（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp和cpld的电能质量分析仪的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i d e ra p p l i c a t i o no fm o d e r ne l e c t r o n i ct e c h n o l o g yc a u s e ss e r i o u s e l e c t r o n i c p o l l u t i o n t o p o w e rq u a l i t y ，t h ep u b l i cp o w e rs u p p l yq u a n t i t y i s d e t e r i o r a t i n g ，w h i c hi s at h r e a tt ot h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e r s y s t e mo p e r a t i o n a sar e s u l t ，h o wt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t ys oa st oe n s u r es a f e a n ds t a b l eo p e r a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n th a sb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o na t h o m ea n da b r o a d a c c o r d a n c ec a nb ep r o v i d e db yr e a l t i m em o n i t o r i n g ，r e c o r d i n g a n da n a l y s i st op o w e rq u a l i t y t h r o u g ha n a l y s i so ft h ec u r r e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r ，t h i sp a p e rf o c u s e so nak i n d o fa n a l y s i si n s t r u m e n tf o rp o w e rq u a l i t yb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) c h i p s ，a c c o r d i n gt oc u r r e n t p o w e rs e c t o rr e q u i r e m e n t sa n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p to fp o w e rq u a l i t y ，a n de x p o u n d st h e c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fa n a l y s i si n s t r u m e n tf o rp o w e rq u a l i t y s e v e r a lm a i n m e t h o d sf o rp o w e rq u a l i t ya n a l y s i sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d t h ea u t h o r c h o o s e sf f ta st h eb a s i ca l g o r i t h mb e c a u s eo fi t sa p p l i c a b i l i t ya n de a s i n e s st ob e r e a l i z e do nd s p ，w h e nc o m p a r e dw i t ho t h e rm a i nm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a li n d i c a t o r st h a tt h ei n s t r u m e n ts h o u l da c h i e v e ，t h e c o n c e p t u a ld e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e d ，c o n s t r u c t e db yd s pa n dc p l da st h ec o r e ， w h i c hi n c l u d e ss i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，a dc o n v e r s i o nm o d u l e ，d s pd a t a p r o c e s s i n gm o d u l e ，c p l dl o g i cc o n t r o lm o d u l e ，o u t s i d ee n l a r g es t o r a g em o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，k e y b o a r di n p u ta n dl c dm o d u l e a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ld e s i g nt h o u g h t ，t h ea u t h o ru s e sp o w e ra p p l i c a t i o no f d s p d e v e l o p m e n tb o a r da st h eh a r d w a r et e s t i n gs y s t e m ，r e a l i z i n gh i g h s p e e dd a t a s a m p l i n ga n dr e a l - t i m ep r o c e s s i n g a sp e r i p h e r a lc i r c u i tl o g i cc o n t r o lm o d u l e ， c p l dr e a l i z e st h ef l e x i b l er e l i a b l ec o n t r o lo ft h ep e r i p h e r yc i r c u i t af r i e n d l y h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sp r o v i d e db yk e y b o a r di n p u ta n dl c dm o d u l e b a s e do nt h es t u d yo fa l g o r i t h m ，cl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g eh a s b e e n u s e di nt h es o f t w a r e ，w h i c hn o to n l ym a k e ss o f t w a r ee a s yt ou n d e r s t a n da n db e e a s i l yp o r t a b i l i t i e d ，b u ta l s oi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o g r a me x e c u t i o n ， b e s i d e s ，t h ed e t a i l e dp r o g r a mf l o w c h a r ti sp r e s e n t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 1 1 e e ! t h r o u g hb e i n gt e s t e dt ot h ee q u i p m e n t ，r e s u l t sm a n i f e s tt h a tt h ei n s t r u m e n t c a nw o r kr e g u l a r l y ，a n dt h ed e s i g ng o a lh a sb e e nr e a l i z e d m e a n t i m e ，t h i sp a p e r a n a l y s e st h ep o s s i b l ee r r o r a n dp u t sf o r w a r dm e t h o d sf o rt h es o f t w a r ec o r r e c t i o n k e y w o r d ：p o w e rq u a l i t y , c p l d ，ds p ，f f t 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 利用计算处理能力强、运算速度快、具有针对数字信号处理专用指令的数 字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 芯片和超强逻辑控制特性的复 杂可编程逻辑器( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 芯片为核心， 研究了基于d s p 和c p l d 的电能质量分析仪。采用快速傅里叶变换( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 算法对电能质量问题进行分析，实现对电能质量各种 指标的测量。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者答名：罗志砌 日期：2 o 户年s 月刁日 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、厂) 学位论文作者签名： 写岩。剐 日期：2 卟聋职2 - 7 日 指导老师签名：杰爹 日期：沙少争、z 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 电能作为人们广泛应用于现代社会各个领域里的重要能源，其应用程度也 成为了衡量一个国家或地区发展水平和综合国力的重要标志之一【l 】。在满足工 业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求是一个 国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是信息时代和 信息社会发展的必然结果，是增强用电效率、节能降损、改善电气环境、提高 国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证 2 】。 近年来，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，电力系统的规模在不断扩大，电能紧缺的问题已逐步解决。然而随着国民 经济的快速发展，电力系统污染现象也日益严重，特别是各种干扰性负荷，使 公用电网的电能质量日益恶化，严重地威胁着电力系统的安全经济运行。 为了保证电网安全稳定运行，提高电能的综合管理水平，为用户提供优质 的电能，必须对影响电能质量的诸多因素进行综合治理，改善电能质量的各项 指标，使其达到国标规定的正常水平。而提出合理的治理方案，必须依赖于对 电网运行状态的实时准确跟踪。因此，研制一种新型的电能质量分析仪，有效 地进行电能质量分析，对保证电网和广大用户的电气设备和各种用电器的安全 经济运行、保障国民经济各行各业的正常生产和产品质量具有重要意义。 1 1 电能质量综述 1 1 1 电能质量的基本概念 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 我国的为5 0 h z ) 和正弦波形，按 规定的电压水平( 标称电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电 压和电流应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 0 的对称状态。由于系统各元件( 发 电机，变压器，线路等) 参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机 变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这 种理想状态在实际中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的 各种各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 什么是电能质量，从普遍意义上说，电能质量是指优质供电。由于出发点 不同，电能质量存在很多不同的定义，如电力企业把电能质量定义为电压( 偏 差) 与频率( 偏差) 的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能9 9 是 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供 电；而设备制造厂家则认为电能质量就是指电源特性应当完全满足电气设备正 常设计工况的需要 3 】。从工程实用的角度出发，其主要有电压质量、电流质量、 供电质量、用电质量等【4 j 。 国际电工委员会( i e c ) 给出的电能质量定义是指：在电力系统中某一指定 点上电的特性，这些特性可根据预定的基准、技术参数来评价【5 】。国际电气与 电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会已正式采用“p o w e r q u a li t y ”( 电能质 量) 这一术语，并给出了相应的技术定义：“合格电能质量的概念是指给敏感设 备提供的电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作的”【3 】。 由此可见，时至今日在供用电双方，甚至在电力研究者中关于电能质量的 范畴、定义，以及质量下降的起因等许多方面仍存在着分歧与争论，在使用的 相关名词上也并未完全达成共识。不过，采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 术语 描述供电与用电( 系统与负荷) 双方的相互作用和影响不仅得到普遍接受，而且 统一到“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 术语己是一种必然趋势。 1 1 2 电能质量的国家标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正 常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量新技术， 维护供用电双方合法权益的法律依据。 19 8 8 年，我国为加强电力系统电能质量管理工作，曾颁布执行了电网 电能质量技术监督管理规定，提出“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，并指 出为保证电力系统安全、稳定、经济、优质运行，全面保障电能质量是电力企 业和用户共同的责任和义务。我国国家质量技术监督局从19 9 0 年开始陆续颁 布了六个有关电能质量的标准【6 。l 】： 电能质量 供电电压偏差( g b t1 2 3 2 5 2 0 0 8 ) 电能质量电力系统频率偏差( g b t1 5 9 4 5 2 0 0 8 ) 电能质量 公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 电能质量 三相电压不平衡( g b t15 5 4 3 2 0 0 8 ) 电能质量 电压波动和闪变( g b t1 2 3 2 6 2 0 0 8 ) 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t18 4 8 1 2 0 0 1 ) 这六项电能质量国家标准摘要如下表1 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 表1 1 电能质量国家标准摘要 标准编号 标准名称允许限值说明 g b t 供电电压( 1 ) 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对衡量点为供电产 12 3 2 5 2 0 0 8 偏差值之和不超过1 0 ；权分界处或电能 ( 2 ) l0 k v 及以下三相供电为- 4 - 7 ： 计量点。 ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电为+ 7 ，1 0 。 g b t 电力系统( 1 ) 正常允许士0 2 h z ，根据系统容对测量仪器提出 15 9 4 5 2 0 0 8 频率偏差量可以放宽到士0 5 h z ；了基本要求。 ( 2 ) 用户冲击引起的变动一般不得 超过士o 2 h z 。 g b t 公用电网 各级电网谐波电压限值( )( 1 ) 衡量点为 1 4 5 4 9 1 9 9 3 谐波 电压t h d奇次偶次 p c c ，取实测9 5 ( k v ) 的概率值； 0 3854 o2 o( 2 ) 对用户允许 产生的谐波电 6 1o43 21 6 流，提供计算方 3 5 6 632 41 2 法： 1 1o21 60 8 ( 3 ) 对测量方法 ( 2 2 0 k v 电网参照1 10 k v 执行)和测量仪器做出 基本规定； ( 4 ) 对同次谐波 随机性合成提供 算法。 g b t 三相电压 ( 1 ) 正常允许2 ，短时不超过4 ；( 1 ) 各级电压要 15 5 4 3 2 0 0 8 不平衡 ( 2 ) 每个用户一般不得超过1 3 。 求一样； ( 2 ) 衡量点为 p c c ，取实测9 5 概率值或日累计 超标不超过 7 2 m i n ，且每3 0 m i n 中超标不超 过5 r a i n ： ( 3 ) 对测量方法 和测量仪器做出 基本规定： ( 4 ) 提供不平衡 算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 表1 1 续电能质量国家标准摘要 标准编号标准名称允许限值说明 g b t 电压波动电压变动d 的限值和变动频度( 1 ) 衡量点为电 1 2 3 2 6 2 0 0 8 和闪变 r ( h 。1 ) 有关；当r l0 0 0 时，对于网公共连接点 低压l v 和中压mv d = 1 2 5 ( p c c ) ，取实测 4 ；对于高压h v ，d = 1 0 3 ； 9 5 概率值； 对于随机不规则的变动，( l v 、( 2 ) 给出闪变电 m v ) d = 2 ，( h v ) d = i ，闪变限值如 压限值和频度的 下表：关系曲线，可以 根据电压波动曲 线查得允许值， 并给出算例； ( 3 ) 对测量方法 和测量仪器做出 基本规定。 电压等级 l vm vh v p 1 o 0 9 ( 1 0 ) o 8 p h o 8 0 7 ( 0 8 1 0 6 注： 1 括号中的值仅适用于所有用户 为同电压级场合： 2 只，为短时间闪变，兄为长时间 闪变。 g b t暂时过电规定了作用于电气设备的暂时过 ( 1 ) 暂时过电压， 18 4 8 1 2 0 0 l 压和瞬态电压和瞬态过电压要求、电气设包括工频过电压 过电压备应达到的绝缘水平及交流电气和谐振过电压， 装置的过电压保护方法。是指在给定安装 点上持续时间较 长的衰减或弱衰 减的振荡过电 压。 ( 2 ) 瞬态过电压， 包括操作过电压 和雷电过电压， 是指持续时间数 毫秒或更短，通 常带有强阻尼的 振荡或非振荡的 一种过电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 1 1 3 电能质量的指标 传统的电能质量指标只包括频率、电压和可靠性( 即不断电) 三个方面。前 面两者分别是系统的有功平衡与无功平衡。而可靠性指标主要表征的是系统能 正常连续的完成发电、输电和配电的概率。其主要依据为发电系统的电力电量 平衡，即发电系统的装机容量不应小于系统电力负荷最大功率再加上它的一个 固定百分数。随着时间的推移，部分事故和用户投诉使人们逐步认识到电网中 的谐波和三相不平衡现象的严重危害性。因而，在质量标准中增设了这两个方 面。 电能质量通常用电网的实际状况与理想系统的差距来衡量。主要有五个指 标：供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、电压波动和闪变、电网谐波 含量、三相不平衡1 2 , 1 3 】。 1 供电电压偏差 电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行 与否的一项主要指标。电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时，电力系统 供电实测电压对额定电压的偏差。其计算公式为： 电压偏差：茎塑塑鍪坠套攀x 1 0 0 ( 1 - 1 ) 奢贝疋电j 盘 电压基本上取决于电能供求平衡关系，系统无功功率是引起系统电压偏离 标称值的根本原因。 2 电力系统频率偏差 频率作为电能质量的重要指标之一，电力系统在正常运行条件下，系统频 率的实际值和标称值之差称为系统的频率偏差，我国系统频率为5 0 h z 。 系统负荷功率总需求与系统电源的总供给相平衡时，才能维持所有发电机 组转速恒定，即频率恒定。当发电机与负荷间出现有功功率不平衡时，系统频 率就会产生变动，出现频率偏差。频率偏差的大小及其持续时间取决于负荷特 性和发电机控制系统对负荷变化的影响能力。频率偏差过大对广大用电负荷以 及电力系统的安全稳定和经济运行都会造成很大的危害。 3 电压波动和闪变 电压波动和电压闪变是电能质量的重要指标之一，其定义为系列相对快 速变动或连续改变的电压偏差，主要反映在稳态运行的情况下，波动性负荷引 起供电系统的电压波动。 电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期性变化，常以相邻两个 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 电压波形极值电压均方根值( 或峰值) 和u t 血之差相对于额定电压的百 分数表示。即电压波动值a u 为： u s , ( 1 2 ) 引起电压波动的原因很多，配电系统发生的短路故障或开关操作，或者是 无功功率补偿装置、大型整流设备的投切均能导致供电电压波动。电压波动会 使电动机转速不均，不仅危及电动机的安全运行，而且还会影响一些产品的质 量。 电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常而产生的主观视觉感 受，是衡量电压波动对用电设备影响的一个重要而有效的标准。它通常是以白 炽灯的通光量作为判断。影响闪变的因素包括供电电压的波动、照明装置和人 的视感度等。闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于周期性的电 压波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉等，后者往往与随机性电压波动有关， 如电焊机等。 4 公用电网谐波 国际上公认的谐波定义是：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍。对谐波的测量一般包括：各次谐波量即谐波幅值和相位、 各次谐波含有量、总谐波畸变率、谐波功率、谐波阻抗。 电网谐波产生的根本原因是由于系统中某些设备和负荷的非线性特性，即 所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。波形畸变后，会产生高次 谐波。这是因为对个周期性非正弦量( 如电压、电流、磁通等) 进行傅里叶级 数分解，即可得到个同频率的和很多整数倍频率的正弦波之和，即基波和各 次谐波。 5 电压三相不平衡 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应有同样的数值，且按a 、b 、 c 顺序互成1 2 0 度。三相电压( 或电流) 不平衡是指三相电力系统三相电压( 或电 流) 不平衡的程度，用电压( 或电流) 负序分量与正序分量的均方根百分比表示。 即： r 厂 占。，= 1 0 0 ” u 1 ( 1 3 ) 电力系统的三相不平衡是由三相负载不平衡以及系统元件参数的不平衡 引起的，一般可以分为事故性不平衡和正常性不平衡。电力系统在发生故障时， 一般通过继电保护和自动装置迅速加以消除，而正常运行时的不平衡，则允许 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 长期存在或在相当长一段时间内存在。 1 1 4 电能质量问题的分类 为了系统的研究电能质量问题，并对实际测量结果进行分析，以查找引起 各种电能质量问题的原因和采取针对性解决措施，对电能质量进行分类并给出 相应的定义或规定是很重要的。由于人们看问题的角度不同，电能质量也有不 同的分类方法，而当前人们主要将电能质量问题分为两大类，即稳态电能质量 问题和暂态电能质量问题【l4 1 。 稳态电能质量问题以波形畸变为特征，一般持续时间较长( 通常1 分钟以 上) ，主要包括： ( 1 ) 过电压指持续时间超过1 分钟，数值大于标称电压的电压。 ( 2 ) 欠电压指持续时间超过1 分钟，数值小于标称电压的电压。 ( 3 ) 谐波指对周期性电压或电流进行傅里叶分解，得到频率为基波整数倍 分量的含有量，谐波是衡量电能质量的重要指标。 ( 4 ) 频率偏差指电力系统频率的实际值和标称值( 5 0 h z ) 之差，电力系统正 常允许频率偏差为0 2 。 暂态电能质量问题以暂态持续时间为特征，主要包括： ( 1 ) 电压暂降通常指电压有效值为0 1 o 9 倍标称值，且持续时间为0 5 倍周期1 分钟的电压变化，通常采用电压暂降百分数来描述电压暂降的程度： 矿 y = 堕1 0 0 ( 1 4 ) 式中，g o 为暂降前的电压有效值，为暂降期间的电压有效值，电压暂 降百分数越小，表明电压暂降越严重。 ( 2 ) 电压暂升通常指电压有效值为1 1 1 8 倍标称值，且持续时间0 5 倍周 期1 分钟的电压变化。电压暂升主要由系统故障或电容器充电引起，电压暂 升的指标主要是上升幅值和持续时间。 ( 3 ) 瞬时供电中断通常指电压有效值小于o 1 倍标称值，且持续时间不超 过1 分钟的电压变化。因故障引起的瞬时供电中断，其持续时间决定于保护设 备的动作时间。 ( 4 ) 暂态脉冲指电压或电流信号在稳态条件下发生的瞬时非工频变化，变 化过程中电压或电流极性不变。暂态脉冲通常因雷电引起，由于其高频特性， 暂态脉冲经电路元件传播后快速衰减。暂态脉冲通常以上升时间、衰减时间和 频率为主要特征。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( 5 ) 暂态振荡指电压或电流信号在稳态条件下发生的瞬时非工频变化， 电压或电流信号极性交替变化，通常以持续时间、幅值和频率为主要特征。根 据频率的差异，暂态振荡又分为高频、低频和中频暂态。其中，振荡频率大于 5 0 0 k h z 且持续时间小于几毫秒的暂态为高频暂态：振荡频率介于5 5 0 0 k h z 且 持续时间为几十毫秒的暂态为中频暂态；振荡频率小于5 k h z 且持续时间介于 5 5 0 毫秒的暂态为低频暂态。 1 1 5 电能质量问题的提出 人们对电能质量问题的重视并非近几年的事情，而是伴随电力系统发展的 全过程，只不过早期包括的内容比较简单，主要局限在频率偏差和电压偏差两 个方面。信息时代的电能质量问题包括以下一些新特点【l 习： ( 1 ) 负荷侧对电能质量的污染越来越严重多年来，电能质量问题主要来源 于系统侧，包括系统正常运行状态的改变，如电源投入，大容量电动机的起动 和非正常系统状态的改变，系统发生短路故障等。而近年来，用户端大量使用 的非线性负荷则成为电能质量恶化的重要因素。例如，低压家用电器和高压工 业交直流交换装置中存在的各种静止交流器，会引起电网电流、电压波形畸变。 ( 2 ) 电能质量问题的内涵发生了较大变化随着供电可靠性的不断提高，人 们对某些传统电能质量问题，如供电中断、过电压、欠电压的关注逐渐转移到 一些动态电能质量( 短时电能质量) 问题上，而且传统电能质量问题中的谐波、 三相不平衡等仍然存在，严重性也在增加。 ( 3 ) 电能质量问题造成的危害更为严重电能质量问题造成的危害是多方 面的。电能质量问题已影响到电力系统的安全稳定运行。例如，电气化铁路牵 引负荷产生的谐波和负序分量可能造成相差高频保护和负序电流保护装置的 误动作，引起系统解列。新出现的动态电能质量问题给一些工业用户和商业用 户带来了巨大经济损失，已成为当代电能质量不同于以往任何时代的主要特 征。因此，改善动态电能质量问题将是改善电能质量的关键。 电能质量与一般的产品质量不同，有两个特点：其一是电能质量不完全取 决于电力生产企业，甚至有的质量指标( 例如谐波，电压波动和闪变，三相不 平衡) 往往是由于用户干扰所造成。其二是电能质量在空间和时间上均处于动 态变化之中p j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 1 2 电能质量的检测 1 2 1 电能质量检测的目的 检测包括长时间或较长时间的连续检测以及短时间的一次性检测和短时 间的定时或不定时的周期性检测，并把长时间或较长时间的连续检测称为监 测，因此电能质量监测就是指对电能质量的长时间或较长时间的连续检测，长 时间或较长时间的连续检测也称实时检测【2 】。现代电能质量监测目的主要有： ( 1 ) 对各种电能质量指标进行实时更新测量与数据采集，保证对电力系 统基本运行工况的观察、记录及动态分析。 ( 2 ) 针对各质量指标的具体特征对电能质量问题进行分层检测，完成对 多种扰动信息的识别、提取和分析，并具有事故诊断能力，为制定改善电能质 量和治理电网污染的具体措施提供可信的依据。 ( 3 ) 完整了解电网安全、稳定、优质运行的技术经济条件，对电能质量 各项指标进行综合评价，优化整个系统的监测体系，实现数据共享与交流。 ( 4 ) 了解电能质量，对各种电能质量问题进行检测和数据采集，并进行 电能质量分类。 ( 5 ) 监测电网的可靠性程序。 ( 6 ) 不断提高电网的可靠性。 ( 7 ) 掌握电能质量问题产生的条件，从而能采取相关措施使有可能造成 的损失减到最小。 ( 8 ) 发现新的电能质量问题。 1 2 2 电能质量检测的方式 电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题的检测方式和要求 也不尽相同。根据对检测对象是否连续检测，电能质量的检测方式可概括为连 续检测、定期或不定期检测和专项检测三种方式【l6 1 。 1 。连续检测 连续检测也称为在线检测或日常检测，按电能质量标准的规定和要求，需 要进行连续检测的内容有电压偏差和频率偏差，大型干扰源危害较大或容易引 起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等电能质量指标。连续检测 对使用的检测设备有一定的要求，特别是电网中检测点较多、检测信息需要远 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 传时，需要建立一个检测网络系统。 2 定期或不定期检测 对普通干扰源的检测，根据干扰的大小危害程序以及需要等，选择采取定 期或不定期检测方式定期检测，对电网进行普查测试，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，但应包括连续检测的内容，对一些特殊情况，根据电能质量监督管理的需 要也可采取不定期检测的方式。定期和不定期检测般采用专门仪器设备，到 现场进行测试，测试后根据测定结果提出测量和分析报告。 3 专项检测 专项检测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产生的 影响进行的测量，以决定其能否正式投入运行，对于产生各种干扰的设备，如 果产生的干扰超过标准，则不允许该设备投入运行。 1 3 电能质量分析仪的国内外研究现状 1 3 1 电能质量分析仪的国外研究现状 在国外，由于长期对电能质量的重视，加上科学技术上的优势，所以研制 的电能质量分析系统水平较高，而且种类较多。根据使用的场合，主要分为掌 上型和便携式。掌上型主要用于工作现场的测量，线路的巡查和测量分析大型 用电设备( 如电炉，轧钢机等) 对电网的谐波污染；而便携式主要应用于电网的各 个节点，对电网电能质量进行测量和分析。 掌上型电能质量分析仪表以美国f l u k e 公司生产的f 4 3 手持型电能质量 分析仪为代表。它具有完善的测试功能，能测量电流，电压，功率因素等电能 常规指标，还能测量电力系统的各次谐波，而且最高次数达5 1 次，并能捕捉 瞬变电压和波形失真，此外还融合了万用表功能，可测量电阻，二极管，电容 等元器件的参数，真可以说是功能强大，并配有光电隔离的r s 2 3 2 接口与计算 机通信，可将测量数据传给计算机作进一步的分析，它操作简单，外观灵活， 如同万用表。同时它测量界面友好，显示分辨率较高，能较真实的反映电能性 能指标【1 7 】。它携带方便，是电力系统现场测试工作人员的得力工具。但它的测 量精度不高，因此只能应用于一般的检测分析中，或作为对各种状况判断的参 考和发现问题的手段，而不能作为计量和判断问题的依据。 便携式电能质量测量仪表克服了掌上型仪表一些缺点，具有较高的测量精 度和实时性。在国外同类仪表中以瑞典联合电力( u n i p o w e r ) 公司的u n i l y z e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 9 0 0 f 便携式电能质量分析仪为代表，它的技术水平较高，实用性强。它最大 的特点：高精度多功能体积小重量轻携带方便操作简单，可判断谐波流向便于查 找谐波源，全中文分析软件完全按照国家标准进行分析评估并自动生成图形和 报表。这是其它一般仪表无法具备的，它一般用于测量大型厂矿，居民住宅区， 商业区等进入大型用户的低压侧网点的电能质量，以保证用户的用电安全性， 同时可以测量用户的用电设备对电网质量的干扰情况。它可将测量计算后的数 据通过以太网，m o d e m 等多种方式传回控制中心，以图和表格的方式显示结 果，进行数据管理。它主要以中央处理器和数学协处理器为核心，配备高速 c a c h e ，大容量的硬盘，高精度快速数据采集装置，能够做到测量电力系统 每个周波的功率和谐波，具有较强的实时性。由于它本身不大，可与笔记本电 脑配合使用，这使它也具有现场测量的功能，这种设备不仅具有使用灵活，而 且测量功能强大，使它成为一款理想的电能质量分析仪表【1 8 】。 1 3 2 电能质量分析仪的国内研究现状 随着电子技术的迅速发展和电子设备的广泛应用，特别是电力制度的改 革，促使国内电力部门对电能质量非常重视，特别是近几年来，广大科研人员 对电能质量测量与分析理论进行了较深入的研究，全国各大电力测试设备公司 也对此类产品作了定的投入和开发。国内主要有安徽振兴电子公司的p s 系 列电能质量分析仪【19 1 ，上海宝钢安大电能质量有限公司p q l16 便携式电能质 量分析仪、p q l0 2 电力谐波分析仪、p q l0 6 电能质量远程监测仪、p q l3 2 电力 设备状态监测系统【20 1 ，深圳领步科技有限公司的p q a 电能质量分析仪、p q m 系列电能质量分析仪，保定三伊方长电力电子有限公司的d z 3 a 电能质量分 析仪。 西南交通大学电气工程学院研制的b d c 一5 型变电站电能质量监测系统为 基于测试技术和计算机技术的虚拟仪器。此系统以高品质电量传感器、信号调 理模块和高精度a d 转换器构成数据采集系统，利用高性能笔记本电脑或工控 机作数据存储、处理、分析和统计工具，具有测试精度高、设备体积小、接线 简便等优点。此系统可用于变电站电能质量长期监测和短时波形记录，也可用 于三相、单相负荷( 如电力机车) 的运行测试，是电力工程及科学试验有力的 测试工具。 1 3 3 电能质量分析仪的发展趋势 随着集成电路技术和计算机技术的飞速发展，研究重点转向利用高性能的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 d s p 处理器为核心，再配合高速度和高精度的a d c 转换器和其它附属电路来 设计电能质量分析仪【2 。开发具有多用途的电测仪表越来越成为现实和需要， 一台仪器就可以满足以往对电能质量监测分析时多台仪器的要求。 1 4 本课题研究的意义 在现代社会中，电能成为极为重要的能源，作为电能载体的电力系统，无 不受到世界各国的高度重视，电力系统的规模空前庞大，而在电力系统的发电、 输电、配电、用电的各个环节对电能质量都有严格的要求。当前，电能质量己 受到了越来越多的电力企业和电力用户的关心，而分析是电能质量监测技术的 新趋势。 随着科学生产力技术的发展、产业规模的不断扩大、外资高新技术企业的 不断涌入以及我国经济体制改革的进一步深化，使得对电能的需求逐年大大增 加。并且越来越多的新工艺、新技术仪器设备对电能质量的要求也越来越苛刻， 如许多工业自动化生产流水线、机场、银行、医院、精密仪器制造业、计算机 网络和服务监控中心等场所的各种精密设备等。同时，随着电力电子技术的广 泛应用与发展，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，供电系统中增加了大量的非线性负载，引起电网电流、 电压波形发生畸变，造成电网的谐波“污染”，而且使得电压波动、闪变、三相 不平衡日趋严重。 一方面，电能质量差不利于电力系统安全运行，使电气设备寿命缩短、电 网损耗增大、继电保护和自动装置误动，给对电能质量要求较高的行业带来严 重的经济损失；另一方面，随着电力系统改革，厂网分开，电能质量的好坏将 直接影响到电力公司的市场占有率。电能质量是电力工业产品的重要指标，涉 及发、供、用各方面的权益，因此提高电能质量、保证用电设备安全稳定地运 行。成了国内外研究的焦点。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，而解决电能质量问题的必要条件是要 先能检测到全面体现电能质量的电力参数。 电能质量的分析，无论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的 地方。而传统的电能质量监测手段存在明显的局限性：实时性不高、监测指标 少、缺乏决策判断的依据、效率低等因此研制一种新型的电能质量分析装置， 有效的进行电能质量监测分析，提供科学准确的监测数据，对于保证电网和广 大用户的电气设备的安全经济运行以及可靠性、保障国民经济各部门的正常生 产和产品质量都具有十分重要意义【2 2 “】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 。5 本课题研究的目标、主要内容和方法 根据电能质量分析的特点、现场监测采样频率、精度以及实时显示的要求， 利用高速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 和复杂可编程逻辑器 ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 为核心开发一种电能质量分 析仪，实现对电能质量问题的分析。本课题研究的主要内容和方法有： ( 1 ) 对电能质量的基本概念、主要参数指标、国家标准和电能质量监测等 主要问题进行归纳总结，阐述电能质量分析仪的国内外研究现状、发展趋势和 研制电能质量分析仪的重要意义。 ( 2 ) 论述电能质量的分析方法和理论基础，分析比较各项电能质量指标的 测量方法；根据我国的电能质量国家标准，归纳各种电能质量监测的指标及计 算方法，为电能质量分析仪的研制提供理论依据和算法。在分析国内外对电能 质量参数测量方法基础上，总结出本课题的电能质量指标的测量方法。 ( 3 ) 给出系统的性能和设计指标，讨论系统的主c p u 选型，设计以d s p 和c p l d 为核心的系统的总体方案，并给出系统的总体设计框图。 ( 4 ) 按照总体设计思路，选用电力应用d s p 开发板作为硬件测试平台，并 论述开发板上本方案所用到的各个功能模块。 ( 5 ) 按照总体设计思路，采用c 语言和汇编语言汇合编程的方式进行程序 设计，详细分析程序的工作步骤，并给出各个部分的程序流程图。 ( 6 ) 对分析仪进行性能测试和实际数据测量。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 第2 章电能质量的分析和测量方法 2 1 电能质量的分析方法 电能质量的分析方法主要有以下几种： 1 取基波分量法该法是最早采用的谐波电流检测方法，其原理是在检测 到的信号中提取基波分量，与被检测电流之差就是待补偿的谐波电流。这种方 法存在设计困难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数较敏感等缺点，因 而在目前己较少使用【2 5 i 。 2 基于瞬时无功功率理论的分析方法瞬时无功功率理论解决了谐波和无 功功率的瞬时检测及不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题，对治理谐波和 研发无功补偿装置等起到了很大的推动作用。1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 等基 于时域提出了非正弦条件下的瞬时无功功率理论，并迅速应用于电力系统谐波 检测。目前，基于瞬时无功功率理论的谐波检测研究己非常深入，取得了工程 应用成果，是总谐波实时检测的主要方法。基于瞬时无功功率理论有3 种谐波 检测方法：p q 法、i p i q 法和d q 法。这3 种方法都能准确、实时测量三相三线 制对称电路的总谐波分量。i p i q 法和d q 法适用范围更广，不仅在电网电压畸 变时适用，在电网电压不对称时也同样有效，使用p q 法测量电网电压畸变时 的谐波会存在较大误差。瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无 畸变时，检测基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量的实现电路比较 简单，并且延时小，具有很好的实时性，但是此理论是基于三相三线制电路提 出的，对于单相电路，必须首先将三相电路分解，然后再构造基于瞬时无功功 率理论的单相电路的谐波检测电路。近年来，国内外科学家对瞬时无功功率理 论进行了发展，提出了广义瞬时无功功率理论，在此基础上出现了基于广义瞬 时无功功率理论的谐波检测方法，并且受到重视，开始进入工程应用 2 6 , 2 7 。 3 小波变换小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w t ) 是针对傅里叶变换 ( f t ) 在分析非稳态信号方面的局限性形成和发展起来的一种十分有效的时频 分析工具。w t 的发展最早可以追溯到1 9 1 0 年h a a r 提出的小波规范正交基， 但是w t 直到l9 8 9 年才作为新兴学科正式诞生。w t 采用不同尺度的