電能質(zhì)量檢測(cè)分析監(jiān)控新技術(shù)研究

1、電能質(zhì)量檢測(cè)分析監(jiān)控新技術(shù)研究摘要：隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，諸如半導(dǎo)體整流器、晶閘管調(diào)壓及變頻調(diào)整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和家用電器等負(fù)荷迅速發(fā)展，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性，使電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變成引起電壓波動(dòng)和閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率波動(dòng)等，對(duì)供電電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的干擾或“污染”1。電網(wǎng)中正面對(duì)越來越多的電能質(zhì)量問題，這使得電能質(zhì)量的研究十分緊迫。電能質(zhì)量檢測(cè)是獲得電能相關(guān)數(shù)據(jù)的最直接手段，也是電能質(zhì)量其他后續(xù)高級(jí)應(yīng)用研究的前端。 關(guān)鍵詞：電能 質(zhì)量檢測(cè) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1 電能質(zhì)量研究中新技術(shù)的應(yīng)用背景 隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電力

2、系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，諸如半導(dǎo)體整流器、晶閘管調(diào)壓及變頻調(diào)整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路和家用電器等負(fù)荷迅速發(fā)展，由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性，使電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變成引起電壓波動(dòng)和閃變以及三相不平衡，甚至引起系統(tǒng)頻率波動(dòng)等，對(duì)供電電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的干擾或“污染”1。電網(wǎng)中正面對(duì)越來越多的電能質(zhì)量問題，這使得電能質(zhì)量的研究十分緊迫。 另一方面 ，電能質(zhì)量正逐步受到供電企業(yè)和電力用戶的共同關(guān)注。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來、隨著半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，一批高新技術(shù)企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，出現(xiàn)大量的微機(jī)控制裝置和生產(chǎn)線.對(duì)電能質(zhì)量提出了新的要求；而電力市場(chǎng)的發(fā)展，使供電企業(yè)進(jìn)一步

3、認(rèn)識(shí)到：用戶的需要也是自身的需要。在這樣的背景下，因電能質(zhì)量不良而使用戶設(shè)備停機(jī)或出次品的情況.仍應(yīng)看作電能質(zhì)量不合格。當(dāng)然，電能質(zhì)量不良有多種情況，用戶對(duì)電能質(zhì)量的敏感程度也各不相同。一船來說，供電企業(yè)可對(duì)不同的電能質(zhì)量劃分等級(jí)、分別定價(jià)、用戶可以自由選擇。但由于我國(guó)目前還未能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。因此，進(jìn)一步改善電能質(zhì)量的工作基本上要求在用戶側(cè)解決。隨著各種用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量敏感度的變化，電能質(zhì)量的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大.分類更細(xì)要求更高2。在新的電力市場(chǎng)環(huán)境下，電能質(zhì)量已成為電能這種商品的消費(fèi)特性，很大程度上體現(xiàn)了供電部門服務(wù)品質(zhì)。所以有關(guān)部門正在加大對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)管和治理。 這些背景下，電能質(zhì)量的研究

4、迫切需要一些新技術(shù)來推動(dòng)，通過這些新技術(shù)的應(yīng)用，從而使電能質(zhì)量從檢測(cè)、分析和監(jiān)控等方面得到提高，從而有利發(fā)現(xiàn)問題和規(guī)律、改善供電質(zhì)量和服務(wù)。 2 電能質(zhì)量檢測(cè)中的新技術(shù) 電能質(zhì)量檢測(cè)是獲得電能相關(guān)數(shù)據(jù)的最直接手段，也是電能質(zhì)量其他后續(xù)高級(jí)應(yīng)用研究的前端。 2.1 當(dāng)前電能質(zhì)量檢測(cè)的情況 對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)是獲得電能質(zhì)量信息的直接途徑，雖然這方面的檢測(cè)儀器已不少，但大多數(shù)只局限于持續(xù)性和穩(wěn)定性指標(biāo)的檢測(cè)，而傳統(tǒng)的基于有效值理論的檢測(cè)技術(shù)由于時(shí)間窗太長(zhǎng)，僅測(cè)有效值已不能精確描述實(shí)際的電能質(zhì)量問題，因此需發(fā)展?jié)M足以下要求的新檢測(cè)技術(shù)3：能捕捉快速(ms級(jí)甚至ns級(jí))瞬時(shí)干擾的波形。因?yàn)樵S多瞬間擾動(dòng)很

5、難用個(gè)別參量(如有效值)來完整描述，同時(shí)隨機(jī)性強(qiáng)，因此需要采用多種判據(jù)來啟動(dòng)量和裝置，如幅值、波形畸變、幅值上升率等。需要測(cè)量各次諧波以及間諧波的幅值、相位，需要有足夠高的采樣速率，以便能測(cè)得相當(dāng)高次諧波的信息。建立有效的分析和自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng)，使之能反映各種電能質(zhì)量指標(biāo)的特征及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。 隨著電力的市場(chǎng)化和電能質(zhì)量的法規(guī)化，供電質(zhì)量將引起越來越廣泛的重視，開發(fā)出考慮電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的新的SCADA系統(tǒng)是配電能量管理系統(tǒng)的新研究方向。這一領(lǐng)域的難點(diǎn)將是對(duì)電流、電壓的同時(shí)持續(xù)測(cè)量，對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的分類辨識(shí)和統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)量大，因此需要開發(fā)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)來進(jìn)行有效管理。 2.2 新技術(shù)應(yīng)用 當(dāng)前，電能質(zhì)量

6、在硬件和軟件上應(yīng)用了主要有數(shù)字信號(hào)處理（DSP），虛擬儀器等新技術(shù)以及新的如小波變換的算法。 4介紹了有關(guān)電能質(zhì)量的基本概念和衡量標(biāo)準(zhǔn)，并給出了適合數(shù)字測(cè)量的分析方法和閃變檢測(cè)仿真波形。5討論了DSP器件在電能質(zhì)量補(bǔ)償器中的檢測(cè)應(yīng)用，重點(diǎn)介紹用該器件實(shí)現(xiàn)物理硬件和控制軟件方面的實(shí)際開發(fā)。6根據(jù)電能質(zhì)量檢測(cè)對(duì)于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和支持復(fù)雜算法的特殊要求，提出一種基于雙CPU的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)解決方案。主要討論設(shè)備的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基于雙CPU系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)經(jīng)過實(shí)際的調(diào)試和運(yùn)行，電路功能正常，證明了該設(shè)計(jì)的合理性和可用性。相對(duì)于以往的設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)性好、體積小和成本低的優(yōu)點(diǎn)。7對(duì)基于連續(xù)小波變換的信

7、號(hào)奇異性檢測(cè)原理及其在電能質(zhì)量暫態(tài)信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過基于標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)的小波消噪算法，有效排除了噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)了精確的故障時(shí)刻定位。8根據(jù)小波變換的理論,結(jié)合電能質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),文中將基于小波變換系數(shù)的門限方法應(yīng)用于電能質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的壓縮。仿真計(jì)算結(jié)果及其分析表明,該方法簡(jiǎn)單而且壓縮效果較好,能保留壓縮信號(hào)的局部特征,計(jì)算速度快,很適合于實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的場(chǎng)合。9對(duì)電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的軟件應(yīng)用MATLAB與C+語言的混合編程技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確采樣,還可以分析電網(wǎng)的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo),并以直觀的圖形顯示

8、出來。10介紹了虛擬儀器的電能質(zhì)量檢測(cè)和分析系統(tǒng)的組成,介紹LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)的頻率跟蹤技術(shù),并介紹了使用網(wǎng)絡(luò)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析的方法,最后給出了部分程序。 3 電能質(zhì)量分析中的新技術(shù) 電能質(zhì)量的分析計(jì)算涉及對(duì)各種干擾源和電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，需要開發(fā)相應(yīng)的分析軟件和工程方法來對(duì)各種電能質(zhì)量問題進(jìn)行系統(tǒng)的分析，為改善電能質(zhì)量提供指導(dǎo)。由于干擾源性質(zhì)各異，干擾的頻譜從0Hz到GHz的廣寬范圍內(nèi)，電網(wǎng)元件在不同干擾作用下呈現(xiàn)不同的性能，因此建立干擾源和電網(wǎng)元件(或局部電網(wǎng))準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型有時(shí)困難很大，而分析計(jì)算的準(zhǔn)確性不僅取決于數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，還有賴于電網(wǎng)基礎(chǔ)資料的可信度。 近

9、年來，基于數(shù)字技術(shù)的各種分析方法已在以下電能質(zhì)量領(lǐng)域中得到應(yīng)用： 分析諧波在網(wǎng)絡(luò)中的分布 分析各種擾動(dòng)源引起的波形畸變及在網(wǎng)絡(luò)中的傳播 分析各種電能質(zhì)量控制裝置在解決相關(guān)問題方面的作用； 多個(gè)控制裝置的協(xié)調(diào)以及與其他控制器的綜合控制等問題。 目前所采用的方法有三種： (1) 時(shí)域仿真方法 該方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛，其主要的用途是利用各種時(shí)域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究。目前較通用的時(shí)域仿真程序主要有EMW、EMTEC、NETOMAC、BPA等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER等電力電子仿真程序兩大類。由于這些仿真程序在不斷發(fā)展中，

10、其功能日益強(qiáng)大，還可利用它們進(jìn)行電力設(shè)備、元件的建模和電力系統(tǒng)的諧波分析。 (2) 頻域分析方法 該方法主要用于諧波問題的分析計(jì)算，包括頻率掃描，諧波潮流計(jì)算等。考慮到一些非線性負(fù)載的動(dòng)態(tài)特性，近年來又提出一種混合諧波潮流的計(jì)算方法，即在常規(guī)的諧波潮流計(jì)算法基礎(chǔ)上，利用EMTP等時(shí)域仿真程序?qū)Ψ蔷€性負(fù)載進(jìn)行仿真計(jì)算，可求出各次諧波動(dòng)態(tài)電流失量，從而得到動(dòng)態(tài)諧波潮流解。 (3) 基于變換的方法 這里主要指Fourier變換方法、短時(shí)Fourier變換方法和小波變換(wavelet)方法。作為經(jīng)典的信號(hào)分析方法Fourier變換具有正交、完備等許多優(yōu)點(diǎn)，而且有象FFT這樣的快速Fourier算法，

11、因此已在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。但在運(yùn)用FR時(shí)，必須滿足以下條件：滿足采樣定理的要求，即采樣頻率必須是最高信號(hào)頻率的兩倍以上；被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時(shí)間周期變化的。因此；當(dāng)采樣頻率或信號(hào)不能滿足上列條件時(shí)，利用FFT分析會(huì)給分析帶來誤差。此外，由于FFT變換是對(duì)整個(gè)時(shí)間段的積分，時(shí)間信息得不到充分利用；信號(hào)的任何突變，其頻譜將散布于整個(gè)領(lǐng)帶。為解決上述問題，Gabor利用加窗，提出了短時(shí)Fourier變換方法，即將不平穩(wěn)過程看成是一系列短時(shí)乎穩(wěn)過程的集合，將Fourier變換用于不平穩(wěn)信號(hào)的分析。由于實(shí)際多尺度過程的分析要求時(shí)佰窗口具有自適應(yīng)性，即高頻時(shí)頻窗大、時(shí)窗??；低頻時(shí)頻窗

12、小，時(shí)窗大，而STFT的時(shí)頻窗口則固定不變。因此，它只適合于分析特征尺度大致相同的過程，不適合分析多尺度過程和突變過程。而且這種方法的離散形式?jīng)]有正交展開，難以實(shí)現(xiàn)高效算法。小波變換由于具有時(shí)頻局部化的特點(diǎn)，克服了以上FFT和STFT的缺點(diǎn)，特別適合于突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào)的分析。小波變換作為一種新的數(shù)字技術(shù)被引入工程界后，已在圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮和信號(hào)分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于小波函數(shù)本身衰減很快，也屬一種暫態(tài)波形，將其用于電能質(zhì)量分析領(lǐng)域，尤其是暫態(tài)過程分析領(lǐng)域?qū)⒕哂蠪FT、STFT所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 最近，已有文獻(xiàn)介紹應(yīng)用小波變換方法進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估、電磁暫態(tài)波形分析和電力系統(tǒng)擾動(dòng)建模等電

13、能質(zhì)量問題的研究。 4 電能質(zhì)量研究中的人工智能新技術(shù) 最近幾年，以專家系統(tǒng), 神經(jīng)網(wǎng)，模糊邏輯和進(jìn)化計(jì)算為代表的人工智能新技術(shù)已開始較全面地應(yīng)用于電能質(zhì)量研究，因?yàn)樗莻€(gè)較復(fù)雜，工作量和數(shù)據(jù)處理量很大的系統(tǒng)工作。特別是在電能質(zhì)量分析方面, 很多人工智能應(yīng)用來進(jìn)行輔助分析，對(duì)復(fù)雜的問題進(jìn)行處理。 而且這些新技術(shù)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是交叉應(yīng)用的非常廣泛，有時(shí)很難斷言就是哪種技術(shù)，而是以某種為主，其它為輔的。也就通常所說的混雜技術(shù)。 4.1 專家系統(tǒng) 盡管專家系統(tǒng)成本較高且在開發(fā)過程中耗時(shí)過長(zhǎng)，但依然出現(xiàn)了很多應(yīng)用11-22。這些主要體現(xiàn)在 對(duì)畸變的電壓和波形進(jìn)行分類； 利用專家系統(tǒng)分析諧波； 對(duì)電能

14、質(zhì)量問題的解決方案在專家系統(tǒng)架構(gòu)下進(jìn)行開發(fā)； 測(cè)量和分析電能質(zhì)量及電力系統(tǒng)電磁兼容性； 識(shí)別電能質(zhì)量的事件通過一個(gè)可擴(kuò)展的系統(tǒng)； 管理電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，培訓(xùn)電能質(zhì)量問題的專業(yè)咨詢?nèi)藛T； 4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 人工神經(jīng)網(wǎng)作為較成熟的智能技術(shù)，在電能質(zhì)量中已有較廣泛的應(yīng)用，它們主要包含23-37: 從非電能質(zhì)量信息中識(shí)別電能質(zhì)量事件； 對(duì)諧波的產(chǎn)生模式進(jìn)行建模； 在電網(wǎng)中估計(jì)和評(píng)價(jià)諧波畸變 和其它電能質(zhì)量問題； 以神經(jīng)網(wǎng)整合小波變換分辨和識(shí)別電能質(zhì)量事件； 在需要避免噪聲和子諧波時(shí)對(duì)諧波進(jìn)行分析； 為電力工程師們解決電能質(zhì)量問題開發(fā)一個(gè)輔助工具； 4.3 模糊邏輯 模糊邏輯和帶神經(jīng)網(wǎng)學(xué)習(xí)能力的模糊邏輯是當(dāng)

15、前最流行人工智能技術(shù)。它們?cè)陔娔苜|(zhì)量研究方面也取得了不少新進(jìn)展11-13,38-49： 診斷各種電能質(zhì)量問題； 對(duì)電能質(zhì)量工作人員提供實(shí)用性的輔助工具； 管理電能質(zhì)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘以獲得相關(guān)知識(shí)； 開發(fā)對(duì)供電部門人員和用戶進(jìn)行電能質(zhì)量問題專業(yè)培訓(xùn)的系統(tǒng)； 對(duì)引起電能質(zhì)量問題的各種干擾進(jìn)行分類； 適應(yīng)性的采集電能量，方均根電壓和電流； 研究在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)Υ?lián)電容器進(jìn)行投切來控制諧波的畸變水平； 在模糊約束下建立評(píng)價(jià)電能質(zhì)量的指標(biāo)； 利用基于模糊邏輯的控制方案開發(fā)一個(gè)統(tǒng)一的電能質(zhì)量管理器； 預(yù)測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)的非正常運(yùn)行情況； 為保證供電電壓質(zhì)量實(shí)施基于模糊邏輯的無功補(bǔ)償 5 電能質(zhì)量監(jiān)控中的新技

16、術(shù) 在電能質(zhì)量監(jiān)控方面，我認(rèn)為有兩個(gè)趨勢(shì)：其中之一就是上節(jié)中提及的智能化，智能化旨在減輕人的勞動(dòng)，能自動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量問題進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)全面的無人監(jiān)控功能。 另一個(gè)則是遠(yuǎn)程化。隨著電力工業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，供電部門和用戶都迫切需要對(duì)較大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，然而各點(diǎn)的分散，距離遠(yuǎn)近不同，監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的問題也根據(jù)用戶和電網(wǎng)的需要而各不相同。所以遠(yuǎn)程化就可以適應(yīng)不同層次的監(jiān)控要求，從而使電能質(zhì)量的監(jiān)控點(diǎn)能夠分布到電網(wǎng)中的任何地方,并且具有良好的在線功能。 但遠(yuǎn)程化必然帶來的問題就是，監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)控站之間的通信問題以及大量的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸問題都十分重要。50以電力線載波通訊為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)

17、了較為簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程監(jiān)控。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 ,為不同地點(diǎn)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和分析提供了有效的手段。51論述了基于 Internet的供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng) ,主要包括利用 GPS授時(shí)技術(shù)進(jìn)行多點(diǎn)同步采樣 ,利用 Windows NT2 0 0 0和 IIS建立網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) ,利用 SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù) ,使用多種分析軟件對(duì)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行仿真分析 ,并提出治理措施。該系統(tǒng)可為供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。52介紹某地主要樞紐變電站進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的實(shí)際使用情況。結(jié)果表明，在變電站中使用記錄儀，可連續(xù)實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、記錄、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)傳，使電能質(zhì)

18、量技術(shù)監(jiān)督實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化成為可能。 然而, 目前電能質(zhì)量監(jiān)控遠(yuǎn)程化的成熟應(yīng)用還不太多。能否在遠(yuǎn)程在線的要求形成完整的大系統(tǒng)和全面的監(jiān)控功能，還有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。此外，網(wǎng)化的電能質(zhì)量監(jiān)控所用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必然會(huì)隨著所采用通信方案而不同，誰優(yōu)誰劣，尚未能進(jìn)行相關(guān)的比較。 參考文獻(xiàn) 1 林海雪. 現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題. 電網(wǎng)技術(shù). 2001,25(10)：pp5-12. 2 奚珣. 電能質(zhì)量的更高要求及對(duì)策. 供用電. 2002,19(1)：pp40-41. 3 韓英鐸，等. 信息電力與FACTS及DFACTS技術(shù). 2000(19): pp1-7. 4 向農(nóng) 宣揚(yáng) 張俊敏. 電能質(zhì)量及其數(shù)字檢測(cè)方法. 高電壓技術(shù).2003,29(4).-46-48 5 張朋. DSP在電能質(zhì)量補(bǔ)償器中的應(yīng)用. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置.2003(2).-46-48,56 6 段成剛 宋政湘