动态电能质量监测仪的设计与实现（一）

1绪论

1.1选题背景和研究意义

近年来，电能质量问题逐渐引起人们的重视。一方面由于电力、电子技术的迅速发展，特别是冶金电炉炼钢、多相可控硅整流以及电气化铁路牵引负荷接入电网，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，幅值产生扰动，造成电能质量问题的严重恶化;另一方面由于工业自动化水平的提高，微处理器和PLC等微电子器件大量应用于工业过程控制，而这些精细过程控制更容易受到电能质量扰动的影响，电能质量问题正变得日益严峻1tl。与此同时，电力市场逐步形成，电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。电能质量问题在许多国家己经引起电力部门和用户的广泛关注-[2l。如今，电能作为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。我国的电力市场已逐步开始实施，随着电力市场的不断完善，电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需求，还必须满足较高电能质量的要求，同时电网的安全可靠运行又受到电能质量扰动的影响，这是由电这种特殊的产品属性所决定。因此，电能质量问题成为近年来各个方面关注的焦点，电网质量监测与数据管理是当前国际上的一个研究热点[5明。对于我国这样的发展中国家更具有不可忽视的现实意义和战略意义。从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。电能质量问题是指引起供用电设备在用电过程中出现故障或损害的任何异常现象，如电压偏差、电压骤升、电压凹陷(电压骤降)、短时停电、电压不平衡和谐波、电压波动与闪变、瞬时与暂态过电压等。电能质量问题从电力部门的观点可表示为频率和供电质量;从用户的观点可表示为电压质量和供电可靠性即不间断供电[]z。为了提高电力系统的供电质量，确保系统安全、可靠运行，需要对系统中的谐波、电压波动和闪变以及三相不平衡度、电压凹陷、电压偏差等污染进行监测，必须建立电能质量监测与数据分析管理系统。因为电力系统污染干扰具有一定的随机性，它与负荷特性及系统工作情况有关，往往引发事故的干扰出现的时间较短，发生条件特殊，所以需要采用实时在线监测系统对电力系统的各项电能质量指标进行长期监视，摸清污染情况，以便采取相应的措施进行控四川大学工程硕士学位论文(2005)工领域:电气工程制。电力系统污染由于含量较小，变化较大，并且对于不同的用户和电网的不同运行方式呈现不同的变化征，这些因素给电力系统电能质量指标测量带来一些复杂性。国家技术监督局相继发布了《电能质量供电电压允许偏差GB12325一1990》、《电力系统频率允许偏差GBT/15945一1995》、《电能质量公用电网谐波GB厅14549ee1993》、《电能质量三相电压允许不平衡度GB汀15543一1995》、《电能质量电压波动和闪变GB12326一2000》、《电能质量暂时过电压和瞬态过波动GB厅18481一2001》等六个相关的国家标准，对电力系统中电网质量的测量方式、测量精度及测量数据的处理等问题做出了规定和说明。为了满足规定的要求，需要在电网质量各项电能质量指标测量方法上和在线监测系统的设计上采取一些特别措施。因此，研制符合国家测量标准的电能质量监测装置，对电网质量各项电能质量指标进行持续在线的监测具有很大的研究意义。

1.2国内外发展动态

通常采用电网各项电能质量指标的实测数据作为发现问题、研究问题和解决问题的最终手段。实测电网质量的状况，已成为保证电网安全、可靠经济运行、高质量供电必不可少的措施之一。为此，世界各国都相应研制和开发了一系列的电能质量分析装置和仪器。以谐波测量为例，其大致经历了三个阶段:第一阶段是从19世纪初至20世纪40年代，谐波成分的分析主要依靠实测波形的傅立叶计算，即利用信号波形的录波图，人工手动等间隔地量取数值，然后采用手算的方法进行谐波分析计算，计算过程十分费时费力，精度很低，分析谐波次数也不高。这一方法在我国一直沿用到70年代。第二阶段是50年代至80年代，这一时期选频测量技术获得了广泛的应用和普及，相应研制了一系列选频式谐波测量仪器仪表，测量方式是利用失真度式的仪器测量谐波总畸变率，外差选频式逐项测试各次谐波分量，带通滤波式逐次选取各次谐波分量，现在使用的有些谐波监测仪、报警仪、谐波电压表和电流表就是以此原理制成的。这类谐波分析仪器仪表虽然较早期的人工分析方法有了很大的提高，但测试的结果只能给出谐波的幅值，不能测出相位，测试调节也较麻烦。第三阶段是80年代至今，由于集成电路和微处理器及计算机的迅速发展，己生产了一系列基于快速傅立叶变换的谐波分析仪和频谱分析仪，被测信号经采样/保持、换、计算机傅立叶计算输出结果，测试操作简单方便，计算结果快速准确，可同时进行多路信号的测量。新一代多功能、数字化、自动化和智能化的谐波测量分析仪己成为发展的主要方向。电能质量监PQPowerQualiytMoniotring)是用户与电力部门共同的需要。使用扰动负荷的用户通过PQM来了解自己向电网排放的电力污染是否超过国标，所采用的控制手段是否有效;使用敏感负荷的用户需要PQM了解供电质量是否会损坏敏感设备或产品质量;电力部门通过PQM来保证电力系统的可靠运行、供电质量，同时监测扰动负荷的电力污染向电网的排放情况。当在用户和电力部门发生电能质量纠纷需要第三方仲裁时，PQM数据向双方提供了客观真实材料。

早先的PQM仅仅是被动的回复一些特殊问题，如用电设备的误动作与跳闸、扰动负荷或敏感负荷准备接入电网等等。现在的PQM己经成为电力部门整体电能质量管理能力的体现，在电网的一些重要联接点建立了日常的统计监测。一些工业用户也需要通过日常的PQM跟踪电能质量以便及时采取措施确保供电质量不致下降。发达国家十分重视PQM管理[22][23112，l[，0]。比利时电网公司(eP化)在电力市场化的进程中注意输电网与用户联接点(指发电厂、工业用户、配电系统)的PQM，涉及到全电网50个电厂、250个高压工业用户和400个配电系统[0l]。澳大利亚和新西兰根据输电系统与配电统的不同要求决定PQM的基本内容、仪器的选择、数据报表的管理方式，满足用户投诉是安装PQM的主要原因[l’l。意大利使用一种分布式的测量系统与中心工作站组成PQM，使用了以太网技术和基于小波变换的扰动信号分类法已2]。在有关FREIENDs(Flxeblie，RelibaelnadxnielligentEle而e喇e卿Delive叮sysetms:灵活、可靠的智能送电系统)的研究中，PQM是定制电力工业区(cPAI:cuost而ezdPowerlndusrtial户Jea)的一个组成环节，配合智能分析软件用以查明电能质量扰动的起源和对用户的影响程度，从而采取相应措施“定制”用户需求质量标准的电力〔‘4]。国内在智能型测量装置的开发上作了许多有效的工作，各种形式的PQM网也在开发中[131[2刀[，8][29一。

1.3本文所做工作

本文首先概述了电能质量的定义、分类、管理以及电能质量监测的特点和要求。然后针对硬件监测平台的特点与要求，详细论述了在线无缝采样分析技术原理及其实现，并介绍了动态电能质量监测系统的硬件结构及工作原理，列举了FFT和FIR滤波器的算法结构及实现过程。最后，提出电能质量监测的数据处理方法，并提出电能质量监测的程序实现方法。

1.根据电能质量监测系统的特点、现场监测采样频率、精度以及监测系统同步采样的要求，为了实现多通道同步不间断的电能质量监测，本文提出了以CLPD、DPS和FFIo为核心结构的在线多通道无缝采样分析技术，介绍硬件结构及各个功能模块(锁相倍频模块、采样窗口控制、数据处理控制、通道控制等)的工作原理，并介绍了软件结构及实现方法。

2.提出基于瞬时dq变换的动态电能质量扰动信号分析，作为电压暂降等动态信号的瞬时有效值描述。瞬时dq变换的原信号含有大量的谐波分量，不能直接计算瞬时电压的有效值，所有要对其进行数字滤波。本文讲述了相加滤波和积分滤波的基本原理和各自特点。并用相加滤波滤除dq变换后的奇次谐波分量，而用积分滤波滤除偶次谐波分量。滤波必然会带来延时，所以还必须使用超前因子对其进行修正。

3.提出动态报表组合式的报表管理模式。它涉及基础数据的调用、数据输出和查询等各个方面。管理部门和用户对报表有不同要求。电力调度部门强调频率和电压偏差指标，供电营销部门关心谐波、负序和闪变是否超标，用户更关心电能质量扰动出现的时间段。并且需要通过报表来管理历史数据以及更新数据。因此提出动态组合报表的建议并付诸实施。

4.使用vB6编程建立友好的人机对话界面。采用图形编辑形式完成全部操作。包括编辑电网主接线图，重构电网，建立监测点及数据的读取与统计分析，广泛采用图形信息技术。界面直观、操作简单，通常只需5、6次鼠标操作就能完成数据调用、统计分析与报表打印。