（电工理论与新技术专业论文）dsp在电力系统谐波检测中的应用.pdf

d s p 在电力系统谐波检测中的应用 t h e a p p l i c a t i o no f d s p i i lp o w e rs y s t e mh 蝴o n i cd e t e c t i o n a b s t r a c t w i 也也ee x t e n s i v ea l i c a t i o no f 也ee l e a 啊e 缸l de l e e 廿o n 王cd e v i c 鼯协r e c e n ty e a r s ，也e h a 衄o m cp o l 眦o ni sr r l o r e 趴dn l o r es 甜o u s t h eq u a l i t yo fe i e c 埘ce n c r g yi sb a d l y 血n u e n c e db y 也ek 岫n o i l i c s ，w i l i c hi sa l h a r m m 【t 0 也ep o w e re q ：u i ；p m e n to p e r a b n n l e h a n o l l i cp o l i u t i o nc o m r o li sm e v i t a b l e ，a n d 也em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt os 0 1 v ei s 蛔o n i c d e t e c t i o na n da 1 1 a l y s i s t h e r e 盯ed i 伍c l l l t i e si np e r f b r d l i n gs ”c h - r o n i z e ds 锄p l i i 喀a n di n t e g r a lp e r i o d 协瑚c a t i o ni i l 恤h a 衄o i l i c 舡l a l y s i so fp o w e rs y s t e mw i m 也c 硒tf o 谢e r 仃a n s f 锄( f f t ) t e c h i l i q u e h o w e v e r ，n o tt os 8 虹s 鸟也e s e n d i t i o i l s ，也er e 姒i t s 诚ub ed i 舭r b c db y h e 丘q u e n c y - l e a k a g e s o m e e 妊研t sh 昌n ，eb e m a d ei n c 】硼n gt h e 耐l i z 砒i o no fw i l l d o w 劬c t i o n s 柚di n t e 啦o l a t i o na l g o m h m st oc o 仃e c t 也em e a s e d 丘蜘u c y ，p h 船e 姐d 锄p l i 伽eb yf f t t h ep o 驷o m i a l 印p r o x i r n a t i o nm e t h o di sa l s o 锄p l o y e dt 0 o b t a i l l s i m p l ef 0 i l n u l 酗f o r 鱼i q u 吼c ya n d 锄p l i t l m ec o r r e c t i o n b yt h e s em e m o d s ，t l l ed i s t i 】r b 蚰c eo f t h e 矗e q u e n c yl e a k a g e 髓dt h en o i s e 啪b er e d c e d 觚dt h ea c c 砌c y o f 也eh a n n o n i c 吼a l y s i s c a nb ei m p r o v e d w i t l l 也ed e v e l o p m e 工l to ft e c l l r l o l o g y 谢t l lt l l ed i g i 值【s i g n a li i lr e c e n ty e 缸s ，p e o p k 黟a m l a l l yi n c l i n et oa d o md s p ( ah i g h - s p e e di i l i c r o p r o c e s s o r ) t oc a r r yo m 也ed 鲫e a d o na n d c o r l 由lo f t l l eh a r n l o n i cw a v em o r ea n dm o r e c o m p a r e dw i t h 订a d i d o n a la n a l o 舒壕t c c h n 0 1 0 9 y ， d i 西t a lc o n 仰ld on o tn c e dt h ei 眦m p l i e rw m c hi s 础p e n d e n to f 出es y s t e 1 w 1 1 i c hc 强e i 也e r s i m p l i 每t l l ed e s i g 玛o rd i s p e l 血ei n h e r e n tt e i l l p e r 砷l 增赫f ca n d 即啊r 0 蛳e n ti n t e r f b r et h a tm e a n _ m c i a lc h 职mh a s a 融i ta l s oc a ni m p r o v e 惋p 陀c i s i o no f n t r o l l 证g ，娃i sa p tt or e a l i 黯 a d n c e dc o r l 订_ o l ，a n dc a nr e d l l c et h ec i r c u i tc o s t ni se 船yt 0m a i ：n t a ma n du p 铲a d i n 岛姐dt o r e a l i z ec o m m e 托i a lp r o d u c d o n d s pi sb m u g h ti 呦也ea p ff o r h 蛐o n i cd 咖c 畦o n t m s 3 2 0 f 2 4 0o ft ic o r p 1 1 a sb 唧 a d o p 幢d ，w h i c hi si n t e 舒纳e da dc o n v 咖，g e 嘣a l 妇。c 峰簦娟v eu n 戤，p w mc i r c 越t ， c a p 佃r e u n i t 如d s oo n 1 1 1 r o u g h 吐地s i m u l a t i o ni nm a ，a b ，i ti sv e r i f i e d 吐m t 圮i r n p r o v e df f ti se 凰c t i v e 舡l df e i b l e ，如dm g h 豇h 蚴0 1 1 i ca n d 乜瞰s i e n th a d n o n i cd e t e c t i o ni s 碍a l 切e db yi i l 由司u c i n g t h e d s p k 呵w o r d s ：h a 皿o n i cd e t e 硎o n ；n 吣a c 晰ep o w e r 脚t 盯；d s p 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：毯鏖趋 、 导师签名： 斌丝 大连理工大学硕士学位论文 引言 电力系统的谐波问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电工委 员会( i b c ) 、国际大电网会议( c i 饼 ) 、国际供电会议( c 刀陋d ) 及美国电气和电 子工程师学会( m e e ) 等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组， 并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。我国随着改革开放政策的实施，国民经济 高速发展，直流输电和柔性交流输电技术的采用，电气化铁道的快速发展，化工、冶金、 煤炭等工业部门中大量应用电力电子设备，使得电力系统的谐波问题日益严重，从而将 谐波的管理、监测和治理等摆到了十分重要的位置。 谐波存在于电力系统已经很多年了。但是，近年来这个问题因为同时出现的两种趋 势而变得更加重要。这两种趋势为：电力公司为改善功率因数而大量增加使用电容器组； 工业界为提高系统的可靠性和效率而广泛使用电力电子变流器。 电力公司对运行于高功率因数状态一直非常关注，因为提高功率因数可以降低设备 所需的额定值以及线路损耗和电压降落，从而减少对电压调节设备的需求。然而，电力 公司的上述要求是与工业界大量增加使用变速传动和电力电子设备相并行的。变速传动 和电力电子设备是某些不希望出现的现象的根源，这些设备与功率因数校正电容器组相 互作用导致了电压和电流的放大效应。 半导体电子工业近年来的迅猛发展导致了一批精密设备的诞生，与过去粗笨的设备 相比，这些精密设备对电力公司供给的电能质量更加敏感，但同时这些设备又导致交流 电流和电压稳态波形的畸变。 传统的供电系统被设计成按正弦波运行。目前，电力公司正努力为用户提供可靠而 清洁的基波频率正弦电能，这种电能不会对用户的设备造成损害。 上述三种相互冲突的局面决定了电能质量问题倍受关注，人们必须严肃对待电压和 电流的畸变问题，而电流和电压的畸变主要形式是谐波畸变。 以下例子是从d 珊e t z 公司电能质量分析的现场手册中摘取的，这些例子原先被诊 断为过负荷、过压降或其他不正常情况，但后来研究表明这些现象是谐波畸变的症状： ( 1 ) 用于医疗诊所的灵敏仪器经历了计算机死机和元件故障。监视器确认上述问 题时有功率因数校正电容器组投切所产生的扰动引起的。 ( 2 ) 在一个新建的大楼中电梯不能可靠的工作。分析现实问题是由电动机控制器 中的一个电路对谐波畸变敏感而引起的。 d s p 在电力系统谐波检测中的应用 ( 3 ) 一个办公大楼经历了配电设备的重复故障( 配电变压器、断路器和电连接器) 。 尽管负荷是平衡的，但测羹到的中性线电流与相电流几乎相等，这使得问题是由谐波电 流引起变得非常明显。谐波电流来源于众多的开关电源，开关电源是现代大多数办公电 子设备如个人计算机和复印机中采用的电源。 因此，越来越多的迹象表明，谐波在电力系统中是广泛存在的，并时刻影响着系统 中各种电力设备的正常运行。进行谐波研究已经变得刻不容缓，而我们国家在这方面的 研究尚处于起步阶段，实际应用并不理想。在这种谐波问题亟待解决，而谐波研究又处 于起步阶段的情况下，本文进行了相关方面的研究。 谐波研究包括谐波检测、抑制以及补偿等方面。本文主要进行谐波检测方面的研究 探索。主要内容包括算法的设计和模拟仿真，同时也引入了一些新的技术手段来实现。 文中的设计方案虽有待于在实际应用中不断完善，但对于本领域的进一步发展却是有一 定借鉴意义的。 国内外研究现状t 电能质量( p o 咖q u a l 河) 包括谐波、无功、闪变、三相不对称、电压短时跌落、 电压短时上升、短时供电中断等诸多问题。我国学者对谐波检测、分析和抑制以及无功 功率补偿的研究较多。 谐波检测伴随着交流电力系统发展的全过程。诞生了频域理论和时域理论，形成了 多种谐波检测方法，如模拟滤波、傅里叶变换、小波变换、瞬时无功功率理论、广义d q 旋转坐标变换、神经网络等。鉴于技术手段实现的难度、经济成本以及实际能达到的应 用效果，目前国内最常见的谐波检测方法为有源电力滤波器，基于瞬时无功功率理论的 分析方法，傅立叶变换分析方法等。而对于小波变换，神经网络等其它方法，目前还处 于理论研究阶段，实际的应用并不是很多。许多方法缺乏良好的工业应用背景，有些方 法甚至没有试验结论，还停留在理论分析和仿真阶段。国外对基于神经网络的谐波检测 方法的研究较为流行，并且比较深入。 本文选题及主要内容： 近年来随着电力电子装置日益广泛的应用，配电网中的整流器、交频调速装置、电 弧炉以及各种电力电子设备不断增加，使得电能得到更好利用的同时，这些负荷的非线 性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成了严重污染；另一方面，现代工业、 商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对供电质量提出了更高的要求。电信 号的实时快速采集是进一步处理的基础。传统的检测方法在实时和快速方面都做的不 够，以致不能对谐波进行实时精确的补偿。本文旨在提出一种与信息技术时代同行的谐 波检测技术。 综观诸多文献，大部分理论方法和实现技术还停留在实验仿真阶段，真正得到应用 的不多。应用最广泛的莫过于有源电力滤波器了，丽且检测的对象般是2 1 9 次的稳 态周期性谐波。另外，国家标准对谐波的规范也显得比较笼统。国家标准从1 9 9 3 年就 开始正式实施了，但到现在却还未得到充分的重视，而且涉足这方面研究的人员也并不 多。广义的讲，电力系统谐波污染也是环境污染的一部分，同样应该得到足够的重视。 谐波的问题是比较复杂的，它既由各种设备及非线性负载产生，反过来这些设备和 负载又受其害。从传统的方法来看，治理污染我们可以从三方面入手：一是切断污染源； 二是对污染的过程或渠道严加控制：三是针对已被污染的目标进行对症下药。那么在谐 波污染这个领域，我们也可以从以上这三方面入手。但是，我们要论证一下哪种方法是 最现实可行而且最经济的。经分析，从源头来看谐波的产生目前来说是不可避免的，而 受污染的对象又是众多而且复杂的，并且治标不治本的做法也是不可取的。因此，我们 可以考虑从谐波污染的途径上着手来解决这个棘手的问题。这就有必要对存在于线路中 的谐波电流或电压进行检测，并进一步分析，最后得到及时补偿抑制。谐波得到就地补 偿而不让其继续扩展蔓延是最理想的方案。 在本论文中，我们只着重探讨谐波检测方法，而不过多的涉及后续的抑制补偿策略。 已经出现的很多算法及其实现技术，都着重解决稳态周期性的低次谐波，按照标准规定 来说一般是在2 1 9 次。鉴于这种情况，本文将研究重点放在了高次谐波的检测上。随 着现代科技的持续高速发展，很多精密的仪器设备对供电质置提出了越来越高的要求， 因此，对更高次谐波的研究就显得十分有必要。但是，随之而来又出现一些问题，传统 的方法要实现检测更高次谐波是比较困难的，我们需要提出合适的算法以及相应的实现 技术才能加以解决。目前已经出现的算法是很多的，我们不仅要检测出高次谐波，更重 要的是检测的实时性和快速性，这就对处理速度提出了较高的要求。在信号处理方面， 就目前来说，d s p 是独一无二的，其综合性能是其它技术无法比拟的。因此，本文自然 的把目光投向了近些年来发展异常迅猛的数字信号处理( d s p ) 技术。d s p 有着更快的 处理速度和更强的处理能力，完全可以胜任对高次谐波进行检测和补偿的要求。 因此，本文主要内容可以归结为：在以前各种研究的基础上，比较了各种方法的优 缺点，提出了谐波检测领域的新技术，即在有源电力滤波器中引入了d s p 作为核心控 制器对谐波迸行快速准确的检测，并运用m a t l a b 中的电力系统工具箱、数字信号处 d s p 在电力系统谐波检测中的应用 理工具箱以及t i 公司的d s p 工具箱进行了仿真验证。通过总体方案的调整和摄后仿真 波形的观察，证实了该方法的可行性和有效性。 大连理工大学硕士学位论文 第1 章谐波基础 1 1 谐波标准 我们对公用电网谐波进行测量和处理，需要参照国家目前规定的谐波标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波来进行。 1 1 1 术语 ( 1 ) 公用连接点 用户接入公用电网的连接处。 ( 2 ) 谐波测量点 对电网和用户的谐波进行测量之处。 ( 3 ) 基波( 分量) 对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率与工频相同的分量。 ( 4 ) 谐波( 分量) 对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1 整数倍的分量。 ( 5 ) 谐波次数( h ) 谐波频率与基波频率的整数比。 ( 6 ) 谐波含量( 电压或电流) 从周期性交流量中减去基波分量后得到的量。 ( 7 ) 谐波含有率( h r ) 周期性交流量中含有的第h 次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值之比( 用 百分数表示) 。 第h 次谐波电压含有率以h r u h 表示，第h 次谐波电流含有率以 玎弧表示。 其中：h r u h = 鲁1 0 0 ( 1 _ 1 ) 式中 u h - 一第h 次谐波电压( 方均根值) ； u l 基波电压( 方均根值) 。 眦h = 鲁l o o 式中 i h - 一第h 次谐波电流( 方均根值) ： i l 基波电流( 方均根值) 。 ( 8 ) 总谐波畸变率( m ) ( 1 - 2 ) d s p 在电力系统谐波检测中的应用 周期性交流量中的谐波含量的方均根值于其基波分量的方均根值之比( 用百分数 表示) 。 电压总谐波畸变率以n m 。表示，电流总谐波畸变率以t h d i 表示。 其中：n d 。= 婴l o o ( 1 - 3 ) u 1 t h d j - 粤1 0 0 ( 1 4 ) r = 一 式中u n = 1 f ( 孤) 2 = 2 r = 一 i 萨、f ( 五) 2 y - 2 ( 9 ) 谐波源 向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。 ( 1 0 ) 短时间谐波 冲击持续的时间不超过2 s ，且两次冲击之间的间隔时间不小于3 0 s 的电流所含有 的谐波及其引起的谐波电压。 1 1 2 谐波电压限值 公用电网谐波电压( 相电压) 限值见表1 。 表1 1 公用电网谐波电压( 相电压) t a b 1 _ li l a m o n i cv 0 1 t a g ei np o w e rn e t w o r k 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率 k v 奇次偶次 o 3 8 5 04 o2 o 6 1 0 4 o3 21 6 3 5 3 o2 41 2 6 6 1 1 02 o1 6o - 8 大连理工大学硕士学位论文 1 1 3 谐波电流允许值 ( 1 ) 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表2 中规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2 中的谐 波电流允许值的换算如下： c l i h = 芋i h p ( 1 5 ) 0 1 2 式中s k l 公共连接点的最小短路容量，m v a ； s 垃基准短路容量，m v a ； i h 口表2 中的第h 次谐波电流允许值，a ； i h 短路容量为s k l 时的第h 次谐波电流允许值。 表1 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 t a b 1 2a 1 1 0 w a b l ev a h 坞o f h 蚴o i l i cc u n 弓n ti r 曲j o i n t n o d e 标基准谐波次数及谐波电流允许值，a 准 短路 电容量 2 3 4 5 6 78 91 01 11 21 31 41 51 6 压m v a k v 0 3 8l o7 86 23 9 6 2 2 64 41 92 l1 62 81 32 41 11 29 7 61 0 04 33 42 l3 41 42 4 l l 1 18 51 67 11 36 16 85 3 1 01 0 02 62 01 32 08 51 56 46 85 19 34 37 93 7 4 13 2 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 13 15 62 64 7 2 22 5 1 9 6 65 0 01 61 38 11 35 49 _ 34 14 33 35 92 75 o 2 3 2 62 0 1 1 07 5 01 29 64 o6 83 03 22 4 4 3 2 03 7 1 71 91 52 81 5 注；2 2 0 k v 基准短路容量取2 0 0 0 m v a 。 ( 2 ) 同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的 协议容量与公共连接点的供电设备容量之比进行分配。分配的计算方法如下： 第h 次谐波电压含有率哪h 与第h 次谐波电流分量i h 的关系： 腿u = 鬻( ) ( 1 6 ) d s p 在电力系统谐波检测中的应用 近似的工程估算按式( 1 7 ) 或式( 1 8 ) 计算： 鞠r u h = 冬磐) “ 1 0 、7 一n 。鼍拦警c ， 式中u n 一电网的标称电压，k v ； s k _ 一公共连接点的三相短路容量，m v a ； i h _ 一第h 次谐波电流，a ； 葫一系统的第h 次谐波阻抗，q 。 两个谐波源的同次谐波电流在一条线路的同一相上叠加， ( 1 9 ) 计算： i 。：压再i 磊蕊：i 丽 ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) 当相位角已知时按式 式中i h l 谐波源1 的第h 次谐波电流，a ； i i l 2 谐波源2 的第h 次谐波电流，a ； 吼谐波源1 和谐波源2 的第h 次谐波电流之间的相位角。 当相位角不确定时，可按式( 1 1 0 ) 进行计算： i 。= 五万i 面磊五 式中陆系数按表3 选取。 表1 3 系数瓯的值 t a b 1 3t h ev a l u eo f 磁 ( 1 9 ) ( 1 - 1 0 ) h3571 11 3 9 p 1 3 偶次 1 6 21 2 8 o 7 2o 1 80 0 8o 两个以上同次谐波电流叠加时，首先将两个谐波电流叠加，然后再与第三个谐 波电流相叠加，以此类推。 两个及以上谐波源在同一节点同一相上引起的同次谐波电压叠加的计算式与式 ( 1 - 9 ) 和式( 1 1 0 ) 类同。 在公共连接点处第i 个用户的第h 次谐波电流允许值( i h i ) 按式( 1 1 1 ) 计算： i h i ；i h ( 剐) 归 ( 1 11 ) 式中1 h 按第3 节中换算的第h 次谐波电流允许值，a ； s 广一第i 个用声的用电协议容量，m v a ； 公共连接点的供电设备容量，m v a ； 。相位叠加系数，按表4 取值。 表1 4 谐波的相位叠加系数 t a b 1 4s u p e r p o s e dq u o 廿e n to f h a r m 锄i c sp 1 1 a s e h3571 11 3 9 j 1 3 膈次 。1 11 2 1 41 81 9 2 ( 3 ) 钡量谐波的方法、数据处理及测量仪器 谐波电压( 或电流) 测量应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式， 且应在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时段内进行。 测量的谐波次数一般为第2 到1 9 次，根据谐波源的特点或测试分析结果，可以 适当改变谐波次数测量的范围。 对于负荷变化快的谐波源，测量的间隔时间不大于2 m i n ，测量次数应满足数理 统计的要求，一般不少于3 0 次。 对于负荷变化慢的谐波源，测量间隔和持续时间不做规定。 谐波测量的数据应取测量时段内各相实测量值的9 5 概率值中最大的一相值， 作为判断谐波是否超过允许值的依据。 但对于负荷变化慢的谐波源，可选五个接近的实测值，取其算术平均值。 谐波的测量仪器 i 仪器的功能应满足本标准测量要求。 i i 为了区别暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波， 值的平均值。推荐采用下式计算： u f 踺两 每次测量结果可为3 s 内所测 ( 1 1 2 ) 式中u h k - 七s 内第k 次测得的h 次谐波的方均根值 r r r 一3 s 内取均匀间隔的测量次数，m 6 。 i i i 仪器准确度 谐波测量仪的允许误差见表5 表1 5 谐波测量仪的允许误差 t a b i 5p 锄i s s m l ee 盯讲o f l l a 珊曲i c sa d m e 船州n ga p p a r a h l s 等级 被测量条件允许误差 u l u 5 【厄 电压矾 1 阶 o 0 5 u v a 3 西5 电流厶 3 知 o 1 5 厶 【而3 【， 5 己r 电压矾 3 n 0 1 5 c 廓 b 五1 0 五 5 厶 电流 厶 1 0 厶 o 5 h 注：u n 为标准电压，u h 为谐波电压；i n 为额定电流，i h 为谐波电流。a 级仪器频 率测量范围为o 2 5 0 0 h z ，用于较糟确的测量，仪器的相角测量误差不大于士5 。或1 ； b 级仪器用于一般测量。 i v 仪器有一定的抗电磁干扰能力，便于现场使用。仪器应保证其电源在标称电压 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 条件下能正常工作。 在测量的频率范围内，仪用互感器、电容式分压器等谐波传感设备应有良好的 频率特性，其引入的幅值误差不应大于5 ，相角误差不大于5 4 。在没有确切的频率响应 误差特性时，电流互感器和低压电压互感器用于2 5 0 0 h z 及以下频率的谐波测量；6 1 1 0 k v 电磁式电压互感器可用于1 0 0 0 h z 及以下频率测量；电容式电压互感器不能用于谐 波测量。在谐波电压测量中，对谐波次数或测量精度有较高要求时，应采用电阻分压器 或电容式分压嚣。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 电力系统谐波 谐波是畸变周期波形的分量，它们的频率是基波频率的整数倍。人们偏爱正弦波是 因为其不包含谐波，从而能够减少铁损并提高效率。更进一步，电机、变压器和电气设 备设计时都假定了供电电源是正弦的，从而简化了设计计算。然而，正弦波形只是某种 理想状态，实际上是不可能实现的。一个畸变的波形是由不同频率的正弦波形组成的， 即一个基本频率下的基波波形加上一系列频率为基波频率整数倍的谐波分置。 1 2 1 一些常见的谐波波形如下所示： 囝圃 弋 。 ， 臣面五卫 厂、4f | t| | tl| 77 d s p 在电力系统谐波检测中的应用 o5 1s o o 6 ： oo 八八心 | j|7 f7 1 7t t l 345e w 州) 四面丕五互五画固 、 f | 、 |、 345b w t 印) 一1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 厂 1 f | x | 一u 八 1 | v 、 | t 厂 | t | 、 图1 1 一些典型的谐波波形 f i g 1 1 聊i c a lh 咖o n i c 啪v c s 1 2 2 谐波表示法 傅立叶级数是一种研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅立叶分解能够对畸变波 形的各种分量进行检查。 一般来说，任何周期波形都可以被展开为傅立叶级数，即 f ( t ) 2 山+ 【血c o s ( 砌。r ) + 既s i n ( 国o f ) 】 = l o 1 2 卜卜 d s p 在电力系统谐波检测中的应用 = a o + c s i n ( h o f + y ) ( 1 - 1 3 ) 式中f j 矿一一个频率为，。的周期函数，其角频率国。= 2 万，o ， 周期t = 1 ，o ； c i s m ( o r + y 1 ) _ 基波分量； o s 试 国o r + ) 第h 次谐波，它的幅值为a ，频率为蜘， 相位为阶。 傅立叶级数的系数由下式给出： a 庐；r 删府= 击r ，( r ) 嘶f ) m = ；r ，( f ) c 。s ( 国出= 寺r 。，( f ) c o s ( 纽) 凼 协；r ，( f ) s i l l ( 砌吖) 卉2 寺r 5 厂( f ) s 呱触) 出 c h ：、医丽 2 酬叁 1 2 3 电力系统谐波特性 ( 1 ) 对称性 奇对称性的特点是，( 一，) = 一，p ) ，展开为傅立叶级数时没有余弦项a 偶对称性的特点是，卜f ) = 厂0 ) ，展开为傅立叶级数时没有正弦项而只有余弦项。 半波对称的特点是，o 土r ，2 ) = 一，( r ) ，没有直流分量且偶次谐波被抵消。这个特 点使我们可以忽略电力系统中的偶次谐波，因为电力系统是由双向对称的元件组成的， 这些元件产生的电压和电流具有半波对称性。 ( 2 ) 相序性 在一个平衡的三相系统中，单频率谐波分量只能是完全正序的，或完全负序的，或 完全零序的。 ( 3 ) 独立性 平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这个性质使得我们可 以将各次谐波分别进行处理。也就是说，对各次谐波分别建立等效电路并求解电流和电 压。总的响应可以在时域中将所有谐波分量相加来得到。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 谐波分析方法及实现技术 1 3 1 常见的测量分析方法 常规的谐波测量方法主要有：模拟带通或带阻滤波器测量谐波；基于傅立叶变换的 谐波测量；基于瞬时无功功率的谐波测量。但是，这些方法在实际运用中均有不同程度 局限性。针对这一问题，在以上各种方法基础上的拓展和改进方法应运而生，近几年来的 一些新兴的谐波测量方法有以下一些： ( 1 ) 改进的快速傅立叶算法 f f t 算法能够实现整数次谐波的精确分析和检测，但是对于非整数次谐波的检测， f f t 算法存在着频谱泄漏和栅栏现象，从而使检测出谐波的幅值、相角和频率均存在较 大的误差，不能够满足检测精度的要求；利用插值算法可以解决栅栏问题，但是不能消 除因频谱泄漏现象而导致的测量误差；利用加窗算法可以减少频谱泄漏误差，但是需要 构造窗函数，使频谱分析变得复杂。 ( 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已非常深 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。广义瞬时无功功率理论与瞬时无功功率理论一样，主要在解决谐波总 量实时测量方面很有优势，而不能解决各次谐波检测问题。因此，受电机d q 旋转坐标变 换的启发，有学者还提出了基于广义d q 旋转坐标变换的谐波检测方法。该方法可以实现 d s p 在电力系统谐波检测中的应用 各次谐波的检测，不过该方法由于电路耗费相当大，目前尚保持在理论探讨上，工程应用 研究并不深入。 ( 3 ) 小波变换 小波变换( w a v e l e t t r a n s f o r i n a t i o n ，w t ) 是针对盯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。 | 盯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1 9 8 9 年才作为新兴学科正式诞生。w t 采用不同尺度 的分析方法，能在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率，为非稳态信号 的分析提供了一条新的途径。w t 与f t 、s t f t 相比，它是一个时间和频率的局域变换，因而 能有效的从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺度细化分析 ( m u l t i s c a l e a n a l y s i s ) ，它克服了f t 在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点， 对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大优越性，目前是波动谐波、快速变化谐波的主 要检测方法。但是w t 并不能完全取代傅里叶变换，这是因为：一方面w t 在稳态谐波检测 方面并不具备理论优势，另一方面w t 的理论和应用研究时间相对较短，w t 应用在谐波测 量方面尚处于初始阶段，还存在着许多不完善的地方，例如缺乏系统规范的最佳小波基 的选取方法，缺乏构造频域行为良好，即分频严格、能量集中的小波函数以改善检测精度 的规范方法。因此耵与f t 存在互补的优势。国内对w t 的研究起步较晚，直到1 9 9 0 年才有 论文公开发表，1 9 9 4 年形成国内的小波高潮。目前，国内的小波文献以图象处理等应用性 研究居多，用于电力系统谐波检测的研究时间相对较晚，近几年才有较大进展。当前1 ；t 在 谐波检测中的应用研究成果主要有：1 基于w t 的多分辨分析，将含有谐波的原信号分解 成不同频率的块信号，将低频段上的结果看成基波分量，高频段为各次谐波，利用软件构 成谐波检测环节，快速跟踪谐波的变化。2 利用w t 和最小二乘法相结合来代替基于 k a l m a n 滤波的时变谐波跟踪方法，它将各次谐波的时变幅值投影到正交小波基张成的子 空间，然后利用最小二乘法估计其小波系数，将时变谐波的幅值估计问题转换成了常系 数估计问题，从而具有较快的跟踪速度。3 提出暂态时变非周期谐波畸变指标的定义，并 用w t 实现这些指标的量化，从而有效检测各种谐波分量。4 利用w t 的小波包具有将频率 空间进一步细分的特性以及电力系统中产生的高次谐波投影到不同的尺度上会明显地 表现出高频、奇异高次谐波信号的特性进行谐波分析。5 通过对含有谐波信号进行正交 小波分解，分析原信号的各个尺度的分解结果，达到检测各种谐波分量的目的，从而具有 快速的跟踪速度。6 将小波变换和神经网络结合起来对谐波进行分析，并设计和开发基 于小波网络的谐波监测仪。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 神经网络 神经网络( n e u r a l n e t w o r k n n ) 由心理学家w s m c c a l l o c h 和数学家w p i t t s 于1 9 4 3 年提出。1 9 5 8 年r o s e n b l a t t 提出感知机，第一次把n n 的研究付诸工程实践。此后，n n 得到 迅速发展。n n 从理论提出到实际应用只用了不到1 5 年时间，应用范围迅速渗透到模式识 别、信号与图象处理、控制与优化、预测与管理、通信等各个领域，国际与国内的学术 组织、会议及出版物大量涌现。世界各大计算机公司，各国政府和军方都对n n 研究给予 了高度的重视与支持。 随着n n 的发展，它在电力系统中的应用日益深入，涉及到负荷预测、故障诊断、动态 和静态安全评价，机组组合和优化调度以及谐波检测与预测等诸多方面。近年来，国内外 应用n n 进行谐波检测的相关研究文献迅速增加，并取得了一些工程应用成果，概括起来 有两个方面：其一，提出了基于多层前馈网络的电力系统谐波检测方法，该方法利用多层 前馈网络的函数逼近能力，通过构造特殊的多层前馈神经网络，来进行谐波检测；其二， 将a d a l i n e 神经网络和自适应对消噪声技术相结合进行谐波检测。谐波的n n 检测方法显 现出的优点有：1 计算量小；2 检测精度高，各次谐波检测精度不低于f t 和w t ，能取得令 人满意的结果；3 对数据流长度的敏感性低于f t 和w t ；4 实时性好，可以同时实时检测 任意整数次谐波；5 抗干扰性好，在谐波检测中可以应用一些随机模型的信号处理方法， 对信号源中的非有效成份( 如直流衰减分量) 当作噪声处理，克服噪声等非有效成份的影 响。但是，n n 用于工程实际还有很多问题，例如：没有规范的n n 构造方法，需要大量的训练 样本，如何确定需要的样本数没有规范方法，n n 的精度对样本有很大的依赖性等等。另 外，n n 和w t 一样，都属于目前正在研究的新方法，研究和应用时间短，实现技术尚需完善， 因此目前在工程应用中还未优先选用。 1 3 2 实现技术 ( 1 ) l 、c 、r 器件 利用l ( 电感) 、c ( 电容) 和r ( 电阻) 器件构成模拟滤波器是一种经典的谐波检测实现 技术。采用l 、c 、r 可以构成模拟低阻滤波器和模拟窄带滤波器，前者能将基波分量阻断 从而检测到总的谐波分量，后者能通过并联连接检测出各次谐波分量。原理简单、实时 检测是l 、c 、r 谐波检测电路最为突出的优点，2 0 世纪7 0 年代之前它是谐波检测的主要实 现技术，并且还在使用着。但是电路的鲁棒性、抗干扰性、检测精度都比较差，并且体积 大、损耗高，因此随着新的实现技术的发展，目前已不再优先采用。 常用的由l 、c 、r 器件构成的滤波器如下所示： d s p 在电力系统谐波检测中的应用 n 矗 瓜 罄 2 l 时 图1 2 ( a ) 单调谐滤波器( b ) 双调谐滤波器( c ) 一阶减幅型滤波器 ( d ) = 阶减幅型滤波器( e ) 三阶减幅型滤波器( f ) c 型滤波器 ( 2 ) 计算机 计算机自1 9 4 6 年诞生以来，给人们实现各种算法带来前所未有的方便，能够轻而易 举实现以前难以或者根本无法实现的算法，也由于计算机的诞生和发展，使各种时域理 论的算法实现起来非常容易，从而极大地促进了f f t 等复杂的时域分析方法在谐波检测 的应用。但是，由于计算机体积庞大、价格不菲，工程应用往往局限于一些重要场合。 ( 3 ) 微处理器 微处理器诞生于2 0 世纪7 0 年代，是诞生时间最早，也是目前在谐波检测中应用最早、 最广泛的一种嵌入式可编程芯片。微处理器已经跨过了6 个发展阶段，其中，第一 ( 1 9 7 卜1 9 7 3 ) 为4 位或8 位低档微处理器，其代表产品是i n t e l 生产的4 0 0 4 c p u 和m c s 一4 ；第 二代( 1 9 7 4 1 9 7 8 ) 为8 位中高档微处理器；第三代( 1 9 7 8 一1 9 8 4 ) 为1 6 位微处理器，代表产品 是i n t e l 8 0 8 6 ；第四代( 1 9 8 5 一1 9 9 1 ) 为3 2 位高档微处理器，代表产品有a s t 3 8 6 、c 伽p a q 3 8 6 等；第五代( 1 9 9 2 一1 9 9 4 ) 为6 4 位微处理器，如i n t e l 的p 5 ；第六代( 1 9 9 5 年至今) 为6 4 位以 上高性能微处理器，如p i i i 。 早期的微处理器，由于位数低，运算速度慢，在实现f f t 时，存在实时性差的缺陷，有 时为了提高谐波检测的实时性，不得不牺牲精度和谐波检测的次数，同样的缺陷也存在 于n n 、盯等算法的实现过程中。随着高位、高速微处理器的涌现，目前这一问题已得到 了解决，这也是微处理器目前在实际工程中应用最广泛的原因之一。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 数字信号处理器 数字信号处理器( d i g i t 8 l s i g n a l p r o c e s s o r ，d s p ) 问世于1 9 7 8 年，它采用先进的哈佛 结构，将程序指令与数据的存储空间分开，各自拥有自己的地址与数据总线，可以同时处 理指令和数据，从而使d s p 的运算速度大大提高，即使是第一代d s p ，其运算速度也比m p u 快几十倍。d s p 芯片的间世标志着数字信号处理应用系统由大型系统向小型化芯片迈进 了一大步。随着c m o s 技术的进步与发展。至2 0 世纪8 0 年代中期，第二代基于c m o s 工艺的 d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片 问世，运算速度进一步提高。9 0 年代之后。相继出现了第四代、第五代和第六代d s p 器件。 经过2 0 多年的发展，当前一般低速d s p 的运算速度达几十m i p s ，一些高速d s p 的最高运算 速度已超过2 0 0 0 m i p s 。目前，d s p 产品形成了定点和浮点两大系列d s p ，均已广泛应用工程 的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。 由于d s p 在算法实现方面具有很高的运算速度，因此大大提高了在工程应用中的实 时性，特别是在实现复杂算法时其优越性更明显。在高精度、宽频谱的谐波检测中，谐波 检测的p f t d f t 、w t 和n n 等算法的计算量都非常大，d s p 的高速运算特性显得非常可贵。 有鉴于此，近年来d s p 在电力系统谐波检测中的应用研究开展得如火如荼，一批研究成果 相继问世，呈现出后来居上之势。 d 卵在电力系统谐波检测中的应用 2 1 滤波器的分类 第2 章滤波器的设计 2 1 1 经典滤波器 虽然现代滤波器在不断发展，但是由于经典滤波器成熟。简单，在实际中得到了最 广泛的应用。经典滤波器分为f r 和r 。 传统的r 滤波器设计方法是由模拟滤波