电能质量监测及其治理

摘 要

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。

改革开放以前，我国工业水平比较落后，制造业工艺比较粗糙，高、精、尖方面的先进制造业更是缺乏，因而，谐波引起的影响与危害并不明显，而电能质量问题更提不到议事日程。人们普遍 认为，只要能保证电网频率的正常以及保证供电电压在一定范围内，就等于保证了电网的电能质量。另外从我国的电力系统供求关系来看，80年代之前处于计划和短缺经济时期，有没有电供用户使用是主要问题，自然“电能质量”问题就无从谈起。

 随着国民经济的发展，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。随着计算机技术的日益普及，大 量基于计算机系统的控制设备和电子装置不仅对供电电能质量异常敏感，同时也加剧了电能质量的进一步恶化。

在电力市场环境下，电能已转化为由电力部门向电力用户提供电力供应及辅助服务的特殊商品。如何对电能质量进行检测与评估已成为电力质量管理工作的前提。电能质量检测是现代电力系统进行电能检测管理的主要工具。

 本文主要描述中能质量问题、监测的内容、监测方式以及其治理，通过对实质监测系统的分析得出最后的结论。

关键词：电能质量；谐波；电能质量监测系统；治理

1概 述

1.1引言

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，名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。

改革开放以前，我国工业水平比较落后，制造业工艺比较粗糙，高、精、尖方面的先进制造业更是缺乏，因而，谐波引起的影响与危害并不明显，而电能质量问题更提不到议事日程。人们普遍认为，只要能保证电网频率的正常以及保证供电电压在一定范围内，就等于保证了电网的电能质量。另外从我国的电力系统供求关系来看，80年代之前处于计划和短缺经济时期，有没有电供用户使用是主要问题，自然“电能质量”问题就无从谈起。

随着国民经济的发展，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。随着计算机技术的日益普及，人量基于计算机系统的控制设备和电子装置不仅对供电电能质量异常敏感，同时也加剧了电能质量的进一步恶化。

1.1.1电力系统电能质量问题的产生主要有以下几个原因

1.1.1.1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。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。

1.1.1.2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，会引起较为严重的谐波电流，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。

1.1.1.3电力系统故障

电力系统运行的各种故障也会造成电能质量问题，如各种短路故障、自然灾害、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等都将造成各种电能质量问题。

 电能质量问题不仅仅关系到用电设备运行的可靠性和安全性，而且还关系到供用电市场的规范化。它的产生可能来源于供电方的输配电系统，也可能来源于用户端的不合理用电，还可能来源于雷电等自然现象。只有对电能质量进行有效地监测才会对问题的产生和影响有清楚的认识,这样才能为电能质量的改善、供用电双方的协调和供用电市场的规范提供真实依据，以便采取有效的解决措施。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，具有现实意义。

1.2电能质量问题概述

随着科学技术的发展，一些带有基于微处理器的控制器和大功率电子开关器件的现代用电设备对电能质量的要求越来越高，他们对电磁干扰都极为敏感，而且随着电力用户对电能质量认识的提高，越来越多的用户向电力部门提出了高质量的供电要求，另外，电能质量的恶化会带来比如使继电保护误动，附加损耗增加等问题，而且电力企业处于提高自身运行效率的需要，也在努力寻求提高电能质量的新途径。

1.2.1电能质量的定义

从普通意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术会义还存在着不同的认识，一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力企业可能把电能质量简单地看成是电压(偏差)与(频率)的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能99%是符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向符合正常供电；而设备制造厂家则认为合格的电力质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。

另一方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特别是用电负荷的性能和结构的制约。

“电能质量”这一用词长久以来就比较混乱，在英文用词方面有人使用“ElectricPower Systems Quality”(供电质量)等。对其含义也各有解析。直到1968年，一篇关于美国海军电子设备电源规范要求的研究论文最先规范使用了“PowerOualitv”(申能质量)这一专业术语。于此同时，前苏联等国家也开始使用“VoltageQuality”(电压质量)，用来反映电压幅值的缓慢变动和电源实际频率与理想频率的偏差。此后，越来越多的研究者表现出对电能质量货电压质量的关心，电气工程界在关于电能质量问题应采用规范的技术名词上逐渐趋回一致。国际电气电子工程师协会(IEEE)标准化协调委员会一正式采用“PowerQuality”(电能质量)术语的决定，并且给出了相应的技术定义：“合格的电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。这个定义的缺点是不够直接和简明。

一种普遍接受和采用的技术名词与定义方法是：从工程使用角度出发，将电能质量概念进一步具体分解并给出解析。其内容如下：

 一是电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门想用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降(升)与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。

 二是电流质量。电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。电流质量通常包括电流谐波、问谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。

三是供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度。

四是用电质量。它包括电流质量和技术含义等，如用户是否按时、如数缴纳电费等。

上述关于电能质量的含义与解析反映了供用电双方的互相作用和影响以及责任和义务。虽然其含义很工程化，但对理解和认识电能质量是很有实用价值的。

另外，国际电工委员会(IEC)标准则对电能质量定义为，电能质量是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。这里的“偏差”应广义理解，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可家性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。但是，IEC并没有采用“PowerQuality”(电能质量)这一术语，而是用“EMC”(电磁兼容)术语来强调设备与设备之前，电源与设备之问的相互作用及影响，定义电磁兼容为设备或系统能在所处的电磁环境中正常运行并且不对该电磁环境产生任何不能容忍的电磁扰动。在电磁兼容的概念中，用排放(Emission)表示设备产生的电磁污染，用(Immunity)表示设备抗电磁污染的能力，并以此为基础，制定了一系列电磁兼容的标准。

1.2.2衡量电能质量的主要指标

由于所处立场不同，关注电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，但是对其主要技术指标都有较为一致的认识。主要指标为国家技术监督局相继颁布的涉及电能质量五个方面的国家标准，即：供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压允许不平衡度，公用电网谐波，以及供电频率允许偏差等的指标限制。

 一是电压偏差(voltagedeviation)：是电压下跌(电压跌落)和电压上升(电压隆起)的总称。

 二是频率偏差(frequencydeviation)：对频率质量的要求全网相同，不因用户而异，各国对于该项偏差标准都有相关规定。

 三是电压三相不平衡(unbalance)：表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。

 四是谐波和间谐波(harmonics&inter-harmonics)：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为问谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。

五是电压波动和闪变(fluctuation&flicker)：电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出09~11倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

此外IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会从电压幅值和电压波形两个方面采用11种指标来衡量电能质量，其中电压幅值指标包括：断电、电压下跌、电压上升、瞬时脉冲、电压波动与闪变、电压切痕、过电压、欠电压电压波形指标包括：谐波问谐波频率偏差。

1.2.3目前存在的问题

对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径，虽然这方面的监测仪器已不少，但人多数只局限于持续性和稳定性指标的检测，而传统的基于有效值理论的监测技术由于时问窗太长，仅测有效值已不能准确描述实际的电能质量问题，因此需发展满足以下要求的新监测技术：

 一是能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰的波形。因为许多瞬间扰动很难用个别参量(如有效值)来完整描述，同时随机性强，因此需要采用多种判断来启动测量装置，如幅值、波形畸变、幅值上升率等。

二是需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位；需要有是够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信。

三是建立有效的分析和自动辨识系统，使之能反映各种电能质量指标的特征及其随时间变化规律。随着电力市场运营模式的逐渐实施和电能质量的法规化，供电质量将会引起越来越多的重视，开发电能质量的分析检测软件将是新的研究方向。

电能质量分析和计算的准确性不仅依赖对各种干扰数学模型的描述，还和网络参数的可信度有关，近年来，基于数字技术的数学分析方法主要应用在电能质量的一下领域：

一是分析谐波在网络中的分布；

二是分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络的传播：

三是分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用：(4)多种控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。目前所采用的方法有三种：

一是时域仿真方法，该方法在电能质量分析仲应用最为广泛，其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP、EMTDCNETOMACBPA等系统暂态仿真程序和SPICE PSPICE、MATLAB、SABER等电力电子仿真程序两大类。由于这些仿真程序在不断发展中，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。

二是频域分析方法，该方式主要用于谐波问题的分析计算，包括频率打描，谐波潮流计算等。考虑到一些线性负载的动态特征，近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方式，即在常规的谐波潮流计算法基础上，利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿直计算，可求出备次谐波动态电流矢量，从而得到动态谐波潮流解。

三是基于变化的方法，这里主要指Fourier方式方法、短时Fourier变换方法，加窗傅里叶变换和小波变换(WT)方法。

1.3电能质量治理概述

1.3.1影响电能质量的原因各种各样，大休可以分为

一是内因。系统本身接有电弧炉、整流器、单相负荷、大功率电动机等干扰性负荷。这些负荷对电网产生负面影响，如谐波、无功冲击、负序等，而且这些负面影响可能通过公共连接点(PCC)波及其它终端用户。因此，系统中必须安装相关装置，以及时缓解这些问题，而且还应根据电能质量评估体系，利用经济杠杆约束此类用户对电能质量的影响。

二是外因。雷电外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线路切换等都可能干扰系统，造成断电或电压变动，甚至影响到相邻线路，导致有害影响蔓延。现在采取的措施，一是减少故障发生的次数和改变排除故障的方式，目前配电系统中的线路主保护是电流保护，该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无时延地予以切除，此外即使无时延保护，从检测出故障到断路器开断故障，最快也需要3~6个周波。若是永久性故障，多次重合闸则导致电压的不断波动。二是降低装置对电能质量问题的敏感性，主要是用户侧在敏感负荷或关键负荷处安装补偿装置,这种方法对单个负荷可有直接和明显的效果，但是受限于补偿装置的容量和价格，应用范围也受到限制。

1.3.2目前在电能质量检测与控制中，有两个重要环节需要深入探讨

一是实时准确地检测。检测值可能是要滤除的谐波、要补偿的无功或要平衡的不对称值等。已经出现的检测方法很多，大多数的检测方法在信号平稳时，能准确地检测出干扰值。而这里的“实时检测”主要是指当信号被干扰时，检测电路的实时跟踪速度，目前大多数的常规检测方法很少能做到这一点，而实时性对丁持续时间较短的电压跌落、突升、闪变、谐波等尤为重要。以谐波检测方法为例，为提高实时性，文献提出了不同的方法，有的是常规方法的改进，更多的是新理论的灵活应用。但这些检测方法在改进的同时也带来了新的问题，如要选择合适的数学函数、变换结果的相立与幅值会出现偏差等，所以它们的有效性还有待进一步研究。

二是求得补偿信号的参考值后，要快速准确地驱动变流器，产生补偿信号。目前出现的控制方法有：滞环比较控制、空间矢量控制、无差拍控制等。这些方法各有优点，可根据实际情况灵活选用。

一并联逆变器，靠近负荷侧(或源侧)连接一串联逆变器，两逆变器通过公共的直流电容结合在一起。串联部分的功能为补偿各种干扰，并联部分的功能为有源滤波、动态补偿无功、为直流电容提供能量等。当在直流侧并联能量储存装置时，还能使负载不受瞬时停电的干扰。整个电路的三个主要组成部分为检测电路、控制电路PWM形成及驱动电路。

只取并联侧或只取串联侧；使用三相整流桥或三相PWM整流桥：储能部分采用蓄电池、超导、飞轮或超级电容器，以供应短时有功电力；不同的补偿目标采用不同的控制方法等，就可以制造出不同的设备，实现不同的功能。

2电能质量检测方法

2.1复调制细化谱分析方法

复调制细化谱分析方法，又称为选带频率细化分析方法，是基于复调制移频的高分辨率傅里叶分析方法，一般简称为ZoomFFT(ZFFT)方法，是信号处理领域70年代发展起来的一项新技术，FFT只能分析从零频开始的一个低通频带，目频带分辨率越高，ZFFT就是设法将感兴趣得那段频带谱移动到零频带附近，在进行常规的FFT运算。

通常的FFT方法在整个分析频带内具有相同的频率分辨率，这无疑是一一种浪费。

如果想提高分辨率，在采样频率不变的情况下，只能增加采样点数，但这样会极大地提高运算量，不利于运算的实现。而降低采样频率，保持采样点数不变，同样可以提高采样分辨率，但是采样频率降低后有可能造成频谱的混叠，如果将感兴趣得频段移动到原点附近，在进行低通滤波以免频率混叠，然后进行重采样以降低采样频率，这样就可以在不增加采样点数的情况下获得高的多的频率分辨率，该方法即为复调制细化谱分析方法。

复调制圳化谱分析方法主要包括以下几个步骤：移频一低通数字滤波一重抽样一 FFT及谱分析一频率成分调整这样一个流程。经过几个处理步骤分析说最得最终结果，完全能反映出原数字序列在某频率范围内的频谱特性，幅度绝对值相差一比例常数D。与同样点数的直接FFT相比折椅细化分析方法所获得的频率分辨率要高D倍。

2.2常用的电压波动检测方法

要检测电压波动和闪变，首要的任务就是准确地提取出波动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压未载波，起电压的幅值受频率范围在005~35Hz的电压波动分量调制的调幅波。因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法，用于载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号，将电压波动分量与工频载波电压分离，通过带通滤波器得到波动分量。为使分析简化又不失一般性，通常分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制。

目前常用的电压波动的检测方法有五种，即牌坊检测法，有效值检测法、整流检测法、小波分解和同步检测法以及补偿迭代检测法。

2.2.1平方检波法

国际电工委员会(IEC)推荐平方解调检测法，即将工频电压平方，然后利用借调带通滤波器检测出调幅波。

如果利用005~35Hz的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量，并且考虑手机上的调制指数m<<1，存在的调幅波电压的倍频分量幅值远小于调幅波的幅值，可忽略不计。

这种方法较适合用数字信号处理的方法来实现也为IEC推荐的闪变测量原理框图所采用。

优点：简单，便于数字化实现。

缺点：忽略了波动量中的倍频分量。222有效值检波法有效值检测法是利用RMS/DC变换器将波动的输入交流电压变换成脉动的直流电压，再经解调带通滤波器后获得的波动信号。RMS/DC变换器输出的直流电压值为输入交流电压的方均根值，其脉动成分即反映了输入电压方均根值的变化。

这种方法，就实现而言，要将方均根值的计算时间准确地整定在半个工频周期是相当难的，而且其元件参数整点较为不难。另外，该方法可去除直流分量和二倍工频分量等，只保留调幅波，但其中不会完全没有直流分量，仍需隔直和滤波。

优点：可以很好地检测出波动电压信号。

缺点：就实现而言，要将均方根值的计算时间准确地整定在半个工频周期是相当困难的。

2.2.3基于线性调配z变换的闪变测量方法

一是考虑到平方检波法简便易行，并且不需要同步采样，这里用减去平均值的方法代替隔直滤波器，在进行截至频率为35Hz的低通滤波，即刻得到波动分量，如果

平方后的信号不进行隔直和低通滤波而直接进行频谱分析，由于其中的波动的分量较小，而直流分量和高频分量大，检测结果容易受到干扰。

二是利用CZT变换对0~35Hz之间的频谱进行细化分析，得到各个波动分量的频率以及幅值。进行CZT变换时其中的卷积可以利用FFT来进行计算，大大的提高运行速度，因此，应当使CZT变换的点数满足2的n次方关系。由于进行高精度频谱分析的判断是固定的，这就使的A和W成为常量，可以事先计算出来，以查表的形式存储，节省运算时间。

三是按照IEC的规定对瞬时闪变视感度进行分级，分级数不得小于64，生成CPF曲线。

3电能质量在线监测系统简述

3.1电能质量在线监测系统概述

电网由“发、输、变、配、用”五个环节组成，作为用户侧的“配、用”电环节消耗着总电能的80%。随着社会经济发展，电气化铁路、电弧炉、变频器等冲击性、非线性、不平衡度负载在电力应用中越来越多，谐波、负序、闪变、电压暂态等电能质量问题直接影响着电力系统的供电安全。电能是一种商品，其质量问题是供应商和客户共同关注的问题。用电企业有必要建立电能质量监测系统，实现对整个配电电网电能质量的实时监控。

3.2电能质量在线监测系统组成

电能质量在线监测系统主要有现场监测层，通讯传输层和数据管理层组成，系统拓扑结构。组网方式有网线、光纤、无线三种模式。321现场监测层现场安装各类电能及电能质量监测设备，要求具有通讯功能。可以选择安科瑞的ACR330ELH、ACR320ELH、ACR230ELH、ACR220ELH等电力仪表，主要功能：LCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F、S)；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量(含负序电流)测量；4DI+3DO，RS485通讯接口、Modbus协议。

3.2.1通信传输层

为了将监测层设备采集的数据传送到服务器而负责数据通讯传输的设备，主要有通讯管理机、串口服务器、网络交换机等。数据采集终端通过串口与监测层设备通讯，读取其中数据，并进行初步分析、整理，将数据保存在本地SD卡中，之后将数据传输给无线通讯模块。无线通讯模块采用射频技术，在现场组成无线局域网络，将各点数据采集终端整理的数据收集并传输到后台服务器，也可用网线或光纤的方式传输数据。

3.2.2数据管理层

对采集数据进行存储、解析及应用的过程，包括服务器架设、各种软件的应用。

3.3电能质量在线监测系统功能

3.3.1标准的监测系统

标准的监测系统具有CAD一次单线图显示中、低压配电网络的接线情况；庞大的系统具有多画面切换及画面导航的功能；分散的配电系统具有空间地理平面的系统主曲面。主画面可直接显示各回路的运行状态，并具有回路单点、非带电及故障着色的功能。主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。

3.3.2用户管理

可对不同级别的用户赋予不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性，如对某重要回路的和/分闸操作，需操作员级用户输入操作口令，还需工程师级用户输入确认口令后方可完成操作。

3.3.3数据采集处理

通过安科瑞Acrel-2000型电力监控系统可实时和定时采集现场设备的各电参量及开关量状态(包括三和电压、电流、功率、功率因数、频率、谐波、不平衡度、电流K系数、电话波形因了、电压波峰系数、电能、温度、开关位置、设备运行状念等)，将采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示(总系统功率、负荷最人值、功率因数上下限等)，并对重要信息量进行数据库存储。

3.3.4趋势曲线分析

系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的负荷运行状况。如通过调用某配出回路的实时曲线可分析该回路的电气设备所引起的信号波动情况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，方便工程人员对监测的配电网络进行质量分析。

3.3.5报表管理

系统具有标准的电能报表格式并可根据用户需求设计符合其需要的报表格式，系统可自动设计。可自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、事件故障及告警记录报表，操作记录报表等，可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，否询打印的起点、间隔等参数可自行设置；系统设计还可根据用户需求量身定制满足不同要求的报表输出功能。

随着社会经济的发展及电力的广泛应用，电能质量分析管理已成为电网用户侧配电系统建设的必然选择，以上介绍的电力质量分析仪，可以实现对电能的在线监测，实现对采集数据的分析处理，并生成各种电能及电能质量报表、分析曲线、图形等，便于电能的分析、研究。

4电能质量治理方式

电能质量的检测通常包括主于电力网电能质量检测和特殊用户的电能质量检测两种。主干电力网的检测装置安装在系统的枢纽变电站中，主要对系统母线电压碱性监测，检测的目的是了解整个电力网的电能质量情况。特殊用户的电脑质量检测装置可以安装再用户变电站的电源进线侧，也可以安装在向该用户供电的系统变电站的出线侧，主要监视装置安装处的母线电压和线路中额电流，检测的目的是了解被监视用户对电网产生污染的情况。

装置测量计算的电气量主要有：三相电压、电流的有效值：电网的频率；电压、电流中各次谐波的含量及谐波总含量：各次谐波功率及畸变功率：波形及波峰因数：电压、电流中的负序和零序分量；在出现电压闪变的情况下对闪变的性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的电压波形。

在检测的上述各量出现异常时，装置应能够根据具体给出声光报警信号，并能够记录异常发生的时刻、持续的时问等信息。

4.1电压偏差

电压是电能质量最重要的指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。

4.1.1电压偏差的定义

供电系统在正常运行方式下，某一节点的电压测量值与系统标称电压(通常，电力系统的额定电压采用标称电压去描述，对电器设备则采用额定电压的术语)只差对系统标称电压的百分数称为该电压节点的电压偏差。

供电系统正常运行方式是指系统中所有电气元件按预定工况运行。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变化，系统中各节点的电压随之发生改变，会偏离系统电压额定值。电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率小于额定电压的1%。

电压的方均根值偏离额定值的现象称为电压变动，所以电压偏差属于电压变动的范畴。与同属电压变动范畴的过电压和欠电压相比，电压偏差仅仅针对电力系统正常运行状态而言。过电压和欠电压既可能出现在电力系统正常运行方式下，也可能出现在电力系统非正常运行方式下，如故障状态等。电力系统正常运行方式下，机组或负荷的投切所引起的系统电压偏差并不大，起绝对值不大于标称电压的10%。系统在非正常运行方式下，由于故障所引发的系统电压变动与故障点距离的远近有很大关系。

此时，系统实际电压可能严重偏离标称值，也可能偏离标称值的幅度并不大，距离越近，电压低于标称值越多。反之，距离越远，电压低于标称值越少。此时，电压偏差强调的是实际偏离标称电压，分别未高于标称电压的110%和维持在标称电压的10%~90%，并且持续时间超过1min。

4.1.2电压偏差的限值

用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将会受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异，一般而言。35KV以上供电压无直接用电设备，用电设备大多通过降压变压器接入供电系统，合理选择降压变压器的分接头位置可以起到一定的调压作用。因此，目前我过对35KV及以下供电电压规定了允许电压偏差。供电电压指标允许限制413电压偏差过大的危害电压偏差过大对广大用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会差生极大的危害。

4.1.3电压偏差过大对用电设备的危害

所有用户的用电设备都是按照额定定压进行设计和制造的，当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，很可能会由于过电压过过电流而损坏。

一是对照明设备的危害。照明常用的白炽灯、荧光灯等设备，其发光效率、光通量以及使用寿命均与电压有关。

二是对电动机的危害。用电设备中大量使用的异步电动机，其电磁转矩、效率和电流与端电压关系十分密切。其最大电磁转矩(功率)与端电压的平方成正比。此外，电压降低时，电动机滑差加大，电动机电流显著增加，导致绕组温度升高，从而加速绝缘老化，缩短电动机寿命，严重时可能烧毁电动机：电压过高时，可能损坏电动机绝缘或由于励磁电流过大而过电流，同样也会缩短电动机寿命。同步电动机的启动转矩与端电压平方成正比、最大转矩与端电压成正比。因此，电压偏差对同步电动机的影响和异步电动机相似，只是电压变化不会引起同步电动机的转速发生变化。

三是对铁芯设备的危害。变压器、互感器等带铁芯的电器设备在高电压写的危害体现在两方面：一是励磁电流增加，使铁芯中磁感应强度B增加，导致铁损增加，铁芯温升加大。二是油中和绕组表面电场强度增加，促使这些元件加速老化，严重时将使其绝缘损坏。当电压降低时，在传输同样功率条件下，绕组电流增加，绕组损耗与电流平方比例地增加。

四是对并联电容器的危害。电容器输出的无功功率与电压平方成正比，电压降低使其输出无功功率大大降低。电压升高虽然无功功率提高，但由于电场增强，使局部放电加强，使绝缘寿命下降。

五是对家用中器的危害。中压降低使电视机色彩变坏，亮度变暗，屏幕显示不稳定，图像模糊；电压升高是电子设备阴极加热电流增加，显像管寿命降低。电压便宜过大时，电子计算机和控制设备出现错误结果和误T。

六是对其他用电设备的危害。所有用电设备的输出功率、效率和使用寿命都不同程度地受电压的影响。过大的电压偏差会使典电能损耗增加，产品质量下降或报废产量减少，设备损坏，甚至被迫停产，对工业企业生产影响很人。

4.1.4电压偏差过大对电力系统运行的危害CO

电压过低或者过高都会对电力系统的安全稳定运行以及经济运行产生危害。电压降低的危害主要表现为以下三个方面：

 一是输电线路的输送功率手功率稳定极限的限制，而输电线路输送功率的静态稳定功率极限近似与系统电压平方成正比，与线路等效电抗成反比。系统电压降低，稳定功率极限越低，功率极限与线路输送功率的差值(即功率储备)越低，越容易发生不稳定现象，甚至会造成系统瓦解的重大事故。

二是当电网缺乏无功功率，电网运行电压低时，可能因电压不稳定造成系统电压崩溃，也可能造成大量用户停电或系统瓦解。根据单电发电机一单电动机系统分析当电压偏低时，系统发出的无功功率小于负荷吸收的无功功率使电压下降，电压下降无功功率缺额增大，恶性循环而导致电压崩溃。

三是输电线路和变压器在输送相同功率的条件下，其电流大小与运行电压成反比。电网低电压运行，会使线路和变压器电流增加。线路和变压器绕组的有功损耗与电流平方成正比。低电压运行会使电流系统有功功率损耗和无功功率损耗大大增加，从而加大线损率，增加供电成本。电压开品使系统中各种电气设备的绝缘受损，使带铁心的设备饱和，产生谐波，并可能引发铁磁谐振，同样威胁电力系统的安全和稳定运行。同时，使超高压系统的电晕损耗加大，使供电成本增加。

4.2频率偏差

频率是电能质量最重要的指标之一，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的允许范围之内。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。

4.2.1频率偏差的定义

根据电工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频率，用f表示，单位为 Hz(赫兹)。交变(含正弦负半波的变化)一次所需要的时间称为周期，同T表示，单位为s(秒)。频率和周期互为倒数，即f=-交流电力系统是以单一恒定的标称频率规定的几种电压等级和以正弦函数波形变化的交流电向用户供电。交流系统的标称频率分为50Hz和60Hz两种。我果采用50Hz标称频率称为工频。不同标称频率的系统要实现互联，只能通过换流设备才能实现。电气设备如果与系统进行非同步运行，必须通过变频调速装置才能实现并网。

电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值和标称值之差称为系统的频次偏差。频率偏差属于频率变化的范畴。电力系统的频率变化是指其波频率偏图规定正常值的现象。

4.2.2频率偏差的限值

我国国家标准GB/T15945-2008《电能质量电系统频率偏差》规定，电力系统正常运行条件下频率偏差限值为+02Hz。当系统容量较小时，频率偏差限值可以放宽到士05Hz标准还规定：用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过+0.2Hz。

在保证近区电网、发电机组的安全、稳定运行和用户正常供电的情况下，可以根据冲击负荷的性质和大小以及系统的条件适当变动限值。423频率偏差产生的原因

众所周知，系统负荷总需求(包括电能传输环节的损耗)与系统电源的总供给相平衡时，才能维持所发有发电机转速的恒定。但是，电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时都在变化。当发电机与负荷间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对有功功率的总需求(包括电能传输环节的全部有功损耗)，那么，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。只有在发电机的送输出有功功率等于系统负荷对有功功率总需求的时候，系统的实际频率才是标称频率，频率偏差才为零。电力系统的大事故，如果大面积用负荷、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介许的极限范围。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。42.4频率偏差过大的危害频率偏差过大对广大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。

4.2.3系统频率偏差过大对用电负荷的危害

一是产品质量没有保障。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，从而影响产品得质量。

二是降低劳动生产率。电动机的输出功率与系统频率有关。系统频率下降使电动机的输出功次降低，从而影响所传动机械的出力(如机械工业仲大量的机床设备)导致劳动生产次降低。

三是使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。现代工业大量采用的电子设备如电子计算机、电子通信设备、银行安全防护系统和采用自动控制设备的工业生产流水线等，对系统频率非常敏感。系统频率的不稳定会影响这些中了设备的工作特性，降低准确度，造成误差。

4.2.4系统频率偏差过大对电力系统的危害

一是降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃和电压崩溃。火力发电)的主要设备是水泵和风机，它们由异步电动机带动。如果系统频率减低，电动机输出功率将以与频率成三次方的比例减少，则它们所供应的水量和风量就会迅速减少，从而影响锅炉和发电机组的正常运行。当频率降低至临界运行频率45Hz以下时，发电机输出的功率明显降低。一旦发电机输出功率减少，系统频率会进一步下降，形成恶性循环，最终导致系统阴频率崩溃而瓦解。此外，频率下降，即发电机的转速下降时，发电机的电动势将减少，无功功率出力降低，电力系统内部并联电容器补偿的出力也随之下降，而用于用户电气设备励磁的无功功率却增加，促使系统电压随频率的下降而降低，威胁系统的安全稳定。当频率降至43~45Hz时，极易引起电压崩溃。

二是汽轮机在低频下运行时候容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损坏和断裂。

三是处于低频率电力系统中的异步电动机和电压器的主磁通会增加，励磁电流随之加大，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。

四是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。此时电容器对电压的支撑作用受到削弱，不利于系统电压的调整。

五是频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。研究表明，频率改变1%，感应式电能变的计量误差约增大01%。频率加大，感应式电能表将少计电量。425电流系统频率调整和控制电力系统在正常运行方式下，通过改变发电机的输出功率使系统的频率变动保持在允许偏差范围内的过程，称为频率调整。频率调整是电力系统运行调整的基本任务之一电力系统在飞正常运行方式下针对频率异常所采取的调频措施属于频率控制。4251电力系统频率调整频率调整包括频率的一次调整和二次调整。频率的一次调整是指利用发电机组的调速器，对于变动幅度小(0.1%~0.5%)变动周期(10s内)的频率偏差所做的调整。所有发电机组均装配调速器,所以电力系统中投运的所有发电机组都自动参与频率的次调整。频率二次调整是指利用发电机组的调速器，对于变动幅度较大(0.5%~1.5%)变动周期较长(10s~30min)的频率偏差所做得调整。担任二次调整任务的发电厂成为调频厂，担任二次调整任务得发电机组成为调频机组。一般在全系统范围内选择1~2个发电作为主调频)，负责全系统频率的二次调整，另外再选择几个发电厂担任辅助调频厂。只有当系统频率超过某一规定的偏差范围时，辅助调频厂才参与频率的二次调整。

4.2.5电力系统频率控制

电力系统在非正常运行方式下，系统频率会出现异常，严重偏离额定频率。如果不采取几时有效的控制措施，系统频率可能崩溃，使电力系统几工业经济遭受重人损失，给人民生活造成不便。

4.2.6电力系统在以下情况下可能出现频率异常

一是故障后系统失去人量电源，货系统解列，目解列后的局部系统有功功率失去平衡。

二是气候变化货以外灾害使负荷发生变化。

三是在电力供应不足的系统中缺乏有效控制负荷的手段。

四是高峰负荷期间，发电出力的增加速度低于负荷的增长速度；低谷负荷期间，发电最小出力大于总负荷。

五是大型冲击负荷造成的频率波动。周期性或非周期性地从电网取用快速变动功率，是系统频率和电压产生波动的负荷统称为冲击负荷。冲击负荷站系统总负荷的比例越大，对系统频率和电压的影响就约严重。

4.2.7系统频率异常时一般采取以下控制措施

一是电能系统应具有足够的负荷备用和事故备用容量。一般分别按最大负荷的5%~10%和10%~15%配备系统的负荷备用和事故备用容量。在电力供应不足的系统，必须事先先至一部分用户的负荷,除使发电机与负荷平衡之外，还需要有一定的欲度。

二是在调度所或变电所装设直接控制用户负荷的装置，并备有事故拉闸续表。

三是在系统内部安装按频率降低自动减负装置，(又称自动低频减载装置)和自爱可能被解列而导致功率过剩的地区装设按频率升高自动切除发电机(又称自动高频切机装置)等。

对上述频率偏差和电压偏差的各种调整措施进行比较后，可以看出频率调整与电压调整具有以下差异：

一是全系统频率相同，而系统中各节点的电压却各不相同。

二是系统频率质量主要有系统有功功率平衡状况决定，而系统电压质量则主要由系统无功功率状况确定。

三是调整频率只有改变发电机组原动机功率这唯一的措施。调整电压的措施却较多。此外，电压调整设备的安装场地不仅设在发电厂，而且分散在系统中各处，如置于各级变电所或开关站中，或置于用户变电所内等。

4.3三相电压不平衡

4.3.1三相对称与三相不平衡的概念

设三相系统的电流和电压适中；和分别是ABC三相的瞬时电流和瞬时电压；和分别为三相电流方根和电压方均根值；和分别为三相电流和电压的初相位；为系统角频率。

三机系统分为可分对称对称三和系统和不对称三和系统。对称三相系统是指三机电量(电动势、电压、电流)数值相等、频率相同、相位互差120°的系统。不同时满足这三个条件的三相系统是不对称三相系统。

三相系统的对称性还表现为：在任意时刻，三相电量的瞬时值之和为零。

三相系统可分为平衡三相系统和不平衡三相系统。在任意时刻，三相瞬时总功率与时间无关，这样的系统称为平衡三相系统；在任意时刻，三相瞬时总功率是时间的函数，这样的是系统称为不平衡三相系统。

对于三相系统，系统的不对称直接导致不平衡，所以不对称三相系统和不平衡三相系统在使用上不作严格区分。

4.3.2三相电压不平衡度的限值

我国国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》规定：电网正常运行时电力系统公共连接点电压不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%；接于公共连接点的每个用户，引起该点电压不平衡度允许值一般为13%，短时不超过2.6%。

5结论

电能质量问题随着电力市场运营模式的实施，提供优质电力会逐渐成为一种辅助服务。很多重要用户为保证优质电能的不断供应，自己不得已安装一些额外装置。电力企业在技术上可以在不用的电能供电层次加入不用的电能质量控制环节，或称为申能质量控制中心(OCC)，按不同的供电层次可以分为控制中心QCC，用户型QCC负荷型QCC，提供多级别的电能质量服务，实现对谐波，闪变、凹陷、不平衡等多种电能质量自主选择用电质量。电能质量的基本问题是：①要对电能质量的各个指标进行科学的量化和界定，一充分反映供电和用电特性；②要清楚各种指标恶化造成的危害，提前预防；③要有完善的检测方法和检测仪器，以满足电能质量问题快速性和随机性的要求：4要尽快开发完善电能质量分析管理系统软件，为电能质量的检测和空制提供依据：⑤研究和开发新型的FACTS和DFACTS系列装置，大力发展用户电力技术，提高供电可靠性、灵活性：6修订和完善现行的电能质量标准，进一步完善电能质量标准体系：⑦加强管理、建立电能质量监督管理体系并制定和国家标准相配套得规程和技术导则等。

电能质量监视问题已经引起人们得广泛重视，在电力系统的中枢点处、重要用户和特殊用户(比如对电网污染较严重的用户)的用户变中站处装设中能质量检测仪已成为电部门的普遍要求，许多科研生产部门也开始着手对此问题进行研究。然而，应采用什么样得计算方法，监视哪些电气量，达到什么样的计算方法，监视哪些电气量，达到什么样得技术指标，具有什么样得地位，采用独立的装置还是集成其他装置之中等方面还没有定论。

参考资料

[1]电能质量分析和控制，肖湘宁，中国电力出版社

[2]电能质量国家标准培训教材电能质量国家标准应用指南，中国标准出版社

[3]用户电能质量测试评估与解决方案案例集，中国电力出版社

[4]公用电网谐波的评估和调控，中国电力出版社

[5]电能质量，程浩忠，清华大学出版社

[6]电能质量国家标准应有手册，李世林，中国标准出版社

[7]电能质量技术问答，懂其国，中国电力出版社

[8]电力节能技术丛书电能质量与节能技术，《电力节能技术丛书》编委会，中国电力出版社[9]电力系统谐波，吴竞吕，水利电力出版社

[10]干扰性负荷的供电，孙树勤，林海雪编著，中国电力出版社

[11]国家标准《电能质量供电电压允许偏差》GB/T12352-1990[S]

[12]国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/TI4543-1993[S]

[13]国家标准《电能质量电压允许波动和和闪变》GB/T12326-2000[S]

[14]国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995[S]

[15]国家标准《电能质量电力系统频率允许偏差》GB/T15945-1995[S]

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