牵引供电系统电能质量检测系统算

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 4.92MB 93 页 15积分
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摘要
随着国民经济的发展和生产技术的不断提高,各种电器设备,特别是大功
电力电子装置在电气化机车中使用越来越广泛,他们在电网中会产生大量的谐
与负序污染,大量的谐波分量不仅会引起供电系统继电保护装置的误动作而引
不同的供电事故,如不能在牵引变电站得到及时治理,将注入电力系统,影响
网,波及一般用户,随着城铁和地铁的发展,这一矛盾日益突出。由于电气化
路机车沿铁路移动用电,其产生的危害性远比其它任何谐波源设备更为严重,
为广泛。治理谐波的先决条件是对不同工况下的谐波状行合理监测和细致
析,而国内绝大多数供电站段都不具有相关的分析仪器和设备。因此,根据我
电气化铁路的自身特点,研制携带方便、分析功能强大而且符合铁路工作习惯
要求,高性价比的、多功能、便携式谐波检测分析装置显得尤为重要。
针对牵引供电系统中会要求检测多达 16 路电压(电流)信号,谐波检测次数
最高达到 63 次谐波,而现有大多数电能质量检测设备只适用于三相四线制系统,
检测文以16 12 步采集卡 PCI2008 FLUKE is200
流钳、“兵字”电压互感器为硬件基础,采用 LabVIEW 为软件平台,设计了适合
我国牵引供电系统电能质量检测与分析系统。系统对频率的测量分别采用了三
法和线性调频变换(CZT),发现三点法抗干扰能力较差,仅适用谐波含量较少的
系统中,本文对三点法的误差进行了分析,得出了其数学机理,并制定了相应
抑制方案,取得了较好的应用效果;而 CZT 法虽然所需数据量较大,但精度高,
定性好,测量误差仅为±0.04Hz;系统对功率数的求取分别讨论Budeanu
Fryze ,并用对比统的角形Hilbert 波法求取功功率的
果,直角角形法测量的功率性,但其简单性好
Hilbert 波法求取果不直观;系统通分析牵引供电系统中所采用的线方
式,推导出不线方式下一序电流,序电流和负序
构成封闭的三特点理和量法求取负序电流
验证法具有较高精度;在对谐波谐波进行检测时,尝试采用
字信号分析理来进行分析,发现 Hilbert-Huang 变换检测方法,在对信号进行经
验模态(EMD)时,由于电压电流信号基本分量远大于其他各次谐波分量而
致的模态混叠将各次谐波特别是高频且含量较谐波,虽
相关提出态混的方法,但是不便于在实际中应
数因其时具有自适应的特点,在检测号中得到广泛应用
波变换不能如傅里测到频率的谐幅值和相位,
试验中,信号时产生的混叠较严重,出的谐波分量含有
他次谐波数的作用是作为带波器使用的,使得解后的信号有不同
度的衰减实际应用须解决好信号衰减问题系统根据
10
LabVIEW Access 数据技术现了牵引变电所数的修改增加删除功能,
电能质量测量数、谐波与数的 95%率统计分析功能,并对分析统计
果生成报表文件。目前该系统在北京铁路局石家庄供电段的广线、石太客专
石德线上运行,系统功能正常,得到铁路工作人员首肯
键词:电能质量 牵引供电系统 谐波检测 波分析
LabVIEW
Abstract
With the development of national economy and the continuous improvement of
production technology, all kinds of electrical equipment, especially high-power power
electronic devices used in electric locomotive more and more widely, they would lead a
lot of harmonics and negative sequence polluting the power network. A large number of
harmonic components would lead to power system relay protection device malfunction,
and then they caused the different power supply incidents. If they can not receive timely
treatment in the traction substation, they would be injected into the power system and
affect the whole network, spread to the general user. With the the development of the
suburban railway and subway, this contradiction is increasingly prominent. As the
electric railway locomotive moving along the railway, producing harmonic is more
serious and more widespread than any other harmonic source. The prerequisite for
harmonic filtering solution is rational harmonic condition monitoring and careful
analysis under different conditions. majorities of the power stations do not have related
analytical instruments and equipment. Thus, according to its own characteristics of our
Railway Electrification, developing a harmonic detection device of portable, powerful
and, cost-effective, versatile, consistent of the railway work habits and requirements is
very important.
Traction power supply system required testing up to 16 voltage (current) signal and
harmonic detection of up to 63 times, while the majority of power quality testing
equipments available are applicable to the three-phase four-wire system, less testing
channels. This paper designed an electric traction power supply system for China
Quality Inspection and analysis system, using Art 16-way 12-bit simultaneous
acquisition card PCI2008 and FLUKE is200 current clamp, "Bingzi" voltage
transformer as the hardware basis, LabVIEW as the software platform. Frequency
measurement system used three-point algorithm and chirp Z transform (CZT), finding
that three-point algorithm has poor anti-interference ability. it was only fit for systems
with less harmonic content. The paper deduced the mathematical mechanism of three-
point algorithm frequency measurement error. Based on the mechanism, it got the
optimal sampling point interval when error was the minimum. Finally, through the least
square method to fit phase angle between two sample points Although CZT algorithm
required the amount of data, but its high accuracy, good stability and measurement error
is only ± 0.04Hz. System calculating power parameters discussed Budeanu theory and
Fryze theory. Comparing the traditional method of right angled triangle with Hilbert
filter method, found that the result of reactive power calculating by right triangle
method is without direction, but its calculation is simple, stable. the result of Hilbert
filter method is not intuitive. Through analyzing the wiring way in traction power
supply system, deduced that the mode of connection does not produce zero sequence
current in the primary side. Symmetric positive sequence current and negative sequence
current can constitute a closed triangle, and use law of cosines and symmetry to obtain
the negative sequence current, experimental results show that the method has high
accuracy. In the harmonic and inter-harmonic detection, the paper attempt to use
modern digital signal analysis theory to the analysis, found that when using Hilbert-
Huang transform to detect the harmonic, dispose the signal with empirical mode
decomposition (EMD), as the basic component of voltage or current signal is much
larger than the other harmonic components, that caused mode mixing, can not separate
the harmonics specilly the high-frequency harmonic components. Although the
literature suggested some solutions to discrease the effection, computational complexity
make it not easily applied in engineering practice. Wavelet function, the time-frequency
window is adaptive, is widely used in detecting non-stationary signals field. But wavelet
transform can’t detect a defined frequency harmonic amplitude and phase like Fourier
transformation. In the test, when the signal reconstruction generated the wavelet aliasing
much serious. the harmonic decomposed contained the other harmonics. The wavelet
function was used as a bandpass filter, making the decomposed signal have different
levels of attenuation. The practical application must resolve wavelet aliasing and signal
degradation. System based on actual needs, achieving the function of recording the 10
waves before the fault, and time adjustable after fault. Use LabVIEW and Access
database technology to achieve the function of the traction substation parameters
modifing, adding, deleting, 95% probability of power quality measurement parameters,
harmonic and inter-harmonic parameters statistical analysis, and generated report file
about analysis results. The system currently is running in the Beijing-Guangzhou line,
Shijiazhuang-Taiyuan passenger dedicated line and shijiazhuang-dezhou line in
Shijiazhuang Section of Beijing Railway Bureau power supply section. System is
running normal and received well.
Key words: power quality, traction power supply system, harmonic
detection, wavelet analysis, Soft Lock, LabVIEW
目录
中文
Abstract
绪论......................................................................................................................1
§1.1 电能质量的基本问题...........................................................................................1
§1.2 电能质量分析的国内现状..............................................................................3
§1.2.1 频率...............................................................................................................3
§1.2.2 功功率.......................................................................................................4
§1.2.3 负序...............................................................................................................4
§1.2.4 谐波...............................................................................................................5
§1.2.5 谐波...........................................................................................................8
§1.2.6 国内现有产对比...................................................................................9
§1.3 课题来源及研究意义..........................................................................................9
§1.4 文的研创新................................................................................10
第二章 牵引供电系统的构成及特点...........................................................................13
§2.1 牵引供电系统的构成........................................................................................13
§2.2 牵引网的供电方式与供电........................................................................14
§2.3 北京属部分站段供电结构特点............................................................16
牵引供电中电能质量分析的研...................................................................18
§3.1 频率测量............................................................................................................18
§3.1.1 基于线性调频变换(CZT)的频率测量.......................................................18
§3.1.2 三点法测频率.............................................................................................19
§3.1.3 三点法误差分析与抑制.............................................................................19
§3.2 功功率的测量.................................................................................................23
§3.2.1 直角角形............................................................................................24
§3.2.2 Hilbert 波法............................................................................................25
§3.3 负序电流的测量................................................................................................26
§3.3.1 负序电流的通用达式............................................................................26
§3.3.2 在不同线方式下负序电流的计........................................................26
§3.4 谐波法的研................................................................................................30
§3.4.1 基于傅立叶变换的谐波分析....................................................................31
§3.4.2 基于 Hilbert-Huang 变换理的谐波分析...............................................33
§3.4.3 基于波分析的谐波检测........................................................................35
§3.5 章小结.............................................................................................................41
牵引供电电能质量分析系统设计...................................................................42
§4.1 电能质量分析系统的各项指标及要求...........................................................42
§4.2 系统硬件的设计...............................................................................................43
§4.3 系统软件的设计...............................................................................................44
§4.3.1 LabVIEW 编程语言简介..........................................................................45
§4.3.2 电能质量分析系统的各功能模块设计....................................................45
§4.3.3 基于软相技术的谐波检测.....................................................................51
§4.4 章小结............................................................................................................56
第五章 牵引供电系统电能质量分析系统的.......................................................57
§5.1 系统前面板功能说明.......................................................................................57
§5.2 场实验结...................................................................................................62
§5.2.1 广线变电所测................................................................................62
§5.2.2 石太客专某变电所测............................................................................65
§5.2.3 石德线变电所测................................................................................68
§5.3 场实验结果分析...........................................................................................71
§5.4 章小结...........................................................................................................71
第六章 结论...................................................................................................................73
附录 A 国内外主要电能质量分析仪的基本数及性能.............................................76
附录 B..............................................................................................................................77
附录 C..............................................................................................................................79
附录 C-1 广线SS 某型电力机车取流谐波含量报表...................................79
附录 C-2a 石太客专某CRH 某型电力机车取流谐波含量报表..........................81
附录 C-2b 石太客专某CRH 某型电力机车取流电能质量数测量报表..........83
附录 C-3a 广线CRH 某型电力机车取流谐波含量报表..............................85
附录 C-3b 石德线SS 某型电力机车取流时电能质量数测量报表.............86
参考.........................................................................................................................90
绪论
第一章 绪论
电能作为们广泛使用的能源,其应用是一发展合国
标志之一。满足生产、会和民生对电能需求量的同时,提高对
电能质量的要求是发展果,是一生产
达、平提高、会文明程度进步的现,是强用电效率、降耗改善
环境提高国民经济的总体效益以及工生产可持续发展的技术保[1]电能质
量的优劣电力系统平高重要标志,检测、
电能质量是保电力系统自身可持续发展的要条件。
§1.1 电能质量的基本问题
从普遍意义讲,电能质量是指优供电。但用户和供公司对电能质
着不同的认识不能出一个准确统一的定目前电能质量要使用以下
[1]
1电能备提地系
适合于设备的正常工作。这一定来自 IEEE 标准委员出的电能质量
(power quality)的技术定
2能质下不干扰用户使
理特性。来自 IEC(1000-2-2/4)标准根据这一定,现电能质量
证额定电压和频率下的正弦形外还包括频率差、电压差、电压波动于
变、三相不平形畸变、所有电压变现,如冲击脉冲电压跌落
及供概括了电能质问题因和果,还包供电
性的问题
3能质特性
根据定的基技术数来价。是由国电工委员会(IEC出。
根据这一为电能质是电压质量,电能质量定频
率和幅值正弦电压与连续供电。
由以义可电能质量是一个综素可以影响电能质
量。为了系统、地分析研电能质量问题,并能对其进行测量和果分析,
出引起电能质问题因和采取针对性的,需出电能质
的具体评指标电能质量标可以分电能质量
能质量指标
1-1 电能质量扰动的性质、特征指标、产生因、危害以及
类型 扰动性质 特征指标 产生 危害
频率稳态 频率,频率差 发电机转速变化 1) 产生点击转速差;2)通信设备的误上升 发电机调
电压稳态 电压有效,电
,电源电压
1)设备的行性能化,效率2)寿
命减3)生产效率降低4)电压不定,严重时
变压器调
压 ,
1
牵引供电系统电能质量检测系统法及现研
5)影响工的质量和产量;6)
受损
7)有功损耗损耗以及电压损失增加
功率因
过低
稳态
功率因
功率
功功率不
1)线路2)线路过载3)
压器的铜损加大、发热容减小
补偿
谐波 稳态
谐波频,信号
线性负
关负
1)设备产生附加损耗2)影响电气设备的正常工作;3)
电机产生机械振噪声4)电气设备
5)电网谐6)继电保护和自动装置误动作;7)
气测量仪计量不准确8)干扰设备的通系统
有源、
三相不平
稳态
不平度,负序
有效
三相不平
1)电子设备损坏2)继电保护和自动装置误动作;3)
压器铁损加大,变压器发减小4)用户对功率
需求大,增加用户用电量
静 止 功 功
补偿
电压 稳态 持续幅值 动器 1)计时器计时误;2)干扰通信
器、
电感器
电压波动
稳态
波动,出现
频度,调制频率
弧 炉 ,电机
1)2)大的波动会使设备产生谐
设备3)机工作不,引
起电机
静 止
振荡 暂
线路、和电
投切
1)设备绝缘损坏2)损坏电力电子设备
波器、
变压器、避雷
态脉冲
上 升
持续
电 电 线路,
感性电路
1)设备绝2)强的变会穿电子设备;3)
器件的使用寿命
避雷
时电压
变动
幅 值 持 续
/
生时
发生故
电动机
1)多特的生产降低生产功效和产
质量,成直接经济2)机工作不正常
引起电机3)器件的使用寿命穿
设备 4)设备的损坏
断电源、
电 压
噪声
稳态/
幅值/
正常接地 ,
关负
1)微处理器制设备部正常运行;2)干扰通3)损耗
增加
地 ,
持续断电
稳态
有效/,误
1)系统有功和功的平2)系统频率及电
压严离正常值能系统频崩溃和电
3)对国民经济其他行产生重大影响,致生产
停顿活混4)危及身和设备全,国民经济
带来严重损失
自动重合
动 备
用电源
稳态 幅值
干扰,
1)流变压器于发生2)引起变压
器铁3)和其他电气
的电腐蚀
器,波器
1) 统电能质量 统电能质量价都是以电力自身需要而
定的标准定的的的电能质量标主要有、频
差和电压差。
2) 电能质量 电能质量统的电能质量
指标外还包括如下一电能质量指标:三相不平时电压中断、
时电压上升(下)、电压波动与变、谐波与谐波、移、电压、电压
2
绪论
态脉冲振荡电压和电压。
各种电能指标的扰动会力系统和用户用电设备带来可预测的危害,现
将电力系统中各种电能质量扰动的性质、征指标产生因、危害以及
归纳1-1
§1.2 电能质量分析的国内现状
§1.2.1 频率
电力系统频率是电力系统统一的一种数,国家标准 GB/T 15945
1995 电力系统频率允许定以 50Hz 正弦波作为我国电力系统的标准频率
(工频),并定电力系统正常的频率标准50Hz±0.2Hz系统量较时,
放宽50Hz±0.5HzGB/T 159451995 电力系统频率允许中并
说明系统量大全国供用了供电频率的
电网量在 3000MW 及以0.2Hz;电网量在 3000MW 以下0.5Hz
际运行中,我国各跨省电力系统频率的允许差都保±0.1Hz
[2]先对定的采点序使用点测频法进行测频,然基于
次测得的频率采用日线列抽的采
测频法测得最的频率;文[3]提出了一种在三角函数变换基
的数据合方法,对经数字的信号波3
数据本,出求信号频率的线性方进而出方数,求出
率;文[4]过加Hanning减小对采信号FFT变换时所带来的频
泄露栅栏效应,并在此基础提出采用信号频率值算,通仿真
法的正确现性;文[5]、文[6]提出了一种CZT正弦频率
法,方法合了CZT高精度的特点,与直接FFT进行了运算
量对比,证明法具有好效果,但文[6]所提出的FFTCZT
在对数的FFT基波线
频变换,在理论上需进一步论证;文[7]递归波对信号进行变换测量
电压频率文中所采用的波,变换含有信号的相
幅值波变换系数的相位能测量出信号的频率,
谐波和噪声况下,最大相对误差仅为0.0144
§1.2.2 功功率
流电路中,由电源电功率有种;一种是有功功率,一种
功功率。有功功率是将电能换为其他能量的电功率也就是保用电
正常所需的电功率功功率是用于电路内电,并用来
电气设备的电功率功率不对功,只是将电化为
其他式的能量是有电线的电气设备,要耗无功功率
[8][9]和文[10]三相正弦路中
概念中的有功功率、功功率、在功率和功率因素等概念都能清楚的定
功率比较复杂比如电压电流中含有谐相电路不时,
3
牵引供电系统电能质量检测系统法及现研
概念准确地对其进描述正弦统中功功率时根据功率
来定的,目前方法,一种是不具性的根据功率角形关系
直接由有功功率和功率求出一种是具有方性的,先将电压测移动
N/4点和电流的求出平时功率;在非正弦系统中国际上主
,一种是功功率同变功率合广功功率的Budeanu
一种Fryze将电分为有功电流功电流,并功电流产生
功电流,目前线性系统中功率的计统中方法
有通Hilbert波器将各次谐波电压信号移相90°求平均瞬时功率的方法。
§1.2.3 负序
负序电流检测在电能质量监测与、继电保护中起着重要作用
到电能质量制装置、继电保护装置的工作性能。根据对分量法,三相系统中的
电量均可序分量、负序分量和序分量三分量。电力系统在正常运
行方行下,测出各相电量的及相位,按照分量可算出三序分
量。
[11]直接在时对电流移相60° 进行计得到各序分量时性较差;
[12]的方式(PLL)取同步变换是变相采用数
个周行计频率;文[13]
出一种基量的检测方法,但法需提取出电力系统电压信号的基波
分量,然基波序分量和负序分量移相90°,具有一定的时误差;文[14]
提出的基功功率理数字化检测方法,适用于基波及各次谐波电流
序和负序分量检测,提高谐波电流的检测精度,而电压波动或畸
不检测电功分量时检测各序分量影响,具有较高精度;[15-16]三相
电源电压进行Clark变换得到 ,用 的作为同步
电压出现不对况时, 的并不能,负序电流检测精度会
到影响。
§1.2.4 谐波
车)现由动的变。技术的应
对电力系统的污染,以及对通信系统的干扰,然而由于制方式具
有其性,的相机车引入了更多的问题,比如由此产生的谐波
牵引供电路、道电路、通信信号以及电力机车电路的变压器将会产生较
大影响。由于电气化铁路机车沿铁路移动用电,其产生的危害性远比其它任何
波源设备更为严重,更为广泛。
任何正弦波电压、电流信号,对其进里叶数分
了得到与基波频率相同的分量,得到一系于电网基波频率的
量,这分分量为谐波。一般含有与供电相同设计行频率(我国工频为
4
摘要:

牵引供电系统电能质量检测系统算法及实现研究摘要随着国民经济的发展和生产技术的不断提高,各种电器设备,特别是大功率电力电子装置在电气化机车中使用越来越广泛,他们在电网中会产生大量的谐波与负序污染,大量的谐波分量不仅会引起供电系统继电保护装置的误动作而引发不同的供电事故,如不能在牵引变电站得到及时治理,将注入电力系统,影响全网,波及一般用户,随着城铁和地铁的发展,这一矛盾日益突出。由于电气化铁路机车沿铁路移动用电,其产生的危害性远比其它任何谐波源设备更为严重,更为广泛。治理谐波的先决条件是对不同工况下的谐波状况进行合理监测和细致分析,而国内绝大多数供电站段都不具有相关的分析仪器和设备。因此,根据我...

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