（电力电子与电力传动专业论文）电能质量检测方法及应用研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo fp o w e rs y s t e m ，aa c c u r a t ea n dr e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mi sn e c e s s a r y t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e s o nt h ef e a t u r e so fp o w e r s y s t e ma n dd e s i g n sap o w e rq u a l i t ym o t o r i n gs y s t e m t h ea l g o r i t h m sa r es t u d i e dt o d e t e c tt h ei n t e rh a r m o n i c ，v o l t a g ef l u e n c ya n df l i c k e rr e a l t i m e t h em a i na c h i e v e m e n t si s l i s t e da sf o l l o w i n g 1 a f t e rs t u d y i n gt h ed e t e c tm e t h o d so f i n t e rh a r m o n i cc a r e f u l l y , t h i sd i s s e r t a t i o n p u tf o r w a r dt ou s et h ez o o m f f tm e t h o dt od e t e c tt h ei n t e rh a r m o n i c t h i s ，m e t h o dc a l l m e e tt h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m ea n dt h ea c c u r a t ei sv e r yh i g h ，a tt h es a m et i m et h e c o m p u t a t i o ni sn o tv e r yb i g i ti sv e r ys u i t a b l et ot h er e a l t i m es y s t e m 2 t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d yt h es q u a r ed e m o d u l a t i o np r o p o s e db yi e c ，t h i sm e t h o d m a yc a u s es o m ee lr o rw h e nt h em o d u l a t e dw a v ei ss q u a r e an e w d e m o d u l a t i o nm e t h o d i s p r o p o s e d ，t h i sm e t h o dc a l lo v e rt h ed e f e c to fi e cm e t h o da n dt h ec o m p u t a t i o ni s i n c r e a s el i m i t e d 3 an e wf l i c k e rb a s e do nf r e q u e n c yd o m a i ni sp r o p o s e d t h ef l i c k e rd e t e c t i o n m e t h o dp r o p o s a lb yi e ci si n a c c u r a t ew h e nt h ef r e q u e n c yi sl o w t h i sm e t h o dh a sh i g h a c c u r a c ya tl o wf r e q u e n c yb a n do v e r c o m et h ed e f e c to fi e cm e t h o d i no r d e rt oa v o i d t h ee r r o rc a u s e db yf r e q u e n c yl e a k a g ea n di m p r o v et h ef r e q u e n c yr e s o l u t i o nt h ec h i r pz t r a l a s f o r mi su s e d 4 t h ep o w e r q u a l i t yd e t e c t i o nd e v i c eh a si t ss p e c i a lr e q u i r e m e n t ，w h e nt h ed e v i c e i sw o r k i n gi th a st od e a lw i t hv e r yb i gc o m p u t a t i o na n df a s td a t at r a n s f o r m s ow e c h o o s ed s p + p c i + e o m p u t e ra st h em a i ns t r u c t u r e ad a qw h i c hh a sad s pc h i pi s d e s i g n ，t h i sc a r dh a sd s pc h i pa n dp c ib r i d g e t h es a m p l e dd a t ai sp r o c e s s e db yd s p a n dt h er e s u l ti st r a n s f o r m e dt oc o m p u t e rb yp c ib u s b yt h i sw a yt h ec o m p u t e ri sf r e e f r o mc o m p u t a t i o n t h ec o m p u t i n gp o w e ro fd s pa n da b u n d a n tr e s o u r c e so fc o m p u t e ri s c o m b i n e d 、5 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp o w e rq u a l i t yd e t e c t i o nd e v i c et h es o f t w a r ei s d e s i g n e d w ep u tt h ed e t e c t i o nd e v i c ei nt e s t ，t h et e s tr e s u l tp r o v et h ep o w e rq u a l i t y d e s i g n e db yt h i sd i s s e r t a t i o nc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y , r e a i t i m ed e t e c t i o n ，i n t e rh a r m o n i c ，f l i c k e r , c h i r p z ， z o o mf f t 附3 ： 声明，户口明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文电能质量检测方法及应用研究，是 本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。尽我所知，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 享有著作权的内容。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。 签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学博士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 电能作为一种经济、清洁、容易控制和转换的能源在现代社会得到了广泛的应 用，随着科学技术的发展和国民经济的增长，人类社会对电能的需求日益增加，高 质量的电能对于保障工农业生产和居民正常生活有着重要的意义。为了更好的衡量 电能的好坏，人们提出了电能质量的概念。 所谓电能质量，从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供 电质量和用电质量。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作 的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、 三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变( 谐波) 、电压暂降、中断、暂升以及 供电连续性等。电能质量与一般产品质量不同，它具有以下几个特点。 ( 1 ) 不完全取决于电力生产部门，甚至有的质量指标( 例如谐波、电压波动和 闪变，三相电压不平衡度) 往往是由用户干扰所决定。 ( 2 ) 对于不同的供( 或用) 电点在不同的供( 或用) 电时刻，电能质量指标往往是 不同的。也就是说，电能质量在空间上和时间上均处于动态变化之中。 ( 3 ) 电能质量不仅仅反映“电 的质量，而且和用电设备的性能密切相关。 近年来，电能质量问题得到了世界范围内的普遍关注，主要是基于两方面的原 因：一方面是负荷的日趋复杂化和多样化，为提高生产效率、节约能源和减少环境 污染而采用的现代化用电设备正成为电能质量问题的主要来源，如整流和逆变装置 以及变频调速装置等电力电子设备的大量应用，这些具有非线性、谐波丰富、冲击 性和不平衡特征的负荷会影响到供电电网，给电能质量提出了新的问题。另一方面， 用户对供电可靠性的要求越来越高，众多基于计算机，微处理器控制的精密电子和 电力电子装置对供电质量的敏感程度越来越高，这些设备对来自系统的干扰比机电 设备更为敏感，对电能质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则引起设备 故障，重则导致整个系统的崩溃，可能由此带来的巨大的经济损失和负面的社会影 响。 在这样的背景下，电网电能质量的实时检测表现得尤为重要与突出，通过高度 智能化的工业监控单元的实时检测，不仅能够使我们掌握全网的电能质量水平与状 况，了解系统中电能质量干扰源的分布规律，发现干扰源的动态时间分布特性，研 究各种电能质量现象在电网中的传播机理，同时能够使我们取得大量的、详实的、 不同运行工况的现场数据，从而为电能质量问题的分析、控制、治理提供不可缺少 的数据支持。 l 第一章绪论 2 国内外研究现状 为了适应电力市场发展，我国于1 9 9 5 年通过了电力法，并于1 9 9 6 年4 月1 日起实施。电力法规定：“供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准 ( 第二十八条) ，“上网电价实行同网同质同价 ( 第三十七条) 。国家技术监督局先 后颁布了六项电能质量相关标准，分别是：电能质量供电电压允许偏差g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3 、电能质量电压波动和闪变g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量公用电网 谐波g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 、电能质量三相电压允许不平衡度g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ) 、 电能质量电力系统频率允许偏差g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) ) 电能质量暂时过电压和 瞬态过电压g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 。在我国的一些高新技术园区，如上海浦东新区，非 常关注电能质量的问题，并就电能质量问题引起的损失和高科技产业对电能质量的 要求进行了调查，积累了一些实际的经验。各高校和科研机构也积极的开展电能质 量方面的研究，并取得了一些成果。但是至今没有建立全国性或大范围的电能质量 实时监测系统i 一般都是各个地方供电部门自己建立局部的电能质量检测系统，而 各个系统之间并没有联网进行数据的传输与统计，不利于在全局范围内对电能质量 问题进行准确的把握。已经投入运行的电能质量检测仪表数字化、智能化和精度不 高是普遍现象，处理能力较差，功能相对单一，不利于对电能质量问题进行大规模 广范围的数据共享和状况分析。相对而言，我国在电能质量方面的研究比较滞后。 国际上对电能质量问题的系统研究可以追溯到八十年代兴起的电磁兼容 ( e m c ) 学科。该学科对干扰的产生、传播、接受、抑制机理及相应的测量、计量 技术进行深入的研究，根据经济、技术最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰 水平及抑制措施做出规定，使处于同一电磁环境中的设备“兼容 。而电能质量问 题基本上属于e m c 中的传导低频现象。e m c 的基本任务是协调干扰发射者和接受 者之间的关系，使其“兼容”，协调方法是制定合理的规定值。1 9 9 2 年7 月，欧洲 电工标准化委员会发布公用配电系统的供电特性草案。该草案在广泛吸收i e c 标准的基础上，对中、低压配电系统用户供电端的电能质量作了全面规定，包括频 率、电压( 电压偏差、电压波动及闪变、短时和长期停电、暂态工频过电压、瞬态 过电压) 、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压等。1 9 9 3 1 9 9 5 年，美国电 力科学研究院( e p r i ) 全国范围内进行了大规模的电能质量普查，得到了大量的电能 质量数据。 目前，许多西方发达国家建立了全国性的电能质量监测网络，所采用的电能质 量检测装置一般都具有智能化、网络化等特点，能对多种电能质量问题进行检测、 记录和远传，并通过互联网实现数据共享及状况分析。与国产电能质量检测装置相 比，国外同类产品具有精度高、集成度高以及智能化程度高的特点。 2 华北电力大学博士学位论文 1 2 1 电能质量的分类 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分选，从而找出 引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决方法，将电能质量进行分类和给出相 应的定义或规定是很重要的。对于电能质量现象还可以从不同的角度分类。以下内 容反映了近几年国际上在电能质量现象分类和特性描述等方面取得的研究成果。其 中，在国际电工界有影响的i e c 从电磁现象及干扰的特性考虑，给出了引起电磁干 扰的基本现象分类，如表1 1 所示。 表1 1i e c 关于引起电磁扰动的基本现象分类 现象描述 谐波，间谐波；信号系统( 电力线载波) ；电压波 传导型低频现象动；电压凹陷( 骤降) 和间断；电压不对称。；工 频偏差；感应低频电压；交流电网中的直流分量 辐射型低频现象 工频电磁场 传导性高频现象感应连续波电压或电流；单方向瞬变；- 振荡性瞬变 辐射性高频现象磁场：电场；电磁场：连续波；瞬变 静电放电现象( e s d ) 核电磁脉冲 国际电力电子工程师协会i e e e 根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变 化等将其进行了细分，并对供电系统典型的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，如表1 2 所示。 1 2 2 电能质量标准 1 2 2 1 电压偏差【1 】 用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压 偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设 备状况而异，电压偏差计算式如下： 电压偏差( d ) = 塞型号曩筹x ，。 供电电压指标允许限值如表1 3 所示。 3 第一章绪论 表1 2i e e e 电力系统电磁现象的特征与分类 种类频谱成分持续时间电压幅值 上升沿5 n s 5 0 n s 电冲击 上升沿l u s 5 0 n s - l m s 磁 上升沿0 1 m s l m s 瞬 低频 5 l m z0 ，3 - 5 0 m s o 4 p u 态 振荡中频 5 - 5 0 0 k h z2 0 u s 0 - 8 p u 高频 0 5 5 m h z5 u s 0 4 p u 中断0 5 3 0 周波 0 1 p u 瞬时跌落 0 5 3 0 周波 0 1p u - - 0 9 p u 短升高 鸸 3 0 周波订研8 p u 时 中断3 0 周波3 s i r e so 8p u - 4 ) 9 p u 过电压 l i l l s1 1p u 1 2 p u 电压不平衡稳态o 5 2 直流偏移稳态o 舢1 设谐波0 - - - 1 0 0 t h稳态o 2 0 形 间谐波0 6 l ：h z稳态0 2 畸 陷波稳态 变 噪声宽带稳态o 1 电压波动 2 5 h z间歇 o 1 7 工 频变化 1 0 s 表1 3 供电电压指标允许限值 标准 最低的 标准编号供电电压指标允许限值运行合 名称 格率 ，0 3 5 k v 及以上供电电压正、负允许偏差的绝 1 0 l ( v ： 供电对值不超过额定电压的l o ： 9 8 以 电压1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定 上 g b1 2 3 2 5 9 0 允许电压的士7 ； 偏差2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为额定电压 1 0 l ( v ： 9 5 以 的+ 7 ，一1 0 。 上 1 2 2 2 公用电网谐波【2 】 谐波定义：供电系统谐波的定义是对周期性交流量进行傅立叶级数分解，除了 4 华北电力大学博士学位论文 与电网基波频率相同的分量外，还得到一系列为基波频率成整数倍的频率分量，这 部分分量称为谐波分量。谐波频率与基波频率的比值( n = f , ) 称为谐波次数。 电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波( n o n h a r m o n i c s ) 或分数谐波。谐波 实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、 传输、测量、危害及抑制，其谐波次数考虑范围一般为2sr l 4 0 。 1 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 表1 4 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 标准 最低的 标准编号电能质量指标允许限值运行合 名称 格率 各级公用电网谐波电压( 相电压) 限值 电网标称电压总谐各次谐波电压含有率 电压( k v ) 波畸变率奇次 偶次 公用 o 3 85 04 02 0 g b 厂r 1 4 5 4 9 1 9 9 3电网 6 、1 04 o3 21 6 9 8 谐波 3 5 、6 63 02 41 2 l1 02 01 6 0 8 注入公共连接点的谐波电流允许值见表1 5 注：标称电压为2 2 0 k v 的公用电网可参照llo k v 执行，2 2 0 k v 基准短路容量取2 0 0 0 m v a 。 2 谐波电流允许值 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1 5 中规定的谐波电流( 2 - 2 5 次) 注入的允许值；而且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其公共连接点的供电设 备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。 表1 5 注入公共连接点的谐波电压允许值 电网电压基准短路容 谐波次数及谐波电流允许值a l 【v量m v a234567 8 91 01 1 0 3 8 1 07 86 23 96 22 64 41 92 11 62 8 61 0 04 33 42 13 41 42 41 1118 51 6 1 0 1 0 02 62 01 32 08 51 5 6 46 85 1 9 3 3 52 5 01 51 27 71 25 1 8 83 8 4 1 3 15 6 6 6 5 0 01 61 38 11 35 49 34 14 3 3 3 5 9 1 1 0 7 5 01 29 66 09 64 06 8 3 o 3 2 2 44 3 第一章绪论 续表1 5 谐波次数及谐波电流允许值a 1 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5 1 32 41 11 29 71 88 61 6 7 8 8 9 7 1 1 4 6 5 1 2 7 11 36 16 85 31 04 79 04 34 93 97 43 66 8 ， 4 37 93 74 13 26 02 85 42 62 92 34 52 14 1 2 64 72 22 51 93 61 73 21 51 81 42 71 32 5 2 75 02 32 62 03 81 83 41 61 91 52 81 42 6 2 03 71 71 91 52 81 32 51 21 41 12 11 01 9 1 2 2 3 电压允许波动和闪变l n j 由于一些负荷在正常运行时呈现冲击性功率变化( f a s t s p e e dv a r y i n gl o a d ) ，其 无功功率是波动的，造成实际电压较大幅度的波动，并且连续偏离额定电压，这就 是电压波动问题，电压波动会引起部分电气设备不能正常工作。 而在商用或民用建筑的照明设备中，白炽灯占有相当大的数量，电压的波动会 造成白炽灯明显闪烁，严重时使人眼难以忍受，这就是电压闪变问题。 电能质量电压波动和闪变g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ) 是在原来标准g b l 2 3 2 6 9 0 的基 础上，参考了国际电工委员会( i e c ) 电磁兼容( e m c ) 标准i e c 6 1 0 0 3 7 等修订 而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能造成人对 灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值，见表1 6 。 表1 6 电压波动和闪变的允许值 最低 标准的运 标准编号电能质量指标允许限值 名称行合 格率 电压变动限值 d ， d ， r , h 一1 r ，h 一1 一 l v , h v l v , h v m ：v 电压 渡勃 ，l 4 31 0 ，1 0 021 5 g b12 3 2 6 2 0 0 01 ，1 032 51 0 0 rs1 0 0 02 519 9 和闪 变 电压闪变限值 电压等级 l vm v h v l 1 0 0 9 ( 1 0 ) o 8 冗 o 8 0 7 ( 0 8 ) 0 6 6 华北电力大学博七学位论文 1 2 2 4 三相电压允许不平衡度【4 1 三相不平衡是指三相电源各相的电压不对称。是各相电源所加的负荷不均衡所 致，属于基波负荷配置问题。发生三相不平衡即与用户负荷特性有关，同时与电力 系统的规划、负荷分配也有关。电能质量三相电压允许不平衡度g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ) 适用于交流额定频率为5 0 h z 电力系统正常运行方式下，由于负序分量而引起的公 共连接点的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡 度允许值为2 ，短时间不得超过4 。 而且该标准还解释：不平衡度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下 负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产( 运行) 周期中的实测值，例如炼钢电弧 炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平衡指标时，该标准规定用9 5 概率 值作为衡量值。即正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和 实际测量的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实际测 量的9 5 概率值对比；以判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的 限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。 1 2 2 5 频率偏差【5 】 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率 偏差，表达式为：频率偏差= 实际频率一标称频率( 我国系统标称频率为5 0 h z ，) ： 我国电力系统的正常频率偏差允许值为士0 2 h z ，当系统容量较小时，频率偏差值可 以放宽到土0 5 h z 。 1 2 3 电能质量常用分析方法 用于电能质量各项指标的检测的算法很多，随着数学理论的发展，各种新的算 法不断涌现，目前常用的电能质量检测算法归纳起来有变换和人工智能两大类。 ( 1 ) 基于变换的分析方法包括傅里叶变换及其各种改进算法、短时傅里叶变 换、小波变换以及正交变换等等。 傅里叶变换由法国数学家傅里叶于1 8 2 2 年提出，在信号处理领域获得了大量 的应用，具有算法成熟、速度快和物理意义明确等优点，是目前谐波检测的主要方 法。然而傅里叶变换也具有其局限性，在进行分析时，对数据采样要求较高，需要 进行整周期采样，否则就会发生频谱泄露。傅里叶变换的频率分辨率受采样时间限 制，在整个频域具有相同的分辨率，无法单独对某一感兴趣的频段进行高分辨率的 频谱分析，造成计算量的浪费。由于傅里叶变换所反映的是整个信号全部时间下的 整体频域特征，而不能提供任何局部时间段上的频率信息，即被分析信号的时间信 息得不到充分的利用，因此利用f o u r i e r 变换难以实现非稳态信号的分析。改进方法 7 第一章绪论 有利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正4 】( 又称窗口傅立叶变换或短时 傅立叶变换) 、利用锁相电路( p l l ) 使信号频率与采样频率同步、修正采样点法以及 频谱细化技术如线性调频z 变换( c h i r o z ) 1 5 - 1 8 】和复调制细化谱分析方法( z o o m f f t ) 1 9 ，2 0 l 。 小波变换是一种十分有效的时频分析工具，最早由h a a r 于1 9 1 0 年提出，已是 数学中一个迅速发展的新领域，得到了广泛应用。小波变换是一种窗口面积固定而 窗口形状可以改变的时频分析方法，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时 间分辨率，而在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率。它是一种多 尺度变化方法，应用该方法既可以显示信号的概貌，又可以剖析信号的局部特征， 因此被称为数学显微镜。正是这一特性使小波变换具有对信号的自适应性。目前用 小波变换方法进行电能质量扰动检测主要分为连续小波变换和多分辨率分析两类 2 1 - 2 6 1 ，连续小波变换的缺点是计算量大，存在较大冗余；而多分辨率分析的方法由 于进行了二抽取，难以直接根据变换结果进行检测，需要重构信号。 正交变换是数学变换中最常用的一种变换，日本学者h a k a g i 等基于正交变换， 于1 9 8 4 年提出了瞬时功率理论，瞬时功率理论的基本思想是将电流分解成互相垂 直的两个分量，一个与电压波形相同、相位一致，称为瞬时有功电流，另一个则称 为瞬时无功电流【2 7 m 1 。这种方法在检测瞬时谐波电流、瞬时无功电流方面特别有效， 不足之处是不能检测各次谐波的瞬时谐波电流，只能检测瞬时总谐波电流。 除了上述几种常用变换方法之外，希尔伯特变换也应用与谐波的检测与电压波 动的提取【3 3 3 4 1 。 、 ( 2 ) 目前人工智能是一个研究热点，各种算法不断涌现，在谐波检测以及谐 波源定位等方面使用较多的有神经网络和支持相量机【3 5 3 7 】等，其中神经网络的应用 最为广泛。 神经网络，又称为人工神经网络，其基本思想是模拟动物神经细胞群学习特性 的结构和功能而构成的一种信息处理系统或计算机系统。在理论上，神经网络具有 对任意连续函数的逼近能力、学习能力。理论分析表明，一个由三层神经元构成的 前馈网络可以形成任意复杂的判决区域，。即使模式空间的分布出现内齿合状情况， 网络也能对模式集进行正确分类。误差反向传播神经网络模型理论上可以映射任意 复杂的非线性关系。正因为如此，神经网络在电能质量的谐波测量、扰动类型识别 中得到了较好的应用【3 3 1 。但是其也有许多缺点，a n n 再使用之前需要大量的有代 表性的样本供其学习，如何寻找到这样的样本是个问题，而且其学习算法一般收敛 速度较慢，学习完成之后，如果系统结构发生改变，则需要增加新的样本重新学习， 并且a n n 缺乏解释自身行为和输出结果的能力。 8 华北电力大学博士学位论文 除此之外，人们还将其它数学方法如数学形态学【4 4 舶】、专家系统【4 7 4 8 1 、模糊 逻辑【4 9 1 、滤波以及统计【5 0 等用于电能质量的检测与分类。但是在选择检测方法时必 须考虑算法需要运行在一个实时检测平台上，因此不但要考虑算法的准确性，其运 算速度以及编程的复杂程度都必须考虑，如有必要甚至需要为了提高速度而在精度 上进行一些折衷。 1 2 4 电能质量检测装置发展现状 电测量理论及仪表技术的发展历经了早期、初期、中期和近期四个阶段。早期 和中期的电测量技术主要是以模拟量测量为主。2 0 世纪5 0 年代，数字电子技术和 微电子技术的引入，促进了电测量及其仪表技术的发展，模拟式电测仪表逐渐在越 来越多的场合被数字式仪表所代替。1 9 7 4 年出现的电压、电流波形等间隔采样技术， 使数字电子技术在测量领域中作用日益增大，成为电测与仪表技术步入中期发展阶 段的重要标志。在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为 特征，可相互通讯、可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃 发展，并逐渐走向成熟。2 0 世纪8 0 年代中期以来，电测与仪表技术进入了迅猛发 展的近期阶段。大规模集成电路技术的发展使得芯片体积缩d , n 可以置入传统仪器 内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能化特点。并在测 量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度及解诀测量问题的广度和深度等文面均有 了明显的迸步。 国外起步较早，许多公司都在这一领域推出自己的产品，例如美国的福禄克公 司、加拿大电力测量公司、瑞典联合电力公司以及以色列的e l s p e c 公司等。这些公 司生产的电能质量检测装置具有检测项目多以及精度高等特点，可以检测电压、电 流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电度、无功电度、电 压和电流至5 0 次的谐波、t h d 、电压波动与闪变、电压偏差、频率偏差、三相电 压不平衡度等几乎所有电力和电能质量参数，基本精度可以达到0 1 。尤其是 e l s p e c 公司的g 4 0 0 0 电能质量黑匣子，不但能够进行电能质量检测，同时还可以进 行每周期1 0 2 4 点的连续录波，利用其独有的p q z i p 数据压缩技术，可以记录长达 一年的波形数据，从而可以精确的对故障时刻的电压电流波形进行回放，找出事故 原因。国内推出的同类产品在功能上并不逊色，同样可以检测多项电力和电能质量 参数，只是精度略有不足。 1 2 5 目前电能质量检测所存在的问题 1 2 5 1 谐波检测的问题 谐波问题其实是由来已久的一个问题，也是电能质量最早受到关注研究热点， 9 第一章绪论 谐波的存在对电力系统的安全运行造成了极大的影响。谐波会造成许多设备工作异 常，如变压器温升增加、发电机和电动机的机械震荡、导致电力电子设备出现过零 点判断错误而出现系统失控以及自动控制设备误动作等。针对谐波检测目前有许多 算法，如傅里叶变换及其各种改进算法，神经网络、h t t 、小波、p r o n y 、支持相量 机等，相比于传统的傅里叶变换许多新的算法在精度上有了很大的提高，然而运算 量也随之大大增加，不利于电能质量实时检测的实现，现代电能质量监测系统急需 一种兼顾精度与实时性的谐波检测算法。 1 2 5 2 电压波动与闪变 与其他几项电能质量指标相比，电压波动与闪变有其特殊性，根据i e c 的定义， 电压波动与闪变是人眼对电压变动引起2 3 0 v 6 0 w 的白炽灯照度变化的一种主观视 感，主要用来表征电压变动对人的影响。由于牵涉到人的主观感受，因此无法直接 用仪器来测量，为此i e c 根据统计得出了人眼对于电压闪变的敏感程度曲线，并利 用滤波器来逼近这一曲线，从而得到了闪变发生的数学模型，闪变检测就是对这一 数学模型的实现。该方法在实现时需要多个数字滤波器串联使用，算法相对繁琐， 通过仿真分析发现直接对该方法进行数字化时会带来一定的误差，该误差超出了 i e c - 所允许的范引”】，需要通过误差曲线校正等方法改善其测量精度，不利于闪变 的实时测量，急需要提出一种满足i e c 精度要求的闪变测量方法。 1 2 5 3 ，检测平台的改进 随着电力工业的不断发展，对电能质量检测装置的要求也越来越高，需要进行 数据采样、各种计算、显示、存储、统计、通信、人机交互等，同时还要保证系统 的实时性。这种情况下不仅要求处理设备具有很高的速度和处理能力，而且要具有 实时任务调度能力，传统的单片机、d s p 或者d s p 加单片机的模式已经无法满足上 述的要求，这就要求新的功能更强的检测平台的出现。 1 。3 本文的主要工作 1 现有间谐波检测方法运算量大，不利于实时测量，研究采用复调制细化谱分 析的方法进行间谐波检测，该方法通过移频、低通滤波和重采样等处理，减少进行 多周期快速傅里叶变换时所需要的运算量，提高间谐波检测的实时性。 2 当调幅波为方波时i e c 推荐的平方检波法可能会将方波的高频分量映射入 3 5 h z 以内而造成测量误差，为此本文提出一种改进的检波方法，消除平方检波法中 频移引起的闪变测量误差。 3 为了克服i e c 推荐的闪变检测方法在低频段误差较大的不足，提出基于频域 的闪变检测方法，该方法采用线性调频z 变换求取波动分量的频率和幅值，进而计 t 0 华北电力大学博士学位论文 算得到瞬时闪变视感度，提高闪变测量的精度。 4 为了满足现代电能质量检测的需要，设计基于d s p + p c i + 工控机方式的电能 质量实时检测装置：完成带有d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 高速浮点处理芯片的数据采集卡 的设计、制作与调试，该采集卡具有多通道同步采样和p c i 桥接功能，对采集后的 数据进行实时处理，然后通过p c i 总线将结果上传给计算机，将计算机从繁琐的计 算中解放出来，充分利用d s p 强大的运算能力和计算机丰富的资源。 5 完成电能质量实时检测装置的底层驱动程序和基于虚拟仪器技术的主程序 设计，并完成整机的调试和试验。 第二章基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法研究 第二章基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法研究 在电力系统中的谐波通常定义为频率为基波( 工频) 整数倍的成分，国家的现 行标准电能质量公用电网谐波g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) ) 也只对这类谐波规定了限值和 测量方法，而对间谐波则未作相关的规定，实际上间谐波及其影响广泛存在于电力 系统中。 所谓间谐波就是指频率非基波整数倍的谐波成分，其主要来源是电网中变频调 整装置、低同步串级调速、电弧炉等波动电力负载、感应电动机等铁心设备以及配 电网中的铁磁振荡【5 2 ，5 3 】。间谐波和基波是非同步变化的，因而会导致波形正负半波 幅值发生变化以及过零点偏移，使采样数据或过零工作的数字继电器产生误差，甚 至误操作造成事故。另外，间谐波会在变压器电抗和电容组间激励起难以预料的谐 振。间谐波还有可能会引起日光灯的闪变【5 如5 6 】。频率低于基频的谐波会使汽轮发电 机发生转矩扭振【5 7 1 ，给变压器和感应电动机带来额外的损耗致使其绝缘水平下降， 能引起感应电动机噪声和振动，使传统滤波装置失效甚至损坏。因此，电力系统间 谐波问题受到了广泛的关注，学者们展开了大量的研究。目前分析间谐波的方法主 要有有傅里叶变换的各种改进算法【6 ，7 ，9 ，1 0 , 1 3 , 5 8 1 ，神经网络【3 8 4 0 ，4 2 ，5 9 - 6 2 1 ，支持相量机 【3 5 ，3 6 , 6 3 ，训，小波【2 2 6 5 6 7 1 ，p r o n y t 6 8 - 7 0 】等，但是这些方法的计算量都比较大，不利于 算法的实时实现，更适合于进行离线分析。 为了更准确的测量谐波i e c 制定了专门的谐波检测标准，其中i e c s t d 6 1 0 0 0 4 3 0 和i e cs t d 6 1 0 0 0 4 7 规定：采样频率应该足够高以保证能够准确分 析的高频谐波分量要达到9 k h z ，离散傅里叶变换的频率分辨率为5 h z 7 1 1 。由采样定 理可知，采样频率至少为9 k h z 的两倍，也就是1 8 k h z 而要达到5 h z 的频率分辨 率采样时间需要为1 0 个周波，进行这样规模的频谱分析所需运算量十分巨大，给 电力系统谐波的实时分析带来不利影响。进行快速傅里叶变换时对采样点数有一定 的要求，一般的电能质量检测装置为了满足这个条件都将单周期采样点数设定为2 的整数次幂，如果要达到频率分辨率为5 h z 则采样时间需要为l o 个周波，但此时 进行傅里叶变换的点数就不满足2 的整数次幂这个条件，无法进行快速傅里叶变换， 给计算带来一定的麻烦。而且电能质量检测装置的采样频率一般是都是通过锁相环 固定的，不便于修改。因此单纯延长采样周期的方法并不适合于间谐波的实时测量。 当系统中只含有整数次谐波的时候，如果能够做到同步采样( 使用硬件锁相环 基本可以保证采样的同步) ，则普通的f f t 算法就可以进行精确的谐波检测，当间， 谐波存在时就必须通过延长采样时间来提高f f t 运算的频率分辨率，以减少由于频 谱泄露造成的误差，但是这样就会急剧的增加运算的规模。而实际上我们感兴趣的 1 2 华北电力大学博士学位论文 只是含有间谐波的频段部分，如果只对该部分进行高分辨率的频谱分析，而对其他 不感兴趣的部分只进行低分辨率的分析，无疑可以节省大量的运算，为此，本章提 出使用复调制细化谱分析算法来实现局部的高分辨率频谱分析，并针对电力系统的 特点对算法进行了改进，使之更适应于电能质量实时检测的需要。 2 1 复调制细化谱分析方法 复调制细化谱分析方法，又称为选带频率细化分析方法，是基于复调制移频的 高分辨率傅里叶分析法，般简称为z o o mf f t ( z f f t ) 方法【1 9 ，2 0 , 7 2 1 ，是信号处理领 域7 0 年代发展起来的一项新技术。f f t 只能分析从零频开始的一个低通频带，且频 带越窄分辨率越高，z f f t 就是设法将感兴趣的那段频带谱移到零频附近，再进行 常规的f f t 运算。 2 1 1 复调制细化谱分析方法原理 通常的f f t 方法在整个分析频带内具有相同的频率分辨率，这无疑是一种浪费。 设v 为分辨率，z 为采样频率，为采样点数，则鲈= z n ，如果想提高分辨率， 在采样频率。f 不变的情况下，只有增加采样点数，但这样会极大地提高运算量， 不利于运算的实时实现。而降低采样频率，保持采样点数不变，同样可以提高 频率分辨率，但是采样频率降低后有可能造成频谱的混叠。如果将感兴趣的频段移 动到原点附近，再进行低通滤波以免频率混叠，然后进行重采样以降低采样频率， 这样就可以在不增加采样点数的情况下获得高的多的频率分辨率，该方法即为复调 制细化谱分析方法。 复调制细化谱分析方法主要包括以下几个步骤：移频一低通数字滤波一重抽样 一f f t 及谱分析一频率成分调整这样一个流程，其原理如图2 1 所示。模拟信号x ( t ) 经抗混滤波、a d 转换以后：得到采样时间序列x o ( t ) ，其离散傅利叶变换为 - z 。( 七) = x o ( ，1 ) ( 后= o ，1 ，2 ，一1 ) ( 2 - 1 ) - n = o 式中巩，= e - ，2 州 第二章基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法研究 工耸兰b0 瓦 。 而一啪 y ( d m d a t d d e e f f 图2 lz o o mf f t 算法步骤 假定要求在频带( 彳一正) 范围内进行频率细化分析，则欲观测的频带中心频率为 z ：华 ( 2 - 2 ) x o ( n ) 以e - 2 碱7 五进行复调制，得到频移信号为 荆= 而缈2 毗= 而o o s 孚一成血孚训功o o s 等一风s h l 等( 2 - 3 ) 时钟采样频率z = n z f ，谱线间隔为矽，频率中心位移厶- - 4 矽。 根据d f t 的频移性质，石0 ) 的离散频谱x ( 七) x o ( n ) 的离散频谱k ( 七) 有下述关系 x(k)=xo(七+厶)(2-4) 此式表明，复调制使x o ( n ) 的频率成分z 移到x ( n ) 的零频点，相当于k ( 七) 中的 第厶条谱线移到x ( 后) 中零点谱线位置。为了得到x ( 七) 零点附近的一部分细化谱， 可用选抽( 重采样) 的方法把采样频率降低至f d ，d 是一个比例因子，又称为选 抽比。为了保证选抽后不产生频谱混叠现象，在选抽前应进行低通滤波。滤波器的 截至频率应为f 2 d ，此时滤波器的输出为 a ， 】，( 后) = z ( 七) 日( 后) = x o ( 七十厶)( 七= o ，l ，2 ，；一1 ，n 1 ) ( 2 - 5 ) l 4 华北电力大学博士学位论文 式中h ( k ) 为理想低通滤波器的频率响应。滤波器输出的时间信号为 m ) = 专篓y 咿 协6 ， g c ，以，2j 1 f l 季三石t 尸+ l