应用科学 基于瞬时无功功率理论的电力谐波仿真研究 王慧 （广西南宁国恒供电开发有限责任公司 ５３００３１） Ｍ ＝ ＩＪ 口膏要】随着大量电力电子器件和非线性元件的应用，电力系统中的谐波污染越来越严重，越来越复杂，利用传统的傅立叶变换已不能满足实际谐 波检测的需要。本文基于三相电路瞬时无功功率理论，通过仿真验证了利用改进的滤波器组结构能够实现频带按频率大小顺序连续划分，从而能够直观 的描述谐波的频率。 【关键词】瞬时无功功率理论 电力谐波一仿真 目ｌ一 引盲 三相电路瞬时无功功率理论由日本学者赤木泰文最先提出，理论打破 、了传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时有功功率Ｐ、瞬 时无功功率ｑ等瞬时功率量，后人发展了这套理论，提出了瞬时有功电流 ｉ ｐ、瞬时无功电流ｉｑ等瞬时量；以瞬时无功功率理论为基础，可以得出用 于有源电力滤波器（ＡＰＦ）的谐波和无功电流实时检测方法。通过瞬时无功 功率Ｐ－Ｑ理论（ＩＲＰ）及电流物理分量理论（ＣＰＣ）在电网电压、电流为正弦的 三相三线制不对称电路中的应用的对比，表明瞬时无功功率理论的分析结 果与电路中的某些功率现象不一致：即无功功率Ｑ为零时，瞬时无功电流 可能不为零；有功功率Ｐ为零时，瞬时有功电流不为零；电源电压为正弦， 负荷为非谐波源时，瞬时有功电流和瞬时无功电流中都包含三次谐波分 量。瞬时有功功率ｐ、瞬时无功功率ｑ与有功功率Ｐ、无功功率Ｑ及不平衡 功率Ｄ之间的关系说明ｐ、ｑ分别与多个功率现象相关，仅用Ｐ、Ｑ的瞬时值 不能无延时的辨识三相负荷不对称系统的功率特性。这一结论对有源电力 滤波器的控制算法具有重要意义，在电力工程应用中受到了极大关注 二、算法分析 根据Ｈ．Ａｋａｇｉ的瞬时功率理论。假设三相电网电压对称无畸变，三相 电路各相电压的瞬时值分别为ｅ。、ｅ 、ｅ。，幅值为Ｅ，各相电流的瞬时值分别 为ｉ 、ｉ 、ｉ 通过三相至两相的坐标变换，把它们变换到ｎ—Ｂ两相正交 的坐标系中： 即： ＝１ｃｏｓ妒 ＝ ｓｍ 妒＝识一钾 （２ １） 定义三相瞬时无功功率ｑ（瞬时有功功率Ｐ）为电压矢量ｅ的模和三相 电路瞬时无功电流ｉｑ （三相电路瞬时有功电流ｉｐ）的乘积。即 Ｉ１：协瞄 二 铷 ！ 再通过ａ—Ｂ坐标ａｂｃ坐标的变换，即可得到对应的三相电网电流 分量 ｌ讣『＝ ＿ｆｌ＿ｌ ／２ ／ｏ］２ １（２．ｓ） 一１／２一 ／２ 综合式（２．２）和式（２．３），可得 一Ｖ２ —１／２ ］ ｆ２一西 ＼ ｓｉｎ（ａｒｃ－２丌／３） 一ｃｏｓ＠￣ｔ一２ａ－／３） ＝ （２．４） 这样可以得到结论：变换前后功率不变且电压和电流取同一变换矩阵 的情况下，变换矩阵的逆与其转置相等。虽然，Ｈ．Ａｋａｇｉ的瞬时功率理论的 ｉｐ—ｉｑ算法是在假设电网为对称正弦波的条件下推导出来的，实际上，当 电网电压出现不对称或发生畸变的情况下，采取一定的措施，ｉｐ—ｉｑ算法 同样可准确地测出不同的电流分量。 三、算法的实现 实际电网中的三相电压通常不对称且有畸变，ｉｐ—ｉｑ检测法其原理如 图３．１所示： 一２６一 图３．１ ｉｐ—ｉｑ算法谐波检测原理 为了保证检测的精度，选用高性能的四象限模拟乘法器芯片。由于 ｉｐ－ｉｑ法畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电 压波形畸变的影响。 在实际的工程应用中，按预定的采样频率，对正弦和余弦函数建表，存 储在微处理器的程序存储器中，在新的采样时刻到来之前，计算准备好要 用到的正余弦值。查表法显著的优点是数据采样和ＰＷＭ脉宽生成的时基相 同，不存在非同步问题，而且外部硬件电路简单、可靠性高、计算速度快。 四、算法的仿真 根据ｉｐ—ｉｑ算法实现的原理，建立Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型如图 ４．１所示。 图４．１ ｉｐ—ｉｑ算法检测Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型 在图４．１所示的仿真模型中，低通滤波器ＬＰＦ的截止频率设计为 ３０Ｈｚ。有功直流分量ｉｐ一。和无功直流分量ｉｑ一经过变换可以得到三相基 波电流ｉａｆ、ｉｂｆ、ｉｃｆ，它们分别与被检测电流相减即可以得到三相谐波电 流ｉａｈ、ｉｂｈ、ｉｃｈ。 在图４．１的仿真模型中，三相基波ｉａｆ、ｉｂｆ、ｉｃｆ是由有功和无功直流 分量ｉｑ一、ｉｐ一共同转换计算得来的，因此谐波电流即包含了有功分量也包 含了无功分量，最后的输出只有谐波电流。如果要检测谐波电流和基波无 功电流，则可以在模型中将无功直流分量断开，只由有功直流分量进行计 算。计算出的ｉａｆ、ｉｂｆ、ｉｃｆ只含有有功分量，与被检测的三相电流相减后 得到ｉａｈ、ｉｂｈ、ｉｃｈ，即为包含谐波电流和基波无功电流。 五、仿真结果及结论 模型接入容性负载中，电网频率选择５０Ｈｚ，每个周期采样２５６个点， 得到的仿真结果如下图５．ｉ、图５．２、图５．３所示。 图５．１被测电流波形 ～ ＿＿／ 、／ ，＼／ ＼，一 ｐ－ ＼ 一 √＼ ・Ａ，＼７＼ 。 √、 ， 、 一 ／ ｎ， 图５．２基波电流波形 Ｉ＾ Ｍ ６Ｍ Ｍ ＾＾ｆ＿ Ｍ幽 ｍＩ Ｍ Ｍ ６州＾Ｍ １Ｍ １Ｍ ５ ６Ｍ ［ Ｉ＿ｊ 图５．３谐波电流波形 基于移动代理的入侵检测系统的模型框架设计 应用科学 周远 湖南长沙４１００００） （国防科技大学计算机学院【摘 要】本文针对现代出现的应用于现代局域网的入侵检测系统的出现的一些问题，对分布式入侵检测和移动代理技术分别进行了分析和总结， 提出了一种适合于现代局域网的基于移动代理的入侵检测系统的模型框架。 【关键词Ｊ入侵检测Ｓｎｏｒｔ移动代理 局域网中的一台控制系统、分布在局域网中的各个主机上的主机系统，以 随着计算机和网络技术的发展，网络已经得到广泛的应用，各种局域 网也迅速出现并发展起来，在各领域扮演越来越重要的角色。与此同时，局 域网的安全问题也就变得曰益突出。针对此网络的入侵事件频频发生。因 此，如何保证局域网的安全问题，也就成了一个极为重要的问题。入侵检测 技术作为网络安全系统的重要组成部分，是安全审计中的核心技术之一， 研究入侵检测具有十分重要的理论意义和现实价值。但是当前已有局域网 的入侵检测系统普遍存在着网络流量大、实时性差、容易形成系统瓶颈、系 统灵活性和扩展性差等问题。 及各种移动代理组成，整个检测系统总体结构如图１所示。 本文针对现代出现的应用于现代局域网的入侵检测系统的出现的一 些问题，对分佰式入侵检测和移动代理技术分别进行了分析和总结，提出 了一种适合于现代局域网的基于移动代理的入侵检测系统的模型框架。主 要工作包括： 图１系统总体结构 １、针对现代局域网中的一些入侵检测系统结构的容易产生系统瓶颈， 网络传输流量大，不容易安装使用等问题，提出了一种入侵检测系统框架， 系统主要由控制系统、主机系统、移动代理三个部分组成，控制系统负责各 主机系统的管理与注册，解决了网络流量问题，很好的实现了入侵检测功 能。 第一部分是主机系统通过Ｓｎｏｒｔ抓包来负责入侵信息的获取，并进行 定的响应，第二部分是管理系统，负责管理各个主机系统和移动代理，以 及派遣分发移动代理。第三部分是移动代理，是可以在网络进行移动的软 件代理。其中控制系统可在一台性能高的主机上运行。由于Ａｇｌｅｔ是目前 最为全面与成功的移动代理平台，具有可视化的Ｔａｈｉｔｉ，界面友好，所以 采用Ａｇｌｅｔ作为移动代理平台，控制中心和局域网中各台主机都安装此移 动代理平台。 ２、针对当前大部分入侵检测系统的网络流量和功能分配紊乱问题，提 出由控制系统负责移动代理的派发，通过移动代理来协助主机系统进行入 侵检测分析，而此控制系统只处理少量的由主机系统不能处理的信息，解 决网络传输量问题和能实现分布式协同等的入侵类型，较好的应对现代流 行的攻击。 本系统以一般的局域网为应用环境，局域网中的每一台主机都安装所 设计的主机系统，各主机上的主机系统负责收集各种信息，使用原始的网 络数据包作为数据源，根据网络流量，网络数据包和协议采用误用入侵检 测方法在本地进行检测分析，能检测到的入侵则进行一定的响应，如切断 网络连接，产生报警等操作，遇到可疑的不能做出决定的信息，则向管理中 心产生援助请求，当管理中心收到援助请求时，它将会派遣一个跟踪代理 ３、针对以往系统检测响应实时性差，系统瓶颈，灵活性等问题，提出采 用了主机系统本身具有信息分析检测响应功能，主机系统是整个系统模型 的基础架构，负责信息的接受、同时具有一定的分析和响应功能，将主机系 统不能处理的可疑信息反馈到控制系统，根据这些信息控制系统可以对移 动代理进行派发来实现检测响应，解决了系统的扩展性问题和分布式攻击 检测问题。 基于上述分析，本系统模型框架实现了分布式的入侵检测与响应，提 高了系统检测效率与检测响应的实时性，同时解决网络流量传输比较大， 容易产生系统瓶颈等问题，系统灵活性和扩展性都比较好，并且系统易于 安装使用。 提出一个基于移动代理的分布式入侵检测系统，该系统采用一个以移 动代理为组织单元的结构来实现，是一个比较完善和全面的入侵检测系 统，能较好的解决入侵检测问题，实施系统功能。本文中设计和实现的入侵 检测系统从整体上来说是～个基于网络的入侵检测系统，使用的入侵检测 技术是模式匹配。即针对每一种入侵行为，都提炼出它的特征值并按照一 定的规范写成检测规则，进而形成一个规则数据库 然后将从网络捕获的 数据包与规则库里的规则逐一匹配，若匹配成功，则认为发生了入侵行为 我们根据入侵检测技术与移动代理技术的特点，其在现代入侵检测中 起到的重大作用，同时结合现代众多局域网的结构特点，提出了一种基于 代理的入侵检测系统结构模式，该结构能实时的实现局域网的入侵检测， 并且利用了移动代理的特性，结构合理，配置简单，适合于解决局域网网络 安全问题，本系统是一个非常完善的，并且具有实际价值的检测系统。本章 对现代局域网网络特点进行了分析，着重分析了应用广泛的局域网的安全 特点。 本文所设计的入侵检测系统采用分布式的体系结构，系统由一个位于 巡回网络到该主机系统所在的主机上去收集入侵信息，跟踪代理返回后， 管理中心分析收集到的信息，判断这些不同主机上的可疑行为能否组合起 来为一个分布式入侵。如果是，管理中心将派遣一个响应代理到相关响应 点作智能响应，这样便于检测分布区域广阔的协同攻击等攻击类型。此检 测系统不依赖具体的操作系统，具有低成本，操作简单，实时检测和响应等 优点。 本文所提出的基于移动代理的分布式入侵检测系统是一个分布式层 次体系环境下的一个移动代理模型，安装在主机上的主机系统可以独立地 完成入侵检测与响应工作，同时在控制系统的控制下与各种移动代理相互 协作，完成协同式入侵检测任务。每个主机系统都是独立的检测响应单元， 尽量降低各检测部件的相关性，不仅实现数据收集的分布化，而且将入侵 检测和实时响应分布化，真正实现分布式检测。系统基本遵循通用入侵检 测系统的框架结构，以确保系统今后的可扩展性和与其它系统的互操作 性。 参考文献 １宇征，孙齐，毕学饶．移动代理在入侵检测系统中的应用．福建电脑［Ｊ］， ２００６（３）：７３—７４ ２ ［１３］Ｄｅｂｒａ Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｔｈａｎｅ Ｆｒｉｖｏｉｄ， Ａ１ｆｏｎｓｏ Ｖａｌｄｅｓ． Ｎｅｘｔ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ（ＮＩＤＥＳ）． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃ ｉ ｅｎｃｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ［Ｊ］， ＳＲＩ～ＣＳＬ一９５—０７．Ｍａｙ １９９９ ３安晶，孙名松．基于移动代理的分布式入侵检测系统模型研究．哈尔滨 理工大学学报［Ｊ］，２００６，１１（２）：６９—７２ ４李剑锋，王乘．在分布式入侵检测系统中应用Ｍｏｂｉｌｅ Ａｇｅｎｔ．计算机 科学与工程［Ｊ］，２００４（７）：１６卜１６４１１ 由仿真可以看出，将ｉｐ—ｉｑ算法和广义３／２变换变换相结合可以准确 检测出三相电流的基波正序有功、正序无功、负序、零序分量，动态时间大 约是０．０２秒。 ［２ 吴３５ ２８ 勇，万淑芸．谐波和无功电流检测的Ｍａｔｌａｂ仿真研究．２００５，０５， Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｅｘｃｉｔａ— ｌ３ ＣｈｏｉＳ Ｓ．Ｊｉａ Ｘ Ｍ．参考文献［１］ 杨泽斌，谭轮龙．电力系统谐波电流实时检测方法的研究．电测与仪 表，２００６，１０，１９—２１ ｔ ｎ １ｉｍｉｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｏ兀 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００，１５（３）：２３５—２４６一 一２７—