电能质量在线监测系统的设计与研究电力电子与电力传动专业毕业论文pdf.docx
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电能质量在线监测系统的设计与研究电力电子与电力传动专业毕业论文pdf
电能质量在线监测系统的设计与研究-电力电子与电力传动专业毕业论文.pdf
东北电力大学硕}.学位论文
Abstract
Inrecentyears,thepowerqualityproblemsplayanimportantroleinmoreandmorepowerdepartmentsandtheirconsumersdaybyday.In—depthanalysisandstudy
ofpowerqualityproblems,theestablishmentofpowerqualityon·linemonitoringsystemandclearingupofthetwosides’theresponsibilityandobligationaretheprerequisitetoimprovethepowerqualitytomeetthedevelopmentofproductionand
demand.Also,itisnecessarytobeadaptedtothecompetitioninindustrymarketand
sustainabledevelopment.
Inthispaper,theconcept,classificationanditshazardsandthecausesofpowerqualityareintroduced,andthenexploredtheissuesofpowerqualitymonitoringofthebackgroundandsignificanceoftheresearchathomeandabroadwiththedevelopmenttrend.ThispaperpresentsaPowerQualityMonitoringSystembasedon
thevirtualinstrument.Themeasurementalgorithmaboutsomeofthemainpower
qualityindicators(frequency,harmonics,voltagefluctuationandflicker,non-stationarysignals),wasanalyzed.Monitoringsystemusessoftwaretrackingtomeasurefrequency,savinghardwarecostsandachievesasynchronousdigitalsampling,accuratecalculationofRMS,harmonicsandotherpowerqualityindicators.ForFlickerandtransientdisturbancescausedbynonlinearloads,inthispaper,itdetailedOn—linemonitoringdesign.Andthesimulationandexperimentsshowthat
usingdigitalfilteringandmathematicalstatisticalmethodofmonitoringvoltageflickeriSeffectiveandrational;italsoshowsthatuseMallatalgorithmcanbefastandaccurateidentificationandlocationtransientpowerqualityissues.
Thispaperhasdevelopedthepowerqualityon—linemonitoringsystemsbasedonthevirtualinstrument,andcompletedtheselectionofhardwaredevicesandthedesignofsoftwaremodule.Thissystemcantestthevoltageandcurrenton-line,collectthereal-timedata,andusetheselectedmethodtocalculateandanalyzethenecessarypowerqualityindicators.Thissystemhasafriendlyman—machineinterface,
II
摘要
datastorage,andithasextensiveupgradingoftheexpansionofspace.Inlaboratorytest,themeasurementaccuracyachievedrelevantnationalstandards,andtheperformancefullymeetstheneedsduringpowerqualitymonitoring.Keywords:
PowerQuality;VirtualInstrument;LabVIEW;harmonicanalysis;
nicI∞rmeasurement
III
论文原创性声明本人声明,所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。
文
中依法引用他人的成果,均己做出明确标注或得到许可。
论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人己用于其他学位申请的论文或成果。
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论文作者签名:
垫眭疃日期:
丑年1月—丛同
附录5
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大学。
学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阕以及申请专利等权利。
本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,署名单位仍然为东北电力大学。
论文作者签名:
斟一躅L日期:
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年1月皇厶日
导师签名:
季j数日期:
俎年土月三鱼日
《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和《中国学位论文全文数据库》投稿声明
研究生部:
本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和《中国学位论文全文数据库》出版章程的内容,愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期刊(光盘版)电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和中国科技信息研究所的《中国学位论文全文数据库》投稿,希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和《中国学位论文全文数据库》给予出版,并同意在《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和CNKI系列数据库以及《中国学位论文全文数据库》中使用,同意按章程规定享受相关权益。
论文级别:
耐硕士口博士
作者签名:
.柱喀堂杠一指导教师签名:
芝i玺
日期:
丝爱年』月—2笠日
作者联系地址(邮编):
作者联系电话:
第1章绪论
第1章绪论
1。
1本课题研究的背景和意义
现代社会中,电能是一种最为广泛使用的能源,其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一【l】。
随着科学技术和社会经济的发展,对电能的需求量同益增加,同时对电能质量的要求也越来越高。
电能质量对电力系统电网和电气设备的安全,经济高效运行,产品质量保证以及维护人们日常生产和生活的正常秩序都有着重要意义。
随着电网中非线性负载和时变负载的增加,带来了诸如谐波、短时电压波动(跌落、骤升和中断)、长时间电压波动(欠电压、过电压和持续中断)、瞬变、三相不平衡、频率波动等电能质量问题12吲。
对电力系统,电能质量污染使系统
的线损增加,变压器寿命降低,继电保护装置误动作,计量仪表误差增加;对
电力用户,电能质量污染使用户电机产生附加损耗、发热和振动,降低了电机的最大转矩和过载能力,使无功补偿装置投不上,补偿电容器的使用寿命降低或熔丝经常熔断,甚至它对居民的日常生活质量也有多种不好影响;此外,电能质量污染还使精密制造设备的使用年限减少,生产的产品的废品率增加,干扰通信的信号等。
总之,电能质量污染给人们带来了巨大危害,据美国电力科学研究院JaneClemmensen估计,当今和电能质量相关的问题,在美国每年造成的损失高达260亿美元【4】。
另一方面,随着大量精密仪器和电子装置的使用,电力用户已提高了对电能质量的认识,越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求,甚至有选择地通过签订供用电合同和质量协议加以保证。
在社会主义市场经济机制下,电能作为一种商品,参与市场竞争,就要符合商品的一般特征,即保持较高的质量。
因此,电能质量问题逐渐受到电力部门和电力用户的共同关注,电能质
量监测技术也就应运而生【5】。
电能质量监测是收集、分析并将原始测量数据解释为有用信息的过程。
进行
电能质量监测和管理方面的工作,对更好的改善电能质量,保护供用电双方利益,明确各方责任,具有非常重大的意义,主要表现在:
东北电力大学硕.}j学位论文
(1)可以对电力系统基本运行工况观察、记录和动态分析,而且具有事故诊断能力;
(2)为制定改善电能质量和治理电网污染的具体措施提供可信依据;(3)对电能质量各项指标进行综合评价,优化了整个系统的监测体系,实现
了数据的共享和交流。
因此,建立系统、合理的电能质量监测系统十分必要。
目前,常见的电能质量监测系统主要包括传统的电能质量监测仪、基于DSP和ARM的电能质量监测系统【6二71、基于计算机的综合智能监测系统【8~91。
传统的电能质量测量由功能分立的仪器完成,自动化程度低,数据不集中,难以进行综合分析,且价格昂贵;基于DSP、ARM等开发的测试系统虽能满足用户的特定要求,但其硬件实现相对复杂,有开发周期过长,成本高等缺点。
基于虚拟仪器的电能质量监测以计算机为平台,应用其强大的信号处理能力和友好界面弥补了以上缺点,具有建立标准化、系列化、模块化的硬件和软件平台的特点,开发方便,成本低。
在这样的实际背景下,本文展开了基于虚拟仪器的电能质量监测评估系统的开发研究,实现了诸如谐波、频率、闪变等电能质量指标的在线监测,并对相关指标进行量化评估。
课题的研究为电能质量在线实时监测系统的设计与开发提供重要的理论依
据,具有重大的理论意义和应用价值:
(1)提出一种电能质量扰动在线监测方法体系结构,据此研究提出电能质量扰动在线监测方法,从而进~步完善电能质量监测理论体系。
(2)通过电能质量扰动在线监测,为电网的故障诊断和故障预测提供充分信息,从而最大限度地减小电能质量问题所引起的经济损失:
(3)当用户和电力企业之间就电能质量问题发生纠纷时,有效的电能质量信息将为此提供必要的仲裁依据。
1.2国内外研究水平与发展趋势目前,对电能质量的研究主要分为电能质量控制和电能质量监测两方面。
电能质量控制从控制对象大体分为两类:
一类是传统的稳态电压、频率调
2
第1章绪论
整的技术,如并联电容器、并联电抗器、调整变压器分接头、发电机频率调节技术等【10~12l;另一类是用户电力技术,文献【13】中介绍了用于配电系统中的3类用户电力技术,即:
以动态电压恢复器(dynamicvoltagerestorer,缩写为DVR)、配电网综合电能质量调节器(DS.UniCon)为代表的用于提高供电质量的动态电能质量调节技术;基于超导储能的利用新能源的能量转换技术;用于提高系统反事故能力的固态开关技术,并指出电能变换技术和固态开关技术是解决电能质量问题的有效途径。
国外发达国家在电能质量控制方面的研究和应用已经取得显著的成效,针对不同电能质量问题,研究开发了许多相对应的治理和改善电能质量的设备与装置,包括有源滤波器、电磁储能系统、电能质量调节器等【14~1酬,有源滤波器的使用已经很普遍,并联型有源电力滤波器的最大容量已达50MVA,用于抑制电弧炉引起的闪变。
西门子公司已经系列生产出改善电能质量的电能质量调节器装置(SIPCON),其换流装置采用基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的脉宽调制技术(PWM),它利用并联型有源电力滤波器和串联型有源滤波器组合,来改善系
统的谐波、闪变、电压突变等电能质量问题,在同类装置中具有代表性【17J。
相
比之下,我国对电能质量问题的把握不够全面,主要集中在电压合格率、谐波及无功补偿方面,对电压骤降以及供电瞬时中断引起的电能质量问题、危害及其反措认识不足,阻碍了我国电能质量控制技术的发展。
西安交通大学己研制120kVA并联型有源电力滤波器,清华大学也己研制出一台+20Mvar的STATCOM已在河南洛阳成功投运ll引。
电能质量监测是改善电能质量的重要环节,对电能质量监测的研究主要集中在指标制定、算法研究和监测装置设计及其应用,以及对电能质量问题的评估等方面[19’21】。
在标准制定方面,欧美发达国家做了详尽的规程标准,我国相关组织也对电能质量问题颁布了六项国家标准。
与国外标准相比,我国的电能质量标准体系还不完善,如有些指标已经是工业生产中急需提出的,但目前仍没有必要的规定,缺少相应的检测推荐方法和测量精度等规定,因此,建立全面的电能质量标准体系仍需大量工作要做。
在算法研究方面,傅立叶算法在电能质量分析领域中得到了广泛的应用,但
东北电力大学硕}:
学位论文
因为傅立叶算法对于电能质量扰动产生的非平稳信号有局限性,所以国内外学者利用小波变换、形态学、HHT等方法对电能质量问题进行研究【22~24】。
目前,MRA(Multi-resolutionAnalysis)方法是电能质量分析领域中使用常用的算法,它能够准确地检测到电压信号中尖锐变化的发生时刻(如电压骤降、断电、过电压和暂态),并能区分不同的电能质量扰动类型卜一。
在装置设计和应用方面,常见的电能质量监测设备从简单到复杂,大致可以分为三大类:
传统监测仪器、数字型监测仪器、智能型综合监测仪器。
传统的电能质量测量由功能分立的仪器完成,自动化程度低,数据不集中,难以进行综合分析,且价格昂贵;基于DSP、ARM等开发的数字型监测仪器虽能满足用户的特定要求,但其硬件实现相对复杂,有开发周期过长,成本高等缺点。
基于虚拟仪器的电能质量监测以计算机为平台,属于智能型综合监测仪器。
国外由于对电能质量监测的研究起步较早,已经有非常成熟的产品,如美国FLUKE公司生产的F43手持式电能质量分析仪和日本的HIOKI3166的谐波分析仪,技术水平很高,实用性较强。
但价格比较贵,不利于大范围的推广使用。
电能质量监测技术随着人们日趋重视和软、硬件技术,网络技术的不断发展也越来越成熟,具体主要有以下几个方面:
(1)在分析手段上,加窗傅立叶变换、人工神经网络应用于谐波分析,将小波变换技术用于暂态扰动信号的检测,克服了传统分析手段的缺陷,提高了检测结果的精度。
(2)借助于集成电子技术的发展,采用高性价比的DSP芯片作为CPU,
不仅为复杂分析算法的展开提供了平台,也大大提高了监测仪器的实时性。
(3)开发应用虚拟仪器技术建立高速、高效、大容量、多功能、智能化的电能质量监测系统。
(4)在线式的监测设备设计具备强大的通信功能,能方便的集成到企业信息管理系统和互联网上,为电能质量的深入分析、时间统计、长期评估和预测提供了方便。
‘
在功能上,更强调智能化,除具有计算、显示功能外,还要有一定的判断、
决策功能,例如能进行事件预测、故障辨识、干扰源识别和实时控制等,初步
4
第1幸绪论
具有自动的、实用先进的智能评估功能。
电能质量在实现了在线监测、实时分
析的基础上,正向网络化、信息化、标准化和智能化的方向发展完善【27】。
网络化、信息化、标准化和智能化已成为电能质量监测系统的必然发展趋
势,它为电网的优化和事故分析提供实时可靠的数据,为电能质量综合评估提供切实依据,也是电力企业面向市场,适应竞争的强有力手段,可以进一步保障各级用户的正常用电秩序,为其提供优质的电能。
1.3本文的主要工作
本论文的研究对象为电能质量监测系统的设计与开发,目的是研制出一套基于虚拟仪器的电能质量在线分析系统,研究有关电能质量各项指标测量分析的相关理论。
因此,研究工作包括电能质量测量方法的理论分析、实验硬件的配置及虚拟仪器软件的编程以及实验结果分析,详细内容如下:
1、电能质量在线监测系统总体设计,研究电能质量六项指标及其测量原理,对数字化同步采样和数字化闪变测量进行了重点分析并在LabVIEW上编程实现。
2、设计监测系统硬件电路,并搭建单相采集系统。
3、基于LabVIEW设计电能质量监测系统软件,实现单相电压有效值、频率、谐波等参数在线测量,具有初步分析暂态电能质量扰动的功能,并对各指标越限事件做记录。
4、实验结果误差分析。
东北电力人学硕lj学位论文
第2章电能质量指标及其国家标准
电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述,不同的指标有不同的定义和规定。
从总体上讲,电能质量指标越接近标称值表明电能质量越好。
然而,电能从生产到消耗是一个整体,电力系统的发、输、配、变、用,始终处于动态平衡之中,其中任何一个环节都会对电能质量产生影响。
而电能质量指标的控制又需要相当的投入(电网结构的改进、有功功率和无功功率的平衡、各种调频、调压、滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运行技术的管理等)。
因此,电能质量指标的偏差时刻存在,而偏差是否能够满足规定的限值是我们进行电能质量指标监测分析的依据。
在本章中,简述了电能质量指标的定义,为后续章节的指标数学模型的数字化实现奠定了基础。
2.1电能质量的概念与分类
从普遍意义上讲,电能质量实质就是优质供电。
从供电角度看,电能质量是指供电的参数符合标准及供电的可靠性;从用电设备生产商的角度看,电能质量是指提供设备所要求的电能特性;从用户角度看,电能质量问题是指一切会引起用电设备运行故障的供电电压、电流及频率的异常扰动。
IEEE给出电能质量的一般解释为:
在供电过程中导致用电设备出现误动作或故障损坏的电压、电流或频率的偏差,其内容包括频率偏差、电压偏差、波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬时过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。
电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类。
稳态电能质量问题以波形畸变为特征,主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等;暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征,可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。
IEEE根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等对供电系统的电磁干扰现象进行了分类【28J,如图2.1。
6
第2章电能质量指标及其囝家标准
图2—1IEEE有关电磁兼容和电能质量分类
2.2电能质量影响因素及其危害影响电能质量的因素主要包括三个方面:
(1)自然现象的因素,如雷击、风暴、雨雪等对电能质量的影响,使电网发
生事故,造成供电可靠性降低。
(2)电力设备及装置的自动保护及正常运行的因素,如大型电力设备的启动
和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响,使额定电压暂时降低、
产生波动与闪变等。
(3)电力用户的非线性负荷、冲击性负荷等大量投运的因素,如炼钢电弧炉、
电气化机车运行等对电能质量的影响,使公用电网产生大量的谐波干扰、产生电压扰动、电压波动与闪变等。
电能质量问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害,主要表现在以下几个方面:
(1)谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率。
大量3次谐波流过中线会使线路过热,甚至引起火灾。
(2)谐波会影响电气设备的正常工作,使电机产生机械振动和噪声等,使变压器局部严重过热,使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、.寿命缩短,以至损坏。
(3)引起电网谐振。
这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍,会对系
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统,特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁,经常使电容器和电抗器烧毁。
(5)导致继电保护和自动装置误动作,造成不必要的供电中断和生产损失(6)谐波会使电气测量仪表计量不准确,产生计量误差,给供电部门或电力
用户带来经济损失。
(7)谐波会对临近的通信系统产生干扰,轻则产生噪声,降低通信质量;重则
导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。
(8)短时停电、电压骤升或骤降会影响许多特殊行业的生产过程,降低生产
工效和产品质量,直接造成经济损失。
(9)三相电压不平衡使电机运行发热,引起以负序分量为启动元件的多种保护发生误操作,增加线损及配电线路电压损失,增加对通信的干扰等。
(10)电力系统频率偏差将引起异步电动机的转速变化,降低测量和控制电
子设备的准确性和工作性能。
下表2.1列出了常见的电能质量问题产生原因及相应的解决办法。
表2—1常见的电能质量问题,原冈及相应的解决办法
第2幸电能质星指标及jC田家标准
2.3电压偏差
电压偏差指电力系统各处的电压偏离其额定值的百分比。
当电网用户负载不是纯电阻负荷,而是RLC网络负荷时,在电网中将产生
无功。
当用户无功功率较大时产生电压偏差,容性无功使电压偏高,感性无功使电压偏低。
为了消除电压偏差,需要对用户无功进行补偿。
电压偏差过大造成的危害主要有:
(1)对用电设备的危害。
用电设备设计在额定电压时性能最好,效率最高出
现电压偏差时,设备的性能和效率都会降低,有的还会减少使用寿命。
电压偏
差超过一定范围,会引起设备的损坏。
(2)对电网安全、稳定和经济运行的影响。
电力系统维持同步运行的能力与电网电压水平有很大的关系,电压不稳定可能引起系统电压崩溃;电网低电压运行还会使电网有功功率损耗和无功功率损耗大大增加,增大供电成本。
在国家标准GB12325.1990《供电电压允许偏差》中规定(29】:
(1)220V单相供电为+7%,一10%;
(2)10kV及以下三相供电为±7%;(3)35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%
2.4频率偏差
频率偏差指电力系统中频率偏离标准频率(工频)的大小。
当电网中有功功率发出和吸收不平衡时,将产生电压频率的偏差。
从整个电力系统来讲,系统低频或高频运行对发电厂和用户都有不利的影响。
(1)用户使用的电动机的转速与系统频率有关,频率变化引起电动机转速的变化,从而影响产品质量。
电力系统频率超出正常允许上限值还会引起发电机旋转机组的超速,这对发电机组是十分危险的。
(2)
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