浅谈电能质量检测及其发展现状

1浅谈电能质量检测及其发展现状摘要：主要阐述国内外电能质量检测的发展研究状况及其电能质量检测的基本问题。关键字：电能质量发展状况参数测量1引言自第二次工业革命以来，电能已经成为现代人类社会中不可或缺的重要能源之一。电能是一种清洁方便、经济实用且易于传输、控制和转换的能源形式，作为一种特殊的商品，电能也应该讲求质量[1]。2电能质量检测的发展研究状况2.1国内外电能质量检测的发展研究状况电能质量监测装置是电网管理者实现对电网系统有效监管的必需设备，只有对反映电能质量指标的参量进行准确、实时的测量，才能为实现对电能质量问题的有效解决提供可靠的数据依据，按照被检测对象大体可以分为以下三类：（1）远程检测仪，该类仪器主要被固定安装在一些公共节点，比如发电站、重点监管的工厂等，对电网进行长时间的在线检测，具备一定的录波和数据存储功能，多个检测点可以组成一个检测网络。（2）便携式多功能分析仪器，该类仪器功能比较强大，可以进行长时间或者短时间数据分析，应用可变窗宽的FFT算法和小波变换等先进的数据处理算法，拥有完善的软件功能和比较方便的操作界面，主要适用于现场专项检测，科学研究和干扰设备接入电网前后的检测，价格比较昂贵[2]。（3）手持式分析仪，由用户随身携带，可以定期或者随机在现场进行检测，功能较为简单。2.1.1国外的发展研究状况国外对于电能质量研究起步较早，加之对电能质量检测设备的开发研究非常重视，因此在电能质量检测设备方面占有很大的技术优势，国外的电能质量检测设备不但技术水平高，而且种类多样，典型如日本日置（Hioki）开发的PW3198系列电能质量分析仪，美国福禄克公司的Fluke430系列电能质量分析仪、1760系列三相电能质量记录仪，瑞典LEM公司的TOPAS1000系列电能网络分析仪和PQFIX电能质量远程监测装置，瑞典联合电力公司的UP-2210在线式电能质量分析仪和U900F便携式电能质量分析仪等，这些产品代表了当今世界电能质量分析的最高水平，具有检测指标丰富，测试精度高等特点，其中美国福禄克公司Fluke430系列电能质量分析仪具有便携、高精度、高稳定性特点，能够对三相电压电流各参数、电压和频率偏差等基本参数测量，还涵盖了闪变分析和间谐波测量、事件记录分析的功能，而且配备了专业的分析软件能够对数据进行图形化分析和报表显示。2图1-1为国外某型号电能质量分析仪的结构，它使用了一个板载数字信号处理器，一个内置硬盘，一个嵌入式微处理器、一个浮点协处理器和4MB的RAM，这种多处理器结构可以弥补单处理器在数据处理能力、接口和外设管理以及人机交互等方面的不足，而该种结构的关键和瓶颈是协处理器和主处理器之间的通信和精确协同[3][4][5]。采样结构选用了两个高速和高精度模数转换器的并行结构，高精度AD主要对稳态信号进行采样，而高速AD主要用于捕捉瞬变脉冲信号，数字化的瞬变数据存储在高速缓存中，并与有效值和其它逐周期测量值进行时间关联。这种采样结构既满足了低频谐波信号对精度的要求又解决了高精度AD对瞬变信号捕获能力不足的问题。540MB硬盘4MB高速缓存A-DA-D脉冲逻辑DSP采样和保持电压衰减隔离器386+3874kHz10位,4MHz(6400Vpk最大.,12V分辨力)可选的脉冲捕获电路16位,15.4kHz4kHz图1-1国外某电能质量分析仪结构2.1.2国内的发展研究状况国内对于电能质量研究起步较晚，上世纪80年代有科研院所开始谐波的研究工作，随后有一些公司开始致力于电能质量检测装置的开发和研究工作，并取得了一定的成果。目前国内致力于电能质量检测装置开发的公司还不多，比较有代表性的为上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、台湾泰仕电子工业股份有限公司等，这些产品大多数以检测稳态参数为主，也具有测量某些瞬态参数的功能，具有一定的数据存储和通信功能，但总体而言与国外的差距比较大，主要体现在：测量精度距离国际先进水平还有较大差距；检测指标单一，不能进行全面的测量；配套软件功能简陋，不能对数据进行丰富可靠的分析；欠缺友好的界面和良好的操作体验；产品缺乏相应国家标准或工业标准的规范[2]。图1-2为国内同类仪器普遍使用的硬件结构，采用一个数字信号处理器进行采样、数据计算和进行人机交互，AD一般为14位或更高，没有瞬变电压的检测功能，结构简单，功能单一。3信号调理AD采样数字信号处理器（DSP）接口设备电压电流信号调理采样频率产生图1-2电能质量分析仪的典型结构3电能质量检测的基本问题对于电能质量的检测，首先需要了解被测对象的特性、测量的依据、测量的内容及测量的相关信息，以此来找到合适的测量模型和测量方法。本部分结合我国现有的六项电能质量标准和IEC标准，对电能质量的各种参数进行简单介绍，为电能质量的评级提供依据。3.1电能质量的标准电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护供用电双方合法权益的法律依据。1988年，我国曾经颁布执行了《电网电能质量技术监督管理规定》，迄今为止，我国已经制定并颁布实施的电能质量国家标准有：GB12325-2003《电能质量-供电电压允许偏差》、GB15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》、GB12326-2008《电能质量电压波动和闪变》、GB14549-1993《电能质量公用电网谐波》、GB15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》、GB12326-2008《电能质量电压波动和闪变》，共6项国家标准。3.2电能质量各项参数的测量我国国家标准规定的量有六个，还需要计算的量主要有：电压电流的有效值、峰值；电网频率；三相不平衡度；功率因数、有功功率、无功功率、视在功率；电压、电流各次谐波幅值、含有率及谐波总畸变率；短时闪变值、长时闪变值；波峰因数、K因数等。3.2.1基本电量参数的测量电压电流的有效值，有功、无功、视在功率都是一些基本的电量参数，通常这些参数的测量都是计算其他参数的基础。电压、电流有效值，有功功率的定义公式如下：201()TrmsUutdtT（3-1）4201()TrmsIitdtT（3-2）01()()TPutitdtT（3-3）以上公式离散化后能得到如下计算公式：211()NrmsnUunN（3-4）211()NrmsnIinN（3-5）11()()NnPuninN（3-6）其中，N为一个采样周期T内的采样点数，单相视在功率S和单相功率因数PF的计算公式为：rmsrmsSUI（3-7）11()()NnrmsrmsuninPNPFSUI（3-8）同理可得三相总有功功率和三相视在功率计算公式为：1111(()()()()()())NNNaabbccnnnPuninuninuninN（3-9）ArmsArmsBrmsBrmsCrmsCrmsSUIUIUI（3-10）无功功率的计算比较复杂，在正弦交流系统中：22QSP（3-11）3.2.2频率偏差的测量测量电网频率一般通过测量周期实现。实现原理是通过硬件电路对输入信号进行整形，过零比较后将其变为与电网同频的方波信号，用数字处理芯片的捕获接口来捕获波形中相邻5的上升沿或下降沿，同时启动内部计数器计数，这样两个边沿之间的计数差值乘以计数器频率的倒数就是电网的周期值。该方法原理简单、易于实现，但易受谐波、噪声的影响，因此精度不是很高。还有一种基于数字滤波的方法，该方法原理是首先对交流信号进行采样，然后采取数字滤波器将信号的谐波滤掉，再对基波数据插值来求出波形过零点的时刻，从而求出其相应周期。只要可以使采样速率足够高，这种测量方法就可以具有很高的精度和效率。3.2.3三相不平衡度的测量三相电量的不平衡度通常先使用对称向量法将三相电量分解为对称的正序、零序、负序分量，再使用负序分量与正序分量之比的百分数来表示三相电量的不平衡度[6]。计算公式如下：零序01()3AABC正序211()3AABC（3-12）负序221()3AABC式中为相角旋转算子，23je，可得出210。三相电压不平衡度为：21100%uUU（3-13）式中：1U和2U分别为三相电压的正序和负序分量的均方根值，只须将上式中的电压分量换为电流分量就可以求得三相电流的不平衡度。3.2.4谐波的测量所谓谐波测量，即是通过各种分析方法求出所要求得的谐波的幅度和相角。对电力系统领域的谐波进行分析有很多种方法，主要有早期的采用模拟带通或者带阻滤波器的测量方法、基于傅里叶变换的谐波测量、基于瞬时无功功率的谐波测量、基于神经网络的谐波分析和基于小波变换的谐波分析等方法，其中，傅里叶分析理论已经比较成熟，已广泛应用在数字信号处理等领域，其技术已经应用在各种电子测量仪器中[7]。3.2.5闪变的测量IEC协会对闪变测试仪的框架结构做了规范，依据其制定的IEC61000-4-15标准大体框图如下：6输入电压适配与参数处理平方检波器0.05~35HZ带通滤波器，加权滤波器平方器和平滑滤波器灯、眼、脑等的模拟输入PstPlt模块一模块二模块三模块四模块五统计数据分析和评定图3-1IEC对闪变仪模型的规定模块一为输入级，该模块包含一个电压调整电路，可以将不同等级的电压调整到其内部电路参考的某个电平附近，该种方式可以使闪变测量不再受电压输入范围的影响。模块二、三、四是对灯-眼-脑环节的模拟。4总结本文分析了国内外电能质量检测的发展研发状况，并简要说明了国内外电能质量标准及电能质量各参数的测量，为检测装置的研发提供了理论依据。参考文献[1]熊静.基于TMS320C6713的电能质量分析仪的设计与研制：[硕士学位论文].南京：东南大学.2006[2]李旭，谢运祥.电能质量监测的技术现状.电源技术应用,2000.49-52[3]S.Chen,C.L.Zhang,Y.Z.Liu,Amulti-channelmonitoringsystemforsystem-widepowerqualitymeasurements.PowerCon2000.2000InternationalConferenceonPowerSystemTechnology.Proceedings,953-8vol.2,2000[4]Yingkayun,Premrudeepreechacharn..Apowerqualitymonitoringsystemforreal-timedetectionofpowerfluctuations,200840thNorthAmericanPowerSymposium(NAPS),28-30Sept.2008[5]HongjiangHe,HuiZhang.AnewpowerqualitymonitoringsystembasedonARMandSOPC,2008ISECSInternationalColloquiumonComputing,Communication,Control,andManagement(CCCM),24-7,2008[6]林海雪.电能质量国家标准（5）三相电压不平衡标准.大众用电,2006，（06）:39-42[7]陈东红.电力系统谐波测量和分析方法研究：[硕士学位论文].南京：河海大学.2005