1、電能質(zhì)量檢測算法研究摘要 電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)是電能質(zhì)量各方面的具體描述電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的測量是電能質(zhì)量檢測的重要內(nèi)容，也是電能質(zhì)量深層次分析的基礎(chǔ)。通過對電力信號波形的測量分析，提取各項技術(shù)指標(biāo)，可以實時準(zhǔn)確地掌握電網(wǎng)的供電和用電狀況，便于電網(wǎng)運行狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)，有利于保障電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、高質(zhì)運行；可以及時捕捉各種電能質(zhì)量擾動，提供擾動幅度和持續(xù)時間等信息，電能質(zhì)量參數(shù)檢測算法的研究便于電能質(zhì)量補償裝置的設(shè)計與實時控制；可以對電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進行評估，對造成電能質(zhì)量下降的原因做出分析，為供電部門或電力用戶判斷和改善電能質(zhì)量提供依據(jù)。同時，電能質(zhì)量參數(shù)的精確檢測，也有利于電能合理定價和規(guī)范電能

2、消費市場。長期以來，人們不斷致力研究更精確、更快速的電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)測量方法。由于技術(shù)的限制，最初的參數(shù)測量多采用模擬技術(shù)實現(xiàn)。但隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的測試儀器應(yīng)用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)。數(shù)字方式實現(xiàn)相對簡單，測量精度也相對精確，已成為電能質(zhì)量參數(shù)測量的主流。但是，由于電力信號的復(fù)雜性和電能質(zhì)量內(nèi)涵的擴展性，以及不斷提高的測量精度、廣度與測量速度的要求，電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)測量技術(shù)仍有待進一步發(fā)展和提高。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量、檢測算法、諧波1、 電能質(zhì)量的內(nèi)涵 根據(jù)國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)IEC(1000-2-2/4)的定義,電能質(zhì)量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和不干擾用

3、戶使用電力的物理特性。根據(jù)這一定義,現(xiàn)代電能質(zhì)量除了保證額定電壓和額定頻率下的正弦波形外,還包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動和閃變、三相不平衡、波形畸變、所有電壓瞬變現(xiàn)象,如沖擊脈沖、電壓下跌、瞬時間斷及供電連續(xù)性等。從普遍意義上講,電能質(zhì)量是指優(yōu)質(zhì)供電。電能質(zhì)量的內(nèi)涵應(yīng)該包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、用電質(zhì)量、供電質(zhì)量幾個方面的內(nèi)容。二、電力電子技術(shù)在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用 電力系統(tǒng)是復(fù)雜多變性,我們要保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定,避免電能質(zhì)量惡化所帶來的事故和經(jīng)濟損失,就需要對其進行實時地監(jiān)視,一旦有故障發(fā)生立刻對其進行控制或處理。但是傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置已經(jīng)跟不上電能質(zhì)量變化發(fā)展的需要,原因在于傳統(tǒng)電能

4、質(zhì)量監(jiān)測裝置是靠許多個單獨的裝置組合而成,每個裝置分別測量一個特定的電能質(zhì)量參數(shù)。這種監(jiān)測裝置不僅體積龐大、費用高,而且自動化程度低,所采集到的數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確,綜合分析的效果不好,己經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代社會的需要。此外,電力系統(tǒng)中需要監(jiān)測的參數(shù)變化快而且復(fù)雜,要求實時性較強,因此傳統(tǒng)方法已經(jīng)難以應(yīng)對這些問題。為了滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求,使電能質(zhì)量檢測裝置具有小型化、性能優(yōu)良、實時性好的特點,將電力電子技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。電力電子處理器運算速度快,測量精度高,動態(tài)范圍也大的多,電力電子技術(shù)以其優(yōu)良的性能在電能質(zhì)量監(jiān)測中開辟了一個新天地。三、電能質(zhì)量分析方法1時域分析法 時域分析法具有簡單快捷的特性,在電

5、能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛,但時域分析法也有缺點,在計算時不僅速度慢還存在延時,不能及時反映電壓擾動發(fā)生的起止時間。1.1三種矢量變換法 變換法。思路:假設(shè)定子空間有相互垂直的、兩相繞組,取相軸線與a相軸線重合,相繞組軸線超前相90°,則在繞組中通上互差90°的兩相平衡交流電時,也能建立與三相繞組等效的旋轉(zhuǎn)磁場。利用、兩相繞組等效代替定子三相繞組的作用。假設(shè)同步電機的定子三相繞組通上時間上互差120°的三相正弦交流電,而經(jīng)過 變換后的兩相電流分別為 ,則 變換的公式為:其變換后的結(jié)果仍是交流分量且頻率保持不變,變換后兩變量為正交分量,其反變換為:1.2 120變換

6、又稱作對稱分量變換,屬于定子坐標(biāo)系變換。在三相系統(tǒng)中,我們可以把任意一組不對稱的三個相量分解成三組對稱分量。對稱分量法是將不對稱的三相電流和電壓各自分解為三組分別對稱的分量,在利用線性電路的疊加原理,對這三組對稱分量分別按對稱三相電路進行疊加。其變換公式為:反變換為:1.3 dq變換也就是著名的park變換,是一種將參考坐標(biāo)自旋轉(zhuǎn)電機的定子側(cè)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子側(cè)的坐標(biāo)變換。其標(biāo)準(zhǔn)變換矩陣方程式為:其反變換為:2時頻分析方法 在頻域分析中用到的傅里葉變換法是時域到頻域轉(zhuǎn)換的工具,雖然它能把信號的時域和頻域聯(lián)系起來,但在分析過程中,信號的時域波形中不包含任何頻域信息,傅里葉譜是對整個時間域內(nèi)的積分,沒有局

7、部化分析信號的功能,完全不包含時域信息。導(dǎo)致信號分析中時域和頻域存在“局部化矛盾”。可見,傅里葉變換只能分別從時域和頻域?qū)π盘栠M行觀察。對于一些非平穩(wěn)信號例如電壓暫將等問題,僅從時域或頻域單方面考慮是不夠的,必須從兩方面同時結(jié)合分析。因此必須采取新的分析方法。時頻分析方法有很多種,其中典型的有短時傅里葉變換、小波變換、S變換等。2.1短時傅里葉變換 短時傅里葉變換彌補了傅里葉變換不能同時進行時域和頻域分析的缺陷。電力系統(tǒng)的信號雖然是時變的、非平穩(wěn)的,但在一個時間較短的區(qū)間內(nèi),可以看做是一個平穩(wěn)的過程,由此可以認(rèn)為:如果把所有的短時間內(nèi)的信號疊加起來,就可以得到一個完整的非平穩(wěn)信號,這就是短時傅

8、里葉的基本思想。把一個信號分解,用傅里葉變換分析每個時間間隔的頻率,這些頻譜的總體就可以表征頻譜在時間上有怎樣的變化。由于短時傅里葉變換的時-頻窗口大小是固定不變,由此也決定了它的分辨率不能隨頻率和時間的變化而變化,就相當(dāng)于一個放大倍數(shù)固定的顯微鏡,只適合分析所有特征尺度大致相同的各種過程,窗口沒有自適應(yīng)性,不適合分析多尺度信號過程和電能突變過程。2. 2小波變換 小波變換是一種有效的時頻分析方法,它不僅繼承和發(fā)展了短時傅立葉變換局部化的思想,還克服了窗口大小不隨頻率變化的缺點,即小波變換可以在時域-頻域局部化,并且時窗和頻窗的寬度還可以調(diào)節(jié),此外小波變換的函數(shù)衰減很快,也屬一種暫態(tài)波形,在暫

9、態(tài)電能質(zhì)量分析領(lǐng)域它表現(xiàn)出了其他分析方法所不具備的優(yōu)點,.能檢測到電壓暫將等突變信號,在低信噪比的信號中,小波變換還可以濾去噪聲恢復(fù)原信號。因此,小波變換作為一種信號時頻分析和處理的理想工具在電能質(zhì)量擾動識別中的到廣泛的應(yīng)用。2. 3 S變換方法S變換方法是在前文所述兩種方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種時頻分析方法。S變換不僅具有短時傅里葉變換單頻率獨立分析的能力,還具有小波變換的時域和頻域局部化特性,具有自適應(yīng)時頻窗,是小波變換的一種擴展,但不是嚴(yán)格時頻分析方法在頻域分析中用到的傅里葉變換法是時域到頻域轉(zhuǎn)換的工具,雖然它能把信號的時域和頻域聯(lián)系起來,但在分析過程中,信號的時域波形中不包含任何頻域信

10、息,傅里葉譜是對整個時間域內(nèi)的積分,沒有局部化分析信號的功能,完全不包含時域信息。導(dǎo)致信號分析中時域和頻域存在“局部化矛盾”。可見,傅里葉變換只能分別從時域和頻域?qū)π盘栠M行觀察。對于一些非平穩(wěn)信號例如電壓暫將等問題,僅從時域或頻域單方面考慮是不夠的,必須從兩方面同時結(jié)合分析。因此必須采取新的分析方法。即時頻分析方法。時頻分析方法有很多種,其中典型的有短時傅里葉變換、小波變換、S變換意義上的小波變換。廣義S變換通過調(diào)節(jié)高斯窗口的寬度來改變時頻分辨率,能更好的對擾動信號進行分析,在電能質(zhì)量信號分析中的到廣泛應(yīng)用。4、 電壓暫降特征參數(shù)的檢測 1、基于d q變換的電壓暫降檢測算法 對于一個理想的電力

11、系統(tǒng),假設(shè)三相電壓為：式中、U、分別為電壓角頻率、電壓有效值及a相電壓的初相位。進行d q變換:式中,矩陣C為:經(jīng)過d-q變換就可以把三相交流系統(tǒng)中的電壓分量轉(zhuǎn)換為直流分量,得到由此可以立即求得電壓的有效值和相位角。 以上討論是在理想條件下,實際的電力系統(tǒng)中,三相電壓中既有基波電壓，又含有高次諧波電壓,此時經(jīng)過d-q變換所得到的信號中,直流成分對應(yīng)著原來的基波電壓，而變換獲得的諧波分量將對應(yīng)原來的h-1次諧波電壓。所以必須對信號進行低通濾波提取其直流分量。所以此時根據(jù)，才可以求得電壓的有效值和a相電壓的初相位：通過以上分析可以得到,此算法快速性較好,一旦有電壓暫將發(fā)生,可以立刻檢測到電壓的有效

12、值或相位角。2.單相電壓暫降的檢測方法 實際系統(tǒng)發(fā)生的電壓暫降多為單相事件,而且很多電壓暫降不僅引起PCC電幅值的降低,還會引起電壓的相位跳變。因此對單相電壓實時監(jiān)測,判斷是否發(fā)生電壓暫降具有非常重要的意義。 前文所述基于d-q變換的電壓暫降檢測算法是專門針對于三相電路的,不能用于單相電壓暫降情況。但我們根據(jù)三相三線制系統(tǒng)的特點,以單相電源為參考電壓構(gòu)造出虛擬的三相電壓,進行d-q變換后提取直流分量進行分析。這種方法不僅可以對單相電壓的任意一相進行檢測,而且對于伴隨電壓暫降出現(xiàn)的相位突然改變也能有效的檢測。但是這種方法原理復(fù)雜,必須把電壓由單相轉(zhuǎn)換成三相電壓才能進行檢測,在轉(zhuǎn)換過程中計算量大。

13、 另外一種傳統(tǒng)的單相電壓暫降檢測算法是把單相電壓從坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系中，在轉(zhuǎn)換過程中需要虛構(gòu)電壓來完成轉(zhuǎn)換,再通過低通濾波器提取直流分量對單相電壓暫降的特征參數(shù)進行分析。 以上分析的兩種方法都需要虛構(gòu)電壓把單相轉(zhuǎn)換到三相，在這個轉(zhuǎn)換過程中就出現(xiàn)虛構(gòu)電壓和實際電壓相比較有一定的延時,導(dǎo)致故障發(fā)生時檢測時間變有可能出現(xiàn)短時擾動,使檢測精度降低,導(dǎo)致動態(tài)電壓恢復(fù)器的補償效果變差。五、電力電子變流器在電力系統(tǒng)中所用的變流器，從原理上大體可以兩類：一類是基于半控器件的相控型變流器；另一類則是基于全控器件的變流器。1、相控型變流器相控型變流器主要是采用半控器件作為開關(guān)器件所構(gòu)成的變流器。由于晶閘管的

14、特點在于其開通過程是在器件處于正向偏置時，通過在門極施加的脈沖信號加以控制；關(guān)斷時刻則是當(dāng)器件在外界條件的作用下，比如處于反向偏置時，使得流經(jīng)該器件的電流小于其維持電流時自行關(guān)斷，所以此類變流器也被稱為線路換相型變流器。如圖1所示，它是由一對反并聯(lián)連接的晶閘管VT1、VT2構(gòu)成的交流開關(guān)與作為負(fù)荷的無源元件相串聯(lián)組成。通過其開關(guān)作用，在作為負(fù)荷的無源元件中產(chǎn)生一個基頻分量的頻率和電源頻率相同，但有效值可調(diào)的交流電流，相當(dāng)于調(diào)節(jié)負(fù)荷的等效阻抗，所以也被稱之為阻抗控制型變流器。 圖12、改進型變流器的電路結(jié)構(gòu) 改進型變流器在三相橋的基礎(chǔ)上又加入兩個輔助可控硅 S7 和 S8 組成另外一個橋臂 ,因

15、其公共端連接到輸入交流電源的中性線上 , 故又可稱其為零線橋臂, 改進型變流器的主電路原理圖如圖2所示。這種改進型變流器通過控制觸發(fā)兩個輔助可控硅S7 和 S8 適時導(dǎo)通分別對三相橋共陰極組或共陽極組的可控硅元件實施強迫關(guān)斷作用,目的旨在實現(xiàn)符合最佳功率因素原則的運行方式。 圖22.1 改進型變流器電壓 、線電壓和中性線電流計算 因為整流和逆變的電壓波形是相互對稱的,所以這里僅以整流方式加以討論。整流輸出電壓 在 30°150° 區(qū)間, 有輔助可控硅導(dǎo)通, 輸出電壓 Ud 的平均值為: 在30°時,零線橋臂上的輔助可控硅不導(dǎo)通,變流器與常規(guī)的三相全控橋電路控制方式

16、相同, 輸出電壓為:交流線電流在觸發(fā)控制角30°時 ,線電流與常規(guī)的三相橋控制方式相同 ,不隨直流電壓變化而變化。 在 30°150° 區(qū)間, 線電流則隨增大而減少 中性線電流 流經(jīng)零橋臂兩個輔助可控硅和電源中性點間的電流定義為中性線電流, 在30°區(qū)間 , Ir 保持為零( S7 和 S8 不導(dǎo)通)。在 30°150°區(qū)間, Ir 建立且頻率為主橋可控硅上通過電流的三倍。六、結(jié)論 隨著現(xiàn)在經(jīng)濟社會的發(fā)展和電力系統(tǒng)的改革,電能質(zhì)量已經(jīng)引起廣大電力用戶的高度關(guān)注,而且也成為電力部門工作重心。本文主要工作及研究結(jié)論如下:1、分析電能質(zhì)量監(jiān)

17、測發(fā)展現(xiàn)狀,隨著電力用戶對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的實時性和可擴展性的要求逐步提高,研制性能優(yōu)良功能齊全使用方便的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置符合社會發(fā)展需要。2、在現(xiàn)有的電能質(zhì)量檢測算法的基礎(chǔ)上,重點電壓暫降的檢測算法討論分析,并在此基礎(chǔ)上進行改進,分析了算法的性能。電能質(zhì)量監(jiān)測儀具有巨大的市場空間,研究所涉及范圍是相當(dāng)廣的,由于時間倉促,本人水平有限,電能質(zhì)量監(jiān)測儀只是對電能的監(jiān)測,要想獲得用戶滿意的電能,還要進一步采取有效的治理措施。參考文獻1GB/T 12326-2000,電能質(zhì)量,電壓波動和閃變S,北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.2GB/T 12325-2003,電能質(zhì)量,供電電壓允許偏差S,北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004