维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第ｌ８期 电力系统保护与控制 Ｖｏｌ－３６ ＮＯ．１８ ２００８年９月１６曰 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｅｐ．１６，２００８ 电能质量扰动及其在线监测装置的设计 李加升 ，戴瑜兴 ，黄文清 （１．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙４ｌ ００８２； ２．益阳职业技术学院，湖南益阳４１ ３０４９） 摘要：电能质量在线监测是获取电能质量信息的唯一途径。在引入电能质量基本概念基础上，对电能质量扰动类别进行了阐 述；针对电能质量扰动的基本特征，提出了一种集中分布式的电能质量扰动在线监测系统方案，并对系统核心部件一一电能 质量在线监测装置进行了设计和开发。 关键词：电能质量； 扰动； 在线监测； 集中分布式 Ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ＬＩ Ｊｉａ—ｓｈｅｎｇ ’ ，ＤＡＩ Ｙｕ—ｘｉｎｇ ，ＨＵＡＮＧ Ｗｅｎ—ｑｉｎｇ （１．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｙｉｙａｎｇ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｉｙａｎｇ ４１３０４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉ￣ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｎｌｉｎｅ ａｃｃｅｓｓ ｔｏ ｇｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｉｓ ｔｈｅ ｏｎｌｙ ｗａｙ ｔｏ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔｓ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｃｏｎｄｕｃｔｓ ａ ｄｅｔｍｌｅｄ ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ．Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｈａｔ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ；ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ；ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ 中图分类号：ＴＭ７１４ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７４—３４１５（２００８）１８—００６９—０４ ０ 引言 大的数据量，也就不需要大容量存储设备，节约了 软硬件资源。随着信息电力时代的来临，涌现了大 电力电子器件和其它非线性负荷的大量使用， 量动态电能质量问题，传统的离线监测方式已经不 给电网带来了严重污染；电网中存在大量电能质量 能满足人们的要求，此时，需要一种实时在线监测 问题，如：谐波、问谐波、电压暂升、电压暂降、 方法；现有的计算机软硬件水平和数据库技术、通 电压暂时中断、电压缺口、振荡暂态、脉冲暂态 信技术、信号处理技术也为这种在线自动监测技术 等Ｌｌ Ｊ。这些电能质量问题给基于微处理器、微计算 提供了可能。 机的自动控制设备的正常运行带来了极大危害。为 本文对电能质量扰动类别作了详细分类，在此 了有效改善电能质量问题，首先必须及时了解电网 基础上，设计了一种集中分布式的在线电能质量监 电能质量信息。对电网进行实时监测，是了解电能 测系统，并对系统的核心组成部分——电能质量监 质量信息的唯一途径Ｌ２Ｊ。 测装置的软硬件进行了研究和开发。 电能质量监测方式是一个不断变化的过程，与 所监测对象、目的及当时的计算机软硬件水平有着 １ 电能质量概念及其分类 极大的关系。早期，人们关心的主要是稳态电能质 １．１电能质量基本概念 量，这些稳态电能质量存在时间相对较长，且变化 一个理想电力系统其电压源是零阻抗的，即不 不是很大，所以采取离线监测方式能在一定程度上 论流经的电流如何变化，其电压始终恒定。然而实 反映电网的电能质量实际情况；该方式不需要太复 际电网中，这种理想状况并不存在，电能质量就是 杂的信号处理算法，且由于采取离线方式，没有太 对理想值和实际值之间差距的一种衡量 Ｊ。 关于“电能质量”概念，许多文献用电压质量、 基金项目：长沙科技局科技攻关项目［长科发【２００５】２１号］ 电流质量或者供电质量等术语来描述ｌ４Ｊ，这些表述 维普资讯 http://www.cqvip.com ．．７０．． 电力系统保护与控制 主要着眼于所提供电压、电流的波形特征。ＩＥＥＥ技 术协调委员会则从电能所产生的效果来定义电能质 量，提出：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正常工 作的Ｉ引。ＩＥＥＥ给出的这个概念较为抽象，Ｄｕｇａｎ给 出了一个更具体的定义：导致用户设备故障或不能 正常工作的电压、电流或频率偏差都是电能质量问 题。在电力系统中，电能是以电磁波的形式在电力 线中传输的，因而国际电工委员会（ＩＥＣ）更多地 从电磁兼容（ＥＭＣ）角度来研究电能质量的问题， 强调设备相互之间以及设备与电源之问的相互影 响。 １．２电能质量扰动类别 尽管电能质量定义各种各样，而实际电网中的 电能质量扰动是客观的，不会因为定义的不同而改 变其存在的形式。为了能够更好地研究这种客观现 象，需要对扰动进行分类研究：①便于故障诊断和 定位，电网中不同元器件、不同位置发生的故障， 可能表现为不同类别扰动，反过来可以根据电网中 已有的扰动类别来对故障进行识别定位；②便于扰 动检测算法设计，不同类别扰动其波形特征各不相 同，为了对这些扰动波形实施准确检测，需要采取 不同的信号处理工具，从而，对扰动分类有助于各 种检测算法的研究；③对扰动分类，有助于变杂乱 无章的扰动信号为有用的电能质量信息，这对于电 能质量的治理研究也是相当重要的。 分类方法可以有多种不同视角，日前比较有影 响的有ＩＥＣ标准和ＩＥＥＥ标准。ＩＥＣ标准，从电磁 现象及相互影响的方式考虑，给出了引起电磁干扰 的基本现象分类：①低频传导现象：谐波、问谐波、 信号系统（电力线载波）、电压波动、电压暂降与 短时断电、电压不对称、电网频率变化、感应低频 电压、交流网络中的直流；②低频辐射现象：工频 电磁场；③高频传导现象：感应连续波（ＣＷ）电 压与电流、单向瞬态、振荡瞬态；④高频辐射现象： 磁场、电场、电磁场（连续波、瞬态）；⑤静电放 电现象（ＥＳＤ）；⑥核电磁脉冲（ＮＥＭＰ）。 在ＩＥＣ标准中，电能质量问题的研究主要集中 在前４类。在此基础上，ＩＥＥＥ又新增加了一些术语 （ｔｅｒｍｓ），并对ＩＥＣ的分类作了适当的调整和改进， 见图１。目前我国国家电能质量系列标准着重对稳 态电能质量，譬如供电电压允许偏差、电压允许波 动和闪变、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度 和电力系统频率允许偏差等（见图１阴影部分）进 行了研究。 ２ 电能质量扰动在线监测系统 ２．１系统架构设计 系统架构设计见图２。图中：最小的功能单元 是电能质量监测装置ＰＱＭ，它负责收集电网中发生 的电能质量扰动数据，并将其送往ＰＱ处理中心： 为了增强ＰＱ处理的实时性和有效性，并加强ＰＱ 数据管理，可将ＰＱ处理中心分为多个级别——ＰＯ 处理中心Ｉ（可能是县市级）和ＰＱ处理中心ＩＩ（可 能是省级），其中Ｉ级的ＰＱ数据进一步送往ＩＩ级 进行管理；“数据通信通道”是ＰＱＭ与ＰＱ处理中 心之间以及各级ＰＱ处理中心相互之间的数据吞吐 通道，它可以利用现有的有线、无线通信资源，也 可以是电力线载波通信，还可以建立专线连接，所 有这些通信链路的选择可以根据用户的要求和现有 的通信资源而定，可以灵活多样。监测系统中，ＰＱＭ 虽然是最小的功能单元，却起着举足轻重的作用， 因为它是监测系统所有数据的“源头”。ＰＱＭ对电 网实施连续在线监测，一旦有扰动发生，马上启动 相应的保护装置，同时也启动录波设备进行故障录 波，并将扰动波形进行存储，打包送往ＰＱ处理中 ｒｌ、Ｉ。 高频 振荡 低频 振荡 问Ｉ旨波 缺口 噪声 （注：其中阴影部分为我国国家电能质量标准研究内容） 图１ ｌ ＥＥＥ一１１５９电能质量扰动分类 Ｆｉｇ．１ ＩＥＥＥ—ｌ １ ５９ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ ２．２电能质量监测装置设计 ２．２．１电能质量监测装置硬件设计思想 电能质量监测装置ＰＱＭ的功能框图见图３。 维普资讯 http://www.cqvip.com
李加升，等 电能质量扰动及其在线监测装置的设计 一７１一 ＰＱＭ大致分为两大功能模块：数据采集模块和信号 处理模块等 刚。 图２ 电能质量监测系统组网示意图 Ｆｉｇ．２ Ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｎｅｔｗｏｒｋ 图３ 电能质量监测装置ＰＱＭ功能框图 Ｆｉｇ．３ Ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔａｂｌｅ ＰＱＭ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ 数据采集模块的功能是，对电压／电流进行采 集，并通过抗混叠滤波器对采集数据进行预处理， 然后将采集到的模拟量送往ＡＤ采样芯片进行模数 转换。在数据采集过程中，需要注意的是采样速率 的选择，可以有两种方案：①固定的一种采样速率。 为了能够检测到电网中发生的暂态扰动信号，要求 采样速率会很大，不同的采样点会有不同的要求， 最大的可能达到几ＭＨｚ。②可分为多个通道，对数 据进行分流。譬如，可把电信号分流成两组，一组 重点在于检测其波形畸变，譬如电压暂降和谐波等： 另一组重点监测高频扰动信号，譬如脉冲暂态或振 荡暂态等。这样会增加一些硬件投资，但是会大大 减少ＤＳＰ处理数据量，从而减轻ＤＳＰ的信号处理 负担，获得更高的信号处理速度和精度，增加整个 监测系统的鲁棒性。 信号处理模块是ＰＱＭ的核心，也是整个ＰＱ监 测系统的核心。信号处理模块需要完成的功能有： ①对扰动信号的实时检测；②对电压暂降信号的实 时分析也在ＰＱＭ中完成，因为许多负荷对电压暂 降扰动非常敏感，所以当监测到电网中出现该扰动 信号时，需要立即启动相应的保护装置，而这就要 求有很高的实时性，只能通过ＰＱＭ来完成；③各 级接口，ＰＱＭ就像一个感应装置，“感应”到电网 中的扰动式，需要启动许多接口程序来完成一系列 任务：譬如扰动数据的存储、传输等。 ２．２．２电能质量监测装置软件设计思想 电能质量监测仪软件主要由两大部分组成：① 信号处理软件；②人机界面软件。其中，信号处理软 件部分主要负责对电力信号的采集和各种电力参数 的计算，并对各种电能质量问题进行判断处理；人 机界面软件提供菜单形式对各种电能质量参数进行 查询和显示。系统软件设计模块见图４。主程序流 图见 图５。 图４系统软件设计模块 Ｆｉｇ．４ Ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｌｄｕｅ 图５主程序流图 Ｆｉｇ．５ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com
一７２一 电力系统保护与控制 ３结束语 ＨＡＮ Ｙｉｎｇ—ｚｅ，ＨＵＡＮＧ Ｍｉｎ—ｃｏｎｇ．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ＦＡＣＴＳ ａｎｄ ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ＤＦＡＣＴＳ［Ｊ］． （１）对电能质量实施在线监测，首要目的是减 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００，２４（１９）：１－７． 少因各种电能质量问题造成的经济损失。通过电能 １３］ 林海雪．现代电能质量的基本问题【Ｊ］．电网技术 质量在线监测可以及时发现电网中存在的严重隐 ２００１，２５（１０）：５—１２． 患，可以有效地预防事故发生。 ＵＮ Ｈａｉ—ＸＨｅ．Ｔｈｅ Ｂａｓｉｃ Ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ （２）通过在线监测获取电能质量信息，对电网 Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｎｔｉｔｙ［Ｊｌ＿Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１， 中各种电气设施的抗干扰性能有充分了解，为后续 ２５（１０）：５—１２． 的电气设备入网提供必要信息。 ［４］ Ｂｏｌｌｅｎ Ｍ Ｈ Ｊ．Ｗｈａｔ ｉｓ Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ？Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ （３）电力市场环境下，电能质量问题日益引起 Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００３，６６（１）：５—１４． 发电公司、电网公司与用户的共同关注。越来越多 ［５］ １１５９—１９９５ ＩＳ．ＩＥＥＥ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｍｏｎｉｔｏｒ— 的电力用户向供电部门提出了高质量供电要求，他 ｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ［Ｓ］． 们甚至通过签订供电合同和保证电能质量的协议等 ［６］ 黄文清，戴瑜兴．基于ＤＳＰ和虚拟仪器技术的电能质量 方式来保障自己的用电权益。构建电能质量监测网 监测系统设计［Ｊ］．低压电器，２００５，（５）：３２—３５． 络，将各监测点电能质量数据集中到电能质量监测 ＨＵＡＮＧ Ｗｅｎ—ｑｉｎｇ，ＤＡＩ Ｙｕ—ｘｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ 中心分析和评估，将评估结果作为治理电能质量问 Ｑｕａｌｉｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ 题的依据，这在电力市场环境下显得尤为重要。 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｌｏｗ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ，２００５， （４）本文提出的集中分布式电能质量在线监测 （５、：３２—３５． 系统以及电能质量监测仪的设计思想，对于构建一 收稿日期：２００７—１２—１２； 修回Ｂ期：２００８—０２—２１ 个有效的电能质量监控系统具有重要参考价值和指 作者简介： 导意义。 李加升（１９６５一），男，副教授，主要研究方向为电能质量 参考文献 检测、信号处理、应用电子技术；Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｊｉａｓｈｅｎｇａ＠１６３．ｃｏｍ 戴瑜兴（１９５６一），男，教授，博士生导师，目前主要研 ［１］ 林海雪．论电能质量标准ＩＪＩ．中国电力，１９９７，３０（３）：９— 究方向为电能质量检测、数字化系统设计理论与应用现代网 １０． 络通信理论及应用； ＬＩＮ Ｈａｉ—ｘｕｅ．Ｔａｌｋ Ａｂｏｕｔ山ｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｎｔｉｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ［Ｊ１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，１９９７，３０（３）：９—１０． 黄文清（１ ９６８－），男，博士，研究方向为电能质量检测、 ［２］ 韩英铎，黄民聪．信息电力与ＦＡＣＴＳ及ＤＦＡＣＴＳ 现代信号处理、小波分析及电力载波通信 技术ｌＪ１．电力系统自动化，２０００，２４（１９）：１－７． （上接第６８页ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｆｒｏｍ ｐａｇｅ ６８） 作者简介： 胡斌（１ ９ ７２－），男，工程师，研究方向为继电保护及 ［９］ 严浩军．变电站电压无功综合自动控制问题探讨…． 电力系统监控；Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕｂｉｎ＠ｄｏｎｇｆａｎｇ—ｃｈｉｎａ．ｃｏｍ 电网技术，２０００，２４（７）：４１—４３，４８． ＹＡＮ Ｈａｏ－ｊｕｎ．Ｓｏｍｅ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ 彭爱国（１ ９７２一），男，工程师，硕士研究生，研究方向 Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ ｉｎ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ 为继电保护及电力系统监控； Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，２４（７）：４１—４３，４８． 晏先云（１９７１一），男，硕士研究生，高工，研究方向为 继电保护及电力系统监控。 收稿Ｂ期：２００７－１１－１３； 修回日期：２００８—０１—０９