（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)論文）基于雙cpu并行結(jié)構(gòu)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè).pdf

在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中的特點(diǎn)，系統(tǒng)靈活、升級(jí)容易具有很強(qiáng)的通用性。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)f p g ad s pf f t數(shù)字濾波閃變o n l i n ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e do np a r a l l e lp r o c e s s i n gm a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o ng r a d u a t e ：j i a n gc h u a na d v i s o r ：y a n gh o n g g e n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，p o w e rq u a l i t yh a sb e c o m et h em o s tc o n c e r n e dis s u eo ft h ew o r l d f o ro n et h i n g ，t h ei n c r e a s i n gf a c t o rw h i c ha f f e c t st h ep o w e rq u a l i t y ，f o re x a m p l e ，t h ed i s t o r t e dw a v eo fv o l t a g e sa n dc u r r e n t sc a u s e db yt h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i ca p p a r a t u sa n dn o n l i n e a re q u i p m e n ta n dt h ef r e q u e n t l yt u r n i n go na n do f fo ft h el a r g ee l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o nf a c i l i t i e s ，h a sw o r s e n e dt h ep o w e rq u a l i t y f o ra n o t h e r ，t h ee x a c t i t u d ea n dp r e c i s i o np r o d u c t i o np r o c e s so fs o m eh i t e c hc o r p o r a t i o n ，s u c ha sc h i pm a n u f a c t u r i n g ，a u t o c o n t r o lf a c i l i t i e si nt h ec o n s e c u t i v ea n de x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s a st h er e s u l t ，t h em o d e r ni n d u s t r yd e m a n d sm o r eh i g hq u a li t yp o w e rs u p p l y t h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h ev i r t u a lv a l u et h e o r yc a n n o tp r e c i s e l yd e s c r i b et h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e md u et ot h em u c h l o n gt i m ew i n d o w ，s oan e wm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi sw a n t e dt om e e tt h eh i g h l e v e ln e e d s t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o ri st h ep r i m a r yt e c h n i q u et od i s c o v e r i n ga n da n a l y z i n gv a r i e sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s ，a n di tp r o v i d e si m p o r t a n tw a r r a n tt ot h ed i a g n o s e so ft h eh i t c hi np o w e rs y s t e m t h ee x i s t i n gp o w e rq u a l i t ym o n i t o re q u i p m e n t sm o s t l yu s i n gt h es e r i a lp r o c e s s i n go fs a m p l i n ga n da n a l y z i n gw h e nt h e ya n a l y z em u l t i i n d e xo fp o w e rq u a l i t yo n l i n e t h i sh a sl e dt ot h es a m p l i n g sb r e a k i n go f fd u r i n gt h ed i g i tp r o c e s s i n g ，a n dl o s tv a s tr e a l t i m ed a t a a tt h es a m et i m e ，t h ea n a l y z i n go fp o w e rq u a l i t y ，s u c ha st h eh a r m o n i ca n a l y z i n ga n dt h ef l i c k e ra n a l y z i n g ，n e e d ss o m ec o m p l i c a t e da r i t h m e t i c ( f f t ，l | 盯a n ds oo n ) s ot h em o n i t o re q u i p m e n td e m a n df a s td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs p e e da n dh i g ht e c h n i q u eo fp a r a l l e lp r o c e s s i n g t h i sp a p e ra d v a n c e st h es t r u c t u r eo fp a r a l l e lp r o c e s s i n gb a s e do nf p g aa n d d s pt oa c h i e v en o n g a p p e ds a m p l i n ga n da n a l y z i n go fp o w e rq u a l i t y b a s e do r lt h ed e m a n do ft h ep o w e rq u a l i t y sh a r m o n i cm o n i t o ra n dt h es p e c i a l t yo f1 a r g es c a l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，t h i sp a p e ra d v a n c e saf r a m eo fa2 4 一b i tf l o a tp o i n tf f tm o d u l ei nf p g a t h i sm o d u l e w i t ht h ed s pb a s e dm o n i t o r i n go ft h ef l i c k e rd e s c r i b e di nt h eb a c k m o s to ft h ep a p e r ，b u ii d u pt h ep a r a l l e lp r o c e s s i n gh a r d w a r e s t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，f p g ap r o d u c et h es a m p l i n gc o n t r o ls i g n a la n dt h ea n a l y z i n gc o n t r o l l i n gs i g n a ls i m u l t a n e o u s l y t h i ss t r u c t u r e ，u t i l i z i n ga d v a n t a g e so fb o t hf p g aa n dd s pi nt h ef i e l dt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，h a st h em e r i t so fa g i l i t y ，e a s yu p g r a d ea n du n i v e r s a la b i l i t y k e y w o r d ：p o w e rq u a l i t ym o n i t o r ：f p g a ：d s p ：f l o a tp o i n tf f t ：d i g i tf i i t e rf i i c k e r明”1 人學(xué)碩士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )1 緒論1 1 選題背景和研究意義電能是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、清潔且容易控制和轉(zhuǎn)換的能源形態(tài)，是供電部門向電力用戶提供由發(fā)、供、用三方共同保證質(zhì)量的一種特殊產(chǎn)品。如今，電能作為走向市場(chǎng)的商品，與其他商品一樣，無疑也應(yīng)當(dāng)講求質(zhì)量。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量的問題已經(jīng)引起全世界特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。一方面由于電力、電子技術(shù)的迅速發(fā)展特別是電爐煉鋼、多項(xiàng)可控硅整流以及洗衣機(jī)、空調(diào)等家電設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)中的電壓、電流波形發(fā)生畸變，造成電能質(zhì)量問題的嚴(yán)重惡化；另一方面由于工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，微處理器和p l c 等智能器件大量應(yīng)用于工業(yè)過程控制，而這些精細(xì)過程控制更容易受到電力系統(tǒng)擾動(dòng)的影響。與此同時(shí)，電力市場(chǎng)逐步形成，受電能質(zhì)量影響所造成經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失問題日趨突出，在許多國(guó)家已經(jīng)引起電力部門和用戶的廣泛關(guān)注。進(jìn)入2 l 世紀(jì)以后，國(guó)內(nèi)外電力企業(yè)都把提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題作為電力建設(shè)和發(fā)展的重要課題之一進(jìn)行研究，提供高質(zhì)量的電能已成為當(dāng)前電力行業(yè)創(chuàng)建國(guó)際一流供電企業(yè)的一項(xiàng)主要內(nèi)容和發(fā)展策略。我國(guó)的電力市場(chǎng)已逐步開始實(shí)施，隨著電力市場(chǎng)的不斷完善，電力部門不僅要滿足用戶對(duì)電力數(shù)量不斷增長(zhǎng)的需求，還必須不斷提高供電質(zhì)量，為用戶提供安全、可靠、而且清潔的電力能源成為電力部門獲利經(jīng)營(yíng)的先決條件，也是實(shí)現(xiàn)良好的社會(huì)效益的唯一手段。因此，電能的質(zhì)量問題成為近年來各個(gè)方面關(guān)注的焦點(diǎn)，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是當(dāng)前國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn) 。卅。對(duì)于象我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家更具有不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。從普遍意義上講，電能質(zhì)量是指優(yōu)質(zhì)供電。電能質(zhì)量問題是指電力系統(tǒng)擾動(dòng)產(chǎn)生的電力系統(tǒng)電壓或頻率問題，它常用電壓驟升、電壓驟降、短時(shí)停電、電壓不平衡和諧波五個(gè)指標(biāo)來描述。電能質(zhì)量問題從電力部門的觀點(diǎn)可表示為頻率和供電質(zhì)量：從用戶的觀點(diǎn)可表示為電壓質(zhì)量【_ ”。對(duì)于特定的電能質(zhì)量擾動(dòng)( p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e ) 需要確定擾動(dòng)源，即判定擾動(dòng)方向，從而明確責(zé)任和義務(wù)，是電力系統(tǒng)適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和可持續(xù)發(fā)展所必須的。為了提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，確保系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)中的諧波、電壓波動(dòng)和閃交以及三相不平衡度等污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必須建立電能質(zhì)嬰! ! l 查蘭竺! 蘭生絲苧! ! ! 墮：一一量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)污染干擾具有一定的隨機(jī)性，它與負(fù)荷特性及系統(tǒng)工作情況有關(guān)，往往引發(fā)事故的干擾出現(xiàn)的時(shí)間較短，發(fā)生條件特殊，所以需要采用實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)視，摸清污染情況，以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制。電力系統(tǒng)污染由于含量較小，變化較大，并且對(duì)于不同的用戶和電網(wǎng)的不同運(yùn)行方式呈現(xiàn)不同的變化特征，這些因素給電力系統(tǒng)電能質(zhì)量指標(biāo)測(cè)量帶來一些復(fù)雜性。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了相關(guān)的國(guó)標(biāo)g b t 1 4 5 4 9 - - 1 9 9 3 ( 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波) 、g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ( 電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度) 、g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ( 電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變) 等，對(duì)電力系統(tǒng)中電網(wǎng)質(zhì)量的測(cè)量方式、測(cè)量精度及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理等問題作出了規(guī)定和說明。為了滿足規(guī)定的要求，需要在電網(wǎng)質(zhì)量各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)測(cè)量方法上和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采取一些特別措施。因此，研制符合國(guó)家測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)在線的監(jiān)測(cè)具有很大的研究意義。本文提出了基于d s p 和f p g a 并行結(jié)構(gòu)的電能質(zhì)量在線分析系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的同步采樣與數(shù)據(jù)處理同時(shí)進(jìn)行，避免了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理分時(shí)交替進(jìn)行導(dǎo)致的部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的在線持續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，與d s p 相比，f p g a 更容易實(shí)現(xiàn)模塊間同步運(yùn)行【5 ”，所以本文提出了在f p g a 上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理用于電能質(zhì)量在線分析，與d s p 構(gòu)成雙c p u并行結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。這種并行結(jié)構(gòu)不僅提高了系統(tǒng)的運(yùn)算能力與靈活性，而且充分利用了f p g a 作為可編程專用集成電路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 的可重構(gòu)特點(diǎn)【s 】，使得在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)算法改變與系統(tǒng)升級(jí)更加容易。1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)通常采用電網(wǎng)各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題的最終手段。實(shí)測(cè)電網(wǎng)質(zhì)量的狀況，已成為保證電網(wǎng)安全、可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、高質(zhì)量供電必不可少的措施之一。為此，世界各國(guó)都相應(yīng)研制和開發(fā)了一系列的電能質(zhì)量分析裝置和儀器。以諧波測(cè)量為例，其大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是從1 9 世紀(jì)初至2 0 世紀(jì)4 0 年代，諧波成分的分析主要依靠實(shí)測(cè)波形的傅立葉計(jì)算，即利用信號(hào)波形的錄波圖，人工手動(dòng)等間隔地量取數(shù)值，然后2四川大學(xué)頌士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )采用手算的方法進(jìn)行諧波分析計(jì)算，計(jì)算過程十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精度很低，分析諧波次數(shù)也不高。這方法在我國(guó)一直沿用到7 0 年代。第二階段是5 0 年代至8 0 年代，這一時(shí)期選頻測(cè)量技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用和普及，相應(yīng)研制了一系列選頻式諧波測(cè)量?jī)x器儀表，測(cè)量方式是利用失真度式的儀器測(cè)量諧波總畸變率，外差選頻式逐項(xiàng)測(cè)試各次諧波分量，帶通濾波式逐次選取各次諧波分量，現(xiàn)在使用的有些諧波監(jiān)測(cè)儀、報(bào)警儀、諧波電壓表和電流表就是以此原理制成的。這類諧波分析儀器儀表雖然較早期的人工分析方法有了很大的提高，但測(cè)試的結(jié)果只能給出諧波的幅值，不能測(cè)出相位，測(cè)試調(diào)節(jié)也較麻煩。第三階段是8 0年代至今，由于集成電路和微處理器及計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，已生產(chǎn)了一系列基于快速傅立葉變換的諧波分析儀和頻譜分析儀，被測(cè)信號(hào)經(jīng)采樣，保持、a d 轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)傅立葉計(jì)算輸出結(jié)果，測(cè)試操作簡(jiǎn)單方便，計(jì)算結(jié)果快速準(zhǔn)確，可同時(shí)進(jìn)行多路信號(hào)的測(cè)量。新一代多功能、數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的諧波測(cè)量分析儀已成為發(fā)展的主要方向。目前，國(guó)內(nèi)外已研制成功的各種可供諧波測(cè)量分析使用的分析儀和頻譜儀，從儀器性能和測(cè)試目的的不同大致可分為三類型；一是用于諧波日常監(jiān)測(cè)工作的監(jiān)測(cè)儀或報(bào)警儀，該類型儀器測(cè)試功能簡(jiǎn)單，精度也不高。如文獻(xiàn)【2 】：二是專門測(cè)試諧波用的高性能諧波分析儀和頻譜分析儀。如文獻(xiàn)【6 ，9 】：三是用于諧波和其他電能質(zhì)量綜合測(cè)量的分析系統(tǒng)，如文獻(xiàn) 1 0 - - 1 6 。隨著計(jì)算與分析電能質(zhì)量參數(shù)的算法不斷更新，同時(shí)，算法也變得更加復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)算量加大，精度要求增加。如諧波分析與閃變分析，要利用復(fù)雜分析算法( 傅立葉分析、小波分析等) ，才能得到相關(guān)參數(shù)，因此，監(jiān)測(cè)裝置的對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算速度以及并行處理技術(shù)具有很高的要求。文獻(xiàn) s l ，5 2 , 6 1 e e 設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用了雙c p u 并行處理的結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采樣控制與數(shù)據(jù)處理的并行結(jié)構(gòu)，但是由于僅采用d s p 負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)處理，運(yùn)算能力有限，不能同時(shí)對(duì)多電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算與分析。隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，e d a ) 技術(shù)的崛起，在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的開發(fā)方面，有少量的裝置采用了f p g a ，例如瑞士萊姆公司的p q f i x ，但是它仍然沒有實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多通道的無縫采樣。近年來，發(fā)達(dá)國(guó)家在研制和使用諧波分析儀方面發(fā)展較為迅速，儀器的性能先進(jìn)，適用范圍廣，且耐用可靠，但價(jià)格較為昂貴，在測(cè)量功能、測(cè)量通道冊(cè)川大學(xué)碩士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )和數(shù)據(jù)齊全等方面存在不同程度的缺陷。相比之下國(guó)內(nèi)測(cè)量?jī)x器價(jià)格較低，但是制造工藝較差，可靠性和精度方面尚未嚴(yán)格考核過，主要適用于諧波測(cè)量方面，而在波形分析、采樣窗口的選擇、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果輸出方面差距較大。事實(shí)上，我國(guó)電力系統(tǒng)中使用的大多數(shù)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)都是在基于“電壓是正弦、負(fù)荷是線性，產(chǎn)生的電流業(yè)是正弦”的這一假設(shè)前提，所用電路往往采用模擬電路1 1 5 1 ，在用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)時(shí)，精度和可靠性難以達(dá)到要求；國(guó)外著名的電能質(zhì)量分析儀制造商如美國(guó)的f l u k e ，它的產(chǎn)品功能繁多，價(jià)格昂貴，難以為國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)接受，況且產(chǎn)品的市場(chǎng)著眼于現(xiàn)場(chǎng)手持測(cè)試，而非掛網(wǎng)運(yùn)行。因此，提高電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的新技術(shù)、新裝置已成為近年來電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中新的研究熱點(diǎn)。1 3 本文所做工作本文針對(duì)硬件監(jiān)測(cè)平臺(tái)的特點(diǎn)與要求，詳細(xì)論述了基于并行處理結(jié)構(gòu)的在線多通道無縫采樣分析技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法。最后，提出了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的兩種算法分別在f p g a 和d s p 上的實(shí)現(xiàn)。1 根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元采樣速率、精度以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步采樣的要求。為了實(shí)現(xiàn)多通道同步不問斷采樣，本文提出了提出基于“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件f p g a + 數(shù)字信號(hào)處理器d s p ”的并行數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，并在此結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)在線電能質(zhì)量無縫采樣分析。2 采用在線多通道無縫采樣分析技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了多個(gè)控制功能模塊( 鎖相倍頻模塊、系統(tǒng)初始化模塊、采樣數(shù)據(jù)讀取控胄4 模塊、采樣緩存控制模塊以及d m a 控制模塊等) ，給出了每個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法，通過仿真和運(yùn)行，證明了它們的可行性。對(duì)于鎖相倍頻模塊，加入了余數(shù)處理控制予模塊使得采樣控制信號(hào)輸出更加穩(wěn)定，通過實(shí)際運(yùn)行測(cè)量滿足i e c 6 1 0 0 0 4 7 中頻率跟蹤相對(duì)誤差的限值要求。3 采用f p g a 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用于諧波分析的快速傅立葉變換f f t ?？紤]到協(xié)調(diào)運(yùn)行速度與f p g a 內(nèi)部資源的矛盾，提出了2 4 位自定制浮點(diǎn)格式?；诓⑿杏?jì)算的思想，設(shè)計(jì)了流水線結(jié)構(gòu)的加法器和乘法器運(yùn)用于f f t 模塊的蝶形運(yùn)算單元。采用一個(gè)復(fù)數(shù)乘法器實(shí)現(xiàn)的碟形運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)了順序結(jié)構(gòu)的f f t 處理器。4四川l 大學(xué)碩士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )4 針對(duì)電壓波動(dòng)及閃變的測(cè)量分析，提出了i e c 閃變測(cè)量原理的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法。利用數(shù)字信號(hào)處理器t m s 3 2 0 v c 3 3 編程實(shí)現(xiàn)i i r 數(shù)字濾波器，用于對(duì)電壓波動(dòng)及閃變進(jìn)行分析。四川人學(xué)碩j ：學(xué)位論殳( 2 0 0 5 )2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述現(xiàn)代社會(huì)中，電能是一種最為廣泛使用的能源，電力部門不僅要滿足用戶對(duì)電力數(shù)量不斷增長(zhǎng)的要求，還必須滿足較高電能質(zhì)量的要求。電能質(zhì)量方面的問題，不僅對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行極為不利，而且還對(duì)用戶用電設(shè)備的正常工作和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)高效產(chǎn)生十分不利的影響。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是電力部門為其本身及其關(guān)鍵用戶提供的重要服務(wù)，也是獲得電能質(zhì)量信息的直接途徑。本章將重點(diǎn)介紹電能質(zhì)量的概念及其監(jiān)測(cè)方法。2 1 電能質(zhì)量概述2 1 1 電能質(zhì)量的概念從普遍意義上講，電能質(zhì)量是指優(yōu)質(zhì)供電。但是，由于人們看問題的角度不同，至今為止對(duì)電能質(zhì)量的技術(shù)含義還存在著不同的認(rèn)識(shí)，還沒有一個(gè)準(zhǔn)確和統(tǒng)一的技術(shù)定義。如電力部門可能把電能質(zhì)量簡(jiǎn)單地看成電壓與頻率的合格率，并且用統(tǒng)計(jì)數(shù)字來說明電力系統(tǒng)9 9 是符合質(zhì)量要求的；電力用戶則可能把電能質(zhì)量籠統(tǒng)看成是否向負(fù)荷正常供電；而設(shè)備制造商則認(rèn)為合格的電能質(zhì)量就是指電源特性完全滿足電氣設(shè)備正常設(shè)計(jì)工況的需要，但實(shí)際上不同廠家和不同設(shè)備對(duì)電源特性的要求可能相差甚遠(yuǎn)。另一方面，對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)識(shí)也受電力系統(tǒng)發(fā)展水平的制約，特別是用電負(fù)荷的性能和結(jié)構(gòu)。i e e e 技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(huì)正式采用“p o w e rq u a l i t y ”這一術(shù)語，并且給出的定義如下：合格的電能質(zhì)量是指，給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)是均適合該設(shè)備正常工作的。這個(gè)定義的缺點(diǎn)是不夠直接和簡(jiǎn)明。電能質(zhì)量通常用電網(wǎng)的實(shí)際狀況與理想系統(tǒng)的差距來衡量。電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，理想睛況下它應(yīng)以額定頻率和額定電壓向用戶供電。但實(shí)際運(yùn)行中，由于負(fù)荷不斷變化，電力系統(tǒng)的頻率和電壓是不可能維持恒定不變的。因此，以往各國(guó)都以頻率和電壓維持與額定值的偏差不超過規(guī)定的允許范圍作為衡量電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)1 7 】采用的電能質(zhì)量定義為：導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差。這個(gè)定義較簡(jiǎn)潔，也概括了電能質(zhì)量問題的成因和后果。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的電氣化水平日益提高，具有非線性或者時(shí)變特性的負(fù)荷也日益增多，從而在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，僅用頻率和電壓這兩個(gè)指標(biāo)來衡量電能質(zhì)量就顯得很不夠了。除了頻率6四j i l 大學(xué)碩士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )和電壓以外，電壓和電流的三相對(duì)稱平衡狀況、波形畸變的程度以及由于負(fù)荷急劇變化造成的電壓閃變等技術(shù)問題都將影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所以這里的偏差應(yīng)廣義理解，甚至應(yīng)包括供電可靠性。除此之外，在這一研究領(lǐng)域的許多文獻(xiàn)和報(bào)告中還采用了一些未得到公認(rèn)的術(shù)語和補(bǔ)充定義。如：1 電壓質(zhì)量( v o l t a g eq u a l i t y ) ，即用實(shí)際電壓與理想電壓間的偏差( 應(yīng)理解為廣義偏差，即包含幅值、波形、相位等) ，以反映供電部門向用戶供給的電力是否合格。2 電流質(zhì)量( c u r r e n tq u a l i t y ) ，即對(duì)用戶取用電流提出恒定頻率、正弦波形要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運(yùn)行。這個(gè)定義有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，并降低線損，但不能概括大多數(shù)囡電壓原因造成的質(zhì)量問題。而后者往往并不總是由用電造成的。3 供電質(zhì)量( q u a l i t yo fs u p p l y ) ，它包括技術(shù)含義和非技術(shù)含義兩部分。技術(shù)含義有電壓質(zhì)量和供電可靠性；非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，它包括供電部門對(duì)用戶投訴與抱怨的反映速度和電力價(jià)格( 合理性、透明度) 等。4 用電質(zhì)量( q u a l i t yo f c o n s u m p t i o n ) ，包括電流質(zhì)量和非技術(shù)含義，如用戶是否按時(shí)、如數(shù)繳納電費(fèi)等。它反映供用電雙方相互作用與影響中用電方的責(zé)任和義務(wù)。實(shí)際上，供電系統(tǒng)只能控制電壓的高低，不能控制某一負(fù)載汲取的電流的大小。因而大多數(shù)情況是在討論電壓質(zhì)量問題。本文中的電能質(zhì)量主要指電壓質(zhì)量。2 1 2 電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有：電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡、電網(wǎng)諧波以及過電壓。2 1 2 1 電壓偏差用電設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)和額定壽命是對(duì)其額定電壓而占的。當(dāng)其端子出現(xiàn)電壓偏差時(shí)，其運(yùn)行參數(shù)和壽命將受到影響，影響程度視偏差的大小、持續(xù)的時(shí)墮型盔堂堡主蘭竺堡苧! ! ! 箜!一一間和設(shè)備狀況而異，電壓偏差計(jì)算公式如下；電壓偏差( ) = 壅墮號(hào)曩若1 。( 2 - 1 )電能質(zhì)量供電電壓允許偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) 規(guī)定電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，用戶受電端供電電壓的允許偏差為：( 1 ) 3 5 k v 及以上供電和對(duì)電壓質(zhì)量有特殊要求的用戶為額定電壓的+5 一5 ：( 2 ) 1 0 k v 及以下高壓供電和低壓電力用戶為額定電壓的+ 7 一7 ；( 3 ) 低壓照明用戶為額定電壓的+ 5 一1 0 。為了保證用電設(shè)備的正常運(yùn)行，在綜合考慮了設(shè)備制造和電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性后，對(duì)各類用戶設(shè)備規(guī)定了如上的允許偏差值，此值為工業(yè)、企業(yè)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。2 1 2 2 電力系統(tǒng)頻率偏差電力系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下。應(yīng)在標(biāo)稱頻率下運(yùn)行，但是電力系統(tǒng)負(fù)荷在不斷的變動(dòng)其大小，電源出力及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)追隨負(fù)荷變化又有一定的慣性，致使系統(tǒng)頻率總是在一定的變化中，這種電力系統(tǒng)的頻率偏離其標(biāo)稱值的現(xiàn)象叫電源頻率變化。頻率變化的大小及持續(xù)時(shí)問依賴于負(fù)荷的特性以及發(fā)電控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的反應(yīng)能力。運(yùn)行頻率偏差對(duì)電力系統(tǒng)及其設(shè)備的危害程度取決于偏差的大小和持續(xù)時(shí)間。頻率偏差超過0 2 h z 可能危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及設(shè)備的安全，甚至引起系統(tǒng)崩潰。2 1 2 3 電壓波動(dòng)和閃變供電電壓在兩個(gè)相鄰的、持續(xù)時(shí)間在l s 以上的電壓有效值u l 和u 2 之間的差值，稱為電壓變動(dòng)。電壓波動(dòng)是一系列電壓變動(dòng)或連續(xù)的電壓偏差。電壓波動(dòng)值為電壓有效值的兩個(gè)極值u m a x 和u m i n 之差u ，常以其標(biāo)稱電壓u h 的百分?jǐn)?shù)表示其相對(duì)百分值，即d = u n a x _ - - u m i a 1 0 0 ( 2 2 )嬰型叁蘭堡主蘭堡笙蘭! ! ! 墮! 單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)稱為電壓波動(dòng)的頻度y ，一般以r a i n 1 或s “作為頻度的單位。電壓波動(dòng)波形，在分析時(shí)可抽象地將工頻電壓u ( 或u ) 看作載波，將波動(dòng)電壓v 看作調(diào)幅波。波動(dòng)電壓可能是具有單一頻率的正弦波，也可能是具有任意波形的調(diào)幅波。電壓波動(dòng)常會(huì)引起許多電工設(shè)備不正常工作。如果電壓波動(dòng)引起白熾燈閃變，我們就稱發(fā)生了電壓閃變。閃變是人對(duì)照度波動(dòng)的主觀視感。閃變的主要決定因數(shù)有：1 供電電壓波動(dòng)的幅值、頻度和波形：2 照明裝置，以自熾燈的照度波動(dòng)影響最大，而且與白熾燈的瓦數(shù)和額定電壓等有關(guān)；3 人對(duì)閃變的主觀視感。由于人們視感的差異，需要對(duì)觀察者的閃變作抽樣調(diào)查。供電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)和閃變多由用戶的波動(dòng)性負(fù)荷所引起。波動(dòng)陛負(fù)荷可分為周期性的和非周期性的兩大類其中，周期性的或接近周期性的波動(dòng)性負(fù)荷對(duì)閃變的影響更為嚴(yán)重。波動(dòng)性負(fù)荷主要有：電弧爐、感應(yīng)爐的變頻電源、絞車、軋機(jī)、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)( 尤其是頻繁起停的工況) 、采礦的挖掘機(jī)、鋸木機(jī)和粉碎機(jī)等。這些波動(dòng)性負(fù)荷，影響和危害公共連接點(diǎn)( p c c ) 上的其它用戶設(shè)備，必須引起重視。2 1 2 4 三相電壓不平衡度在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應(yīng)該具有相同的數(shù)值，且按a 、b 、c 三相順序互成1 2 0 0 角度，這樣的系統(tǒng)叫做三相平衡( 或?qū)ΨQ) 系統(tǒng)。然而由于存在種種不平衡因素，實(shí)際的電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。不平衡度允許值指的是在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的最小方式下負(fù)荷所引起的電壓不平衡度為最大的生產(chǎn)( 運(yùn)行) 周期中的實(shí)測(cè)值，例如煉鋼電弧爐應(yīng)在熔化期測(cè)量等。在確定三相電壓允許不平衡指標(biāo)時(shí)，國(guó)標(biāo)g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 規(guī)定用9 5 概率值作為衡量值。即正常運(yùn)行方式下不平衡度允許值，對(duì)于波動(dòng)性較小的場(chǎng)合，應(yīng)和實(shí)際測(cè)量的五次接近數(shù)值的算術(shù)平均值對(duì)比；對(duì)于波動(dòng)性較大的場(chǎng)合，應(yīng)和實(shí)際測(cè)量的9 5 概率值對(duì)比；來判斷是否合格。其短時(shí)允許值是指任何時(shí)刻均不能超過9四川大學(xué)碩士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )的限制值，以保證保護(hù)和自動(dòng)裝置的正確動(dòng)作。不平衡因素可歸結(jié)為事故性的和正常性的兩大類。事故性的不平衡是由于三相系統(tǒng)中一相( 或兩相) 出現(xiàn)故障所致，這種不平衡工況是系統(tǒng)運(yùn)行所不允許的，一般由繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置動(dòng)作切除故障元件后在短期內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)正常。正常的不平衡則是負(fù)荷不平衡、系統(tǒng)三相阻抗不對(duì)稱以及消弧線圈的不正確調(diào)諧所致。作為電能質(zhì)量指標(biāo)之一的電壓不平衡是針對(duì)正常不平衡運(yùn)行工況制定的。三相電壓不平衡會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成一系列的危害，其中主要有：1 引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)的附加發(fā)熱和振蕩，危及其安全運(yùn)行和正常出力；2 引起以負(fù)序分量為起動(dòng)元件的多種保護(hù)誤動(dòng)作；3 使半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流；4 使發(fā)電機(jī)的利用率下降；5 將引起電網(wǎng)損耗增加；6 會(huì)增大對(duì)通信的干擾，影響正常通信質(zhì)量。2 1 2 5 電網(wǎng)諧波諧波是指具有電源系統(tǒng)指定運(yùn)行頻率( 基頻) 整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性，即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系而造成的波形畸變【2 8 】。一個(gè)非正弦的周期波( 如電壓、電流、磁通等) ，可以分解為一個(gè)同頻率和很多整數(shù)倍頻率的正弦波之和。其中頻率與原非正弦波頻率相同的正弦波稱為基波，頻率為基波整數(shù)倍的正弦波稱為高次諧波或諧波。諧波是一個(gè)周期性電量的正弦分量。其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。利用傅立葉級(jí)數(shù)及傅立葉變換把周期性的非正弦波形( 畸變波形) 分解為基波及各次諧波的方法稱為諧波分析方法。般來講，電力系統(tǒng)的畸變波形，都滿足傅立葉變換的存在條件，都能分解到基波和無限個(gè)高次諧波之和。一切非線性的設(shè)備和負(fù)荷都是諧波源。諧波源產(chǎn)生的諧波與其非線性特性有關(guān)。當(dāng)前，電力系統(tǒng)的諧波源，其非線性特性主要有三大類：1 鐵磁飽和型：各種鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性是非線性。1 0四川大學(xué)碩士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )2 電子開關(guān)型：主要為各種交直流換流裝置( 整流器、逆變器) 、雙相晶閘管、可控開關(guān)設(shè)備等。在系統(tǒng)內(nèi)部，則如直流輸電中的整流閥和逆變閥等。其非線性呈現(xiàn)交流波形的開關(guān)切合和換相特性。3 電弧型：各種煉鋼電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機(jī)在焊接期間，其電弧的點(diǎn)燃和劇烈變動(dòng)形成的高度非線性，使電流不規(guī)則的波動(dòng)。其非線性呈現(xiàn)電弧電壓與電弧電流之間不規(guī)則的、隨機(jī)變化的伏安特性。諧波對(duì)電力網(wǎng)的污染日益嚴(yán)重，其產(chǎn)生的主要危害有：1 大大增加了電力網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能，從而造成很高的過電流或過電壓而引發(fā)事故的危險(xiǎn)性；2 增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率和設(shè)備利用率；3 使電氣設(shè)備( 如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器等) 運(yùn)行不j 下常，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命；4 使繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及許多用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常或者不能正常動(dòng)作或操作；5 使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表不能正確指示或計(jì)量；6 干擾通信系統(tǒng)，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。2 1 2 6 過電壓以璣表示三相系統(tǒng)最高電壓，則峰值超過系統(tǒng)最高相對(duì)地電壓峰值( 4 2 1 s u 。) 或最高相間電壓峰值( 2 【，。) 的任何波形的相對(duì)地或相間電壓分別為相對(duì)地或相間過電壓。注：系統(tǒng)最高電壓是指當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在任何時(shí)間、系統(tǒng)上任何一點(diǎn)所出現(xiàn)地電壓最高值( 不包括系統(tǒng)的暫態(tài)和異常電壓) 。電力系統(tǒng)中過電壓是經(jīng)常發(fā)生的。作用于設(shè)備的過電壓傳統(tǒng)的分類是按其來源分為內(nèi)過電壓和外過電壓。內(nèi)過電壓是由于操作( 如切、合閘) 、事故( 如接地、斷線) 或其它原因，引起電力系統(tǒng)的狀態(tài)突然從一種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)態(tài)的過渡過程中出現(xiàn)的過電壓。這種過電壓是由于系統(tǒng)內(nèi)部原因而造成并且能量又來自電網(wǎng)本身，所以叫內(nèi)過電壓。內(nèi)過電壓又可以分為工頻過電壓、操作過電壓和諧振過電壓等；外過電壓又叫大氣過電壓或雷電過電壓，它又分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種類型。下面根據(jù)國(guó)標(biāo)g b 廠r 1 8 4 8 i - 2 0 0 1 ( 電能l n l ) j i 大學(xué)顫士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )質(zhì)量暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓) ，簡(jiǎn)單介紹五種類型的過電壓。1 暫時(shí)過電壓( t e m p o r a r yo v e r v o l t a g e ) ，在給定安裝點(diǎn)上持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的不衰減或弱衰減的( 以工頻或其一定的倍數(shù)、分?jǐn)?shù)) 振蕩的過電壓。2 瞬態(tài)過電壓( t r a n s i e n to v e r v o l t a g e ) ，持續(xù)時(shí)間數(shù)毫秒或更短，通常帶有強(qiáng)阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓。它可以疊加于暫時(shí)過電壓上。3 緩波前過電壓( s l o w - f r o n to v e r v o l t a g e ) 及操作過電壓( s w i t c h i n go v e r v o l t a g e ) ，一種瞬態(tài)過電壓，通常是單極性的并且峰值時(shí)間在2 0 u s 和5 0 0 0 u s之間，半峰值時(shí)間小于2 0 m s 。4 振蕩過電壓( r e a s o n a n c eo v e r v o l t a g e ) ，某些通斷操作或故障通斷后形成電感、電容元件參數(shù)的不利組合而產(chǎn)生諧振時(shí)出現(xiàn)的暫時(shí)過電壓，其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且波形有周期性。5 快波前過電壓( f a s t f r o n to v e r v o k a g e ) 及雷電過電壓( 1 i g h t n i n go v e r v o l t a g e ) ，種瞬態(tài)過電壓，通常是單極性的，其波前時(shí)間在o 1 u s 和2 0 u s之間，半峰值時(shí)間小于3 0 0 u s 。2 2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)概述2 2 1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量問題可以分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量?jī)刹糠帧７€(wěn)態(tài)電能質(zhì)量闖題是以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波以及噪聲等：暫態(tài)電能質(zhì)量問題通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征。分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類i 蝎1 。電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)中既包含了統(tǒng)計(jì)性指標(biāo)，如電壓波動(dòng)、諧波分析等；又強(qiáng)調(diào)了對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，保證對(duì)暫態(tài)指標(biāo)的精確分析。因此電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理功能，明白易懂的報(bào)告系統(tǒng)，以及通用的信息共享技術(shù)，而且應(yīng)當(dāng)采用分布式結(jié)構(gòu)：分布于各個(gè)變電站的現(xiàn)場(chǎng)采集分析單元通過通信網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)有機(jī)的整體，共同完成整個(gè)區(qū)域的電能質(zhì)量分析。隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、諧波等，已經(jīng)引起了足夠的重視。暫態(tài)電能質(zhì)量問題越來越突出，如電壓跌落、驟升、短時(shí)斷電等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，給用戶帶來了很大的損失。傳統(tǒng)的基于有效值理論的監(jiān)測(cè)技術(shù)由王時(shí)間窗口太長(zhǎng)僅測(cè)有效值已不能精確描述實(shí)際的電能1 2四川大學(xué)顧上學(xué)位論文( 2 0 0 5 )質(zhì)量問題，因此必需發(fā)展?jié)M足以下要求的新監(jiān)測(cè)技術(shù)：( 1 ) 針對(duì)信號(hào)擾動(dòng)的隨機(jī)性，必須保證對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；( 2 ) 能捕捉快速瞬時(shí)( m s 級(jí)u s 級(jí)) 擾動(dòng)的暫態(tài)波形；( 3 ) 需要有足夠高采樣率，以便能測(cè)得相當(dāng)高次諧波的信息：( 4 ) 實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的同步性以便于對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)和故障信息進(jìn)行離線分析；( 5 ) 建立有效的分析和自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)，使之能實(shí)現(xiàn)故障或擾動(dòng)信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別；( 6 ) 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊和信息共享。2 2 2 硬件監(jiān)測(cè)平臺(tái)的特點(diǎn)與要求新的檢測(cè)技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的要求，分布式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元和后臺(tái)主站組成，下面我們?cè)敿?xì)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。2 2 2 1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元采樣速率、精度的要求電力系統(tǒng)中各種擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間短、隨機(jī)性強(qiáng)，如雷擊、系統(tǒng)故障、些非線性負(fù)荷的投切等引起的電壓跌落、驟升，電弧爐生產(chǎn)周期的變化引起的電壓波動(dòng)等等。為了精確測(cè)量電網(wǎng)中高次諧波值以及對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，必須保證較高的采樣頻率。在實(shí)際電網(wǎng)中，諧波分析一般取2 3 0 次，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中的采樣頻率至少為每周波6 4 次，一般為1 2 8 次以上。如果每周波采樣1 2 8 次，那么每個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔僅有1 5 6 u s ，傳統(tǒng)的5 1 、c 1 9 6單片機(jī)的指令周期最多能夠達(dá)到1 6 0 n s ，在多通道同步采樣的情況下，很難滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，因此傳統(tǒng)的諧波分析儀僅僅能達(dá)到1 9 次，對(duì)暫態(tài)指標(biāo)則根本沒法分析 2 , 1 9 】。數(shù)字信號(hào)處理( d s p ) 技術(shù)的快速發(fā)展，為電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了理想的方案。高性能的數(shù)字信號(hào)處理器采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，指令運(yùn)行采用流水線結(jié)構(gòu)，其指令周期可達(dá)到1 2 3 0 n s ，在此硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，可以保證足夠高的采樣率( 最高可達(dá)每周波1 0 2 4 點(diǎn)) ，從而實(shí)現(xiàn)高精度的同步數(shù)據(jù)采集處理。電力系統(tǒng)中高次諧波的食有量相對(duì)于基波分量而言是非常低的。根據(jù)實(shí)測(cè)1 3佃川大學(xué)碩上學(xué)位論文( 2 0 0 5 )數(shù)據(jù)【2 6 j ，如果采用1 2 位分辯率的a d 轉(zhuǎn)換芯片，僅僅因?yàn)閍 d 轉(zhuǎn)換精度不夠，對(duì)1 5 次次諧波而言至少會(huì)引起1 。6 7 的誤差，而且在實(shí)際諧波測(cè)量中我們一般測(cè)到3 0 次諧波，這樣產(chǎn)生的誤差影響會(huì)更大，高次諧波測(cè)量數(shù)據(jù)將沒有可信性因此我們建議現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元中a d 轉(zhuǎn)換器的分辨率至少應(yīng)保證為1 4 位以上。2 2 2 2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步采樣的要求電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的交流信號(hào)主要有：4 種電壓信號(hào)u a 、u b 、u c 、u o 和五種電流信號(hào)i a 、i b 、i c 、3 i o 、i n 。目前電力系統(tǒng)各種監(jiān)測(cè)儀器中采用的采樣方式一般為：“多路開關(guān)+ 采樣保持+ a d 轉(zhuǎn)換”模式，這種模式硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低。在同步性要求不高的系統(tǒng)中可以得到很好的結(jié)果。但是在諧波分析中如果采用這種方式，即使在每周波采樣1 2 8 點(diǎn)的情況此下，對(duì)于1 9 次此諧波，其相位最少也會(huì)帶來6 度的誤差，這對(duì)于提取基波分量進(jìn)行信號(hào)分析的系統(tǒng)而言誤差可以忽略，而對(duì)于高次諧波的測(cè)量。將使測(cè)量數(shù)據(jù)沒有可信度。在這里建議采用“采樣保持+ 多路開關(guān)+ - 們轉(zhuǎn)換”的轉(zhuǎn)換模式，這種模式對(duì)a d 轉(zhuǎn)換器同步性的要求大大降低。市場(chǎng)上可以找到“多通道同時(shí)采樣、依次轉(zhuǎn)換”的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，如m a x l 2 5 1 2 6 、a d 7 8 7 4 等，它們的分辨率1 4 位，在監(jiān)測(cè)的路數(shù)比較多的情況下，可滿足我們的要求。在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)離線分析中，系統(tǒng)相角測(cè)量、諧波干擾源的辨識(shí)、暫態(tài)電壓擾動(dòng)信號(hào)分析等都需要對(duì)相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了保證不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同步性，提高數(shù)據(jù)的橫向可比性，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元中必須增加同步采樣模塊來保證采樣時(shí)鐘的同步性。g p s ( 全球定位系統(tǒng)) 技術(shù)具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，利用g p s 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的同步采樣，其最大同步誤差不超過l u s ，可以滿足電力系統(tǒng)測(cè)控中不同動(dòng)態(tài)行為的時(shí)間精度要求。在電能質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元中，采用高精度恒溫晶振( 誤差小于1 0 4 s ) 產(chǎn)生信號(hào)脈沖作為同步采樣模塊的工作時(shí)鐘，它每隔1 s 被g p s 的秒脈沖信號(hào)同步一次，保證振蕩器輸出的脈沖信號(hào)的前沿于g p s 時(shí)鐘信號(hào)同步；同時(shí)g p s 接收機(jī)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)串口將時(shí)間信息傳送給d s p ，d s p 在數(shù)據(jù)傳輸過程中，將對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)打上“時(shí)間標(biāo)簽”，這樣在以后的處理中就可以方便的分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同步數(shù)據(jù)。1 42 2 3 監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀與研究動(dòng)態(tài)近年來，隨著電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理的不斷加強(qiáng)，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理也納入了法治化軌道，從而帶動(dòng)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展。2 2 3 1 監(jiān)測(cè)裝置硬件構(gòu)架i s c a d a 系統(tǒng)的當(dāng)前應(yīng)用目前，s c a d a 系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。其主要特點(diǎn)之一在于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用，大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被有章可循地進(jìn)行管理，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)共享，以供各應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用分析【2 0 1 。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)沒有出現(xiàn)在s c a d a 系統(tǒng)中是由該系統(tǒng)前端硬件設(shè)備( r t u ) 條件所決定的。第一，r t u 及其他保護(hù)單元設(shè)備一般主要對(duì)基波有效值進(jìn)行分析計(jì)算，采樣率較低，難以滿足電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)過程中的高采樣速率及復(fù)雜的計(jì)算處理功能；第二，由于r t u 及各類保護(hù)單元在s c a d a 系統(tǒng)中屬于重要的前端設(shè)備，要求信道舒暢地強(qiáng)其采樣信號(hào)傳送到中央控制系統(tǒng)，因此，一般沒有足夠地存儲(chǔ)空間對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)過程中的中間數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行保存：第三，r t u 及保護(hù)單元前端采樣電路一般需要進(jìn)行濾波，以免高次諧波對(duì)工作過程產(chǎn)生干擾，因此無法實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的檢測(cè)分析。2 工業(yè)控制機(jī)型這種類型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置實(shí)際上就是一臺(tái)工業(yè)控制機(jī)，主要面向?qū)﹄娏ο到y(tǒng)諧波的測(cè)試，或者設(shè)定在一定時(shí)間內(nèi)每隔一定時(shí)間間隔保存一組數(shù)據(jù)，或者手動(dòng)按一次獲取一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一般以文本方式保存【20 1 。其缺點(diǎn)：第一，沒有實(shí)現(xiàn)無縫采樣，即部分原始采樣數(shù)據(jù)丟失：第二，采樣通道一般為多通道，有的采用高速電子開關(guān)互相切換，三相之間并非同步采樣；第三，監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量參數(shù)少，主要針對(duì)諧波，而沒有對(duì)其它的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；第四，該類設(shè)備存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)元件，如硬盤、風(fēng)扇等，不能長(zhǎng)期在線運(yùn)行，這很難反映電網(wǎng)各種運(yùn)行方式、或負(fù)荷各種運(yùn)行工況、或負(fù)荷水平大小調(diào)整時(shí)電網(wǎng)的實(shí)際諧波水平；第五，測(cè)試數(shù)據(jù)多，主要是面對(duì)專業(yè)人員，不能根據(jù)國(guó)標(biāo)在線或離線進(jìn)行分析，或缺乏直觀性數(shù)據(jù)結(jié)果。該類型監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：由于它存在硬盤設(shè)備，所以能夠進(jìn)行大容量的存儲(chǔ)，能夠保存長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)文件。i5四川大學(xué)顧士學(xué)位論文( 2 0 0 5 )3 a d + d s p 型電網(wǎng)信號(hào)中干擾的隨機(jī)性以及對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，要求進(jìn)行大量在線實(shí)時(shí)測(cè)量、計(jì)算，如果采用傳統(tǒng)的m c s 5 1 、m c s 9 6 和普通c p u 芯片實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)算，精度和實(shí)時(shí)性將都會(huì)變差。難以得到較好的結(jié)果，而d s p 芯片強(qiáng)大的運(yùn)算能力可以很好的彌補(bǔ)它們的不足【j 】。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的交流信號(hào)主要有：4 種電壓信號(hào)u a 、u b 、u c 、u o 和五種電流信號(hào)l a 、i b 、i c 、3 i o 、i n ，這8 個(gè)信號(hào)必須進(jìn)行同步采樣【1 ”。因此，很多廠商選用帶專門設(shè)計(jì)與d s p 的接口、多通道同步采樣a d 芯片與d s p 芯片構(gòu)架【2 ”。在文獻(xiàn) 3 1 1 6 1 u 3 1 u s l 中都介紹了基于a d + d s p 構(gòu)架監(jiān)測(cè)裝置的研制，它們的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)Χ嗤ǖ肋M(jìn)行同步采樣，由d s p 芯片控制a d 芯片對(duì)信號(hào)的采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)的功能?？伤鼈円泊嬖诓蛔悖旱谝粺o法實(shí)現(xiàn)無縫采樣，因?yàn)樵趦山M采樣數(shù)據(jù)之間必須插入一個(gè)數(shù)據(jù)處理過程，才能完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理瞄】。這樣就導(dǎo)致了原始數(shù)據(jù)部分丟失，無法對(duì)電能質(zhì)量狀況作出真實(shí)