电气工程及其自动化毕业设计电能质量综合评估.docx

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电气工程及其自动化毕业设计电能质量综合评估

XX大学工程学院

毕业设计（论文）

题目电能质量综合评估

系别电力工程系

专业电气工程及其自动化

班级

姓名

指导教师（签字）

下达日期2011年2月21日

设计时间自2011年2月21日至2011年6月24日

毕业设计（论文）任务书

一、设计题目：

1、题目名称电能质量综合评估

2、题目来源自备

二、目的和意义

随着非线性负荷的增多，电能质量问题已表现的日益突出，各国都根据实际情况制定了相关的电能质量标准，所制定的标准能够评判电能质量各单项指标是否合格，但却存在着一定的缺陷。

电能质量是一个多指标的综合体，单纯的判断某项指标是否合格，并不能反映整体的电能质量情况，在激烈竞争的电力市场中，对电能质量进行合理的综合评估是建立公平的电力市场的重要条件之一。

因此，必须建立一套相对完善的电压质量评估体系，对电压质量进行科学的评价。

三、原始资料

后附。

四、设计说明书应包括的内容

（1）学习掌握电能质量的基本理论

（2）学习并掌握电能质量综合评估的基本理论

（3）学习并掌握一门编程语言的编程方法与技巧

（4）完成电能质量综合评估的实现

（5）完成电能质量综合治理的MATLAB仿真

（6）完成5000汉字的与设计内容有关的英文资料的翻译

五、设计的主要技术指标

（1）根据我国电能质量评估中存在的主要问题，建立适合的电能质量评估体系；

（2）软件应达到的要求：

a.优程序要满足一定的速度要求

b.结果可信、真实

（3）MATLAB仿真要求：

a.实现谐波源的仿真

b.实现谐波综合治理的仿真，治理效果要满足国家标准要求

（4）以实际的例子进行电能质量评估，并提出有依据电能质量的整改方案

六、主要参考资料

（1）肖湘宁.电能质量分析与控制.北京：

中国电力出版社，2004，2.

（2）粟时平.现代电能质量检测技术.北京：

中国电力出版社，2008，1.

（3）程浩忠.电能质量概论.北京：

中国电力出版社，2008，4.

七、进度要求

1、实习阶段第8周（4月19日）至第10周（5月8日）共3周

2、设计阶段第1周（2月21日）至第7周（4月16日）共7周

第11周（5月10日）至第18周（6月24日）共8周

3、答辩日期第18周（2011年6月24日）

八、其它要求

（1）根据我国电能质量存在的主要问题及国家标准，建立适合的电能质量评估模型

（2）掌握一种电能质量分析软件的使用

（3）了解电能质量监测仪的使用方法

（4）设计完成后，使学生具有分析电能质量初步问题的能力

电能质量综合评估

摘要

随着经济的快速发展，电网中非线性负荷用户的比例不断提高，由此而产生的电能质量问题，表现得越来越突出。

本文在介绍电能质量综合评估的定义、必要性及目的的基础上提出了几种常用的电能质量评估方法。

本文利用概率和矢量代数相结合的方法，通过实例分析后得出：

首先,这种方法能够较好地反映运城市电能质量的实际情况。

其次，该方法评估过程简单易懂，能够较好地和所学理论进行有机结合。

本文在介绍电能质量的基本知识的基础上，针对影响电能质量因素进行了MATLAB仿真处理。

目前,我国实施竞价上网，按质定价、优质优价的原则。

这将是电能质量综合评估问题研究与开发的方向。

电能质量评估对认识电力系统电能质量有重要意义，从而对改善电能质量有指导意义。

关键词：

电能质量；概率和矢量代数；综合评估；

ComprehensiveEvaluationofPowerQuality

Abstract

Withtherapiddevelopmentofeconomy,theproportionofnonlinearloadusersareincreasing,andthepowerqualityproblemsproducedbyitarebecomingmoreandmoreoutstanding.Thepaperputforwardseveralcommonpowerqualityassessmentmethodbasedontheintroductionofpowerqualityevaluationofdefinition,necessityandpurpose.Thisthesisusingthemethodsofprobabilityandvectoralgebraanalysedexamples,andindicatesthatthismethodcanbetterreflectthepowerqualityofYunCheng.Secondly,theevaluationprocessofthismethodissimpleandunderstandable,andcancombinethetheorywehavealreadystudiedverywell.ThepaperusingtheMATLABsoftwareprocessedthefactorsInfluencespowerqualitybasedontheintroductionofthepowerquality.Atpresent,theprincipleinourcountryisbiddingforaccess,pricingbyquality,highqualityandprice,andthiswillbethedirectionofpowerqualityassessmentquestionsresearchanddevelopment.Andithasimportantmeaningtoknowpowerqualityinpowersystem.Soastoimprovethequalityofpower.

Keywords:

Powerquality;Probabilityandvectoralgebra;Comprehensiveevaluation

前言

随着电网规模的不断扩大、高新科技以及新兴技术产业的发展，越来越多的电能量问题受到用户的普遍重视。

目前我国电网的电压偏差、电压波动与闪变、电压三相不平衡、电压谐波、暂时过电压和瞬态过电压严重影响电能质量,这就必然使我国的电力市场采取按质定价。

如何寻找一种切实有效的方法以实现电能的按质定价是对国内外研究人员的一项重大挑战。

本文先须深入理解电能质量的基本理论,然后对电能质量的综合评估方法进行了初步研究，提出基于概率和矢量代数相结合的方法、概率和模糊数学相结合的方法、物元分析法、模糊数学法、以及人工神经网络法和遗传算法的相关理论及简单的应用。

本文针对概率和矢量代数相结合的方法，结合实例对石化企业负荷的电能质量情况进行了综合评估。

由于时间有限，本文对问题的考虑不是十分全面和深入，工作中难免存在不足和缺陷，有待在以后的工作中逐步提高和完善，也恳请各位专家、老师和同学批评指正。

第1章概述

本章首先介绍了电能质量研究的目的和意义、国内外的研究现状，这将初步认识研究电能质量的意义。

其次，简要介绍了本文所做的工作，以使读者很清晰地对本文的内容有一定的了解。

1.1本文研究的目的和意义

特殊商品投入到市场竞争中去，实施竞价上网、按质定价、优质优价的原则。

因此，在电二十一世纪后，我国的电力已作为一种特殊商品逐渐市场化，电力市场逐步成型。

随着电力市场化的进行，电力系统将出现厂网分开，供输分离的局面，电能将统一开放，作为一种就可以综合评估、比较各种电能的质量，从而为建立公平的电力市场创造条件。

同时，有了一力市场环境下对电能质量进行评估具有重要的意义。

有了明确的电能质量等级划分方法，个明确的电能质量的评估标准，也便于购电方进行比较和选择，从而达到以最少的资金获得最适合电能的目的。

高新技术在社会各个领域的渗透应用,电能质量的重要性将日益引起人们的关注.当今威胁电网质量的主要干扰是动态电能质量问题。

目前,我国对原有电能质量标准进行了进一步的修改,同时,也制定了有关电压跌落和短时供电中断等的动态技术指标。

以为电能质量的评估提供提供依据,科学,准确的测试手段和分析方法对研究扰动现象对用户危害的程度,以及预防和抑制故障具有重要的意义。

随着我国市场经济的发展，电力工业已经逐步市场化，强化电能质量概念是时代发展的需要，是时代提出的新的挑战，中国加入世界贸易组织，将有大量的高科技企业进入中国市场，电网的电能质量能否满足这些企业的要求将会成为一个突出的问题。

随着国民经济的发展，用科学的方法，完善的管理，有效的措施提高我国电网的电能质量，确保那些高、精、尖的工作设备不受电网污染的干扰而正常工作，确保我们的电力是绿色电力。

1.2国内外的研究现状

随着国民经济和科学技术的蓬勃发展，是石油化工企业等现代工业和电气化铁路、家用电器的发展，电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷及冲击性、波动性负荷,使得电网发生波形畸变（谐波）、电压波动、闪变、三相不平衡，非对称性（负序）和负荷波动性日趋严重。

电能质量的下降严重地影响了供用电设备的安全、经济运行，降低了人民的生活质量。

所以在世界各国都十分重视电能质量的管理。

一方面要深入探索电能质量领域的基础性研究工作，包括电能质量的定义、评价标准，电能质量问题的表现形式、评估方法。

同时，积极研究电能质量评估的新方法、新技术和新策略，将更为先进、科学的评估理念和评估思想借鉴到电能质量评估管理领域里。

1.国内研究的现状:

对电能质量综合评价的质量等级评定。

在将多维问题向一维加权归并时,采用了各种不同的方法:

如概率统计与矢量代数相结合的方法、模糊数学法、概率统计与模糊数相结合的方法、层次分析法、物元分析法、人工神经网络法和遗传投影寻踪法等等。

这些评价方法讨论的核心问题是如何科学地将多维电能质量现象向一维进行加权归并,但由于电能质量各单一指标客观上的不相关性,导致相对权重难以确定,在数学模型或训练样本上均不同程度地受到人为主观因素的影响,使评定结果存在一定的不确定性和不可理解性,市场可操作性差。

2.国外研究的现状:

国外采用电能质量综合指标定义与管理。

法国国家电力公司以电能质量各分类现象,包括电压中断、暂降、暂升、幅值偏差、不平衡、谐波等的翠绿色供电合同（EmeraldContract）限值为基础,作分析结果的比值归一化处理,并定义分析点综合指标IG（GlobalIndi-cator）为归一后的最大值。

因此本文借鉴该方法,结合我国电能质量相关标准和规定提出电能质量的单项指标和综合指标。

1.3本文所做的工作

本文以石油化工行业电能质量综合评估为背景，进行了电能质量指标、影响因素、数据处理、仿真，进而对电能质量进行综合评估。

毕业论文主要从以下几方面进行研究分析：

（1）了解国内外电能质量的现状及研究意义和目的。

（2）对电能质量的基本知识，其中包括：

定义、指标、影响因素及改善措施进行了比较详细的论述。

（3）介绍了评估电能质量的研究意义及几种算法，包括：

概率和矢量代数相结合的方法概率、模糊数学相结合的方法、物元分析法、模糊数学法、以及人工神经网络法和遗传算法的相关理论及简单的应用。

（4）本文应用概率和矢量代数相结合的方法，以运城市各个站点的电压报表及电能质量报表为实例，对电能质量情况进行了综合评估。

（5）对本次论文的总结。

第2章电能质量基础知识

随着社会工业化的发展，电能质量问题日渐突出，社会对电能质量的关注也越来越多。

同时，任何一项评估都应该以评估对象的属性指标为基础。

对于电能质量综合评估，国家标准所规定的各项电能质量指标，将成为评估电能质量的主要指标。

本章阐明了现代电能质量的含义及标准，并对电能质量问题所带来的危害进行简要的介绍。

2.1电能质量的定义

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。

理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。

同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。

但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在。

因此，产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。

理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。

同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。

但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

围绕电能质量含义，从不同角度理解通常包括：

（1）电压质量：

是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。

这个定义能包括大多数电能质量问题，但不能包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。

（2）电流质量：

反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。

这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。

（3）供电质量：

其技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质量。

包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。

（4）用电质量：

包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。

总之，上述定义都是将电能质量与用户的需求相联系，即解决电能质量问题，就是保证系统设备安全运行并提供给用户所需要的质量水平的电能。

[1]

2.2我国电能质量的相关标准及其允许限值及其等级划分

2.2.1我国电能质量的相关标准及其允许限值

（1）GB12325—1990《供电电压允许偏差》。

电压等级10kv及以下，要求小于±7%；35kv及以上，要求正、负偏差的绝对值之和小于10%；220v供电电压，要求小于±7%、-10%。

（2）GB/T15945—1995《电力系统频率允许偏差》。

系统频率允许偏差为±0.2Hz，系统较小时可允许±0.5Hz。

（3）GB/T15543—1995《三相电压允许不平衡度》。

三相电压允许不平衡度为2%、短时可不超过4%，用户引起的不平衡度为1.3%。

（4）GB12326—2000《电压波动和闪变》。

电压允许波动：

≤10kv,2.5%；35~110kv，2%；

≥220kv，1.6%。

闪变要求较高时为0.4%，一般为0.6%。

（5）GB/T14549—1993《公用电网谐波》。

电网谐波电压限值：

电网电压（kv）为0.38，6、10,35、66，110时，电压畸变率（%）的相应要求为5.0，4.0，3.0，2.0。

该标准就用户向电网注入谐波电流的限值也做了相应的规定。

（6）GB/T18481—2001《暂时过电压和瞬态过电压》。

标准规定了交流电力系统中作用于电气设备的暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平，以及过电压保护方法。

[2]

2.2.2我国电能质量的等级划分

虽然人们不断地提及“电能质量”这个术语，但是对电能质量的定义仍未能达成共识。

IEC（1000-2-2/4）标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性”。

IEEEStd.1100-1999将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与主布线系统及其它相关装置相协调的方式驱动、保护电子装置”。

不论如何表达，“电能质量”的概念中应包括电能供应中所要考虑的一切方面，这些方面可以分成如下三类：

（1）电压和频率的偏差：

过电压、欠电压、频率偏差。

（2）电压和电流的波形：

电压跌落、电压突升、电压波动和闪变、谐波、三相不对称。

（3）供电连续性：

瞬时断电，暂时断电，持续断电。

我国在参考IECEMC-61000系列标准和IEEEStd标准后，已经颁布的电能质量系列国家标准有《供电电压允许偏差》、《电压允许波动和闪变》、《公用电网谐波》、《三相电压允许不平衡度》和《电力系统频率允许偏差》等五项。

2.3电能质量重要指标及国家标准

电能质量指标主要包括:

频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。

而电能质量的标准是保证电网安全经济运行，保护电气环境，保障电力用户正常使用电能质量的技术规范，是实施电能质量管理，推广电能质量技术，维护用电双方合法权益的依据。

从20世纪80年代初到2001年，国家技术监督局先后组织并颁布了六项电能质量国家标准。

这些标准成为评定电能质量的重要指标，也是电力工作者选用补偿方法、改善控制装置和选择技术措施的依据。

然而我国电能质量标准体系还很不完善，如有些指标已经是工业生产中急需提出的，但目前仍没有做出必要的规定，而且还缺少完整的技术指导和行业规程和导则。

因此，建立全面的电能质量标准体系仍然有大量工作去展开。

2.3.1电压偏差

（1）定义：

供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统的标准电压之差对系统标称电压的百分数。

其数学表达式如下：

δU=

×100％（2－1）

式中：

δU—电压偏差；Ure—实际电压（kV）；UN—系统标称电压（kV）。

确定允许电压偏差是一个综合的技术经济问题，允许的电压偏差小，有利于用电设备的安全、经济运行，但须为此在电网中增添更多的无功电源和调压设备，需要更多的投入。

反过来，如果扩大用电设备对电压的适应范围，提高设备在这方面的性能往往也需增加设备的投资。

供电系统在正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常改变，系统中各节点的电压随之发生改变，会偏离电压标称值。

电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率小于标称电压的1%。

供电电压允许偏差是电能质量的一项基本指标，合理确定该偏差对于电气设备的制造和运行，对于电力系统安全和经济都有重要意义。

系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因，无功功率越严重，电压偏差越大。

另外供配电网络结构的不合理也能导致电压偏差。

供配电线路输送距离过长，输送容量过大，导致截面过小等因素都会加大线路的电压损失，从而产生电压偏差。

（2）电压偏差过大所产生的危害:

①对用电设备的危害：

当电压偏离标称电压较大时，用电设备的运行性能恶化，不仅运行效率降低，还可能由于过电压或过电流而损坏。

例如，当电压高于标称电压5%时，白炽灯的寿命会减少30%，当电压高于标称电压10%时，白炽灯的寿命会减小一半，从而使白炽灯的损坏数量大大增加，当电压低于标称电压的5%时，白炽灯的光通量减少18%。

当电压低于标称电压10%时，光通量减少30%，从而使照度显著降低。

电压过低或过高都会使电动机的温升增加，若电动机长时间处于较大的电压偏差下运行，就可能烧坏电动机绕组，使绕组绝缘老化而缩短电动机的寿命。

由于许多家用电器内部都装有动力装置，也即是各种类型的电动机，电压偏差过大同样会影响它们的使用效率和寿命，严重影响人们的正常生活。

②对电网的危害:

输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。

系统运行电压偏低，输电线路的功率极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定现象，甚至导致电力系统频率崩溃，造成系统解列。

如果电力系统缺乏无功电源，可能产生系统电压不稳定现象，导致电压崩溃。

（3）国家标准：

GB12325-90<<电能质量-供电电压允许偏差>>中规定：

35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%；10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%；220kV单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%，-10%。

2.3.2电压波动

（1）定义：

电压波动定义为电压均方根一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期。

电压波动值为相邻电压方均根的两个极限值Umax和Umin之差△U，常以其标称电压的百分数表示其相对百分值:

d＝

×100％（2-2）

相对最大电压变动值:

d＝

×100％（2-3）

在配电系统运行中，这种电压波动现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的、不规则的，亦或是随机的。

在波动负荷中，以电弧炉引起的电压波动最为严重。

多数国家在制定的电压波动与闪变标准中的条款是针对电弧炉负荷设定的。

同时电弧炉造成的供电电压波动对用电设备和系统安全运行的影响主要决定于波动值的大小和变动的频度。

（2）国家标准：

GB12326-2000<<电能质量-电压允许波动和闪变>>中规定：

在公共供电点的电压波动允许值如下：

10kV及以下为2.5%，35kV—110kV为2%，220kV及以上为1.6%。

2.3.3电压闪变

（1）定义：

闪变是经过灯－脑－眼环节反映人对照度的主观视感。

为更为本质地描述灯－脑－眼环节的频率特性，IEC推荐引入视感度系数K（ƒ）:

K（ƒ）＝

×100％（2-4）

式中:

S=1觉察单位是以闪变觉察率F（%）的50%为瞬时闪变视感度的衡量单位，闪变觉察F（%）的统计公式如下:

F（%）＝

×100％（2-5）

式中：

A为没有觉察的人数；B为略有觉察的人数；C为有明显觉察的人数；D为不能忍受的数。

电压闪变通常是以白炽灯的工况作为判断。

闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于周期性的电压波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉等；后者往往与随机性电压波动有关，如电焊机等。

影响闪变的其他因素还有照明装置、人的视感度等。

通常人对照明变化需要有一定的视觉暂留时间，高于或低于某一段频率的照明变化，普通人便察觉不到。

在所有低频成份中，人眼对8.8Hz的电压波动最为敏感。

因此，IEC标准以S＝1（S为瞬时闪变视觉度）为察觉单位，对1/2以下的低频成分以8.8Hz为标准作归一化处理，通过S=1下的电压波动频率、电压波动及视觉系数之间的关系将不同频率下的低频电压波动转化为一个特定频率（如8.8Hz）的电压波动，以该特定频率电压波动的限值作为判断是否发生闪变的标准，大于该限值则判断为发生了闪变；反之则没有，闪变与电压波动有着直接的关系,但由于引起闪变的某些量值难以量化，而且它还需要对电压波动（调幅波）频谱分析度进行统计。

因此，对闪变的计算远远比计算电压波动要复杂得多。

到目前为止还没有准确计算闪变的公式。

（2）国家标准：

GB12326-2000<<电能质量-电压允许波动和闪变>>中规定，对照明要求高的白炽灯负荷为0.4%，对于一般性的照明负荷为0.6%。

2.3.4频率偏差

（1）定义：

频率偏差是指在电力系统正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值（50Hz6OHz，我国采用5OHz标准）之差。

用公式表示为:

δƒ=ƒre-ƒN（2-6）

式中：

δƒ－频率偏差，Hz；ƒre－实际频率，Hz；ƒN－系统标称频率，Hz。

频率是电能质量的重要指标之一,系