（公司治理）配电网电能质量的在线检测与治理措置的研究本科毕业设计

专业班级： 学生姓名： 指导教师：量的全天候、全方位准确的实时监测。在准确、快速地检测和分析电能质量的基础上，常运行以及降低能耗等均具有非常重要的研究意义。volatilityanddragequipment,electricrailway,electricityandchemicalindustriesrectifierequipment,inductionfurnace,waveformdistortion(harmonic),voltagefluctuations,flicker,extensivelyinthenationalenterprise,thepowersupplyisall-weather,all-roundandaccuratereal-timemonitoreliability,improvepower I II 1 1 1 1 2 3 5 52.1.1电能质量的定义 52.1.2电能质量的分类 5 62.2.1电压偏差 62.2.2频率偏差 62.2.3谐波 62.2.4电压波动和闪变 72.2.5三相不平衡 82.2.6暂时过电压和瞬态过电压 9 9 3.1.1运算方式 3.1.2基于倍频旋转变换的谐波测量 3.4.1傅里叶级数 3.4.3快速傅里叶变换(FFT) 3.4.4改进型复序列快速傅里叶变换(FFT) 3.4.5其它电能质量参数的计算 4.1.2信号调理电路 4.1.3过零检测电路 4.2.2电源 4.4键盘及液晶显示模块 4.4.1键盘电路 4.4.2液晶显示电路 4.5本章小结 6.3.1注入支路参数对滤波效果的影响 6.4.2无功补偿特性分析 6.4.3谐波检测与控制方法 水平。然而,随着科技和社会的快速发展，电能的使用面临着一个新的问题，那就是电题关系重大，因此成为了高校、企业、研究机构和国家机关等部门关心的热点问题。以及导致三相不平衡度的提高，对电网设备和用户造成注和重视。包括当前电力系统发展前景最好的智能电网(Sm民生活的正常进行均具有重要意义。析。因此，研发一种新型分层分布式的配电网电能质量实时监测与管理系统，集测量、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都具有重要意义。1.2.1电能质量监测系统究也比较落后，尤其是速度快、可靠性好、精度高以及功能强大的应用产品相对（l）设备入网前的专门测量：即对补偿设备，在接入电网前,测量它们对电网电能质量各项指标的影响，决定是否投运。危害程度和技术需求等采取定期或不定期检测的方式。前两种传统的电能质量监测方法显然已经不能满足供用电双方对电能质量更高的监测要求，其不足之处主要表现在以下几个方面:重要意义。1.2.2电能质量治理措施制与无功补偿电能质量综合治理装置经历了无源滤波器(PassiveFilter:PF)、有源滤(HybridActivePowerFilt场合。与传统的无源滤波器一样，有源滤波器(APF)也是给谐波电流或谐波电压提供一个率和幅值都变化的各次谐波，而且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而应用逐渐广泛。压、大容量的场合。不同于无源滤波器和有源滤波器，静止无功补偿装置(SVC)和静止同步补偿器但是，SVC装置中的晶闸管控制电抗器(ThirstierControlledReactor:TCR)本身会产很多问题没有得到很好的解决，系统结构复杂、费用投资大。PowerFilterwithInjectionCircuit:IHAPF)由注入型APF与PF并联混合得到，由能够满足大功率无功补偿和谐波抑制两方面的要求，具有实际的工程应用意义。动与闪变、三相电压允许不平衡度等电能质量参数进行实时的在线监测、分析和处理。靠保证。认识到当前电能质量污染状况，充分了解到电能质量监测方法的发展现状。检测算法。了系统软件的设计和各软件模块的实现。分析了各软件模块的原理，完成了数据采集、数据处理、数据显示的程序设计。（4）研究电能质量的治理措施，分析了三种常用治理措式混合型有源滤波器(IHAPF)注入支路存在谐波注入能力与无功过补的矛盾，提出了一无功补偿特性和谐波检测与控制方法等关键技术。及电网规模的逐渐增大，电力供应紧张的局面有了较大缓解。2.1.1电能质量的定义国际电工委员会(InternationalElectricalCommission:IEC)将电能质量定义为美国电气和电子工程协会(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers:IEEE)将电能质量明确定义为“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力定义。它们包括:(1)电压质量，通过将实际电压与理想电压进行对比，以判断供电部门向用户供给(2)电流质量，为了反映与电压质量有紧密关系的电流变化，除了对用户取用电流以高功率因数运行。(3)供电质量，技术含义上主要是指电压质量和供电可靠性，同时也包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度、服务质量以及电力价格的透明度等非技术方面的含义。(4)用电质量，包括电流质量和非技术含义。非技术含义反映用电方的权利、义务和责任，如电力用户是否按期、如数缴纳电费等。2.1.2电能质量的分类波、电压波动和闪变、三相电压不平衡、暂时过电压和瞬态过电压六个方面。2.2.1电压偏差2.2.2频率偏差2.2.3谐波在以下几方面:(l)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，就使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。(5)谐波会对邻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。在限值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是：0.38k2.2.4电压波动和闪变常将这两个术语合为一体进行讨论，并且常将限制发生闪变干扰排在首位。2.闪变∶(1)对照明要求较高，0.4%(推荐值);(2)一般照明负荷0.6%(推荐值)24.03.22.41.62.01.61.20.82.2.5三相不平衡线圈的不正确调谐等引起的。2.2.6暂时过电压和瞬态过电压和不可避免的,是供电特性之一。暂时过电压是指在电网给定点上持续时间较长的不衰减或者弱衰减的振荡过电压。压，可以叠加于暂时过电压之上。系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压的具体要求、电气以及过电压保护方法，不适用于因静电、触及高压系统以及稳态波形畸变(谐波)引起的过电压。量指标的定义、危害及其国家标准。和分析其他电量的情况，因此本节重点讨论电网谐波的检测与分析算法。和为出发点的称为法,以计算称为法。两种方法都能较为准确地检测出对称三相电路的谐波含量，实时性也较好。但是,范围更宽；而法在这种情况下则误差较大，适用范围相对较窄。3.1.1运算方式该方法的原理如图3.1所示。该方法中，需用到与相电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号-，它们由一个锁有出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果是准确的。3.1.2基于倍频旋转变换的谐波测量一样。法虽然可以测量出单次的谐波含量，但是硬件复杂，成本较高，实现起来也比较繁琐。算出特定时间的频率分布并将各种不同频率组成的频谱信号分解成为不同频率的信号块，因而通过小波变换可较准确地计算出基波电流，进而求得谐波含量。小波变换对波动谐波、快速变换谐波的检测有很大的优越性，目前是波动谐波、是信号处理芯片，其资源非常有限，根本不适合最佳小波基选取的各种运算和判断。谐波测量中，将会有很好的发展前景。工程应用中还未优先选用。里叶变换法是其中应用最广泛的一种，而在工程上又以快速傅里叶变换(FFT)算法应用范围最广泛,理论和技术最成熟，在谐波测量的应用中具有不可替代的作用，而且在数字信号处理器(DSP)中更容易实现。因此，本系统选用快速傅里叶变换算法作为监测终端中进行谐波检测与分析的方法。3.4.1傅里叶级数当输入信号为周期函数或者可近似作为周期函数处理时，且满足狄里赫利条件(电力系统信号基本上均满足)，则它可被分解为一个各种频率的正弦函数序列之和，即傅波频率的分量称为谐波，谐波次数即为谐波频率和基波频率的整数比。为了从理论上的傅里叶级数分析过渡到电力系统实际波形实用而快需要利用傅里叶级数的指数形式，直接计算各次谐析。换成离散化的计算式，做近似计算。对公式(3.4)进行离散化处理：对信号进行每周波；，3.4.3快速傅里叶变换(FFT)在工程实际中，若直接用离散傅里叶变换(DFT)进行计算，当采样点很多时，计算可以达到减少运算量的效果，这种方法称之为快速傅里叶变换(FFT)。但是快速傅里叶变换(FFT)也有它自身的缺点，主要表现在以下两个方面。(1)在采样过程中，如果采样频率和信号频率不同步或者无法达到整数倍的关系，误差很大，无法满足测量要求；(2)计算量较大，计算时间比较长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。3.4.4改进型复序列快速傅里叶变换(FFT)步。零。即输出信号的频率始终与输入信号频率保持一致。用了锁相环同步电路，基本上解决了频谱泄露和栅栏效应的问算法推导过程如下:根据傅里叶变换的周期性和奇偶对称性，可知实序列的傅里叶变换的实部为偶数，(3.13)对式(3.13)进行傅里叶变换，并考虑其复共扼性质，可得，的频谱为设为被测电压信号的第次谐波，为被测电流3.4.5其它电能质量参数的计算由上述公式(3.15)、(3.16)、(3.17)可以推算出各次谐波的复功率、有功功率和无(3.19)它们的优点、缺点和适用范围。鉴于快速傅里叶变换(FFT)谐波检测方法技术成熟、应其进行了技术改进，然后以此作为本系统谐波检测分析的算法。键盘及液晶显示模块。根据实际需要，设计系统硬件连接框图如图4.1。的电源，确保系统多电平电路正常工作等。效值、频率等参数。4.1.1数据采集模块数据采集的精确度直接影响到系统的性能，其设计关键是要实现数字/模拟混合电输出端：电压传感器输出的是电流，但是模/数转换模块要求输入的信号一般为电4.2所示。将损坏仪器，同时输入端不能短路，否则会增加电流误差。其原理图如图4.3所示。4.1.2信号调理电路滤波电容，可滤除交流高次谐波。4.1.3过零检测电路(4.1)提供了良好的平台。芯片采用32位中央处理器，大大提高了系统的运算处理能力机、多级电动机和逆变器。速度等模拟量。具体介绍如下：与模拟电路的接口及与其他片上模块的接口。工作在启动/停止模式，可允许“多个排序触发”同步转换。模式。数据的完整性，SCI有中断侦测、同位检测、过载和框架错误去检查接收进来的数据。(Break)错误侦测4.2.2电源4.4键盘及液晶显示模块4.4.1键盘电路用相应的按键程序进行处理。本系统设计的键盘如图4.13所示。按下键时输出为低电平，未按下键时输出为高电平。4.4.2液晶显示电路方便了用户的使用，提高了系统的实时性和集成度。4.5本章小结晶显示模块。阐述了这四个模块的原理，分析了各模块的实现方法。5.1主程序设计据采集运算以及后续显示等。图5.1为主程序流程图。5.2采样中断程序设计5.3测频中断服务子程序下降沿来测量。测频流程图如图5.3所示。5.5液晶按键子程序四个按键分别是上移键、下移键、确定键和返回键。液晶及按键程序如图5.5所示。5.7本章小结分别介绍这三种常用的电能质量治理方法。针对不同行业不同类型的负荷需要补偿不同类型的无功及其它诸如抑制谐波等的感性/容性感性/容性感性/容性快快快快快差好好好好无无无无定容量的容性无功。若PF产生的容性无功超过了实际需要补偿的到设定值。本方案具有动态调整无功功率和滤除特征次谐波的双重功效。能力不会随补偿容量的增加而增加。极性相反的输出电流，与电网谐波电流相抵消从而达到谐波治理的良好效果。另外，需进一步做大量的理论和工程应用研究。注入式混合型有源滤波器(IHAPF)是目前电能质量综合治理领域的一种功能全面、求，性价比高。其拓扑结构如图6.3所示。系统发生谐振的机率。6.3.1注入支路参数对滤波效果的影响和无功补偿的程度。所以我们有必要仔细分析一下注入支路参数的影响。谐波电流产生，且仅与系统侧电网的n次谐波可以忽略。为了便于分析，本文在频域模型中忽略了电阻的影响,假设电网谐波阻抗为代表基波串联谐振支路、以及输出滤波器的等效阻抗，代表注入支路电容的阻抗。(6.4)(6.5)联合式(6.4)、(6.5)化简可得注入电流与APF交流侧电压关系如下(6.6)当有源滤波器交流侧电压满足式(6.5)的要求时，可以完全滤去网侧谐波电流。由要尽可能小。将发生无功过补的危险。扑结构如图6.5所示。抗值为极大；与串联谐振于基波频率，起到旁路基波电流的作用。功过补。对图6.5进行简化处理，假设电源电压为，电网阻抗为，将负载看成谐波支路的等效阻抗。上述结构可简化为下图所示的单相电气模型。由公式(6.9)可知，通过合理控制电压型逆变器输出电压的大小即可有效降低电网谐波电流人的含量，达到治理谐波的目的。6.4.2无功补偿特性分析(6.10)(6.11)振频率可补偿任意容量容性无功或感性无功。补偿适用范围及适用电压等级两方面拓宽了注入式混合型有源滤波器的适用范围。6.4.3谐波检测与控制方法谐波分