电能质量研究毕业论文.doc

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1、目 录摘 要 31.电能质量研究中新技术的应用背景 42.电能质量 62.1电能质量的定义 62.2电能质量问题的分类 62.3电能质量的具体指标 8 2.3.1电网频率 92.3.2电压偏差 92.3.3三相电压不平衡 92.3.4公用电网谐波 102.3.5公用电网间谐波 102.3.6波动和闪变 113.电能质量检测、分析、研究、监控中的新技术 123.1电能质量检测中的新技术 123.1.1当前电能质量检测的情况 123.1.2 新技术应用 133.2电能质量分析中的新技术 143.3电能质量研究中的人工智能新技术 173.3.1 专家系统 183.3.2 神经网络 183.3.3 模

2、糊逻辑 193.4电能质量监控中的新技术 20总 结 22致 谢 24参考文献 25摘要随着科技的进步，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变成引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量造成严重的干扰或“污染”。电网中正面对越来越多的电能质量问题，这使得电能质量的研究十分紧迫。电能质量检测是获得电能相关数据的最直接手段，也是电能质量其他后续高级应用研究的前端。 关键词：电能质量 电能质量检测 1.电能质量

3、研究中新技术的应用背景随着科技的进步，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变成引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量造成严重的干扰或“污染”。电网中正面对越来越多的电能质量问题，这使得电能质量的研究十分紧迫。 另一方面 ，电能质量正逐步受到供电企业和电力用户的共同关注。进入20世纪90年代以来、随着半导体、计算机技术的迅速发展，一批高新技术企业应运而生，出现大量的微机控制装置和生产线.对电能质量提出了

4、新的要求；而电力市场的发展，使供电企业进一步认识到：用户的需要也是自身的需要。在这样的背景下，因电能质量不良而使用户设备停机或出次品的情况.仍应看作电能质量不合格。当然，电能质量不良有多种情况，用户对电能质量的敏感程度也各不相同。一船来说，供电企业可对不同的电能质量划分等级、分别定价、用户可以自由选择。但由于我国目前还未能实现优质优价。因此，进一步改善电能质量的工作基本上要求在用户侧解决。随着各种用电设备对电能质量敏感度的变化，电能质量的范围进一步扩大.分类更细要求更高。在新的电力市场环境下，电能质量已成为电能这种商品的消费特性，很大程度上体现了供电部门服务品质。所以有关部门正在加大对电能质量

5、的监管和治理。 这些背景下，电能质量的研究迫切需要一些新技术来推动，通过这些新技术的应用，从而使电能质量从检测、分析和监控等方面得到提高，从而有利发现问题和规律、改善供电质量和服务。 2.电能质量 2.1电能质量的定义 电能质量即电力系统中电能的品质。理想的电能应该是完美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能品质问题。一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题，最后，我们要研究如何消除这些因素，从而最大程度上使电能接近正弦波。电能质量(Power Quality)，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。

6、从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。2.2电能质量问题的分类 （1）电压不平衡,是指三相电压的幅值或相位不对称。不平衡的程度用不平衡度（电压负序分量和正序分量的均方根值百分比）来表示，典型的三相不平衡是指不平衡度超过2%，短时超过4%。在电力系统中，各种不平衡工业负荷以及各种接地短路故障都会导致三相电压的不平衡。 （2）过电压,是指持续时间大于1分钟，幅值大于

7、标称值的电压。典型的过电压值为1.11.2倍标称值。过电压主要是由于负载的切除和无功补偿电容器组的投入等过程引起，另外，变压器分接头的不正确设置也是产生过电压的原因。 （3）欠电压是指持续时间大于1分钟，幅值小于标称值的电压。典型的欠电压值为0.80.9倍标称值。其产生的原因一般是由于负载的投入和无功补偿电容器组的切除等过程。另外，变压器分接头的错误设置也是欠电压产生的原因。 （4）电压骤降是指在工频下，电压的有效值短时间内下降。典型的电压骤降值为0.10.9倍标称值，持续时间为0.5个周期到1分钟。电压骤降产生的原因主要有电力系统发生故障，如系统发生接地短路故障；大容量电机的启动和负载突增也

8、会导致电压骤降。 （5）电压骤升是指在工频下，电压的有效值短时间内上升。典型的电压骤升值为1.11.8倍标称值，持续时间为0.5个周期到1分钟。电压骤升产生的原因主要有电力系统发生故障，如系统发生单相接地等故障；大容量电机的停止和负载突降也是电压骤升的重要原因。 （6）供电中断是指在一段时间内，系统的一相或多相电压低于0.1倍标称值。瞬时中断定义为持续时间在0.5个周期到3秒之间的供电中断，短时中断的持续时间在360 秒之间，而持久停电的持续时间大于60秒。 （7）电压瞬变又称为瞬时脉冲或突波，是指两个连续的稳态之间的电压值发生快速的变化，其持续时间很短。电压瞬变按照电压波形的不同分为两类：一

9、是电压瞬时脉冲，是指叠加在稳态电压上的任一单方向变动的电压非工频分量；二是电压瞬时振荡，是指叠加在稳态电压的同时包括两个方向变动的电压非工频分量。电压瞬变可能是由闪电引起的，也可能是由于投切电容器组等操作产生的开关瞬变。 （8）电压切痕是一种持续时间小于10ms的周期性电压扰动。它是由于电力电子装置换相造成的，它使电压波形在一个周期内有超过两个的过零点。由于其频率非常高，用常规的谐波分析设备无法测出，因此以前一直末把此项作为电压质量的一个指标。2.3电能质量的具体指标2.3.1电网频率我国电力系统的标称频率为50Hz ，GB/T15945-2008电能质量 电力系统频率偏差中规定：电力系统正常

10、运行条件下频率偏差限值为0.2Hz，当系统容量较小时，偏差限值可放宽到0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。在全国供用电规则中规定供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300万千瓦及以上者为0.2HZ；电网容量在300万千瓦以下者，为0.5HZ。实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持在不大于0.1HZ范围内。2.3.2电压偏差 GB/T 12325-2008电能质量 供电电压偏差中规定：35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%；20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的土7%；220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%，-10%。2.3.3三相电压不平衡 G

11、B/T15543-2008电能质量 三相电压不平衡中规定：电力系统公共连接点电压不平衡度限值为：电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；低压系统零序电压限值暂不做规定，但各相电压必须满足GB/T 12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。2.3.4公用电网谐波GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波中规定：6220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是0.38kV为5.0%，610kV为4.0%，3566kV为3.0%，110kV为2.0%；用户注入电网的谐波电流允许值应保证各级电网谐波电压在限

12、值范围内，所以国标规定各级电网谐波源产生的电压总谐波畸变率是：0.38kV为2.6% ， 610kV为2.2%，3566kV为1.9%，110kV为1.5%。对220kV电网及其供电的电力用户参照本标准110kV执行。2.3.5公用电网间谐波GB/T 24337-2009电能质量 公用电网间谐波中规定：间谐波电压含有率是1000V及以下100Hz为0.2%，100800Hz为0.5%，1000V以上100Hz为0.16%，100800Hz为0.4%，800Hz以上处于研究中。单一用户间谐波含有率是1000V及以下100Hz为0.16%，100800Hz为0.4%，1000V以上110kV，Pl

13、t=0.8。以及单个用户的相关规定。3.电能质量检测、分析、研究、监控中的新技术3.1电能质量检测中的新技术电能质量检测是获得电能相关数据的最直接手段，也是电能质量其他后续高级应用研究的前端。 3.1.1当前电能质量检测的情况 对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径，虽然这方面的检测仪器已不少，但大多数只局限于持续性和稳定性指标的检测，而传统的基于有效值理论的检测技术由于时间窗太长，仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题，因此需发展满足以下要求的新检测技术：能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰的波形。因为许多瞬间扰动很难用个别参量(如有效值)来完整描述，同时随机性强，因此需要采用

14、多种判据来启动量和装置，如幅值、波形畸变、幅值上升率等。需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位，需要有足够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信息。建立有效的分析和自动辨识系统，使之能反映各种电能质量指标的特征及其随时间的变化规律。 随着电力的市场化和电能质量的法规化，供电质量将引起越来越广泛的重视，开发出考虑电能质量监测的新的SCADA系统是配电能量管理系统的新研究方向。这一领域的难点将是对电流、电压的同时持续测量，对质量指标的分类辨识和统计，数据量大，因此需要开发强大的数据库来进行有效管理。 3.1.2 新技术应用 当前，电能质量在硬件和软件上应用了主要有数字信号处理（DSP），虚拟仪器

15、等新技术以及新的如小波变换的算法。 在电能质量及其数字检测方法中介绍了有关电能质量的基本概念和衡量标准，并给出了适合数字测量的分析方法和闪变检测仿真波形。在DSP在电能质量补偿器中的应用中讨论了DSP器件在电能质量补偿器中的检测应用，重点介绍用该器件实现物理硬件和控制软件方面的实际开发。在嵌入式电能质量监测器的设计中根据电能质量检测对于系统实时性和支持复杂算法的特殊要求，提出一种基于双CPU的嵌入式实时系统解决方案。主要讨论设备的硬件系统设计和基于双CPU系统的软件设计思想。设计经过实际的调试和运行，电路功能正常，证明了该设计的合理性和可用性。相对于以往的设计，具有实时性好、体积小和成本低的优

16、点。在小波变换在电能质量暂态信号检测中的应用中对基于连续小波变换的信号奇异性检测原理及其在电能质量暂态信号检测中的应用进行了详细的研究，通过基于标准偏差估计的小波消噪算法，有效排除了噪声干扰，实现了精确的故障时刻定位。在基于小波原理的电能质量检测数据实时压缩方法中根据小波变换的理论,结合电能质量检测数据的特点,文中将基于小波变换系数的门限方法应用于电能质量检测数据的压缩。仿真计算结果及其分析表明,该方法简单而且压缩效果较好,能保留压缩信号的局部特征,计算速度快,很适合于实时性要求较强的场合。在用MATLAB与Visual C+混合编程技术开发的电能质量检测系统中对电能质量检测系统的组成部分和工

17、作原理进行了详细介绍。电能质量检测系统的软件应用MATLAB与C+语言的混合编程技术进行开发。该系统不但能实现电网数据的精确采样,还可以分析电网的各项电能质量指标,并以直观的图形显示出来。在基于LabVIEW的电能质量检测和分析系统中介绍了虚拟仪器的电能质量检测和分析系统的组成,介绍LabVIEW软件实现的频率跟踪技术,并介绍了使用网络对电能质量进行远程检测和数据分析的方法,最后给出了部分程序。 3.2电能质量分析中的新技术 电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要开发相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析，为改善电能质量提供指导。由于干扰源性质各异，干

18、扰的频谱从0Hz到GHz的广宽范围内，电网元件在不同干扰作用下呈现不同的性能，因此建立干扰源和电网元件(或局部电网)准确的数学模型有时困难很大，而分析计算的准确性不仅取决于数学模型和计算方法，还有赖于电网基础资料的可信度。 近年来，基于数字技术的各种分析方法已在以下电能质量领域中得到应用： 分析谐波在网络中的分布 分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播 分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用； 多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。 目前所采用的方法有三种： （1）时域仿真方法 该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题

19、中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有EMW、EMTEC、NETOMAC、BPA等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER等电力电子仿真程序两大类。由于这些仿真程序在不断发展中，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。 （2）频域分析方法 该方法主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描，谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法，即在常规的谐波潮流计算法基础上，利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波动态电流失量，从而得到动态谐波潮流解。 （3）

20、基于变换的方法 这里主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法和小波变换(wavelet)方法。作为经典的信号分析方法Fourier变换具有正交、完备等许多优点，而且有象FFT这样的快速Fourier算法，因此已在电能质量分析领域中得到广泛应用。但在运用FR时，必须满足以下条件：满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上；被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。因此；当采样频率或信号不能满足上列条件时，利用FFT分析会给分析带来误差。此外，由于FFT变换是对整个时间段的积分，时间信息得不到充分利用；信号的任何突变，其频谱将散布于整个领带。为解决上述问题，Gab

21、or利用加窗，提出了短时Fourier变换方法，即将不平稳过程看成是一系列短时乎稳过程的集合，将Fourier变换用于不平稳信号的分析。由于实际多尺度过程的分析要求时佰窗口具有自适应性，即高频时频窗大、时窗小；低频时频窗小，时窗大，而STFT的时频窗口则固定不变。因此，它只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。而且这种方法的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法。小波变换由于具有时频局部化的特点，克服了以上FFT和STFT的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后，已在图像处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由于

22、小波函数本身衰减很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领域将具有FFT、STFT所无法比拟的优点。 最近，已有文献介绍应用小波变换方法进行电能质量评估、电磁暂态波形分析和电力系统扰动建模等电能质量问题的研究。 3.3电能质量研究中的人工智能新技术 最近几年，以专家系统, 神经网，模糊逻辑和进化计算为代表的人工智能新技术已开始较全面地应用于电能质量研究，因为它是个较复杂，工作量和数据处理量很大的系统工作。特别是在电能质量分析方面, 很多人工智能应用来进行辅助分析，对复杂的问题进行处理。 而且这些新技术的一个突出特点就是交叉应用的非常广泛，有时很难断言就是哪种技术，而

23、是以某种为主，其它为辅的。也就通常所说的混杂技术。 3.3.1 专家系统 尽管专家系统成本较高且在开发过程中耗时过长，但依然出现了很多应用。这些主要体现在 ：对畸变的电压和波形进行分类； 利用专家系统分析谐波； 对电能质量问题的解决方案在专家系统架构下进行开发； 测量和分析电能质量及电力系统电磁兼容性； 识别电能质量的事件通过一个可扩展的系统； 管理电能质量数据，培训电能质量问题的专业咨询人员； 3.3.2 神经网络 人工神经网作为较成熟的智能技术，在电能质量中已有较广泛的应用，它们主要包含: 从非电能质量信息中识别电能质量事件； 对谐波的产生模式进行建模； 在电网中估计和评价谐波畸变 和其它

24、电能质量问题； 以神经网整合小波变换分辨和识别电能质量事件； 在需要避免噪声和子谐波时对谐波进行分析； 为电力工程师们解决电能质量问题开发一个辅助工具； 3.3.3 模糊逻辑 模糊逻辑和带神经网学习能力的模糊逻辑是当前最流行人工智能技术。它们在电能质量研究方面也取得了不少新进展： 诊断各种电能质量问题； 对电能质量工作人员提供实用性的辅助工具； 管理电能质量数据并进行数据挖掘以获得相关知识； 开发对供电部门人员和用户进行电能质量问题专业培训的系统； 对引起电能质量问题的各种干扰进行分类； 适应性的采集电能量，方均根电压和电流； 研究在适当的时候对串联电容器进行投切来控制谐波的畸变水平； 在模糊

25、约束下建立评价电能质量的指标； 利用基于模糊逻辑的控制方案开发一个统一的电能质量管理器； 预测和识别系统的非正常运行情况； 为保证供电电压质量实施基于模糊逻辑的无功补偿 3.4电能质量监控中的新技术 在电能质量监控方面，我认为有两个趋势：其中之一就是上节中提及的智能化，智能化旨在减轻人的劳动，能自动对电能质量问题进行识别和数据处理，从而实现全面的无人监控功能。 另一个则是远程化。随着电力工业的发展和电网规模的扩大，供电部门和用户都迫切需要对较大量的监测点进行监控，然而各点的分散，距离远近不同，监测电能质量的问题也根据用户和电网的需要而各不相同。所以远程化就可以适应不同层次的监控要求，从而使电能

26、质量的监控点能够分布到电网中的任何地方,并且具有良好的在线功能。 但远程化必然带来的问题就是，监测点和监控站之间的通信问题以及大量的电能质量数据的传输问题都十分重要。在电力载波系统基础上的远程电能质量监测中以电力线载波通讯为基础实现了较为简单的远程监控。计算机网络技术的发展 ,为不同地点供电系统电能质量的远程集中监测和分析提供了有效的手段。在基于Internet的电能质量监测与分析系统的研制中论述了基于 Internet的供电系统电能质量的监测与分析系统 ,主要包括利用 GPS授时技术进行多点同步采样 ,利用 Windows NT2 0 0 0和 IIS建立网络平台 ,利用 SQL Serve

27、r数据库管理供电网络运行数据 ,使用多种分析软件对供电系统的电能质量进行仿真分析 ,并提出治理措施。该系统可为供电系统的安全运行提供保障。在电能质量的远程监测中介绍某地主要枢纽变电站进行连续监测的实际使用情况。结果表明，在变电站中使用记录仪，可连续实时地实现电能质量的监测、记录、存储和远传，使电能质量技术监督实现网络化和自动化成为可能。 然而, 目前电能质量监控远程化的成熟应用还不太多。能否在远程在线的要求形成完整的大系统和全面的监控功能，还有待进一步研究和开发。此外，网化的电能质量监控所用的系统结构必然会随着所采用通信方案而不同，谁优谁劣，尚未能进行相关的比较总结本篇论文主要阐述了电能质量检

28、测、分析、研究、监控中的新技术。因为电能质量的检测因为仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题，因此需发展满足以下要求的新检测技术：能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰的波形。因为许多瞬间扰动很难用个别参量(如有效值)来完整描述，同时随机性强，因此需要采用多种判据来启动量和装置，如幅值、波形畸变、幅值上升率等。需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位，需要有足够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信息。建立有效的分析和自动辨识系统，使之能反映各种电能质量指标的特征及其随时间的变化规律。因为需要满足上述需求所以开发并应用了在硬件和软件上应用了主要有数字信号处理（DSP），虚拟仪器等新技术以及

29、新的如小波变换的算法。还有就是关于电能质量的分析问题。近年来，基于数字技术的各种分析方法已在以下电能质量领域中得到应用： 分析谐波在网络中的分布 分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播 分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用； 多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。 目前所采用的方法有三种：(1) 时域仿真方法(2) 频域分析方法(3) 基于变换的方法 最后就是电能质量研究中的人工智能新技术。最近几年，以专家系统, 神经网，模糊逻辑和进化计算为代表的人工智能新技术已开始较全面地应用于电能质量研究，因为它是个较复杂，工作量和数据处理量很大的系统工作。特别是在电能质量

30、分析方面, 很多人工智能应用来进行辅助分析，对复杂的问题进行处理。 而且这些新技术的一个突出特点就是交叉应用的非常广泛，有时很难断言就是哪种技术，而是以某种为主，其它为辅的。也就通常所说的混杂技术。 本篇论文中的内容可能有不正确的地方，希望有关专家能够予以批评指正。致 谢 在本论文的写作过程中，张洪兵老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。参考文献

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