现代电能质量的基本问题Word文档格式.docx
《现代电能质量的基本问题Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代电能质量的基本问题Word文档格式.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题，而后者往往并不总是由用电造成的。
③供电质量（qualityofsupply）应包含技术含义和非技术含义两部分:
技术含义有电压质量和供电可靠性;
非技术含义是指服务质量（qualityofservice）,包括供电企业对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格（合理性、透明度）等.④用电质量（qualityofcomsumption）应包括电流质量和非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等,它反映供用双方相互作用与影响中用电方的责任和义务.
须指出，在电工学中“Power”（电力、电功率等）的含义是指能量传输的速率，它与电压和电流的乘积成正比，因此不可能定义这一物理量的质量概念［3］。
实际上，供电系统只能控制电压，而不能控制某一负载汲取电流。
当然,系统在实际运行时，电压与电流之间总是存在着紧密联系，尽管发电机提供了几乎正弦的电压，但通过系统阻抗的电流可能造成对公共连接点（PCC）电压的扰动.此外系统的运行操作、故障和雷击等也是电压扰动的原因.从这方面讲，“Powerquality"
不宜使用“电力质量”译名，宜译为“电能质量”。
IEEE技术协调委员会已正式采用“Powerquality”这一术语，并且给出了相应的技术定义：
“合格电能质量的概念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”。
这个定义的缺点是不够直接和简明。
文献［2］采用的电能质量定义为:
“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”.这个定义较简明，也概括了电能质量问题的成因和后果，但似乎将“用户设备"
改为“用电设备”更全面一些。
当然这里的“偏差"
应广义理解，甚至应包括供电可靠性。
2问题的由来
改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。
电能质量直接关系到国民经济的总体效益。
因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事，只不过早期对此认识比较简单,主要局限在保持电网频率和电压水平（即静态或平均偏差不过大）上。
自20世纪80年代以来，随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高，电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。
目前电能质量中某些问题已成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多高等院校、科研院所和一大批电力科技工作者投入其中从事开拓性或开发性工作。
归纳起来，电能质量成为热门课题的主要原因有以下几方面:
（1）为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用，这些装置对电能质量非常敏感。
一个计算中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。
当今自动化设备的连续精加工生产，不论是变速拖动还是机器人,工作母机还是自动化生产线，例如柔性制造系统（FMS）或计算机综合制造系统（CIMS），它们对配电系统中的干扰和异常非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些用户对不合格电力的容许度可严格到1～2个周波。
（2）现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化,诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变或引起电压波动和闪变以及三相不平衡,甚至引起系统频率波动等,对供电电能质量造成严重的干扰或“污染”。
（3）电能作为商品在电力市场运行机制下不同的发电公司包括独立电能生产者在发电侧实行竞争，输配电系统（即电力公司）与发电分离独立经营管理，为发电公司和用户提供转送电能服务，用户侧也可以作为独立实体参加价格控制。
这样一个开放和鼓励竞争的运行环境必然对电能质量提出越来越高的要求,并促使电能质量标准化的发展和不断完善。
3几个基本问题
3.1电能质量指标
电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义。
参考国际电工委员会标准，从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如下［9］。
（1）低频传导现象：
谐波、间谐波、信号电压、电压波动、电压暂降与短时断电、电压不平衡、电网频率变化、低频感应电压、交流网络中的直流；
（2）低频辐射现象:
磁场、电场；
（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（ESD）现象
表1给出了美国电子电气工程师协会（IEEE）关于电力系统电磁现象的种类和特征，对表中列出的各种现象可进一步用数字特征加以描述：
对于稳态现象可利用幅值、频率、频谱、调制、缺口深度和面积描述；
对于非稳态现象可利用上升率、幅值、相位移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度等描述.根据电磁干扰现象的不同特点可以确定电能质量指标，指标的确定应有其确切的含义和物理特性，这是一个有待专门研究和完善的课题。
表1电力系统电磁现象的种类和特征
须指出,电能是一种特殊产品,同样具有产品的若干特征，如可被测量、其质量可以用各种指标加以描述等.电能质量与一般产品质量不同，有如下特点[5］：
①不完全取决于电力生产企业,甚至有的质量指标（例如谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度）往往由用户的干扰决定;
还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏（如雷击）引起的；
②对于不同的供（或用）电点和不同的供（或用）电时刻，电能质量指标往往是不同的.也就是说，电能质量在空间和时间上均处于动态变化之中.
特点①说明，全面保障电能质量既是电力企业的责任,也是用户（干扰性负荷）应尽的义务。
我国“电力法”第二十八条规定：
“供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准。
对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理”.第三十二条规定：
“用户用电不得危害供电、用电安全
和扰乱供电、用电秩序”。
特点②说明电能质量指标宜用概率统计结果来衡量，并且需指明监测点.国内外大多取95％概率值作为衡量依据。
这样一个指标特点也对用电设备性能提出了相应的要求,即电气设备不仅应能在规定的标准值之内正常运行,而且应具备承受短时超标运行的能力。
3。
2电能质量恶化的危害
关于电能质量指标的恶化对电力系统（包括用户）的危害研究已有大量的成果,有的研究是针对某个指标（如谐波电压）对具体设备（如电机、变压器等）造成损失的估算，如文献[11]提出的谐波造成的功率附加损耗及电气设备绝缘寿命的缩短带来的每年等值电量损失（kWh）可由下式计算：
式中T为年运行时间，kh;
ΔPN为设备的额定损耗，kW;
K为设备的费用，元（RMB）；
Uh*为h次谐波电压标幺值；
A、B为电气设备谐波等值损失常数，按不同设备和容量给出（略）。
文献［12]引用了法国学者（埃列和卡恩）关于频率和电压对额定值偏差引起的经济损失估算方法，认为在任意时间段T内因参数n（这里指频率或电压值）对额定值差Δn所引起的国民经济损失YT为
式中ΔN为参数平均值对额定值偏差的方均根值；
σ为参数对平均值偏差的方均根值或标准偏差。
由式（3）可见，参数对额定值差可以分解为两个部分，即平均偏差ΔNp和标准偏差σ。
显然，减小ΔNp可以用稳态补偿办法，而减小σ则应该用动态补偿措施。
同时从式
（2）可以看出,提高供电质量的实质就是减小有关电能质量指标对其额定值的偏差.
当然，要利用式
（2）计算实际经济损失YT必须先确定系数K，这是相当困难的，而且K是一个变化范围相当大的数值。
电能质量造成的损失不仅取决于指标偏差大小及其持续时间，还取决于电网结构、地理条件、运行维护管理水平以及用电负荷性质,要评估这方面的危害宜使用实测和统计方法。
文献［4］收集了国外关于电压暂降对一些设备，其中包括对可编程控制器（PLC）、精密机械工具、调速电机、计算机等的影响以及若干次电压暂降对大型敏感工业用户造成危害的资料。
文献[7］从法国输配电系统获得的数据（超过20000个事件）说明由于电压暂降造成高压和中压系统各种保护动作的统计分布情况。
文献［1］引用了美国电力科学研究院JaneClemmensen的粗略估计，认为当今和电能质量相关的问题在美国每年造成的损失高达260亿美元。
尽管这个数据十分粗略,仍有很多文章加以引用。
搞清电能质量指标恶化造成的危害对于制定相关标准、开发和采用相应的技术措施是很重要的,有大量的工作要做。
3.3电能质量的检测
对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径，虽然这方面的检测仪器已不少,但大多数只局限于持续性和稳定性指标的检测，而传统的基于有效值理论的监测技术由于时间窗太长，仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题,因此需发展满足以下要求的新监测技术[4]：
①能捕捉快速（ms级甚至ns级）瞬时干扰的波形。
因为许多瞬间扰动很难用个别参量（如有效值）来完整描述，同时随机性强，因此需要采用多种判据来启动量测装置,如幅值、波形畸变、幅值上升率等。
②需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位；
需要有足够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信息。
③建立有效的分析和自动辨识系统，使之能反映各种电能质量指标的特征及其随时间的变化规律。
随着电力的市场化和电能质量的法规化，供电质量将引起越来越广泛的重视,开发出考虑电能质量监测的新的SCADA系统是配电能量管理系统的新研究方向。
这一领域的难点将是对电流、电压的同时持续测量，对质量指标的分类辨识和统计，数据量大，因此需要开发强大的数据库来进行有效管理.
3.4电能质量的分析和计算
电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述,需要开发相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析，为改善电能质量提供指导。
由于干扰源性质各异，电网元件在不同干扰作用下（从表1可见，干扰的频谱从0Hz到GHz的广宽范围内）呈现不同的性能，因此建立干扰源和电网元件（或局部电网）准确的数学模型有时困难很大，而分析计算的准确性不仅取决于数学模型和计算方法，还有赖于电网基础资料的可信度。
近年来，基于数字技术的各种分析方法已在以下电能质量领域中得到应用［4，6］:
①分析谐波在网络中的分布；
②分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播；
③分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用；
④多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。
目前所采用的方法有三种［6］：
（1）时域仿真方法该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究.目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP、EMTDC、NETOMAC、BPA等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER等电力电子仿真程序两大类。
由于这些仿真程序在不断发展中，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。
（2）频域分析方法该方法主要用于谐波问题的分析计算,包括频率扫描，谐波潮流计算等。
考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法，即在常规的谐波潮流计算法基础上，利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波动态电流矢量，从而得到动态谐波潮流解.
（3）基于变换的方法这里主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法和小波变换（WT）方法。
作为经典的信号分析方法Fourier变换具有正交、完备等许多优点，而且有象FFT这样的快速Fourier算法,因此已在电能质量分析领域中得到广泛应用。
但在运用FFT时,必须满足以下条件：
①满足采样定理的要求，即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上；
②被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。
因此,当采样频率或信号不能满足上列条件时,利用FFT分析会产生“旁瓣”和“频谱泄漏”现象，给分析带来误差。
此外，由于FFT变换是对整个时间段的积分,时间信息得不到充分利用;
信号的任何突变，其频谱将散布于整个频带。
为解决上述问题，Gabor利用加窗，提出了短时Fourier变换方法，即将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合,将Fourier变换用于不平稳信号的分析。
由于实际多尺度过程的分析要求时频窗口具有自适应性，即高频时频窗大、时窗小；
低频时频窗小，时窗大，而STFT的时频窗口则固定不变.因此，它只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。
而且这种方法的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法.
小波变换由于具有时频局部化的特点，克服了以上FFT和STFT的缺点，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。
小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后,已在图像处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用.由于小波函数本身衰减很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领域将具有FFT、STFT所无法比拟的优点。
近年来，已有文献介绍应用小波变换方法进行电能质量评估、电磁暂态波形分析和电力系统扰动建模等电能质量问题的研究。
5改善电能质量的措施
改善电能质量措施的研究涉及面也很广.为减小频率和电压偏差，应实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制以及许多新型的调频、调压装置的开发和应用。
近几年在全国范围内进行的城乡电网改造工程，也是提高电能质量的重要措施。
在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前已有几种装置可供选择，例如技术已相当成熟的无源滤波器、静止无功补偿装置（SVC）等。
随着高性能的电力电子元器件（例如GTO、IGBT、LTT等）的出现以及微处理和微电子技术、信息技术和控制技术的发展,美国著名的电力专家N。
G。
Hingorani于1986年首次提出灵活交流输电系统（FACTSFlexibleACTransmissionSystem）,也称为柔性交流输电系统.
基于电力电子技术的灵活交流输电系统（FACTS）通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使输送容量更接近线路的热稳极限，是提高输电系统输送容量的有效措施.目前主要的FACTS装置有：
静止无功补偿器（STATCOM）、晶闸管控制的串联投切电容器（TSSC）、可控串联补偿电容器（TCSC）、统一潮流控制器（UPFC）等。
其中串联补偿装置，如TSSC、TCSC等能使输电线路的阻抗变小，相当于缩短了输电线路的长度，因此是提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段；
而并联补偿装置—-STATCOM，通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，因此是抑制系统电压波动、闪变和提高系统稳定性特别是电压稳定性的有力工具；
UPFC则综合了串、并联补偿的功能,能对线路电压、阻抗、相位进行控制,从而实现控制潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性等多种功能。
作为FACTS技术在配电系统应用的延伸——DFACTS技术（又称CustomPower技术）已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件IGBT比GTO具有更快的开关频率,并且关断容量已达MVA级,因此DFACTS装置具有更快的响应特性。
目前主要的DFACTS装置有：
有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（D-STATCOM）、固态切换开关（SSTS）等。
其中APF是补偿谐波的有效工具；
而DVR通过自身的储能单元，能够在ms级内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压暂降的有效装置。
表2给出了目前世界上已投入运行的主要FACTS和DFACTS装置,中国已成为继美、日、德之后第4个在大容量FACTS装置研制与应用方面拥有自主知识产权的国家.表中未列出APF应用情况.这方面在国外（特别是日本、美国）产品化程度较高,应用例子很多。
目前推广应用上的主要问题是产品价格难以为一般用户所接受。
3.6电能质量标准
电能质量指标一般应通过标准形式赋予明确的定义并给出其允许范围。
但3。
1节所述的指标中，目前已订出标准的只有一部分。
各种电气设备之间以电磁传导、感应和辐射3种方式彼此关联并相互影响,在一定条件下会对设备的正常工作和人类造成干扰和危害.20世纪80年代兴起的电磁兼容（EMC）学科就是以研究和解决这方面问题为宗旨的。
该学科的着眼点是对干扰的产生、传播、接收、抑制机理以及其相应的测量、计量技术进行深入的研究。
在此基础上根据经济、技术最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平以及抑制措施作出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是“兼容”的.也就是说，一个设备（或装置、系统）在其电磁环境中满意地执行其功能，而又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动.
EMC的基本任务是协调干扰发射者和承受者之间的关系，使其“兼容”。
协调的办法就是制订出合理且配套的规定值.协调中所涉及的几个参数关系如图1所示。
图中横坐标为独立变量,如频率、电压偏差值、谐波含量、电压波动和闪变值、三相电压不平衡度等等。
实际上某一种设备的发射水平和抗干扰水平随制造和运行状况不同而有所不同,从整体上表现出统计的特性，可以用概率密度的方式来描述，如图2所示。
实际上EMC水平是为了达到协调的目的而定出的一个参考值，有这一参考值便可以采用适当的方法和裕度，确定干扰源的发射限值以及电气设备抗干扰限值，这从图1和图2中可以一目了然.因此,不能把EMC水平当作电能质量施行的标准来对待。
事实上各国在制定电能质量标准时，均会权衡电力部门和用户两方的投入比重，并受制于电力供求关系和技术经济发展水平。
然而，对标准某一规定值作出确切的技术经济估算几乎是不可能的，而且标准只可能具有统计意义的合理性。
因此尽管电能质量标准至今尚未统一（限于篇幅，本文不引证各国的标准），但随着国际贸易的发展和各国间技术交流的需要，标准的国际化趋势是不可避免的。
为了统一各国的有关电气标准和规范，国际电工委员会（IEC）于1973年建立了第77技术委员会，该委员会的工作成果以IEC出版物61000的形式发表。
IEC的61000系列标准拟包括6个部分：
①总论，61000-1包括总的考虑（介绍、基本原则）、定义、术语；
②环境,61000—2包括环境描述、环境的分类、兼容水平；
③限值，61000-3包括发射限值、抗扰限值;
④试验和测量技术，61000—4包括测量技术、试验技术；
⑤安装和抑制导则,61000-5包括安装导则、抑制的方法和装置；
⑥杂项，61000-6。
以上每一部分均有一套标准，目前已正式出版的文件只是其中一部分。
IEC的61000系列标准文件实际上分国际标准类文件和第一、二、三类技术文件。
其中第一类技术文件是“尽管经过再三努力而不能作为国际标准出版”的；
第二类技术文件是“文件主题仍处于技术发展阶段，或者由于任何其它原因在今后而现在不能马上同意作为国际标准”的；
第三类技术文件是“当技术委员会在例行出版国际标准的过程中，搜集到各种资料，这些资料一般是作为国际标准公布的，例如‘技术的状况’”.第一类和第二类技术报告自出版时起到决定它们是否能够成为国际标准的3年内会受到复审。
第三类技术报告则直到认为他们提供的资料不再有效或有用之前，没有必要再进行复审.
我国正在积极采用国际先进标准，特别是IEC制定的EMC标准。
仅2000年第5号国家标准批准发布公告中就有5项属IEC61000系列标准，如表3所列。
至2000年底,已有21项IEC61000标准文件被等同或等效采用为国家标准文件.
须指出,对于IEC第二、三类技术报告，我国一般是按标准指导性技术文件（即GB/Z）发布的；
对于IEC国际性标准文件（例如IEC61000-3—3）则等同或等效采用为强制性或推荐性国标（GB或GB/T）。
1995年,欧洲共同体在英国标准的基础上，颁布了一个电能质量标准，称为“公用配电系统供电特性”，作为欧洲共同市场对中、低压电能质量的统一标准［10］。
标准共分5大类13个指标：
（1）频率偏差：
①在互联电网中;
②在孤立电网中.
（2）电压幅值：
①慢速电压变化（即电压偏差）；
②快速电压变化（电压波动和闪变）；
③电压暂降;
④短时断电；
⑤长时断电；
⑥暂时工频过电压;
⑦瞬态过电压。
（3）电压不平衡
（4）电压波形:
①谐波电压；
②间谐波电压。
（5）信号电压
我国已颁布了5个电能质量指标的国标:
（1）供电电压允许偏差GB12325-90
允许限值①35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10％；
②10kV及以下三相供电为±
7%;
③220V单相供电为7％、10％。
衡量点为供用电产权分界处或电能计量点。
（2）电压波动和闪变GB12326—2000
允许限值：
电压变动d的限值和变动频度r（h－1）有关；
当r≤1000时，对于低压（LV）和中压（MV）d＝1。
25～4％;
对于高压（HV）d＝1.0%～3％；
对于随机不规则的变动d＝2%（LV、MV）和d＝1。
5%（HV）,闪变限值如表4所示。
此标准为GB12326-90修订版，衡量点为电网公共连接点（PCC）；
Pst每次测量周期10min，
升级会员 