电能质量的综合评估Word文档下载推荐.docx

1、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. 程序要满足一定的速度要求和应用需求b. 结果可信、真实（3）MATLAB仿真要求：a. 实现谐波源（谐波潮流）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（电气化铁路）进行电能质量评估，得出量化结果；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） Alexander Kusko, Marc T.Thompson 电力系统电能质量. 科学出版社, 2009.3（3） 电能质量国家标准

2、应用指南 中国标准出版社 2009.9（4） 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 周（ 月 日）至第 周（ 月 日）共 周2、设计阶段 第 周（ 月 日）至第 周（ 月 日）共 周3、答辩日期 第 周（ 2012 年 月 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以及其仿真；（3） 设计完成后，使我们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电力行业市场化己成为世界各国电力工业改革的目标。而电能质量则是这其中的关键。本文论述了电能质量各项

3、指标的国标定义，以及在电力市场环境中研究电能质量综合评估问题的意义。本文选择用简单易懂的概率统计和矢量代数相结合方法来进行电能质量的综合评估。首先用概率统计对山西省各市的电能质量的各项指标分别进行评估，然后与矢量代数相结合得到电能质量各项指标的归一量化评估结果，最后综合全省结果比较而直观、全面地反映出山西省的电能质量问题。本文还在介绍各种工业负荷的电能质量特性的基础上，针对电气化铁路影响电能质量的谐波因素进行了MATLAB仿真处理。关键词：电能质量；综合评估；概率统计和矢量代数；MATLAB仿真；Comprehensive Evaluation of Power QualityABSTRACT

4、The power industry market has become the reform objective of power industry through the world . The power quality is the key .This article discusses the definition of the GB of the power quality indicators , And the significance of the study comprehensive assessment of power quality problems in the

5、electricity market environment . This article select the method that the combination of probability statistic and vector algebra to conduct comprehensive assessment of power quality . Firstly, use probability statistic to assess power quality indicators of all cities of the Shanxi Province, then use

6、 vector algebra to the normalized quantitative results of the assessment of power quality indicators , and then integrated the provinces results and the electric characteristics to reflect the power quality in Shanxi Province intuitively and comprehensively. On the basis of introducing a variety of

7、industrial loads power quality characteristics, this paper counter harmonic of electrified railway affecting power quality factors with the MATLAB simulation processing .Key words: Power quality; Comprehensive evaluation; Probability statistic and vector algebra; MATLAB simulation;目录第一章 绪论 81.1 在电力市

8、场环境下研究电能质量评估问题的意义 81.2 国内外的研究现状 81.3 本论文的主要工作 9第二章 电能质量评估指标概述 102.1 电能质量指标的概念和影响因素 102.1.1 电压偏差 102.1.2 频率偏差 112.1.3 谐波含量 122.1.4 电压波动和闪变 122.1.5 三相电压不平衡度 132.1.6 暂态指标 142.2 电能质量国家标准 15第三章 不同工业负荷的电能质量特点 173.1 冶金电炉负荷 173.2 电气化铁路负荷 193.3 高压电机负荷 203.4 风电场 203.5 电气化铁路谐波滤除的MATLAB仿真 21第四章 山西省电能质量全析 254.1算

9、法原理说明 254.2 实例分析 26第五章 结论 27参考文献 28附录：山西省所有变电站电能质量评估数据 29英文原文 38中文翻译 49致谢 55第一章 绪论1.1 在电力市场环境下研究电能质量评估问题的意义进入二十一世纪后，在我国电力已经作为一种特殊的商品逐渐走入了市场化的大门，电力市场也逐步成型。目前，我国的电力市场采用的是发电侧开放式的单一购电者模式，即将电力经营企业拥有的发电厂与电网分开，市场只对发电侧开放，在发电侧各发电厂竞价上网，但是购电者只有电力调度交易中心一方。电力市场中电能交易类型包括合约交易、现货交易、期货交易等，而现阶段，我国的电力市场中的交易类型为，在市场中，电网

10、经营企业与发电公司间以短期现货交易和远期合约交易为主；而电力调度交易中心与购电者间以现货交易为主。作为一种商品，电力市场化后，电能的质量无疑将会与价格挂钩，从而引起人们对质量的重视，这对于电能质量的提高将会起到很好的促进作用。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，作为一种商品投入到市场竞争中去，像其他的商品一样，竞价上网，做到按质定价、优质优价，因此，在电力市场的环境下对电能质量进行评估具有重要的意义。在电力市场环境下，有了明确的电能质量等级划分方法，就可以综合的评估、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，有一个明确的电能质量的评估

11、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的电能的目的。在电力市场中对各种电能的质量进行评估并采用按质论价、优质优价的购电原则，有利于鼓励各个发电厂商、输配电系统努力改进或提高电能的质量，从而可以提高电力系统整体电能的质量。其次，在电力市场中考虑电能质量就将电能质量的治理问题推向了市场，使其与经济利益挂钩，从而明确了电能质量治理的责任，有助于改变目前互相推卸责任、标准单一、无人治理的被动局面。并且，在电力市场中考虑电能质量问题有助于改革并完善电力企业的管理，从而促使电力企业从垂直垄断管理体制向开放竞争管理体制转变，努力开拓电力市场，提高企业的管理效率和电能质量，降低供发电

12、成本和电价，最终达到促进国民经济发展的目的。1.2 国内外的研究现状长期以来，定量的、全面的评估电能质量，一直是电能质量工作者共同追求的目标。目前，电能质量综合评估的研究焦点依然是如何科学、客观地将一个多指标问题综合成单一量化指标问题，已经有多篇文献对电能质量综合评估方法进行了探讨，对电能质量的定量评价做出了有益的探索。由于电能质量指标具有模糊性，因此产生了基于模糊数学的综合评估方法。文献1采用了“模糊模式识别”的方法，首先将电能质量的各个指标模糊化，建立相应的隶属度函数，并且将服务性指标利用专家评分法获得隶属度；然后确定电能质量的等级，采用将模糊集求概率和，在考核周期内取算术平均的方法获得指

13、标隶属度；之后再采用海明贴近度，利用择近原则判断出质量等级。但是，由于采用的贴近度对模糊关系的刻画不够细致，最大隶属度原则掩盖了介于两个隶属度之间的差别，严重时可能会导致判断偏差太大，所以对电能质量的综合评估不够细致、清晰和全面。文献2提出了利用“模糊综合评判”的方法对电能质量进行综合评估。首先对电能质量的各个指标进行分级，从最低一级开始评判，在评判完这一级之后再进入下一级，直到最后获得综合评判结果。同时，在每一级评判中引入相应的评判权重，以表示不同指标在该级中的重要程度。最后一级的综合评判采用加权平均法，以避免最大隶属度原则的片面性。此种方法综合考虑了电能质量指标的各个方面，评判客观、全面、

14、合理，具有一定的应用价值。上述两种基于模糊数学的方法，均存在如何建立合理的隶属度函数的问题，如果隶属度函数建立不合理，将会对评估结果产生很大影响。文献3采用了概率统计特征值的方法，抓住了分项电能质量指标的主要特征。采用矢量代数的方法有效地将不同的分项指标归一量化，使电能商品优质和优价的一一对应成为可能。但是基准值的选取不同，指标的归一量化结果会有很大不同。如果基准值选取不当，会对电能质量综合评估的准确性有很大影响。针对模糊数学和概率统计与矢量代数方法各自的优缺点，文献4提出了将二者相结合的综合评价方法，这种方法在对电能质量进行整体评价的同时，还可以单独评价电能质量的某项指标。采用概率统计特征值

15、的方法可以抓住电能质量分项指标的主要特征，而采用模糊综合评判的方法则可以体现不同用户对电能质量各项指标要求的不同。整个过程中，在尽量避免主观人为因素对评价结果的影响的同时引入了权重矢量，因而可以根据实际的需要满足对某些项指标的特殊要求。但是综合评判过程中各单项指标的权重选取不当，将会对综合评估结果产生不良影响。文献5将“层次分析法（AHP）”用于电能质量综合评估中的权重确定。层次分析法是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程。应用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同方案的权重，为最佳方案的选择提供依据。但是层

16、次分析法在遇到因素众多、规模较大的问题时,容易出现判断矩阵难以满足一致性要求的问题,往往难以进一步对其分组。而判断矩阵的阶数越大,元素间两两比较判断的次数就越多,很难达到一致。因此文献6采用了主客观权重相结合的方法，提出了基于可变权重的电能质量模糊综合评价。先利用 AHP 法确定各项指标的主观权重，再根据不同评价对象的具体情况对各单项指标赋予客观权重，得到可变综合权重，最后利用模糊综合评价方法对电能质量进行综合评判。该方法根据不同类型负荷的敏感程度确定各单项指标权重。但是在对各单项指标赋予客观权重时，需要专家根据具体的情况给予赋权，仍然避免不了人为因素的影响。文献7基于物元分析法，首先用物元和

17、相关函数理论计算待评估的电能质量对各不同质量等级的关联值，并形成关联值矩阵；然后结合层次分析法得到指标权重，计算得到最终评价结果。这种评估方法结果清晰，方法简单，易于编程实现，但是此种方法在确定目标权重时，仍然不能避免人为主观因素的影响。1.3 本论文的主要工作本论文以地区电网电能质量综合评估为背景，进行了电能质量综合评估方法的应用研究。本论文的主要工作有以下几个方面：（1）介绍了电能质量综合评估的意义及方法研究现状。（2）对电能质量的含义及评估指标和国标进行了简要的介绍。（3）简要介绍了几种算法。（4）分析了概率和矢量代数相结合的电能质量综合评估方法，并应用该方法对山西地区变电站的电能质量情

18、况进行了综合评估。（5）对谐波污染和防治进行了仿真。第二章 电能质量评估指标概述2.1 电能质量指标的概念和影响因素2.1.1 电压偏差电压偏差指供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压之差与系统标称电压之比的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为 （2-1）式中 U电压偏差Ure实际电压，kV；UN系统标称电压，kV。供电系统正常运行是指系统中所有电气元件均按照预定工况运行。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%。电压的均方根值偏离

19、标称值的现象称为电压变动，电压偏差属于电压变动的范畴。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。电压偏差过大对用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会产生极大的危害：（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

20、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

21、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。我国的国家标准 GB/T 12325-2003电能质量 供电电压允许偏差对电压偏差做了详尽规定。2.1.2 频率偏差频率是电能质量的重要指标之一。系统负荷特别是发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率，使系统的频率偏差控制在允许范围之内。允许频率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低，同时反映了一个国家工业发达的程度。频率

22、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（50Hz或60Hz，我国采用50Hz标准）之差。用公式表示为： （2-2）式中 f 频率偏差，Hzfre实际频率，Hz；fN系统标称频率，Hz。频率偏差属于频率变化的范畴，电力系统的频率变化是指基波频率偏离正常值的现象。电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时都在发生变化，当发电机与负荷出现有功功率不平衡时，系统频率就会产生变动，出现频率偏差。频率偏差的大小及其持续时间取决于负荷特性和发电机控制系统对负荷变化的响应能力。在任意时刻，系统中所有发电机的总输出有功功率如果大于系统负荷有功功率的总需求（包括电能传输环节的全部有功损耗），那么，

23、系统频率上升，频率偏差为正；反之，系统中所有发电机的总输出有功功率如果小于系统负荷对有功功率的总需求，系统频率则下降，频率偏差为负。电力系统的大事故，如大面积甩负荷、大容量发电设备退出运行等，会加剧电力系统有功功率的不平衡，使系统频率偏差超出允许的极限范围。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。频率偏差过大对用电负荷以及电力系统的安全稳定和经济运行都会造成很大的危害：（1）系统频率偏差过大对用电负荷的危害：产品质量没有保障，工业企业所使用的用电设备大多数是异步电动机，其转速与系统频率有关，系统频率变化将引起电动机转速改变，从而影响产品质量；降低劳动生产率，电动机的输出功率与系统频率有关，

24、系统频率下降使电动机的输出功率降低，从而影响所传动机械的出力；使电子设备不能正常工作，甚至停止运行，电子设备对系统频率非常敏感，系统频率的不稳定会影响这些电子设备的工作特性，降低准确度，造成误差。（2）对电力系统的危害：降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃；汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂；处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难；无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比，当系统频率下降时，电容器的无功出力成比例降低，电容器对电压的支撑作用收到削弱，不利于系统电压的

25、调整；频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。我国的国家标准GB/T159451995电能质量 电力系统频率允许偏差对频率偏差做了详尽规定。2.1.3 谐波含量谐波的国际公认定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。谐波的一个重要指标就是总谐波畸变率（THD），定义为畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度。 （2-3）式中 THDU 电压总谐波畸变率；Uh各次谐波均方根值；U1基波均方根值；M 所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定，通常取 M50。电流总谐波畸变率 THDi的计算同式（2-3），只需将其中的电压变量改为电流变量即可。电力系

26、统中的非线性负荷是造成波形畸变的主要根源。近年来，电力系统谐波问题日益严重，主要原因就是：（1）电力电子设备及其新技术的大量采用，以及各种家用电器的普遍使用，从电网的各个供电点向电力系统注入大量谐波；（2）为了节省原材料，铁芯设备的工作点更进入饱和区，引起谐波的增加；（3）电弧炉用户的增多及其容量的增加。谐波的污染和危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面。谐波会引起旋转电机的附加损耗、发热和振动，降低旋转电机的使用寿命。谐波电流在变压器绕组和线路传输中都要产生附加损耗，而系统变压器和线路的损耗构成了电网损耗的主要部分。在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波的网损可达到相当大的程度（例如向电气

27、铁道供电的电网在谐波严重谐振时，输变电网络中谐波损耗可达到电气铁道供电负荷的 1.85%）；谐波会对通信系统产生电磁干扰，降低电信质量；还会使重要的和敏感的自动控制、保护装置误动作。我国的国家标准 GB/T145491993电能质量 公用电网谐波对频率偏差做了详尽规定。2.1.4 电压波动和闪变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。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。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 UN的百分数表示其相对百分值： （2-

28、4）相对最大电压变动值： （2-5）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。电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受，它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

29、不到。若将载波电压的调幅波进行频谱分析，则会发现它是由 1/2f1（f1为基波电压频率）以下的低频成分所组成。在所有这些低频成分中，人眼对 8.8Hz 的电压波动最为敏感。因此，IEC（International Electro technical Commission）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，通过在 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

30、变；反之则没有。如前所述，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（f ）： （2-6）式中 S=1 觉察单位是以闪变觉察率 F（%）为 50为瞬时闪变视感度的衡量单位，闪变觉察率 F（%）的统计公式如下： （2-7） 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 为不能忍受的人数。由此可见，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。我国的国家标准 GB 12326-2000电能质量 电压波动和闪变对电压波动和闪变做了详尽规定。2.1.5 三相电压不平衡度电力系统的三相不平衡（或对称）是由于三相负载不平衡（或对称）以及系统元件参数的不对称所致。在研究不对称的三相电力系统时，广泛使用对称分量法