电能质量分析与控制.docx

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电能质量分析与控制

电能质量分析与控制

摘要：

现代电力系统的电网结构和负荷构成出现了新的变化趋势，随之带来的电能质量问题逐渐引起电力部门和用户的高度重视。

电能质量分析和控制策略是分析、改善电能质量的前提条件，对保证电力系统的安全经济运行与用户用电安全具有重要的理论与实际意义。

现代电力系统运行与智能电网发展对电能质量分析和控制技术提出了更高的要求。

传统的电能质量分析和控制方法不再满足需要，本文针对目前电能质量分析和控制技术中存在的问题展开了研究工作。

本文从电能质量的研究现状和概念入手，通过研究各种电能质量的现象，总结国内外电能质量分析和控制的各种方法，概括了目前国内外电能质量控制方法和策略的研究现状，针对不同的电能质量现象，提出了不同的电能质量控制方法。

关键词：

电能质量，分析，控制

Abstract:

Thegridstructureofthemodernpowersystemandloadconstitutetheemergenceofnewtrends,andbroughtthepowerqualityproblemsgraduallycausethepowersectorandahighdegreeofuserattention.Powerqualityanalysisandcontrolstrategyistoanalyzeandimprovepowerqualityaprerequisiteforensuringthesecurityofthepowersystemoperationandusersafeuseofelectricityhasimportanttheoreticalandpracticalsignificance.Modernpowersystemoperationandsmartgriddevelopmenttoahigherdemandforpowerqualityanalysisandcontroltechnology.Traditionalpowerqualityanalysisandcontrolmethodsarenolongersatisfiedtheneedforpowerqualityanalysisandcontroltechnologyhascarriedoutresearchwork.

Researchandconceptsfromthepowerquality,thispaper,summaryofthevariousmethodsofanalysisandcontrolofthepowerqualityathomeandabroadthroughavarietyofpowerqualityphenomena,summarizedthecurrentdomesticandinternationalpowerqualitycontrolmethodsandstrategiesfordifferentpowerqualityphenomena,adifferentmethodofpowerqualitycontrol.

Keywords:

powerquality,analysis,control

目录

1绪论2

1.1研究背景及研究意义2

1.2电能质量研究现状3

2电能质量概述5

2.1电能质量概念5

2.2电能质量问题分类5

2.3电能质量研究的发展趋势6

3电能质量控制7

3.1电能质量问题产生的原因分析7

3.2电能质量综合评估8

3.3电能质量分析方法13

3.4电能质量控制方法14

4　结语16

1绪论

电能是现代社会最为广泛使用的能源，电能质量关系到各行各业和人民生活用电，关系到国民经济总体效益。

随着科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网中各种非线性负荷及用户不断增长，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备越来越多。

上述两方面的矛盾越来越突出，用户对电能质量的要求也更高，在这样的环境下，探讨电能质量领域的相关理论及其控制技术，分析我国电能质量管理和控制的发展趋势，具有很强的现实意义。

1.1研究背景及研究意义

随着冶金工业、化学工业和电气化铁路的发展，以及直流输电、大功率整流技术在工业部门和用电设备上的广泛应用，电力系统的污染日益严重，已成为影响电能质量的重要因素。

冲击性功率负荷（如电弧炉、直流输电换流站）投入电网运行后，会使电网电压发生波动，从而严重地干扰了电网中波动敏感负荷如照明、计算机、精密电子仪器等的正常运转。

由于计算机，精密电子仪器对供电质量的敏感程度越来越高，一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。

另外，大量为提高生产效率，节约能源和减小环境污染而采用的基于电力电子技术的现代化设备正成为电能质量问题的主要来源。

电网中正面对越来越多的电能质量问题，这使得电能质量的研究十分紧迫。

另一方面，电力部门和电力用户对电能质量的关心程度与日俱增。

高质量的电能对于保证电网和电气设备安全、经济运行、提高产品质量和保障居民正常生活有着重要的意义。

随着我国现代工业技术的发展和电力市场的逐步形成，电能质量己经成为电力系统发、供、用电部门十分关注的重要指标。

而且随着各种用电设备对电能质量敏感度的变化，电能质量的范围进一步扩大，分类更细，要求更高。

因此电能质量的研究迫切需要一些新技术来推动，通过这些新技术的应用，从而使电能质量从检测、分析和监控等方面得到提高，从而有利发现问题和规律、改善供电质量和服务。

为此，IEEE（TheInstituteofEleetriealandEleetroniesEngineers，美国电气电子工程师协会）给出了PQ（电能质量）这一术语的定义:

合格电能质量的概念是指敏感设备提供的电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作的。

IEC（国际电工委员会）没有采用电能质量这个术语，而是提出了EMC（电磁兼容）这一术语，强调设备与设备之间的相互作用和影响，以及电源与设备之伺的相互作用和影响，并在此基础上制定了一系列相关的电磁兼容标准，而电能质量术语与电磁兼容术语之间具有很大的关联性。

1.2电能质量研究现状

电能质量扰动信号的去噪、压缩、检测和分类是电能质量研究的核心问题，也是当前研究热点问题，国内外学者展开了大量的研究，将发表的文献概括起来，可分为以下4个方面:

（1）电能质量扰动信号的去噪方法：

电能质量扰动信号去噪的目的是在滤除噪声的同时尽可地保留重要的信号特征。

目前，电能质量信号去噪有多种方法，比如，小波（包）阂值去噪以其简单有效而得到了广泛的应用险，其中闭值的选取是影响小波去噪效果的主要因素，为此有文献对闲值的选取作了一些改进，小波去噪的性能有了一定的提升。

有文献提出了利用不同尺度的小波系数之间的相关性进行去噪，缺点是计算复杂。

也有文献利用小波系数其分布具有“簇聚”性质，将小波系数分成若干块进行阂值处理，在全局适应性和空间适应性方面有了提升，但还是涉及到如何正确选择“块”大小和阂值问题。

或者通过合理选择多小波基进行去噪的方法，其关键是找到合适的预处理方法。

也有结合模糊中值滤波和模糊均值滤波两者的优点，通过加权滤波的方法对信号进行去噪，但滤波因子选择不合适将会影响去噪效果。

除此之外还可以利用数学形态滤波方法进行去噪，其难点是如何选择适合电能质量信号的结构元素。

有文献提出了利用高斯滤波器进行去噪，其对滤除服从正态分布的噪声是很有效的，对其它类型的噪声的去噪性能有待于进一步研究。

（2）电能质量扰动信号的压缩方法:

小波变换是一种全新的时频分析方法，尤其适用于非平稳信号的分析，已经在电能质量分析领域得到了广泛的应用。

由于信号在小波变换域能量集中于少数系数上，通过闭值处理可使大量系数变为0，因此大大减少了存储量，从而达到了数据压缩的目的，为此基于小波变换的电能质量扰动数据压缩方法得到了广泛研究。

（3）电能质量扰动的检测方法:

对于电能质量扰动的检测基本方法是均方根方法，但其只能检测特殊的扰动事件。

离散傅立叶变换方法作为经典的信号分析方法，具有正交、完备等许多优点，而且有快速傅立叶变换这样的快速算法，因此已在电能质量分析领域中得到广泛应用。

但在运用傅立叶变换时，必须满足以下条件:

一要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;二要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分析会产生误差。

此外，由于FFT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，Gabo:

利用加窗，提出了STFT方法，即将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合，将傅立叶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间窗口具有自适应性，即高频时频窗大、时窗小;低频时频窗小，时窗大，而STFT的时一频窗口则固定不变。

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。

（4）电能质量扰动的辨识方法:

最近几年，以专家系统，神经网络为代表的模式辨识新技术己开始较全面地应用于电能质量研究，因为它是个较复杂，工作量和数据处理量很大的系统工作。

人工神经网络作为较成熟的模式识别技术，在电能质量中已有较广泛的应用。

ANN的优点是:

一是可处理多输入一多输出系统，具有自学习、自适应等特点。

二是不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可。

神经网络方法存在结构复杂，训练费时的缺点，而且有新的扰动增加时，需要对网络重新进行训练，给应用带来了不便。

尽管专家系统在开发过程中耗时过长，但依然出现了很多应用。

与ANN相比，专家系统具有规模可变的优点，对于新增的扰动类型只需增加相应的规则即可。

由于电能质量扰动随工况的变化在一定范围内会发生较大的变化，具有不确定性，此种不确定的情况适合用模糊逻辑来处理，支持向量机通过结构风险最小化原理提高泛化能力，较好地解决了小样本、非线性、高维数、局部极小点等问题，已应用于电能质量扰动事件的辨识。

基于离散正交小波变换的隐式马尔可夫模型，通过小波变换系数建立马尔可未链，采用最大似然分类法，对电能质量扰动进行自动识别。

2电能质量概述

2.1电能质量概念

电能是供应方和用户共同保证质量的一种特殊商品，不合格的电能质量问题会对用户产生巨大危害，加之近年来电网中医院、金融行业、精密仪器生产线等敏感性负荷的比例增大，提出了更多要求。

因此，改善电能质量对于维护电网安全经济运行、保障工业产品质量、保证科学实验等具有十分重要的意义。

一般来说，电力系统中各种扰动引起的电能质量问题可分稳态问题和暂态问题两大类。

稳态电能质量问题通常是以波形畸变为主要特征，包括了电压偏差、频率波动、谐波、间谐波、噪声、三相不平衡、闪变、波形下陷等;暂态电能质量问题主要是以频谱和暂态持续时间为特征，包括电压跌落、电压骤升、供电短时中断、暂态过电压、电容器充电暂态等。

由于谐波、电压和频率偏差等问题引发的事故较多，对系统安全运行的影响较大，因而对稳态问题的研究较多。

从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电，但迄今为止，人们对电能质量的技术含义仍有很多不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定义。

合格电能质量是指提供给敏感设备的电力和接地是适合于该设备运行的。

（1）电压质量:

给出实际电压和理想电压的偏差，以反映供电部门向用户分配的电压是否合格。

（2）电流质量:

为反映与电压有密切关系的电流变化情况除了为用户电流提出单一频率正弦波要求外，还要求该电流波形与供电电压同相位。

（3）供电质量:

技术含义:

电压质量和供电可靠性。

非技术含义:

服务质量。

（4）耗电质量:

包括电流质量和非技术含义。

2.2电能质量问题分类

（1）瞬变现象:

变量的部分变化，且从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态的过程中，该变化逐渐消失的现象。

它包括冲击性瞬变现象和振荡瞬变现象。

（2）短时间变动:

由于系统故障，大容量负荷启动时的大电流或电网松散联结的间歇性负荷运行所致。

它包括间断，电压凹陷和电压突起。

（3）长时间变动:

由于系统负荷变动或系统中的开关操作引起的，指工频下的分量均方差持续时间超过1min的情况。

它包括过电压，欠电压和持续间断。

（4）电压不平衡:

与三相电压（电流）平均值的最大偏差。

主要是负荷不平衡（单相运行）或三相电容器组的某一相熔断造成的。

（5）波形畸变:

电压（电流）波形偏离稳定工频正弦波的现象。

它主要包括直流偏置，谐波，间谐波，陷波和噪声。

（6）电压波动:

电压变化的包络线或随机电压变动。

负荷电流的大小呈现快速变化时，可能引起电压的变动，也称闪变。

波动是一种电磁现象，而闪变是电压波动对某些用电负荷造成的有害结果。

（7）工频变化:

电力系统基波频率偏离规定正常值的现象。

它与系统供应电能的发电机转子转速有关。

2.3电能质量研究的发展趋势

电能质量监测是获得电能相关数据的最直接手段，也是电能质量其他后续高级应用研究的前端。

但是随着电力系统的迅猛发展，许多新的电源系统、用户电气设备并入到电力系统，电能质量监测方式也变得更加广域化，使得电能质量问题变得更加突出，背景条件如噪声、谐波变得更加复杂，电能质量研究的发展趋势是:

（1）在实际工程应用中，由于设备安装的位置、外界的电磁干扰等因素，检测到的信号通常包含噪声干扰。

噪声的存在会影响某些分析方法的效果，甚至使其失效。

因此，电能质量扰动信号的去噪研究从单一考虑去噪效果到尽可能多地滤除噪声的同时又最大限度地保留信号的重要特征。

（2）随着电网规模的扩大，供电部门和用户都迫切需要对较大量的监测点进行监控，远程化可以适应不同层次的监控要求，但远程化必然带来的问题就是，大量的电能质量数据的传输问题，因此，电能质量扰动信号的压缩不仅研究在保留信号的重要特征前提下，大幅度提高压缩比，还要研究压缩方法的实时实现技术。

（3）因为许多瞬时扰动（ms级甚至ns级）很难用个别参量（如有效值）来完整描述，同时随机性强，因此需要研究能捕捉瞬时扰动波形的方法。

同时电能质量扰动的检测算法由有效值法、DFT等经典算法发展到小波变换、希尔伯特黄变换、S变换等现代算法。

（4）在电能质量监测方面，对电能质量指标的分类辨识和统计，数据量大，其主要趋势是人工智能化，人工智能化旨在减轻人的劳动，能自动对电能质量问题进行识别和数据处理，从而实现全面的无人监控功能。

最近几年，以神经网络，专家系统，模糊逻辑和进化计算为代表的模式识别新技术己开始较全面地应用于电能质量研究，因为它是个较复杂，工作量和数据处理量很大的系统工作。

而且这些新技术的一个突出特点就是交叉应用的非常广泛，有时很难断言就是哪种技术，而是以某种为主，其它为辅的。

也就通常所说的混杂技术。

3电能质量控制

3.1电能质量问题产生的原因分析

随着电力系统规模的不断扩大，电力系统电能质量问题的产生主要有以下几个原因。

（1）电力系统元件存在的非线性问题

电力系统元件的非线性问题主要包括:

发电机产生的谐波;变压器产生的谐波;直流输电产生的谐波;输电线路（特别是超高压输电线路）对谐波的放大作用。

此外，还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。

其中，直流输电是目前电力系统最大的谐波源。

（2）非线性负荷

在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。

电弧炉（包括交流电弧炉和直流电弧炉）是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。

居民生活负荷中，荧光灯的伏安特性是严重非线性的，也会引起严重的谐波电流，其中3次谐波的含量最高。

大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。

（3）电力系统故障

电力系统运行的内外故障也会造成电能质量问题，如各种短路故障、自然现象灾害、人为误操作、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等都将造成各种电能质量问题（以上两例事故都是属电力系统故障造成的）。

3.2电能质量综合评估

对电能质量进行合理的评估是供用电双方制定供电合同以及明确电能质量责任的重要依据；是电能商品分质计价的重要参考；是进行电能质量治理的先决条件；是评价某个电网或某个供电点电能质量优劣的主要方法；同时也是调查干扰源的发射干扰和敏感用户所承受干扰的手段。

目前世界各国都根据自身的实际情况制定了相关的电能质量标准，这些标准都较为详细地规定了大部分电能质量单项指标的限值范围。

根据国内外相关电能质量标准，各电能质量单项指标主要包括：

（1）电压偏差

电压偏差U是指以百分值表示的实际运行电压对系统标称电压的相对偏差值，根据最新国家电能质量标准GB/T12325-2008《电能质量供电电压偏差》的相关规定，电压偏差定义为：

（1.1）

式（1.1）中，Ux为对实际运行电压有效值连续测量并计算出的平均值，UN为系统标称电压有效值。

其中电压有效值的基本测量时间窗口为10个周波，同时应该保证每个测量时间窗口与邻近的测量时间窗口接近但不重叠。

（2）电压谐波

在电力系统中，常用总谐波畸变率（totalharmonicdistortion，THD）来反映谐波含量及其对电网的影响程度。

THDU是指周期性交流电压的谐波含量方均根值（即有效值）与其基波分量的有效值之间的百分比。

根据国家电能质量标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》的相关规定，电压总谐波畸变率定义为：

（1.2）

式（1.2）中，U1表示基波电压的方均根值，Uh（h≥2）表示第h次谐波电压的方均根值，Nmax表示所选取的谐波最高次数，常取Nmax≤50。

（3）电压波动

电压波动是指电压的方均根值（即有效值）一系列的变动或连续的改变。

根据2008年最新国家电能质量标准GB/T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》的相关规定，电压波动通常以电压变动Uchange来进行衡量，电压变动表示实际测量的电压有效值曲线上相邻的两个极值电压之差与系统标称电压有效值的百分比，定义为：

（1.3）

式（1.3）中，Umax和Umin分别表示由测量所得到的电压有效值曲线上相邻的两个极值电压，UN为系统标称电压有效值。

（4）电压闪变

电压闪变是电压波动在一段时期内的累计效应，它通过灯光照度不稳定造成的视感来反映，主要由长时间闪变值Plt来衡量。

根据2008年最新国家电能质量标准GB/T12326-2008《电能质量电压波动和闪变》的相关规定，短时间闪变值的测量方法为：

首先在观察期内（通常选取为10min）对瞬时闪变视感度检测值进行统计即可获得瞬时闪变视感度的概率统计，接着求出其累积概率函数（cumulativeprobabilityfunction，CPF），最后根据CPF按照式（1.4）计算其短时间闪变值Pst

（1.4）

其中，P0.1、P1、P3、P10、P50分别为CPF曲线上等于0.1%、1%、3%、10%、50%时间的觉察单位值，式（4.4）中P0.1、P1、P3、P10、P50前的比例系数分别取值为m0.1=0.0314，m1=0.0525，m3=0.0657，m10=0.28，m50=0.08。

长时间闪变值Plt则由测量时间段内（通常规定为2h）所包含的短时间闪变值计算获得，其计算公式为：

（1.5）

其中，Nst表示测量时间内所包含的短时间闪变值的个数。

（5）三相电压不平衡

三相电压不平衡是指三相电压在幅值上不同或相位差不是120°，或两者兼而有之。

根据2008年最新国家电能质量标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》的相关规定，三相电压不平衡常以电压不平衡度εU来进行衡量，不平衡度是指三相电力系统中电压（或电流）的三相不平衡程度，通常可用电压负序基波分量的方均根值（即有效值）与正序基波分量的有效值之间的百分比来表示，可以定义为：

（1.6）

其中，Upositive表示三相电压正序分量的方均根值，Unegative表示三相电压负序基波分量的方均根值。

（6）电压骤降

根据IEEE1366相关电能质量标准，电压骤降是指电能质量电压信号的工频电压有效值降至0.1~0.9pu，并且其持续时间在0.01秒到1分钟之内的一种电磁扰动现象。

因此，本研究以电压骤降幅值百分比Usag作为电压骤降质量的衡量指标，电压骤降幅值百分比即电压骤降扰动发生时的电压有效值与系统标称电压有效值的百分比，定义为：

（1.7）

其中，Usag为发生电压骤降时的电压有效值，UN为系统标称电压有效值。

（7）频率偏差

根据2008年最新国家电能质量标准GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率偏差》的有关规定，频率偏差f通常定义为系统的实际测量频率与系统频率标称值之差，如式（1.8）所示。

其中，f表示实际测得的电网频率，fN表示系统频率的标称值。

（8）供电可靠性

供电可靠性是指供电系统持续供电的能力，根据IEEE1366相关规定，供电可靠性通常可用平均供电可靠性率IR来进行衡量，对于具有Nload个负荷点的电力系统来说，该指标定义为：

其中，Ni表示负荷点i（Nload≥i≥1）的用户数，Ti表示负荷点i的年停电时间。

需要特殊说明的是，前面所提及的电压质量综合评估各单项指标中，电压偏差、电压谐波、电压波动、电压闪变、三相电压不平衡以及频率偏差均为逆指标（其值越小则相对应的电能质量单项性能越好），而电压骤降和供电可靠性为正指标（其值越大则相对应的电能质量单项性能越好）。

为了使各指标具有可比性，可以对各单项指标进行了同向化处理，以保证综合评价的合理性。

比如对于电压骤降和供电可靠性，可以用100%减去这些指标将其转换为逆指标。

虽然目前的电能质量标准都较为详细地规定了大部分电能质量单项指标的限值范围，但却只适用于评价电能单项指标是否合格，不能综合判定电能质量的好坏。

电能质量是由多指标体现的，是多指标的有机综合，所以这种仅含合格与不合格两极化的质量标准不能全面、真实、自然地反映电能质量的性质。

并且在电力系统中，各种电能质量问题往往可能同时存在，其不同的组合情况对不同的电气设备影响有所不同。

因此单纯的仅就单项电能质量指标进行评估已不能满足要求，如何对电能质量进行综合评估就成为了必然。

现有的电能质量综合评估方法大体上可以分为两类：

一类是主观赋权评价法，这种方法多是采取综合咨询评分的定性方法；另一类是客观赋权评价法，这种方法的原始数据来源于实际数据，根据各项指标的变异程度或者各指数之间的相关关系来确定权重。

这些单一综合评价法存在以下问题：

（1）不同的单一综合评价方法的机理是不同的，因此其评价结果是从不同角度做出的某种评价，若只是采用某一种单一综合评价方法进行评价，其综合评价结果的可信度就值得怀疑。

（2）对于综合评价来说，评价主体的主观因素对综合评价方法的选择会有很大的影响。

对同一被评价对象，不同评价主体可能会选择不同的综合评价方法，一般情况下，这会导致综合评价结果并不完全相同。

（3）主观赋权评价法能较为充分地吸收专家的知识以及经验，但也有其不足之处：

主观因素过强；客观赋权评价法则具有赋权客观等特点，但其权数完全不能体现各评估指标自身价值的重要性，并且这种评价方法对样本依赖