（电力电子与电力传动专业论文）电力市场环境下的电能质量评估研究.pdf

摘要 本文论述了电能质量的重要性和对电能质量进行评估的重要意义， 以及在电 力市场环境中研究电能质量评估问题的意义。 分析和比较了概率论、 模糊数学这 两种常见的电能质量评估方法的优缺点。 在这两种方法的基础上， 提出了一种新 的电能质量综合评估方法先将概率论和数理统计法相结合对电能质量的各 项指标分别进行评估， 得到电能质量各项指标的归一量化评估结果， 再采用模糊 数学中的模糊综合评判方法将这些分项指标的评估结果归一 量化， 从而得到评估 电 能 质量的 客 观、 全 面的 唯 一 量 化指 标。 本 文 还 提出 了 采 用a s e i , y s te m 指标对电 压暂降进行评估的方法。本文比较了几种现代智能优化算法，并提出了求解电 力系统机组组合问题的遗传算法的具体实现技术。 最后， 本文初步提出了一种考 虑了电能质量问题的电力市场交易方式， 从而使电能作为一种商品可实现按质论 价、优质优价，为提高电力市场的经济性和公平性提供了理论基础。 关键词:电能质量，质量评估，模糊数学，概率统计，电力市场 abs tract a c c o r d i n g t o t h e c o n c e p t o f p o w e r q u a l i t y , t h e i m p o r t a n c e o f p o w e r q u a l i t y a n d t h e s i g n i f i c a n t m e a n i n g o f p o w e r q u a l it y e v a l u a t i o n a r e d i s s e rt e d , t h e m e a n in g o f s t u d y o n t h e p o w e r q u al i t y e v a l u a t i o n i s a l s o d i s s e r t e d in t h e p o w e r m a r k e t i n t h e f i r s t p a r t . t h e p a p e r c o m p a r e s t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e t w o u n i v e r s a l m e t h o d s a p p l i e d t o p o w e r q u a l i t y e v al u a t i o n 一p r o b a b i l i t y a n d f u z z y t h e o r y . o n t h e b a s i c o f t h e t w o m e t h o d s , a n e w m e t h o d w h i c h c a n p e r f o r ms s y n t h e t i c a p p r a i s a l o f p o w e r q u al i t y i s p r o p o s e d i n t h e p a p e r . f ir s t l y , t h e i n d e x e s s h o w i n g a n a s p e c t o f p o w e r q u a l i t y a r e r e s p e c t i v e l y e v al u a t e d b y u s e o f p r o b a b i l i t y a n d m a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c s , t h e g l o b a l u n i t a r y q u a n t i f i c a t i o n i n d e x o f t h e s e i n d e x e s c a n b e o b t a i n e d . s e c o n d ly , t h e r e s u lt s o b t a i n e d f r o m e a c h in d e x u n i f i e d a r e u n i f i e d a g a i n b y u s e o f f u z z y s y n t h e t i c a p p r a i s a l i n o r d e r t o g i v e a n o b j e c t i v e , o v e r a l l a n d u n i t a ry q u a n t i f i c a - t i o n i n d e x o f p o w e r q u a l i t y . i t w a s p u t f o r w a r d t o e v a l u a t e v o lt a g e s a g s b y a s e i s y s t e m . i n t h e s e c o n d p a r t , d i ff e r e n t i n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o n a p p r o a c h e s a r e c o m p a r e d a n d t h e i m p l e m e n t a t i o n t e c h n i q u e o f g e n e t i c al g o r i t h m i s p r e s e n t e d . i n th e e n d , a n e w t r a n s a c t i o n m o d e t h a t h as t a k e n t h e p o w e r q u a l i t y p r o b l e m i n t o a c c o u n t i s p r e s e n t e d . a s a r e s u l t , p o w e r e n e r g y b e c o m e s a c o m m o d it y w h i c h w o u l d b e e v a l u a t e d a p r i c e a c c o r d i n g w i t h p o w e r q u al i t y , t h e m e t h o d p r o p o s e d i n t h e p a p e r p re s e n t s t h e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r m o r e p r o fi t a n d m o r e e q u it a b l e o p e r a t i o n o f p o w e r m a r k e t . c h e n l e i ( p o w e r e l e c t r o n i c s a n d p o w e r t r a n s m i s s i o n ) d i r e c t e d b y v i c e - p r o f . x u y o n g h a i k e y wo r d s :p o w e r q u a l i t y , p o w e r q u a l i t y e v a l u a t i o n , f u z z y m a t h e m a t i c s p r o b a b i l i t y a n d m a t h e m a t i c al s t a t i s t i c s , p o w e r m a r k e t s 华北电力人学硕十学位论文 二 ，7 1 3 1 3 6 i _ a = 13 口 尸明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。 .浮 我所知， 除文中己经注明引用的内容外， 木学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。 特此中明。 竿名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权保管、并向 有关 部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、缩印或其它复制手段复 制并 保存学 位论文; 学校可允许学 位论文被查阅 或借阅; 学 校可以学术交流为目 的 ， 复制赠送和交换学 位论文: 同意学校可以 用不同方式在不同媒休匕 发表、 传播学位论文的 全部或部分内 容 ( 涉密的 学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期: 日期: 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 电能质量评估的意义 理想的电力系统应该以单一恒定的电网标称频率 ( 5 0 h z )以正弦函数的波形变 化，按规定的电压等级 ( 如1 1 0 k v , 3 5 k v , l o k v , 3 8 0 v / 2 2 0 v 等)对用户提供不间断的 交流电，并且这些运行参数不受用电负荷特性的影响。对于三相交流电力系统，各 相的电压和电流应该相位互差 1 2 0 0，幅值相等 1 1 。 但是由于系统各元件的参数不 是理想的或对称的，用电负荷的多变性，负荷特性的随机性和种类繁多，输配电过 程中也会有很多的运行操作、 故障等原因， 电力系统往往并不能以理想的状态运行， 这就产生了电能质量的概念。迄今为止，由于对电能质量的认识角度的不同，人们 对电能质量的技术含义存在着不同的认识，电能质量包含电压谐波失真度的研究， 包括电压暂降的探讨等2 1 ，同时，电能质量还意味着“ 兼容性” 。 它是指设计及运行 的电力系统对用户设备和用户生产过程的兼容程度，但这些仅是电能质量所含的丰 富内容中的一部分。人们对电能质量的研究角度是如此的不同，因此，我们很难对 电能质量做出一个统一的、全面的定义l 1 目前，随着微电子器件与电力电子技术的飞速发展，在对电能质量的要求方面 出现了以下新的变化:一方面，由于扰动负荷接入电力系统或其他扰动源的存在造 成了大量的电能质量问题;另一方面，由于众多基于计算机、微处理控制器的精密 仪器、设备的大量使用， 用户对电能质量的要求越来越高3 1 。电 能质量在某种程度 上已经成为了一个经济问题。电能质量问题会造成用户生产力一 f 降，竞争力减弱， 还将影响到员工的就业，影响到整个经济社会。例如，半导体制造业对于当今经济 社会是十分重要的，一个芯片的生产过程需要较长的时间，但是一个持续 8 0毫秒 的电压暂降就会造成上百万美元的损失。对于与我们日常生活息息相关的塑料、化 工行业来说，他们使用大容量的电机及驱动装置，而且生产工艺过程需要连续不断 的运行，这时，一旦电能质量不能达到要求而使生产中断，就需要花费很长的时间 来重新启动，在这个过程中，数十万美元的损失就不知不觉的造成了。而电能质量 对于商业及数据处理中心的正常运行是至关重要的，一个短暂的电压暂降或电压中 断就会使他们丢失很多重要的数据，给国民经济带来无法估量的损失。根据美国电 力科学研究院的粗略估计，当今和电能质量相关的问题在美国每年会造成高达 2 6 0 亿美元的损失， 所以， 从根本上看，由于电能质量对于经济的发展有着重要的作用， 电能质量对于每行每业乃至每个国家都是至关重要的 - 5 1 综上所述，电能质量问题已经是一个堕需解决的问题，要想解决这个问题，首 先就需要对电能的质量进行评估。尽管世界各国对供电质量制定了一系列的标准， 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 电能质量评估的意义 理想的电力系统应该以单一恒定的电网标称频率 ( 5 0 h z )以正弦函数的波形变 化，按规定的电压等级 ( 如1 1 0 k v , 3 5 k v , l o k v , 3 8 0 v / 2 2 0 v 等)对用户提供不间断的 交流电，并且这些运行参数不受用电负荷特性的影响。对于三相交流电力系统，各 相的电压和电流应该相位互差 1 2 0 0，幅值相等 1 1 。 但是由于系统各元件的参数不 是理想的或对称的，用电负荷的多变性，负荷特性的随机性和种类繁多，输配电过 程中也会有很多的运行操作、 故障等原因， 电力系统往往并不能以理想的状态运行， 这就产生了电能质量的概念。迄今为止，由于对电能质量的认识角度的不同，人们 对电能质量的技术含义存在着不同的认识，电能质量包含电压谐波失真度的研究， 包括电压暂降的探讨等2 1 ，同时，电能质量还意味着“ 兼容性” 。 它是指设计及运行 的电力系统对用户设备和用户生产过程的兼容程度，但这些仅是电能质量所含的丰 富内容中的一部分。人们对电能质量的研究角度是如此的不同，因此，我们很难对 电能质量做出一个统一的、全面的定义l 1 目前，随着微电子器件与电力电子技术的飞速发展，在对电能质量的要求方面 出现了以下新的变化:一方面，由于扰动负荷接入电力系统或其他扰动源的存在造 成了大量的电能质量问题;另一方面，由于众多基于计算机、微处理控制器的精密 仪器、设备的大量使用， 用户对电能质量的要求越来越高3 1 。电 能质量在某种程度 上已经成为了一个经济问题。电能质量问题会造成用户生产力一 f 降，竞争力减弱， 还将影响到员工的就业，影响到整个经济社会。例如，半导体制造业对于当今经济 社会是十分重要的，一个芯片的生产过程需要较长的时间，但是一个持续 8 0毫秒 的电压暂降就会造成上百万美元的损失。对于与我们日常生活息息相关的塑料、化 工行业来说，他们使用大容量的电机及驱动装置，而且生产工艺过程需要连续不断 的运行，这时，一旦电能质量不能达到要求而使生产中断，就需要花费很长的时间 来重新启动，在这个过程中，数十万美元的损失就不知不觉的造成了。而电能质量 对于商业及数据处理中心的正常运行是至关重要的，一个短暂的电压暂降或电压中 断就会使他们丢失很多重要的数据，给国民经济带来无法估量的损失。根据美国电 力科学研究院的粗略估计，当今和电能质量相关的问题在美国每年会造成高达 2 6 0 亿美元的损失， 所以， 从根本上看，由于电能质量对于经济的发展有着重要的作用， 电能质量对于每行每业乃至每个国家都是至关重要的 - 5 1 综上所述，电能质量问题已经是一个堕需解决的问题，要想解决这个问题，首 先就需要对电能的质量进行评估。尽管世界各国对供电质量制定了一系列的标准， 华北电力大学硕士学位论文 但是这些标准只能用来确定供电合格或不合格，并不能确定供电电能质量的好坏 由于电能质量是由多种指标体现的，是多个指标的有机综合，所以这种仅含合格 不合格两个等级的质量标准不能全面、真实 正确的评估电能的质量，并以此为依据合理 自然的反映电能质量的性质。因此， 经济的解决各种电能质量问题 己经是 摆在我们面前的一项迫切任务，具有深刻的理论和现实意义。 1 . 2 大门 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， 在我国电力己经作为一种特殊的商品逐渐走入了市场化的 ，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(6 ,7 。 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1 8 1 。 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，有了 一 个 明确的电能质量的评估标准，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竟争管理体制转变，努力开拓电力市 场，提高企业的管理效率和电能质量，降低供发电成本和电价，最终达到促进国民 经济发展的目的。 华北电力大学硕士学位论文 但是这些标准只能用来确定供电合格或不合格，并不能确定供电电能质量的好坏 由于电能质量是由多种指标体现的，是多个指标的有机综合，所以这种仅含合格 不合格两个等级的质量标准不能全面、真实 正确的评估电能的质量，并以此为依据合理 自然的反映电能质量的性质。因此， 经济的解决各种电能质量问题 己经是 摆在我们面前的一项迫切任务，具有深刻的理论和现实意义。 1 . 2 大门 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， 在我国电力己经作为一种特殊的商品逐渐走入了市场化的 ，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(6 ,7 。 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1 8 1 。 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，有了 一 个 明确的电能质量的评估标准，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竟争管理体制转变，努力开拓电力市 场，提高企业的管理效率和电能质量，降低供发电成本和电价，最终达到促进国民 经济发展的目的。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 3国内外的研究现状 目前，对于如何评估电能质量并没有一个公认的、全面的评估方法。文献 9 中指出，电能质量可分为如下三类:( l )电压和频率的偏差:过电压、欠电压、频 率偏差;( 2 )电 压和电流的波形:电压跌落、电压突升、电压波动和闪变、b y 波、 二相不对称; ( 3 ) 供电连续性: 瞬时断电， 暂时断电， 持续断电; 分为常质 n o r m a l q u a l i t y ) 、 优质( p r e m i u m q u a l it y ) 、高 质( h ig h q u a l i t y ) 电 力 三个级别。 但是， 作者 在对电能质量进行划分时没有考虑电压暂降的问题。国内外对于电能质量的评估一 般也只是考虑电压和频率的偏差、三相不平衡度、电压波动和闪变、谐波等等，很 少有文献把电压暂降考虑进去。事实上，随着生产的现代化程度不断提高，用户的 用电要求也越来越严格。电压暂降对信息业、大型敏感工业用户、现代社会应用广 泛的电 子设 备 造 成的 影响 ， 也日 渐 严重 不 容 忽 视 h 。 一 ， 4 1 。 在许多 发 达国 家， 电 压暂降 已经成为电能质量最重要的指标之一，受到越来越多的关注。 在只考虑电 压暂降这一个技术指标的 评估方面， 文献【 1 4 把电 压暂降 按照暂降 的形状、暂降是否三相对称、暂降期间的谐波分量来分类，并就此分类进行了详细 的阐述。而目前对电压暂降的评估工作，主要从电压暂降的程度、持续时间、频次 三个方面考虑。文献! 1 5 介绍了关于电压暂降的专题会议的讨论近况和该会议最新 制定的第二草案，并阐述了电压暂降的各项特征，如暂降幅值、暂降持续时间、相 位跳变、暂降能量指标以及系统平均有效值变化频率指标等。 目 前，在电能质量评估方法方面的文献还不多见，已有文献主要是采用模糊数 学以及概率统计的归一化方法对电能质量进行评估。文献【 1 6 采用模糊数学的方法 对电能质量的各项指标建立了模糊模型，计算各项指标的隶属度，然后采用海明距 离贴近度的方法对电能质量进行等级划分，将其分为优质、合格、低质、不合格 4 类。文献 1 7 提出了基于日 周期的电能质量量化和评价方法，以概率论、数理统计 和矢量代数为基础，先评估电能质量的各分项指标，再采用矢量代数将分项指标归 一量化得出了一个评价电能质量的综合唯一量化指标。文献 1 8 1 也从电能 质量的基 本概念出发，在确定电能质量各项指标的隶属度函数和隶属度的前提下，提出了一 种利用模糊综合评判方法的二级模型对电能质量进行综合评判的评估方法。 在电力市场方面，关于国内外电力市场的结构和运行模式的研究硕果累累。文 献 1 9 研究了 作为北美建立竞争区 域电力市场的典范的美国 p j m 控制区( 位于美国 东北部的一个区域电力系统) 的电 力市场运作， 总结了 该电力市场的市场交易机制主 要有:提前 1 天的电能交易、实时电能交易、容量信用交易、辅助服务交易和输电 权交易等，并针对中国的实际情况提出:为了保证电力系统的安全运行和电力市场 的有效运作，我国的电力市场交易应该以合同交易为主，随着市场需求发展多种交 易类型。文献 2 0 介绍了国外几种典型的电力市场模式。智利的电力系统是以 水电 华北电力大学硕 卜 学位论文 为主，所有的发电商通过竞争大用户以获得订单;输电系统向所有市场成员开放， 并收取使用费用;发电公司的出力运行通过 “ 发电商俱乐部”协调，以保证系统运 行成本最小。在英国的电力市场，电力的买卖通过电力联营体 ( p o o l )进行，发电 商竞价 上网，而输电网和配电网垄断经营。市场运行以日前市场为主，交易计划以 最小运行成本为目标。美国、澳大利亚、北欧和欧盟的电力市场也各有其特点，这 些对于建立我国的电力市场都有借鉴意义。 文献防 , 7 1 在讨论了电 力市场的定义的纂 础上，初步探讨了我国电力市场结构的大体框架，提出了我国电力市场应采用买电 型运营模式。 文献 8 也总结了我国发电侧电力市场的特点: 单一购买者模式、 部分 电量竞价上网、调度与市场交易一体化等，并介绍了我国电力市场主要采用的三种 交易形式一一长期合同交易、现货交易、实时交易。文献 2 0 还展望了我国电力市 场的改革前景，提出我国电力市场的改革方向为允许用户参与电力市场的竞争，双 边交易成为电力交易的主要形式，并出现期货交易，最终形成全国联网和全国性的 电力市场。文献 2 1 1 则提到了 如何在电力市场中最优化供电质量。该文献认为，市 场的最优化只能在用户获得了合适等级的电能质量时才能实现。当供给不同用户不 同等级的电能时，会需要一个额外的投资 ( 质量用户化的成本) 。但是由于对电能 各个等级的要求是一定的，那么就可得到这个额外投资的边际成本，所以在所有类 型的用户因得到合适等级的电能所获得边际电网利益 ( 即与用户买不适合等级的电 能情况相比，用户少付出的钱)和所需的额外投资的边际成本相等时，最有可能得 到最适宜的供电条件。 1 . 4本论文的主要工作 基于上述对电能质量评估的重要性和在电力市场环境下评估电能质量的重要 性的认识，本论文拟对这两方面开展进一步的讨论和研究。本论文的主要工作有以 下几个方面: 1 . 阐述了电能质量的含义及重要性，电能质量各项指标的定义、标准及其危 害。分析了电压暂降对电能质量评估的重要意义，将电压暂降作为电能质量一项重 要指标与其他电能质量指标一起参与评估。 2 . 用概率论和数理统计相结合的方法先分别对电能质量的各项指标 ( 包括电 压暂降、频率偏差、三相不平衡、电压偏差、电压波动与闪变、谐波、可靠性)进 行分析和等级划分，并将其归一量化从而得到电能质量的各项指标的一个评估结 果。然后采用模糊数学的模糊综合评判方法将电能质量所有指标的评估结果进行归 一量化，统一为唯一的一个指标电能质量的综合指标，并以此为依据，对电能 进行质量等级划分。 3 . 在分析了国内外的各种电力市场的运营方法和交易模式基础上，研究了我 4 华北电力大学硕 卜 学位论文 为主，所有的发电商通过竞争大用户以获得订单;输电系统向所有市场成员开放， 并收取使用费用;发电公司的出力运行通过 “ 发电商俱乐部”协调，以保证系统运 行成本最小。在英国的电力市场，电力的买卖通过电力联营体 ( p o o l )进行，发电 商竞价 上网，而输电网和配电网垄断经营。市场运行以日前市场为主，交易计划以 最小运行成本为目标。美国、澳大利亚、北欧和欧盟的电力市场也各有其特点，这 些对于建立我国的电力市场都有借鉴意义。 文献防 , 7 1 在讨论了电 力市场的定义的纂 础上，初步探讨了我国电力市场结构的大体框架，提出了我国电力市场应采用买电 型运营模式。 文献 8 也总结了我国发电侧电力市场的特点: 单一购买者模式、 部分 电量竞价上网、调度与市场交易一体化等，并介绍了我国电力市场主要采用的三种 交易形式一一长期合同交易、现货交易、实时交易。文献 2 0 还展望了我国电力市 场的改革前景，提出我国电力市场的改革方向为允许用户参与电力市场的竞争，双 边交易成为电力交易的主要形式，并出现期货交易，最终形成全国联网和全国性的 电力市场。文献 2 1 1 则提到了 如何在电力市场中最优化供电质量。该文献认为，市 场的最优化只能在用户获得了合适等级的电能质量时才能实现。当供给不同用户不 同等级的电能时，会需要一个额外的投资 ( 质量用户化的成本) 。但是由于对电能 各个等级的要求是一定的，那么就可得到这个额外投资的边际成本，所以在所有类 型的用户因得到合适等级的电能所获得边际电网利益 ( 即与用户买不适合等级的电 能情况相比，用户少付出的钱)和所需的额外投资的边际成本相等时，最有可能得 到最适宜的供电条件。 1 . 4本论文的主要工作 基于上述对电能质量评估的重要性和在电力市场环境下评估电能质量的重要 性的认识，本论文拟对这两方面开展进一步的讨论和研究。本论文的主要工作有以 下几个方面: 1 . 阐述了电能质量的含义及重要性，电能质量各项指标的定义、标准及其危 害。分析了电压暂降对电能质量评估的重要意义，将电压暂降作为电能质量一项重 要指标与其他电能质量指标一起参与评估。 2 . 用概率论和数理统计相结合的方法先分别对电能质量的各项指标 ( 包括电 压暂降、频率偏差、三相不平衡、电压偏差、电压波动与闪变、谐波、可靠性)进 行分析和等级划分，并将其归一量化从而得到电能质量的各项指标的一个评估结 果。然后采用模糊数学的模糊综合评判方法将电能质量所有指标的评估结果进行归 一量化，统一为唯一的一个指标电能质量的综合指标，并以此为依据，对电能 进行质量等级划分。 3 . 在分析了国内外的各种电力市场的运营方法和交易模式基础上，研究了我 4 华北电力大学硕士学位论文 国电力市场的成员组成和主要交易类型，并提出了一种现货交易的电能计量与结算 方法，初步将电能质量引入到市场竞争中去，从而能够通过交易电能的质量的不同 体现其价格的不同，使电能质量能够作为电能这种商品的一个重要特性参与市场的 竟争 4 通过采用智能优化算法解决电力市场现货交易中机组组合问题，真正实现 将电能质量的评估结果引入到电力市场的交易中去的目的。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量的含义及指标 2 . 1电能质量的含义及重要性 由于工业领域的各个行业对电能质量认识上的不同和使用名词上的不统一，长 期以来， 人们对“ 电能质量”的描述有很多不同的方式， 如“ e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s q u a l i t y , q u a l i t y o f p o w e r s u p p l y 等等。1 9 6 8年，一篇关于美国海军电子 设备用电源规范要求的研究论文最先规范的使用了 “ p o w e r q u a l i t y ”这一专业术 语。此后，随着对电能质量的研究越来越多，人们在关于电能质量问题上应采用的 术语逐渐趋向一致。国际电气电子工程师协会 ( 工 e e e )标准化协调委员会已经正式 通过了采用 “ p o w e r q u a l i t y ( 电能质量) 这一术语的决定。我国的国家标准中也 己经正式的更名采用国际通用的英文名词1 1 ) 从普遍意义上讲， 电能质量就是指优质供电。 但是由于人们看问题的角度不同， 对于同样的电能，不同的行业会对其提出不同的要求。比如，电力部门关心的是电 能的电压和频率是否满足国标的要求，系统是否能够可靠运行，而电力用户关心的 则是电力部门所提供的电能是否能向负荷正常供电、是否能使负荷正常运行。所以 迄今为止，对电能质量的技术含义仍没有统一认识，还不能给出一个准确统一的定 义。日前， 从工程实用的角度出发， 可将电能质量概念进一步分解为以下几个方面: ( 1 ) 电压质量;( 2 ) 电流质量;( 3 ) 供电质量 ( 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;非技术含义指服务质量) ;( 4 ) 用电质量 包括 电流质量和非技术含义等) 。 通过不断的研究和实践，迄今关于电能质量的定义主要有以下三种: ( 1 )合格电能质量是指提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该 设备正常工作。 ( 2 )造成用电设备故障或误动作的任何电力问 题都是电能质量问题，其表现为电 压、电流或频率的偏差。 ( 3 )电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦 波形电压与连续供电。 综上所述，电能质量应该包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不 平衡、电压暂降、谐波含量、供电可靠性等方面。 随着工业规模的扩大和科学技术的发展，国民经济各部门的用电量不断增加， 电气化程度越来越高。一方面，性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设 备被广泛应用，电力用户对电能质量的要求不断提高。另一方面，许多新型的电器 设备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰，大大的恶化了电能的质量。电能 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量的含义及指标 2 . 1电能质量的含义及重要性 由于工业领域的各个行业对电能质量认识上的不同和使用名词上的不统一，长 期以来， 人们对“ 电能质量”的描述有很多不同的方式， 如“ e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s q u a l i t y , q u a l i t y o f p o w e r s u p p l y 等等。1 9 6 8年，一篇关于美国海军电子 设备用电源规范要求的研究论文最先规范的使用了 “ p o w e r q u a l i t y ”这一专业术 语。此后，随着对电能质量的研究越来越多，人们在关于电能质量问题上应采用的 术语逐渐趋向一致。国际电气电子工程师协会 ( 工 e e e )标准化协调委员会已经正式 通过了采用 “ p o w e r q u a l i t y ( 电能质量) 这一术语的决定。我国的国家标准中也 己经正式的更名采用国际通用的英文名词1 1 ) 从普遍意义上讲， 电能质量就是指优质供电。 但是由于人们看问题的角度不同， 对于同样的电能，不同的行业会对其提出不同的要求。比如，电力部门关心的是电 能的电压和频率是否满足国标的要求，系统是否能够可靠运行，而电力用户关心的 则是电力部门所提供的电能是否能向负荷正常供电、是否能使负荷正常运行。所以 迄今为止，对电能质量的技术含义仍没有统一认识，还不能给出一个准确统一的定 义。日前， 从工程实用的角度出发， 可将电能质量概念进一步分解为以下几个方面: ( 1 ) 电压质量;( 2 ) 电流质量;( 3 ) 供电质量 ( 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;非技术含义指服务质量) ;( 4 ) 用电质量 包括 电流质量和非技术含义等) 。 通过不断的研究和实践，迄今关于电能质量的定义主要有以下三种: ( 1 )合格电能质量是指提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该 设备正常工作。 ( 2 )造成用电设备故障或误动作的任何电力问 题都是电能质量问题，其表现为电 压、电流或频率的偏差。 ( 3 )电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦 波形电压与连续供电。 综上所述，电能质量应该包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不 平衡、电压暂降、谐波含量、供电可靠性等方面。 随着工业规模的扩大和科学技术的发展，国民经济各部门的用电量不断增加， 电气化程度越来越高。一方面，性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设 备被广泛应用，电力用户对电能质量的要求不断提高。另一方面，许多新型的电器 设备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰，大大的恶化了电能的质量。电能 6 华北电力大学硕士学位论文 质量问题日益突出，引起了供电部门和广大电力用户的普遍重视。电能质量的优劣 将会直接影响到国民经济的总体效益，劣质的电能会给发电、输变电和用电都带来 不同程度的危害，引发电网大面积停电，造成用户生产力下降，其社会影响和经济 损失是相当严重的。 9 0 年代以来，工业发达的国家普遍认为，当代电力系统除了保 证电网安全运行的基本要求外，电能质量的控制也是评估电力系统运行水平的一项 重要内容。因此，电能质量对于电力用户乃至整个国民经济都具有重要的意义。 2 . 2 电能质量各项指标的定义、标准及其影响 2 . 2 . 1电压暂降 在我国电工术语标委会组织的国家标准“ 发电、 输电及配电领域中的运行术语” 审查会议上 ，电压暂降 ( v o l t a g e d 工 p s )被定义为 “ 在系统的某供电点上，电压突 然降低，在几个周波到几秒钟的时间内得以恢复” 。电压暂降有三个重要的特征量 一一电压暂降的幅值、持续时间和频次。通常，将发生电压暂降时的电压均方根值 与额定电压均方根值之比定义为电压暂降的幅值，将电压暂降从发生到结束所经历 的时间定义为该次暂降的持续时间。目前，国际上对电压暂降的幅值没有统 一 的规 定， 工 e c 定义为“ 下降到额定值的9 0 % -1 % ， 而工 e e e 定义为“ 下降到额定值的9 0 % - 1 0 % 。一般认为电压暂降的典型持续时fu 1 为0 . 5 3 0 周波。电压暂降是短时间电压 变动的一种现象，造成电压暂降的主要原因是系统短路故障、感应电动机启动、雷 击、变压器或电容器组的投切以及电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等。电压暂 降会给国民经济带来巨大的损失。例如，由故障引起的电压暂降可能会沿着电网扩 散而给大量用户造成问题。下图是电压暂降对各行业造成的经济损失的等级图。 上 喇 叫 i x 1 0 3 图 2 - 1 1 x 1 0 i x i o i x 1 0 6 1 x 1 0 1 经济 扭头 尸 美元 电压暂降对不同行业的经济损失的等级图 由上图可以看出，电压暂降对敏感用电设备造成的损失十分严重。随着敏感用 电设备的普及应用，电压暂降问题己经引起了国际上广泛的关注。但是，目前国际 上还没有制定明确统一的电压暂降的标准。 华北电力大学硕士学位论文 质量问题日益突出，引起了供电部门和广大电力用户的普遍重视。电能质量的优劣 将会直接影响到国民经济的总体效益，劣质的电能会给发电、输变电和用电都带来 不同程度的危害，引发电网大面积停电，造成用户生产力下降，其社会影响和经济 损失是相当严重的。 9 0 年代以来，工业发达的国家普遍认为，当代电力系统除了保 证电网安全运行的基本要求外，电能质量的控制也是评估电力系统运行水平的一项 重要内容。因此，电能质量对于电力用户乃至整个国民经济都具有重要的意义。 2 . 2 电能质量各项指标的定义、标准及其影响 2 . 2 . 1电压暂降 在我国电工术语标委会组织的国家标准“ 发电、 输电及配电领域中的运行术语” 审查会议上 ，电压暂降 ( v o l t a g e d 工 p s )被定义为 “ 在系统的某供电点上，电压突 然降低，在几个周波到几秒钟的时间内得以恢复” 。电压暂降有三个重要的特征量 一一电压暂降的幅值、持续时间和频次。通常，将发生电压暂降时的电压均方根值 与额定电压均方根值之比定义为电压暂降的幅值，将电压暂降从发生到结束所经历 的时间定义为该次暂降的持续时间。目前，国际上对电压暂降的幅值没有统 一 的规 定， 工 e c 定义为“ 下降到额定值的9 0 % -1 % ， 而工 e e e 定义为“ 下降到额定值的9 0 % - 1 0 % 。一般认为电压暂降的典型持续时fu 1 为0 . 5 3 0 周波。电压暂降是短时间电压 变动的一种现象，造成电压暂降的主要原因是系统短路故障、感应电动机启动、雷 击、变压器或电容器组的投切以及电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等。电压暂 降会给国民经济带来巨大的损失。例如，由故障引起的电压暂降可能会沿着电网扩 散而给大量用户造成问题。下图是电压暂降对各行业造成的经济损失的等级图。 上 喇 叫 i x 1 0 3 图 2 - 1 1 x 1 0 i x i o i x 1 0 6 1 x 1 0 1 经济 扭头 尸 美元 电压暂降对不同行业的经济损失的等级图 由上图可以看出，电压暂降对敏感用电设备造成的损失十分严重。随着敏感用 电设备的普及应用，电压暂降问题己经引起了国际上广泛的关注。但是，目前国际 上还没有制定明确统一的电压暂降的标准。 华北电力大学硕 七学位论文 2 . 2 . 2三相不平衡 二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 率是时间的函数，这样的系统称为不平衡三相系统。电力系统在正常运行方式 卜 ， 根据对称分量法将三相系统中的电量分解出的负序分量的均方根值与分解出的正 序分量的均方根值之比定义为该电量的三相不平衡度。用公式表示为: s _ 兰x 1 0 0 % u , ( 2 一 1 ) s , 一 玉 x 1 0 0 % i , ( 2 - 2 ) 其中# u , s , 一一三相电 压不平衡度和三相电流不平衡度; 认、u z 一一电 压正 序、负 序分量 均方根 值， k v ; 人 、i ,一一电流正序、负序分量均方根值，k a a 电力系统的三相不平衡 ( t h r e e p h a s e u n b a l a n c e )可以分为事故性不平衡和 正常性不平衡。事故性不平衡由系统中各种非对称性故障引起，如单相接地短路、 两相接地短路、两相相间短路等。正常性不平衡是由电力系统正常运行方式下，供 电环节的不平衡或用电环节的不平衡引起的。由于三相发电机、变压器等设备通常 具有良好的对称性，因此供电系统的不平衡主要由供电线路的不平衡导致。用电环 节的不平衡主要是由于系统中三相负荷不平衡引起的12 2 1 。 当系统处于三相不平衡运 行时，其电压、电流中含有大量的负序分量，这些负序分量会引起电动机和变压器 的振动和附加发热，不但引起变压器的附加损耗，也会大大缩短电动机和变压器的 绝缘寿命，危及其安全运行和正常出力。三相电压和电流不平衡还会造成一些作用 于负序电流的保护和自 动装置误动作 ( 特别是电网中同时存在谐波时) ，严重威胁 电力系统的安全运行。三相不平衡还会影响计算机的正常工作、缩短照明电灯的寿 命、增加对通信系统的信号干扰，对人们的正常工作和生活带来极大的影响。我国 关于三相不平衡等电能质量国家标准中的主要技术指标如表2 - 1 中所示。 表 2 - 1 标准编号标准名称 五项电能质量国家标准摘要 允 许限 值 电能质量 gb/t 1232 5 - 200 睽 电 电 压 允 许 偏 赘 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和 不超过 1 0 % i o k v 及以下三相供电为土7 % 2 2 0 v 单项供电为+了 %，一1 0 % 曳 鱼 鱼动 d 的 限 值 和 变 动 频 度r 有 关 : 8 华北电力大学硕 行学位论文 当r - 1 0 0 0 h ”时，对于低压 ( l