1c o s ( 万2 n 加j 1 十j 1 i j 鲁5 2 le - j 等”1 3 4 ) 聍= 一2 ，- i 0 1 ，n 2 由于在离散傅立叶变换中使用海宁窗的加窗序列是单边的，因此用于f f t 加 窗的海宁窗函数应为 吣乓1 一一1 伊争+ 扩 ，n = 0 , 1 , - - , n 仔。s ， 加海宁窗的傅立叶变换为 第二章电能质量的分析方法 ymf n - i h 、d 一等”t x 。( 七) = w ( 疗) x ( n l ) e 。”一 = ：。o l 2 1 一丢e , j 2 f f n2 。“ x ( 行正) e 一等m ( z 一。e ) = 圭x ( 妒x ( k _ 1 ) 一x ( k + 1 ) 根据f f t 和余弦窗函数的相关公式，可严格地推导出加海宁窗的插值公式来 分别对频率、幅值和相位进行校正。其基频的校正公式为 d d = 瓦2 i x 丽( k o + 币o l - 面i x ”丽( k o ) l ，i x w ( k o + 1 ) 伴。( ki