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电能质量研究毕业论文

作者:大发888官网登录 发布时间:2020-07-01 01:17 点击:

  2.1电能质量的定义 2.2电能质量问题的分类 2.3电能质量的具体指标 2.3.1电网频率 2.3.2电压偏差 2.3.3三相电压不平衡 2.3.4公用电网谐波 10 2.3.5 公用电网间谐波 10 2.3.6 波动和闪变 11 3.电能质量检测、分析、研究、监控中的新技术 12 3.1 电能质量检测中的新技术 12 3.1.1 当前电能质量检测的情况 12 3.1.2 新技术应用 13 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 3.2电能质量分析中的新技术 14 3.3 电能质量研究中的人工智能新技术 17 3.3.1 专家系统 18 3.3.2 神经网络 18 3.3.3 模糊逻辑 19 3.4 电能质量监控中的新技术 20 24参考文献 25 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 摘要随着科技的进步,现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变 化,诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装臵、炼钢电弧炉、 电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展,由于其非线性、冲击性以 及不平衡的用电特性,使电网的电压波形发生畸变成引起电压波动 和闪变以及三相不平衡,甚至引起系统频率波动等,对供电电能质 量造成严重的干扰或“污染”。电网中正面对越来越多的电能质量 问题,这使得电能质量的研究十分紧迫。电能质量检测是获得电能 相关数据的最直接手段,也是电能质量其他后续高级应用研究的前 关键词:电能质量电能质量检测 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 1.电能质量研究中新技术的应用背景随着科技的进步,现代电力系统中用电负荷结构发生了重 大变化,诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装臵、炼钢电 弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展,由于其非线性、冲 击性以及不平衡的用电特性,使电网的电压波形发生畸变成引起电 压波动和闪变以及三相不平衡,甚至引起系统频率波动等,对供电 电能质量造成严重的干扰或“污染”。电网中正面对越来越多的电 能质量问题,这使得电能质量的研究十分紧迫。 另一方面 ,电能质量正逐步受到供电企业和电力用户的 共同关注。进入20 世纪90 年代以来、随着半导体、计算机技术的 迅速发展,一批高新技术企业应运而生,出现大量的微机控制装臵 和生产线.对电能质量提出了新的要求;而电力市场的发展,使供 电企业进一步认识到:用户的需要也是自身的需要。在这样的背景 下,因电能质量不良而使用户设备停机或出次品的情况.仍应看作 电能质量不合格。当然,电能质量不良有多种情况,用户对电能质 量的敏感程度也各不相同。一船来说,供电企业可对不同的电能质 量划分等级、分别定价、用户可以自由选择。但由于我国目前还未 能实现优质优价。因此,进一步改善电能质量的工作基本上要求在 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 用户侧解决。随着各种用电设备对电能质量敏感度的变化,电能质量的范围进一步扩大.分类更细要求更高。在新的电力市场环境下, 电能质量已成为电能这种商品的消费特性,很大程度上体现了供电 部门服务品质。所以有关部门正在加大对电能质量的监管和治理。 这些背景下,电能质量的研究迫切需要一些新技术来推 动,通过这些新技术的应用,从而使电能质量从检测、分析和监控 等方面得到提高,从而有利发现问题和规律、改善供电质量和服务。 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 2.电能质量2.1 电能质量的定义 电能质量即电力系统中电能的品质。理想的电能应该是完 美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦,由此便产生了 电能品质问题。一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量 问题,一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题,最后,我 们要研究如何消除这些因素,从而最大程度上使电能接近正弦波。 电能质量(Power Quality),从严格意思上讲,衡量电能质量的主 要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电,包括 电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为:导致 用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差,其内容 包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或 瞬态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电 连续性等。 2.2 电能质量问题的分类 (1)电压不平衡,是指三相电压的幅值或相位不对称。不 平衡的程度用不平衡度(电压负序分量和正序分量的均方根值百分 比)来表示,典型的三相不平衡是指不平衡度超过 2%,短时超过 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 4%。在电力系统中,各种不平衡工业负荷以及各种接地短路故障都会导致三相电压的不平衡。 (2)过电压,是指持续时间大于1 分钟,幅值大于标称值 的电压。典型的过电压值为1.1~1.2 倍标称值。过电压主要是由于 负载的切除和无功补偿电容器组的投入等过程引起,另外,变压器 分接头的不正确设臵也是产生过电压的原因。 (3)欠电压是指持续时间大于 分钟,幅值小于标称值的电压。典型的欠电压值为0.8~0.9 倍标称值。其产生的原因一般 是由于负载的投入和无功补偿电容器组的切除等过程。另外,变压 器分接头的错误设臵也是欠电压产生的原因。 (4)电压骤降是指在工频下,电压的有效值短时间内下 降。典型的电压骤降值为0.1~0.9 倍标称值,持续时间为0.5 分钟。电压骤降产生的原因主要有电力系统发生故障,如系统发生接地短路故障;大容量电机的启动和负载突增也会导致电压 骤降。 (5)电压骤升是指在工频下,电压的有效值短时间内上 升。典型的电压骤升值为1.1~1.8 倍标称值,持续时间为0.5 分钟。电压骤升产生的原因主要有电力系统发生故障,如系东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 统发生单相接地等故障;大容量电机的停止和负载突降也是电压骤升的重要原因。 (6)供电中断是指在一段时间内,系统的一相或多相电 压低于0.1 倍标称值。瞬时中断定义为持续时间在0.5 个周期到3 秒之间的供电中断,短时中断的持续时间在3~60 秒之间,而持久 停电的持续时间大于60 (7)电压瞬变又称为瞬时脉冲或突波,是指两个连续的稳态之间的电压值发生快速的变化,其持续时间很短。电压瞬变按 照电压波形的不同分为两类:一是电压瞬时脉冲,是指叠加在稳态 电压上的任一单方向变动的电压非工频分量;二是电压瞬时振荡, 是指叠加在稳态电压的同时包括两个方向变动的电压非工频分量。 电压瞬变可能是由闪电引起的,也可能是由于投切电容器组等操作 产生的开关瞬变。 (8)电压切痕是一种持续时间小于10ms 的周期性电压扰 动。它是由于电力电子装臵换相造成的,它使电压波形在一个周期 内有超过两个的过零点。由于其频率非常高,用常规的谐波分析设 备无法测出,因此以前一直末把此项作为电压质量的一个指标。 2.3 电能质量的具体指标 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 2.3.1电网频率 我国电力系统的标称频率为50Hz ,GB/T15945-2008《电 能质量 电力系统频率偏差》中规定:电力系统正常运行条件下频 率偏差限值为0.2Hz,当系统容量较小时,偏差限值可放宽到 0.5Hz,标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规 则》中规定供电局供电频率的允许偏差:电网容量在 300 万千瓦 及以上者为0.2HZ;电网容量在300 万千瓦以下者,为0.5HZ。 实际运行中,从全国各大电力系统运行看都保持在不大于0.1HZ 范围内。 2.3.2 电压偏差 GB/T 12325-2008《电能质量 供电电压偏差》中规定: 35kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的 10%;20kV 及以下三相供电电压偏差为标称电压的土7%;220V 单相 供电电压偏差为标称电压的+7%,-10%。 2.3.3 三相电压不平衡 GB/T15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》中规定: 电力系统公共连接点电压不平衡度限值为:电网正常运行时,负序 电压不平衡度不超过 2%,短时不得超过 4%;低压系统零序电压限 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 10 值暂不做规定,但各相电压必须满足 GB/T 12325 的要求。接于公 共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为 1.3%,短时不超过2.6%。 2.3.4 公用电网谐波 GB/T14549--93《电能质量 公用电网谐波》中规定:6~ 220kV 各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是0.38kV 为5.0%, 6~10kV 为4.0%,35~66kV 3.0%,110kV为2.0%;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:0.38kV 6~10kV为2.2%,35~66kV 为1.9%,110kV 为1.5%。对220kV 电网及其供电的电力用户参照本标准110kV 执行。 2.3.5 公用电网间谐波 GB/T 24337-2009《电能质量 公用电网间谐波》中规定: 间谐波电压含有率是 1000V 及以下

  110kV, Plt=0.8。以及单个用户的相关规定。 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 12 3.电能质量检测、分析、研究、监控中的新技术 3.1 电能质量检测中的新技术 电能质量检测是获得电能相关数据的最直接手段,也是 电能质量其他后续高级应用研究的前端。 3.1.1 当前电能质量检测的情况 对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径, 虽然这方面的检测仪器已不少,但大多数只局限于持续性和稳定性 指标的检测,而传统的基于有效值理论的检测技术由于时间窗太 长,仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题,因此需发展 满足以下要求的新检测技术:能捕捉快速(ms 级甚至ns 级)瞬时 干扰的波形。因为许多瞬间扰动很难用个别参量(如有效值)来完整 描述,同时随机性强,因此需要采用多种判据来启动量和装臵,如 幅值、波形畸变、幅值上升率等。需要测量各次谐波以及间谐波 的幅值、相位,需要有足够高的采样速率,以便能测得相当高次谐 波的信息。建立有效的分析和自动辨识系统,使之能反映各种电 能质量指标的特征及其随时间的变化规律。 随着电力的市场化和电能质量的法规化,供电质量将引 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 13 起越来越广泛的重视,开发出考虑电能质量监测的新的SCADA 系统 是配电能量管理系统的新研究方向。这一领域的难点将是对电流、 电压的同时持续测量,对质量指标的分类辨识和统计,数据量大, 因此需要开发强大的数据库来进行有效管理。 3.1.2 新技术应用 当前,电能质量在硬件和软件上应用了主要有数字信号 处理(DSP),虚拟仪器等新技术以及新的如小波变换的算法。 在《电能质量及其数字检测方法》中介绍了有关电能质 量的基本概念和衡量标准,并给出了适合数字测量的分析方法和闪 变检测仿真波形。在《DSP 在电能质量补偿器中的应用》中讨论了 DSP 器件在电能质量补偿器中的检测应用,重点介绍用该器件实现 物理硬件和控制软件方面的实际开发。在《嵌入式电能质量监测器 的设计》中根据电能质量检测对于系统实时性和支持复杂算法的特 殊要求,提出一种基于双CPU 的嵌入式实时系统解决方案。主要讨 论设备的硬件系统设计和基于双CPU 系统的软件设计思想。设计经 过实际的调试和运行,电路功能正常,证明了该设计的合理性和可 用性。相对于以往的设计,具有实时性好、体积小和成本低的优点。 在《小波变换在电能质量暂态信号检测中的应用》中对基于连续小 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 14 波变换的信号奇异性检测原理及其在电能质量暂态信号检测中的 应用进行了详细的研究,通过基于标准偏差估计的小波消噪算法, 有效排除了噪声干扰,实现了精确的故障时刻定位。在《基于小波 原理的电能质量检测数据实时压缩方法》中根据小波变换的理论, 结合电能质量检测数据的特点,文中将基于小波变换系数的门限方 法应用于电能质量检测数据的压缩。仿真计算结果及其分析表明, 该方法简单而且压缩效果较好,能保留压缩信号的局部特征,计算 速度快,很适合于实时性要求较强的场合。在《用MATLAB 与Visual C++混合编程技术开发的电能质量检测系统》中对电能质量检测系 统的组成部分和工作原理进行了详细介绍。电能质量检测系统的软 件应用MATLAB 与C++语言的混合编程技术进行开发。该系统不但能 实现电网数据的精确采样,还可以分析电网的各项电能质量指标, 并以直观的图形显示出来。在《基于LabVIEW 的电能质量检测和分 析系统》中介绍了虚拟仪器的电能质量检测和分析系统的组成,介 LabVIEW软件实现的频率跟踪技术,并介绍了使用网络对电能质 量进行远程检测和数据分析的方法,最后给出了部分程序。 3.2 电能质量分析中的新技术 电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 15 数学描述,需要开发相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量 问题进行系统的分析,为改善电能质量提供指导。由于干扰源性质 各异,干扰的频谱从0Hz 到GHz 的广宽范围内,电网元件在不同干 扰作用下呈现不同的性能,因此建立干扰源和电网元件(或局部电 网)准确的数学模型有时困难很大,而分析计算的准确性不仅取决 于数学模型和计算方法,还有赖于电网基础资料的可信度。 近年来,基于数字技术的各种分析方法已在以下电能质 量领域中得到应用: 多个控制装臵的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。目前所采用的方法有三种: (1)时域仿真方法 该方法在电能质量分析中的应用最 为广泛,其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中 的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有EMW、 EMTEC、NETOMAC、BPA等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、 SABER 等电力电子仿真程序两大类。由于这些仿真程序在不断发展 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 16 中,其功能日益强大,还可利用它们进行电力设备、元件的建模和 电力系统的谐波分析。 (2)频域分析方法 该方法主要用于谐波问题的分析计 算,包括频率扫描,谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动 态特性,近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法,即在常规的 谐波潮流计算法基础上,利用 EMTP 等时域仿真程序对非线性负载 进行仿真计算,可求出各次谐波动态电流失量,从而得到动态谐波 潮流解。 (3)基于变换的方法 这里主要指 Fourier 变换方法、 短时 Fourier 变换方法和小波变换(wavelet)方法。作为经典的信 号分析方法Fourier 变换具有正交、完备等许多优点,而且有象FFT 这样的快速Fourier 算法,因此已在电能质量分析领域中得到广泛 应用。但在运用 FR 时,必须满足以下条件:满足采样定理的要 求,即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上;被分析的波形 必须是稳态的、随时间周期变化的。因此;当采样频率或信号不能 满足上列条件时,利用FFT 分析会给分析带来误差。此外,由于FFT 变换是对整个时间段的积分,时间信息得不到充分利用;信号的任 何突变,其频谱将散布于整个领带。为解决上述问题,Gabor 利用 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 17 加窗,提出了短时Fourier 变换方法,即将不平稳过程看成是一系 列短时乎稳过程的集合,将Fourier 变换用于不平稳信号的分析。 由于实际多尺度过程的分析要求时—佰窗口具有自适应性,即高频 口则固定不变。因此,它只适合于分析特征尺度大致相同的过程,不适合分析多尺度过程和突变过程。而且这种方法的离散形式没有 正交展开,难以实现高效算法。小波变换由于具有时—频局部化的 特点,克服了以上 FFT STFT的缺点,特别适合于突变信号和不 平稳信号的分析。小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界 后,已在图像处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由 于小波函数本身衰减很快,也属一种暂态波形,将其用于电能质量 分析领域,尤其是暂态过程分析领域将具有FFT、STFT 所无法比拟 的优点。 最近,已有文献介绍应用小波变换方法进行电能质量评 估、电磁暂态波形分析和电力系统扰动建模等电能质量问题的研 3.3电能质量研究中的人工智能新技术 最近几年,以专家系统, 神经网,模糊逻辑和进化计算 为代表的人工智能新技术已开始较全面地应用于电能质量研究,因 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 18 为它是个较复杂,工作量和数据处理量很大的系统工作。特别是在 电能质量分析方面, 很多人工智能应用来进行辅助分析,对复杂的 问题进行处理。 而且这些新技术的一个突出特点就是交叉应用的 非常广泛,有时很难断言就是哪种技术,而是以某种为主,其它为 辅的。也就通常所说的混杂技术。 3.3.1 专家系统 尽管专家系统成本较高且在开发过程中耗时过长,但依 然出现了很多应用。这些主要体现在 对畸变的电压和波形进行分类;利用专家系统分析谐波; 对电能质量问题的解决方案在专家系统架构下进行开发; 测量和分析电能质量及电力系统电磁兼容性; 识别电能质量的事件通过一个可扩展的系统; 管理电能质量数据,培训电能质量问题的专业咨询人员; 3.3.2 神经网络 人工神经网作为较成熟的智能技术,在电能质量中已有 较广泛的应用,它们主要包含: 从非电能质量信息中识别电能质量事件; 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 19 对谐波的产生模式进行建模; 在电网中估计和评价谐波畸变 和其它电能质量问题; 以神经网整合小波变换分辨和识别电能质量事件; 在需要避免噪声和子谐波时对谐波进行分析; 为电力工程师们解决电能质量问题开发一个辅助工具; 3.3.3 模糊逻辑 模糊逻辑和带神经网学习能力的模糊逻辑是当前最流行 人工智能技术。它们在电能质量研究方面也取得了不少新进展: 诊断各种电能质量问题; 对电能质量工作人员提供实用性的辅助工具; 管理电能质量数据并进行数据挖掘以获得相关知识; 开发对供电部门人员和用户进行电能质量问题专业培训的系统; 对引起电能质量问题的各种干扰进行分类; 适应性的采集电能量,方均根电压和电流; 研究在适当的时候对串联电容器进行投切来控制谐波的畸变水平; 在模糊约束下建立评价电能质量的指标; 利用基于模糊逻辑的控制方案开发一个统一的电能质量管理器; 预测和识别系统的非正常运行情况; 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 20 为保证供电电压质量实施基于模糊逻辑的无功补偿 3.4 电能质量监控中的新技术 在电能质量监控方面,我认为有两个趋势:其中之一就 是上节中提及的智能化,智能化旨在减轻人的劳动,能自动对电能 质量问题进行识别和数据处理,从而实现全面的无人监控功能。 另一个则是远程化。随着电力工业的发展和电网规模的 扩大,供电部门和用户都迫切需要对较大量的监测点进行监控,然 而各点的分散,距离远近不同,监测电能质量的问题也根据用户和 电网的需要而各不相同。所以远程化就可以适应不同层次的监控要 求,从而使电能质量的监控点能够分布到电网中的任何地方,并且 具有良好的在线功能。 但远程化必然带来的问题就是,监测点和监控站之间的 通信问题以及大量的电能质量数据的传输问题都十分重要。在《电 力载波系统基础上的远程电能质量监测》中以电力线载波通讯为基 础实现了较为简单的远程监控。计算机网络技术的发展 ,为不同地 点供电系统电能质量的远程集中监测和分析提供了有效的手段。在 《基于 Internet 的电能质量监测与分析系统的研制》中论述了基 Internet的供电系统电能质量的监测与分析系统 ,主要包括利 东北大学继续教育学院毕业设计(论文) 21 GPS授时技术进行多点同步采样 ,利用 Windows NT2 IIS建立网络平台 ,利用 SQL Server 数据库管理供电网络运行数 提出治理措施。该系统可为供电系统的安全运行提供保障。在《电能质量的远程监测》中介绍某地220kV主要枢纽变电站进行连 续监测的实际使用情况。结果表明,在变电站中使用PM30记录 仪,可连续实时地实现电能质量的监测、记录、存储和远传,使电 能质量技术监督实现网络化和自动化成为可能。 然而, 目前电能质量监控远程化的成熟应用还不太多。 能否在远程在线的要求形成完整的大系统和全面的监控功能,还有 待进一步研究和开发。此外,网化的电能质量监控所用的系统结构 必然会随着所采用通信方案而不同,谁优谁劣,尚未能进行相关的 比较 东北大学继续教育学院毕业设计(论文)

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