（电力系统及其自动化专业论文）基于模糊聚类及过程能力指数的电能质量综合评估.pdf

日岁比.d口 尸明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 基于模糊聚类及过程能力指数的 电能质量综合评估 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :秋翔 氛 .日期 : ， 7 葬 ， 月 。 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 同媒体上发表、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 此规自 作 者 签 名 : 脚纽 盏 1 导师签名: 渗你 很 日期 :、 刃 车 1 月 1。 日日期 : 沙 加 71 . 。 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 ， . 1 电能质量问题概述 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， 新工艺、 新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面， 越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电 源特性变化敏感的高科技设备，电力 用户对电能质量的要求不断提高。与此同时，许多新型的电气设备在其运行中会向 电力系统注入各种电磁干扰，对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的 危害与影响不断增加， 成为制约电能质量提高的重要因素。 就全球范围而言， 从20 世纪80年代开始电力工业放松管制，引入竞争机制，开放电力市场成为世界潮流。 在电力市场条件下，用户与供电企业都在追求自己的最大利益。用户会提出满足各 自需要的不同质量的电能，出现用电的个性化需求。这样电力部门不仅要满足用户 对电量不断增长的需求，还必须满足用户对电能质量的多样化要求。 改善电能质量对于电网和电气设备的安全稳定运行，保障人民正常的生产和生 活等均有重要意义，直接关系到国民经济的总体效益。人们并非近几年才开始重视 电能质量问题，只不过早期对此认识比 较简单，主要局限在保持电网频率和电压水 平的静态或平均偏差不过大上。自加世纪80年代以来，随着新型电力负荷迅速发 展以及它们对电能质量的要求不断提高，更多的电能质量问题逐渐成为电力企业、 电 力用户和电力设备制造厂商共同关心的问题。 国际供电会议( clr e d ) 第16届轮 值主席c onnero tt e 先生在cir e dk l 2 0 02大会的专题发言中，把电能质量问题列为 当前国际供电界关注的首要技术问题.近年来，电能质量问题己 提到了一些经济发 达国家 ( 或地区)电力公司的议事日 程。巴西、澳大利亚、马来西亚、新加坡及香 港等电力公司与欧美发达国家一样，十分重视电能质量，成立专门机构负责电能质 量管理， 做了大量工作， 解决用户电能质量问 题l 。 因此，电能质量问题引起了广大电力工作者的高度重视，目前电能质量中某些 问题已成为前沿性课题，吸引了许多高等院校和科研院所的一大批电力科技工作者 投入其中从事开拓性或开发性工作。 ， . 1 . ，电能质量的基本概念 什么是电能质量?从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。 但是由于人们看 问题的角度不同，所以，迄今为止， 对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识， 还不可能给出一个确切的定义。 电 能质量 ( p o w erq uali ty ， p q ) 一词最早出 现在 1 9 6 8 年发表的 一篇关于 美国 l 华北电力大学硕士学位论文 海军电子设备备用电源规范要求的研究论文中，随后在关于工业用电源系统设计规 范中进一步提出，要提高电能质量和安全可靠供电、低费用运行等。与此同时，也 有不少国家使用电 压质量 ( vol t ag e q u ality ) 来反映电压幅值的变动和频率的 偏差。 直到近些年，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才趋向一 致，国际电气电子工程师协会 ( iee e ) 标准化协调委员会也已正式通过采用“ p o w er q u ality ”( 电能质量) 这一术语。 人们对电能质量的技术含义存在着不同的认识，关注或表征电能质量问题会有 截然不同的观点:对供电部门，电能质量是指所供应电力的参数符合标准和供电可 靠性的程度;对用电设备生产商，电能质量是指对设备所要求的电能特性:对电力 用户，电能质量是指一切会引起用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、电流 及频率的异常扰动. 迄今关于电能质量的定义概括起来主要有以下3 种: 定义 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. 定义 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。 定义 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。 由此可见，电能质量的问题终究是由电力用户的生产需求所驱动，用户的衡量 标准对电能质量定义占有优先的位置。因此电能质量可以定义为:导致用电设备故 障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、 电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间 中断以及供电连续性等。 总之，上述定义都是将电能质量与用户的需求相联系，即解决电能质量问 题， 就是保证系统设备安全运行并提供给用户所需要的质量水平的电能。 1 . 1 . 2 1 . 1 . 2 . 1 电能质量的分类及标准 电能质量问题的分类 为了系统地分析和研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分选识别，从 中找出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，因此将电能质量进行分 类和给出相应的定义是很重要的。 ( 1 )电能质量的基本分类 一般来说，电力系统中各种扰动引起的电能质量问题可分稳态和暂态两大类。 稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，包括电压偏差、三相不平衡、闪变、谐 华北电力大学硕士学位论文 波、间谐波、波形下陷及噪声等;暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间 为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两种类型，包括供电瞬时中断、电压骤降、电压 骤升以及暂态过电压等。从发生的频度以及对用电设备的危害程度来看，现代电能 质量问题主要是电压骤降、谐波、电压不平衡以及闪变。据统计和案例反映，造成 用户用电设备异常运行或停电的绝大部分因素是电压骤降问题。 i e e e 标准化协调委员会定义的电能质量的分类，包括以下几种:长时间变动: 过电压、欠电压、持续间断;短时间变动:电压间断 ( 中断) 、电压骤降 ( 凹陷) 、 电压骤升 ( 凸起) ;瞬变现象:冲击性瞬变、振荡瞬变;波形畸变:直流偏置、谐 波、间谐波、波形下陷、噪声:三相电压不平衡;电压波动和闪变和频率偏差。 ( 2 )变化型和事件型分类 这种分类是按照电能质量扰动现象的两个重要表现特征一一变化的连续性和 事件的突发性为基础分成两类2. 变化型是指连续出现的电能质量扰动现象，其重要特征为电压或电流的幅值、 频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。例如系统频率不可 能一成不变，系统电压也不可能每时每刻恒等于其标称值，与理想值的偏差始终存 在。该现象包括电压幅值变化、频率变化、电压与电流间相位变化、电压不平衡、 电压波动、谐波电压和电流畸变、电压陷波、主网载波信号干扰等。 事件型是指突然发生的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或电流短 时严重偏离其标称值或理想波形。此类现象包括电压暂降和电压短时间中断、欠电 压、瞬态过电压、阶梯型电压变化、相位跳变等。 迄今为止，对电能质量的分类仍存在着由于定义不同引起的类别区分界线不很 清晰和由于分类方法不同产生的技术名词不统一等问题。对电能质量问题进行科 学、完整的分类对我们更加深入地了解和认识各种电能质量现象十分有意义。 ， 1 . 2.2电能质量问题的标准 电能质量标准是保证电网安全运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电 能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护供用 电双方合法权益的法律依据。 近几十年来，许多工业发达的国家已经制定和颁布实施了比较完备的电能质量 系列标准，并且随着工业经济国际化发展，各国制定的电能质量标准正与权威专业 委员会推荐标准， 如iec的e m c 一61000 系列标准和iee e的std 一标准靠拢。 1 9 8 8 年，我国为加强电力系统电能质量管理工作，曾颁布执行了 电网电能质量技术监 督管理规定 ，提出了 “ 谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，并指出为保证电力系 统安全、稳定、经济、优质运行，全面保障电能质量是电力企业和用户共同的责任 和义务。迄今为止，我国在参考上述所提到的两项国际标准后，也已经对几种最基 华北电力大学硕士学位论文 本的电能质量问题制定了相关的六项标准，即: 电能质量 供电电压允许偏差 ( g b / t1 2 3 2 5 一 2 0 0 3 )、 电能质量 电力系统频率允许偏差 ( g b / t1 5 9 4 5 一 1 9 9 5 )、 电能质量 公用电网谐波 ( g b /t1 454 9 一 199 3) 、 电能质量 电压波动和闪变 ( g b1 2 3 2 6 一 2 0 0 0 )、 电能质量 三相电压允许不平衡度 ( g b 厅1 5 5 4 3 一 1 9 9 5 )和 电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 ( g b /t1 8 4 81一 2 0 01)。 这些标准成为评定电能质量的重要指标，也是电力工作者选用补偿方法、改善 控制装置和选择技术措施的依据。然而我国电能质量标准体系还很不完善，如有些 指标已经是工业生产中急需提出的，但目前仍没有做出必要的规定，而且还缺少完 整的技术指导和行业规程和导则。因此，建立全面的电能质量标准体系仍然有大量 工作去展开。 ， . ， . 3电能质量问题产生的危害 目 前，用户的各种电力电子设备、非线性负荷及冲击性负荷不断增加，使得电 网电能质量指标日益恶化，不仅影响了电力系统的正常运行，而且对用户的用电产 生 危害和影响。 常见的 危害和影响 有以 下 一些方面3 : ( 1 )对电力系统的危害和影响 大多电能质量问题不是来自发、输、供电系统，而是来自电力用户，但电能质 量问题的出现对整个电力系统的影响却很大，直接影响到系统运行的安全性、稳定 性和经济性。主要危害有: a 增加线损。谐波电流在输电线路上的流动，产生附加能耗，增大线损率。当 系统发生谐振或谐波放大，尤其是高次谐波的情况下，谐波电流污染对线损的影响 将更为明显。 b . 降低变压器寿命。 谐波电流使变压器的铜耗增加， 引起变压器振动并使噪声 增大: 谐波电压使变压器的磁滞及涡流损耗增加， 使绝缘材料承受的电气应力增大; 对三角形连接的绕组，零序性谐波在绕组内形成环流，使绕组发热，温度过高，降 低寿命. c计量仪表误差。 在结构设计上，电能表输入模块的信号变送仅考虑基波，当 电压、电流波形发生畸变时，磁通不能相应地线性变化而产生误差，影响了电能表 的整体计量精度。 d . 继电保护和自动控制装置的误动作。电网电能质量指标恶化，如谐波、三相 严重不对称等都会对保护装置产生干扰，引起误动。 ( 2 )对电力用户的危害和影响 少数电力用户是电能质量的主要污染源，这类用户在对系统污染的同时，也造 成自己内部的设备损坏。用户是电能质量污染的主要受害者，受电电能质量指标低 华北电力大学硕士学位论文 的电气设备也可能成为新的污染源，危害电力系统和其他用户设备。 a . 影响用户电机。供电电能质量指标低，使电机产生附加损耗、发热和振动， 发出较高的噪声，承受过高的疲劳应力:当三相供电电压不对称时，负序基波电压 与负序性谐波电压分量在定子绕组上产生负序电流，增加铜耗;当产生电压波动的 主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时，诱发谐振，对电机造成毁灭性的 破坏。 b . 影响用户补偿电容。 运行点电能质量指标低时， 会造成诸如补偿装置投不上、 电容器使用寿命降低、电容器熔丝熔断，甚至发生串并联谐振，导致电容器爆炸等 事故。 c . 影响用户自 动控制装置。 干扰控制设备检测模块的正常分析计算， 导致错误 的输出结果;对设备的硬件，如精密电机、开关电源等造成损坏;干扰负载的保护 回路，造成误动作。 d 影响居民日常生活。电压波动和闪变会造成照明灯光和电视画面的忽明忽 暗，使电冰箱、空调的压缩机承受冲击应力，产生振动，降低使用寿命。 ( 3) 对相关行业的危害和影响 a . 对通信的干扰。 谐波是电网干扰通信的主要因素。 谐波频率很高时， 会产生 发射杂音， 在通信线路上引起音频干扰。 随着数字通信技术和光纤载体的广泛应用， 电能质量污染对通信的影响已降到较低的水平。 b . 对其他相关行业的干扰。通过供电电源直接对其正常的生产运行造成危害， 如精密制造业，使其废品率上升，降低主设备的使用年限;干扰有线电视、广播的 信号等。 1 2 课题的研究意义 电能既是一种经济实用，清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是 一种由电力部门向电力用户提供，并由供用电双方共同保证质量的特殊产品。 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调 压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，由于其 非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变，引起电 压波 动、闪变以 及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，对供电电能质量造成严重的 千扰或 “ 污染” 。而现代高新技术产业、工商业大量使用的计算机系统、控制系统 等对电能质量的要求却越来越高。 例如， 半导体制造业对于当今经济社会十分重要， 一个芯片的生产过程需要较长的时间，但是一个持续 80 毫秒的电 压暂降就会造成 上百万美元的损失14.， .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， 华北电力大学硕士学位论文 一旦电能质量不能达到要求而使生产中断，就需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。根据国际会议报告介绍，在美 国每年由于电能质量下降所引起的经济损失高达数百亿美元。劣质电能引发电网大 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。越来越多 的用户要求高质量、 高可靠性的电能， 因此对电能质量的管理及评估工作势在必行。 与此同时， 电力已经作为一种特殊的商品走入了市场化的大门。 作为一种商品， 在电力进入市场化之后，无疑将会更重视质量的提高。电能作为一种商品投入到市 场竞争中，像其他商品一样，将逐步做到按质定价、优质优价。对电能质量进行合 理的评估是建立公平的电力市场的先决条件之一。同时，电能质量市场化将电能质 量是由供电方还是用电方进行治理的问题推向了市场，采用一个明确、合理的电能 质量评估方法可以协调市场中各方的利益关系，从而明确电能质量治理的责任，有 助于改变目前各方互相推卸责任、无人治理的被动局面。 综上所述，在电力市场环境下，必须改变传统的电能质量评估模式，拓宽质量 内涵，并建立一种完善的客观的评估管理体系，将质量指标进行综合评估，得出一 个量化的描述，以作为全面考核电能质量和修正电价的依据，寻找切实有效的管理 方法，最终实现电能的按质定价。因此，可以看出进行电能质量评估有如下的现实 意义16 : ( 1 )是评价某个电网或某个供电点电能质量优劣的主要方法; ( 2 )是进行电能质量治理的先决条件; ( 3) 是调查千扰源的发射干扰和敏感用户所承受干扰的手段; ( 4) 是供用电双方制定供电合同及明确电能质量责任的重要依据; ( 5 )是电能商品按质定价的重要参考。 尽管世界各国对供电质量制定了一系列的标准，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、自 然地反映电能质量的性质。因此，正确地评估电能质量，并以此 为依据合理、经济地解决各种电能质量问题已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 . 3 1 . 3 . 1 课题的研究现状 电能质量单项指标的评估 华北电力大学硕士学位论文 本文1 . 1 .2. 2 介绍了目 前我国已经制定颁布的6 项电能质量系列的国家标准。 国 标对各个单项指标的允许限制做了明确的规定，成为电能质量单项指标评估的参照 基准。 另外，由于电压暂降与短时间间断对一些重要负荷的影响较为严重，国外有专 家认为电压暂降与短时间间断已上升为最重要的电能质量问题之一，尽管国内还未 制定相应的国家标准，但也应将其列入评估电能质量的单项指标之中，并且国内外 专家对电压暂降与短时间间断的评估也作了大量的工作。单项指标的评估，可以根 据监测所获取的数据以及当地负荷类型特点作指标计算和统计分析，最后得出指标 值和评估结论。但是单项指标的评估忽略了不同电能质量问题间的相互联系，也忽 略了用户对不同电能质量问题的敏感度.电能质量是由多项质量内容组成，在某些 场合例如对供电部门电能质量考核、评价用户对供电质量满意度以及给电能合理定 价时，对电能质量的综合评估更具有意义。 1 . 3.2电能质量的综合评估 国家标准和许多文献中，对各项电能质量问题都有比较明确的评估指标和评估 方法，但将电能质量作为一个整体进行综合评估，却还很少。 文献6 提出了两个电能质量综合评估指标， 分别为供电电能质量指标 qc和电 网电能质量指标 汤。 其中，qc 考虑了负荷的 特性，在一定程度上反应了 用户对电 能质量的满意度， 是一个相对指标; 汤 是一个绝对指标， 反映了电能质量的实际严 重程度。 文献17 卜 【 10 提出了一种应用模糊原理综合多项评估指标， 实现电能质量定 量评价的方法: 文献1 1 提出 先用层次分析 法确定用户对各电 压质量问 题的 敏感程 度， 然后再根据得到的权重因子进行模糊综合评价: 文献【 1 2 将层次分析法 ( a h p) 和模糊方法相结合，得到综合可变权重后，再利用综合模糊评估方法对电能质量进 行综合评判。 文献【 1 3 一 【 巧 】 运用p 一 q 一 r 坐标变换的 方法将电 压电 流从abc 三相转换到 p 一 q 一 r 坐标系中， 然后重新定义瞬时功率并将瞬时功率细分， 并在此基础上定义了一 些电能质量指标，以此来评价电能质量。文献 16 基于能量空间，提出了 波形距离 的概念，并定义了能量偏差系数来评价电压质量。 在这些综合评估方法中，出发点不同，但所得指标在一定程度上都反映了电能 质量水平。 ， .4 论文的主要工作 通过对电能质量问题背景以及电能质量评估方法研究现状的分析可以看出，电 能质量问题，尤其是电能质量的评估己经日 益受到人们的重视。本文在详细论述电 能质量指标以 及模糊分析方法的基础上，拟对现有的单项和综合评估方法进行分析 7 华北电力大学硕士学位论文 比较，提出运用模糊聚类理论对电能质量进行模糊综合评估的方法，以及运用过程 能力指数对实现电能质量的定性定量分析进行探索性的研究。 本文的主要工作包括: ( 1) 通过对电能质量问题的研究背景和意义的论述，得出对电能质量评估意 义重大.建立电能质量评估体系模型，详细描述电能质量各个单项评估指标的概念 和影响因素。阐述现有的各类单项和综合评估方法，指出单项评估方法的片面性和 现有综合评估方法的不足。 ( 2) 基于模糊数学中的模糊聚类分析法，提出新的电能质量综合评估方法。 首先采用隶属度函数，得到各个监测点的单项指标隶属度，形成矩阵:而后得到其 模糊等价矩阵;再由动态聚类图，得到各个监测点电能质量的优劣分类排序;最后 运用算例证明该评估方法的合理性。 ( 3 )在概述过程能力指数的概念、用途和使用条件的基础上，进而提出以用 户需求为衡量基础，基于过程能力指数的电能质量评估方法。其中，重点研究基于 多元质量特性过程能力指数的综合评估方法.首先对样本进行统计分析，求得电能 质量指标均值向量和协方差矩阵，得出各个分项指标过程能力指数，再对其赋以不 同的权重，得到多元综合的过程能力指数，最后得到电能质量等级。算例表明，该 方法可以区分电能质量等级，对电能质量量化评估。 ( 4 )就电能质量投资的概念、电能质量投资效益、对电能质量效益影响的重 要因素以及评价模型等进行简要介绍，分析电能质量投资效益研究中的几个重要内 容。合理的电能质量投资可以促进电能质量市场的健康发展，如何充分、高效地利 用有限的电能质量管理资金，提高投资效益十分重要。 ( 5) 最后，总结全文，指出今后需要进一步开展的工作。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量评估方法概述 2 . 1 电能质量的评估体系 对电能质量评估要标准化、规范化，对电能质量的优劣有一个清楚的了解，就 必须建立一套相对完善的电能质量评估体系，作为电能质量评估的参考模式和依 据。但是由于国内长期以来对电能质量的重视程度不够，所进行的评估项目不多， 积累的经验不足，并且电能质量评估相关的研究太少，所以国内至今尚没有一套完 整的评估体系，限制了电能质量评估的开展。 一般地说，针对某一具体评估内容， “ 指标体系+评估方法=评估体系” 。电能 质量评估内容多，而每项的评估指标、方法又各不相同。因此应该先对各项电能质 量问题分别建立评估子体系，各子体系有自己的指标和评估方法且彼此之间相对独 立。 同时还应该建立综合评估体系， 结合各个单项指标， 运用恰当的综合评估方法， 作综合评估16 。最后根据各单项指标的评 估子体系的 评估结果以 及综合评 估的 结果 对电能商品进行经济管理，最终实现电能的按质定价。按照这一思想所建立的电能 质量评估体系如图2 一 1 所示。 评估子体系评估子指标评估方法 电 五 偏差评估了体系电压偏差指标电压偏差评估方法 频率偏差评估了体系频率偏差指标 频率偏差评估方法 电压波动与闪变 评估子体系 电压波动与 闪变指标 电压波动与闪变 评估方法 能t合估 电质综评 谐波评估子体系谐波指标谐波评估方法 电压三相不平衡 评估子体系 电压三相 不平衡指标 电压三相不平衡 评估方法 电压暂降短时间间断 评估子体系 电压暂降短时间 间断指标 电压暂降短时间 间断评估方法 非技术性指标 评估子体系 非技术性指标 非技术性指标 评估方法 图2 一 1 电能质量评估体系 整个体系的结构特点是既对各项电能质量加以区分，各单项评估自 成体系 实际中又可根据具体情况对单项指标评估或者将各个指标结合进行综合评估， ，在 突出 华北电力大学硕士学位论文 了灵活性。 2 . 2 电能质量指标的概念和影响因素 2.2，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 刃= 匕 卫 竺 、 1 0 0 % 叽 ( 2 一 1 ) 式中翻 少 一 一电压偏差 叽 实际电压，kv ; 饰 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，当电压高于标 称电压 5 %时，白炽灯的寿命会减少 3 0 %: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11 7 。 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，而线路的静态稳定功率 华北电力大学硕士学位论文 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 g b 汀 123 2 5 一 2 0 03 电能质量 供电电压允许偏差对电压偏差 做了详尽规定。 2 . 2 . 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 ( 5 0 h z 或6 o h z ，我国采用s o h z 标准)之差。用公式表示为: 占 f= 人 一 几 ( 2 一 2 ) 式中 母 一 - 频率偏差， h z 几 实 际 评 率 ， h z ， 介 系统 标称频 率， h zo 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118 1 . 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，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，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 l l 华北电力大学硕士学位论文 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g b /t1 5 9 4 5 一1 9 9 5 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。 22 . 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 ( t h d) ，定义为畸变波 形因谐波引起的偏离正弦波形的程度。用公式表示为: 介吸厂 认 x l oo % (2 3) 式中 2 万 d u电压总谐波畸变率; 玩 各次谐波均方根值: u l 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，通常取五 仁50。 电 流总谐波畸变率火 付 刀 了 的 计算同 式( 2 一 3) ， 只需将其中的电 压变量改为电流变 量即 可。 电 力系统中的非线性负 荷是 造成波 形畸变的主要根源11 ” 。 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千扰影 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， 华北电力大学硕士学位论文 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 g b/t 145 4 9 一1 9 93 电能质量 公用电网谐波对频率偏差做 了详尽规定。 2 . 2. 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 几联 和 umin 之差 u ，常以 其标称电 压饰 的百分数表示其相对百分值: d _ 旦 吧 二 旦 巨 、 1 00 % 巧 (2一 4 ) 相对最大电压变动值: 、 = 旦 吧 三 x l o o %(2 一 5 ) u 刀 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 120 】 。 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 了 梦 场为基波 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. s h z 的电压 波动最为敏感。因此，i e c( i n te mat i o n alele c t r o t e c h n i c a i c o mm i s s i o n )标准以卜1 ( 5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. s h z 为标准作归 一化处理，通过在于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. s h z) 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变;反 之则没有。如前所述，闪变是经过灯一 脑一 眼环节反映人对照度的主观视感，为更为 本质地描述灯一 脑一 眼环节的频率特性， iec 推荐引入视感度系数犬 了 ) : 。 ， 八 5 = 1 觉察单位的 8 . s h z 正弦电压波动d %_ _ . 人 u 荞飞 觅 葡瓤丽癫 革 丙 丽硫葫 藕 哀 动 亏 兹 ， u u 、 ( 2 一 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中 5=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: f = 一旦些 乙 一 a+b+c+d xl 0 0 % ( 2 一 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g b123 2 6 一 2 000 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 . 2 . 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， 即将任何一组不对称的三相相量 ( 电压或电流)分解成相序各不相同的三相对称的 三相相量 。三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制 电路，电压中除含有谐波 分量外，还含有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路，只含有正、 负序分 量。三相 电压的不平衡度通常 以负序分量与正序分量均方根值的百分比来表示。 : _ 竺、 1 0 0 % 认 (2一 8) 式中ui为三相电压正序分量的均方根值，伪为三相电压负序分量的均方根值. 电力系统三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两大类121 】 . 事故性 不平衡 由系统中各种非对称性故障引起，比如单相接地短路、两相接地短路或两相 相间短路等。而电力系统正常运行时， 供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都将 导致电力系统的三相不平衡。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来自 于供电 线路的不平衡。 系统处于三相不平衡运行时，其 电压、电流中含大量负序分量，由于负序分量 的存 在， 三相不平衡对电气设备产生不良 影响。( 1) 感应电 动机。电动机的负 序电 抗很小，所以负序电压产生的负序电流很大，使电 动机的铜损增加。 铜损的 加大不 仅使电动机效率降低，同时使电动机过热， 导致绝缘老化过程加快:( 2) 变压器. 变压器处于不平衡负载下运行时，变压器容量得不到充分利用。 研究表明， 变压器 工作在标称负载下，当电流不平衡度为10% 时， 变压器绝缘寿命约缩短 1 6 % : ( 3) 华北电力大学硕士学位论文 换流器。三相不平衡使换流器的触发角不对称，换流器将产生较大的非特征谐波。 非特征谐波电流的出现对换流器的谐波治理提出了更高的要求，直接导致换流器总 投资的加大;( 4) 继电保护和自动装置。三相不平衡系统中的负序分量偏大，可能 导致一些作用于负序电流的保护和自 动装置误动作，威胁电力系统的安全运行，此 外系统三相不平衡还会使某些负序启动元件对系统故障的灵敏度下降:( 5) 线损。 在三相不平衡系统中，线路除正序电流产生的正序功率损耗外，还有负序电流及零 序电 流产生的附加功率损耗，因此加大了线路的总损耗，降低了电力系统运行的经 济性;( 6) 计算机。在低压三相四线制系统中，三相不平衡引起中线上出现不平衡 电流，中性点电位会产生漂移，严重时对计算机产生电噪声干扰，可能使计算机无 法正常工作。 我国的国家标准g b /t1 5 5 4 3 一 1 9 9 5 电能质量 三相电压允许不平衡度 对电压 三相电压允许不平衡度做了详尽规定。 2.2.6暂态指标 评估电能质量的技术指标除了以上几节中介绍的稳态指标之外，还有暂态指 标，主要有电压暂升、电压暂降、瞬时间断、暂时过电压、瞬态过电压、脉冲等等。 其中，由于变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动化生产线以及计算机系统 等敏感性用电设备的大量使用，电压暂降 ( 凹陷、跌落)与短时断电 ( 间断)问题 引起了有关部门和研究人员的重视，国内外不少专家学者认为这一问题已上升为当 前最重要的电能质量问题之一，许多国家 ( 如加拿大)已开展了电压暂降的长期监 测工作。 电压暂降和电压短时间中断通常是相关联的电能质量问题.发达国家早在 2 0 世纪 8 0年代初就开始研究电压跌落并取得大量的应用成果。电压暂降是指供电电 压均方根在短时间突然下降的事件。其典型连续时间为 0. 5 一30 周波。是指电压有 效值的大幅度快速下降， iec定义为下降到标称值的90% 至1 %， iee e定义为下降 到标称值的90%至 10%。当电压有效值降低到接近于0 时，则称为间断。电压暂降 与间断主要是由于系统短路故障以及配电网感应电机启动造成。当输配电系统中发 生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以 及电容器组的投切等事件 时，均可引起电压暂降。其中，短路故障、感应电机启动、雷击是引起电压暂降的 主要原因。电压暂降和间断的危害主要是引起工业生产设备非正常工作，从而造成 经济损失。 电 压暂升是指工频电 压或电 流 有效 值上升到1 . i pu1 8 pu之间。 持续时间 在0. 5 周波到 1 分钟之间的电压质量问题。单相接地故障会引起非故障相的电压升高。大 负荷的切除或电容器组的充电也会导致类似的电压质量问题。 华北电力大学硕士学位论文 暂态脉冲的定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化。变化是单方向 的，常用其上升和延迟时间来描述。产生冲击暂态的主要原因是闪电。由于涉及到 的频率很高，所以产生的冲击电压或电流衰减很快，同一个冲击暂态事件，在电力 网络的不同点会观察到不同的结果。冲击暂态常常引起设备因过电压而损坏，还有 可能激发电力系统的固有振荡而导致振荡暂态. 振荡暂态定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，变化是双向的。常 用频谱成份 ( 主导频率) 、持续时间和幅值进行描述。根据其频谱范围，振荡暂态 可分为高频、中频和低频 3 种。 2 . 2 . 7非技术性指标 非技术性指标又称为服务性指标。这类指标是从服务质量角度衡量的，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等。 2. 3 电能质量监测在评估中的应用 电能质量的评估是以测量数据为基础，对其进行计算和统计分析而得出评估结 论的。电能质量的监测是在调查研究的基础上，监视、检测代表电能质量的各种数 据的全过程。 它是电能质量监督管理的重要手段， 是所有分析、 判断和决策的基础， 是评估数据的直接来源， 是电能质量评估的重要前提。 通过测量描述出一段时间内， 给定系统 监测点电能 质量变化的情况、 原因 和 特征， 找出 解决办法t22.2 3 。 电能质量监测按测量时间长短分为连续监测和短期监测。连续监测是将监测仪 器安装在电网中的固定监测点上，对电能质量长期监测，以统计超标情况和变化趋 势。监测点一般选取各变电所的母线、电网公共连接点、干扰负荷和敏感负荷的进 线端等。而短期监测则多用于电网电能质量的定期普查评估和比较各种干扰负荷或 补偿设备投入前后电网电能质量的变化等。 电能质量监测仪的采样速率要求足够高，能够记录稳态及瞬变的电压电流波 形，测量精度要高，并能对所测得的数据作必要的数据处理和计算，如快速傅立叶 变换、序分量计算等.对各项电能质量的测量条件和数据处理方法，也要符合国标 的规定。 2 . 4 单项指标的评估方法 电能质量单项指标评估是针对确定的评估指标，根据监测所获得的数据以及当 地负荷类型特点作指标计算和统计分析，或根据当地电网的结构参数及负荷模型作 仿真计算，最后得出指标值和评估结论。 l 6 华北电力大学硕士学位论文 根据电 压偏差、频率偏差、电压波动和闪 变、电 压谐波、三相电压不平衡以 及 电压暂降和短时间间断的特征，可将各单项指标的评估方法分为如下3 类16: ( 1) 电 压偏差和频率偏差的 产生是与负荷需求和运行相关的，无功和有功的 不平衡是造成电压偏差和频率偏差的主要原因。对这两种质量问 题，我们往往关注 偏差值的大小和偏差持续时间。对电压和频率在评估期间内作连续监测 ，并对监测 的 数据作简单计算和统计，求出相应指标即可。 ( 2) 电 压波动和闪变、电压谐波、三相电 压不平衡问题可归为一类， 三者都 是由于特殊负荷工作时电 流的不规则吸取或注入 ( 谐波)而引起的电 压变化。这些 特殊负荷容量一般较大，如电力机车、电弧