谐波对电能计量的影响及计量装置的研究
|
摘要
随着非线性负荷的增加,系统电压和电流发生畸变,波形不再为正弦波,而是根据非线性负荷的特点,含有一定量的谐波分量。这就使得传统的功率测量理论不再适合实际中的情况。因此如果仍然使用原有的功率测量装置将给电能计量带来很大误差。如何找到一种新的功率定义,使它既能满足传统的测量要求,也能适应新的功率测量环境就成为一个很有实际意义的问题。在此之前,有必要首先从理论上分析谐波影响电能计量的机理,并尽可能确定这一影响的程度,从而为更好的理解各种功率理论的实际意义,并对他们做出比较奠定基础。
首先,通过理论分析和仿真试验,找到并验证了谐波对电能计量产生影响的原因,并定量的对这一影响作出了分析。然后列举出了现有的各种非正弦条件下的功率理论,对他们作了一定的研究、分析,通过仿真,定量的比较了根据各种功率理论得到的测量结果,选择出了适用于非正弦条件下功率测量的功率定义。
在理论分析的基础上,将理论应用于实践,研究并开发了新型的适合于非正弦条件下电参量测量的谐波电能表。测量装置以DSP(数字信号处理器)为核心处理器,运用FFT计算将时域信号转换到频域计算各种交流电参量,采用锁相环倍频跟踪电网频率,消除采样同步误差。通过对装置进行测试,分析测试结果,装置达到了设计要求,具有较高的精度。最后,对装置提出了进一步改善的方案。
It is necessary to improve the traditional measuring techniques and measuring device used in the Power system as the increased applications of nonlinear loads. The main work of this paper is the research of the influence of harmonic to the metering of electric energy and the research of the power theory and its application under non-sinusoidal situation in power system.
By the analysis of theory and the simulation based on PSIM software, find out how the harmonic effect the metering of electric energy. Then, after some comparisons of the presenting power theories, a preferred power theory was chosen for the measurements under non-sinusoidal situation.
For making the chosen power theory be applied to practice, a design of DSP based power meter was presented. The detailed design of the hardware and software structure of this meter was discussed. Finally the test result of the meter and some improvement projects was presented.
首先,通过理论分析和仿真试验,找到并验证了谐波对电能计量产生影响的原因,并定量的对这一影响作出了分析。然后列举出了现有的各种非正弦条件下的功率理论,对他们作了一定的研究、分析,通过仿真,定量的比较了根据各种功率理论得到的测量结果,选择出了适用于非正弦条件下功率测量的功率定义。
在理论分析的基础上,将理论应用于实践,研究并开发了新型的适合于非正弦条件下电参量测量的谐波电能表。测量装置以DSP(数字信号处理器)为核心处理器,运用FFT计算将时域信号转换到频域计算各种交流电参量,采用锁相环倍频跟踪电网频率,消除采样同步误差。通过对装置进行测试,分析测试结果,装置达到了设计要求,具有较高的精度。最后,对装置提出了进一步改善的方案。
It is necessary to improve the traditional measuring techniques and measuring device used in the Power system as the increased applications of nonlinear loads. The main work of this paper is the research of the influence of harmonic to the metering of electric energy and the research of the power theory and its application under non-sinusoidal situation in power system.
By the analysis of theory and the simulation based on PSIM software, find out how the harmonic effect the metering of electric energy. Then, after some comparisons of the presenting power theories, a preferred power theory was chosen for the measurements under non-sinusoidal situation.
For making the chosen power theory be applied to practice, a design of DSP based power meter was presented. The detailed design of the hardware and software structure of this meter was discussed. Finally the test result of the meter and some improvement projects was presented.
引文
【1】山西省电力工业局.电测仪表(高级工)[M] .北京:中国电力出版社,1997.372-384
【2】肖宇.谐波对电能计量的影响[J] .湖南电力,2000,20(6):41-42
【3】梁原华.非线性负载的电能计量分析[J] .电测与仪表,1999,36(7):25-26
【4】杨本渤.谐波对电能计量仪器的研究[J] .电测与仪表,1993(11):5-10
【5】韩如成,赵旭,王畅,等.谐波对电能计量影响的分析及对策研究[J] .太原重型机械学院学报,2002,23(3):216-240
【6】朱学军.谐波对电能计量的影响[J] .华东电力,2004,32(8):1-2
【7】包国荣.论电力谐波的产生机理、危害及治理措施[J] .咸宁师专学报(自然科学版),1998,18(3):4-5
【8】吴竞昌等.电力系统谐波[M].北京:水利电力出版社,1988
【9】Y. Baghzouz,OwenT. Tan.Harmonic Analysis of Induction Watthour Meter performance,IEEE Transaction on power Apparatus and System.vol.PAS-104,No.2,February 1985,399-406
【10】 高笑,王步云,龙燕,等.电力谐波及其对电能计量的影响[J] .后勤工程学院学报.2004(2):2-3
【11】 王兆安,杨君,刘进军,谐波抑制和无功功率补偿[M] .机械工业出版社
【12】 C.Budeanu, “Reactive and fictitious powers,” Rumanian National Institute, No. 2, 1927
【13】 S.Fryze, “ Wirk- Blind- und Scheinleistung in elektrischenStromkreisen mit nichtsinusf?rmigem Verlauf von Strom undSpannung,” Elektrotechnishce Zeitschrift, No. 25, pp 596-99, 625-627,700-702, 1932
【14】 P. Filipski, “A new approach to reactive current and reactive power measurements in nonsinusoidal systems,” IEEE Trans. on Inst. andMeas., Vol. 29, No. 4, pp 423-426, Dec 1980
【15】 N. L. Kusters and W. J. M. Moore, “On the definition of reactive powerunder nonsinusoidal conditions,” IEEE Transaction on PowerApparatus and Systems, Vol. PAS-99, No. 5, pp 1845-1854, Sept/Oct 1980
【16】 C. H. Page, “Reactive power in nonsinusoidal situations,” IEEETransactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 29, No. 4, pp420-423, Dec. 1980
【17】 W. Shepherd and P. Zakikhani, “Suggested definition of reactive powerfor nonsinusoidal systems,” PROC. IEE, Vol. 119, No. 9, pp1361-1362,Sept 1972
【18】 L.S.Czarnecki, “Considerations on the reactive power in nonsinusoidalsituations,” IEEE Trans. on Inst. and Meas, Vol. 34, No. 3, pp 399-404,Sept 1985
【19】 R. Arseneau, Y. Baghzouz, J. Belanger, K. Bowes, A. Braun, A.Chiaravallo, M. Cox, S. Crampton, A. Emanuel, P. Filipski, E. Gunther,A. Girgis, D. Hartmann, S.-D. He, G. Hensley, D. Iwanusiw, W.Kortebein, T. McComb, A. McEachern, T. Nelson, N. Oldham, D. Piehl, K. Srinivasan, R. Stevens, T. Unruh, and D. Williams, “Practical definitions for powers in systems with nonsinusoidal waveforms and unbalanced loads: a discussion,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, pp. 79-101, Jan. 1996
【20】 张雄伟.DSP 芯片的原理与开发应用[M].电子工业出版社
【21】 “TMS320F206 Data Sheet” TI Ltd.
【22】 “MAX125 Data sheet” Maxim Ltd
【23】 邓贤照、徐英凯.快速傅立叶变换浅谈[M].水利电力出版社,1994.4
【24】 (美)布赖姆(E.O.Brigham) .快速傅立叶变换[M].上海科学技术出版社,1979
【25】 Piotr.Filipski,The Measurment of Distortion Current and Distortion Power.IEEE Trans.Instru.meas,VoL.IM-33,No.1,March 1984
【26】 Begovic.M.M, Djuric.P.M. Frequency Tracking Power network works in the Presence of Harmonics, IEEE Trans on PWRD, 1993,8(2)
【27】 A. Robert and T. Deflandre, “Guide for assessing the network harmonic impedance, ” Electra, No 167, pp 97-131, August 1996.
【28】 L.S. Czarnecki, “On-line measurement of equivalent parameters for harmonic frequencies of a power distribution system and load, ” IEEE Trans. on Inst. and Meas, Vol. 45, No. 2, pp. 467 - 472, April 1996.
【29】 胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现[M].清华大学出版社,1998
【30】 王念旭.DSP 基础与应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社,2001
【31】 张松春.电子控制设备抗干扰技术及其应用[M].机械工业出版社,1995
【32】 刘晋平.畸变波形对感应式电度表计量电能的影响[J].河南电力,1993.4
【33】 “TMS320F206 Data Sheet” TI Ltd.
【34】 “TMS320C2xx DSP Users Guide”, TI Ltd., 1995.
【35】 “TMS320C1x/C2x/C2xx/C5x Assembly Language Tools”, TI Ltd. ,1995.
【36】 ANSI/IEEE, “Recommended practice and requirement for harmonic control in electric power systems, ” . USA: ANSI/IEEE, 1992.
【37】 E. D. Rice, “Adjustable speed drive and power rectifier harmonics – their effect on power system components, ” IEEE Trans. Ind. App, Vol. 22, No.1, Jan./Feb. 1986.
【38】 关勇,王树一.谐波对电能表计量影响的研究[J].内蒙古电力技术,1999.1
【39】 谢筑森.单片机开发与典型应用设计[M].中国科技大学出版社,1997
【40】 陈书开,谭汉松.单片计算机的硬件软件及应用[M].中南工业大学出版社,1994
【41】 王树勋.MCS-51 单片机开发系统与监控分析[M].机械工业出版社,1992
【42】 马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计[M].北京航空学院出版社,1997
【43】 施善定.液晶与显示应用[M].华东化工学院出版社,1993
【44】 刘永智,杨开愚.液晶显示技术[M].电子科技大学出版社,2000
【45】 李维偍、郭强．液晶显示应用技术[M].电子工业出版社,2000
【46】 彭启琮.DSP 与实时数字信号处理[M].电子科技大学出版社,1995
【47】 Maguire.开发过程调试技术[M].电子工业出版社,1995
【2】肖宇.谐波对电能计量的影响[J] .湖南电力,2000,20(6):41-42
【3】梁原华.非线性负载的电能计量分析[J] .电测与仪表,1999,36(7):25-26
【4】杨本渤.谐波对电能计量仪器的研究[J] .电测与仪表,1993(11):5-10
【5】韩如成,赵旭,王畅,等.谐波对电能计量影响的分析及对策研究[J] .太原重型机械学院学报,2002,23(3):216-240
【6】朱学军.谐波对电能计量的影响[J] .华东电力,2004,32(8):1-2
【7】包国荣.论电力谐波的产生机理、危害及治理措施[J] .咸宁师专学报(自然科学版),1998,18(3):4-5
【8】吴竞昌等.电力系统谐波[M].北京:水利电力出版社,1988
【9】Y. Baghzouz,OwenT. Tan.Harmonic Analysis of Induction Watthour Meter performance,IEEE Transaction on power Apparatus and System.vol.PAS-104,No.2,February 1985,399-406
【10】 高笑,王步云,龙燕,等.电力谐波及其对电能计量的影响[J] .后勤工程学院学报.2004(2):2-3
【11】 王兆安,杨君,刘进军,谐波抑制和无功功率补偿[M] .机械工业出版社
【12】 C.Budeanu, “Reactive and fictitious powers,” Rumanian National Institute, No. 2, 1927
【13】 S.Fryze, “ Wirk- Blind- und Scheinleistung in elektrischenStromkreisen mit nichtsinusf?rmigem Verlauf von Strom undSpannung,” Elektrotechnishce Zeitschrift, No. 25, pp 596-99, 625-627,700-702, 1932
【14】 P. Filipski, “A new approach to reactive current and reactive power measurements in nonsinusoidal systems,” IEEE Trans. on Inst. andMeas., Vol. 29, No. 4, pp 423-426, Dec 1980
【15】 N. L. Kusters and W. J. M. Moore, “On the definition of reactive powerunder nonsinusoidal conditions,” IEEE Transaction on PowerApparatus and Systems, Vol. PAS-99, No. 5, pp 1845-1854, Sept/Oct 1980
【16】 C. H. Page, “Reactive power in nonsinusoidal situations,” IEEETransactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 29, No. 4, pp420-423, Dec. 1980
【17】 W. Shepherd and P. Zakikhani, “Suggested definition of reactive powerfor nonsinusoidal systems,” PROC. IEE, Vol. 119, No. 9, pp1361-1362,Sept 1972
【18】 L.S.Czarnecki, “Considerations on the reactive power in nonsinusoidalsituations,” IEEE Trans. on Inst. and Meas, Vol. 34, No. 3, pp 399-404,Sept 1985
【19】 R. Arseneau, Y. Baghzouz, J. Belanger, K. Bowes, A. Braun, A.Chiaravallo, M. Cox, S. Crampton, A. Emanuel, P. Filipski, E. Gunther,A. Girgis, D. Hartmann, S.-D. He, G. Hensley, D. Iwanusiw, W.Kortebein, T. McComb, A. McEachern, T. Nelson, N. Oldham, D. Piehl, K. Srinivasan, R. Stevens, T. Unruh, and D. Williams, “Practical definitions for powers in systems with nonsinusoidal waveforms and unbalanced loads: a discussion,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, pp. 79-101, Jan. 1996
【20】 张雄伟.DSP 芯片的原理与开发应用[M].电子工业出版社
【21】 “TMS320F206 Data Sheet” TI Ltd.
【22】 “MAX125 Data sheet” Maxim Ltd
【23】 邓贤照、徐英凯.快速傅立叶变换浅谈[M].水利电力出版社,1994.4
【24】 (美)布赖姆(E.O.Brigham) .快速傅立叶变换[M].上海科学技术出版社,1979
【25】 Piotr.Filipski,The Measurment of Distortion Current and Distortion Power.IEEE Trans.Instru.meas,VoL.IM-33,No.1,March 1984
【26】 Begovic.M.M, Djuric.P.M. Frequency Tracking Power network works in the Presence of Harmonics, IEEE Trans on PWRD, 1993,8(2)
【27】 A. Robert and T. Deflandre, “Guide for assessing the network harmonic impedance, ” Electra, No 167, pp 97-131, August 1996.
【28】 L.S. Czarnecki, “On-line measurement of equivalent parameters for harmonic frequencies of a power distribution system and load, ” IEEE Trans. on Inst. and Meas, Vol. 45, No. 2, pp. 467 - 472, April 1996.
【29】 胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现[M].清华大学出版社,1998
【30】 王念旭.DSP 基础与应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社,2001
【31】 张松春.电子控制设备抗干扰技术及其应用[M].机械工业出版社,1995
【32】 刘晋平.畸变波形对感应式电度表计量电能的影响[J].河南电力,1993.4
【33】 “TMS320F206 Data Sheet” TI Ltd.
【34】 “TMS320C2xx DSP Users Guide”, TI Ltd., 1995.
【35】 “TMS320C1x/C2x/C2xx/C5x Assembly Language Tools”, TI Ltd. ,1995.
【36】 ANSI/IEEE, “Recommended practice and requirement for harmonic control in electric power systems, ” . USA: ANSI/IEEE, 1992.
【37】 E. D. Rice, “Adjustable speed drive and power rectifier harmonics – their effect on power system components, ” IEEE Trans. Ind. App, Vol. 22, No.1, Jan./Feb. 1986.
【38】 关勇,王树一.谐波对电能表计量影响的研究[J].内蒙古电力技术,1999.1
【39】 谢筑森.单片机开发与典型应用设计[M].中国科技大学出版社,1997
【40】 陈书开,谭汉松.单片计算机的硬件软件及应用[M].中南工业大学出版社,1994
【41】 王树勋.MCS-51 单片机开发系统与监控分析[M].机械工业出版社,1992
【42】 马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计[M].北京航空学院出版社,1997
【43】 施善定.液晶与显示应用[M].华东化工学院出版社,1993
【44】 刘永智,杨开愚.液晶显示技术[M].电子科技大学出版社,2000
【45】 李维偍、郭强．液晶显示应用技术[M].电子工业出版社,2000
【46】 彭启琮.DSP 与实时数字信号处理[M].电子科技大学出版社,1995
【47】 Maguire.开发过程调试技术[M].电子工业出版社,1995