上海海事大學碩十論文電能計量系統(tǒng)的 皆波研究 摘要 電能是國民經(jīng)濟和人民生活的主要能源，對國家的發(fā)展起著舉足輕重的作用。電 能計量涉及到發(fā)電、供電與用電三方經(jīng)濟利益，同時也是許多技術指標計算的重要依 據(jù)。目前，隨著電力電子裝置等非線性負荷的大量應用，電網(wǎng)中電壓、電流波形往往 偏離正弦波形而發(fā)生畸變，因此偕波對電能計量影響的研究受到各方的普遍關注?；?于這方面已有的研究成果，本文圍繞電能計量系統(tǒng)的諧波問題展開研究。 本文第二章介紹了感應式和電子式電能表的結(jié)構(gòu)，說明了這兩種電能表的計量原 理。結(jié)合計量原理討論了畸變波形下兩種電能表的誤差，同時對兩種表的計量特性進 行了比較。 第三章在三相瞬時無功功率理論的基礎上，研究了基于均值濾波的三相基頻旋轉(zhuǎn) 變換測量方法，并基于這種方法建立了三相電路基波功率與電能檢測模型和單相電路 的基波實時檢測方法。最后研究了卜倍頻旋轉(zhuǎn)變換的任意次諧波的檢測。第四章針 對所建立的模型利用c 語言和m a t l a b 聯(lián)合進行了仿真，驗證模型正確性的同時還對 濾波方式進行了仿真比較，并通過仿真實驗分析了諧波對電能計量影響，以驗證第二 章所論述的內(nèi)容。 第五章對諧波電能計量裝置進行了硬件及軟件設計，以實現(xiàn)全能標準的數(shù)字式電 能計量。利用a r m 快速處理能力，對電壓和電流的采樣數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)變換，得到基 波及各次諧波的電壓和電流的值，再根據(jù)諧波功率和電能計算方法，計算出基波和各 次諧波的電能。本裝置硬件和軟件都采用模塊化設計。硬件分為前置電路、采樣電路、 a r m 主電路和顯示電路：軟件則分為主程序、采樣子程序、滑動平均濾波子程序和功 率電能計算子程序。 關鍵詞：電能計量，諧波檢測，旋轉(zhuǎn)變換，仿真，a r m 海海事人學碩士論史 電能計量系統(tǒng)的諧波研究 a b s t r a c t t h ee l e c t r i ce n e r g yi st h em a i ne n e r g yo ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dp e o p l e sl i v e s i tp l a y s av e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o u n t r y e l e c t r i cm e a s u r e m e n ti n v o l v e st h e t r i p a r t i t ee c o n o m i cb e n e f i t so fp o w e rp l a n t ，p o w e rs u p p l i e ra n dp o w e ru s e ra sw e l l i ti sa l s o i m p o r t a n tb a s e sf o rc a l c u l a t i n gm a n yt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s a tp r e s e n t ，w i d ea p p l i c a t i o n so f n o n - l i n e a rl o a d sd i s t o r te l e c t r i cc u r r e n t v o l t a g ew a v ef r o ms i n ew a v et h eh a r m o n i ce f f e c to n e l e c t r i cm e a s u r e m e n ti sf o c u s e di na l e v e lr e s e a r c hf i e l d s o nt h eb a s eo ft h ee x i s t i n g r e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h i ss u b j e c t ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a d ea s t u d yo fh a r m o n i cp r o b l e mi n e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n ts y s t e m s t r u c t u r e so fi n d u c t i o ne l e c t r i ce n e r g ym e t e ra n de l e c t r o ne l e c t r i ce n e r g ym e t e ra r e i n t r o d u c e di nc h a p t e rt w o ，a n do p e r a t i o np r i n c i p l e sa r es p e c i a l l ye x p l a i n e di nd e t a i l t h ee r r o r o ft w om e t e r si sa l s oa n a l y z e du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ed i s t o r t i o nw a v e ，w i t hm e a s u r e m e n t p r i n c i p l e a tt h es a m et i m e ，ap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e nt h et w o m e a s u r e m e n tm e t e r s a p p l y i n gt h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ，c h a p t e rt h r e ep u tf o r w a r d t h r e e - p h a s eb a s i cf r e q u e n c yr o t a t et r a n s f o r mt h e o r yw i t hm o v i n ga v e r a g ef i l t e ra n ds e tu p d e t e c t i o nm o d e lo ft h r e e - p h a s eb a s i cw a v ep o w e r s i n g l e p h a s ec i r c u i tw a sa l s oi n t r o d u c e d a b o u tb a s i cw a v ed e t e c t i o nm e t h o d b yt h ek - m u l t i p l ef r e q u e n c yr o t a t et r a n s f o r m ，kt i m e h a r m o n i cc a nb es e p a r a t e d c h a p t e rf o u rf o c u s e do ns i m u l a t i o no ft h em o d e lw i t hcl a n g u a g e a n dm a t l a b p r o v n gt h ec o r r e c t n e s so fm o d e l ，f i l t e rm e t h o dw a sa l s oc o m p a r e dt h r o u g h s i m u l a t i o n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do n ，a n dh a r m o n i ci n f l u e n c eu p o ne l e c t r i c e n e r g ym e a s u r e m e n t i sa n a l y z e dt op r o v et h ec o n t e n tm e n t i o n e di nc h a p t e rt w o i nc h a p t e rf i v e t h eh a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g nw a se x p a t i a t e df o rah a r m o n i cm e t e r i n g d e v i c et or e a l i z es t a n d a r dd i g i t a le n e r g ym e t e r i n gf u n c t i o n t h ed e s i g ni nt h i sd i s s e r t a t i o n u t i l i z e dc i r c u i t st os a m p l et h ed a t ao fb o t hv o l t a g ea n dc u r r e n t a r mt or o t a t et r a n s f o r m a t i o n d a t at og e tt h ev a l u e so fb a s i cw a v e h a r m o n i cv o l t a g ea n dc u r r e n t a n da l g o r i t h mt og e tt h e p o w e ro fb a s i cw a v e k t i m eh a r m o n i c s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ta d o p t e d b l o c k i n gd e s i g nm e t h o d t h eh a r d w a r ei n c l u d e d ：p r e p o s e dc i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c u i t ，a r m c i r c u i ta n dd i s p l a yc i r c u i t t h es o f t w a r ei n c l u d e d ：m a i np r o c e d u r e ，m a fs u b - p r o c e d u r ea n d p o w e ra l g o r i t h ms u b p r o c e d u r e 兒 上海海事大學碩十論文電能計量系統(tǒng)的諧波研究 l ih o n g x u e ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e rs h e na i d i ，p r o f c h ud i a n x i n k e yw o r d s ：e f e c t d ce n e r g ym e a s u r e m e n t ，h a r m o n i cd e t e c t i o n ，r o t a t et r a n s f o r m ，s i m u l a t i o n ， a r m h l 論文獨創(chuàng)性聲明 本論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果。論文中除了特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人 或其他機構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的 啟發(fā)和所做的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。 作者簽字：盔咝日期：皇翌：21 論文使用授權性聲明 本人同意上海海事大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。即： 學校有權保留送交論文復印件，允許論文被查閱或借閱；學校上 網(wǎng)公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或者其他復 制手段保留論文。保密的論文在解密后遵守此規(guī)定。 作者簽字：簽堡i 重導師簽字：幽 日期：圭塑乏，2 1 ，g r 海海事人學碩上論文電能計量系統(tǒng)的諧波研究 第一章緒論 1 1 選題背景及研究意義 電能是人類生活中不可缺少的重要能源，電氣化程度和管理現(xiàn)代化水平的高低是 衡量一個國家發(fā)達與否的重要標志。伴隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進步，電力電子技術 和微電子器件被廣泛應用，電力系統(tǒng)中接入了越來越多的大容量電力設備，整流換流 設備以及其它非線性負荷。這導致供電系統(tǒng)中諧波電壓和諧波電流成分不斷增加，對 電網(wǎng)環(huán)境造成嚴重污染，使電力營運企業(yè)成本增加。 國家技術監(jiān)督局批準頒發(fā)了國家標準g b t 1 4 5 9 5 9 3 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波， 以促使電力部門和電力用戶共同采耿措施，把電網(wǎng)的諧波水平控制在諧波國標允許范 圍內(nèi)，提高供電質(zhì)量，維護電網(wǎng)安全運行，保障接入電網(wǎng)的各種用電設備正常工作， 以獲得良好的社會經(jīng)濟效益【1 】1 2 】。 電力生產(chǎn)的特點是電廠發(fā)電、供電部門供電、用電部門用電這三個環(huán)節(jié)連成一個 大系統(tǒng)，但同時電能也是作為一種商品來生產(chǎn)、銷售和使用的。它作為電力商品交換 的“秤桿子”，是電力企業(yè)與用戶、電網(wǎng)與電廠、電網(wǎng)與電網(wǎng)之間進行經(jīng)濟結(jié)算、考 核的依據(jù)。電能表作為貿(mào)易結(jié)算用的重要計量手段，應用十分廣泛。因此確保電能計 量的準確、可靠具有重要意義。在電能計量中，由于諧波的存在，使工業(yè)及日常生活 中電能計量裝置的誤差加大，影響電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。因此充分分析諧波對電能計量的 影響，并對新的電能計量方法和計量裝置進行研究是電力系統(tǒng)中涉及經(jīng)濟、技術等多 方面問題的重要課題之一，具有十分重要的意義。 1 2 電能計量系統(tǒng)及其發(fā)展歷程 1 2 1 電能計量原理 電能計量是準確可靠、公正計量電能的專門學科，而電能表作為測量電能的專用 儀表，是電氣測量儀表中使用量最多的儀表。在發(fā)電、供電、用電過程中，發(fā)電量、 供電量、用電量的多少離不開電能表的計量，電能表的性能直接影響著電能管理的效 率和科學化水平。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展及其電能管理系統(tǒng)的不斷完善，電能表的結(jié)構(gòu) 海海事大學碗l 論文電能計量系統(tǒng)的諧波研究 和性能也經(jīng)歷了不斷完善、不斷更新的發(fā)展過程1 2 】。 在單相交流電路中，功率p 的瞬時值表示為： p = u i = u ms i n o ) t l ms i n ( o r 一妒)( 1 - i ) 式中：u 、f 表示電壓、電流； 【k 、厶分別表示電壓、電流的幅值； 0 9 、f 為角頻率和相位角。 三相電能表可分為三相三線和三相四線電能表兩種。在三相四線制電路中， 瞬時功率為： p = u a i a + “6 毛+ 。f c ( 1 2 ) 式中：、u 6 、u 。、i b 、i c 分別為a 、b 、c 三相的電壓、電流。 在三相三線電路中上式仍然成立，但因電流 + 毛+ i c = 0( 1 - 3 ) 將上式關系代入式( 1 - 2 ) 可得 p 置u a i a h 6 也+ i c ) + h 。i c = 0 。一m 6 ) + o 。一“ k ；u a b i a + m 曲( 1 - 4 ) 即可采用二元件電能表來測量三相三線的電能損耗，但電壓線圈承受的電壓分別 為線電壓h 曲及u c 6 ，也可利用三只單相表合為三相電能表。 電能和功率的關系為： = f ：p d t = _ “i d t ( 1 5 ) 電能表測量的電能就是按公式( 1 5 ) 計算的有功電能【3 l 。 1 2 2 電能計量系統(tǒng)發(fā)展 世界上第一只電能表，是利用電解原理制成的直流電能表。交流電的出現(xiàn)和被利 用，對電能計量儀表的功能提出了新的要求。1 8 8 8 年意大利物理學教授弗拉里奧首 先想到將旋轉(zhuǎn)磁場理論用于交流電能測量。與弗拉里奧幾乎同時，美國一個物理教師 也根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場的原理試制出了感應式電能表的雛形。1 8 8 9 年，德國人布勒泰研制 出了無單獨電流鐵芯的感應式電能表。1 8 9 0 年，帶電流鐵j 芯的感應式電能表出現(xiàn)了， 不過其轉(zhuǎn)動元件是一個銅環(huán)，制動力矩靠交流電磁鐵產(chǎn)生。直到1 9 世紀末，才逐步 2 上海海事大學碗上論文 屯能計量系統(tǒng)的諧波研究 改用永久磁鐵產(chǎn)生制動力矩，以降低轉(zhuǎn)動元件旋轉(zhuǎn)速度并增加轉(zhuǎn)矩，表的計數(shù)機構(gòu)也 幾經(jīng)改進，銅制的圓轉(zhuǎn)盤由鋁圓盤所取代。至此，感應式電能表的結(jié)構(gòu)基本形成【”。 感應式電能表是利用處在交變磁場的金屬的感應電流與磁場形成力的原理制成 的。由于它具有制造簡便、可靠性好和價格便宜等優(yōu)點，經(jīng)過不斷改進與完善，感應 式電能表的制作技術已經(jīng)成熟。通過雙重絕緣、加強絕緣和采用高質(zhì)量雙寶石軸承甚 至磁懸浮( 推) 軸承等技術手段，其結(jié)構(gòu)和磁路的穩(wěn)定性得以提高，電磁振動被削弱， 使用壽命大大延長，且過載能力明顯增強。因此至今包括我國在內(nèi)的許多發(fā)展中國家 甚至一些發(fā)達國家，感應式電能表仍作為主要的電能計量表被廣泛應用，促進了電能 的商品化生產(chǎn)1 5 j 。 電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求。隨著現(xiàn)代 電力系統(tǒng)的不斷擴大，感應式電能表暴露出許多缺陷： ( 1 ) 由于受工作原理和結(jié)構(gòu)等因素的制約，一般感應式電能表所能達到的準確度為 2 2 級和1 1 級，最高達o 5 級，但對大用戶和大電網(wǎng)的電能管理，要求電能計量儀器 儀表應具有更高的準確度。在市場體系下，高準確度對電能計量管理十分必要。 ( 2 ) 感應式電能表是針對很低且十分狹窄的頻率范圍的正弦電壓和正弦電流而設 計的，但現(xiàn)代電力系統(tǒng)中非線性負荷產(chǎn)生大量高次諧波，致使電網(wǎng)波形產(chǎn)生畸變、波 動及三相不平衡，使感應式電能表計量不正確。 ( 3 ) 現(xiàn)代電能管理強調(diào)自動化、智能化，要求以高新技術手段確保經(jīng)濟杠桿調(diào)配電 能的使用，以求更高的供用電效率。這便對電能計量儀器儀表提出更多功能化的要求， 希望它不僅能計量電能，而且也能應用于管理。因此功能單一的感應式電能表不適應 現(xiàn)代電能管理的要求。 為了能夠使電能計量儀器儀表適應工業(yè)現(xiàn)代化和能管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需求， 電子式電能表應運而生。早期的電子式電能表是感應式電能表和電子部件的相結(jié)合， 仍采用感應式電能表的測量機構(gòu)作為工作元件，由光電傳感器完成電能一脈沖轉(zhuǎn)換， 然后經(jīng)電子電路對脈沖進行適當處理，從而實現(xiàn)對電能的測量，由于此種表的顯著特 點是感應式測量機構(gòu)配以脈沖發(fā)生裝置，因此被稱為感應式脈沖電能表，簡稱機電脈 沖式電能表【”。盡管直到9 0 年代不斷改進脈沖式電能表的某些技術性能，但以感應 式測量機構(gòu)作為其測量主回路的原理性缺陷，決定了它同樣具有感應式電能表準確度 低、適用頻率范圍窄等缺點。 3 上海海事人學碩士論文 電能計量系統(tǒng)的i * 波研究 人們要替代由感應式機構(gòu)測量交變電能，丌始研究并試驗了許多不同的測量方法 與實現(xiàn)方案。7 0 年代就出現(xiàn)了多種較為典型的采用全電子電路的測量方案，而且每 種都有自己的特點和用途。由于電能是電功率對時間的積分，所以任何電子電路式電 能計量方案首先是確定電功率。乘法器是全電子式電能表的核心器件，電子式電能表 的乘法功能是由乘法器完成的，乘法器按其原理可分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器，因 此電子式電能表也可分為模擬型電子電能表和數(shù)字型電子電能表【3 j 。 現(xiàn)在，國內(nèi)外生產(chǎn)使用的模擬型電子電能表中采用的模擬乘法器，主要有時分割 乘法器和霍爾乘法器?；魻柍朔ㄆ鬏^難實現(xiàn)高精度測量，所以我國的模擬電能表主要 采樣時分割乘法器。模擬型電子表的工作原理是：電流經(jīng)電流互感器、電壓經(jīng)分壓器， 分別得到模擬的取樣信號，送到時分割乘法器產(chǎn)生一個與輸入電流，、電壓【，的乘 積成正比的輸出電平，通過v f 變換器轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送至計度器計量總電量， 由l e d 或其它方式如紅外線抄表器讀取。 數(shù)字乘法器型電子電能表是以微處理器為核心，采用a d 轉(zhuǎn)換對互感器( t v 、 t a ) 變換的被測電壓和電流進行數(shù)字化處理，并判斷出相位角、正反送，計算出有 功、無功分時電量和最大需量等，從而實現(xiàn)多種功能，由l c d 顯示讀數(shù)或其它方式 進行數(shù)據(jù)交換。這種類型的電能表利用位數(shù)較多的a d 轉(zhuǎn)換電路或自動量程轉(zhuǎn)換電 路，理論上可達到很高的測量準確度，且它在一定周期內(nèi)對電壓、電流信號進行采樣 處理的方法保證了測量準確度可不受高次諧波的影響。電能管理現(xiàn)代化是發(fā)展的必 然，需要訪問多種信息，且要求管理系統(tǒng)之間能雙向通信，數(shù)字乘法器型電子式電能 表功能的擴展十分方便，易與配電自動化系統(tǒng)集成，因此數(shù)字乘法器型電子式電能表 將成為今后電子式電能表的發(fā)展方向。 隨著計算機和微電子技術的快速發(fā)展，電子式電能表也得以迅速發(fā)展并日趨成 熟。高準確度、高可靠性的元器件以及大規(guī)模電路集成技術使電子式電能表的穩(wěn)定性、 準確性等技術指標都有了明顯改善。微機化使電子式電能表的功能多樣化，并逐步使 電能管理的自動化與智能化成為現(xiàn)實。電能管理系統(tǒng)的智能化已成為必然的發(fā)展趨 勢。 1 2 3 諧波作用下的電能計量標準 針對電力系統(tǒng)不同用戶出現(xiàn)和產(chǎn)生諧波的特點不同以及對電能計量的影響，目前 4 上海海事 學碩_ l 論文電能計量系統(tǒng)的諧波研究 諧波作用下的電能計量有三種思路： ( 1 ) 電能表應準確反應實際功率，即基波和諧波的綜合功率，稱為全能標準，是 目前國內(nèi)電能計量的標準； ( 2 ) 電能表僅反映基波功率、不計諧波功率，稱為基波電能標準； ( 3 ) 電能表分別計量基波功率和諧波功率，稱為諧波電能標準。 當波形畸變不嚴重時，以全能量為標準或以基波電能為標準的電能表的計量誤差 都很小，對系統(tǒng)來說是允許的。當波形畸變很嚴重且用電量很大時，計量誤差是不容 忽視的。在非線性系統(tǒng)中，線性負載所消耗的總功率為基波功率與諧波功率之和，其 吸收的能量大于基波能量，而感應式電能表讀數(shù)就會小于總能量而大于基波能量；：i l z 線性負載所消耗的總功率為其吸收的基波功率與其向電網(wǎng)發(fā)出的諧波功率之差，其吸 收的能量小于進入非線性負載的基波能量，感應式電能表的讀數(shù)會小于基波能量而大 于它吸收的總能量。因此諧波源雖然污染了電網(wǎng)，反而少交電費；而線性用戶不但多 交費，而且其電力設備性能要受到損害。因而在非線性系統(tǒng)中基波標準和全能標準都 是不全面的。 在保證經(jīng)濟性的前提下考慮分別計量基波和諧波電能，在綜合兩種電能的基礎上 得到供電部門和用電部門都滿意的計量結(jié)果。目前，迫切需要既能計量基波電能，又 能計量諧波電能的新型電能表。它一方面可以確定誰是諧波源，又能定量地確定諧波 源向電網(wǎng)輸送的諧波能量，方便用戶采取措施降低諧波影響，而供電部門可以制定相 應措施對諧波源進行處罰。諧波基波計量的收費政策和考核辦法國內(nèi)還未形成，管理 部門應該予以重視。 1 3 諧波對電能計量的影響 1 3 1 諧波產(chǎn)生的原因 供電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的根本原因是具有非線性阻抗特性的電氣設備，即大容量的 整流器、換流器等非線性負荷。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致 供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使所供電力質(zhì)量變壞【7 【9 1 。也就是所加的電壓與產(chǎn)生 的電流不成線性( 正比1 關系造成了波形畸變。 對于伏安特性為線性的負荷或設備，如圖i - i 中的直線1 ，當施加電力系統(tǒng)的正弦波 5 海海事大學碩士論文 電能計量系統(tǒng)的昔波研究 電壓時，產(chǎn)生正弦波形的電流i ，反之也一樣，不會造成波彤的畸變，故不產(chǎn)生諧波。 l 、h 尸 o 蘭口 o 太 ， 2 r e 0 j 衛(wèi) 圖1 - 1畸變波形的產(chǎn)生 對于伏安特性為非線性的設備或負荷，如圖1 - 1 中的曲線2 ，當施加電力系統(tǒng)的正 弦波電壓時，由于其非線性特性，產(chǎn)生的電流r 為非正弦波，其頻率仍和系統(tǒng)頻率f 工 頻) 在相同。波形的畸變產(chǎn)生高次諧波【l l 】。 1 3 2 諧波對電能計量的影響 圖1 2 含有線性和菲線性負載的簡單電力系統(tǒng)等效電路 圖1 - 2 為一含有非線性負載和線性負載的簡單系統(tǒng)等效電路。其中，u s ( f ) 為電壓 源；為公共連接點p c c 處的電壓；z 為電源內(nèi)阻和線路阻抗：z h 和如分別代表非 線性負載和線性負載。嵋，和如- 分別為非線性負載和線性負載吸收的基波電流有效值； 上海海事大學碩士論文 電能計量系統(tǒng)的諧波研究 蝻。為非線性負載向電網(wǎng)中注入的 次諧波電流有效值；舶為線性負載吸收的來自于 非線性負載的 次諧波電流有效值；當電源中含有諧波時，l u s h 和城分別為非線性負 載和線性負載從電源中吸收的h 次諧波電流有效值。 當電源電壓波形發(fā)生畸變時，設電源電壓中含有的最高次諧波次數(shù)為m 則毆電 壓為 u ( f ) = 皿- c o s ( 叭丸z ) + 丕而一s ( ho o t + “n ) + 聶2 u s ( h o o t + “m ) ( 1 - 6 ) 式中：為非線性負載產(chǎn)生的諧波電壓的最高次諧波次數(shù)；玩為p c c 點處的基波電壓 有效值； l k 和分別為由電源所含諧波和由非線性負載發(fā)出諧波在p c c 點引起的 次 諧波電壓有效值； 屯。和噍。為電壓源和非線性負載這兩個諧波源在p c c 點引起矗次諧波電壓的 初相角； 丸。為p c c 點的電壓基波分量初相角。 設流經(jīng)非線性負載的電流f 嗣和線性負載電流f 以) 分別為 ( f ) = 揚n 。c o s ( 耐+ 丸。) + 差丑。c 。s o 耐+ ) 一耋拒l c 。s q 甜+ ) ( 1 - 7 ) i u ( t ) = 、鞏。c 。s 缸+ 釓。) + 耋互k c 。s ?！? 九j + 耋互c 。s e 以+ j ( 1 8 ) 計算得非線性負載踟吸收的有功功率珊為 己。u 1 j ”tc 。s 九，+ 篆u n ，一c 。s 一薈【，m ，mc 。s 。乓- + 一p 協(xié)( 1 9 ) 式中：p m y f i i p h s 分別為非線性負載吸收的基波和背景諧波有功功率； 為非線性負載發(fā)出的諧波有功功率，負號表示負載向系統(tǒng)注入諧波功率。 則非線性負載在一個周期內(nèi)消耗的電自比。為 海海事大學碩上論文電能計量系統(tǒng)的 皆被研究 e 一。1 0p d t 2 j = ( 只，+ 一吃) 出= e ”- + e m e m ( 1 1 0 ) 式中：e m 表示電網(wǎng)中的背景諧波在非線性負載勿上引起的諧波電能損耗； e h h 表示非線性負載z “向電嘲注入的諧波電能。 同理，町求出線性負載z m 在一個周期內(nèi)消耗的電能e ”為： e ”2 p u d t2 ( r ，+ 只m + ) m2 瓦。+ e 一+ e 一 ( 1 _ 1 1 ) 式中：e j 為線性負載消耗的基波電能； e m s he m h h 為線性負載吸收的出系統(tǒng)和非線性負載提供的諧波電能。 上述分析都是在電源電壓波形畸變的前提下得到的。當電源電壓為工頻正弦波 時，式f 1 9 ) ( 1 1 1 ) 中右邊不含中間項，其它兩項不變?？梢郧蟮脙煞N負載在一個周 期內(nèi)消耗的電能為： e u2 上p u d t2 ( 昂，一皿= e m e h h( 1 _ 1 2 ) e m2 y op m d t2 f o ( 只m ，+ 只h 1 ) a t = e _ ；l f l + e m( 1 _ 1 3 ) 由上述分析，比較兩種情況下非線性負載和線性負載吸收電能的表達式f 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 可以看出：由于諧波功率的大小和方向的影響，無論電源電壓波形是否畸變， 只要系統(tǒng)中存在諧波功率，線性負載實際消耗的電能就大于其吸收的基波電能。而在 一般情況下，非線性負載從系統(tǒng)吸收的背景諧波電能小于其向系統(tǒng)注入的諧波電能， 所以非線性負載實際消耗的電能值要小于其吸收的基波電能值。 如果按照現(xiàn)行的電能計量方式，電能表反映的是基波和諧波的綜合電能( 翰或 e m ) 。這就導致用戶實際消耗基波電能量餌t ) 與電能表讀數(shù)不等。按電能表讀數(shù)交費就 會使非線性負載向系統(tǒng)注入諧波功率反而少交電費，而線性負載受到諧波污染卻要多 交電費，這顯然是不合理的【1 1 】 1 2 。 1 3 3 諧波檢測的主要方法 要分析諧波對電能計量的影響，諧波檢測則是核心環(huán)節(jié)，也是諧波問題研究的基 礎和主要依據(jù)i ”】。準確、實時地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓才能為進一 步分析諧波功率對電能計量的影響奠定良好的基礎。下面介紹一下現(xiàn)有的諧波檢測方 法。 上海海事大學碩士論文 電能汁量系統(tǒng)的諧波研究 ( 1 ) 采用模擬濾波器測量諧波 模擬濾波器有兩種，一是通過濾波器濾除基波電流分量，得到諧波電流分量。二 是用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量，其原理和 電路結(jié)構(gòu)簡單，造價低，能濾除一些固有頻率的諧波。缺點是：誤差大，實時性差， 電網(wǎng)頻率變化時尤其明顯；對電路元件參數(shù)十分敏感，參數(shù)變化時檢測效果明顯變差 【1 4 】。 ( 2 ) 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法 1 9 8 4 年，日本學者h a k a g i 等人提出瞬時無功功率理論，根據(jù)此理論可以得到瞬 時有功功率和瞬時無功功率，將其分解為交流和直流，其交流部分對應于諧波電流， 由此可以計算諧波分量【1 3 】?；诖死碚摰膒 q 法，島島法能夠準確測量對稱的三相三 線制電路諧波值。其中f ，適用廣泛，它不僅在電網(wǎng)電壓畸變時適用，在電網(wǎng)電壓不 對稱時也同樣有效；而在電網(wǎng)電壓畸變時，使用p q 法測量諧波存在較大的誤差。由 于此理論基于三相三線制電路，對于單相電路，必須首先構(gòu)建三相電路才能進行諧波 測量。這兩種方法的優(yōu)點是當電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，各電流分量( 基波正序無功 分量、不對稱分量及高次諧波分量1 的測量電路比較簡單，并且延時少，雖說被測量 對象電流中諧波構(gòu)成和采用濾波器的不同，會有不同的延時，但延時最多不超過一個 電源周期，對于電網(wǎng)中最典型的諧波源一三相整流器，其檢測延時約為1 6 周期?？?見，該方法具有很好的實時性【1 5 】 1 6 】。但是所需硬件多，花費大。接下來第三章將就 此方法進行詳細的介紹。 ( 3 ) 基于傅立葉變換的諧波檢測方法 隨著計算機和微電子技術的發(fā)展，基于傅立葉變換的諧波測量是當今應用得非常 多的一種方法。從物理意義上講，傅立葉變換的實質(zhì)是把被檢測的信號分解成許多不 同頻率的正弦波的疊加，由此對各次諧波分量進行分析。它由離散傅立葉過渡到快速 傅立葉變換的基本原理構(gòu)成。模擬信號經(jīng)采樣，離散化數(shù)字序列信號后，經(jīng)微型計算 機進行諧波分析和計算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得更多的信息， 各種分析計算結(jié)果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出。 使用此方法測量諧波應用范圍廣，使用方便。其缺點是計算量較大，需要花費較 多的計算時間，從而使得檢測方法具有較長時間延遲，檢測結(jié)果實際是較長時問前的 諧波和無功電流，實時性不好。而且這種方法存在頻譜泄漏誤差，頻譜混疊誤差，易 9 上海海事大學碩上論文 u 能計量系統(tǒng)的諧波研究 造成柵欄效應現(xiàn)象，使計算出的信號參數(shù)，即頻率、幅值和相位不準，尤其是相位誤 差較大，影響了測量精度【1 7 】【1 8 j 【1 9 l 。 很多文獻給出了一種加窗插值算法，相對于快速傅氏變換f f f t ) 算法的相位誤差 較大的缺點，該方法使相位精度顯著提高，結(jié)果可用于諧波分析，且有效的抑制了諧 波之間或噪聲的干擾。采用加窗和插值算法可以提高諧波分析的精度。但是也應該看 到，由于增加的計算量使其不太適合實時信號處理。另外，凼其受限于離散傅立葉變 換( d f t ) 分析，故對要求進行同步采樣的有關應用也不太合適。但采用加窗方法對實 時性要求不太高的諧波分析還是適合的【2 2 】【2 3 】【2 4 】。 ( 4 ) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波檢測方法 神經(jīng)網(wǎng)絡理論是最近發(fā)展起來的很熱門的交叉邊緣學科，它之所以受到人們 的普遍關注，是由于它具有本質(zhì)的非線性特性、并行處理能力，強魯棒性以及自 組織自學習的能力。應用神經(jīng)網(wǎng)絡于諧波測量中，根據(jù)諧波的非線性特性，將會 有很好的應用前景。 在理論上，神經(jīng)網(wǎng)絡計算能力、對任意連續(xù)函數(shù)的逼近能力、學習理論及動 態(tài)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性分析等都取得了豐碩的成果，在應用上已迅速擴展到許多重要領 域，如模式識別與圖像處理、控制與優(yōu)化、預測與管理、通信等【1 6 】【2 5 】。 ( 5 ) 基于小波分析的諧波檢測方法 小波分析是時域分析的重要工具，它克服了傅立葉分析在頻域完全局部化而在時 域完全無局部化的缺點，尤其適合突變信號的分析與處理【2 6 】 2 7 1 。它在頻域和時域同 時具有局部性，因而能算出某一特定時間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信 號分解成不同頻率的信號塊。因而通過小波變換，可較準確地求出基波電流，進而求 得諧波。文【2 6 】用小波變換的奇異性對暫態(tài)信號的初始突變點進行精確的時域定位，然 后在暫態(tài)信號鄰近無干擾時段中確定該突變點的同相位點，將突變點暫態(tài)波形與相應 的正常波形進行點對點比較，以判斷暫態(tài)干擾類型。既克服了傳統(tǒng)時域方法在檢測周 期性暫態(tài)現(xiàn)象上的困難，又避免了當前基于小波變換檢測方法中引入的復雜性問題。 綜上所述，基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法實時性好，延時小，既能檢測諧 波又能補償無功；基于傅立葉快速變換的諧波檢測法，在諧波檢測、無功補償和頻譜 分析方面，均獲得較廣泛的應用，這兩種是目前采用的主要方法?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡的自 適應諧波檢測法和基于小波分析的渚波檢測法則是極具潛力的新型諧波檢測方法。 1 0 r 海海事大學碩十論文 電能計量系統(tǒng)的惜波研究 1 4 論文的主要研究內(nèi)容及目標 本論文的任務是圍繞電能計量系統(tǒng)的諧波問題展丌研究。根據(jù)目前電力系統(tǒng)諧波 的狀況，結(jié)合相關理論，主要研究了基波和諧波及其功率的檢測方法，并通過仿真加 以驗證，最后在日前電能計量裝置的基礎上研制了諧波電能計量裝置。論文的主要研 究內(nèi)容分以下幾個方面： ( 1 ) 諧波對電能計量的影響分析 當電壓和電流為工頻正弦波時，感應式和電子式兩類電能表都能夠準確反映被測 電能值。當波形發(fā)生畸變時，根據(jù)我國現(xiàn)有電能計量方式，要求電能表仍然能夠準確 計量出流經(jīng)電能表的總電能值。本文綜合了國內(nèi)外文獻，研究了諧波下兩種電能表的 工作情況及計量誤差。為后面的仿真提供理論依據(jù)。 ( 2 )基于旋轉(zhuǎn)變換滑動平均濾波的諧波功率檢測 介紹與本文直接相關的瞬時無功功率理論的諧波測量方法；研究基于滑動平均濾 波的基頻旋轉(zhuǎn)變換并建立基波的功率及電能檢測模型，包括三相及單相的：然后研究 “倍頻旋轉(zhuǎn)變換理論，將其應用于任意次諧波的檢測；最后在此基礎上給出任意次諧 波功率檢測模型。 ( 3 ) 基波及諧波功率檢測的仿真分析 利用了c 語言編程和m a t l a b 聯(lián)合仿真技術，對基波及任意次諧波功率檢測模 型進行了仿真，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，驗證了提出的檢測模型的正確性和有效性。同時對二 階低通濾波和滑動平均濾波的方式進行仿真比較，從濾波器角度分析其對諧波檢測的 影響。通過在仿真語言程序中改變參數(shù)設置，對諧波對電能計量影響的誤差做了簡單 的分析實驗。 ( 4 ) 諧波電能計量裝置的設計 在理論及仿真基礎上，對諧波電能計量裝置進行了設計。裝置的硬件電路主要分 為四部分：前置電路、采樣電路、a r m 主電路和顯示電路。裝置的軟件設計也采用模 塊化設計，主要分為三部分：主程序、采樣子程序、滑動平均濾波子程序和功率電能 計算子程序。 作為一個諧波檢測及其電能計量裝置，嚴格地講它必須具有以下幾種功能：在 任何時刻能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)信號進行數(shù)據(jù)采樣；具有快速、準確地分析包括電流、電 壓和功率在內(nèi)的各種電力基本參量；通過軟件算法分析出諧波對電能計量的影響， 上海海事人學碩士論文屯能計量系統(tǒng)的諧波研究 并加以糾正，使得最終電能計量結(jié)果更加準確；能夠以文本和圖形兩種方式顯示分 析結(jié)果( 如各種參量的波形圖，諧波含量柱狀圖等) ；在必要時，能夠?qū)⒎治鼋Y(jié)果打 印出來；整個計量裝置盡可能的做到功耗較低。這就是本課題的研究內(nèi)容和期望達 到的目標。 上海海事大學碩士論文電能計量系統(tǒng)的苗波研究 第二章諧波對電能計量的影響分析 21 電能計量裝置的分類 我國的電能表研制開始于上世紀5 0 年代，已經(jīng)有半個多世紀的歷史。電能表的分 類情況大致如下【”1 ： ( 1 ) 按結(jié)構(gòu)原理分，有感應式和電予式電能表； ( 2 ) 按被測量電源分，有直流式電能表和交流式電能表； ( 3 ) 按被測量的電能分，有功電能表和無功電能表； ( 4 ) 按接入線路方式分，有直接接入式電能表和互感器接入式電能表； ( 5 ) 按精度等級指數(shù)分，電能表有安裝式( 3 。0 、2 0 、1 0 、0 5 級) ，攜帶式( o 2 、0 1 、0 ，0 5 、 o 0 2 、0 0 1 級1 。 本文主要對感應式和電子式兩種電能表進行分析。 感應式電能表早在1 0 0 多年前就己經(jīng)在世界上生產(chǎn)和應用了，經(jīng)過不斷的改進， 其性能也逐步的完善，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作安全、維修方便、造價低廉、耐用等一系 列的優(yōu)點。目前我國還在大量的使用著感應式電能表。 相對感應式電能表，電子式電能表是國外在7 0 年代發(fā)展起來的一種產(chǎn)品，它是應 用現(xiàn)代電能測量技術和微電子技術構(gòu)成的一類全新的電能表。它與感應式電能表相 比，除了具有測量精度高、性能穩(wěn)定、功耗低、體積小、重量輕等優(yōu)點外，還易于實 現(xiàn)多功能計量，可現(xiàn)場校驗數(shù)據(jù)。它們的性能比較見表2 1 。 表2 1 感應式電能表與電子式電能表的性能比較 感應式電能表電子式電能表 準確度等級o 5 3 o0 0 l 2 0 頻率范圍4 5 5 5 ( h z )4 0 1 0 0 0 ( h z ) 啟動電流 0 0 0 3 x 60 0 0 0 1 1 厶 過載能力4 倍5 1 0 倍 功率消耗大小 外磁場影響較大 小 ( 注：表2 1 中的厶表示電能表輸入的基本電流) p 海海事大學鋇十論文 電能計量系統(tǒng)的諧波研究 2 2 感應式電能表的結(jié)構(gòu)和計量原理 感應式電能表是當前電力用戶普遍采用的電能計量儀表。為了深入研究諧波對供 電系統(tǒng)電h b q , 1 1 量的影響，定量分析感應型電能表在畸變電壓和電流作用卜+ 的誤差特性 是有積極意義的。 ( 1 ) 結(jié)構(gòu) 電能表由電磁元件( 包括電壓元件和電流元件) ，轉(zhuǎn)動元件，制動元件，計度元件， 軸承等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖2 1 所示【6 1 【2 8 】。當電能表接入電路后，電流元件與負載串聯(lián)； 電壓元件與負載并聯(lián)，它兩端的電壓為負載電壓。接線示意圖如圖2 2 所示。 b 載 ，蚴 j w h f b “ 圖2 1 感應式電能表結(jié)構(gòu)示意圖圖2 2 電能表接線示意圖 1 電流元件2 一電壓元件3 鋁制圓盤 4 - 轉(zhuǎn)軸5 永久磁鐵6 蝸輪蝸桿傳動機構(gòu) 負載 電磁元件( 驅(qū)動元件) 包括電壓元件和電流元件，其作用是產(chǎn)生電磁驅(qū)動力矩，使 電能表轉(zhuǎn)動。制動元件由永久磁鐵和鋁盤組成，其作用是當鋁盤轉(zhuǎn)動時切割永久磁鐵 的磁力線而產(chǎn)生感應電流，感應電流與磁鐵的磁通作用，產(chǎn)生與電磁力矩方向相反的 制動力矩。計量元件由蝸輪、蝸桿、齒輪和鼓輪等組成，用來累計電能表圓盤的轉(zhuǎn)數(shù)， 并以電度數(shù)表示。軸承一般用寶石制成，起定位導向作用和支撐轉(zhuǎn)動部件的作用。調(diào) 整線圈用于調(diào)整電壓工作磁通的相角，使其在額定頻率下與電流工作磁通間的夾角和 功率因數(shù)角之和為9 0 度，以保證在不同的功率因數(shù)下計量的準確性。 ( 2 ) 計量原理 如圖2 3 所示，在測量時，電壓線圈被加以被測電壓u ，電流線圈通以負載電流i t 。 因電壓線圈匝數(shù)多，磁路問隙小，故自感非常大，它產(chǎn)生的磁通哦比電壓u 滯后9 0 。； 上海海事大學碩1 “論文電能計量系統(tǒng)的諧波研究 轉(zhuǎn)船 k 線吲娥路 永久磁鐵 墨離匡二當 電流線 鞘磁端 圖2 3 感應式電能表工作原理示意圖 而由于電流線圈匝數(shù)少，因而其產(chǎn)生的磁通鋤與i l 同向。磁通蛾和吼穿過轉(zhuǎn)盤，產(chǎn)生 渦流和移動磁場，致使轉(zhuǎn)盤在磁場作用下旋轉(zhuǎn)。 蛾與i l 的有效值吐成正比，吼和u 的有效值啾正比，若吼滯后“正好9 0 。，則在轉(zhuǎn)盤 上產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)動力矩m 為 m = c l 丸破s i n ( 9 0 。一妒) = c u l lc o s l 4 0 = c p ( 2 - 1 ) 式中：c l 、c - 一比例系數(shù)；痧一u 與丘的相位差； p 一負載消耗的有功功率。 由式( 2 1 ) 可見，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動力矩與負載功率成正比。當感應電能表所接負載功率 不變時，轉(zhuǎn)盤受到一個不變的轉(zhuǎn)動力矩作用。但如果只有此轉(zhuǎn)動力矩存在，那么只要 它略大于轉(zhuǎn)盤支撐系統(tǒng)的摩擦阻力矩，轉(zhuǎn)盤就會做等加速旋轉(zhuǎn)，這顯然不能正確反映 負載消耗電能的大小。因此，在感應式電能表中，安裝有制動磁鐵，它產(chǎn)生的磁場與 轉(zhuǎn)盤中的響應渦流相互作用，產(chǎn)生制動力矩 靠使轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度與被測負載的功率 成正比。 根據(jù)電磁感應定律，此反抗力矩m i i e 比于轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)角速度，若轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為n ， 則有 m ，= n( 2 - 2 ) 式中：k 卜為常數(shù)。 在轉(zhuǎn)動力矩與反抗力矩的共同作用下，轉(zhuǎn)盤最終勻速旋轉(zhuǎn)的平衡條件為 m = m f ，甄以南 c p = k h( 2 - 3 ) 卜海海事人學碩士論文 電能計量系統(tǒng)的諧被研究 于是 忙云肚妒 ( 2 4 ) 式中：為常數(shù)。 由式( 2 4 ) 可知，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n 證比于負載消耗的有功功率p 。 假定在一段時間丁內(nèi)負載消耗的功率不變，且轉(zhuǎn)盤以轉(zhuǎn)速麟專過的圈數(shù)為，即 n ：n t ，則丁時間段內(nèi)，負載所消耗的電i l w j , j 緲= s p d t = p 丁2 去一r2 石1 ( 2 - 5 ) 從式( 2 5 ) 可見，負載所耗電能完全可由，時間段內(nèi)電能表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)確定，且正 比于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)。 式( 2 5 ) 可改寫成k 。專n r ( k w ) 。這表明，墨體現(xiàn)了電能表計數(shù)每增加1 t 形 磷專盤轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，故砭又被稱為“電能表常數(shù)”。 最后，通過轉(zhuǎn)軸上的蝸桿、渦輪使計數(shù)器的齒輪旋轉(zhuǎn)進行計數(shù)，經(jīng)計算機構(gòu)的轉(zhuǎn) 換，從計數(shù)器指示窗口處可直接讀出負載消耗的電能數(shù)i 。 2 3 電子式電能表的結(jié)構(gòu)和計量原理 電子式電能表是在數(shù)字功率表的基礎上發(fā)展起來的，由于其準確度高，可靠性強， 防竊電功能好等特點，必將得到更廣泛的應用。電子式電能表采用乘法器實現(xiàn)對電功 率的測量，它是電子式電能表的核心。根據(jù)所采用乘法器的不同，可以將電子式電表 進一步劃分為兩類。 2 3 1