【正文】 60東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第2章 國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與故障監(jiān)測技術(shù)要求 電能質(zhì)量現(xiàn)象描述電能質(zhì)量可以定義[8. 鄧少軍. 基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]，沈陽，東北大學(xué)，2006]為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或者瞬態(tài)過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時(shí)間中斷以及供電連續(xù)性等。并提出了電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并對各功能模塊做了簡單的介紹。以及目前國內(nèi)外對電能質(zhì)量監(jiān)測方面的研究現(xiàn)狀，并介紹了本文的主要研究對象——電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在提高電能質(zhì)量檢測與記錄裝置性能、存儲能力、實(shí)時(shí)處理能力、信息共享、通信能力等方面也做深入的研究。我國電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的研究對我國電力系統(tǒng)的發(fā)展也有著重要的意義。如何將這些算法結(jié)合使用，發(fā)揮各個(gè)算法的優(yōu)勢就成為了在實(shí)際應(yīng)用中需要深入研究的課題。這種系統(tǒng)的各個(gè)子監(jiān)測設(shè)備分布在電力系統(tǒng)的各點(diǎn)上，通過網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控總站（監(jiān)控總站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析與存儲）連接，每個(gè)子系統(tǒng)都通過GPS對時(shí)，以保證系統(tǒng)時(shí)間一致。隨著網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，人們對電力系統(tǒng)故障監(jiān)測設(shè)備又進(jìn)行了新的改進(jìn)。這種早期的監(jiān)測系統(tǒng)精確度與實(shí)時(shí)性雖然都已不能滿足現(xiàn)在的電力故障錄波要求，但是它們在一定程度為后續(xù)的電能質(zhì)量監(jiān)測的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。需要聲明的是以上這些電力故障分析方法還遠(yuǎn)沒有完善，在將其硬件實(shí)現(xiàn)過程中需要對其進(jìn)行必要的修改與優(yōu)化。分量的總數(shù)量是預(yù)先選定的，而且其頻率和幅度也事先估計(jì)出來，并使其適應(yīng)模型。由于我們對系統(tǒng)事先了解，我們可以假設(shè)數(shù)據(jù)序列是由特定模型產(chǎn)生的。要獲得數(shù)據(jù)的時(shí)頻表達(dá)，目前一種普遍使用的方法是STFT（短時(shí)傅里葉變換）。目前一種標(biāo)準(zhǔn)的并廣受青睞的方法是DFT或它的快速算法FFT。它們可以大致分為兩大類：一是變換或基于子帶濾波器的方法，二是基于模型的方法。但是正如后面將要描述的一樣，一種信號處理方法可能十分適于一種電能質(zhì)量問題的分析但并不能適合于所有問題的分析[1. Math H. J. Bollen. Irene Gu. Signal Processing of Power [M],IEEE Press, 2006,16~18]。在電力系統(tǒng)故障的分析方法方面，人們關(guān)心的電能質(zhì)量己經(jīng)不僅僅是早些時(shí)候的供電電壓和頻率兩個(gè)指標(biāo)，而是另外增加了電力諧波、電壓波動(dòng)與閃變，電壓瞬變、三相不平衡等一系列指標(biāo)。深入理解現(xiàn)代電力質(zhì)量問題，把提高電能質(zhì)量與增強(qiáng)競爭意識、電力市場占有率聯(lián)系起來，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行管理等方面加大力度，保證優(yōu)質(zhì)供電、以最小程度的減少對先導(dǎo)工業(yè)企業(yè)和重要電力用戶的影響，既是電力用戶的需求和電力系統(tǒng)運(yùn)行給我們提出的新任務(wù)，也是信息時(shí)代給我們提出的新挑戰(zhàn)。人們開始認(rèn)識到，電力系統(tǒng)運(yùn)行和工業(yè)生產(chǎn)過程對電能質(zhì)量的要求在逐步的擴(kuò)大和深化，提高電能質(zhì)量已成為保證供用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求。而近年來，非線性和沖擊性負(fù)荷的使用也在不斷地增長，這些負(fù)荷對供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的破壞，使電力系統(tǒng)面對了空前廣泛的諧波、閃變、不對稱等污染，電能質(zhì)量問題日益突出，引起了供電部門和廣大電力用戶的普遍重視。電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文第1章 緒論 課題背景電力供應(yīng)是現(xiàn)代社會賴以生存的重要支柱。據(jù)國際會議報(bào)告介紹，在一些發(fā)達(dá)國家每年由于電能質(zhì)量下降所引起的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元。行業(yè)方面，近年來隨著電力行業(yè)的深化改革，發(fā)電與輸配電體制分離，電能按質(zhì)按量論價(jià)、電力網(wǎng)逐步實(shí)行商業(yè)化運(yùn)營與市場交易也已經(jīng)是大勢所趨。應(yīng)該說，當(dāng)代電力系統(tǒng)的發(fā)展賦予了電能質(zhì)量新的內(nèi)涵和意義。分析采樣電壓或電流波形對電力質(zhì)量提供了定量的描述。例如，小波變換在識別波形突變時(shí)可能很有吸引力，但它在諧波分析時(shí)卻沒什么優(yōu)勢。一、基于變換或子帶濾波的數(shù)據(jù)分解：這些方法將待測的電力信號分解成各分量成分。小波變換是另一種與頻域分析密切相關(guān)的變換。STFT可以解釋為一系列等帶寬的帶通濾波器的等效，其帶寬取決于所選窗函數(shù)與窗的大小?；谀Ｐ偷姆椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是一旦正確選定了模型，它將達(dá)到可與基于變換的方法相媲美的高分辨率。目前共有三個(gè)估計(jì)方法：MUSIC，ESPRIT，與Kalman濾波。在電力系統(tǒng)故障監(jiān)測手段方面，主要任務(wù)是對電力信號波形分析來判斷故障發(fā)生時(shí)刻和原因，比較早出現(xiàn)的是基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)測方法[3. 李旭. 謝運(yùn)祥. 電能質(zhì)量監(jiān)測的技術(shù)現(xiàn)狀[J]，電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9：49~52。隨著DSP和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，電力故障錄波設(shè)備的研制已主要轉(zhuǎn)向DSP芯片環(huán)境的開發(fā)研制，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，集成度高，穩(wěn)定性好。將監(jiān)測與分析分開，由單獨(dú)的設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測電力系統(tǒng)故障，并記錄故障數(shù)據(jù)，再由分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)分析故障數(shù)據(jù)找出故障原因。目前廣域測量系統(tǒng)已成為了電力系統(tǒng)故障監(jiān)測發(fā)展的新趨勢。在電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備方面，基于網(wǎng)絡(luò)的電力故障監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來的發(fā)展趨勢。本課題的研究對象。課題源于2006年申報(bào)立項(xiàng)的沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目基金課題“電能質(zhì)量與電力系統(tǒng)故障檢測關(guān)鍵技術(shù)研究”。第二章介紹了目前比較流行的電能質(zhì)量現(xiàn)象的分類分類方法，并對電能質(zhì)量的衡量方法加以分析。第四章介紹了電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并將其分為信號調(diào)理模塊、信號處理模塊、通信調(diào)度模塊三部分加以詳細(xì)介紹。研究電能質(zhì)量就要從電能質(zhì)量現(xiàn)象入手。其中在國際電工界有影響的IEC以電磁現(xiàn)象及相互干擾的途徑和頻率特性為基礎(chǔ)，引出了廣義的電磁擾動(dòng)的基本現(xiàn)象分類，[10. Domijan A. Heydt G T. Meliopoulos A P S. Directions of Research on Power Quality[J]. IEEE Transaction on Power Delivery,2003,8(1):429436]： IEC關(guān)于引起電磁擾動(dòng)的基本現(xiàn)象分類 IEC classification of basic phenomenons cause electromagnetic disturbance現(xiàn)象分類現(xiàn)象分類傳導(dǎo)型低頻現(xiàn)象諧波，間諧波輻射型低頻現(xiàn)象工頻電磁場信號系統(tǒng)（電力線載波）輻射型高頻現(xiàn)象磁場電壓波動(dòng)電場電壓暫降和中斷電磁場電壓不平衡連續(xù)波工頻變化瞬變感應(yīng)低頻電壓靜電放電現(xiàn)象（ESD）交流電網(wǎng)中的直流成分核電磁脈沖（NEMP）傳導(dǎo)型高頻現(xiàn)象感應(yīng)連續(xù)波電壓或電流單方向瞬變振蕩性瞬變[11. Dugan R C. Mcgranghan M F. Beaty H W. Electrical Power System Quality[M],New York,McGrawHi11,2001,7376]。 IEEE電力系統(tǒng)電磁現(xiàn)象的特性參數(shù)及分類 IEEE characteristic andclassification of power system electromagnetic phenomenons類別典型頻譜典型持續(xù)時(shí)間典型電壓幅值瞬變現(xiàn)象沖擊脈沖納秒級5ns上升50ns　微秒級1μs上升50ns1ms　毫秒級1ms　振蕩低頻5kHz04 .中頻5500kHz20μs08 .高頻5μs04 .短時(shí)電壓變動(dòng)暫時(shí)暫降　 .暫升　 .暫時(shí)中斷　 .暫降　30周波3s .暫升　30周波3s .短時(shí)中斷　3s1min .暫降　3s1min .暫升　3s1min .長時(shí)間電壓變動(dòng)持續(xù)中斷　　1min .欠電壓　　1min .過電壓　　1min .電壓不平衡　　　穩(wěn)態(tài)%2%波形畸變直流偏置　　穩(wěn)態(tài)%諧波　0100th穩(wěn)態(tài)020%間諧波　06kHz穩(wěn)態(tài)02%陷波　　穩(wěn)態(tài)　噪聲　寬帶穩(wěn)態(tài)01%電壓波動(dòng)　　25Hz間歇%7%工頻變化　　　10s　 變化型和事件型分類電能質(zhì)量問題還有一種分類方法，即按照電能質(zhì)量擾動(dòng)的現(xiàn)象的兩個(gè)重要表現(xiàn)特征——變化的連續(xù)性和事件的突發(fā)性為基礎(chǔ)分成兩類[12. 肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制[M]，北京，中國電力出版社，2004，89]。這一類現(xiàn)象包括前邊的提到的電壓幅值變化、頻率變化、鍛壓與電流間相位的變化、電壓不平衡、電壓波動(dòng)、諧波電壓和電流畸變、電壓陷波、主網(wǎng)載波信號干擾等。這一現(xiàn)象包括電壓暫降和電壓短時(shí)間中斷、欠電壓、暫態(tài)過電壓、階梯形電壓變化、相位跳變等。 電能質(zhì)量的衡量方法我國的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（將在下一節(jié)中介紹）為我們評價(jià)電能質(zhì)量提供了定量的依據(jù)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)數(shù)據(jù)需要通過一些與標(biāo)準(zhǔn)定值相關(guān)的計(jì)算方法來獲得。供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓（通常，電力系統(tǒng)的額定電壓采用標(biāo)稱電壓去描述，對電氣設(shè)備則采用額定電壓的術(shù)語）之差對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)成為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差。 電力系統(tǒng)頻率偏差系統(tǒng)有功功率不平衡是產(chǎn)生頻率偏差的根本原因。在任意時(shí)刻，系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的總輸出有功功率如果大于系統(tǒng)負(fù)荷對有功功率的總需求，那么，系統(tǒng)頻率上升，頻率偏差為正；反之，系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的總輸出有功功率如果小于系統(tǒng)負(fù)荷對有功功率的總需求，系統(tǒng)頻率則下降，頻率偏差為負(fù)。事故性不平衡由系統(tǒng)中各種非對稱性故障引起。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下，電量的負(fù)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，用符號表示，即： (23) (24)其中、——三相電壓不平衡和三相電流不平衡度；、——電壓正序、負(fù)序分量均方根值，kV；、 ——電流正序、負(fù)序分量均方根值，kA。 電壓波動(dòng)與閃變[15. 熊靜. 基于TMS320C6713的電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)與研制[D]，南京，東南大學(xué)，2006]電壓波動(dòng)(Voltage Fluctuation)定義為電壓均方根值一些相對快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動(dòng)常用相對電壓變動(dòng)量來描述，電壓波動(dòng)取值為一系列電壓均方根值變化中的相鄰兩個(gè)極值之差與標(biāo)稱電壓的相對百分?jǐn)?shù)，即： (26)式中——電壓波動(dòng)；與——電壓均方根值的相鄰兩個(gè)極值，kV；——標(biāo)稱電壓值，kV。嚴(yán)格講閃變只是電壓波動(dòng)造成的危害的一種。暫態(tài)電能質(zhì)量問題以頻譜和暫態(tài)持續(xù)事件為特征，一般分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩種類型。但是這種方法不能明確電壓暫降起止時(shí)刻，更無法給出電壓暫降發(fā)生時(shí)可能出現(xiàn)的相位跳變的大小。令： (27) (28)式中——期望的瞬時(shí)電壓波形；——受擾動(dòng)的電壓波形，則缺損電壓為；、——分別為PLL電壓的幅值、相角和暫降電壓的幅值、相角。在絕大多數(shù)情況下，畸變并不是任意的，多數(shù)畸變是周期性的，屬于諧波范疇，因此，可以用諧波來描述規(guī)律的波形畸變。以電流為例，某次諧波分量的大小，常以該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，成為該次諧波的含有率，次諧波電流的含有率為： (211)式中——次諧波電流的含有率；、——h次諧波和基波的均方根值。是一個(gè)非常有用的指標(biāo)，但同時(shí)也要注意它的局限性。幅值較小的諧波電流可能導(dǎo)致較大的值，而此時(shí)電力系統(tǒng)受到的威脅并不大。至2001年，國家技術(shù)監(jiān)督管理局先后組織制定并頒布了六項(xiàng)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)。.= /。根據(jù)系統(tǒng)容量可以放寬到177。 本章小結(jié)本章首先介紹了電能質(zhì)量現(xiàn)象的描述及幾種比較流行的分類方法。最后本章介紹了我國的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并對其中的一些細(xì)節(jié)作了簡要的說明。本章介紹電能質(zhì)量數(shù)字測量算法，并根據(jù)算法的特點(diǎn)結(jié)合當(dāng)前電能質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)際需要設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)故障錄播通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 波形畸變與諧波測量自Fourier(傅立葉)變換問世以來，其應(yīng)用的廣泛性和重要性有目共睹，它的離散快速變換FFT更曾是波形畸變與諧波分析的有力工具[23. 樹忠. 梁軍. 車仁飛. 電動(dòng)機(jī)故障錄波監(jiān)測裝置通訊及通道校正方案的研究與開發(fā)[J], 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，14(4)：4144]。為了克服傅立葉變換不能進(jìn)行局部分析的重大缺陷，窗口傅立葉變換[25. Hdialgo R M. Femandez J G. et al. A simple adjustable window algorithm to improve FFT measurements[J], IEEE Trans. On IM, 2002, 51(1): 3136]應(yīng)運(yùn)而生。電力信號諧波分量測量算法可以采用整周期窗口DFT算法，這種算法將輸入序列的一個(gè)整周期在時(shí)域上加床后分解成基2 DFT運(yùn)算的組合，從而計(jì)算出各次諧波幅值。當(dāng)n為1時(shí)，則可得到輸入信號的基頻分量的實(shí)部和虛部： (36) (37)進(jìn)而由公式(32)、(33)即可求得基頻分量的幅值和相角。而對于電力故障錄播設(shè)備來說，一般接有數(shù)十路模擬量輸入信號，并且要求采用較高的采樣頻率，以完整、全面地反映故障暫態(tài)過程各電氣量的變化特點(diǎn)。首先，輸入電力信號在經(jīng)一次整周期FFT變換后，可以得到各相輸入電壓、電流的各次諧波成分，如式(34)、