（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的电压暂降检测的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的电压暂降检测的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 壶复至 日期：望! ! ! 至：! ! 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： 汐| o 弓lt o 导师 日 躲易型认 期：塑! 望：乡l o 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着现代科学技术的发展，各种敏感性用电设备得到了广泛应用，电压暂降被 认为是影响这些用电设备正常、安全运行的主要原因。本文分析研究了现有各种电 压暂降检测方法，在此基础上根据正弦周期信号波形重复性特征，提出了一种前后 周期对应瞬时值连续比较的方法。针对该方法在过零点处容易受噪声和采样误差等 因素的影响加入了滞后单元，并且进行了仿真分析，结果表明这种方法能快速准确 地检测出暂降特征量。实验方面，完成了信号采集卡的调试和算法程序的编写，并 且在多种情况下验证了检测方法的实时性和准确性。 关键词：电压暂降，检测方法，滞后单元，数字信号处理器，c c s a b s t r a ct w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , ai o to fs e n s i t i v ee l e c t r i c e q u i p m e n t sw e r ew i d e l ya p p l i e d v o l t a g es a g sw e r ec o n s i d e r e da st h em o s t l yr e a s o n w h i c ha r ea f f e c tt h e s ee l e c t r i ce q u i p m e n tr u n n i n gi nn o r m a la n ds a f e t y an e wm e t h o di s p r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gv a r i e t yo fv o l t a g es a gd e t e c t i o nm e t h o d sa n d t h e r e p e a t a b i l i t yo fp e r i o d i cs i g n a l ，h y s t e r e s i sb a n d s a r eu s e di no r d e rt oa v o i dt h ei m p a c t o ft h es a m p l i n ge r r o r , n o i s ed u r i n gt h ev o l t a g eo ft h ev a l u ea p p r o a c h e sz e r o ，s i m u l i n k s v a l i d a t er e a l t i m eo ft h i sm e t h o d b a s e do nt h et h e o r ym e t h o d ，a l g o r i t h mp r o g r a mi s c o m p i l e d ，a n dc o m m i s s i o n i n gw o r kh a sb e e nc a r r i e do u to nt h es i g n a la c q u i s i t i o nc a r d ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o di sp r o v e df u r t h e r l y y a n gc h a n g d a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f y a nx i a n g w u k e yw o r d s ：v o l t a g es a g ，d e t e c t i o nm e t h o d ，h y s t e r e s i s b a n d s ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ，c c s 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 电能质量问题的研究背景：1 1 2 电压暂降问题概述及其研究意义2 1 2 1 电压暂降问题介绍2 1 2 2 电压暂降问题的研究意义一3 1 3 电压暂降特征量的检测方法4 1 3 1 均方根值计算方法4 1 3 2 短时傅立叶变换法4 1 3 3 小波变换法5 1 3 4 瞬时无功功率理论6 1 3 5 分形分析方法6 1 3 6 缺损电压法7 1 4 本论文的主要工作8 第二章电压暂降类型分析9 2 1 电压暂降扰动的主要原因9 2 1 1 短路故障引起的电压暂降( f r s ) 9 2 1 2 变压器激磁引起的电压暂降( t e r s ) l o 2 1 3 感应电动机启动引起的电压暂降( m s r s ) 1 1 2 2 电压暂降的基本分类1 3 2 3 变压器绕组连接形式对电压暂降传播的影响1 7 2 4 小结2 0 第三章电压暂降的检测方法：2 1 3 1 电压暂降特征量的检测2 1 3 1 1 电压瞬时值的描述：2 1 3 1 2 锁相同步的基本原理2 2 3 1 3 暂降起始时刻检测算法2 3 3 1 4 仿真验证2 4 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 存在的问题及其改进方法2 5 3 3 改进方法的仿真研究2 8 3 4 小结3 0 第四章电压暂降检测装置3 l 4 1 系统的整体结构3 l 4 2 数据采集卡设计3 2 4 3 总线接v i 芯片p c i 9 0 3 0 3 3 4 4 基于p c i 9 0 3 0 的p c i 接口设计3 4 4 4 1p c i 9 0 3 0 与d s p 的接口设计3 4 4 4 2p c i 9 0 3 0 与p c i 总线的接口设计3 6 4 5 小结3 7 第五章实验研究3 8 5 1 软件开发环境c c s 2 0 3 8 5 1 1c c s 简介3 8 5 1 2d s p b i o s 简介3 8 5 2 系统软件设计4 0 5 3 底层软件设计4 2 5 4 实验验证4 4 5 5 小结4 7 第六章结论与展望4 8 参考文献4 9 致 谢5 l 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 i i 华北电力大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 电能质量问题的研究背景 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居民正常生活和工农业生产有着非常重要的意义。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，主要原因有以下两方面： 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 子装置的大量使用，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，能否对电能质量进行实时监测变得尤为重要和突出，通过高 度智能化的工业监控单元的实时检测，不但能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情况和规律，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，而且能使我们取得丰富的、真实 1 华北电力大学硕士学位论文 的、不同运行工况的现场数据，进而为电能质量问题的分析、控制、治理提供至关 重要的数据支持。 1 2 电压暂降问题概述及其研究意义 1 2 1 电压暂降问题介绍 电压暂降( v o l t a g es a g ) 是一种常见的电能质量扰动问题，一般定义为在5 0 h z 有 效值快速下降到额定电压的1 0 至9 0 之间，其持续时间为半个周波至一分钟。国 际电气与电子工程师协会( i e e e ) 将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降至额定 值的1 0 9 0 ，然后回升至正常值附近，这一过程的持续时间为1 0 m s 6 0 s ；而国 际电工委员会( i e c ) 将其定义为电压有效值下降到额定值的1 9 0 ，持续时间为 1 0 m s l m i n f l 】。 目前普遍使用的表征电压暂降的特征有电压暂降深度即最小电压有效值和电 压暂降持续时间。某一区域电压暂降水平由美国电科院采用的系统平均有效值频度 指标( s y s t e ma v e r a g er m s ( v a r i a t i o n ) f r e q u e n c yi n d e x ，s a r f i ) 来衡量，这个指标 规定了一段时间内最小电压低于某些阈值的事件总数，例如s a r f i x 指的是一年中 该点发生电压暂降深度低于x 的次数，这个数据一般是在某一区域内经过一段时间 ( 通常为一年) 的电能质量监测统计出来的结果。 引起电压暂降的主要原因是电网或用电设备发生雷击、短路故障等，一些用电 设备( 如电动机) 启动或突然加荷也会造成电网电压瞬时下降【2 1 。 解决电压暂降问题，需要了解用电设备对电压暂降的敏感特性，即什么水平的 电压暂降会引起用电设备不正常运行。目前，国际上还没有统一的用电设备耐受电 压暂降能力的标准规定。每一设备对电压暂降的敏感程度是不一样的，需要通过试 验才能知道实际情况。国际上一些行会组织制定了相关的技术标准，规定了用电设 备耐受电压暂降的能力。美国计算机制造商会提出了c b e m a 曲线，描述计算机能 耐受一定幅度及持续时间的电压暂降的能力；国际半导体生产商组织制定了 s e m i f 4 7 标准 3 1 。 目前掌握的电压暂降解决办法主要有： 1 ) 优化输配电系统设计及运行结构，减少故障对电网用户供电电压的影响； 2 ) 采用( 电力电子) 快速负荷切换开关； 3 ) 应用电力调整装置，为用户提供定制电力； 4 ) 对用电设备及布局优化设计，提高设备耐受电压暂降的能力； 2 华北电力大学硕士学位论文 5 ) 采用不间断电源、动态电压恢复器、储能发电机组等电压暂降缓减( m i t i g a t i o n ) 设备。 当电压暂降发生时，电压信号中可能含有一定的谐波分量。谐波有可能是电压 暂降未发生前系统的谐波干扰源引起的，也可能是电压暂降扰动源引起的。对于电 压暂降敏感设备来说，有时电压谐波可能对其运行造成影响，有的则不会。因而对 于电压暂降治理来说有时不仅需要保持基波电压为正常值，还需要对谐波电压进行 滤波。例如不问断电源、动态电压恢复器等都是通过补偿基波电压来治理电压暂降 的，但是若要使敏感设备不受电压谐波的影响则还需要与治理谐波的方法相配合， 这时就成了较为综合的提高电能质量的方法。 电压暂降的优化解决方案要考虑许多因素，包括期望的系统性能、电能质量变 化特征( 电压暂降幅度、时间等) 、用电设备的敏感度、用电系统设备的大小、环 境、维护要求等。 1 2 2 电压暂降问题的研究意义 长期以来，对电能质量的研究主要集中在电压偏移、谐波、闪变、不平衡等方 面，对电压暂降问题重视不够，个重要的例证是目前国际上还没有正式的电压暂 降技术标准。随着高科技发展和应用，电压暂降的危害日益显现，实际上，目前造 “ 成用电设备不正常运行的主要电能质量问题就是电压暂降及供电瞬时中断。并且一 般情况下中断是由地区配电网故障引起的，而设备终端所经历的电压暂降可以是由 几百公里以外的输电系统故障引起的，因而相对于中断来说，电压暂降是一个涉及 更为广泛的扰动现象。虽然单次电压暂降不如中断影响严重，但是由于电压暂降发 生频率较高，总的来说其危害也是很严重的，因而最近引起了各方面的广泛重视。 英国曾对容量超过i m w 的1 0 0 家用户作了调查，结果显示在过去的1 2 个月里，6 9 的用户的生产过程因电能质量问题而受到破坏，其中4 5 的用户遭到多次扰动，在 事故原因调查结果统计中发现，8 3 的事故是由电压暂降或瞬时供电中断造成的。 电压暂降会引起敏感控制器不必要的动作( 引起跳闸) ；造成包括计算机系统 失灵、自动化控制装置停顿或误动、变频调速器停顿等；引起接触器停顿或低压保 护启动，造成电动机、电梯等停顿；引起高温光源( 碘钨灯) 熄灭，造成公共活动 场所失去照明。因此，电压暂降会给工商业带来很大的经济损失，甚至会危害人身 及社会安全，所以可以说对于电压暂降的研究不仅是经济利益的要求，也是社会利 益的要求。在科技迅猛发展，电力市场化程度不断深入的今天，对电压暂降扰动的 监测、分析、解决等一系列问题的研究显得更加重要。通过研究可以： 1 ) 得到网络电压暂降特征信息，作为电能交易竞争中的一项指标； 3 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 得到设备对电压暂降扰动的耐受能力，为用户在新安装设备或改造设备时提供 依据； 3 ) 识别电压暂降扰动的产生原因，为电压暂降治理提供依据； 4 ) 研制电压暂降的治理方法，减少电压暂降造成的危害，降低社会经济损失。 1 3 电压暂降特征量的检测方法 1 3 1 均方根值计算方法 电压暂降是指供电电压均方根值在短时间突然下降的变化情况。显然，采用均 方根值可以衡量电压的暂降程度。 已知，连续周期信号“( f ) 的均方根值定义为 u 晰s = ( 1 - 1 ) 式中t 为信号的周期。 如果周期t 不存在，或t 小于被测量信号的半个周期，则采用式( 1 1 ) 计算出的 均方根值不再具有原有的含义。对信号进行数字化处理之后，积分运算可采用下面 的求和运算实现 厂：一 = n 1 磊1 , 1 - 1 u 2 ( 刀) ( 1 - 2 ) 式中n 为1 个周期中总的采样点数。 均方根值计算中常采用滑动平均值法【4 1 。当采集到新的样本点时，顺序将最早 采集的样本点去除，然后用一个周期的滑动采样值进行均方根值运算，即可求出一 个新的均方根值。这样，在每个采样瞬间都可得到一个新的均方根值。 但是当有电压暂降发生时，均方根值有1 个周期的的过渡时间。同时，均方根 值计算结果也不能很明确地给出电压暂降起止时刻，更无法给出电压暂降发生时可 能出现地相位跳变的大小。 。 在电压暂降实时测量中，计算速度的快慢非常重要。若仅从检测算法上加速测 量过程，一种实用的简便方法是取半个周期的采样数据进行滑动平均处理。但是， 半个周期的算法仍存在上述整周期算法的不足。 1 3 2 短时傅立叶变换法 s t f t 又称加窗傅立叶变换【5 1 ，是一种局部化时频分析方法，其基本思想是：将 4 华北电力人学硕士学位论文 信号划分为许多小时间间隔，用快速傅立叶变换( f f t ) 分析每一时间间隔内的信号， 以确定该时间间隔内的频率。即将非平稳信号看作是一系列短时平稳信号的叠加， 而短时性通过时间窗来获得( 见图1 1 ) 。s t f t 在一定程度上克服了标准f t 不具有 局部分析能力的缺陷。 显然，为提高时域、频域的分辨率，窗口的时宽d 和频宽e 越小越好。但海森 堡测不准原理指出d e c ( c 为一常数) ，即d 、e 相互制约，两者不可能同时都任意 小。文献【6 】尝试了利用不同宽度海明窗的s t f t 检测电压暂降信号的各频率分量频 谱特征的方法，并与小波变换结果进行了比较，得出在电能质量扰动检测方面s t f t 优于小波变换的结论。当然这是在选择到合理窗口的条件下所得的结果。 幅 频率 时间 图1 - 1 加窗傅里叶变换示意图 由此可见，s t f t 的不足在于：窗函数确定后，只能改变窗口在相平面上的位 置，而不能改变窗口的形状。电压暂降属瞬变信号，即在较短的时间内信号发生一 系列的变化，s t f t 用一种固定不变的尺度来分析其过程，有很大的局限性，因此 s t f t 在分析电压暂降信号时的准确度不高。另外s t f t 的离散形式没有正交展开， 难以实现高效算法【7 1 。 1 3 3 小波变换法 小波变换( w t ) 是一种窗口面积固定而窗口形状可变的时频分析方法，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。w t 在时频两域同时具有良好的局部化性质。 w t 的尺度参数a 和位移参数f 共同地变化，既改变了连续小波函数的频谱结 构，又改变了小波窗口的大小与形状，且满足信号频率越高相应的窗口越小，在时 域上的分辨率越高。这一特点决定了w t 可对频率有着自适应的特性，可充分反映 信号的局部情况。 5 华北电力人学硕士学位论文 w t 具有时频局部化的特点，克服了以上f f t 和s t f t 的缺点，特别适合于突 变信号和不平稳信号的分析。它可用来准确定位暂降信号的发生和恢复时刻，从而 提取出暂降时间段内的波形，在通过分解和重构后复现原有的波形，便于较准确地 分析处理暂降信号。文献 8 】利用构造的复数正交紧支对称复数小波，以电压信号为 例分析了引起电能质量下降的电压暂降；对微小暂降幅值( 3 1 0 。3 ) 扰动和频率扰动 的仿真分析表明：复数点定位及不同扰动幅值确定的大量仿真发现，其检测准确度 也很高。此外，文献【9 】利用w t 变换探索了多种电压质量扰动的检测方法，虽然检 测结果较好，但计算时间增加。 实用中，w t 的缺点是运算量较大，应用在实时系统中需要价格较高的高速运 算芯片，如高档d s p 等。另# f w t 有“边缘效应 ，在边界上要进行数据处理，这会 占用不少时间，引起一定的误差。 1 3 4 瞬时无功功率理论 瞬时无功功率理论自1 9 8 0 年底提出以来，在许多方面得到成功的应用。文献 1 0 】 中对传统的无功功率理论进行一些改进和简化处理后，用来确定电压暂降信号变化 的幅值，使得计算速度明显提高。在使用该方法时，首先对电压信号进行滤波，文 中提出将小波软阈值与差变法相结合并利用瞬时无功功率理论进行电压暂降的检 测分类。含有噪声和不含噪声两种情况下扰动发生时的检测结果的比较表明，该方 法能对电能质量扰动( 如电压暂降等) 进行准确、有效的分类与识别。 此方法用来检测暂降信号的缺点是在检测时间上，虽然使用了一些优化方法来 提高检测速度，但因瞬时无功功率理论检测存在延时而且采用的滤波器也存在延 时，故使用瞬时无功功率理论来检测电压暂降信号仅仅局限于暂降信号的持续时间 较短时，否则该方法就失效了。 1 3 5 分形分析方法 分形( f r a c t a l ) 的概念由b b m a n d e l b r o t 于1 9 7 5 年提出，近年来成为研究和处理自 然与工程中不规则图形的强有力的理论工具。大多数关于分形的定义都基于“用尺 度s 进行度量 的思想：当测量一个集合时，忽略尺小于s 的不规则部分，然后看一 看当s _ o 时，这些测量有什么行为结果。小波理论为分析分形局部细微性质和研究 分形体的构造规则提供了有效手段。 6 华北电力人学硕士学位论文 h 正 y ( r ) m ( ，) 取 变 幅 换 值 经验 j 模态 成 匀懈 点：彻 z ( ，) h 取 取 反 x ( f ) 口( f )l 相 倒 变位 2 万 数 换 图1 2h h t 变换原理图 文献 1 l 】利用小波与分形的内在联系，先对扰动进行小波分解，再利用非线性 最小二乘法提取扰动的整体分形指数和局部分形指数。结果表明可以利用各种扰动 的整体分形指数和局部分形指数的特征，来提取各种扰动的特征量，以进行识别与 分类。该方法不但可对单一电压暂降进行检测，而且能在多种电压扰动情况下进行 检测分析，但小波与分形分析方法之间的关系仍有待于研究。此外，分形指数小波 分析法应与传统方法相结合，才能很好地检测、分类并统计扰动现象、确定暂降的 范围和幅值。 ” 1 3 6 缺损电压法 缺损电压定义为期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之间的差值。期望的瞬时电 压可采用对事件发生前电压的外推法得到，这类似于锁相环( p l l ) 法。因此，可将 期望的瞬时电压波形称为“尸! 配波形”( f ) 。被扰动的波形称为v 。o s ( t ) ，在任何一 时的缺损电压肌( f ) 为 m ( t ) = ( f ) 一( f ) ( 1 - 3 ) 由三角函数的特性可知，两个正弦波的和或差为另一个可能具有不同相位的正 弦波。因此，只要暂降电压波形为正弦波，则缺损电压也将为正弦波。 令 。 ( f ) = a s i n ( c o t 一九) ，( f ) = b s i n ( c o t 一九) 式中a ，b ，吮，九分别是p 比电压和暂降电压的幅值和相角。假设两电压的频 率相同，则朋( f ) 可表示为 朋( f ) = r s i n ( c o t - ) ( 1 - 4 ) 7 华北电力大学硕士学位论文 式中 r = 历而面丽丽，少= a r g t 锄瓮黼 在“缺损电压法中，对暂降电压的幅值和相位的的瞬时确定仍是需要解决的 问题，这样就不能够做到d v r 补偿容量的动态控制。另外，相位按时间的推移累加 会导致误差的累加，本文第三章将在一周期内才够某设定的点数后相位自动清零， 这样能避免相位累加导致的误差累加。 1 4 本论文的主要工作 在电力系统安全稳定、经济运行条件下，电能质量的优劣，起着举足轻重的作 用，直接关系到国民经济的总体效益。因此，建立一个包括动态电能质量在内的电 能质量监测与分析系统是十分必要的。通过研究现有的电压暂降检测方法，本课题 主要做了以下工作： 1 ) 研究分析现有各种电压暂降检测算法，分析它们在实际应用中的缺陷和不足， 在此基础上根据正弦周期信号波形重复性特征，结合锁相同步跟踪原理准确确 定周期的起始点，提出一种前后周期对应瞬时值连续比较的检测方法。 2 ) 针对在电压过零点和临界点时，微小的扰动都可能导致检测方法失效，本文迸 一步探讨在检测算法中增加滞后单元，以避免过零点时的误判断，以及根据检 测时间和精度的要求来确定滞后单元的延时长度。 3 ) 进行系统软件设计和调试。运用c 语言完成对算法程序的编写，通过应用数字 信号处理器t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列仿真器对系统软件代码进行设计调试。完成数据 采集卡的调试工作，并在不同时刻发生暂降时验证算法的准确性和实时性。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章电压暂降类型的分析 电压暂降是配电系统中最为常见的一种电能质量扰动，由于其发生频率高、造 成经济损失严重在近年来引起了各方面的关注。造成电压暂降的原因总的来说是由 于流经系统电源阻抗的电流突然增大，造成电源阻抗分压增加，进而引起公共供电 点( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g ，p c c ) 电压暂降。 电压暂降产生原因大体可以分为系统、变压器和负荷三类。系统侧为短路故障、 开关操作等；变压器指的是变压器激磁涌流；负荷侧主要是大容量感应电动机的启 动、大容量负荷投入等。大多数电压暂降都是由短路故障引起的，各种类型的短路 故障都能够引起电压暂降。故障可能是对称的( 三相短路故障) ，也可能是非对称的 ( 单相接地故障、两相短路故障以及两相短路接地故障) 。 2 1 电压暂降扰动的主要原因 2 1 1 短路故障引起的电压暂降( f r s ) 电力系统在运行过程中，雷击、电缆损坏、设备故障、动物以及绝缘污染等原 因都可能引起电力系统短路故障。短路故障发生后，短路点附近节点电压下降，电 压暂降发生；随着故障清除操作将短路点与系统快速隔离，短路点附近节点电压恢 复正常，电压暂降结束，因而电压暂降的持续时间取决于故障清除时间。与其它两 种原因引起电压暂降相比，短路故障引起的电压暂降最为严重，也是灵敏设备误动 作的主要原因。短路故障引起的电压暂降可以分为两类：对称电压暂降( 三相短路 故障引起) 和不对称电压暂降( 单相接地短路、两相短路以及两相短路接地引起) 。 如图2 1 是短路故障引起电压暂降的系统模型，图中z ，= 尺，+ 弘。是p c c 的电 源阻抗，z ，= 廓+ p 是故障馈线线路的阻抗。p c c 是同时给馈线线路和负荷线路 供电的网络节点，即负荷电流与故障电流分流的节点。 j譬 圪 _ l z s r l _ j l 。 p c c 图2 - 1 短路故障引起电压暂降 假设故障发生前后负荷电流可以省略，则电源阻抗互上流经的电流t 为 ：三 z s + z f 9 ( 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 当短路故障发生后， z f 减小，丘增大。p c c 电压可以表示为 矿胱= 豆一乙 ( 2 2 ) 故障后，由于电源阻抗分压增加，p c c 电压下降，发生电压暂降。假设电源容 量无限大，即恒有e = 1 ；且故障阻抗z v = z xl = ( r + 豇) ，其中z 为故障线路单位距 离阻抗，l 为故障点到p c c 距离，将公式( 2 一1 ) 代入( 2 2 ) 可得电压暂降幅值为 i i ：l 兰生f ( 2 - 3 ) i z ，+ z x l l 从式( 2 3 ) 中可以看出l 越小，即故障点离p c c 越近，p c c 电压暂降越严重。 电压暂降发生时还可能发生电压相角的跃变，为 妒鹕( 吆) = a r c t 觚争蝴( 等) ( 2 - 4 ) 虽然图2 1 是一个单相的模型，在实际系统中对着应三相短路故障，但是文献 【1 2 l 中证明此模型也适用于其它类型的短路故障。文献 1 3 1 中对配电系统电压暂降做 快速评估，文献1 1 4 、【1 5 】中研究一种新的电压暂降表征方法用的都是此简单模型。 由公式( 2 3 ) 可以看出p c c 经受的电压暂降幅值和相角变化是由电源阻抗( 即电 源强度) 、线路单位阻抗、故障点与p c c 之间的距离决定的。并且负荷终端设备经 历的电压暂降与网络中变压器类型、中性点接地方式以及设备接线方式都有关系， 本章第二节将介绍常见的短路故障引起的暂降类型。 综上所述，由短路故障引起的电压暂降主要有下列特点： 1 ) 电压暂降较深，电压暂降幅值一般低于o 7 p u ；暂降持续时间与保护动作时间 有关； 2 ) 三相短路故障引起电压暂降，三相电压同时开始暂降，并且暂降幅值相等；其 它短路故障类型引起电压暂降，三相电压暂降幅值不相等； 3 ) 电压暂降开始与结束瞬间，电压幅值发生突变。 2 1 2 变压器激磁引起的电压暂降( t e r s ) 。 。 旦q p c c 图2 - 2 变压器激磁引起的电压暂降 l o 甜 = v s i n ( a n + 口) ：塑 设变压器剩余磁通为，对u ( t j l 从。到t 积分 衍 呦船 仰小一嘉f c o 她怖s 叫 呦为稳态最大磁通k ，f 。 一哪“， 秀与痧半个圈捆r 士i 竺i 外c o s “c o s 沏+ 砷嘞夕 聃衅侗翱蝴吣个周二三焉? 叫 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 华北电力人学硕+ 学位论文 电流明显增大，一般为额定电流的5 , - - 6 倍，电源阻抗分压增加，造成p c c 发生电 压暂降。 z l 二二 一 l s p c c 图2 4 感应电机启动引起电压暂降 如图2 4 所示系统，假设电源电压恒为标么值，即e = i 。图2 5 感应电动机t 形等值电路图。当电动机启动时，转差s = l ，转子等效电阻较小，转子电流t 较大， 由于定子电流向量五与转子电流向量之方向基本相反，因而t 也比额定状态下( s - 7 5 u r , r ( t ) i + 1 0 a m p ( 3 - 1 7 ) 其中 所以 ( f ) i = a m p s i n ( c o t ) ( 3 - 1 8 ) ( 1 0 0 - x ) x i a m p x s i n ( c o t ) l 7 5 a m p x s i n ( c 0 0 1 + 1 0 a m p ( 3 1 9 ) 由式( 3 - 1 9 ) 可知 进而 其中o 秒至，1 5 x 3 5 。 ， i s i n ( c o t ) l 丽1 0 国f = 秒a r c 玎旦 2 5 一x 2 7 ( 3 - 2 0 ) ( 3 2 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 由1 1 0 ( 2 5 一石) i l 可知，只有当电压恢复到高于8 5 时，口才能存在。例如，当 电网电压恢复到8 2 时，1 1 0 ( 2 5 - x ) i i u , ( t ) i 8 5 1 u r 矿( t ) - - 1 5 5 时保持之前 的状态。 3 ) 当实际电压满足l u s ( t ) l 7 5 1 o ) l + 3 1 1 时，电压恢复器被切除，只有电线供电。 3 3 改进方法的仿真研究 利用m a t l a b 7 对某一单相暂降电压采用该改进的检测方法进行检测的仿真结 果如图3 - 9 至图3 1 1 所示，图3 1 2 是含含谐波时发生剩余5 0 的检测结果。仿真 中设定该相电压有效值为2 2 0 v ，频率为5 0 h z ，在波峰、波谷和过零点附近发生剩 余5 0 、3 0 和剩余o 的暂降，并将有无滞后单元的检测结果进行了对比。图中， 实线表示改进前的检测结果，虚线表示改进后的结果。 之1 0 0 嘲 脚0 l l j o 锄 时闻s ( b ) ( c )( d ) 图3 - 9 剩余5 0 的电压波形和仿真结果 2 8 华北电力大学硕士学位论文 时问5 ( a ) oo 们o o 0 0 40 o o 0 7 时问s ( b ) ( c ) ( d ) 图3 1 0 剩余3 0 的电压波形和仿真结果 ( a ) 时间8 枷 3 2 1 0 0 善 o 1 - 2 0 0 - 3 0 0 - 4 0 0 时间s ( b ) 00 0 1 0 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 7 u i 问s 时问s ( c ) ( d ) 图3 1 1 剩余0 的电压波形和仿真结果 从图3 9 a 、图3 9 c 、图3 1 0 a 、图3 1 0 c 、图3 1 l a 、图3 1 l c 的仿真结果可以看 出，添加滞后单元后，检测结果相对于未添加滞后单元时没有滞后，因为这些时刻 2 9 枷 湖 瑚 伽 。 棚 瑚 硼 棚 聋印 田掣 华北电力大学硕士学位论文 是在峰值附近，没有被滞后单元所屏蔽。从图3 9 b 、图3 9 d 、图3 1 0 b 、图3 1 0 d 、 图3 1 l b 、图3 1 1 d 可以看出，添加滞后单元后，相对于原方法有不同程度的滞后， 剩余电压比例越小，滞后时间越短，与图3 8 的理论分析结果基本一致。从3 1 2 的 检测结果可以看出，滞后单元在含谐波时也能正确检测暂降的发生。 3 4 小结 4 0 0 2 0 0 之 出0 脚 - 2 0 0 - 4 0 0 on 们n n n 舛a n o 叮 时闻s 图3 1 2 含谐波的暂降波形和仿真结果 本章根据正弦周期信号波形重复性特征，结合锁相同步跟踪原理准确确定周期 信号的起始点，设计了锁相同步跟踪硬件电路，提出了一种前后周期对应瞬时值连 续比较的方法，该方法原理简单、计算量小，能快速准确地检测出电压暂降的特征 值。并针对该方法是在过零点附近，由于电压幅值很小，容易受采样误差和噪声等 干扰的影响，引入了滞后单元，仿真结果表明，这一改进能屏蔽过零点附近的电压 值，使算法在存在较大采样误差时能正确且快速地检测暂降发生的起始时刻。 3 0 华北电力大学硕士学位论文 4 1 系统的整体结构 第四章电压暂降检测装置 结合现代点电压暂降检测快速性和准确性要求，设计装置的基本组成为d s p + 工控机，利用d s p 处理器强大的计算能力进行电能质量参数的实时计算，由工控机 负责数据的显示、统计、存储和通讯等，使得监测装置具有较好的人机界面和较强 的计算能力，而且可以实现电能质量的实时在线测量。同时d s p 和工控机之间的通 讯非常关键，如果采用速度较慢的接口如串口等，则实时性受到较大的限制，一般 只能采用每分钟计算3 秒钟数据的模式，这样虽然能满足国家标准的要求，但有可 能漏掉某些短时间的扰动，造成对电能质量的错误估计。如果要实时的计算电能质 量参数并且将电压和电流波形上传到p c 端，需要高速的数据通道，传统的通信接 口速度无法满足要求，而p c i 总线无疑是比较合理的选择。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线是当今个人计算机的主流总线结 构，用于周边设备与计