【正文】 ich possesses the superiority of high accuracy and fast dynamic performance pared with traditional Butterworth filter is used to obtain positivesequence fundamental ponent and negativesequence fundamental ponent, and the zerosequence ponent is obtained by using improved single phase voltage sag detection method, then, voltage sag characteristics can be got easily. The improved method can estimate the sag parameters with high accuracy in real time. Therefore, it is not only efficient for the realtime detection of voltage sag but also effective for the realtime voltage sag control and pensation in dynamic voltage restorers（DVRs）.The purpose of the dissertation is to form an arithmetic system that related to some main power quality problems. It will provide effective theorem basis and algorithms for power quality online detection and offline analysis. The validity of the proposed algorithms has verified by normorous simulations, and the algorithms have been successfully applied in the development of a practical device named ‘the VIbased Electric Parameter Measurement Device’. Key words: Power Quality。 Digital Signal Processing。 Algorithm目 錄學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 I摘 要 IIAbstract IV第1章 緒 論 1 課題研究的背景和意義 1 電能質(zhì)量及其主要指標(biāo)參數(shù) 2 電能質(zhì)量概述 2 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 2 電能質(zhì)量分類及主要指標(biāo)參數(shù) 3 電能質(zhì)量參數(shù)估計(jì)理論及算法 6 時(shí)域分析方法 6 頻域分析方法 7 時(shí)頻分析方法 8 其它分析方法 12 本文的研究?jī)?nèi)容 13第2章 傳統(tǒng)電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的估計(jì)算法 16 引言 16 基于STFT的工頻參數(shù)估計(jì)算法 16 短時(shí)傅里葉變換 16 算法原理 17 窗函數(shù)選擇 19 窗寬的自適應(yīng)優(yōu)化 22 基本電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)及仿真 23 算法實(shí)現(xiàn)步驟 23 電壓偏差估計(jì) 23 頻率偏差估計(jì) 27 三相不平衡度 30 相角差及功率因數(shù) 31 小結(jié) 32第3章 諧波、間諧波及閃變的檢測(cè)算法 34 引言 34 諧波檢測(cè) 35 諧波實(shí)時(shí)檢測(cè)方法 35 低通濾波器的選擇 36 算法仿真分析 37 間諧波的檢測(cè)算法 40 算法原理及實(shí)現(xiàn) 40 算法仿真分析 41 閃變的檢測(cè) 42 電壓波動(dòng)與閃變 42 IEC閃變測(cè)量方法 43 間諧波與電壓波動(dòng)、閃變的關(guān)系 45 間諧波與電壓波動(dòng)調(diào)幅波對(duì)于閃變的等值關(guān)系 46 基于間諧波的閃變參數(shù)估計(jì) 47 算法仿真分析 50 小結(jié) 52第4章 基于圖像邊緣處理的暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè) 53 引言 53 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)及形態(tài)濾波器 54 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算 54 形態(tài)濾波器 56 基于圖像邊緣檢測(cè)方法的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè) 56 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像邊緣檢測(cè) 56 電力擾動(dòng)檢測(cè) 57 方法性能分析 59 擾動(dòng)檢測(cè)方法的改進(jìn) 63 TopHat變換及抑制背景梯度的機(jī)理 63 信號(hào)去噪的形態(tài)濾波器設(shè)計(jì) 64 改進(jìn)方法的實(shí)現(xiàn) 65 改進(jìn)方法性能分析 65 基于順序形態(tài)變換的電壓擾動(dòng)檢測(cè) 68 順序形態(tài)運(yùn)算 68 順序形態(tài)邊緣檢測(cè)算子及擾動(dòng)檢測(cè) 69 性能分析 70 小結(jié) 71第5章 電壓暫降特征參數(shù)的檢測(cè) 73 引 言 73 基于dq變換的電壓暫降檢測(cè)原理 74 單相電壓暫降的改進(jìn)檢測(cè)方法 75 方法原理 76 方法的性能分析 77 “異動(dòng)”處理及低通濾波 79 仿真及分析 79 三相電壓暫降的改進(jìn)檢測(cè)方法 84 三相不平衡電壓暫降參數(shù)的檢測(cè) 84 相電壓基波分量的計(jì)算 87 仿真及分析 88 小結(jié) 91結(jié) 論 93參考文獻(xiàn) 95致 謝....…….……………………......………………………….……………………..107附錄A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的主要學(xué)術(shù)論文目錄....………………..……………...108第1章 緒 論 課題研究的背景和意義電能的生產(chǎn)和應(yīng)用是人類歷史上最偉大的科學(xué)技術(shù)成就之一。電力作為目前最清潔和使用最方便的二次能源，在推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和提高人民生活水平方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用；電能作為一種特殊的商品，其質(zhì)量將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體效益和人民生活質(zhì)量產(chǎn)生越來(lái)越大的影響。特別是近年來(lái)，伴隨信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置投入使用，這些裝置對(duì)電能質(zhì)量的要求更為苛刻。與此同時(shí)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)（Power System）中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，諸如半導(dǎo)體整流器、晶閘管調(diào)壓及變頻調(diào)整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和家用電器等負(fù)荷迅速發(fā)展，電網(wǎng)（Power Network）中非線性（Nonlinear）、波動(dòng)性（Fluctuant）、沖擊性（Impulsive）、不平衡性（Unbalanced）負(fù)荷（Load）所占比重增大，這些負(fù)荷和其它許多新型的電氣設(shè)備在其運(yùn)行中會(huì)向電力系統(tǒng)注入各種電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI），對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和用電設(shè)備的正常工作造成的危害與影響不斷增加，電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出，引起電力部門和電力用戶的高度重視，促使電力及相關(guān)部門采取積極有效的措施來(lái)保證電網(wǎng)高質(zhì)量電能的供應(yīng)。只有快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量問(wèn)題，并對(duì)它進(jìn)行有效的分析，確定問(wèn)題的類型、范圍和產(chǎn)生原因，才能對(duì)其進(jìn)行有效的控制和治理。電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的測(cè)量是電能質(zhì)量檢測(cè)的重要內(nèi)容，也是電能質(zhì)量深層次分析的基礎(chǔ)。同時(shí)，電能質(zhì)量參數(shù)的精確檢測(cè)，也有利于電能合理定價(jià)和規(guī)范電能消費(fèi)市場(chǎng)。由于技術(shù)的限制，最初的參數(shù)測(cè)量多采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度也相對(duì)精確，已成為電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量的主流。 電能質(zhì)量及其主要指標(biāo)參數(shù) 電能質(zhì)量概述電能質(zhì)量，是指通過(guò)公用電網(wǎng)供應(yīng)給用戶端的交流電能的品質(zhì)。在三相交流電力系統(tǒng)中，各相電壓和電流應(yīng)處于幅值大小相等、相位互差120度的對(duì)稱狀態(tài)。由于系統(tǒng)各元件（發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等）參數(shù)并不是理想線性和對(duì)稱的，加之調(diào)控手段的不完善、負(fù)荷性質(zhì)各異且其變化的隨機(jī)性以及運(yùn)行操作、各種故障等原因，這種理想狀態(tài)在實(shí)際中并不存在，因此就產(chǎn)生了電能質(zhì)量問(wèn)題（Power Quality Problem）。電能質(zhì)量是一個(gè)抽象的概念，內(nèi)涵豐富，外延廣闊。 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、保護(hù)電氣環(huán)境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術(shù)規(guī)范，是實(shí)施電能質(zhì)量監(jiān)督管理，推廣電能質(zhì)量控制技術(shù)，維護(hù)供用電雙方合法權(quán)益的依據(jù)。世界各國(guó)制定的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是不完全相同的，但都在與國(guó)際權(quán)威組織推薦的標(biāo)準(zhǔn)積極接軌。IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)從電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）的角度對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行描述，即電能質(zhì)量問(wèn)題基本上屬于EMC中的傳導(dǎo)低頻現(xiàn)象。IEEE 1159工作組從1995年開始研究電能質(zhì)量，目前制定的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有： IEEE 1159《電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的推薦標(biāo)準(zhǔn)》[[] IEEE Std 115921995. IEEE Remended Practice for Monitoring Electric Power Quality [S]. 1995.]、IEEE 1159. 1《各種類型電能質(zhì)量擾動(dòng)事件的基本監(jiān)測(cè)要求》、IEEE1159. 2《各種類型電能質(zhì)量擾動(dòng)事件的特性分析》、IEEE 《電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換格式》[[] IEEE Std 1159. 322003. IEEE Remended Practice for the Transfer of Power Quality Data [S]. 2003.]。以IEC和我國(guó)為例，電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定就過(guò)于簡(jiǎn)單和籠統(tǒng)。 電能質(zhì)量分類及主要指標(biāo)參數(shù)總體上講，電能質(zhì)量問(wèn)題可分為穩(wěn)態(tài)（SteadyState）和暫態(tài)（TransientState）兩大類。它是電能質(zhì)量的主要方面，影響范圍廣，程度深；人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)和研究可分為兩個(gè)階段。20世紀(jì)70年代至本世紀(jì)初，電力系統(tǒng)中直流輸電（DC Transmission）和柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission Systems, FACTS）不斷投入實(shí)際工程，同時(shí)非線性電力電子器件和裝置在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷（例如電弧爐、大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等）大量增加，電力系統(tǒng)中諧波、間諧波，以及電壓波動(dòng)與閃變現(xiàn)象日益嚴(yán)重，成為電能質(zhì)量領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容。近年來(lái)，隨著社會(huì)信息化的日益發(fā)展，數(shù)字式自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到大規(guī)模應(yīng)用，如變頻調(diào)速設(shè)備，可編程邏輯控制器、各種自動(dòng)生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等敏感性用電設(shè)備的大量使用，電壓暫降、電壓暫升、瞬時(shí)電壓中斷和各種暫態(tài)擾動(dòng)等暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題也已引起相關(guān)人員的廣泛關(guān)注和高度重視。 傳統(tǒng)（穩(wěn)態(tài)）電能質(zhì)量問(wèn)題(1) 電壓偏差供電系統(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)稱電壓偏差對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差（Voltage Deviation）。7%；(3)220V單相供電為+7%~10%。(2) 頻率偏差電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差（Frequency Deviation）。(3) 電壓三相不平衡三相電壓不平衡度是衡量三相系統(tǒng)電壓不平衡（Voltage Unbalance）的特征指標(biāo)。GB/T 155431995規(guī)定電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%。GB/T 145491993標(biāo)準(zhǔn)將各次諧波含有率（Harmonic Ratio, HR）和總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）作為衡量諧波的指標(biāo)。間諧波主要由靜止變頻器、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電弧設(shè)備等產(chǎn)生。(3) 電壓波動(dòng)與閃變電壓波動(dòng)（Voltage Fluctuation）是電壓均方根值一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象，其變化周期大于工頻周期，其電壓幅值的變化通常為額定值的90%～110%。GB 123262000中規(guī)定了10min短時(shí)間閃變水平值(Shortterm Flicker Severity Index) Pst和2h長(zhǎng)時(shí)間閃變水平值(Longterm Flicker Severity Index) Plt兩個(gè)指標(biāo)及其限值。標(biāo)稱電壓暫降的最重要的三個(gè)特征量是電壓暫降的幅值(Magnitude)、持續(xù)時(shí)間(Duration)和相位跳變(Angle Jump)。(2) 電壓中斷電壓均方根值降低到接近于零（IEC定義“接近于零”為“低于額定電壓的1%”，IEEE的定義為“低于額定電壓的10%”）時(shí)，稱為電壓中斷（Voltage Interruption）。IEC定義長(zhǎng)時(shí)間中斷持續(xù)時(shí)間最少為3min，小于3min的中斷為短時(shí)間中斷；IEEE標(biāo)準(zhǔn)[]則將大于1min的中斷定義為長(zhǎng)時(shí)間中斷。(4) 瞬時(shí)脈沖瞬時(shí)脈沖（Transients Pulse）表示兩個(gè)連續(xù)穩(wěn)態(tài)之間在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的一種突變現(xiàn)象或數(shù)量變化。(5) 電壓切痕電壓切痕（Voltage Notch）。 電能質(zhì)量參數(shù)估計(jì)理論及算法目前已有許多針對(duì)上述電能質(zhì)量參數(shù)的估計(jì)理論和方法。 時(shí)域分析方法這里的時(shí)域分析（Time Domain Analysis）方法主要指基于各種矢量變換和瞬時(shí)無(wú)功功率理論的電能質(zhì)量參數(shù)估計(jì)方法。αβ變換屬于定子坐標(biāo)系變換，它將交流電量從abc三相坐標(biāo)變換到αβ兩相坐標(biāo)，對(duì)于交變的工頻信號(hào)，變換后的結(jié)果仍是頻率不變的交流分量，且變換后的兩變量為正交分量。對(duì)稱分量變換將三相不對(duì)稱的電量，分解成三相對(duì)稱的正序、負(fù)序、零序分量；正序分量與負(fù)序分量相序相反，零序分量的三相量同相。在αβ變換、dq變換的基礎(chǔ)上，1983年日本學(xué)者赤木泰文（H. Akagi）等提出瞬時(shí)無(wú)功功率理論（Instantaneous Reactive Power Theory）[[] Akagi H , Kanazawa Y, Nabae A. Instantaneous reactive power pensators prising switching devices without energy storage pensators[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 1984,