現(xiàn)代配電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測、分析及改善

中國電力教育年研究綜述與技術(shù)論壇專刊當(dāng)代配電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測、分析及改善田豐豐。李碧輝（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢）摘要：簡要概述了當(dāng)代我國配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控的總體情況。從電能質(zhì)量的監(jiān)測談起，把注意力集中到電能的五大指標(biāo)上面。引入目前國內(nèi)外比較常用的分析方法，分析通過監(jiān)測環(huán)節(jié)采集到的各項指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，評估電能質(zhì)量的好壞。最后對可能影響電能質(zhì)量的因素提出限制措施，研究改善和提高電能質(zhì)量的方法。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；監(jiān)測；分析；改善；諧波；電壓偏移電能生產(chǎn)和傳輸?shù)睦硐霠顟B(tài)是電壓和電流幅值保持恒定值不變、頻率保持穩(wěn)定不變、波形保持正弦波不變、相位相互對稱并依次相差點角度不變。但實際中電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷的性質(zhì)決定電能在生產(chǎn)及傳輸過程中不可能保持理想狀態(tài)?！半娔苜|(zhì)量”的概念就是用來描述這種實際狀態(tài)偏離理想狀態(tài)的程度的量，它是電力系統(tǒng)中各種干擾的總稱，內(nèi)容涉及頻率偏移、電壓偏移、諧波、三相不平衡以及電萬方數(shù)據(jù)壓波動和閃變等。接入電網(wǎng)的大量非線性元件產(chǎn)生的諧波電流引起三相電壓不對稱；接入電網(wǎng)的不對稱負(fù)荷引起三相電壓不平衡；接入電網(wǎng)的沖擊負(fù)荷引起電壓波動和閃變這些都是影響電能質(zhì)量的因素。一、當(dāng)代配電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測電能質(zhì)量監(jiān)測目的是采集電能在生產(chǎn)和傳輸過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，使其能在接下來的分析中轉(zhuǎn)換成有用的、可解釋的信息。這對于電能質(zhì)量的控制而言是十分必要的。監(jiān)測對象電能質(zhì)量監(jiān)測的對象要能夠為質(zhì)量分析提供有價值的數(shù)據(jù)。換句話說就是被檢測量要能夠反映系統(tǒng)的整體運行情況，能夠反映我們所關(guān)心的特定電能問題，同時還要有利于分析評估電能質(zhì)量水平以及進(jìn)行干擾診斷和設(shè)備維護(hù)。（）供電電壓允許偏差）（）電壓波動和閃變電壓均方根值一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象稱為電壓波動，周期大于工頻周期。在分鐘內(nèi)，測量各工頻周期的電壓有效值，與標(biāo)稱電壓比較，可得電壓波動值。照明電源的電壓波動造成燈光照度不穩(wěn)定的人眼視感反應(yīng)稱為閃變，其變化較快。國標(biāo)規(guī)定：電壓波動及以下為；為；及以上為。電壓閃變一。（）電力系統(tǒng)頻率允許偏差電力系統(tǒng)頻率偏差是指在正常運行條件下，系統(tǒng)頻率的實際值與額定值之差，即字（）其中，島是頻率偏差，是實際頻率，是系統(tǒng)額定頻率，單位為地。國標(biāo)規(guī)定：電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為。（）三相電壓允許不平衡度三相電相互平衡的程度一般用不平衡度來表示，其定義為半（）供電電壓偏差是指供電系統(tǒng)在正常運行條件下，某一節(jié)點的運行電壓與系統(tǒng)額定電壓之差對系統(tǒng)額定電壓的百分?jǐn)?shù)，可表示為：。其中，一、分別為負(fù)序和正序電壓的有效值。單位為國標(biāo)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點不平衡度正常時不得超、：業(yè)尋業(yè)，（）過，短時不得超過。（）公用電網(wǎng)諧波丑【，其中為電壓偏差，為實際運行電壓，為該節(jié)點的額定電壓。這個量可以直接反映出電壓質(zhì)量的好壞。國標(biāo)規(guī)定及以上供電電壓正負(fù)偏差的絕對值之和不超過。及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的。單相供電電壓允許偏差為一一。諧波的監(jiān)測一般來說比較困難，難于做到十分準(zhǔn)確。這在技術(shù)上也一直是個難題。通常我們所說的諧波電壓一般是指諧波電壓含有率（腿）。，和諧波電流含有率（眥）。（）?？桑ǎ┳髡吆喗椋禾镓S（一），男，河南許昌人，武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程及自動化專業(yè)級本科生。當(dāng)代配電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測、分析及改善（）電能質(zhì)量的分析方法通常有時域分析法、頻域分析法和基于變化的分析法（如小波分析）。本文就目前較為常用的時一頻分析法以及小波分析法進(jìn)行介紹。時一頻分析法對于頻譜特性隨時間變化的非平穩(wěn)信號而言，采用時一頻分析法比較方便。最常用的做法就是利用基于短時變換的能量頻譜圖。頻譜圖可以從時域或者則頻域的角度來反映信號的能量。通常情況下，對信號需要加窗函數(shù)后再進(jìn)行分析。也就是說，實際得到的是窗函數(shù)和原信號函數(shù)混合后的頻譜圖。（）。寺值采用下式計算（以電流為例）：其中，、分別為電壓的次諧波有效值和基值；、分別為電流的次諧波有效值和基值。一般來說，次諧波據(jù)瓦其中，是第次測得的次諧波的有效值。為在這內(nèi)的測量次數(shù)（要求時間間隔一樣），一般取。國標(biāo)對電網(wǎng)的諧波含量做了詳細(xì)的規(guī)定，不同的電壓等級有不同的諧波限制。電壓等級越高，諧波限制量也越嚴(yán)格。常用監(jiān)測方式電能質(zhì)量的監(jiān)測分為連續(xù)監(jiān)測、專項監(jiān)測以及定期或不定期監(jiān)測三種方式。（）在實際的電力生產(chǎn)和輸送過程中，對于電壓偏差和頻率偏差的監(jiān)測多采用連續(xù)監(jiān)測。一是因為電壓和頻率的測量較為簡便，可以通過儀器得到二者的實時值。二是因為電壓和頻率在很大程度上反映了當(dāng)前電能質(zhì)量的好壞，可以用來對電網(wǎng)做整體性的評估。（）在干擾源比較多的地方，比如火車站就可看作是一個大的諧波源，就需要進(jìn)行專項監(jiān)測。實際中對諧波的專項萬方數(shù)據(jù)監(jiān)測較多。這種監(jiān)測方法需要針對實際情況采用專門的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，其監(jiān)測的對象和范圍一般只限制在所關(guān)心的極個別量上，專用性強。例如對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測的方法。（）定期或不定期監(jiān)測方式主要針對一些有規(guī)律性的環(huán)境變化、設(shè)備周期的影像進(jìn)行檢測。如在多雷的季節(jié)加強閃變的監(jiān)測等。進(jìn)行監(jiān)測時，需要選取好的監(jiān)測點來反映整體的電能質(zhì)量。通常選擇用戶供電的入口處、有保護(hù)需要的且受影響的設(shè)備附近，或者在變電站和用戶之間同時監(jiān)測并進(jìn)行比較。常用監(jiān)測設(shè)備當(dāng)代的配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測中用不到特別復(fù)雜的監(jiān)測設(shè)備。但其種類繁多，智能化和集成化程度都很高。（）常用的儀器儀表是監(jiān)測的基本設(shè)備。如萬用表、示波器等，他們不能定量地對電能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，只能反映各項指標(biāo)的變化趨勢，不方便輸入計算機進(jìn)行處理。（）數(shù)字化監(jiān)測設(shè)備多采用單片機和數(shù)字處理器。提高了監(jiān)測的速度和精度。更重要的是，十分方便與計算機連接進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和分析。但目前這類設(shè)備還無法做到同時對多個指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，功能上有些單一。專用性強。（）當(dāng)代配電網(wǎng)中逐步興起的是智能型綜合監(jiān)測儀器。這類設(shè)備結(jié)合了以上兩種設(shè)備的優(yōu)點。在出色的完成數(shù)據(jù)傳輸和共享的基礎(chǔ)上，加大了集成程度，使得該類設(shè)備可以同時對多個指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、分析。但由于造價不低，還有待推廣。、當(dāng)代配電網(wǎng)電能質(zhì)的分析在計算機中利用短時傅立葉變換（腫）求取能量頻譜圖時，是對一系列離散的值進(jìn)行計算的。所以，取樣頻率和取樣點數(shù)會直接影響阿的精度。對于任意一個信號，其能量譜利用下式計算：芝（）（）。哿一）常，）面藝（）曼一其中，（）為輸入信號，（）為窗函數(shù)，為取樣點數(shù)，為窗函數(shù)長度。這種方法適于利用進(jìn)行仿真分析，即可求得原信號的頻譜圖。小波變化法小波變換的主要特點是具有時一頻局部性，可以突出問題變化的部分。利用這種特性可以分析檢測信號的局部奇異性，再加上小波函數(shù)本來就是一種暫態(tài)函數(shù)，故對電能質(zhì)量的暫態(tài)過程分析十分有利。小波變換是指把一個小波函數(shù)霍（）作一個小位移后，在不同的尺度下與原來的函數(shù)（）作內(nèi)積，其表達(dá)式如下：（，）（），屯，（）：（）霍（宰）吖（）在用它分析電能質(zhì)量時，本質(zhì)是度量被分析信號波形與所用小波波形的局部相似程度。利用其分析小波變換時要關(guān)注兩點：一個是小波函數(shù)的選取要合理，使其盡可能與信號相匹配。常用的小波基函數(shù)有：小波、一樣條小波、小波、小波等。另一個就是要從變換系數(shù)中提取電能質(zhì)量分析中固有的特征量，并且數(shù)目盡可能少。提取盡可能容易。要注意到，電力系統(tǒng)中固有的噪聲并不會對結(jié)果產(chǎn)生太大的影響，因為噪聲在小波變換中隨著分解尺度的增加會迅速變小，而擾動信號則會迅速變大。綜上所述，整個利用小波變換法分析電能質(zhì)量的過程可以分為：（）根據(jù)擾動信號選取適當(dāng)?shù)男〔ê瘮?shù)；（）進(jìn)行小波分解；（）濾去噪聲；（）從小波變換系數(shù)中提取特征量；（）根據(jù)特征量的結(jié)果識別擾動。三、當(dāng)代配電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善我國當(dāng)代配電網(wǎng)在經(jīng)過多年的城農(nóng)網(wǎng)改造后，可靠性有當(dāng)代配電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測、分析及改善了很大程度的提高。但是隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求也在進(jìn)一步提高。造成配電網(wǎng)電能質(zhì)量損失的主要原因是負(fù)荷的快速增加和負(fù)荷結(jié)構(gòu)的多元化。如何進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量是當(dāng)下電能質(zhì)量研究的熱點。在改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量方面，應(yīng)該做好以下幾方面的工作。基于電力電子技術(shù)，抑制諧波（）安裝諧波補償裝置。抑制諧波的重要措施之一就是在變電站以上母線上加裝諧波補償裝置。常用的諧波補償裝置分為無源濾波器、有源濾波器和混合濾波器。無源濾波裝置（時）采用九組電力電容器、電抗器和電阻器等無源元件適當(dāng)組合而成，以對某次諧波和以對上次諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波的作用。有源濾波器（）工作原理是利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電流的總諧波電流為零，達(dá)到實時補償諧波電流的目的。但由于造價高，運行損耗大，容量受到限制。有源濾波器。用無源濾波器來消除次、次、次、次等萬方數(shù)據(jù)將有源濾波器和無源濾波器組合起來，就構(gòu)成混合型較大的諧波，而用有源濾波器去消除其他次諧波，這樣從總體上降低成本。（）采用新型整流電路要想在最大程度上抑制諧波的產(chǎn)生，就要注意各種開關(guān)電源。在當(dāng)代的配電網(wǎng)中，大型整流器和帶斬波器的二極管整流電路已逐步推廣開。新型高功率因素、低諧波率的整流電路和控制方式的研究已有很大進(jìn)展。這些措施可以從根本上抑制諧波污染。（）利用相數(shù)倍增法抑制諧波考慮到電力系統(tǒng)中對非線性元件的利用問題，單純地去想辦法降低甚至消除非線性顯然是不科學(xué)的。針對高次諧波都是一些正弦交流量，其大小和方向與相位有關(guān)，可設(shè)法讓次數(shù)相同、相位相反的諧波相互抵消。這種思想就是相數(shù)倍增法。一般情況下可用普通換流變壓器配合適當(dāng)?shù)囊葡嘧儔浩鹘M成換流裝置。相數(shù)倍增法只有在各組整流器的負(fù)載完全一致時才能有效消除諧波。利用配電網(wǎng)靈活交流輸電系統(tǒng)（）提高電能質(zhì)量上文所提到的裝設(shè)濾波器的措施有一定的局限性，因為濾波器的特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大，并且在實際應(yīng)用中，濾波器甚至?xí)δ承┐沃C波產(chǎn)生放大作用。使用可以大大提高系統(tǒng)的可控性進(jìn)而提高供電的可靠性。這種系統(tǒng)將電力電子技術(shù)、微處理機技術(shù)、自動控制技術(shù)等綜合形成了一系列的電能質(zhì)量補償控制設(shè)備，從而提高電能質(zhì)量。目前具有代表性的主要有：可控串聯(lián)補償電容器（）、靜止無功補償裝置（）、統(tǒng)一潮流控制器等（）等?！居煽煽刂泛凸潭ǎɑ蚩勺儯V波支路并聯(lián)而成，主要有種型式：可控硅閥控制空芯電抗器型（）、可控硅閥控制高阻抗變壓器型（）、可控硅開關(guān)控制電容器型（俄）、自飽和電抗器型（型）。加強電網(wǎng)管理，采用合理的政策在技術(shù)層面上的措施是必須的，但是只有這些還不夠。在日常的電力生產(chǎn)和輸送過程中以及其他生產(chǎn)部門的正常運作過程中做好電網(wǎng)的管理工作，將會對提高電能質(zhì)量有很大的幫助作用。（）建立完善的電能質(zhì)量監(jiān)測預(yù)警體系；（）在生產(chǎn)和輸送電能的過程中加強規(guī)范化作業(yè)；（）統(tǒng)籌管理、安排其他國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)部門的用電情