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摘要 小波变换暂态电能质量分析及d s p 实现 摘要 电能作为一种经济实用、清洁方便且容易控制和转换的二次能源，已 成为全世界经济发展及人民生活的重要基础。与此同时，我们看到当代电 力系统的电网和负荷构成出现了新变化。一方面，电力网络不断扩张，计 算机技术、通信技术和电力电子新技术( f a c t s ：t c s c 、s v c 、h v d c 、 c u s p o w ) 在电力系统的应用，使得对系统可靠性要求更高。另一方面， 高科技含量的器件、设备与技术( 如微电子技术、计算机技术、电力电子 技术等) ，或由它们构成的数字自动化生产线，相对传统的机电设备与负 荷而言，对电力扰动的敏感性更加突出，劣质电能产生的影响日益严重， 尤其是原本就已存在却不以为然的电压暂降等暂态电能质量问题也突显 出来。传统的电能质量分析常用傅立叶变换方法，是基于有效值理论，已 不适合处理非平稳的暂态电能质量信号。因此采用新的分析方法，对暂态 电能质量进行正确的检测、分析和评估就显得十分必要。 本文从电能质量定义和国内外电能质量研究现状出发，分析了目前暂 态电能质量问题引起广泛关注的原因，着重对暂态电能质量扰动信号特 点，暂态电能质量扰动分析方法，扰动时间定位及硬件实现方法进行了深 入研究。主要内容有： 1 、结合电力系统背景，系统地分析了电能质量问题的分类、产生原 因、研究背景、主要分析方法及国内外的研究现状，并系统地建立了暂态 北京化工大学硕士学位论文 电能质量扰动信号的模型，准确地描述了暂态电能质量问题的研究对象并 探求暂态电能质量问题的解决方法。 2 、对d a u b e c h i e s 系列小波暂态电能质量分析性能进行详细比较， 分析了d a u b e c h i e s 系列小波随阶数“n 增大，时频域分析特性的递变规 律。在此基础上归纳了用于电能质量综合性能分析与评估的小波函数选取 原则。 3 、首次对电能质量分析中的小波稳态信号与暂态信号的分析能力进 行了综合评价。提出了采用d a u b 2 0 小波( 包) 变换，进行电能质量问题 综合性能评估的方法。达到通过一次变换即能准确地对稳态和暂态电能质 量问题进行检测的目的。仿真结果表明该方法具有很高的计算效率和准确 度，对实现电能质量综合性能评估有较好的应用价值。 4 、对小波变换及多小波变换暂态电能质量分析算法进行了深入的研 究和细致比较，从理论上分析了多小波暂态电能质量问题分析方面的特 性，并通过实验数据的比较得出多小波在电力信号处理，尤其是暂态信号 处理方面的特点与性能。 5 、研究了小波暂态电能质量分析的硬件实现技术。构建了以 i c e t e k - v c 5 4 1 6 a 型d s p 用户板为核心的硬件实验平台。在对a d s 7 8 6 4 和t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的基本结构进行深入分析的基础上，完成了模数转换 器驱动程序和数据采集程序的c 语言设计。此外，完成了小波暂态电能 质量问题扰动时间定位测量算法的程序设计与仿真，其中包括数据采集模 块、小波变换模块、扰动时间定位测量模块；采用了适用于d s p 上实现 的整数小波暂态电能质量问题扰动时间定位测量算法，提高运算速度。同 摘要 时，在奇异点检测过程中，对模极大值检测算法进行了改进，进一步提高 测量精度。最后，在所构建的硬件实验平台上，通过大量实验定量地研究 y d , 波暂态电能质量问题扰动时间定位算法在d s p 实际应用中的误差等 问题。 关键词：电能质量，小波变换，多小波，暂态信号模型，d s p n i w a v e l e tt r a n s f o r mt r a n s i e n t p o w e r q u a l i t y a n a i y s i sa n dd s pi m p l e m e n t a t i o n a b s t r a c t a sas e c o n d a r ye n e r g y , e l e c t r i ce n e r g yi s e c o n o m i c a l ，p r a c t i c a l ，c l e a n ， e a s yt oc o n t r o la n dc o n v e r t i th a sb e c o m et h ei m p o r t a n tb a s i cl i v e l i h o o do f e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ep e o p l ea l lo v e rt h ew o r l d a tt h es a m et i m e ， s o m en e wp r o b l e m sa n dc h a n g e sh a sa p p e a r e di nb o t ht h ee l e c t r i cp o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h es t r u c t u r eo fp o w e rs y s t e ml o a d o no n eh a n d ， e l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki se x p a n d i n g p o w e rs y s t e mi sr e q u i r e d h i g h e rr e l i a b i l i t y b e c a u s eo ft h e a p p l i c a t i o n o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y o nt h eo t h e r h a n d ，r e l a t i v et ot r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le q u i p m e n t sa n dl o a d ， h i g h - t e c hd e v i c e s ，e q u i p m e n t sa n dt e c h n o l o g y s ，o rt h ef i g u r eo fa u t o m a t e d p r o d u c t i o nl i n e sw h i c ha r em a d eb yt h e m ，a r em o r es e n s i t i v et ot h ep o w e r d i s t u r b a n c e s t h ei n f l u e n c eo fb a dp o w e ri sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ， e s p e c i a l l yt h ei n f l u e n c eo ft r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s t h em o s tc o m m o n l yu s e dt r a d i t i o n a lm e t h o do fa n a l y s i sp o w e rq u a l i t yi s f o u r i e rt r a n s f o r m i ti sb a s e do nt h er m st h e o r y i ti sn o ts u i t a b l ef o r t r e a t m e n to fn o n s t a t i o n a r yp o w e rq u a l i t yt r a n s i e n ts i g n a l s t h e r e f o r e ，n e w m e t h o d so ft r a n s i e n tp o w e rq u a l i t ya n a l y s i sa r en e e d e du r g e n t l y v 北京化工大学硕士学位论文 t h i sp a p e rp r e s e n t st h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fr e s e a r c ho np o w e r q u a l i t yi nd o m e s t i ca n da b r o a d t h er e a s o n sf o rt h ew i d e s p r e a dc o n c e mo f t r a n s i e n tp o w e rq u a l i t ya r ea n a l y z e d i ta l s of o c u s e so nt h et r a n s i e n tp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em e t h o d so ft r a n s i e n tp o w e r q u a l i t ya n a l y s i s ，d i s t u r b a n c et i m ep o s i t i o n i n ga n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o d s m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) c o m b i n e dw i t ht h eb a c k g r o u n do ft h ep o w e rs y s t e m ，s y s t e m a t i c a l l y a n a l y s i st h ec l a s s i f i c a t i o na n dc a u s a t i o no ft h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m ，t h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，m a i na n a l y t i c a lm e t h o d sa n dr e s e a r c hi nd o m e s t i ca n d a b r o a d c o m p r e h e n s i v e l y a n d s y s t e m a t i c a l l y t r a n s i e n t p o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c es i g n a lm o d e l sw e r es e tu p ( 2 ) i nt h i sp a p e r , c o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed a u b e c h i e sw a v e l e ti n d e t a i lw h e na n a l y z i n gt h et r a n s i e n tp o w e rq u a l i t y t h ep a p e ra l s oa n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i c sc h a n g i n gr u l e so ft i m e 一行e q u e n c yd o m a i na si n c r e a s i n go ft h e o r d e r 什n ”o nt h i sb a s i s ，s u m m e du pt h ep r i n c i p l e so fs e l e c t i n gw a v e l e t sf o r t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no f p o w e rq u a l i t ya n a l y s i s ( 3 ) f o r t h ef i r s tt i m e ，c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t e d ( s t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n t s i g n a l sa n a l y s i sr e s u l t s ) t h ew a v e l e ta l g o r i t h m so fp o w e rq u a l i t ya n a l y s i s t h e m e t h o dt h a tc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t et h ep o w e rq u a l i t yb yd a u b 2 0w a v e l e t w a sp r o p o s e d a c h i e v et h eg o a l st h a ta c c u r a t et os t e a d y - s t a t ea n dt r a n s i e n t p o w e rq u a l i t yp r o b l e md e t e c t i o no n l yi no n et i m et r a n s f o r m a t i o n s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dh a sh i g hc o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c ya n d a c c u r a c y v i ( 4 ) t h ep a p e ra n a l y z e dt h ea d v a n t a g e so fm u l t i w a v e l e tt r a n s i e n tp o w e r q u a l i t yp r o b l e m st h e o r e t i c a l l y , c o m p a r e d t h ef e a t u r e sa n da d v a n t a g e so f m u l t i - w a v e l e tt r a n s i e n ta l g o r i t h mi np o w e rq u a l i t ya n a l y s i s ，e s p e c i a l l yt h e t r a n s i e n ts i g n a lp r o c e s s i n g ( 5 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a ls t u d i e sa b o v e ，c o m m i t t e dt oa p p l yt h e w a v e l e ta l g o r i t h mi nt r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yt od s ea n a l y z e dt h eb a s i c s t r u c t u r eo fa d s 7 8 6 4a n dt m s 3 2 0 v c 5 416d e e p l y , c o m p l e t e dt h ea d c d r i v e r sa n dd a t as a m p l i n gp r o g r a m s f u n l l e r m o r e ，t h ep a p e rc o m p l e t e dt h ed e s i g n a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ew a v e l e tt r a n s f o r ma l g o r i t h mf o rt h et r a n s i e n tp o w e rq u a l i t ya n a l y s i s ， i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，w a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l e ，d i s t u r b a n c e t i m ep o s i t i o n i n gm e a s u r e m e n tm o d u l e t h ei n t e g e rw a v e l e tt r a n s i e n tp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c e st i m ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m sp r o p o s e d a tt h es a m et i m e ， t h ei m p r o v e m e n to fm o d u l u sm a x i m am e t h o di sm a d e ，i no r d e rt oi m p r o v et h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yf u r t h e r f i n a l l y , b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， q u a n t i t a t i v es t u d i e dt h ew a v e l e tt r a n s f o r ma l g o r i t h mo nd s e k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y , w a v e l e tt r a n s f o r m ，m u l t i w a v e l e t ，d s p v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鱼边筵日期：曼鲤乏竺：望 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 日期：星鲤星：旦：望 日期：皇翌! 垒! 圣 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 随着各种敏感电力电子设备在工业中的广泛应用，用户对供电系统的电能质量提 出了越来越高的要求例如在现代企业中，由于变频调速驱动器、可编程控制器、计 算机信息系统的日益广泛使用，对电能质量的控制提出日益严格的要求。这些设备对 系统干扰比一般机电设备更加敏感，对供电质量的要求更苛刻。不论系统是处于正常 稳态还是故障暂态，都需要保证基波正弦的幅值偏差很小，即使只有几个周期的供电 中断或电压骤降，也会影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。据美国电力 科学研究院j a n ec l e n h n e n n 估计，当今与电能质量相关的问题，在美国每年造成的损 失高达2 6 0 亿美元。劣质电能引发电网大面积停电，造成用户生产力下降，其社会影 响和经济损失是相当严重的【墉】。 电能质量引起的事故在国内外屡见不鲜。1 9 8 9 年3 月，加拿大魁北克系统中的地 感应电流导致系统主变饱和，并产生大量谐波，造成s v c 电容器组过载，s v c 保护 动作，系统电压失稳，进而导致整个魁北克系统崩溃【3 】。美国中西部电网也曾经有过 类似的报道，其负载为产生谐波较多的调速系统，虽然谐波没有超过额定容量，仍引 起主变投切失败。在国内，除神朔电气化铁道引起附近电厂停机外，甘肃白银供电局 所属l l o k v 变电站供电的电气化铁道在运行中产生1 1 次谐波，引起l l o k v 母线电压 畸变4 左右，1 1 次谐波含量达2 2 1 4 1 。 不难看出，在当代电力系统，深入了解和认识电能质量，高度重视电能质量下降 对供用电系统运行的危害和影响、甚至对社会经济的作用和影响，对全面研究和管理 电能质量问题具有极其重要的意义。因此，如何深入地理解现代电能质量问题，如何 从技术、经济和运行管理等方面加大力度，保证优质供电，以最小程度地减少对现代 工业、企业和重要电力用户的影响，既是电力用户的要求也是对现代电力系统运行提 出的新任务，电能质量问题的治理已刻不容缓【2 】。 为了保证电网和电气设备的安全、可靠、经济运行，必须采取一定的控制、补偿 技术，来提高和改善电力系统电能质量。这些控制和改善措施得以充分发挥其作用的 首要条件是及时获得各种扰动源的准确信息。而暂态电能质量扰动的种类繁多、特征 复杂，扰动的特征边缘可能重叠，现有的电能质量监测、分析仪器对门槛闭值的设定 依赖性极强，造成门槛阈值难以设置恰当，加上监测设备的数据容量有限，使得记录 到的数据是局部和片面的，真正有用的信息往往难以捕捉到。针对随着信息技术的飞 速发展而暴露的日益严重的暂态电能质量问题，需要寻求新的定位、检测、分析，以 及压缩、识别等方法，制定新的适应暂态电能质量评估的各项指标，因此对暂态电能 质量问题的研究，在理论和应用方面具有重要的意义。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 电能质量问题的提出 随着电力系统的不断发展及电网中各类非线性负荷的不断增加，电能质量的监 测、管理和控制已经越来越受到各方面的关注。计算机、电力电子和信息技术等高新 技术产业的发展和普及，对电能质量提出了越来越高的要求，电能质量问题成为投资 商在投资大型项目时的一个主要考核标准。中国技术监督局从1 9 9 0 年到2 0 0 1 年相继 颁布了涉及电能质量的6 个国家标准，这些标准分别规定了电压偏差、公用电网谐波、 电压波动和闪变、三相电压不平衡、频率偏差、暂时过电压和瞬态过电压的监测标准、 监测方法和监测设备的要求。因此，对电网的电能质量进行有效的监测成为一项紧迫 而重要的工作。电能质量监测是评估电能质量水平和发现电能质量问题的主要手段， 也是改善电能质量的前提。如果能够对电能质量做出精确的检测和分析，就可以对电 网的电能质量水平和造成的各种电能质量问题的原因做出分析和判断，为电能质量的 改善提供依据。 1 2 电能质量的定义与种类 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 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 度的对称状态。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， 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的 概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电p a 7 1 。但迄今为止，对电能质量的技术 含义还存在着不同的认识，这是由于人们看问题的角度不同所引起的，如电力企业可 能把电能质量简单看成是电压( 偏差) 与频率( 偏差) 的合格率，并且用统计数字来说明电 力系统电能的9 9 9 或更高是符合质量要求的；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合格的电能质量就是指电源特性完全 满足电气设备正常设计情况的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求 可能相去甚远。另一方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特别是 用电负荷的不同性能和结构也对电能质量提出了不同的要求。 著名电能质量专家h e y & 认为：广义的电能质量涉及系统可靠性、设备绝缘、长 时间供电中断、三相电压不平衡、电力电子设备及其与供电系统的相互作用等内容； 狭义的电能质量就是波形畸变。而另一位专家d u g o n 将电能质量问题定义为由于电 压、电流和频率偏移正常值导致用户设备故障或误动作的任何供电问题。 2 第一章绪论 i e e e 标准化协调委员会已正式采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 这一术语，并 且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备的 接地系统是均适合于该设备正常工作的。与i e e e 不同，i e c 并没有采用电能质量这 个术语，而是提到“e m c ( 电磁兼容) 术语，强调设备与设备之间的相互作用和影 响，以及电源与设备之间的相互作用和影响，并在此基础上制定出一系列相关的电磁 兼容标准。电磁兼容术语与电能质量术语之间具有很大的重叠性，因此具有很多同义 词。 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要分为稳态和暂态两大类【引。稳态电 能质量问题以波形畸变为特征，主要包括三相电压不平衡、电压波动与闪变、电压偏 移、频率偏移以及其他以波形畸变为特征的谐波、间谐波、陷波等现象；暂态电能质 量问题主要包括短时电压改变以及各种暂态现象。其中短时电压改变是指由于系统故 障或较大负载变换所引起节点电压方均根值在短时间内随时间改变的现象，包括电压 骤升、电压骤降以及瞬时中断等现象；暂态现象通常是指暂态过电压，可分为脉冲暂 态和振荡暂态两类。另外，如短时冲击谐波( h a r m o n i c s ) 和间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 在本 质上仍然是时变信号，虽然国内和国际标准未对其作出确定的划分，但本文认为仍应 该属于暂态电能质量问题，因为它同样具有暂态电能质量的特征。有关电能质量扰动 问题，一直引起各国的密切关注。i e e e 第2 2 标准协调委员会( s t a n d a r d sc o o r d i n a t i n g c o m m i t t e e2 2 ) 和其他国际委员会最近推荐采用1 1 种专用术语来说明电能质量的主要 扰动，现就这些扰动进行简要介绍： ( 1 ) 断电( i n t e r r u p t i o n s ) ：在一定时间内，一相或多相完全失去电压( 低于0 1 p u ) 称为断电。 ( 2 ) 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n s ) ：遵循各国自己的标准。 ( 3 ) 电压骤降( v o l t a g es a g s ) ：持续时间为0 5 周波1 分钟，幅值为0 i p u 至 0 9 p u ，系统频率仍为标称值。 ( 4 ) 电压骤升( v o l t a g es w e l l s ) ：电压( 或电流) 暂时性超过标称值1 0 者称为 电压骤升。系统频率仍为标称值，持续时间为0 5 周波1 分钟，幅值为1 1 p u 至1 8 p u 。 ( 5 ) 瞬时脉冲或突波( t r a n s i e n t s ) ：表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时 间内发生的现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生 在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。 ( 6 ) 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n s ) ：是在包络线内电压的有规则变动，或是幅 值通常不超出0 9p u 1 1 p u 范围的一系列电压随机变化。这种电压变换往往称为闪 变( f l i c k e r ) 。闪变这个专用术语是来自电压波动对照明灯的视觉影响。对输配电系统 产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。 ( 7 ) 电压切痕( v o l t a g en o t c h e s ) ：是一种持续时白j 小于0 5 周波的周期性电压扰 动。电压切痕主要是由于电力电子装置在两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另 北京化工大学硕士学位论文 一相而产生的。电压切痕的频率非常高，用常规的谐波分析设备很难测量出。这就是 过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。 ( 8 ) 谐波( h a r m o n i c s ) ：含有基波整数倍频率的正弦波电压和电流称为谐波， 产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波分量之和。谐波是由于电力系统和电力负 荷中的非线性特性造成的。随着用电设备对谐波敏感性的日益增加，高次谐波越来越 受到注意并规定了限额。 ( 9 ) 间谐波( i n t e r h a r m n i c s ) ：含有基波的非整数倍频率的电压和电流称为间谐 波，小于基波频率的分数谐波( f r a c t i o n a lh a r m o n i c s ) 也属于此类。间谐波主要来源 于静止变频器、循环换流器、感应电动机和电弧发生装置。 ( 1 0 ) 过电压( o v e r v o l t a g e ) ：是指电压幅值超过标称电压1 0 且持续时间大于1 分钟。 ( 1 1 ) 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) ：是指电压幅值小于标称电压1 0 2 0 且持续时 间大于1 分钟。 表1 1 【9 】对电力系统中发生的主要电能质量问题的性质、特征指标、产生原因、 后果以及解决方法作出了系统的归纳。国际电气电子工程师协会( i e e e ) 标准化委员 直辖市委员会制定了电力系统电磁现象的特征参数及分类，如表1 2 所示。 1 2 2 电能质量问题产生的原因 暂态电能质量问题产生的原因较为复杂，发生的频度较为偶然，它主要是系统遭 受外来干扰、或内部故障、或正常操作情况下发生，而且与电网结构、电网联系强度、 感觉设备( 敏感负荷) 的用电特性等因素有关；相同的干扰在不同的电网结构及联系 强度下产生的效果指标参数不同，相同的干扰在相同的电网结构及联系强度下对不同 的响应源( 敏感负荷) 所感受的程度及产生的效果也不相同。一般来说，扰动能量的 传递遵循由高电压等级损失较小地向低电压等级传输，同时在同电压等级之间根据联 系紧密程度也进行传输。引起暂态电能质量问题的主要原因可归结为以下几个方面： l 、电力系统短路故障 这是最普遍、最明显、最直观的干扰因素。电力系统的短路故障总是伴随着瞬间 的电压跌落、中断，这种扰动传播的强度与电网结构及电器参数存在密切的关系。另 外，这种扰动同样能够由低电压等级向高电压等级传播，只不过范围及强度较弱而已。 短路干扰产生的跌落幅值可通过理论计算或数字模拟或动态模拟获取，其手段可根据 具体情况选择，例如成熟的短路计算、m a t p o w e r ( 开放式专业化的计算仿真工具) ， 国内也具有相当水平的动态模拟实验站( 电科院、西高所) 对实际电网进行模拟操作。 这种干扰所持续的时间与系统的保护设置及保护设备、开关设备的固有动作时间有 关。一般短路故障从发生到切除基本持续5 个周波左右。另外，重合闸设备的动作使 4 第一章绪论 得这种扰动更加复杂，需认真对待分析。 2 、闪络或线路对地放电 雷击引起绝缘子闪络、阴雨季节( 春秋季) 或鸟粪引起绝缘子污闪、或者其他形 式的线路对地放电是造成电压跌落和供电中断的一个较普遍、发生几率较大的因素， 带有一定的天灾人祸性质。 3 、电力系统正常的开关操作 电力系统正常的断路器投切一般伴随着瞬间的电压跌落，但幅度一般不大。但如 果合闸较大负荷，往往产生不可忽视的电压跌落。 4 、储能性电器设备的正常操作 5 、一些典型的冲击性负荷的生产过程，主要包括： ( 1 ) 交( 直) 流炼钢电弧炉( 在同电压等级供电母线) ( 2 ) 轧机、提升机、绞车 ( 3 ) 电动机的启动( 特别大容量、高频度启动的电机) ( 4 ) 电焊设备 1 2 3 电能质量扰动的特点 电能质量扰动具有如下特点： ( 1 ) 不完全来源于电力生产部门 有的扰动( 例如谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度) 往往是由用户造成 的： ( 2 ) 电能质量扰动发生地点和持续时间的长短不定 即电能质量在空间和时间上均处于动态变化之中； ( 3 ) 电能质量扰动和用电设备性能密切相关 当扰动水平与电气设备的容许偏差存在差异时，一方面要求电力供应者努力提高 电能的供电质量，减小、消除扰动的影响；另一方面也要求电气设备不仅应能在规定 的标准值之内正常运行，而且应具备承受短时超标运行的能力。 5 北京化工大学硕士学位论文 表i - i 电能质量问题一览 类型 扰动 性质 特征指标产生原因后果 解决方法 6 第一章绪论 表1 - 2 电力系统电磁现象的种类和特征 t a b l e1 - 2c l a s s a n dc h a r a c t e ro fe l e c t r o m a g n e t i s mp h e n o m e n o ni n e l e c t r i cp o w e r s y s t e m 种类典型频谱成分 典型持续时间 典型电压幅值 1 3 电能质量问题的危害 电网电压的波动、跌落、骤升、不平衡、谐波等除了影响电能质量敏感符合正常 工作外，还会有以下几项危害： ( 1 ) 使电网中的元件产生附加损耗，降低发电、输电以及用电设备的效率和使用 寿命； ( 2 ) 导致继电器保护和自动装置的误动作，并可能使电气测量仪表计量不准； ( 3 ) 产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部过热； ( 4 ) 谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏； ( 5 ) 谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，大 大增加了谐波的危害性，有时会引起严重的事故； 7 北京化工大学硕士学位论文 ( 6 ) 高次谐波还会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声、降低通信质量； 重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作； ( 7 ) 在电压严重不平衡时，会使对于电压过零点有严格要求的某些直流电机发生 故障。 1 4 电能质量标准 电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义。参考 i e c 标准，从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如 下： ( 1 ) 低频传导现象：谐波、间谐波、电压波动、电压与电流不平衡，电压暂降 与短时断电，电网频率变化，低频感应电压，交流网络中的直流； ( 2 ) 低频辐射现象：磁场，电场； ( 3 ) 高频传导现象：感应连续波电压与电流，单向瞬态、振荡瞬态： ( 4 ) 高频辐射现象：磁场、电场、电磁场( 连续波、瞬态) ； ( 5 ) 静电放电现象。 电能质量是一个抽象的概念，内涵丰富，外延广阔，为了便于开展电能质量工作， 国际上制定了各种电能质量标准。i e e e 制定了i e e e5 1 9 电能系统谐波控制规范和要 求【i o 】、i e e e11 5 9 电能质量监测推荐规范【1 1 1 。i e c 把电能质量归为电磁兼容范畴，在 i e c6 1 0 0 0 ( 1 6 部分) 标准系列中，制定了专门的电能质量标准，主要有i e c6 1 0 0 0 4 3 0 电能质量测量方法1 1 2 1 、i e c6 1 0 0 0 4 7 供电系统及其连接设备的谐波与间谐波测量与 仪器通用指南、i e c6 1 0 0 0 - 4 1 5 闪变仪功能与设计规范。1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准 化委员会( c e n e l e c ) 也颁布了一个电能质量标准，称为：公用配电系统供电电压特性 ( c e n e l e cc l c b t - t f 6 8 6 ( s e s ) 1 5 ) ，作为欧洲共同市场对中低压电能质量的统一标 准。 目前在国际上流行的主要电能质量标准即为上述的i e e e 标准和i e c 标准。为了 保证我国的电能质量，我国在参考两大电能质量标准的基础上，结合自己国家国情， 制定出自己的电能质量标准。到2 0 0 3 年底，我国国家质量技术监督局相继发布了六 项电能质量国家标准( 其中二项标准已经修订过) ，即： g b1 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压容许偏差修订版 g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变修订版 g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波 g b t1 4 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压容许不平衡度 g b t1 4 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率容许偏差 g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 8 第一章绪论 标准规定了交流电力系统中作用于电气设备稳态电压、频率、三相平衡度、波动 和闪变、波形畸变以及暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平以及过电 压保护方法。但是电能质量标准体系远没有完善，以i e c 和我国为例，电能质量标准 规定的就过于简单和笼统。基于这种情况，国内外正在加快电能质量标准的制定步伐。 我国已经着手进行电能质量检测设备通用要求和电能质量电压暂态和短时断电 标准制定工作。此外，我国还为此颁布了( g b t1 9 8 6 2 2 0 0 5 1 电能质量监测设备通用 要求和d l 厂r1 0 2 8 2 0 0 6 1 电能质量测试分析仪检定规程，对“电能质量”测量设备 的“质量”予以规定。 1 5 暂态电能质量分析的现状及存在的问题 1 5 1 国内外现状 电能质量过去的研究主要集中在谐波相关的稳态电能质量问题上。由于受到检测 技术的限制，对配电系统中普遍存在的诸如电压骤降、电压骤升、暂态扰动等各种暂 态电能质量问题研究较少。随着配电系统中电能质量水平与用户对其要求之间的差距 日益加大，所带来各种问题已引起各国电力工作者的高度重视，暂态电能质量也已逐 渐成为供电部门和广大用户共同关心的问题，研究和开发电能质量领域的新技术已成 为近年来电力系统研究领域的新热点【1 3 , 1 4 。尽管谐波问题始终是电能质量的一个重要 课题，但随着广大用户对电能质量问题的日益关注，对于电能质量的研究已不限于单 一稳态谐波，而是需要进一步扩展到配电系统中出现的各种暂态电能质量问题，这表 明了电能质量领域的研究已进入到一个更深的层次。 为了解决日益下降的电能质量对国民经济各行业经济安全运行的威胁和提高人 民生活质量的需要，世界各国都十分重视电能质量问题。国外对电能质量的研究工作 开展比较早，取得了一些比较成熟的研究成果。美国电力科学研究院( e l e e t r i ep o w e r r e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 自2 0 世纪9 0 年代就将“d i s t r i b u t i o na n dp o w e r q u a l i t y 列入其 1 2 个主要研究领域之中。截止2 0 0 2 年底，e p r i 与电能质量有关的项目、研究和报告 达到一万九千多项。其它许多著名的协会和机构，如i e c 、i e e e 、a n s i 等都制定了 相关标准。一些大的公司和企业如f l u k e 、g e 、a b b 等也参与到电能质量市场中来， i e e e 和c i g r e ( 国际大电网组织) 也都成立了相应的工作组进行理论研究。1 9 7 0 年 美国为解决电压中断问题投入的费用为1 0 0 0 万美元，1 9 8 0 年美国为改善电能质量投 入的费用为l 亿美元，1 9 9 0 美国为解决电压瞬变投入的费用为l o 亿美元；2 0 0 0 年全 球为改善电能质量投入的费用为1 0 0 亿美元，2 0 0 2 年全球为改善电能质量投入的费用 为2 0 0 - 5 0 0 亿美元。我国电力系统建设长期是重发电、轻供电，更轻视供电质量。在 我国发电和配电的投入比例约为l ：o 2 ，而国外发达国家一般为l ：o 7 。目前，我国 9 北京化工大学硕士学位论文 已经开始大幅度提高电网建设的投资，国家电力科学研究院成立了“电能质量及电机 研究室”，进行电力污染治理和电能质量多个方面研究。安徽大学于1 9 9 4 年成立了我 国高校第一个电能质量实验室国电公司。1 9 9 8 年发布的关于加快城市电网建设改造 的若干意见中强调，城网建设的投资应占总电力建设投入的6 0 ，提高电能质量是 城网建设改造要实现的四大目标之一。2 0 0 1 年1 月经教育部批准成立了“教育部电能 质量工程研究中心”。清华大学、四川大学、华北电力大学等许多高校随后也开展了 相关方面的研究。上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴工贸公司等一些新兴企 业设计了一些相关产品，并达到了一定市场规模。 小波变换的出现为电能质量分析开辟了新的研究方向。目前，已有不少学者开始 这方面的研究，主要集中在应用小波变换方法进行电能质量扰动与定位、电能质量扰 动信号数据压缩、电能质量扰动识别以及暂态电能质量扰动建模与分析等方面的研 究。常用的小波基函数有：d a u b e c h i e s 小波、b 一样条小波、m o i l e r 小波、m e y e r 小波 等；常用的算法有m a l l a t 在多分辨分析( m r a ) 基础上提出的塔式快速小波算法 m 2 l l l a t 算法。 国外最早关于小波变换