【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 型 擾動(dòng)性質(zhì) 特征指標(biāo) 產(chǎn)生原因 后果 解決方法 諧波 穩(wěn)態(tài) 諧波頻譜電壓電流波形 非線性負(fù)載固態(tài)開關(guān)負(fù)載 設(shè)備過(guò)熱、繼電保護(hù)誤動(dòng)、設(shè)備絕緣破壞 有源濾波無(wú)源濾波 三相不對(duì)稱 穩(wěn)態(tài) 不平衡因子 不對(duì)稱負(fù)載 設(shè)備過(guò)熱、繼電保護(hù)誤動(dòng)、通信干擾 靜止無(wú)功補(bǔ)償 陷波 穩(wěn)態(tài) 持續(xù)時(shí)間幅值 調(diào)速驅(qū)動(dòng)器 計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)錯(cuò)誤 通信干擾 電容器隔 離電感器 電壓閃變 穩(wěn)態(tài) 波動(dòng)幅值 出現(xiàn)頻率 調(diào)制頻率 電弧爐 電機(jī)起動(dòng) 伺服電機(jī)運(yùn)行不正常 靜止無(wú)功補(bǔ)償 諧振暫態(tài) 穩(wěn)態(tài) 波形 峰值 持續(xù)時(shí)間 線路、負(fù)載、電容器的切投 設(shè)備絕緣破壞、損壞電力電子設(shè)備 濾波器 隔離變壓器避雷器 脈沖暫態(tài) 穩(wěn)態(tài) 上升時(shí)間、峰值、持續(xù)時(shí)間 閃電電擊線路感性電路開合 設(shè)備絕緣破壞 避雷器 電壓 瞬升瞬降 穩(wěn)態(tài) 幅值 持續(xù)時(shí)間 瞬時(shí)值時(shí)間 遠(yuǎn)端發(fā)生故障 電機(jī)起動(dòng) 設(shè)備停運(yùn)、敏感負(fù)載不能正常運(yùn)行 不間斷電源動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 噪聲 穩(wěn)態(tài) 暫態(tài) 幅值、頻譜 不正常接地 微處理 器控制設(shè)備不能 正確接地濾波器 變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 4頁(yè)（共 58頁(yè)） 1． 3 電力參數(shù)檢測(cè)的發(fā)展及現(xiàn)狀情況 在電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學(xué)原理進(jìn)行參數(shù)測(cè)量， 1890年，發(fā)明了感應(yīng)式電磁原理電能表，沿用至今。早期的電力參數(shù)檢測(cè)大都采用的是模擬電子技術(shù)，測(cè)量裝置的體積龐大、功能單一、自動(dòng)化度較低和數(shù)據(jù)測(cè)量精度不高，難以進(jìn)行諧波分析，不具備綜合分析和判斷功能，一般也不具備異常報(bào)警功能。不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的異常現(xiàn)象，并且依賴運(yùn)行人員定時(shí)巡回手工抄表來(lái)記錄電耗情況，工作強(qiáng)度大，效率低。 50年代出現(xiàn)數(shù)字式儀表，電力參數(shù)測(cè)量進(jìn)入一個(gè)新的 階段：數(shù)字式儀表采用數(shù)字電路進(jìn)行信息的數(shù)字化處理，與早期的模擬儀表相比，可以得比較高的精確度，靈敏度提高，價(jià)格低，但整體應(yīng)用范圍較窄，功能比較單調(diào)，移植性較差，難以適合高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理。 隨著電子技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)測(cè)量中，使得電力系統(tǒng)的測(cè)量、監(jiān)控技術(shù)得到了快速發(fā)展，精度和實(shí)時(shí)性有了很大的提高。但是電力系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)性，計(jì)算能力及大數(shù) 據(jù) 量運(yùn)算速度等各方面要求的不斷提高，采用一片 CPU或雙 CPU微機(jī)式的電力參數(shù)檢 測(cè) 儀器，需要同時(shí)完成電力參數(shù)和諧波的大數(shù)據(jù)量的計(jì)算，再加上 A／ D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送等系統(tǒng)內(nèi)容的影響，致使系統(tǒng)測(cè)量精度和準(zhǔn)確度越來(lái)越不能滿足日益提高的性能要求。 DSP技術(shù)的高速發(fā)展為電力參數(shù)測(cè)試技術(shù)帶來(lái)了新的變革，特別是在電力系統(tǒng)電壓和電流的高次諧波的測(cè)量和分析中， DSP以其運(yùn)算速度快、精度高、顯著的計(jì)算能力與實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)輸入輸出能力強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，并且采用 DSP開發(fā)的測(cè)量裝置體積小，集成度高 t隨著 DSP芯片的性價(jià)比不斷提高，開發(fā)工具越來(lái)越完善， DSP的應(yīng)用成為目前電力參數(shù)測(cè)試 開 發(fā)的最新趨勢(shì)，在電力參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域大有取代單片機(jī)的趨勢(shì)。 我國(guó)對(duì)電力參數(shù)的研究和開 發(fā)起步較晚，測(cè)量?jī)x器整體測(cè)量水平較低，存在著實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，檢測(cè)指標(biāo)少，效率低等局面；目前國(guó)內(nèi)還在使用一些模擬式和數(shù)字式測(cè)量?jī)x表，雖然一些專門的測(cè)量裝置已經(jīng)在一些部門投入使用，但是多數(shù)是一些功正常運(yùn)行 第一 章 緒論 第 5頁(yè)（共 58頁(yè)） 能比較單一的測(cè)試儀和分析儀，多功能、精度高的測(cè)量裝置在市場(chǎng)上比較少見；近年來(lái)．我國(guó)的不少?gòu)S家通過(guò)借鑒國(guó)外的測(cè)量?jī)x器以及通過(guò)與外國(guó)公司的合作，不斷研制和推出了各種系列的高性能測(cè)量?jī)x器。如杭州遠(yuǎn)方儀器有限公司的 PF9800系列測(cè)量?jī)x器，蘭州勝利儀器公司的智能型電力參數(shù)采集測(cè)控儀表系列，青島青智儀器公司的電參量測(cè)試儀表等。這些測(cè) 量?jī)x器其性能比較先進(jìn)，功能也比較齊全，可以測(cè)量有效值、功率和諧波、閃變和三相不平衡度等所有參數(shù)，具有 RS． 23RS485等通訊方式，顯示方式美觀大方，可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)值、波形、頻譜圖等：雖然在技術(shù)上看，我國(guó)的測(cè)量?jī)x器有了不少的進(jìn)步，但在一些性能指標(biāo)、可靠性和智能化程度方面與國(guó)外的同類產(chǎn)品還有一定的差距。 國(guó)外對(duì)電力參數(shù)的研究和開發(fā)起步較早，早在 70年代就出現(xiàn)了可以測(cè)量多個(gè)電力參數(shù)的多功能測(cè)量?jī)x表； 80年代，隨著當(dāng)前的電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量?jī)x器已經(jīng)進(jìn)入智能化時(shí)代； 90年代來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技 術(shù)特別網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，使得測(cè)量裝置得到空前發(fā)展；國(guó)外各大公司把這些技術(shù) 應(yīng)用于測(cè)量裝置上。研制推出了眾多在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先的測(cè)量?jī)x器，如美國(guó) Fluke公司推出的F43B電能質(zhì)量分析儀，瑞典 UNIPOWER公司的 UP系列電能質(zhì)量測(cè)量?jī)x等，可實(shí)時(shí)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的所有參數(shù)，計(jì)算高達(dá) 51次的諧波，可以捕捉電壓瞬變和驟升驟降及浪涌電流的顯示，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，還具有全中文操作軟件，顯示方式多樣，硬件全電子化等特點(diǎn)。 隨著各種性能要求的提高，測(cè)量?jī)x器將在使用微機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、總線技術(shù)和虛 擬儀器相關(guān)技術(shù)，將測(cè)量、控制、分析集成于一體；這種裝置體積小，測(cè)量精度較高，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化功能，可以測(cè)量電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、無(wú)功功率、視在功率、諧波及其他電力參數(shù)值的測(cè)量，而且可以進(jìn)行多條記錄存儲(chǔ)、可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量等。 當(dāng)前，電力參數(shù)檢測(cè)儀器正朝著以下方向發(fā)展： 體積小型化、功能多樣化、功耗減小，維持電流降低化、采用新器件更高可靠性、顯示方式普遍更新。 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能、在線監(jiān)測(cè)。隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等發(fā)展，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)廣泛采用這些先進(jìn)的科研 成果，使在線監(jiān)測(cè)逐步走向?qū)嵱没A變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 6頁(yè)（共 58頁(yè)） 段；監(jiān)測(cè)裝置可作為接入訪問(wèn)平臺(tái)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源和數(shù)據(jù)資源共享及遠(yuǎn)程操作。 虛擬化。虛擬儀器是建立在標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、積木化的硬件和軟件平臺(tái)上的完全開發(fā)的系統(tǒng)，結(jié)合電力系統(tǒng)的應(yīng)用，開發(fā)應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 1． 4 電力參數(shù)及諧波測(cè)量方法研究 1． 4． 1電力參數(shù)測(cè)量算法 在有效值的測(cè)量上有均方根法、正弦模型法、非正弦模型法。其中正弦模型法又有導(dǎo)數(shù)算法、最小二乘濾波算法等，非 正 弦模型法有傅立葉算法、均方根積分法等。在含有諧波電流情況下，非正弦模型法比正弦模型法誤差小。在功率測(cè)量上有瞬時(shí)無(wú)功功率理論方法。 1． 4． 2諧波測(cè)量方法 l、采用模擬濾波器的諧波測(cè)量 早期采用模擬濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波測(cè)量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，輸出阻抗低，品質(zhì)因數(shù)易于控制，缺點(diǎn)是濾波器中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性，檢測(cè)精度不高，運(yùn)行損耗大。 基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波測(cè)量 1984年，日本學(xué)者 H． Akagi等提出瞬時(shí)無(wú)功功率理論，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種諧波電流的檢測(cè)方法： pq法和 ipiq。這兩種方法都能準(zhǔn)確地測(cè)量對(duì)稱的三相三線制電路的諧波值， ipiq法適用范圍更廣，不僅在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)適用，在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)也同樣有效：而使用 pq法測(cè)量電網(wǎng)電壓畸變時(shí)的諧波會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無(wú)畸變時(shí)，各電流分量 (基波正序無(wú)功分量、不對(duì)稱分量及高次諧波分量 )的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單，并且延時(shí)小，雖然被測(cè)電流中諧波構(gòu)成和采用濾波器的不同會(huì)產(chǎn)生不同的延時(shí)，但延時(shí)最多不超過(guò)一個(gè)電源周期。該方法還具有很好的實(shí)時(shí)性，缺點(diǎn)是硬件多，花費(fèi)大，瞬時(shí)無(wú)功功率理論解決了諧波和無(wú)功功 率的瞬時(shí)檢測(cè)及不用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，對(duì)治理諧波和研發(fā)無(wú)功補(bǔ)償裝置等起到了很大的推動(dòng)作用。 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測(cè)量 第一 章 緒論 第 7頁(yè)（共 58頁(yè)） 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN)的興起給電力諧波測(cè)量提供了新的研究途徑。 ANN是由一些稱之為神經(jīng)元的基本單元按一定規(guī)則互聯(lián)而成的自適應(yīng)系統(tǒng)，它具有人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些基本特征，諸如信息的分布式存儲(chǔ)和大規(guī)模并行處理、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力等功能。由于這些特征，對(duì) ANN應(yīng)用于信號(hào)處理、模式識(shí)別、圖象處理、人工智能和優(yōu)化計(jì)算、預(yù)測(cè)與管理等方面已有很多研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波測(cè)量尚屬起步階段 。 基于傅立葉變換的諧波測(cè)量 基于傅立葉變換的諧波測(cè)量是當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣泛的一種方法。使用該方法測(cè)量諧波，精度較高，算法快速，使用方便。其缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性不好，會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使計(jì)算出的信號(hào)參數(shù) (即頻率、幅值和相位 )不準(zhǔn)確。無(wú)法達(dá)到時(shí)域和頻域的有機(jī)結(jié)合，難以適用于非平穩(wěn)信號(hào)，時(shí)間信息利用不充分，任何信號(hào)沖突都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)頻帶的頻譜散碲 1121。因此需要對(duì) FFT方法進(jìn)行改進(jìn)，以提商測(cè)量準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性。 基于小波分析方法的諧波測(cè)量 小波分析 (Wavelet Analysis)是 1986年以來(lái) 由于 Y． Meyer， S． Mallat及I． DaubechieS等的奠基工作而迅速發(fā)展起來(lái)的一門應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科，也是當(dāng)前數(shù)學(xué)家關(guān)注和研究的一個(gè)熱點(diǎn)。它是傅立葉分析發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。小波分析作為一種新型的時(shí)頻分析工具，在時(shí)域、頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，使得它比傅立葉分析及短時(shí)傅立葉分析更為精確、可靠，使得具有奇異性、瞬間性的故 障信號(hào)檢測(cè)也變得更加準(zhǔn)確 。雖然小波變換應(yīng)用在諧波測(cè)量方面尚處于初始階段，但小波變換在頻域和時(shí)域都具有局部性的特點(diǎn)必將在電力系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。 1． 5 本論文的研究?jī)?nèi)容 國(guó)際 電工委員會(huì)（ IEC）標(biāo)準(zhǔn) IEC61850對(duì)采樣速率有明確的要求，由表 2可知對(duì)220kV及以上電壓等級(jí)輸電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置和儀表應(yīng)達(dá)到 M2級(jí)和 M3級(jí)，交流采樣的遙測(cè)裝置每周期 ( )采樣點(diǎn)數(shù)分別要求大于 80和 240點(diǎn)。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的交流采樣遙測(cè)裝置很難達(dá)到此要求，而 DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性能價(jià)格比等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于交流采樣遙測(cè)裝置。本 文介紹的這套系統(tǒng)使用 高速變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 8頁(yè)（共 58頁(yè)） 度 CT,PT采樣，采用快速傅立葉變換算法，計(jì)算高達(dá) 15次諧波，完成功率、電度、功率因數(shù)、電壓、電流、頻率等的計(jì)算，具有高精 度，高穩(wěn)定性。其 采樣速率為 12kHz,完全能達(dá)到 IEC61850采樣速率的要求。 表 2 IEC 61850 對(duì)測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)要求 數(shù)據(jù)類型 級(jí)別 精確度級(jí)和諧波 分辨度 (幅值 )／ bit 采樣速率 每秒采樣次數(shù) 每周期采樣次數(shù)（ 50Hz） 電壓 M1 (IEC60687) 12 1500 30 電流 M1 (IEC60044)最多 5次諧波 14 1500 30 電壓 M2 (IEC60687) 14 3000 80 電流 M2 (IEC60044)最多 13次諧波 16 3000 80 電壓 M3 16 4000 240 電流 M3 IEC未定義最多 40次諧波 18 4000 240 針對(duì)表 2的要求， 本文介紹的這套電氣參數(shù)交流采樣 系統(tǒng) 是 采用 TMS320VC33型高速數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)和兩片 16位高速 A/D轉(zhuǎn)換器 ADS8364實(shí)現(xiàn) 快速、精確地采集和計(jì)算各種電氣參數(shù)。該系統(tǒng)還具有性能價(jià)格比高、維護(hù)方便的特點(diǎn)。 第二章變電站電力參數(shù)及諧波測(cè)量方法 第 9頁(yè)（共 58頁(yè)） 第二章 變電站電力參數(shù)及諧波測(cè)量方法 2． 1 變電站電力參數(shù)測(cè)量?jī)?nèi)容及其計(jì)算原理 2． 1． 1變電站電力參數(shù)測(cè)量項(xiàng)目 交流電壓、電 流有效值的測(cè)量 在計(jì)算某一周期電壓信號(hào)有效值時(shí)， 201 TU dtT u? ? (21) 式中 u一一為 t時(shí)刻的電壓信號(hào)瞬時(shí)值 u(t)； T一一該電壓信號(hào)波形的周期： U一一交流電壓信號(hào)有效值。 如果將式 (21)離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來(lái)代替電壓函數(shù)，則 211 NmmUTT u?? ? (22) 式中 —— 相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔； —— 第 m個(gè)時(shí)間間隔的電壓信號(hào)采樣瞬時(shí)值； N—— 一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。 若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔都相等， 為常數(shù)。 因?yàn)? TNT? 則： 211 NmmU N u?? ? (23) 變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 10頁(yè)（共 58頁(yè)） 這就是根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)有效值的公 式。 同理，記 im為第 m個(gè)時(shí) 間 間隔采樣得到的電流瞬時(shí)值 ， 該電流有效值 I為： 211 NmmI N i?? ? (24) 平均功率 T的計(jì)算 111 N