本科毕业论文-配电网电能质量的在线检测与治理措置的研究

本科毕业设计说明书配电网电能质量的在线检测与治理措置的研究DISTRIBUTIONNETWORKPOWERQUALITYDETECTIONANDTREATMENTRENEWONLINERESEARCH学院（部）电气与信息工程学院专业班级学生姓名指导教师年月日配电网电能质量的在线检测与治理措置的研究摘要随着电力电子技术、自动化技术、计算机技术等先进技术的进一步发展，大功率非线性、冲击性和波动性负荷不断增加，比如大功率的变频设备及拖动装置、电气化铁路、电化工业的整流设备、电弧炉等，这些负荷造成了电网发生波形畸变（谐波）、电压波动、闪变、三相不平衡、非对称性，使得电网电能质量的严重降低。同时，基于计算机，微处理器控制的精密电子仪器在国民经济企业中大量使用，对供电质量的敏感程度越来越高，对电能质量提出了更高的要求，从而使电能质量问题及其解决措施逐渐成为研究的热点。要对电网的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据。电能质量问题日益突出，电能质量的监测方式主要为在线监测，对电能质量的全天候、全方位准确的实时监测。在准确、快速地检测和分析电能质量的基础上，提出了合理有效的治理措施，对有效提高供电可靠性，改善供电电能质量，确保电力设备发挥正常性能水平等，对电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常运行以及降低能耗等均具有非常重要的研究意义。关键词配电网，电能质量，在线监测DISTRIBUTIONNETWORKPOWERQUALITYDETECTIONANDTREATMENTRENEWONLINERESEARCHABSTRACTWITHTHEPOWERELECTRONICSTECHNOLOGY,AUTOMATIONTECHNOLOGY,COMPUTERTECHNOLOGYANDOTHERADVANCEDTECHNOLOGY,FURTHERDEVELOPMENT,HIGHPOWERNONLINEARLOADIMPACTANDINCREASINGVOLATILITYANDDRAGEQUIPMENT,ELECTRICRAILWAY,ELECTRICITYANDCHEMICALINDUSTRIESRECTIFIEREQUIPMENT,INDUCTIONFURNACE,ELECTRICARCFURNACE,ETC,WHICHCAUSEDTHEPOWERGRIDLOADWAVEFORMDISTORTIONHARMONIC,VOLTAGEFLUCTUATIONS,FLICKER,THREEPHASEBALANCE,ASYMMETRY,MAKINGTHESERIOUSDEGRADATIONOFPOWERQUALITYMEANWHILE,COMPUTERBASED,MICROPROCESSORCONTROLLEDPRECISIONELECTRONICINSTRUMENTUSEDEXTENSIVELYINTHENATIONALENTERPRISE,THEPOWERSUPPLYISBECOMINGMORESENSITIVETOTHEQUALITYOFTHEPOWERQUALITYPUTFORWARDHIGHERREQUIREMENTS,SOTHATTHEPOWERQUALITYPROBLEMSANDTHEIRSOLUTIONSMEASURESTOGRADUALLYBECOMEARESEARCHHOTSPOTTOIMPROVETHEQUALITYOFGRIDPOWER,WEMUSTFIRSTMAKEANACCURATEPOWERQUALITYTESTINGANDANALYSIS,MEASUREMENTGRIDPOWERQUALITY,ANDTOANALYZEANDDETERMINETHECAUSEOFAVARIETYOFPOWERQUALITYPROBLEMISTOPROVIDEABASISTOIMPROVEPOWERQUALITYPOWERQUALITYISSUESHAVEBECOMEINCREASINGLYPROMINENT,THEMAINMODEOFPOWERQUALITYMONITORINGFORTHEONLINEMONITORINGOFPOWERQUALITYALLWEATHER,ALLROUNDANDACCURATEREALTIMEMONITORINGINTHEACCURATEANDRAPIDDETECTIONANDANALYSISOFPOWERQUALITYBASEDONREASONABLEANDEFFECTIVEGOVERNANCEPROPOSEDMEASURES,EFFECTIVELYIMPROVEPOWERSUPPLYRELIABILITY,IMPROVEPOWERQUALITYPOWERSUPPLY,ENSURETHATTHEPOWERTOPLAYANORMALLEVELOFPERFORMANCEEQUIPMENT,ETCONTHEPOWERGRIDSAFETY,ECONOMICOPERATIONTOPROTECTTHEQUALITYOFINDUSTRIALPRODUCTSANDTHENORMALOPERATIONOFSCIENTIFICEXPERIMENTSANDREDUCEENERGYCONSUMPTIONETCISVERYIMPORTANTSIGNIFICANCEKEYWARDSDISTRIBUTIONNETWORK,POWERQUALITY,ONLINEMONITORING目录摘要IABSTRACTII1绪论111研究电能质量的背景和意义112国内外研究现状1121电能质量监测系统1122电能质量治理措施213本文的主要工作32电能质量理论521电能质量概述5211电能质量的定义5212电能质量的分类522电能质量指标和国家标准6221电压偏差6222频率偏差6223谐波6224电压波动和闪变7225三相不平衡8226暂时过电压和瞬态过电压923本章小结93电能质量检测分析算法1031基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法10311QPI运算方式10312基于倍频旋转变换的谐波测量1132基于小波分析的谐波检测方法1133基于神经网络的谐波检测方法1234基于傅里叶变换的谐波检测方法12341傅里叶级数12342离散傅里叶变化DFT13343快速傅里叶变换FFT14344改进型复序列快速傅里叶变换FFT15345其它电能质量参数的计算1733本章小结174配电网电能质量在线监测系统的研究1841系统硬件设计18412信号调理电路19413过零检测电路2242DSP处理模块23421DSP芯片选型及其详细介绍23422电源2643串口通信模块2744键盘及液晶显示模块27441键盘电路28442液晶显示电路2945本章小结305系统的软件设计3151主程序设计3152采样中断程序设计3153测频中断服务子程序3254FFT及参数计算子程序3255液晶按键子程序3356RS485通信子程序3357本章小结346电能质量治理措施研究3561静止无功补偿装置SVC3562静止同步补偿器STATCOM3663注入式混合型有源滤波器IHAPF37631注入支路参数对滤波效果的影响3864新型双谐振注入式混合型有源滤波器DIHAPF39641DIHAPF谐波抑制原理与谐波放大分析40642无功补偿特性分析41643谐波检测与控制方法4265本章小结43总结45参考文献46致谢471绪论11研究电能质量的背景和意义电能是当今社会使用最广泛的能源，其应用程度标志着一个国家的科技、经济发展水平。然而,随着科技和社会的快速发展，电能的使用面临着一个新的问题，那就是电能质量状况不断恶化与社会对电能质量的要求越来越高的矛盾。如何妥善地解决这个问题关系重大，因此成为了高校、企业、研究机构和国家机关等部门关心的热点问题。近年来我国电网发展迅速，电网规模进一步扩大。而随着电网的不断扩大，各种各样的用电设备尤其是大量的电力电子设备都接入了电网，使得电网的运行环境受到了不同程度的污染。从家用小容量的变流装置，到工业上普遍应用的调速电机、整流逆变装置，甚至大规模的高压直流输电设备，都会向电网注入谐波。电网谐波含量的增加，会导致电气设备寿命缩短、电网网损加大，系统发生谐振的可能性也会增加，可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表指示和电能计量不准确以及计算机、通信受干扰等一系列问题。另外，诸如轧钢机、电力机车、开关电源等用电设备的开关与使用过程，也会对电网产生冲击性、波动性的负荷，并在运行和停运过程中产生电压闪变以及导致三相不平衡度的提高，对电网设备和用户造成直接或潜在的影响。另一方面，电力市场逐步完善，社会对电能质量的要求也越来越高。特别是在半导体和精密仪器制造等特殊行业，电能质量下降将直接影响其产品的成品率，造成巨大的经济损失。近年来供电部门接收到的电能质量投诉越来越多，表明电能质量逐渐得到关注和重视。包括当前电力系统发展前景最好的智能电网SMARTGRID都是以满足21世纪用户需求的电能质量为重要特征。可见电能质量问题直接关系到国民经济的总体效益，改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障工业生产、科学实验以及人民生活的正常进行均具有重要意义。为了保证电网安全、稳定运行，向用户提供高品质的电能，必须对影响电能质量的众多因素进行综合治理，改善各项电能质量指标，使其达到国标规定的正常水平。而要提出合理的治理方案，就必须依赖于对电能质量的全天候、全方位准确的实时监测与分析。因此，研发一种新型分层分布式的配电网电能质量实时监测与管理系统，集测量、通信、分析、管理等功能于一体，有效地进行电能质量监测，并根据监测结果采取合理、有效的电能质量治理措施，改善其电能质量状况，对保证电网和广大用户的电气设备的安全、经济运行，保障国民经济各行各业的正常生产和产品质量都具有重要意义。12国内外研究现状121电能质量监测系统国外对电能质量研究起步较早，从电能质量理论到相关评价指标体系的建立；从用户终端电气环境的定义到全国性的电能质量普查和监测；从各种电能质量问题分析方法提出到“用户电力技术”等电能质量控制技术的研究和装置的开发等方面的研究都在深入行。相对国外而言，国内对电能质量研究工作起步较晚，电能质量监测设备的开发研究也比较落后，尤其是速度快、可靠性好、精度高以及功能强大的应用产品相对较少。归纳起来,国内外对电能质量的监测方法主要有以下三种类型（L）设备入网前的专门测量即对补偿设备，在接入电网前,测量它们对电网电能质量各项指标的影响，决定是否投运。（2）设备使用中的定期或不定期检测即针对普通电力干扰源，根据干扰大小、危害程度和技术需求等采取定期或不定期检测的方式。（3）实时监测也称为连续监测、全过程监测、日常监测或全天候监测等。目前，国内对电能质量各项指标的测量大多数还处在专门测量和定期或不定期检测阶段，没有形成连续的实时监测。在电能质量问题日益严重并逐渐受到重视的现代社会，前两种传统的电能质量监测方法显然已经不能满足供用电双方对电能质量更高的监测要求，其不足之处主要表现在以下几个方面（1）传统的监测方法不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监测；（2）传统监测方法的监测数据不能全面、准确地反映出电力系统中电网的电能质量信息；（3）传统的电能质量监测大多孤立地对某个站点进行监测，不能从整个系统的观点来考虑电能质量的监测，不能满足电力系统网络化、自动化的发展方向，而且人机交互性不好；（4）传统的电能质量监测装置多采用模拟元器件，受器件性能和信号处理方法的限制，测量精度往往不能达到要求；因此，研制一种实时在线的电能质量监测系统，集测量、通信、分析和管理等诸多功能于一体，有效地进行电能质量监测，对于电力系统的安全性、经济性和可靠性具有重要意义。122电能质量治理措施为了改善电能质量，国内外电力工作者和电力研究者们做了大量的研究，也研制出一系列的补偿装置。随着高电压、大容量电力电子器件技术的不断发展，配电网谐波抑制与无功补偿电能质量综合治理装置经历了无源滤波器PASSIVEFILTERPF、有源滤波器ACTIVEPOWERFILTERAPF、静止无功补偿装置STATICVARCOMPENSATORSVC、静止同步补偿器STATICSYNCHRONOUSCOMPENSATORSTATCOM、以及混合型有源滤波器HYBRIDACTIVEPOWERFILTERHAPF等不同的技术阶段。无源滤波器PF既可补偿谐波，又可补偿无功功率，结构简单、维护方便，因而得到了广泛的应用。这种方法的主要缺点是滤波特性取决于电网参数，且易与系统阻抗发生串并联谐振，导致谐波放大，烧毁设备等，因此已不适合应用于对电能质量要求高的场合。与传统的无源滤波器一样，有源滤波器APF也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络。但是与无源滤波器不同的是，一台APF理论上可以拥有无穷多个谐振频率，从而能够同时治理频率和幅值都变化的各次谐波，而且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而应用逐渐广泛。但是由于受功率器件容量的影响，APF可承受的容量不是很大，不适合单独应用于高电压、大容量的场合。不同于无源滤波器和有源滤波器，静止无功补偿装置SVC和静止同步补偿器STATCOM的主要功能是进行无功补偿，不过通过在SVC结构中加装无源滤波器组，或者通过合理设计STATCOM的控制方法，均可使二者实现谐波抑制与无功补偿的综合治理。但是，SVC装置中的晶闸管控制电抗器THIRSTIERCONTROLLEDREACTORTCR本身会产生较大的谐波成分，从而使得整体滤波性能不佳；而高压大功率STATCOM的工程化还有很多问题没有得到很好的解决，系统结构复杂、费用投资大。目前，谐波抑制与无功补偿电能质量综合治理的一个重要趋势是采用有源滤波器与无源滤波器组合形成的混合型有源滤波器HAPF，其优点是成本低，滤波性能好，同时具备APF与PF的技术优势，性价比高。其中注入式混合型有源滤波器HYBRIDACTIVEPOWERFILTERWITHINJECTIONCIRCUITIHAPF由注入型APF与PF并联混合得到，由注入支路电容和无源滤波器进行无功功率的静态补偿，由有源和无源部分共同治理谐波，能够满足大功率无功补偿和谐波抑制两方面的要求，具有实际的工程应用意义。13本文的主要工作本论文对供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、公用电网谐波、电压允许波动与闪变、三相电压允许不平衡度等电能质量参数进行实时的在线监测、分析和处理。为预先解决电网电能质量故障隐患，事后分析事故原因和电能质量问题综合治理提供可靠保证。本文主要工作包括（1）查阅文献资料，学习了电能质量定义、分类、指标和国家标准等相关知识，认识到当前电能质量污染状况，充分了解到电能质量监测方法的发展现状。（2）分析对比了各种谐波检测分析算法的优势、劣势和适用场合，选出一种谐波检测算法。（3）完成了电能质量检测系统的总体结构和硬件设计。根据各部分实现的不同功能，将系统分为四个模块数据采集模块、DSP处理模块及外围电路模块、串口通信模块、键盘及液晶显示模块。阐述了这四个模块的原理，分析了各模块的实现方法。完成了系统软件的设计和各软件模块的实现。分析了各软件模块的原理，完成了数据采集、数据处理、数据显示的程序设计。（4）研究电能质量的治理措施，分析了三种常用治理措施的优缺点，并针对注入式混合型有源滤波器IHAPF注入支路存在谐波注入能力与无功过补的矛盾，提出了一种新型的双谐振混合型有源滤波器DIHAPF，并分析了其谐波抑制原理、谐波放大情况、无功补偿特性和谐波检测与控制方法等关键技术。2电能质量理论21电能质量概述很长一段时间以来，我国的电力供应一直不充裕，因此以前供用电双方关注的焦点主要是在供应量的方面，除了对电能质量有较高要求的行业需求外，大都对电能质量关心较少，即使关注也只限于电压、频率两个指标。随着发电企业的不断新建和扩容，以及电网规模的逐渐增大，电力供应紧张的局面有了较大缓解。然而大量电力电子器件在电网中的不断投入导致电能质量问题日益突出，同时电力市场技术不断进步，用户对电能质量的要求也越来越高，从而引起了电网公司各级部门以及电力用户的高度重视，其重视程度从最近国家电网公司和南方电网公司都将“为用户提供优质电力”作为其发展智能电网的一个重要指标就可见一斑。211电能质量的定义什么是电能质量，迄今为止，人们对电能质量的技术含义还存在着不同的认识，不同的机构也对电能质量有不同的定义。国际电工委员会INTERNATIONALELECTRICALCOMMISSIONIEC将电能质量定义为“供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户适用电力的物理性”。美国电气和电子工程协会INSTITUTEOFELECTRICALANDELECTRONICSENGINEERSIEEE将电能质量明确定义为“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备工作的”，并正式采用“POWERQUALITY”这一专业术语。另外，在许多电能质量领域的技术报告和文献中也采用了其它的一些术语和补充定义。它们包括1电压质量，通过将实际电压与理想电压进行对比，以判断供电部门向用户供给的电力是否存在偏差，是否合格。2电流质量，为了反映与电压质量有紧密关系的电流变化，除了对用户取用电流提出恒定频率正弦波形要求除外，还力图使该电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。3供电质量，技术含义上主要是指电压质量和供电可靠性，同时也包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度、服务质量以及电力价格的透明度等非技术方面的含义。4用电质量，包括电流质量和非技术含义。非技术含义反映用电方的权利、义务和责任，如电力用户是否按期、如数缴纳电费等。212电能质量的分类根据相关的六个国家标准电能质量供电电压允许偏差（GB/T123252003、电能质量电力系统频率允许偏差GB/T159451995、电能质量公用电网谐波GB/T145491993、电能质量电压波动和闪变GB/123261990、电能质量三相电压允许不平衡度GB/T155431995、电能质量暂时过电压和瞬态过电压GB/T184812001、可将电能质量划分为供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡、暂时过电压和瞬态过电压六个方面。22电能质量指标和国家标准221电压偏差电压偏差是指供电系统在正常运行条件下，实际电压与系统标称电压的偏差。常用二者的偏差值对系统标称电压的百分数进行度量。其数学表达式为（21）10NREU式（21）中为电压偏差；表示实际电压KV；表示标称电压KV。RENU国家标准电能质量供电电压允许偏差GB/T123252003对我国的供电电压作了详细规定L电压等级大于等于35KV的供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过系统标称电压的10。2电压等级小于等于1OKV的三相供电电压允许偏差为系统标称电压的7；3低压220V单相供电电压允许偏差为系统标称电压的7和10。222频率偏差频率偏差是指标称频率为50HZ处于正常运行方式的电力系统中,系统频的实际值与标称值之差计算公式为NREFF（22）式（22）中占表示频率偏差，表示实际频率，表示系统标称频率，它FREFNF们单位为HZ。国家标准电能质量电力系统频率允许偏差GB/T159451995规定我国电力系统正常频率偏差允许值为02HZ，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到05HZ。223谐波谐波是有电网中的非线性负荷产生的。谐波的危害较为严重，不容忽视，主要表现在以下几方面L谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。2谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。3谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，就使上述1和2的危害大大增加，甚至引起严重事故。4谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。5谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。国家标准电能质量公用电网谐波GB/T145491993规定了公用电网谐波的允许值及其测量方法，适用于交流频率为50HZ，额定电压110KV及以下的公用电网，6至220KV各级公用电网电压（相电压）总谐波畸变率038KV为5，6至10KV为4，35至66KV为3，110KV为2。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038KV为26，6至10KV为22，3至66KV为19，110KV为15。对220KV电网及其供电的电力用户参照本标准110KV执行。224电压波动和闪变电压波动主要是由于大量冲击性负荷在电力系统中的广泛使用而引起的，是指电压包络线有规则的变化或一系列随机电压变动，常用一系列电压均方根值中相邻的两个极值之差与系统标称电压的相对百分比来表示，即（23）10MINAXNUD式（23）中，、分别为一系列电压均方根值中相邻的极大值和极小值；MAXIN为系统标称电压。NU负荷电流的大小呈现快速变化时，可能引起电压的波动，简称为闪变，闪变术语来自电压波动对照明的视觉影响。从严格的技术角度讲，电压波动是一种电磁现象，而闪变是电压波动对某些用电负荷引起的有害结果，不属于电磁现象。但是，在技术标准中常将这两个术语合为一体进行讨论，并且常将限制发生闪变干扰排在首位。表21国家电能质量有关标准标准编号标准名称允许限值GB1232590供电电压允许偏差（1）35KV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10；（2）10KV及以下三相供电为7；（3）220V单相供电为7，10。GB1232690电压允许波动和闪动1电压波动110KV及以下25；235110KV为2；3220KV及以上16。2闪变10U1对照明要求较高，04推荐值2一般照明负荷06推荐值GB/T1454993公用电网谐波各级电网谐波电压限值电压KVTHD奇次偶次038540206、104321635、663241211021608220KV电网参照110KV执行GB/T1554395三相供电电压允许不平衡度1正常允许2，短时不超过4；2每个用户一般不得超过13。225三相不平衡电力系统中的三相电压不平衡主要是由负荷不平衡，系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐等引起的。根据对称分量法，三相系统中的电量可分解为正序分量、负序分量和零序分量三个对称分量。电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与正序分量均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度，用表示，公式为102U（24）式（24）中、分别为电压正序、负序分量均方根值，KV。12国家标准电能质量三相电压允许不平衡度GB/T155431995规定电力系统公共连接点正常电压不平衡度不得超过2，短时不得超过4；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般不得高于13。226暂时过电压和瞬态过电压电力系统中的过电压现象大多数是由于运行操作、雷击和故障引起的，是经常发生和不可避免的,是供电特性之一。暂时过电压是指在电网给定点上持续时间较长的不衰减或者弱衰减的振荡过电压。瞬态过电压是指仅持续数毫秒或更短时间，通常带有强阻尼的振荡或非振荡的一种过电压，可以叠加于暂时过电压之上。国家标准电能质量暂时过电压和瞬态过电压GB/T184812001规定了交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压的具体要求、电气设备的绝缘水平，以及过电压保护方法，不适用于因静电、触及高压系统以及稳态波形畸变谐波引起的过电压。23本章小结本章简要介绍了电能质量的概念与分类，分析了影响电能质量的因素及其危害；然后分别给出了电压偏差、频率偏差、电网谐波、三相不平衡、电压波动与闪变等电能质量指标的定义、危害及其国家标准。3电能质量检测分析算法电能质量归纳起来主要包括6个方面电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡、暂时过电压和瞬态过电压。其中谐波分析是电能质量中最主要，也是分析最困难的一个指标，如果能够实时动态地监测电网中谐波的情况，可以更好地判断和分析其他电量的情况，因此本节重点讨论电网谐波的检测与分析算法。目前，常用的谐波检测方法，根据测量原理的不同，主要有以下几类。31基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法瞬时无功功率理论最早于20世纪80年代由赤木泰文提出,在许多方面得到了成功应用。赤木最初提出的理论以瞬时实功率和瞬时无功功率的定义为基础，后来又PQ补充定义了瞬时有功电流和瞬时无功电流。瞬时无功功率理论开始主要应用于三PIQI相电路谐波检测中，目前在电力滤波器中应用最多。瞬时无功功率理论主要有两种计算方式，以计算和为出发点的称为法,以计算称为法。PQQPI两种方法都能较为准确地检测出对称三相电路的谐波含量，实时性也较好。但是,按运算方式测量时，由于只需读取和参与运算即可，畸变电压的谐QPIWTSINTCOS波成份不会出现在运算中，因而在不对称电网中或者电源电压畸变的情况下也能准确检测出谐波电流，适用范围更宽；而法在这种情况下则误差较大，适用范围相对QP较窄。311运算方式QPI该方法的原理如图31所示。BHICPLLSINCOS32C23CCCLPFLPFAIBCIAEIPIQFIFPIQAFIBFCIA图31运算方式的原理图QPI其中，。CWTTSINCOSI32C23101该方法中，需用到与相电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号AAEWTSIN，它们由一个锁相环PLL和一个正、余弦信号发生器电路得到。根据定义可以WTCOS计算出、，经LPF滤波得到出、的直流分量称、。这里，、是由、PIQPIQPIQPIQAFI、产生的，因此由、通过矩阵即可计算出、，然后被、BFICFPIQ23CAFBFCFIB相减即可计算出、。、AHBCH按运算方式检测时，由于只需取、参与计算,畸变电压的谐波QPIWTSINTCOS成份在运算过程中没有出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果是准确的。312基于倍频旋转变换的谐波测量上述方法所测的是谐波总量，而并非具体某一次的谐波含量，而基于倍频旋转变换的谐波检测法在上述结果的基础上可以检测出具体的某次谐波含量，基本思想如图32所示被检测电流基波2次谐波3次谐波基波谐波分离电路2次谐波分离电路3次谐波分离电路5次谐波分离电路5次谐波图32基于倍频旋转变换的谐波测量原理本方法的测量原理是首先通过基波分离电路将基波分离出来，然后按谐波次数的顺序，逐步分离出各次谐波，其中将基波检测出来的方法和基于、运算方式的PIQ检测方法一样。比较运算方式和基于倍频旋转变换的谐波测量方式可知，第一种方法对于测QPI量基波分量和总体谐波含量具有良好的实时性，但是无法测量具体某次谐波的含量；第二种方法虽然可以测量出单次的谐波含量，但是硬件复杂，成本较高，实现起来也比较繁琐。32基于小波分析的谐波检测方法小波变换是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展起来的新领域。经过十多年的探索与研究，其重要的数学形式化体系已经建立，理论基础更加坚实。与傅里叶变换相比，小波变换是时域和频域的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能可以对函数或信号进行多尺度的细化分析，克服了傅里叶分析在频域完全局部化而在时域毫无局部性的缺点。小波变换在时域和频域同时具有局部性，可以计算出特定时间的频率分布并将各种不同频率组成的频谱信号分解成为不同频率的信号块，因而通过小波变换可较准确地计算出基波电流，进而求得谐波含量。小波变换对波动谐波、快速变换谐波的检测有很大的优越性，目前是波动谐波、快速变化谐波的主要检测方法。但是，由于小波变换的研究时间相对较短，在谐波检测方面应用还比较少，并且还存在着诸如缺乏系统规范的最佳小波基的选择方法等很多不完善的地方，从而使得小波变换算法在计算机和信号处理芯片中的应用受到限制。特别是信号处理芯片，其资源非常有限，根本不适合最佳小波基选取的各种运算和判断。33基于神经网络的谐波检测方法神经网络理论是智能控制技术的主要分支之一，通过模拟人类思维进行运算，具有本质的非线性特性、并行处理能力、强鲁棒性和自组织自学习能力，因此受到人们的普遍关注。神经网络研究内容相当广泛，反映了多学科交叉技术领域的特点，将其应用于谐波测量中，将会有很好的发展前景。神经网络可以实时检测任意整数次谐波，对基波电流的跟踪在一个周期内就可以达到良好的效果，因此这种方法在精度和实时性方面有较好的特性。但这种算法需要大量的训练样本，需要一定的时间来训练这些样本，而且如何确定需要的样本数也没有规范方法，属于目前正在研究的新方法，研究和应用时间相对较短，实现技术尚需完善，在工程应用中还未优先选用。34基于傅里叶变换的谐波检测方法在电能质量分析领域中，变换域分析法是一种有效的方法，起到了重要的作用。傅里叶变换法是其中应用最广泛的一种，而在工程上又以快速傅里叶变换FFT算法应用最为广泛。FFT测量谐波精度高、功能多、使用方便，与其他测量方法相比，目前适用范围最广泛,理论和技术最成熟，在谐波测量的应用中具有不可替代的作用，而且在数字信号处理器DSP中更容易实现。因此，本系统选用快速傅里叶变换算法作为监测终端中进行谐波检测与分析的方法。341傅里叶级数当输入信号为周期函数或者可近似作为周期函数处理时，且满足狄里赫利条TF件电力系统信号基本上均满足，则它可被分解为一个各种频率的正弦函数序列之和，即傅里叶级数，其三角级数形式为（31）SINCOS10WTBTATFN式（31）中20200SINCOWTDTFTBATFN其中，WT/23,1在式（31）的傅立叶级数中，频率为的分量称为基波，频率为大于1的整数T1倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数即为谐波频率和基波频率的整数比。342离散傅里叶变化DFT为了从理论上的傅里叶级数分析过渡到电力系统实际波形实用而快速的谐波分析，需要利用傅里叶级数的指数形式，直接计算各次谐波的幅值和相位。由欧拉公式（32）SINCOSWTJTEJNWT解出和，式（32）的傅立叶级数三角形式可化为COSTI1022NJNWTNJWTNEBAEBAF（33）JNWTNEBA2JTNF则可得21NNJBA020SIN1COSWTDTFJWTDTF（34）210TETFJNT0WTDTFTJNT实际上，电力系统的非正弦周期波都是不规则的畸变波形，无法表示成函数解析式后用上述傅立叶级数进行计算。一种常用的方法是对该种波形的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行快速谐波分析。连续波形转换成离散数字序列后，上述对于连续函数的傅立叶级数计算式可相应转换成离散化的计算式，做近似计算。对公式34进行离散化处理对信号进行TF每周波均匀采样N点；式中连续函数代以离散序列；TFNF,即用离散点代替连续点；，即用的有限增NKTNWT2NTTDT量代替其趋近于零的极限值；相应的定积分用被积元素的累加和代替。则公式（34）的离散形式为（35）102NKKNNJNEFF1,20N令，则JNEW2（36）10NKKNNNWF1,20上式36即称为离散傅里叶变换（DFT。343快速傅里叶变换FFT在工程实际中，若直接用离散傅里叶变换DFT进行计算，当采样点很多时，计算量很大，而且DFT的效率很低。研究可以发现，具有周期性和对称性，即NWNNKKNN（37）因此，可以考虑将长序列DFT利用其对称性和周期性分解为短序列DFT。因为DFT的运算量与成正比，如果一个大点数的DFT能分解为若干个小点数DFT的组合，2N则显然可以达到减少运算量的效果，这种方法称之为快速傅里叶变换FFT。但是快速傅里叶变换FFT也有它自身的缺点，主要表现在以下两个方面。1在采样过程中，如果采样频率和信号频率不同步或者无法达到整数倍的关系，使用该方法会产生频谱泄露和栅栏效应，导致计算出的信号参数不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量要求；2计算量较大，计算时间比较长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。344改进型复序列快速傅里叶变换FFT鉴于传统FFT存在着上述不足，本系统对其进行一些技术改进，以适应系统实际需求。首先针对第一个问题，鉴于频谱泄露和栅栏效应都是由于采样频率与信号频率不同步造成的，所以本系统采用锁相环PHASELOCKEDLOOPPLL使信号频率与采样频率同步。锁相环作为一种重要的功能电路，在通信、控制、导航、仪器仪表等领域得到了广泛的应用。锁相环基本结构框图如图33所示，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器和分频器4个部分组成，是一个自动跟踪相位的负反馈系统。鉴相器分频器环路滤波器压控振荡器IF0FIF图33锁相环结构框图鉴相器的功能是将两个输入信号和的相位转成脉冲宽度信号，经低通滤波器IFI平滑后，成为直流电压信号。压控振荡器是一种输出振荡频率受输入直流电压控制的振荡器。当和有相位差变化时，使振荡频率变化，最后使输入和压控振荡器的IFI0F输出信号频率之差为零。即输出信号的频率始终与输入信号频率保持一致。采用锁相环有较好的实时性，不用在软件中增加计算量，因此系统在硬件设计中采用了锁相环同步电路，基本上解决了频谱泄露和栅栏效应的问题。针对第二个关于实时性较差的问题，并考虑减少计算量和减轻编程难度，本文在实际进行FFT运算时，将两个同长度的电压、电流实序列信号组合为一个复序列信号进行FFT运算，这样就可一并得出电压和电流频谱结果，即基于复序列的FFT算法，复序列FFT算法推导过程如下取电网两个实序列信号，令NUI（38）JIX可以得出（39）21NXJNIU的傅里叶变换为NXKXKJIIJKJUJJR（310）IKRJ其中和，和分别为、的实部和虚部。的傅KURJRKJKINX里叶变换为XJIIJJUKJRJ（311）KIJR由式（311）得（312）IJKIKXRJJ根据傅里叶变换的周期性和奇偶对称性，可知实序列的傅里叶变换的实部为偶数，虚部为奇数。可得KNIUJKNIUKNRJJR313KIJKRJIJRKX对式313进行傅里叶变换，并考虑其复共扼性质，可得，的频谱为NUIJKNXKJKXKIU22（314）式中，为的共轭复数。NX将式（314）按实部、虚部展开后得（315）221KXNJKXKIKURRIIIIR设为被测电压信号的第次谐波，为被测电流信号的第次谐波，则KKIUJK（316）2KINJIK由以上推导可得出各次谐波电压和电流的幅值为221KNXKXKUIIRKKNIII（317）其中，。120K345其它电能质量参数的计算由上述公式315、316、317可以推算出各次谐波的复功率、有功功率和无功功率为（318）21KIUNIJQPSKKK3192XXKNIRIR（320）222KNKKIIK根据以上的计算结果，可得电压有效值、电流有效值、谐波电压总畸变率、谐波电流总畸变率、有功功率、无功功率及功率因数为LNU12LNI12（321）102UTHDLNU12ILNILNP1LNQ12COSP式中L为已知谐波的最高次数。33本章小结本章介绍谐波监测的分析方法，重点讲述了目前针对谐波检测，技术先进或技术成熟的四种分析方法，即瞬时无功功率理论、小波变换、神经网络和傅里叶变换，分析了它们的优点、缺点和适用范围。鉴于快速傅里叶变换FFT谐波检测方法技术成熟、应用广泛，功能多，精度高，且在数字信号处理器DSP中易于实现，本系统采用FFT法作为谐波检测方法，并针对传统FFT法存在频谱泄露、栅栏效应及计算量大等缺陷，对其进行了技术改进，然后以此作为本系统谐波检测分析的算法。4配电网电能质量在线监测系统的研究41系统硬件设计硬件系统主要有四个模块构成数据采集模块，DSP核心处理模块，串口通信模块，键盘及液晶显示模块。根据实际需要，设计系统硬件连接框图如图41。电压电流传感器信号调理电路过零检测电路TMS320F2812数据处理模块RS485通信键盘液晶显示电源电网信号图41系统硬件框图各模块功能及工作流程为（1）在数据釆集模块中，将待测交流信号经互感器隔离、转换。其中，电压互感器将电网中一次的电压互感器的100V交流电压信号和转换成为峰值为1V电压信号，电流互感器将电网中的一次电流互感器的5A（1A）交流电流信号转换成为峰值为1V电压信号。由于这种从传感器出来的低压信号中混杂了噪声，为保证系统具有较高精度，因此还需要用信号调理电路对信号进行偏置、调制成DSP能够接受的信号，以满足AD转换的要求。（2）将釆集到的信号送入DSP进行实时处理，计算出各电能质量参数，通过RS485通信模块将数据传送上位机，实现电能质量的远程检测。电源模块给系统提供可靠、稳定的电源，确保系统多电平电路正常工作等。（3）键盘及液晶屏是人机交互的接口，实时显示电能质量信息。键盘用于控制显示各种界面，通过菜单功能，方便进行显示界面的切换。液晶屏与DSP进行通信，用于显示三相相电压有效值、线电压有效值、正序电压有效值、负序电压有效值、零序电压有效值、频率等参数。411数据采集模块数据采集的精确度直接影响到系统的性能，其设计关键是要实现数字/模拟混合电路与DSP的无缝连接，以保证数据的吞吐量。数据采集模块又可分为以下四个部分组成互感器电路、信号调理电路、过零检测电路、AD数模转换。（1）互感器电压互感器与电流传感器的作用主要有对电压和电流进行变换，使仪表与主回路隔离，以保证操作的安全。由于检测的是电网电压，通常在220V左右，为了使得互感器的电压输入在较大范围内变换，本系统选择的是基于霍尔效应开环原理的电压互感器系列VSM025A型和电流互感器系列CS040G型，这类互感器的副边能够精确的反应原边待测信号。本设计需要测量32次谐波，需要测得信号的最髙频率为16KHZ,因此要保证其测量精度，选用的互感器必须在信号最高谐波频率范围内。本设计所选用的互感器信号频率范围为DC20KHZ，可以保证所有的精度，完全适合于本系统的要求。1）电压互感器在隔离条件下，VSM025A型电压传感器是霍尔效应闭环原理的电压传感器。具有线性好、精度高、工作范围高、电路简单可靠等优点，能够测量直流、脉冲以及各种不规则波形的电压，适合测量10500V的电压。本文中的VSM025A型电压传感器将220V的交流电压转换成为1V的交流电压，VSM025基本电气参数如表41所示。表41VSM025基本电气参数指标名称指标参数额定输入电压250V额定输入电流10MA额定输出电压R44的大小决定额定输出电流25MA变比250010输入端测量电压时，电阻R43应串联在互感器原边回路上，输入电流精度受限流电阻R43的影响，选择R43大小的原则是尽量使得输入电流为10MA，这样才能使互感器达到最佳精度。为保证测量电阻的稳定性和可靠性，R43的功率通常情况下应为额定功率的4倍以上，即10W以上。本文中，采用4个KR31902043的电阻串联得到，原边线圈内阻为190，R43的功率为K87。WKMAPR1310243输出端电压传感器输出的是电流，但是模/数转换模块要求输入的信号一般为电压信号，因此需要通过R44将电流转化成电压信号，本文中R44取值为，原理图40如图42所示。2）电流互感器在隔离条件下CS040G型电流互感器具有测量电流电压一次变换到位，直接将被测电流隔离转换成电压，电路设计简单可靠等优点。CS040G型电流互感器在本文中的功能是将交流5A的电流转换成为交流1V的电压，其参数如表42所示。表42CSO4OG基本电气参数指标名称指标参数额定输入电流40A额定输出电压1V变比5001该互感器是电流电压转换器，能够测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流，通过感应原边的电流产生副边电压。使用该互感器的时候，首先接通副边电源，再接通原边。值得注意的是，错误的接线将会导致互感器损坏，次级回路严禁开路，否则将损坏仪器，同时输入端不能短路，否则会增加电流误差。其原理图如图43所示。图42电压互感器原理图43电流互感器原理图412信号调理电路互感器电路出来的信号是双极性交流信号，而TMS320F2812内置的A/D转换要求其模拟输入为03V的单极性信号，因此，还需要在互感器和A/D转换器之间添加信号调理电路，将电压转化为03V的单极性信号。采用图44电源模块对比例放大器进行12V到12V供电。对图44中的各元器件进行介绍说明D315、D316起防反接的作用；C313、C315是电解电容，起支撑直流电压的作用，并可滤除纹波；C314、C316是交流滤波电容，可滤除交流高次谐波。D315IN4007D316IN4007123CZ32C314C316C313C315R312R31312V12V图44比例放大供电电路图电压和电流互感器输出的信号较小，而TMS320F2812的A/D转换模块可接收的电压信号为03V。为充分利用AD转换模块，需对输入信号进行处理。信号调理电路如图45所示，R17、R18是可调电阻，通过调节两个可调电阻的阻值能改变电路的放大倍数，进而调节输出信号的电压范围；D7、D8是起输入保护作用，使运放与外设连接时，有电缆等注入高电压脉冲噪声，若这种噪声超过运放的据对最大额定值，则内部寄生二极管导通，运算放大器会被破坏，这时添加D7、D8这种二极管期望选用正向电压降比寄生二极管低的肖特基二极管。DW3、DW4、R21起输出限幅保护作用，即输入端电压超过1V到1V时。输出电压DSP的幅值将被限制在0V到33V之间。BUBU图45信号调理电路图413过零检测电路加入过零检测电路即方波电路，将电压信号变成同频率的方波信号，DSP通过捕捉上升沿来跟踪电网频率的变化，以保证同步采样。具体检测电路如图46所示，D19是稳压管，为33V，起保护作用。当大于0时，输出高电平；当小于0时，输出AOUAOU低电平。通过TMS320F2812的引脚CAP1捕获方波的上升沿，设第一次捕获技术值为CONT1，第二次捕获计数值为CONT2，捕获单元时钟基准为CLK，则频率的计算公式为41CLKONTCF12（图46过零检测电路图42DSP处理模块421DSP芯片选型及其详细介绍本设计的核心芯片采用TI公司的TMS320F2812芯片。TMS320F281X系列处理器是美国德州仪器公司（TEXASINSTRUMENTS推出的高性能数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2XX内核的定点数字信号处理器，集成了多种先