【正文】 )分別是n次諧波分量的振幅和初相角。然而Fourier變換的積分作用平滑了電力信號(hào)的突變成分，而且它所表示的時(shí)域與頻域之間是彼此整體刻畫(huà)的，不能反映各自的局部信息[24. 鄭恩讓. 高森. 關(guān)于電力系統(tǒng)FFT諧波檢測(cè)存在問(wèn)題的研究[J]，繼電器，2006，18：5257]。數(shù)字測(cè)量算法用來(lái)求得電能質(zhì)量衡量方法所需要的數(shù)據(jù)，是電能質(zhì)量衡量的基礎(chǔ)。 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 電壓波動(dòng)與閃變 Power quality standard Voltage flactuation and flicker標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)允許限值說(shuō)明GB 123262000電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)與閃變電壓變動(dòng)d的限值和變動(dòng)的頻度r有關(guān)：當(dāng)r1000 時(shí)，對(duì)于低壓和中壓，d=%4%；對(duì)于高壓，d=%3%；對(duì)于隨機(jī)不規(guī)則變動(dòng)，d=2%和d=%2. 每次測(cè)量周期為10min，取實(shí)測(cè)95%概率值；每次測(cè)量周期2h，不得超標(biāo)，規(guī)定測(cè)量?jī)x器并給出典型分析實(shí)例閃變限值電壓等級(jí)LVMVHV()()注： ；為長(zhǎng)時(shí)間閃變值。 [18. 馬維新. 電能質(zhì)量技術(shù)叢書(shū) 第一分冊(cè) 電力系統(tǒng)電壓[M]，北京，中國(guó)電力出版社，19919. 蔡邠. 電能質(zhì)量技術(shù)叢書(shū) 第二分冊(cè) 電力系統(tǒng)頻率[M]，北京，中國(guó)電力出版社，19920. 呂潤(rùn)余. 電能質(zhì)量技術(shù)叢書(shū) 第三分冊(cè) 電力系統(tǒng)高次諧波[M]，北京，中國(guó)電力出版社，19921. 孫樹(shù)勤. 電能質(zhì)量技術(shù)叢書(shū) 第四分冊(cè) 電壓波動(dòng)與閃變[M]，北京，中國(guó)電力出版社，19922. 林雪海. 電能質(zhì)量技術(shù)叢書(shū) 第五分冊(cè) 電力系統(tǒng)的三相不平衡[M]，北京，中國(guó)電力出版社，1998]： 暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓 Power quality standard Temporary overvoltage and transient overvoltage標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)允許限值說(shuō)明GB/T 184812001電能質(zhì)量 暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓。因?yàn)殡妷和挥邪俜种畮椎淖儎?dòng)，所以電壓通常是一個(gè)有意義的數(shù)據(jù)。國(guó)際上公認(rèn)的諧波定義為：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波的頻率的整數(shù)倍。缺損電壓定義為期望的瞬時(shí)電壓和實(shí)際的瞬時(shí)電壓之間的差值。本小節(jié)提到的電壓擾動(dòng)主要是指暫態(tài)(瞬態(tài))電壓擾動(dòng)。由于波動(dòng)性負(fù)荷在運(yùn)行過(guò)程中頻繁的從配電系統(tǒng)取用快速變動(dòng)電能，即出現(xiàn)沖擊性功率變化，造成公共連接點(diǎn)電壓在短時(shí)間內(nèi)急劇變動(dòng)，并且明顯偏離標(biāo)稱(chēng)電壓值。供電系統(tǒng)不平衡主要來(lái)自于供電線路得不平衡，用電環(huán)節(jié)的不平衡是指系統(tǒng)中三相負(fù)荷不對(duì)稱(chēng)所引起的系統(tǒng)三相不平衡。我國(guó)采用50Hz標(biāo)稱(chēng)頻率。電能質(zhì)量的衡量方法的主要內(nèi)容包括：供電電壓偏差的衡量、電力系統(tǒng)頻率偏差的衡量、三相電壓不平衡度的衡量、電壓波動(dòng)與閃變的衡量、電壓擾動(dòng)的衡量和波形畸變率的衡量這六個(gè)部分，下面加以詳細(xì)介紹。根據(jù)變化型電能質(zhì)量的特征，當(dāng)測(cè)量變化型電壓和電流時(shí)要求連續(xù)記錄它們的變化值。對(duì)于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，可以利用以下屬性來(lái)描述：幅值、頻率、頻譜、調(diào)制、電源阻抗、下降深度、下降面積；對(duì)于非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，還可能需要一些其他特性來(lái)描述：上升率、幅值、相位移、持續(xù)時(shí)間、頻譜、頻率、發(fā)生率、能量強(qiáng)度、電源阻抗等。第六章是對(duì)本課題的總結(jié)與展望。第一章介紹了課題的背景和研究意義。但是目前這種設(shè)備正處在研制階段，還沒(méi)有正式成為產(chǎn)品，各國(guó)都在這方面做了許多的工作。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在通信能力上也作了很多改進(jìn)，可以在多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行工作[4. 魯玉. 故障錄波裝置的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳方案探討[J]，陜西電力，2006，7：59~61]，甚至出現(xiàn)了便于組網(wǎng)的無(wú)線連接方式[5. 王俊鵬. 基于DSP和CDMA技術(shù)的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量測(cè)量終端的設(shè)計(jì)[D]，浙江，浙江大學(xué)，2007]，并出現(xiàn)了基于GPS對(duì)時(shí)的廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System,WAMS)[6. 盛浩. 基于WAMS的動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真軌跡誤差校正的研究[D]，吉林，東北電力大學(xué)，2007]。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能及時(shí)返回給監(jiān)測(cè)人員，需要監(jiān)測(cè)人員定期更新系統(tǒng)，備份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，因此監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就不能及時(shí)得到分析處理。（1）正弦模型：信號(hào)被看成是一系列有限長(zhǎng)頻率分量之和。（2）時(shí)頻（或時(shí)尺度）域分析：如果待測(cè)數(shù)據(jù)是非平穩(wěn)的，那么將其分解為與時(shí)間相關(guān)的頻率分量較為合理。下面將總結(jié)目前電力質(zhì)量分析領(lǐng)域中有吸引力的信號(hào)處理方法的類(lèi)型。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于電能質(zhì)量問(wèn)題的研究主要面向兩大方面：一是電力系統(tǒng)故障的分析方法，二是電力系統(tǒng)故障的監(jiān)測(cè)手段。另一方面，隨著高新技術(shù)、尤其是信息技術(shù)的發(fā)展，眾多基于計(jì)算機(jī)、微處理器、電力電子裝置控制或管理的現(xiàn)代化工業(yè)與民用用電設(shè)備，對(duì)電能質(zhì)量更加敏感，因此電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求在不斷提高。在我國(guó)電力工業(yè)蓬勃發(fā)展、電力負(fù)荷急劇增長(zhǎng)的同時(shí)，電能質(zhì)量成為了發(fā)、供、用電部門(mén)十分關(guān)注并且可以完善的重要指標(biāo)。這些變化大大推動(dòng)了電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程和對(duì)供電質(zhì)量的監(jiān)督和管理。例如，分析諧波分量和它的相關(guān)譜，定位干擾開(kāi)始和結(jié)束的點(diǎn)，與不同系統(tǒng)故障時(shí)導(dǎo)致干擾的一組數(shù)據(jù)。根據(jù)待測(cè)數(shù)據(jù)（或數(shù)據(jù)塊）的平穩(wěn)性，可以選擇頻域分析或時(shí)頻域分析。另一種實(shí)施時(shí)頻分析的方法是離散小波濾波。（2）其他隨機(jī)模型：這類(lèi)模型僅限于自回歸模型（AR），自回歸滑動(dòng)和模型（ARMA），狀態(tài)矢量空間模型三種。DSP數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)越，系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性都得到了保證。 課題意義及研究對(duì)象由于電力用戶對(duì)電能質(zhì)量要求越來(lái)越高，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)也有了相應(yīng)的增加[7. 董其國(guó). 電能質(zhì)量技術(shù)問(wèn)答[M]，北京，中國(guó)電力出版社，2003，46]。本文在對(duì)包括GB123251990《供電電壓允許偏差》、GB/T145491993《公用電網(wǎng)諧波》、GB/T155431995《三相電壓允許不平衡度》、GB/T159451995《電力系統(tǒng)頻率允許偏差》、GB123262000《電壓波動(dòng)和閃變》、GB/t184812001《電能質(zhì)量 暫時(shí)過(guò)電壓和瞬時(shí)過(guò)電壓》在內(nèi)的六項(xiàng)國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了仔細(xì)分析的基礎(chǔ)上，深入研究了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與記錄裝置算法的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)故障檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)。最后介紹了我國(guó)的電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為了系統(tǒng)地分析和研究電能質(zhì)量現(xiàn)象，并能夠?qū)ζ錅y(cè)量結(jié)果進(jìn)行分選識(shí)別，從中找出引起電能質(zhì)量問(wèn)題的原因和采取針對(duì)性的解決方法，因此將電能質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)和給出相應(yīng)的定義是很重要的。這種分類(lèi)是比較實(shí)用的。在事件型電壓和電流評(píng)估時(shí)，通常采用其特征量，比如用幅值偏離量的多少、事件持續(xù)事件的長(zhǎng)短以及發(fā)生的頻次等來(lái)描述，并且用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法以及可靠性計(jì)算來(lái)處理。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (21)其中——電壓偏差；——實(shí)際電壓，kV；——系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓，kV。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱(chēng)值之差稱(chēng)為系統(tǒng)的頻率偏差，用公式表示為： (22)其中——頻率偏差，Hz——實(shí)際頻率，Hz——系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)頻率，Hz頻率偏差屬于頻率變化范疇。由式(23)和式(24)可以看出，想要計(jì)算出系統(tǒng)的三相不平衡度，必須首先計(jì)算三相系統(tǒng)的正序和負(fù)序分量。為了區(qū)分電壓波動(dòng)和電壓偏差，在國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)里特別對(duì)電壓的波動(dòng)性給出了定義，%每秒。暫態(tài)(瞬態(tài))電壓擾動(dòng)的主要特征包括：暫態(tài)諧波、暫態(tài)脈沖、瞬時(shí)電壓上升或暫降[17. 陳志業(yè). 李鵬. 電能質(zhì)量研究——電壓暫降及其治理[J]，機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2002，5：2426]。假設(shè)兩電壓的頻率相同，則可表示為，為缺損電壓可表示為： (29)式中?；儾ㄐ我蛑C波引起的偏離正弦波形的程度，用總諧波畸變率來(lái)衡量。為了解決這一問(wèn)題，有專(zhuān)家建議，可以將中所采用的基波電流改為額定負(fù)荷電流。，凡未說(shuō)明的操作過(guò)電壓限值均為最大操作過(guò)電壓、斷路器開(kāi)斷并聯(lián)補(bǔ)償裝置及變壓器等過(guò)電壓限值作出了規(guī)定電壓等級(jí)(kV)過(guò)電壓限制(.)252(I)252(II)110及2203566310注：1. 指工頻峰值電壓 2. 252kV(I)和252kV(II)分別指線路斷路器兩側(cè)變電所的線路空載線路合閘、單相重合閘、成功的三相重合閘、非對(duì)稱(chēng)故障分閘及振蕩解列過(guò)電壓限值電壓等級(jí)(kV)過(guò)電壓限值(.)500*330*110252* 表示該過(guò)電壓相對(duì)地統(tǒng)計(jì)操作過(guò)電壓 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 公用電網(wǎng)諧波 Power quality standard Harmonics of public grid標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)允許限值說(shuō)明GB/T 145491993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波各級(jí)電網(wǎng)諧波電壓限值（%），取實(shí)測(cè)95%概率值，提供計(jì)算方法電壓kVTHD奇次偶次542431102注： 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 三相電壓允許不平衡度 Power quality standard Allowable threephase voltage unbalance標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)允許限值說(shuō)明GB/T 155431995電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度%，短時(shí)不超過(guò)4%%，去實(shí)測(cè)95%概率值或日累計(jì)超標(biāo)不允許超過(guò)72min 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 供電電壓允許偏差 Power quality standard Allowable deviation of supply voltage標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)允許限值說(shuō)明GB 123251990電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差%衡量點(diǎn)為供電產(chǎn)權(quán)分界處或電能計(jì)量點(diǎn)177。通過(guò)對(duì)這些分類(lèi)方法的研究可以加深對(duì)電能質(zhì)量現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。 電能質(zhì)量數(shù)字測(cè)量算法電能質(zhì)量數(shù)字測(cè)量算法被作為錄波系統(tǒng)的判據(jù)依據(jù)，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它必須準(zhǔn)確快速的反應(yīng)出電能質(zhì)量問(wèn)題。為了提取信號(hào)Fourier變換的局部信息，引入一個(gè)時(shí)間局部化的“窗函數(shù)”。整周期窗口DFT算法的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)輸入信號(hào)中除基頻分量外只包含恒定直流分量和整數(shù)次諧波分量時(shí)，計(jì)算精度高，并且對(duì)其他分?jǐn)?shù)諧波，算法也具有良好的抑制效果。將式中的n取1，則可以得到輸入信號(hào)所包含的基頻分量的虛部和實(shí)部。這樣一來(lái)就節(jié)省了大量的運(yùn)算量。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際頻率大于系統(tǒng)額定頻率時(shí)，向量將沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。設(shè)為當(dāng)前周期的相角，為前一周期的相角，為采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。 三相電壓不平衡度測(cè)量，電力系統(tǒng)三相不平度的計(jì)算是以計(jì)算電力信號(hào)的正負(fù)零序?yàn)榛A(chǔ)的。用數(shù)學(xué)公式表達(dá)就是：， (335) (336)現(xiàn)在我們將電量表示為： (337)由式(337)可以解得： (338)從式(337)、(338)可以看出，一般的三相電量可以分解成由各相共同的電量與、這兩個(gè)不同相序的對(duì)稱(chēng)三相電量構(gòu)成的3個(gè)分量[34. 賀家李. 宋從矩. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]，北京，水利電力出版社，1994，146157]。式(341)中的各次諧波有效值可以由迭代DFT算法求出。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電力信號(hào)波形會(huì)發(fā)生擾動(dòng)和畸變，信號(hào)前后周期的波形會(huì)發(fā)生變化，因此我們對(duì)連續(xù)兩周期的對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)進(jìn)行比較就可以判斷波形是否發(fā)生了突變。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本電力系統(tǒng)故障錄波通信系統(tǒng)是按照《220～500kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則》設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，并參考了《電能質(zhì)量測(cè)試分析儀檢定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》中對(duì)電能質(zhì)量分析儀的要求。遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障信息傳輸與保護(hù)及安全裝置日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)的雙重作用。每個(gè)錄波設(shè)備由信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊和調(diào)度模塊組成。DSP的所有控制信號(hào)由CPLD分發(fā)給各個(gè)外圍芯片。因此本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體公司的STR710FZ2處理器。本章考慮到了算法實(shí)現(xiàn)的難易度，對(duì)部分算法進(jìn)行的改進(jìn)。DSP的控制管腳有限，它的控制信號(hào)，包括片選信號(hào)，讀寫(xiě)信號(hào)等，由CPLD分發(fā)給各個(gè)芯片。這套算法主要采用將時(shí)頻域下的波形數(shù)據(jù)通過(guò)FFT算法轉(zhuǎn)換到頻域中計(jì)算得到不同頻域下的分量大小，再結(jié)合具體判據(jù)條件實(shí)現(xiàn)故障錄波。在對(duì)電流及電壓信號(hào)隔離互感后，每一路輸入信號(hào)都經(jīng)過(guò)了一級(jí)電壓跟隨，用以增大輸入阻抗，減少外界擾動(dòng)影響。它是在TMS320C31浮點(diǎn)DSP的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一個(gè)新版本，具有高速、低成本、低功耗、易于開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，并支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算。 CPLD邏輯控制單元電路設(shè)計(jì)原理圖 Circuit design schematic diagram of CPLD logic control unitCPLD對(duì)DSP芯片的地址線A1A1A1A14和頁(yè)選通管腳nPG0、nPGnPG3和DSP讀寫(xiě)信號(hào)進(jìn)行譯碼，并根據(jù)各個(gè)DSP外部芯片的時(shí)序來(lái)給出這些芯片的片選信號(hào)和讀寫(xiě)信號(hào)。可選雙極性模擬輸入范圍：177。采用AD7656實(shí)現(xiàn)的A/。在通信調(diào)度模塊的設(shè)計(jì)中選用了ARM處理器作為核心。從1985年至今，已經(jīng)有超過(guò)10億片ARM芯片被銷(xiāo)往世界各地。另外，外部存儲(chǔ)器接口(EMI)提供了16條數(shù)據(jù)線接口和24條地址線接口，可擴(kuò)展4組16MB空間的外部存儲(chǔ)器。NM7010A以太網(wǎng)模塊與MCU連接只需兩個(gè)雙列28針接口，可以很方便地與系統(tǒng)相連。GPRS即General Packet Radio Service，通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。 BenQ M23 GPRS無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)原理圖