【正文】 頻電壓或電流直接作用在非線性負(fù)載，產(chǎn)生倍頻諧波分量；(3) 電力系統(tǒng)時(shí)變負(fù)載的作用產(chǎn)生奇數(shù)次、偶數(shù)次、非整數(shù)次諧波，甚至使得工頻基波消失。但實(shí)際的公用電網(wǎng)中，電壓、電流波形并不是理想的正弦形式，這是因?yàn)橹C波的存在，使得波形產(chǎn)生畸變[10]。用均方差σ 來表示 f 與 fN 數(shù)學(xué)期望值的離散程度，即： 1nσ= ∑ ( fi ? f N ) 2 n ? 1 i =1通過σ 的統(tǒng)計(jì)分析來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的頻率偏差情況。頻率偏差采用歐洲發(fā)電聯(lián)盟推薦的方法來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。只要保證采樣速率足夠高，即可使測(cè)量和算法具有很高的精度和效率。另一種測(cè)量方法是，首先對(duì)用交流采樣得到的采樣數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除其中的基波后，通過插值法求波形過零點(diǎn)的時(shí)刻，通過插值法求波形過零點(diǎn)的時(shí)刻，進(jìn)而求得相應(yīng)的周期。該方法是通過硬件檢測(cè)輸入波形的過零點(diǎn)，控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)。 頻率及頻率偏差的測(cè)量根據(jù)《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》中的規(guī)定[9]，電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為 ，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)偏差值可放寬到 ?！峨娔苜|(zhì)量 供電電壓允許偏差》中明確規(guī)定了各電壓等級(jí)下的電壓偏差允許值，如表 21 所示。無功功率采用 Fryze 無功定義：Q = S 2 ? P2根據(jù)計(jì)算好的有功功率和視在功率，可得功率因數(shù)為：cos ? =PS(210)(29)(28) 電能質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)量 電壓偏差的測(cè)量電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化時(shí)，實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差[8]。但要求電壓和電流采樣值必須是同時(shí)采樣，隱含了電壓和電流是每周期內(nèi)等間隔采樣，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)存在很大的誤差[6][7]。正弦波情況下，有功功率為 P = UI cos ? ，但是在電壓、電流含有各次諧波的情況下，此時(shí)有功功率為 1P = ∫ u (t )i (t )dt T0T(25)8哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文那么單項(xiàng)有功功率離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)電壓和電流瞬時(shí)值來代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)電壓和電流后得單項(xiàng)有功功率為： 1 N ?11 N ?1T1P = ∑ (unin ?T ) = ∑ (unin ) = T n =0T n =0NN∑u in= 0N ?1nn(26)其中 un、in 為三相電壓、電流的瞬時(shí)采樣值。根據(jù)數(shù)值積分中的矩形算法，有： 1 N ?1 2U= ∑ un ?T T n =0 1 N ?1 2I= ∑ in ?T T n =0(23)T ，可得到交流采?T若相鄰兩次采樣時(shí)間間隔 ?T 都相等，則 ?T 為一常數(shù)： N =樣電壓電流有效值的計(jì)算公式：U=1N∑un =0N ?12( n) I =1N∑in =0N ?12(n)(24)即為根據(jù)每周期內(nèi)采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓電流有效值公式。當(dāng)滿足采樣定理時(shí)離散采樣序列 i(n)、u(n)將包含工頻交流信號(hào)中有關(guān)電參量的信息，由數(shù)值積分理論可計(jì)算出工頻交流電信號(hào)的電參量。目前，高速單片機(jī)、DSP 及高速 A/D 的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強(qiáng)有力的硬件支持[4]。交流采樣技術(shù)是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再按一定算法7哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測(cè)信號(hào)信息的方法。但直流采樣法存在一些問題：測(cè)量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大；此外，用直流采樣法測(cè)量工頻電壓、電流是通過測(cè)量平均值來求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時(shí)，平均值與有效值之間的關(guān)系將發(fā)生變化，給計(jì)算結(jié)果帶來誤差。而根據(jù)被采集信號(hào)方法的不同，交流電參量的采樣測(cè)量方法主要有兩種：直流采樣法和交流采樣法。常用的方法是對(duì)該波形的連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)化為數(shù)字序列，借助相關(guān)算法進(jìn)行諧波分析。對(duì)于一個(gè)畸變的非正弦周期函數(shù)，可以用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：f (t ) = A0 + A1 cos(ω1t + ?1 ) + A2 cos(ω2t + ? 2 ) + ... + An cos(ωn t + ? n ) + ...(21)其中， 0 是直流分量， n 是周期分量的峰值；?n 是響應(yīng)周期分量的初相角。 基本電參量的測(cè)量原理及方法電力系統(tǒng)的電壓、電流理想波形是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，正弦波供電能夠減少鐵損并提高效率。這些量主要包括：三相電壓、電流有效值；電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率；電壓、電流的各次諧波分量及諧波總畸變率；三相有功功率，三相無功功率和三相視在功率；功率因數(shù)；各次諧波含有率；波形及波形因數(shù)；電壓、電流中的負(fù)序和正序分量；電壓波動(dòng)值[3]。電能質(zhì)量的五個(gè)主要指標(biāo)為：電力系統(tǒng)諧波、電壓波動(dòng)和閃變、電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差和三相電壓允許不平衡度。該算法實(shí)時(shí)性好、簡(jiǎn)單，在不需要測(cè)量基波和各次諧波參數(shù)的情況下，可以選用此方法；傅里葉及改進(jìn)的傅里葉算法是目前應(yīng)用最多的算法，可以一次算出信號(hào)中所用的諧波，應(yīng)用方便，已經(jīng)才電力系統(tǒng)測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用；小波變換算法因其在時(shí)域頻域都具有較好的分辨率，在電力系統(tǒng)測(cè)量中有很好的研究?jī)r(jià)值[2]。非正弦模型算法主要有：有效值算法、傅里葉及改進(jìn)的傅里葉算法、最小二 乘 算法 （ Least error square algorithm） 卡爾曼濾波算 法 （ Kalman filter、algorithm）、小波變換算法等。正弦模型算法主要有最大值算法、單點(diǎn)算法、半周期積分算法、兩點(diǎn)算法、導(dǎo)數(shù)算法、和快速三點(diǎn)算法。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流采樣以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，有逐步取代直流采樣的趨勢(shì)。直流采樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為 0~5V 的直流電壓，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，便于濾波，但投資較大，維護(hù)復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。5哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 電力參數(shù)的測(cè)量原理電力系統(tǒng)基本電參量的測(cè)量主要包括：電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等。重點(diǎn)介紹了 FFT 算法在 DSP 上的實(shí)現(xiàn)方法以及基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的低通 FIR 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的脫機(jī)運(yùn)行，設(shè)計(jì)了 DSP 的 Bootloader。各模塊之間通過信息交換協(xié)調(diào)工作。4哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第 4 章介紹了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法。對(duì)按時(shí)間抽?。―ITFFT）的基2FFT 算法的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并采用了一種針對(duì)電力參數(shù)采集中實(shí)序列輸入的高效 FFT 算法。本節(jié)著重介紹了目前電力諧波的測(cè)量理論，包括快速傅里葉變換、瞬時(shí)無功功率理論、小波變換等，通過對(duì)其的比較，選擇快速傅里葉變換作為本系統(tǒng)的諧波測(cè)量方法。 論文研究的主要內(nèi)容本論文緊密結(jié)合導(dǎo)師的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)際開發(fā)項(xiàng)目，在借鑒同類裝置的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)一種實(shí)用、完全脫離仿真器、低成本的便攜式電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表，從測(cè)量裝置的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、算法分析等角度進(jìn)行研究，重點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有的 FFT 諧波分析算法進(jìn)行研究和仿真，通過比較選擇了合適的窗函數(shù)和插值算法進(jìn)行誤差修正，有效的抑制頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)?？傮w來看，國(guó)內(nèi)對(duì)電能質(zhì)量裝置的研究起步晚，隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和智能化，單一功能的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)不適合現(xiàn)3哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文代化電能管理的需求。國(guó)內(nèi)廣泛采用統(tǒng)計(jì)型電壓表監(jiān)測(cè)電壓質(zhì)量水平，這些電壓監(jiān)測(cè)儀只能監(jiān)測(cè)電壓合格率，需要人工抄表，缺乏統(tǒng)計(jì)分析功能，而諧波和電壓波動(dòng)、閃變的測(cè)量則用便攜式測(cè)量?jī)x器，分別對(duì)變電站的各級(jí)母線電壓、主變壓器各側(cè)的諧波電流、電容器組的諧波電流進(jìn)行測(cè)量，對(duì)大中型非線性負(fù)荷用戶和電廠以及低壓配電網(wǎng)電流進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進(jìn)行評(píng)估。硬件方面有基于 DSP 芯片、基于單片機(jī)、基于雙 CPU 系統(tǒng)、基于 ARM 系統(tǒng)等；軟件方面充分利用了 LabView 技術(shù)、CAN總線、LONWORKS 總線、Web 技術(shù)等實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)；此外還有一些專門測(cè)量電壓閃變等暫態(tài)量的測(cè)量裝置。其中電能質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立主要涉及電能質(zhì)量的定義、綜合評(píng)價(jià)體系及其咋電力市場(chǎng)、智能建筑中的應(yīng)用等方面；2006年 4 月，經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)組建的電力行業(yè)電能質(zhì)量計(jì)柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，正進(jìn)一步完善國(guó)家的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系；算法分析是電能質(zhì)量研究的重要內(nèi)容，目前相關(guān)的算法研究主要致力于利用 FFT 算法、小波分析、窗函數(shù)等工具，進(jìn)行信號(hào)去噪、信號(hào)提取以及諧波分析等方面的處理。在國(guó)內(nèi)，目前電能質(zhì)量中的某些問題已成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，吸引了許多高等院校和科研機(jī)構(gòu)的一大批科技人員投入其中進(jìn)行研究。1996 年，IEEE 決定將每?jī)赡暾匍_一次的電力諧波國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議（ICHPS）更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議（ICHAP），討論的主題包括利用先進(jìn)的電能計(jì)量的分析方法開發(fā)新型實(shí)用的電能計(jì)量裝置，把電能質(zhì)量提高到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)高度。這類儀器的硬件基礎(chǔ)是采集技術(shù)和輸入輸出技術(shù)，而軟件基礎(chǔ)在于數(shù)據(jù)的采樣和處理方法。這類儀器內(nèi)部含有微處理器，通過微處理器來控制數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第三代是智能儀器。這類儀器同指針式儀器相比，精度有了很大提高，能直觀讀取測(cè)量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。電力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段[1]：第一代是指針式儀器，如模擬萬用表、電壓表、電流表等，這些儀器儀表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式、電熱式等。供電質(zhì)量問題不僅對(duì)大型企業(yè)的正常運(yùn)作影響較大，同時(shí)對(duì)重大活動(dòng)的安全供電影響較大。大量電力電子設(shè)備的使用是新技術(shù)的運(yùn)用，同時(shí)也是電能質(zhì)量惡化的制造者和受害者。只有充分的了解1哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的各個(gè)指標(biāo)，對(duì)其分析、統(tǒng)計(jì)后，才能找到問題的根源，分析其嚴(yán)重程度，從而得出處理的方法，進(jìn)一步解決這些問題。所有的這些問題將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生產(chǎn)事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。一直以來，供電線路的電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等參數(shù)的檢測(cè)是掌握供電線路和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)，有些參數(shù)還是保證功率補(bǔ)償有效性和合理性的決策依據(jù)?，F(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。本系統(tǒng)具有很高的測(cè)量速度和測(cè)量精度，人機(jī)界面友好，易于操作，功能齊全，具有可擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)的硬件和軟件升級(jí)，具有很好的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，對(duì)于頻譜分析的抗混疊處理，本文設(shè)計(jì)了基于窗函數(shù)的數(shù)字濾波器。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)分為信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、人機(jī)接口模塊等多個(gè)功能模塊，各模塊之間通過信息交換協(xié)調(diào)工作。本文首先論述了電力系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的意義及研究發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了諧波的危害和目前存在的諧波檢測(cè)方法，并在電能質(zhì)量和電能計(jì)量相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，然后從硬件、軟件和算法三個(gè)方面詳細(xì)介紹了電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。碩士學(xué)位論文電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究DESIGN AND RESEARCH OF THEELECTRIC POWER QUALITYMONITORING SYSTEM李林哈爾濱工業(yè)大學(xué)2009 年 6 月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：TM932國(guó)際圖書分類號(hào)：學(xué)校代碼：10213密級(jí)：公開工學(xué)碩士學(xué)位論文電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究碩 士 研究生：李林導(dǎo)師：曲延濱教授申 請(qǐng) 學(xué) 位 ： 工學(xué)碩士學(xué) 科 專 業(yè) ： 電氣工程所 在 單 位：信息科學(xué)與工程學(xué)院答 辯 日 期：2009 年 6 月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)Classified Index: TM932: Dissertation for the Master Degree in EngineeringDESIGN AND RESEARCH OF THEELECTRIC POWER QUALITYMONITORING SYSTEMCandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for:Specialty:Affiliation：Date of Defense:DegreeConferringInstitution:Li LinProf. Qu YanbinMaster of EngineeringElectrical EngineeringSchool of Information Science andEngineeringJune, 2009Harbin Institute of Technology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代電力電子變流裝置和非線性設(shè)備被大量使用，電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起電力部門和許多重要商業(yè)用戶的密切關(guān)注，一方面是電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，另一方面卻是用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，其矛盾日益尖銳。因此，如何提高和保證電能質(zhì)量己經(jīng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)面臨的重要問題，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析具有十分重要的意義。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，本文采用 DSP+MCU 構(gòu)架，充分發(fā)揮 DSP 芯片的數(shù)字處理能力和 MCU 的控制功能。硬件方面，本文詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)，以及相關(guān)的系統(tǒng)電路擴(kuò)展；軟件方面，本文著重分析了諧波分析算法，采用了一種針