配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究.docVIP

大學畢業(yè)設計本科畢業(yè)設計說明書配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究distribution network power quality detectionand treatment renew online research學院（部）：電氣與信息工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 年 月 日ii配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究摘要隨著電力電子技術、自動化技術、計算機技術等先進技術的進一步發(fā)展，大功率非線性、沖擊性和波動性負荷不斷增加，比如大功率的變頻設備及拖動裝置、電氣化鐵路、電化工業(yè)的整流設備、電弧爐等，這些負荷造成了電網(wǎng)發(fā)生波形畸變（諧波）、電壓波動、閃變、三相不平衡、非對稱性，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴重降低。同時，基于計算機，微處理器控制的精密電子儀器在國民經(jīng)濟企業(yè)中大量使用，對供電質(zhì)量的敏感程度越來越高，對電能質(zhì)量提出了更高的要求，從而使電能質(zhì)量問題及其解決措施逐漸成為研究的熱點。要對電網(wǎng)的電能質(zhì)量進行改善，首先要對電能質(zhì)量做出精確的檢測和分析，測量電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，并分析和判斷造成各種電能質(zhì)量問題的原因，為電能質(zhì)量的改善提供依據(jù)。電能質(zhì)量問題日益突出，電能質(zhì)量的監(jiān)測方式主要為在線監(jiān)測，對電能質(zhì)量的全天候、全方位準確的實時監(jiān)測。在準確、快速地檢測和分析電能質(zhì)量的基礎上，提出了合理有效的治理措施，對有效提高供電可靠性，改善供電電能質(zhì)量，確保電力設備發(fā)揮正常性能水平等，對電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，保障工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學實驗的正常運行以及降低能耗等均具有非常重要的研究意義。關鍵詞：配電網(wǎng)，電能質(zhì)量，在線監(jiān)測distribution network power quality detectionand treatment renew online researchabstract with the power electronics technology, automation technology, computer technology and other advanced technology, further development, high-power nonlinear load impact and increasing volatility and drag equipment, electric railway, electricity and chemical industries rectifier equipment, induction furnace, electric arc furnace, etc, which caused the power grid load waveform distortion (harmonic), voltage fluctuations, flicker, three-phase balance, asymmetry, making the serious degradation of power quality. meanwhile, computer-based, microprocessor-controlled precision electronic instrument used extensively in the national enterprise, the power supply is becoming more sensitive to the quality of the power quality put forward higher requirements, so that the power quality problems and their solutions measures to gradually become a research hotspot. to improve the quality of grid power, we must first make an accurate power quality testing and analysis, measurement grid power quality, and to analyze and determine the cause of a variety of power quality problem is to provide a basis to improve power quality. power quality issues have become increasingly prominent, the main mode of power quality monitoring for the online monitoring of power quality all-weather, all-round and accurate real-time monitoring. in the accurate and rapid detection and analysis of power quality based on reasonable and effective governance proposed measures, effectively improve power supply reliability, improve power quality power supply, ensure that the power to play a normal level of performance equipment, etc. on the power grid safety, economic operation to protect the quality of industrial products and the normal operation of scientific experiments and reduce energy consumption etc. is very important significance.keywards: distribution network, power quality, online monitoring大學畢業(yè)設計目錄46摘要iabstractii1 緒論11.1 研究電能質(zhì)量的背景和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)11.2.2 電能質(zhì)量治理措施21.3 本文的主要工作32 電能質(zhì)量理論52.1 電能質(zhì)量概述52.1.1 電能質(zhì)量的定義52.1.2 電能質(zhì)量的分類52.2 電能質(zhì)量指標和國家標準62.2.1 電壓偏差62.2.2 頻率偏差62.2.3 諧波62.2.4 電壓波動和閃變72.2.5 三相不平衡82.2.6 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓92.3 本章小結93 電能質(zhì)量檢測分析算法103.1 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法103.1.1 運算方式103.1.2 基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量113.2 基于小波分析的諧波檢測方法113.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波檢測方法123.4 基于傅里葉變換的諧波檢測方法123.4.1傅里葉級數(shù)123.4.2 離散傅里葉變化(dft)133.4.3 快速傅里葉變換(fft)143.4.4 改進型復序列快速傅里葉變換(fft)153.4.5其它電能質(zhì)量參數(shù)的計算173.3 本章小結174 配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究184.1系統(tǒng)硬件設計184.1.2信號調(diào)理電路194.1.3過零檢測電路224.2 dsp處理模塊234.2.1 dsp芯片選型及其詳細介紹234.2.2電源264.3串口通信模塊274.4鍵盤及液晶顯示模塊274.4.1鍵盤電路284.4.2液晶顯示電路294.5本章小結 . 30 5 系統(tǒng)的軟件設計315.1主程序設計315.2采樣中斷程序設計315.3測頻中斷服務子程序325.4 fft及參數(shù)計算子程序325.5液晶按鍵子程序335.6 rs485通信子程序335.7本章小結346 電能質(zhì)量治理措施研究356.1 靜止無功補償裝置(svc)356.2 靜止同步補償器(statcom)366.3 注入式混合型有源濾波器(ihapf)376.3.1 注入支路參數(shù)對濾波效果的影響386.4 新型雙諧振注入式混合型有源濾波器(dihapf)396.4.1 dihapf諧波抑制原理與諧波放大分析406.4.2 無功補償特性分析416.4.3 諧波檢測與控制方法426.5 本章小結43總結45參考文獻46致謝471 緒論1.1 研究電能質(zhì)量的背景和意義 電能是當今社會使用最廣泛的能源，其應用程度標志著一個國家的科技、經(jīng)濟發(fā)展水平。然而,隨著科技和社會的快速發(fā)展，電能的使用面臨著一個新的問題，那就是電能質(zhì)量狀況不斷惡化與社會對電能質(zhì)量的要求越來越高的矛盾。如何妥善地解決這個問題關系重大，因此成為了高校、企業(yè)、研究機構和國家機關等部門關心的熱點問題。 近年來我國電網(wǎng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)規(guī)模進一步擴大。而隨著電網(wǎng)的不斷擴大，各種各樣的用電設備尤其是大量的電力電子設備都接入了電網(wǎng)，使得電網(wǎng)的運行環(huán)境受到了不同程度的污染。從家用小容量的變流裝置，到工業(yè)上普遍應用的調(diào)速電機、整流逆變裝置，甚至大規(guī)模的高壓直流輸電設備，都會向電網(wǎng)注入諧波。電網(wǎng)諧波含量的增加，會導致電氣設備壽命縮短、電網(wǎng)網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能性也會增加，可能引發(fā)繼電保護和自動裝置的非故障性動作，導致儀表指示和電能計量不準確以及計算機、通信受干擾等一系列問題。另外，諸如軋鋼機、電力機車、開關電源等用電設備的開關與使用過程，也會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊性、波動性的負荷，并在運行和停運過程中產(chǎn)生電壓閃變以及導致三相不平衡度的提高，對電網(wǎng)設備和用戶造成直接或潛在的影響。 另一方面，電力市場逐步完善，社會對電能質(zhì)量的要求也越來越高。特別是在半導體和精密儀器制造等特殊行業(yè)，電能質(zhì)量下降將直接影響其產(chǎn)品的成品率，造成巨大的經(jīng)濟損失。近年來供電部門接收到的電能質(zhì)量投訴越來越多，表明電能質(zhì)量逐漸得到關注和重視。包括當前電力系統(tǒng)發(fā)展前景最好的智能電網(wǎng)(smart grid)都是以滿足21世紀用戶需求的電能質(zhì)量為重要特征?？梢婋娔苜|(zhì)量問題直接關系到國民經(jīng)濟的總體效益，改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設備的安全、經(jīng)濟運行，保障工業(yè)生產(chǎn)、科學實驗以及人民生活的正常進行均具有重要意義。為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，向用戶提供高品質(zhì)的電能，必須對影響電能質(zhì)量的眾多因素進行綜合治理，改善各項電能質(zhì)量指標，使其達到國標規(guī)定的正常水平。而要提出合理的治理方案，就必須依賴于對電能質(zhì)量的全天候、全方位準確的實時監(jiān)測與分析。因此，研發(fā)一種新型分層分布式的配電網(wǎng)電能質(zhì)量實時監(jiān)測與管理系統(tǒng)，集測量、通信、分析、管理等功能于一體，有效地進行電能質(zhì)量監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果采取合理、有效的電能質(zhì)量治理措施，改善其電能質(zhì)量狀況，對保證電網(wǎng)和廣大用戶的電氣設備的安全、經(jīng)濟運行，保障國民經(jīng)濟各行各業(yè)的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量都具有重要意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng) 國外對電能質(zhì)量研究起步較早，從電能質(zhì)量理論到相關評價指標體系的建立；從用戶終端電氣環(huán)境的定義到全國性的電能質(zhì)量普查和監(jiān)測；從各種電能質(zhì)量問題分析方法提出到“用戶電力技術”等電能質(zhì)量控制技術的研究和裝置的開發(fā)等方面的研究都在深入行。相對國外而言，國內(nèi)對電能質(zhì)量研究工作起步較晚，電能質(zhì)量監(jiān)測設備的開發(fā)研究也比較落后，尤其是速度快、可靠性好、精度高以及功能強大的應用產(chǎn)品相對較少。 歸納起來,國內(nèi)外對電能質(zhì)量的監(jiān)測方法主要有以下三種類型:（l） 設備入網(wǎng)前的專門測量：即對補償設備，在接入電網(wǎng)前,測量它們對電網(wǎng)電能質(zhì)量各項指標的影響，決定是否投運。（2） 設備使用中的定期或不定期檢測：即針對普通電力干擾源，根據(jù)干擾大小、危害程度和技術需求等采取定期或不定期檢測的方式。（3） 實時監(jiān)測：也稱為連續(xù)監(jiān)測、全過程監(jiān)測、日常監(jiān)測或全天候監(jiān)測等。 目前，國內(nèi)對電能質(zhì)量各項指標的測量大多數(shù)還處在專門測量和定期或不定期檢測階段，沒有形成連續(xù)的實時監(jiān)測。在電能質(zhì)量問題日益嚴重并逐漸受到重視的現(xiàn)代社會，前兩種傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測方法顯然已經(jīng)不能滿足供用電雙方對電能質(zhì)量更高的監(jiān)測要求，其不足之處主要表現(xiàn)在以下幾個方面:（1） 傳統(tǒng)的監(jiān)測方法不能實現(xiàn)或不能完全實現(xiàn)對電能質(zhì)量的實時監(jiān)測；（2） 傳統(tǒng)監(jiān)測方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能全面、準確地反映出電力系統(tǒng)中電網(wǎng)的電能質(zhì) 量信息；（3） 傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測大多孤立地對某個站點進行監(jiān)測，不能從整個系統(tǒng)的觀點來考慮電能質(zhì)量的監(jiān)測，不能滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡化、自動化的發(fā)展方向，而且人機交互性不好；（4） 傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置多采用模擬元器件，受器件性能和信號處理方法的限制，測量精度往往不能達到要求；因此，研制一種實時在線的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，集測量、通信、分析和管理等諸多功能于一體，有效地進行電能質(zhì)量監(jiān)測，對于電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性和可靠性具有重要意義。1.2.2 電能質(zhì)量治理措施為了改善電能質(zhì)量，國內(nèi)外電力工作者和電力研究者們做了大量的研究，也研制出一系列的補償裝置。隨著高電壓、大容量電力電子器件技術的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)諧波抑制與無功補償電能質(zhì)量綜合治理裝置經(jīng)歷了無源濾波器(passive filter:pf)、有源濾波器(active power filter:apf)、靜止無功補償裝置(static var compensator:svc)、靜止同步補償器(static synchronous compensator:statcom)、以及混合型有源濾波器(hybrid active power filter:hapf)等不同的技術階段。無源濾波器(pf)既可補償諧波，又可補償無功功率，結構簡單、維護方便，因而得到了廣泛的應用。這種方法的主要缺點是濾波特性取決于電網(wǎng)參數(shù)，且易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振，導致諧波放大，燒毀設備等，因此已不適合應用于對電能質(zhì)量要求高的場合。 與傳統(tǒng)的無源濾波器一樣，有源濾波器(apf)也是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡或等效阻抗為無窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡。但是與無源濾波器不同的是，一臺apf理論上可以擁有無窮多個諧振頻率，從而能夠同時治理頻率和幅值都變化的各次諧波，而且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而應用逐漸廣泛。但是由于受功率器件容量的影響，apf可承受的容量不是很大，不適合單獨應用于高電壓、大容量的場合。不同于無源濾波器和有源濾波器，靜止無功補償裝置(svc)和靜止同步補償器(statcom)的主要功能是進行無功補償，不過通過在svc結構中加裝無源濾波器組，或者通過合理設計statcom的控制方法，均可使二者實現(xiàn)諧波抑制與無功補償?shù)木C合治理。但是，svc裝置中的晶閘管控制電抗器(thirstier controlled reactor:tcr)本身會產(chǎn)生較大的諧波成分，從而使得整體濾波性能不佳；而高壓大功率statcom的工程化還有很多問題沒有得到很好的解決，系統(tǒng)結構復雜、費用投資大。 目前，諧波抑制與無功補償電能質(zhì)量綜合治理的一個重要趨勢是采用有源濾波器與無源濾波器組合形成的混合型有源濾波器(hapf)，其優(yōu)點是成本低，濾波性能好，同時具備apf與pf的技術優(yōu)勢，性價比高。其中注入式混合型有源濾波器(hybrid active power filter with injection circuit:ihapf)由注入型apf與pf并聯(lián)混合得到，由注入支路電容和無源濾波器進行無功功率的靜態(tài)補償，由有源和無源部分共同治理諧波，能夠滿足大功率無功補償和諧波抑制兩方面的要求，具有實際的工程應用意義。1.3 本文的主要工作 本論文對供電電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、電壓允許波動與閃變、三相電壓允許不平衡度等電能質(zhì)量參數(shù)進行實時的在線監(jiān)測、分析和處理。為預先解決電網(wǎng)電能質(zhì)量故障隱患，事后分析事故原因和電能質(zhì)量問題綜合治理提供可靠保證。本文主要工作包括：（1）查閱文獻資料，學習了電能質(zhì)量定義、分類、指標和國家標準等相關知識，認識到當前電能質(zhì)量污染狀況，充分了解到電能質(zhì)量監(jiān)測方法的發(fā)展現(xiàn)狀。（2）分析對比了各種諧波檢測分析算法的優(yōu)勢、劣勢和適用場合，選出一種諧波檢測算法。（3）完成了電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的總體結構和硬件設計。根據(jù)各部分實現(xiàn)的不同功能，將系統(tǒng)分為四個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、dsp處理模塊及外圍電路模塊、串口通信模塊、鍵盤及液晶顯示模塊。闡述了這四個模塊的原理，分析了各模塊的實現(xiàn)方法。完成了系統(tǒng)軟件的設計和各軟件模塊的實現(xiàn)。分析了各軟件模塊的原理，完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示的程序設計。（4）研究電能質(zhì)量的治理措施，分析了三種常用治理措施的優(yōu)缺點，并針對注入式混合型有源濾波器(ihapf)注入支路存在諧波注入能力與無功過補的矛盾，提出了一種新型的雙諧振混合型有源濾波器(dihapf)，并分析了其諧波抑制原理、諧波放大情況、無功補償特性和諧波檢測與控制方法等關鍵技術。 2 電能質(zhì)量理論2.1 電能質(zhì)量概述很長一段時間以來，我國的電力供應一直不充裕，因此以前供用電雙方關注的焦點主要是在供應量的方面，除了對電能質(zhì)量有較高要求的行業(yè)需求外，大都對電能質(zhì)量關心較少，即使關注也只限于電壓、頻率兩個指標。隨著發(fā)電企業(yè)的不斷新建和擴容，以及電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，電力供應緊張的局面有了較大緩解。然而大量電力電子器件在電網(wǎng)中的不斷投入導致電能質(zhì)量問題日益突出，同時電力市場技術不斷進步，用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，從而引起了電網(wǎng)公司各級部門以及電力用戶的高度重視，其重視程度從最近國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司都將“為用戶提供優(yōu)質(zhì)電力”作為其發(fā)展智能電網(wǎng)的一個重要指標就可見一斑。2.1.1 電能質(zhì)量的定義什么是電能質(zhì)量，迄今為止，人們對電能質(zhì)量的技術含義還存在著不同的認識，不同的機構也對電能質(zhì)量有不同的定義。國際電工委員會(international electrical commission:iec)將電能質(zhì)量定義為“供電裝置在正常工作情況下不中斷和干擾用戶適用電力的物理性”。美國電氣和電子工程協(xié)會(institute of electrical and electronics engineers:ieee)將電能質(zhì)量明確定義為“合格的電能質(zhì)量是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統(tǒng)是均適合于該設備工作的”，并正式采用“power quality”這一專業(yè)術語。另外，在許多電能質(zhì)量領域的技術報告和文獻中也采用了其它的一些術語和補充定義。它們包括: (1)電壓質(zhì)量，通過將實際電壓與理想電壓進行對比，以判斷供電部門向用戶供給的電力是否存在偏差，是否合格。 (2)電流質(zhì)量，為了反映與電壓質(zhì)量有緊密關系的電流變化，除了對用戶取用電流提出恒定頻率正弦波形要求除外，還力圖使該電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運行。(3)供電質(zhì)量，技術含義上主要是指電壓質(zhì)量和供電可靠性，同時也包括供電部門對用戶投訴與抱怨的反應速度、服務質(zhì)量以及電力價格的透明度等非技術方面的含義。(4)用電質(zhì)量，包括電流質(zhì)量和非技術含義。非技術含義反映用電方的權利、義務和責任，如電力用戶是否按期、如數(shù)繳納電費等。2.1.2 電能質(zhì)量的分類 根據(jù)相關的六個國家標準電能質(zhì)量供電電壓允許偏差（gb/t 12325-2003)、電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差(gb/t 15945-1995)、電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 (gb/t 14549-1993)、電能質(zhì)量電壓波動和閃變(gb/12326-1990)、電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度(gb/t 15543-1995)、電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓 (gb/t 18481-2001)、可將電能質(zhì)量劃分為：供電電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓六個方面。2.2 電能質(zhì)量指標和國家標準2.2.1 電壓偏差 電壓偏差是指供電系統(tǒng)在正常運行條件下，實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓的偏差。常用二者的偏差值對系統(tǒng)標稱電壓的百分數(shù)進行度量。其數(shù)學表達式為 （2.1） 式（2.1）中為電壓偏差；表示實際電壓kv；表示標稱電壓kv。國家標準電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差(gb/t 12325-2003)對我國的供電電壓作了詳細規(guī)定：(l)電壓等級大于等于35kv的供電電壓的正、負偏差的絕對值之和不超過系統(tǒng)標稱電壓的10%。 (2)電壓等級小于等于1okv的三相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標稱電壓的7%； (3)低壓220v單相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標稱電壓的+7%和-10%。2.2.2 頻率偏差 頻率偏差是指標稱頻率為50hz處于正常運行方式的電力系統(tǒng)中,系統(tǒng)頻的實際值與標稱值之差計算公式為 （2.2）式（2.2）中占表示頻率偏差，表示實際頻率，表示系統(tǒng)標稱頻率，它們單位為hz。國家標準電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差(gb/t15945-1995)規(guī)定我國電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2hz，當系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到0.5hz。2.2.3 諧波諧波是有電網(wǎng)中的非線性負荷產(chǎn)生的。諧波的危害較為嚴重，不容忽視，主要表現(xiàn)在以下幾方面: (l)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。 (2)諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。 (3)諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，就使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。 (4)諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。 (5)諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。國家標準電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波(gb/t 14549-1993)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及其測量方法，適用于交流頻率為50hz，額定電壓110kv及以下的公用電網(wǎng)，6至220kv各級公用電網(wǎng)電壓（相電壓）總諧波畸變率0.38kv為5%，6至10kv為4%，35至66kv為3%，110kv為2%。用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應保證各級電網(wǎng)諧波電壓在限值范圍內(nèi)，所以國標規(guī)定各級電網(wǎng)諧波源產(chǎn)生的電壓總諧波畸變率是：0.38kv為2.6%，6至10kv為2.2%，3至66kv為1.9%，110kv為1.5%。對220kv電網(wǎng)及其供電的電力用戶參照本標準110kv執(zhí)行。2.2.4 電壓波動和閃變電壓波動主要是由于大量沖擊性負荷在電力系統(tǒng)中的廣泛使用而引起的，是指電壓包絡線有規(guī)則的變化或一系列隨機電壓變動，常用一系列電壓均方根值中相鄰的兩個極值之差與系統(tǒng)標稱電壓的相對百分比來表示，即 （2.3）式（2.3）中，、分別為一系列電壓均方根值中相鄰的極大值和極小值；為系統(tǒng)標稱電壓。負荷電流的大小呈現(xiàn)快速變化時，可能引起電壓的波動，簡稱為閃變，閃變術語來自電壓波動對照明的視覺影響。從嚴格的技術角度講，電壓波動是一種電磁現(xiàn)象，而閃變是電壓波動對某些用電負荷引起的有害結果，不屬于電磁現(xiàn)象。但是，在技術標準中常將這兩個術語合為一體進行討論，并且常將限制發(fā)生閃變干擾排在首位。表2-1 國家電能質(zhì)量有關標準標準編號標準名稱允許限值gb 1232590供電電壓允許偏差（1）35 kv及以上為正負偏差絕對值之和不超過10%；（2）10 kv及以下三相供電為7%；（3）220 v單相供電為+7%，-10%。gb 1232690電壓允許波動和閃動1. 電壓波動:(1)10 kv及以下2.5%；(2)35110 kv為2%；(3)220 kv及以上1.6%。2. 閃變(1)對照明要求較高，0.4%(推薦值);(2)一般照明負荷0.6%(推薦值)gb/t 1454993公用電網(wǎng)諧波各級電網(wǎng)諧波電壓限值(%)電壓(kv) thd 奇次 偶次 0.38 5 4.0 2.0 6、10 4 3.2 1.635、66 3 2.4 1.2 110 2 1.6 0.8(220 kv電網(wǎng)參照110 kv執(zhí)行)gb/t 1554395三相供電電壓允許不平衡度(1) 正常允許2%，短時不超過4%； (2)每個用戶一般不得超過1.3%。2.2.5 三相不平衡電力系統(tǒng)中的三相電壓不平衡主要是由負荷不平衡，系統(tǒng)三相阻抗不對稱以及消弧線圈的不正確調(diào)諧等引起的。根據(jù)對稱分量法，三相系統(tǒng)中的電量可分解為正序分量、負序分量和零序分量三個對稱分量。電力系統(tǒng)在正常運行方式下，電量的負序分量均方根值與正序分量均方根值之比定義為該電量的三相不平衡度，用表示，公式為 （2.4）式（2.4）中、分別為電壓正序、負序分量均方根值，kv。國家標準電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度(gb/t15543-1995)規(guī)定電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度不得超過2%，短時不得超過4%；接于公共連接點的每個用戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般不得高于1.3%。2.2.6 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓電力系統(tǒng)中的過電壓現(xiàn)象大多數(shù)是由于運行操作、雷擊和故障引起的，是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的,是供電特性之一。暫時過電壓是指在電網(wǎng)給定點上持續(xù)時間較長的不衰減或者弱衰減的振蕩過電壓。瞬態(tài)過電壓是指僅持續(xù)數(shù)毫秒或更短時間，通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓，可以疊加于暫時過電壓之上。國家標準電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓(gb/t18481-2001)規(guī)定了交流電力系統(tǒng)中作用于電氣設備的暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓的具體要求、電氣設備的絕緣水平，以及過電壓保護方法，不適用于因靜電、觸及高壓系統(tǒng)以及穩(wěn)態(tài)波形畸變(諧波)引起的過電壓。2.3 本章小結本章簡要介紹了電能質(zhì)量的概念與分類，分析了影響電能質(zhì)量的因素及其危害；然后分別給出了電壓偏差、頻率偏差、電網(wǎng)諧波、三相不平衡、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量指標的定義、危害及其國家標準。3 電能質(zhì)量檢測分析算法 電能質(zhì)量歸納起來主要包括6個方面:電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓。其中諧波分析是電能質(zhì)量中最主要，也是分析最困難的一個指標，如果能夠?qū)崟r動態(tài)地監(jiān)測電網(wǎng)中諧波的情況，可以更好地判斷和分析其他電量的情況，因此本節(jié)重點討論電網(wǎng)諧波的檢測與分析算法。目前，常用的諧波檢測方法，根據(jù)測量原理的不同，主要有以下幾類。3.1 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法瞬時無功功率理論最早于20世紀80年代由赤木泰文提出,在許多方面得到了成功應用。赤木最初提出的理論以瞬時實功率和瞬時無功功率的定義為基礎，后來又補充定義了瞬時有功電流和瞬時無功電流。瞬時無功功率理論開始主要應用于三相電路諧波檢測中，目前在電力濾波器中應用最多。瞬時無功功率理論主要有兩種計算方式，以計算和為出發(fā)點的稱為法,以計算稱為法。兩種方法都能較為準確地檢測出對稱三相電路的諧波含量，實時性也較好。但是,按運算方式測量時，由于只需讀取和參與運算即可，畸變電壓的諧波成份不會出現(xiàn)在運算中，因而在不對稱電網(wǎng)中或者電源電壓畸變的情況下也能準確檢測出諧波電流，適用范圍更寬；而法在這種情況下則誤差較大，適用范圍相對較窄。3.1.1運算方式該方法的原理如圖3.1所示。 圖 3.1 運算方式的原理圖 其中，=，=。 該方法中，需用到與相電壓同相位的正弦信號和對應的余弦信號-，它們由一個鎖相環(huán)(pll)和一個正、余弦信號發(fā)生器電路得到。根據(jù)定義可以計算出、，經(jīng)lpf濾波得到出、的直流分量稱、。這里， 、是由、產(chǎn)生的，因此由、通過矩陣即可計算出、，然后被、相減即可計算出、。、 按運算方式檢測時，由于只需取、-參與計算,畸變電壓的諧波成份在運算過程中沒有出現(xiàn)，因而檢測結果不受電壓波形畸變的影響，檢測結果是準確的。3.1.2 基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量 上述方法所測的是諧波總量，而并非具體某一次的諧波含量，而基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波檢測法在上述結果的基礎上可以檢測出具體的某次諧波含量，基本思想如圖3.2所示：圖3.2 基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量原理 本方法的測量原理是：首先通過基波分離電路將基波分離出來，然后按諧波次數(shù)的順序，逐步分離出各次諧波，其中將基波檢測出來的方法和基于、運算方式的檢測方法一樣。 比較運算方式和基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量方式可知，第一種方法對于測量基波分量和總體諧波含量具有良好的實時性，但是無法測量具體某次諧波的含量；第二種方法雖然可以測量出單次的諧波含量，但是硬件復雜，成本較高，實現(xiàn)起來也比較繁瑣。3.2 基于小波分析的諧波檢測方法小波變換是當前應用數(shù)學和工程學科中一個迅速發(fā)展起來的新領域。經(jīng)過十多年的探索與研究，其重要的數(shù)學形式化體系已經(jīng)建立，理論基礎更加堅實。與傅里葉變換相比，小波變換是時域和頻域的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能可以對函數(shù)或信號進行多尺度的細化分析，克服了傅里葉分析在頻域完全局部化而在時域毫無局部性的缺點。小波變換在時域和頻域同時具有局部性，可以計算出特定時間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信號分解成為不同頻率的信號塊，因而通過小波變換可較準確地計算出基波電流，進而求得諧波含量。 小波變換對波動諧波、快速變換諧波的檢測有很大的優(yōu)越性，目前是波動諧波、快速變化諧波的主要檢測方法。但是，由于小波變換的研究時間相對較短，在諧波檢測方面應用還比較少，并且還存在著諸如缺乏系統(tǒng)規(guī)范的最佳小波基的選擇方法等很多不完善的地方，從而使得小波變換算法在計算機和信號處理芯片中的應用受到限制。特別是信號處理芯片，其資源非常有限，根本不適合最佳小波基選取的各種運算和判斷。3.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波檢測方法 神經(jīng)網(wǎng)絡理論是智能控制技術的主要分支之一，通過模擬人類思維進行運算，具有本質(zhì)的非線性特性、并行處理能力、強魯棒性和自組織自學習能力，因此受到人們的普遍關注。神經(jīng)網(wǎng)絡研究內(nèi)容相當廣泛，反映了多學科交叉技術領域的特點，將其應用于諧波測量中，將會有很好的發(fā)展前景。 神經(jīng)網(wǎng)絡可以實時檢測任意整數(shù)次諧波，對基波電流的跟蹤在一個周期內(nèi)就可以達到良好的效果，因此這種方法在精度和實時性方面有較好的特性。但這種算法需要大量的訓練樣本，需要一定的時間來訓練這些樣本，而且如何確定需要的樣本數(shù)也沒有規(guī)范方法，屬于目前正在研究的新方法，研究和應用時間相對較短，實現(xiàn)技術尚需完善，在工程應用中還未優(yōu)先選用。3.4 基于傅里葉變換的諧波檢測方法在電能質(zhì)量分析領域中，變換域分析法是一種有效的方法，起到了重要的作用。傅里葉變換法是其中應用最廣泛的一種，而在工程上又以快速傅里葉變換(fft)算法應用最為廣泛。fft測量諧波精度高、功能多、使用方便，與其他測量方法相比，目前適用范圍最廣泛,理論和技術最成熟，在諧波測量的應用中具有不可替代的作用，而且在數(shù)字信號處理器(dsp)中更容易實現(xiàn)。因此，本系統(tǒng)選用快速傅里葉變換算法作為監(jiān)測終端中進行諧波檢測與分析的方法。 3.4.1傅里葉級數(shù) 當輸入信號為周期函數(shù)或者可近似作為周期函數(shù)處理時，且滿足狄里赫利條件(電力系統(tǒng)信號基本上均滿足)，則它可被分解為一個各種頻率的正弦函數(shù)序列之和，即傅里葉級數(shù)，其三角級數(shù)形式為 （3.1） 式（3.1）中 其中，=在式（3.1）的傅立葉級數(shù)中，頻率為的分量稱為基波，頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)即為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。3.4.2 離散傅里葉變化(dft)為了從理論上的傅里葉級數(shù)分析過渡到電力系統(tǒng)實際波形實用而快速的諧波分析，需要利用傅里葉級數(shù)的指數(shù)形式，直接計算各次諧波的幅值和相位。由歐拉公式 （3.2）解出和，式（3.2）的傅立葉級數(shù)三角形式可化為 （3.3） 則可得 （3.4） 實際上，電力系統(tǒng)的非正弦周期波都是不規(guī)則的畸變波形，無法表示成函數(shù)解析式后用上述傅立葉級數(shù)進行計算。一種常用的方法是對該種波形的時間連續(xù)信號用采樣裝置進行等間隔采樣，并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列，然后借助計算機進行快速諧波分析。連續(xù)波形轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字序列后，上述對于連續(xù)函數(shù)的傅立葉級數(shù)計算式可相應轉(zhuǎn)換成離散化的計算式，做近似計算。對公式(3.4)進行離散化處理：對信號進行每周波均勻采樣n點；式中連續(xù)函數(shù)代以離散序列； ,即用離散點代替連續(xù)點；，即用的有限增量代替其趨近于零的極限值；相應的定積分用被積元素的累加和代替。則公式（3.4）的離散形式為 （3.5） 令，則 （3.6） 上式(3.6)即稱為離散傅里葉變換（dft)。3.4.3 快速傅里葉變換(fft)在工程實際中，若直接用離散傅里葉變換(dft)進行計算，當采樣點很多時，計算量很大，而且dft的效率很低。研究可以發(fā)現(xiàn)，具有周期性和對稱性，即 （3.7）因此，可以考慮將長序列dft利用其對稱性和周期性分解為短序列dft。因為dft的運算量與成正比，如果一個大點數(shù)的dft能分解為若干個小點數(shù)dft的組合，則顯然可以達到減少運算量的效果，這種方法稱之為快速傅里葉變換(fft)。但是快速傅里葉變換(fft)也有它自身的缺點，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。(1)在采樣過程中，如果采樣頻率和信號頻率不同步或者無法達到整數(shù)倍的關系，使用該方法會產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應，導致計算出的信號參數(shù)不準確，尤其是相位的誤差很大，無法滿足測量要求；(2)計算量較大，計算時間比較長，從而使得檢測時間較長，檢測結果實時性較差。3.4.4 改進型復序列快速傅里葉變換(fft)鑒于傳統(tǒng)fft存在著上述不足，本系統(tǒng)對其進行一些技術改進，以適應系統(tǒng)實際需求。首先針對第一個問題，鑒于頻譜泄露和柵欄效應都是由于采樣頻率與信號頻率不同步造成的，所以本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)(phase locked loop:pll)使信號頻率與采樣頻率同步。 鎖相環(huán)作為一種重要的功能電路，在通信、控制、導航、儀器儀表等領域得到了廣泛的應用。鎖相環(huán)基本結構框圖如圖3.3所示，由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器4個部分組成，是一個自動跟蹤相位的負反饋系統(tǒng)。圖3.3鎖相環(huán)結構框圖鑒相器的功能是將兩個輸入信號和的相位轉(zhuǎn)成脈沖寬度信號，經(jīng)低通濾波器平滑后，成為直流電壓信號。壓控振蕩器是一種輸出振蕩頻率受輸入直流電壓控制的振蕩器。當和有相位差變化時，使振蕩頻率變化，最后使輸入和壓控振蕩器的輸出信號頻率之差為零。即輸出信號的頻率始終與輸入信號頻率保持一致。采用鎖相環(huán)有較好的實時性，不用在軟件中增加計算量，因此系統(tǒng)在硬件設計中采用了鎖相環(huán)同步電路，基本上解決了頻譜泄露和柵欄效應的問題。針對第二個關于實時性較差的問題，并考慮減少計算量和減輕編程難度，本文在實際進行fft運算時，將兩個同長度的電壓、電流實序列信號組合為一個復序列信號進行fft運算，這樣就可一并得出電壓和電流頻譜結果，即基于復序列的fft算法，復序列fft算法推導過程如下:取電網(wǎng)兩個實序列信號，令 （3.8）可以得出 （3.9） 的傅里葉變換為 （3.10）其中和，和分別為、的實部和虛部。的傅里葉變換為 （3.11）由式（3.11）得 （3.12）根據(jù)傅里葉變換的周期性和奇偶對稱性，可知實序列的傅里葉變換的實部為偶數(shù)，虛部為奇數(shù)?？傻?(3.13) 對式(3.13)進行傅里葉變換，并考慮其復共扼性質(zhì)，可得，的頻譜為 （3.14） 式中，為的共軛復數(shù)。將式（3.14）按實部、虛部展開后得 （3.15）設為被測電壓信號的第次諧波，為被測電流信號的第次諧波，則 （3.16）由以上推導可得出各次諧波電壓和電流的幅值為 （3.17） 其中，。3.4.5其它電能質(zhì)量參數(shù)的計算 由上述公式(3.15)、(3.16)、(3.17)可以推算出各次諧波的復功率、有功功率和無功功率為 （3.18） (3.19) （3.20） 根據(jù)以上的計算結果，可得電壓有效值、電流有效值、諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、有功功率、無功功率及功率因數(shù)為 （3.21） 式中l(wèi)為已知諧波的最高次數(shù)。3.3 本章小結 本章介紹諧波監(jiān)測的分析方法，重點講述了目前針對諧波檢測，技術先進或技術成熟的四種分析方法，即瞬時無功功率理論、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡和傅里葉變換，分析了它們的優(yōu)點、缺點和適用范圍。鑒于快速傅里葉變換(fft)諧波檢測方法技術成熟、應用廣泛，功能多，精度高，且在數(shù)字信號處理器(dsp)中易于實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用fft法作為諧波檢測方法，并針對傳統(tǒng)fft法存在頻譜泄露、柵欄效應及計算量大等缺陷，對其進行了技術改進，然后以此作為本系統(tǒng)諧波檢測分析的算法。4 配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究4.1系統(tǒng)硬件設計硬件系統(tǒng)主要有四個模塊構成：數(shù)據(jù)采集模塊，dsp核心處理模塊，串口通信模塊，鍵盤及液晶顯示模塊。根據(jù)實際需要，設計系統(tǒng)硬件連接框圖如圖4.1。圖4.1系統(tǒng)硬件框圖各模塊功能及工作流程為：（1）在數(shù)據(jù)釆集模塊中，將待測交流信號經(jīng)互感器隔離、轉(zhuǎn)換。其中，電壓互感器將電網(wǎng)中一次的電壓互感器的100v交流電壓信號和轉(zhuǎn)換成為峰值為1v電壓信號，電流互感器將電網(wǎng)中的一次電流互感器的5a（1a）交流電流信號轉(zhuǎn)換成為峰值為1v電壓信號。由于這種從傳感器出來的低壓信號中混雜了噪聲，為保證系統(tǒng)具有較高精度，因此還需要用信號調(diào)理電路對信號進行偏置、調(diào)制成dsp能夠接受的信號，以滿足ad轉(zhuǎn)換的要求。（2）將釆集到的信號送入dsp進行實時處理，計算出各電能質(zhì)量參數(shù)，通過rs485通信模塊將數(shù)據(jù)傳送上位機，實現(xiàn)電能質(zhì)量的遠程檢測。電源模塊給系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源，確保系統(tǒng)多電平電路正常工作等。（3）鍵盤及液晶