现代配电网电能质量的监测分析及改善.doc

中国电力教育２００８年研究综述和技术论坛专刊
当代配电网电能质量的监测、分析及改善
田
丰丰。李碧辉
（武汉大学电气工程学院，湖北武汉４３００７２）
摘要：简要概述了当代我国配电网电能质量监控的总体情况。从电能质量的监测谈起，把注意力集中到电能的五大指标上面。引入目前国内外比较常用的分析方法，分析通过监测环节采集到的各项指标的相关数据，评估电能质量的好坏。最后对可能影响电能质量的因素提出限制措施，研究改善和提高电能质量的方法。
关键词：电能质量；监测；分析；改善；谐波；电压偏移
电能生产和传输的理想状态是电压和电流幅值保持恒定值不变、频率保持稳定不变、波形保持正弦波不变、相位相互对称并依次相差１２００点角度不变。但实际中电网的结构以及负荷的性质决定电能在生产及传输过程中不可能保持理想状态。“电能质量”的概念就是用来描述这种实际状态偏离理想状态的程度的量，它是电力系统中各种干扰的总称，内容涉及频率偏移、电压偏移、谐波、三相不平衡以及电万方数据压波动和闪变等。接入电网的大量非线性元件产生的谐波电流引起三相电压不对称；接入电网的不对称负荷引起三相电压不平衡；接入电网的冲击负荷引起电压波动和闪变……这些都是影响电能质量的因素。
一、当代配电网电能质量的监测
电能质量监测目的是采集电能在生产和传输过程中的相关数据，使其能在接下来的分析中转换成有用的、可解释的信息。这对于电能质量的控制而言是十分必要的。
１．监测对象
电能质量监测的对象要能够为质量分析提供有价值的数据。换句话说就是被检测量要能够反映系统的整体运行情况，能够反映我们所关心的特定电能问题，同时还要有利于分析评估电能质量水平以及进行干扰诊断和设备维护。
（１）《供电电压允许偏差）ＧＢ
１２３２５—２００３
（２）《电压波动和闪变＞ＧＢ
１２３２６—２０００
电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象称为电压波动，周期大于工频周期。在１分钟内，测量各工频周期的电压有效值，和标称电压比较，可得电压波动值。照明电源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变，其变化较快。
国标规定：电压波动１０ｋＶ及以下为２．５％；３５—１１．ＯｋＶ为２％；２２０ｋＶ及以上为１．６％。电压闪变０．４％一０．６％。
（３）《电力系统频率允许偏差＞ＧＢ／Ｔ
１５９４５—１９９５
电力系统频率偏差是指在正常运行条件下，系统频率的实际值和额定值之差，即
６ｆ＝字×１００％
ｆ
ｆ
（２）
ＪＮ
其中，岛是频率偏差，ｆ是实际频率，ｆＮ是系统额定频率，单位为地。
国标规定：电力系统正常频率偏差允许值为±Ｏ．２Ｈｚ。（４）《三相电压允许不平衡度》ＧＢ／Ｔ
１５５４３—１９９５
三相电相互平衡的程度一般用不平衡度来表示，其定义为
￡＝半×１００％
Ｕ・
ＴＴ
（３）
供电电压偏差是指供电系统在正常运行条件下，某一节点的运行电压和系统额定电压之差对系统额定电压的百分数，可表示为：
ｋＶ。
其中，Ｕ一、Ｕ＋分别为负序和正序电压的有效值。单位为
国标规定：电力系统公共连接点不平衡度正常时不得超
ＴＴ、
≈：业寻业×１００％
ＵＮ
，Ｔ，
（１）
过２％，短时不得超过４％。
（５）《公用电网谐波》Ｇ丑【，．ｒ
１４５４９—１９９３
其中为电压偏差，为实际运行电压，为该节点的额定电压。这个量可以直接反映出电压质量的好坏。
国标规定３５ｋＶ及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过１０％。ｌＯｋｖ及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±７％。２２０Ｖ单相供电电压允许偏差为＋７％一一１０％。
谐波的监测一般来说比较困难，难于做到十分准确。这在技术上也一直是个难题。通常我们所说的谐波电压一般
是指谐波电压含有率（腿Ｕ）。，和谐波电流含有率（眦）。ｏ
（ｔｍｕ）。可Ｕｎ×１００％
（４）
・作者简介：田丰（１９８８一），男，河南许昌人，武汉大学电气工程学院电气工程及自动化专业０５级本科生。
９０
当代配电网电能质量的监测、分析及改善
（５）
电能质量的分析方法通常有时域分析法、频域分析法和基于变化的分析法（如小波分析）。…本文就目前较为常用的时一频分析法以及小波分析法进行介绍。
１．时一频分析法
对于频谱特性随时间变化的非平稳信号而言，采用时一频分析法比较方便。最常用的做法就是利用基于短时Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的能量频谱图。频谱图可以从时域或者则频域的角度来反映信号的能量。通常情况下，对信号需要加窗函数后再进行分析。也就是说，实际得到的是窗函数和原信号函数混合后的频谱图。
（ＨＲＩ）。＝寺×１００％
值采用下式计算（以电流为例）：
其中，Ｕｎ、Ｕ１分别为电压的ｎ次谐波有效值和基值；Ｉｎ、１１
分别为电流的ｎ次谐波有效值和基值。一般来说，ｎ次谐波
Ｌ＝据瓦
其中，ｋ是３ｓ第ｋ次测得的ｎ次谐波的有效值。ｍ为在这３ｓ内的测量次数（要求时间间隔一样），一般取ｍ＝６。
国标对电网的谐波含量做了详细的规定，不同的电压等级有不同的谐波限制。电压等级越高，谐波限制量也越严格。
２．常用监测方式
电能质量的监测分为连续监测、专项监测以及定期或不定期监测三种方式。
（１）在实际的电力生产和输送过程中，对于电压偏差和频率偏差的监测多采用连续监测。一是因为电压和频率的测量较为简便，可以通过仪器得到二者的实时值。二是因为电压和频率在很大程度上反映了当前电能质量的好坏，可以用来对电网做整体性的评估。
（２）在干扰源比较多的地方，比如火车站就可看作是一个大的谐波源，就需要进行专项监测。实际中对谐波的专项万方数据监测较多。这种监测方法需要针对实际情况采用专门的设备进行监测，其监测的对象和范围一般只限制在所关心的极个别量上，专用性强。例如对牵引供电系统进行在线监测的方法。
（３）定期或不定期监测方式主要针对一些有规律性的环境变化、设备周期的影像进行检测。如在多雷的季节加强闪变的监测等。
进行监测时，需要选取好的监测点来反映整体的电能质量。通常选择用户供电的入口处、有保护需要的且受影响的设备附近，或者在变电站和用户之间同时监测并进行比较。
３．常用监测设备
当代的配电网电能质量监测中用不到特别复杂的监测设备。但其种类繁多，智能化和集成化程度都很高。
（１）常用的仪器仪表是监测的基本设备。如万用表、示波器等，他们不能定量地对电能指标进行监测，只能反映各项指标的变化趋势，不方便输入计算机进行处理。
（２）数字化监测设备多采用单片机和数字处理器。提高了监测的速度和精度。更重要的是，十分方便和计算机连接进行数据共享和分析。但目前这类设备还无法做到同时对多个指标进行监测，功能上有些单一。专用性强。
（３）当代配电网中逐步兴起的是智能型综合监测仪器。这类设备结合了以上两种设备的优点。在出色的完成数据传输和共享的基础上，加大了集成程度，使得该类设备可以同时对多个指标进行监测、分析。但由于造价不低，还有待推广。
＝、当代配电网电能质■的分析
在计算机中利用短时傅立叶变换（Ｓ肿）求取能量频谱
图时，是对一系列离散的值进行计算的。所以，取样频率和
取样点数会直接影响ｓ阿ｒ的精度。对于任意一个信号，其
能量谱利用下式计算：
ｋｌ芝１ｘ（ｍ）ｗ（ｍ—ｎ）。‘哿Ｉ一ｎ）ｅ‘ｊ常Ｉ，）＝面ｌ艺
ｚ２
（７）
ｒＯＳｎ曼Ｎ一１
｛ｏ≤ｋｓＭ—ｌ其中，ｘ（ｍ）为输入信号，ｗ（ｍ）为窗函数，Ｎ
为取样点数，Ｍ为窗函数长度。
这种方法适于利用Ｍａｔｌａｂ进行仿真分析，即可求得原信号的频谱图。
２．小波变化法
小波变换的主要特点是具有时一频局部性，可以突出问题变化的部分。利用这种特性可以分析检测信号的局部奇异性，再加上小波函数本来就是一种暂态函数，故对电能质量的暂态过程分析十分有利。
‘小波变换是指把一个小波函数霍（ｔ）作一个小位移ｒ后，在不同的尺度ｊ下和原来的函数ｘ（ｔ）作内积，其表达式如下：
ｗＴｘ（ｊ，ｒ）＝（ｘ（ｔ），屯，，（ｔ））＝｛Ｊ：．ｘ（ｔ）・霍（宰）ｄｒ
吖Ｊ
Ｊ
（ｓ）ｃ３１
在用它分析电能质量时，本质是度量被分析信号波形和所用小波波形的局部相似程度。利用其分析小波变换时要关注两点：一个是小波函数的选取要合理，使其尽可能和信号相匹配。常用的小波基函数有：Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ小波、Ｂ一样条小波、Ｍｏｒｌｅｔ小波、Ｍｅｙｅｒ小波等。另一个就是要从变换系数中提取电能质量分析中固有的特征量，并且数目尽可能少。提取尽可能容易。要注意到，电力系统中固有的噪声并不会．对结果产生太大的影响，因为噪声在小波变换中随着分解尺度的增加会迅速变小，而扰动信号则会迅速变大。
综上所述，整个利用小波变换法分析电能质量的过程可以分为：
（１）根据扰动信号选取适当的小波函数；（２）进行小波分解；（３）滤去噪声；（４）从小波变换系数中提取特征量；（５）根据特征量的结果识别扰动。
三、当代配电网电能质量的改善
我国当代配电网在经过多年的城农网改造后，可靠性有
当代配电网电能质量的监测、分析及改善
９１
了很大程度的提高。但是随着国民经济的快速发展，用户对电能质量的要求也在进一步提高。造成配电网电能质量损失的主要原因是负荷的快速增加和负荷结构的多元化。如何进一步提高配电网的电能质量是当下电能质量研究的热点。
在改善配电网电能质量方面，应该做好以下几方面的工作。
１．基于电力电子技术，抑制谐波
（１）安装谐波补偿装置。抑制谐波的重要措施之一就是在变电站１０ｋＶ以上母线上加装谐波补偿装置。常用的谐波补偿装置分为无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器。
①无源滤波装置（ＰａｓｓｉｖｅＦｘｌ时）采用九组电力电容器、电抗器和电阻器等无源元件适当组合而成，以对某次谐波和以对上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用。
②有源滤波器（Ａｃｔｉｖｅ
Ｐｏｗｅｒ
Ｆｄｔｅｒ）工作原理是利用可控
的功率半导体器件向电网注入和谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电流的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。但由于ＡＰＦ造价高，运行损耗大，容量受到限制。
有源滤波器。用无源滤波器来消除５次、７次、１次、１３次等万方数据
③将有源滤波器和无源滤波器组合起来，就构成混合型较大的谐波，而用有源滤波器去消除其他次谐波，这样从总体上降低成本。
（２）采用新型整流电路
要想在最大程度上抑制谐波的产生，就要注意各种开关电源。在当代的配电网中，大型ＰＷＭ整流器和带斩波器的二极管整流电路已逐步推广开。新型高功率因素、低谐波率的整流电路和控制方式的研究已有很大进展。这些措施可以从根本上抑制谐波污染。
（３）利用相数倍增法抑制谐波
考虑到电力系统中对非线性元件的利用问题，单纯地去想办法降低甚至消除非线性显然是不科学的。针对高次谐波都是一些正弦交流量，其大小和方向和相位有关，可设法让次数相同、相位相反的谐波相互抵消。这种思想就是相数倍增法。一般情况下可用普通换流变压器配合适当的移相变压器组成换流装置。相数倍增法只有在各组整流器的负载完全一致时才能有效消除谐波。
２．利用配电网灵活交流输电系统（Ｄ—ＦＡｃＩｓ）提高电能质量
上文所提到的装设滤波器的措施有一定的局限性，因为滤波器的特性受系统参数的影响较大，并且在实际应用中，滤波器甚至会对某些次谐波产生放大作用。使用Ｄ—ＦＡＣＩＳ可以大大提高系统的可控性进而提高供电的可靠性。这种系统将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等综合形成了一系列的电能质量补偿控制设备，从而提高电能质量。
目前具有代表性的主要有：可控串联补偿电容器（１℃ＳＣ）、静止无功补偿装置（ｓｖＣ）、统一潮流控制器等（ｕＰＦｃ）等。【２１ＳＶＣ由可控支路和固定（或可变）滤波支路并联而成，主要有４种型式：可控硅阀控制空芯电抗器型（’ｒＣＲ）、可控硅阀控制高阻抗变压器型（７ｒｃＴ’）、可控硅开关控
制电容器型（俄）、自饱和电抗器型（ＳＳＲ型）。
３．加强电网管理，采用合理的政策
在技术层面上的措施是必须的，但是只有这些还不够。在日常的电力生产和输送过程中以及其他生产部门的正常运作过程中做好电网的管理工作，将会对提高电能质量有很
大的帮助作用。
（１）建立完善的电能质量监测预警体系；（２）在生产和输送电能的过程中加强规范化作业；（３）统筹管理、安排其他国民经济生产部门的用电情况，减少对电网的冲击；（４）加强宣传工作，使普通用户懂得如何在日常生活中减少对电网的冲击。
四、结语
配电网对国民经济发展起着主要的支撑作用，其电能质量的好坏将直接影响该地区的经济发展水平。就当代的配电网而言在监测和控制方面还有待改进，于此同时，大量新技术的产生对于配电网电能质量的提高大有裨益。
参考文献：
［１］黄智春．浅析现代电能质量的问题．广东中山供电局．【２］郭育生．影响电能质量的因素及改善方法．广东省电力学校．［３］林涛，樊正伟．利用小波变换及人工神经网络识别电能扰动．武汉大学电气工程学院．
8 / 8