（电气工程专业论文）网络化电能质量在线监测系统设计与应用研究.pdf

摘要 配电系统电能质量问题越来越突出，有目的地对电力系统电能质量进行监测有着重 要的意义。本文首先介绍了电能质量的定义、分析方法和测量原理，总结了电能质量指 标的特征。在介绍电能质量监测技术的基础上，针对静海电力系统的实际情况，结合当 前w e b 技术的迅速发展与普及，设计并实现了静海电力广域网的b s 三层体系结构的电 能质量在线监测系统。该系统能以低成本的方式实现电能质量信息收集、在线分析、管 理和有效发布，具有较强的扩展性和伸缩性。实际运行表明此系统能很好的检测和分析 电网电压( 电流) 的谐波、闪变、三相不平衡等多种电能质量问题，使运行人员对电网 运行情况肴了更详尽的把握，为制定改善和提高电能质量的措施提供了可靠的依据。 关键词： 电能质量，监测，网络化，b s 结构 a b s t r a c t t h ep o w e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mi sb e c o m i n gw o r s e i tl sl m p o n a n tt o m o n i t o rt h ep o w e rq u a l i t yi np o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p to 士p o w e rq u a h t yw a s i n t r o d u c e df l r s t l y n l ea n a l y z em e t h o da n dm e 投鹏砸n c i p l eo t 。p o w e rq u a l l t yw a s d 1 8 c u s s e d s e c o n d l v t h e n ，m ec h a r a c t e ro fp o w e rq u a l i t ym d e x w a ss 眦眦a r l z e d b a s e do nt h em o n i t o rt e c h n o l o g yi np o w e rq u a l i t ya n d t h ed e v e l o p m e n to tw e bt e c h n o i o g y t h ej i n g h a ip o w e rq u a l i t ym o m t o rs y s t e mw i t hb s3 加一l a y e rs t m c t u r a lb a s e do nj i n g h a i e l e c t r i c a l 淅d ea r e an e t w o r k t h ep o w e rq u a l 时m o n i t o rs y s t e m c a no b t a ms y s t e mp u r e a l t i m ei n f o m a t i o n ，b ya d o p t i n gr e a l t i m eo n l i n em o n i t o rm e a j l s ，t ob u i l du s e 向ld a t a b a s e w h j c hc a nt m l ye x p r e s st h ep q ，t op r o v i d et h er e a l t i m e ，d e t a i la n dp r e c l s ed a t am 士_ o m l a t l o n f o rp o w e rd e p a n m e n t s a f t e rm o n i t o ra 1 1 da i l a l y s i sp q ，w ec a nm a n a g ep qw 1 l t o 。m i y o p e r a t o r sc a nm o r ee x t e n s i v e i yc o m m a n dt h es y s t e mo p e r a t i n gs i t u a t i o n i tp r o v l d e s e 1 1 a b l e r e f e r e n c ef o ri m p r o v i n gp q ，a n d 掣e a t l yr e d u c e sh a r m sb r o u 曲tb yt h eq u a l l t yp 。o b l e m r e s u l t sp r o c l a i mt h a tm a i l yq u a l i 锣p r o b l e m ss u c ha ss y s t e mv o l t a g e ( c u r r e n t ) sh 锄o n l c ， n i c k e r ，t h r e e p h a s ei m b a l a n c ea n ds oo n c a l lb em o n i t o r e da i l da n a l y z e do b v i o u s l yw h l c hh a s 黟e a tv a l u et oa d v a l l c es y s t e m ss 切b i l i t ) r x uf u - h u a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n _ j u n k e y w o r d s ： p o w e rq u a l i t y ， m o n i t o r ，n 咖o r k ， b ss t m 咖e 摘要 配电系统电能质量问题越来越突出，有目的地对电力系统电能质量进行监测有着重 要的意义。本文首先介绍了电能质量的定义、分析方法和测量原理，总结了电能质量指 标的特征。在介绍电能质量监测技术的基础上，针对静海电力系统的实际情况，结合当 前w e b 技术的迅速发展与普及，设计并实现了静海电力广域网的b s 三层体系结构的电 能质量在线监测系统。该系统能以低成本的方式实现电能质量信息收集、在线分析、管 理和有效发布，具有较强的扩展性和伸缩性。实际运行表明此系统能很好的检测和分析 电网电压( 电流) 的谐波、闪变、三相不平衡等多种电能质量问题，使运行人员对电网 运行情况有了更详尽的把握，为制定改善和提高电能质量的措施提供了可靠的依据。 关键词：电能质量，监测，网络化，b s 结构 a b s t r a c t t h ep o w e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mi sb e c o m i n gw o r s e i ti si m p o n a n tt o m o n i t o rt h ep o w e rq u a l i t yi np o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ec o n c e p to 士p o w e rq u a “t yw a s i n t r o d u c e df i r s t l y t h ea n a l y z em e t h o da n dm e a s u r ep r i n c i p l eo fp o w e rq u a l i t yw a s d i s c u s s e d s e c o n d l y t h e n ，t h ec h a r a c t e ro fp o w e rq u a l i t yi n d e x w a ss u m m 撕z e d b a s e do nt h em o n i t o rt e c h n o l o g yi np o 、v e rq u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n to f w e bt e c h n o l o g y ， t h ej i n g h a ip o w e rq u a l i t ym o m t o rs y s t e mw i t hb s3 加一l a y e r s t m c t u r a lb a s e do nj i n g h a i e l e c t r i c a l 州d ea r e an e t w o r k t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rs y s t e m c a no b t a i ns y s t e mp q r e a l t i m ei n f o m a t i o n ，b ya d o p t i n gr e a l t i m eo n - l i n em o n i t o rm e a i l s ，t 0b u i l du s e m ld a t a b a s e w 1 1 i c hc a nt m l ye x p r e s st h ep q ，t op r o v i d et h er e a l t i m e ，d e t a i la n dp r e c i s ed a t am o m l a t l o n f o rp o w e rd e p a n m e n t s a f t e rm o n i t o ra 1 1 da i l a l y s i sp q ，w ec a nm a n a g ep qw l i f o r m i y ， o p e r a t o r sc a nm o r ee x t e n s i v e i yc o m m a n dt h es y s t e mo p e r a t i n gs i t u a t i o n i tp r o v i d e sr e l l a b l e 埘e r e n c ef o ri m p r o v i n gp q ，a n d 伊ea _ t l yr e d u c e sh a 眦sb r o u g h tb yt h eq u a l i t yp 。o b l e m 。 r e s u l t sp r o c l a i mm a tm a i l yq u a l i t ) rp r o b l e m ss u c ha ss y s t e mv o l t a g e ( c u r r e n t ) sh 锄o n l c ， n i c k e r ，t h r e e p h a s ei m b a l a n c ea n ds oo nc a i lb em o n i t o r e da i l da n a l y z e do b v i o u s l yw h i c h h a s 黟e a tv a l u et oa d v a l l c es y s t e m ss 讪i l i t ) r x uf u h u a ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n _ j u n k e y w o r d s ： p o w e rq u a l i t y ，m o n i t o r ，n e 懈o r k ，b ss t m c t l j r e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文网络化电能质量在线监测系统设计 与应用研究，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：日期：! 竺三 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定) 作者签名： 日 期： 导师签名： 日期：础：兰竺 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景和研究的意义 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。如 今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应讲求质量。现代社会中， 电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之 一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求也越来越高。 由于供电电源的电能质量下降而影响电器设备正常工作的问题，早在电力供应 一开始就引起供用电双方的关注。人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称 值的多少作为检验电能质量的主要指标。之后，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 高但对电压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，电能质量问题 日益突出，引起了供电部门和广大用户的普遍重视。据日本电气学会的一项有关谐 波源的调查报告，最大谐波源为电力电子装置，所占比例高达9 5 ；又据国际会议 报告介绍，在美国每年由电能质量下降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，其社会影响的经济损失是相当严重的。 静海电力负荷中有大量的冶金( 包括轧钢、线材、钢管、制板等) 企业，且其 大部为乡镇集体性质企业，投产运行较长时间，受当时条件所限，很多企业未进行 谐波治理就投入生产；而且近年来随着静海经济建设的快速发展，冶金企业大量增 加，使低压配电网的非线性、不对称及冲击性负荷迅速增多，致使电网的电能质量恶化， 引发了用户和电网的不少异常和事故。不利的影响归结为以下方面： 1 、非线性负荷产生的无功及谐波电流大量向中、高压配电系统渗透，长期得不到 治理，增加了系统的损耗。 2 、不对称负荷加剧了电网的不平衡度。 3 、快速冲击负荷( 如：轧钢机、焊机、大型冲床等) 从电网吸收无功，同时产生 电压波动和闪变，降低电动机的有效出力，使产品成品率降低，缩短设备使用寿命。 谐波问题是电力系统中的一个突出问题，进行谐波治理也是建立静海电能质量 监测系统的初衷，谐波污染对电力设备的危害主要表现在如下几个方面： 华北电力大学工程硕士学位论文 l 、谐波电流在旋转电机绕组中流通，使电机产生附加功率损耗而过热，产生 脉动转矩和噪声：静海大邱庄企业电机多次被烧，维修率很高； 2 、引起无功补偿电容器组谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过负荷或过 电压而损坏，对电力电缆也会造成过负荷或过电压： 3 、由于集肤效应和邻近效应的存在，使输电线路、变压器等因产生附加损耗 而过热：这些现象在静海供电网络内时常出现。 4 、对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动或拒动； 5 、使计量仪表，特别是感应式电能表产生计量误差： 6 、造成通信干扰。 供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注。为保证供电系统中所有的电 气、电子设备能进行正常、和谐的工作，我们需要在电力系统日常运行中对谐波进 行监测，摸清谐波污染情况，并采取相应的措施来进行控制。但是由于电力网谐波 问题的复杂性，往往引发事故的谐波干扰出现的时间较短，发生条件特殊，所以采 用实时在线监测手段是发现问题、研究问题和解决问题的最佳途径。实时在线测量 电力网谐波的干扰状况，已成为保证电网安全、经济运行，高质量供电必不可少的 措施之一。因此，静海供电有限公司决定投入力量组建谐波在线监测网，进行谐波 治理，改善电网电能质量，以保证系统安全、稳定运行，为用户提供合格的电能。 1 2 国内外发展概况 长期以来，我国的电力供应一直比较紧张，人们关注的焦点主要在电力供应量 方面，对电能质量关心不多，通常只对电压、频率两个指标进行考核。在我国电力 系统进行大规模的城网、农网改造之前，我国城网、农网网架十分薄弱，自动化水 平低，明显地影响到电力系统的供电可靠性。2 0 世纪9 0 年代后期，在经过电网改 造之后，电能质量明显的得到提高，但是只要电能质量指标仍不能完全满足国家标 准的要求。3 5 k v 及以下的电压合格率，特别是用户最多的3 8 0 v 2 2 0 v 电网的电压 合格率是最低的。随着电力供应紧张局面的初步缓解、电能质量的日益恶化和用户 对电能质量要求的不断提高，这一问题也引起了各级电力部门的高度重视，国家已 颁布了有关的技术标准。而电能质量仍只要由承担供电的电力部门来保证。传统的 电能质量的概念只要强调供电系统稳态性能方面的特征，如电力企业常统计的供电 电压和频率的合格率百分数来说明供电对用户的可靠性，而不重视其动态的特征。 国际上对电能质量问题的研究可以追溯到上世纪8 0 年代电磁兼容学科( e m c ) 的兴起。该学科对干扰的产生、传播、接收、一直机理及相应的测量、计量技术进 行深入的研究，根据经济技术最合理的原则，对产生的干扰水平抗干扰水平及抑制 措施作出规定，使处于同一电磁兼容的设备“兼容”。而电能质量问题基本属于e m c 2 华北电力大学工程硕士学位论文 中传导低频现象。1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准委员会发布公用配电系统的供电特 性草案。该草案对中、低压配电系统用户供电端的电能质量作出了全面规定。9 0 年代以来出现了定制电力( c u s t o mp o w e r ) 的供电技术。这是一种为用户提供优质 电力的新的方法和途径。能够按照用户的要求提供满足其特定要求的电能。以用户 的要求为依据，把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，为用户配置所 需要的电力，使单独用户和用户群从标准质量的配电系统上得到用户指定的水平的 电力。 1 3 电能质量监测与分析仪器的发展与分类 电能质量监测设备和其他仪器仪表类的设备一样，经历了模拟式、数字式和智 能化三个阶段。随着电子技术的发展，模拟式电能质量监测设备已完全退出历史舞 台，而数字式电能质量监测装置的核心处理芯片也经历了从单片机到数字信号处理 器( d s p ) 的过渡。高速a d 采样芯片、高速d s p 芯片甚至基于多c p u 并行处理方 式的应用，使得当前的电能质量监测装置功能日益强大，也为电能质量监测系统的 智能化奠定了基础。 电能质量的监测方式主要有3 种： ( 1 ) 单点“快照”监测方式。使用便携式仪器即时监测选定点的电压、电流变 化，掌握电压偏差、谐波、闪变、电压不平衡等稳态电能质量水平； ( 2 ) 时间“趋势”方式。使用流动安装的电能质量监测装置，监测记录一段时 间( 1 个星期或1 个月) 内的电能质量变化，应用后台分析软件，对监测时间段电 能质量变化进行分析统计，给出这段时间内电能质量变化规律与趋势： ( 3 ) 系统监测方式。在若干系统选定点安装在线监测装置，通过通信网与电能 质量分析主站通信，实时监测系统电能质量状态，对系统内电能质量变化进行分析 统计，给出电能质量变化的历史趋势。 应用现代网络通信技术将电能质量在线监测装置有机联合起来，构成分布式电 能质量监测系统，是目前电力系统进行电能质量监测的主要手段，其优点在于，不 受空间地域限值，可实现多点实时监测、集中管理，在很大程度上提高了管理人员 的工作效率。但当前的在线监测装置较多的还是对传统的电能质量问题的监测，如 频率偏差、电压偏差、谐波、三相不平衡度和闪变等，对于暂态电能质量问题则较 少涉及，一方面是由于重视程度不够，另一方面也是由于暂态指标监测对数据处理 的要求较高，往往需研制专门的仪器进行监测。 现代电力系统采用的是分层管理，电能质量管理也不例外。随着电网规模的扩 大和对电能质量问题的日益重视，虽然电能质量监测装置本身各项功能越来越完 善，电力部门仍希望从更高层次上对电能质量进行监测，当前普遍采用的厂站监测 3 华北电力人学工程硕士学位论文 模式已日渐不能满足电能质量管理的要求，事实上。国内多个省级电力公司已经提 出，组建省网一级的电能质量监测系统。文献 1 2 1 提出了网络型电能质量监测系统 的概念，并对其进行了详细的介绍，图l 一1 是网络型电能质量监测系统结构示意 图，系统由现场监测装置、地区电网电能质量数据管理系统、电能质量监控中心数 据管理系统和电力广域网或因特网四部分构成。虚线框内即为一个分布式电能质量 监测系统，网络型电能质量监测系统由此升级扩展而来。 面云矽备i 形 测点l 2 痢 目 nn 点i点2 图1 1 网络型电能质量监测系统结构示意围 i 司 n 构建网络型电能质量监测系统最终目的是建立覆盖区域 电网( 省级及以一r ) 的实时电能质量监测系统和相关数据管理系统，利用i n t e m e t 技术实现全局网络化 管理，对海量数据进行合理控制，真正做到数据大容量存储、数据高速传输与数据 库管理，实时更新和共享数据，进而实现对电网全面的电能质量监测，以满足整个 电力系统运行管理和决策的需要。 由此可见，电能质量监测系统的发展趋势必然是系统更加智能化，除具有计算， 显示功能外，还具备一定的判断、综合评估、分析决策等功能，如进行事件预测、 故障辨识、干扰源识别和实时控制，同时加强与电力m i s ( 管理信息系统) 、s c a d a ( 数据采集系统) 的集成。如今电子、网络、控制和人工智能技术的飞速发展使这 种需求的实现成为可能。电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化 和智能化的方向发展。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 4 本论文所作的主要工作 如前所述，电能质量的监测和分析是对电力系统进行治理而改善其电能质量的 前提条件，完善电能质量监测水平，扩大监测范围，提高故障分析能力是很有意义 的工作。本文考虑当前我国电能质量监测系统现状主要是传统的c ，s 模式，根据我 国电能质量监测的现状和发展前景，提出了一种新型的基于电力广域网的b ，s 三层 体系结构管理模式，主要完成的工作如下： 1 、对目前静海地区电网谐波源及污染状况进行分析研究，确定谐波监控的重 点部位及范围，建设在线监测与分析系统，为针对性开展治理工作做指导。 2 、总结了现有电能质量国家标准指标的主要类型和特征，电能质量问题的分 析方法，并且重点分析对比了傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、小波变换方 法等三种基于数学变换的分析方法。 3 、电能质量监测系统的软、硬件设计，根据确定的监控量及系统将要实现的 目标进行系统的软、硬件设计。 4 、对分层分布式的电能质量监测系统进行了深入研究，作出网络总体设计方 案，介绍各层系统结构和功能。另外，根据当前我国电能质量监测系统现状主要是 传统的c s 模式，提出了一种新型的基于w e b 技术的三层体系结构管理模式，并 对其中的数据库设计和w e b 发布的实现进行了详细介绍。该监测软件系统能以低 成本的方式实现电能质量信息收集、管理和有效发布，对电力的稳定可靠运行具有 巨大的使用价值。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 电能质量的含义 第二章电能质量监测 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦波形，按规定的电压水平( 标 称电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相 等，相位互差1 2 0 。的对称状态。由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等等) 参数 并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及 运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，而由 此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量 ( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 _ 般认为，电能质量是衡量电力系统对用电客户供应的电力是否符合标准，主 要以频率质量指标和电压质量指标来衡量。频率质量指标为频率允许偏差；电压质 量指标包括幅值质量和波形质量。其中幅值质量包括供电电压允许偏差、电压波动 和闪变、三相电压允许不平衡度、暂态过电压和瞬态过电压；波形质量为公用电网 谐波。根据i e e e 第2 2 标准统筹委员会( 电能质量) 和其它国际委员会推荐并结合 国家电能质量标准的定义，描述电能质量相关标准术语的含义和要求包括： 1 、频率。频率是整个电网统一的运行参数。国家标准电力系统频率允许偏 差g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 规定以5 0h z 正弦波为我国电力系统标准频率( 工频) 。电力 系统正常的频率标准为5 0 h z o 2 h z ，当系统容量较小时，可放宽到5 0 h z 0 5 h z 。 但电力系统频率允许偏差的国家标准中并没有说明系统容量大小的界限，全 国供用电规则中规定了供电局供电频率的允许偏差：电网容量在3 0 0 万千瓦及以 上者为o 2 h z ；电网容量在3 0 0 万千瓦以下者为o 5 h z 。实际运行中，我国各跨省电 力系统频率都保持在一o 1h z + 0 1 h z 的范围内。因此，电压频率目前在电能质量 中最有保障。 2 、电压偏差。电力系统电压偏差是指系统各处的电压偏离其额定值的百分比。 目前我国执行的标准是供电电压允许偏差g b1 2 3 2 5 2 0 0 3 。在正常运行条件下， 应保持电网的各点电压在额定的水平上，其中3 5 k v 及以上供电和对电压质量有特 殊要求的用户为额定电压的5 + 5 ；1 0 k v 及以下高压供电和低压电力用户为额 定电压的7 + 7 ：低压照明为额定电压的5 + l o 。但电网各点的电压调节 不同于频率的调节可由电网统一进行，因为电网各点电压主要反映了该点无功功率 的供需关系，因此电压调节一般采取就地平衡为原则进行无功功率补偿，并及时调 整无功功率补偿量，从源上解决问题；或采取调整同步发电机励磁电流的方法，产 6 华北电力大学工程硕士学位论文 生超前或滞后的无功功率，从而达到改善网络负荷的功率因数和调整电压偏差的目 的；或采取有载调压变压器的方式，因为从总体上考虑无功负荷只宜补偿到功率因 数为0 9 0 o 9 5 ，仍然有一部分变化无功负荷要电网供给而产生电压偏差，这就需 要分区采取一些有效的措施，而有载调压变压器就是有效而经济的办法之一。 3 、三相电压不平衡度。三相电压允许不平衡度是指三相电力系统中三相电压 的不平衡程度，用电压或电流负序分量与正序分量的均方根百分比表示。三相电压 不平衡( 即存在负序分量) 会引起继电保护误动、电机附加振动力矩和发热。额定 转矩的电动机，如长期在负序电压含量4 的状态下运行，由于发热，电动机绝缘 的寿命会降低一半，若某相电压高于额定电压，其运行寿命的下降将更加严重。我 国目前执行的标准是三相电压允许不平衡度g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ，其中规定电力系 统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 ，其短时允许值的 概念是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。对接 入公共连接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 。 4 、电压波动与闪变。电压波动与闪变是指电压幅值在一定范围内有规律的或 随机变化。电压波动是指电压快速变动时其电压最大值与最小值之差相对于额定电 压的百分比。电压闪变是在电力系统公共连接点由波动负荷引起的短时间闪变值和 长时间闪变值所应满足的限值。对用户负荷引起的闪变限值是根据用户负荷的大 小、协议用电容量占供电容量的比例及系统电压，分三级作出不同的规范限制，规 定电力系统公共供电点由冲击负荷产生的电压波动允许值的百分数l o k v 及以下为 2 5 ；3 5 1 1 0 k v 为2 o ；2 2 0 k v 及以上为1 6 。在输电和配电系统中电压波动与| 、人j 变 主要是由电弧炉负荷引起，电压的快速波动会使电动机转速不均匀，引起照明灯具 闪烁等。我国目前执行的电压波动与闪变g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 标准是在1 9 9 0 年国标 的基础上参考了国际电工委员会i e c 电磁兼容i e c 6 1 0 0 3 7 等文件和标准修订后重 新颁布实施的，标准特别规定了各级电压下的闪变限制值，新的标准适用于由波动 负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能造成人对灯闪明显感觉的场合。 5 、谐波。谐波是指电力系统各公共连接点的电压谐波含有率允许值。国际电 工委员会文件i e c 6 1 0 0 0 3 6 中、高压电力系统畸变负荷发射限值的评估提出了 决定畸变负荷接入电网时所作评估的一些基本原则和评估程序。其目的是将供电网 的谐波电压限制到对所有用电设备不致造成有害影响的水平( 兼容水平) ，保证对 接入电网的用户都有合适的供电质量。提出了电网谐波的兼容水平、规划水平和发 射水平三个方面的标准。我国目前执行的电压谐波标准是公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ，标准中对电网o 3 8 k v 、6 k v 、1 0 k v 、3 5k v 、6 6k v 及1 1 0k v 电压等 级公共连接点的电压谐波含有率允许值作了明确的规定。 6 、暂时过电压和瞬态过电压。电力系统暂时过电压和瞬态过电压是由于运行 操作、雷击或故障等因素引起，这种过电压是经常发生的，也是供电特性之一。暂 7 华北电力大学工程硕士学位论文 时过电压和瞬态过电压直接危及电力设备的安全运行。因此，电网的过电压水平是 电能质量的一项重要指标。新的国家标准电力系统暂时过电压和瞬态过电压g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 对电力系统过电压的基本概念、标准内容、条文说明及一些建议都作了 详细的规定和论述。 7 、电压骤降。电压骤降是由于系统故障或干扰造成用户持续时间0 5 周波至 1 m i n 内下降到额定电压或电流的1 0 9 0 。即：幅值为o 1 p u 至o 9 p u ( 标幺值) 时系统频率仍为标称值，然后又恢复到正常水平。国际上普遍认为，电压幅值低于 0 1 p u ( 标幺值) 或大于0 5 个周波的供电中断对敏感用户和严格用户而言都属于 断电故障。电压骤降可能造成某些用户的生产停顿或次品率增加，而供电恢复时间 取决于自动重合闸或自动功能转换装置的动作时间，因此传统的机械式断路器已不 能满足对敏感和严格用电负荷的需求，目前主要采取案是利用高速固态切换开关 s s t s 、动态电压恢复器d v r 或利用不问断电源u p s 作后备电源并配合固态电子开 关等措施。 8 、电压骤升。电压或电流有效值升至额定值的1 l o 以上，典型值为额定值的 1 1 0 1 8 0 称为电压骤升。即：暂时性超过标称值l o 以上，系统频率仍为标称值， 持续时间为o 5 周波至1 m i n ，幅值为1 1 p u 至1 8 p u ( 标幺值) 。 9 、电压中断。电压中断是由于系统发生故障，造成用户在一定时间内一相或 多相失去电压，低于0 1 p u 称为断电。断电按持续时间分为三类：其一，o 5 周波 至3 s 称为瞬态断电；其二，3 s 至6 0 s 称为暂时断电；其三，大于6 0 s 称为持续断电。 持续时间大于3 m i n ，电压中断将致使用户生产停顿，造成企业重大的经济损失或产 生十分不良的后果。 1 0 、过电压。过电压是指电压幅值超过标称电压，持续时间大于l m i n 。过电压 的幅值为1 1 p u 至1 2 p u 。 11 、欠电压。欠电压是指电压幅值小于标称电压，持续时间大于1 m i n 。过电压 的幅值为o 8 p u 至0 9 p u 。 1 2 、电压瞬变。指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压瞬变可以是 任意极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 1 3 、间谐波( 含间谐波电压、电流) 。不是工频频率整数倍的谐波称为间谐波。 间谐波由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所引起。包括所有非线性的波动负荷 如电弧炉、电焊机；各种变频调速装置；同步串级调速装置及感应电动机等均为间 谐波源，电力载波信号也认为是一种间谐波。间谐波源的特点是放大电压闪变和对 音频干扰，影响电视机画面及增大收音机的噪声，造成感应电动机振动及异常，对 于采用电容、电感和电阻构成的无源滤波器电路，间谐波可能会被放大，严重时会 使滤波器因谐波过载而不能投运，甚至造成损坏。间谐波的影响和危害等同整数次 谐波电压的影响和危害已成共识，i e c6 1 0 0 0 3 6 对间谐波的发射水平作出了明确的 r 华北电力大学工程硕士学位论文 说明，而我国目前还没有制定相应的国家标准给出限制规定。 1 4 、直流分量。电力系统中的直流分量是由于非全相整流负荷等原因引起的， 直流分量会使电力变压器发生偏磁，从而引发一系列的干扰。 除此以外，国际电力电子工程师协会i e e e 第2 2 委员会和其他相关的一些国际 委员会最近还推荐采用的相关专用术语有，电压尖峰脉冲、瞬时脉冲等。同时i e e e 将电磁系统中典型的暂态现象进行了特征分类，主要列出了暂态和瞬态扰动现象， 根据扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等将其分为瞬时、短时和长期的电压变 动三大类，在此基础上又进一步细分出1 8 个子类。其中，短时电压变动，尤其是 电压中断和跌落已成为国际上所关注的问题。这些问题对于具有较强惯性距的传统 电机设备也许没有明显的影响，但对敏感和严格的高新技术、集成电路芯片制造和 微电子类等用电设备的电力用户将可能造成极大的危害，成为现代电能质量的重要 问题，电能质量问题的内涵发生了较大改变。其一，通常的电能质量问题如谐波， 三相不对称等继续存在，而且严重性正在增加。其二，近年来随着供电可靠性的不 断提高人们逐步将对传统的供电中断，电压长时间偏高或偏低等老的供电质量问题 的注意力，转向新的动态电能质量问题，如，持续时间为毫秒级的动态电压升高、 脉冲、电压跌落和瞬时供电中断等。常见的几种动态电能质量问题的波形示意图和 电能质量问题的波形见图2 1 。 一正历屯， 1 一“ 一电j j 1 _ 讯nnf f 1 i ，、ar飞，、 | r 、 率断 f 、 u uuk川v lu弋 v v 皑下! u电压脉冲 ( a ) 几种常见动态电能质量问题的波形示意图 9 华北电力大学j 二程硕士学位论文 铮时断电 电压瞬变 闶变 电压骤降 电压骡升 谐波 ( b ) 常见的几种电能质量问题波形 图21 儿种常见动态电能质量问题的波形示意图和波形 22 电能质量的国家标准 我国根据电网电能质量的概念主要引用同际电气电子工程师协会i e e e 对电能 质量的概念制定了圈家标准。国家质量技术监督局已经颁布的涉放电能质量六个方 面的标准为： l 、电能质量公用电网谐波g b t 14 5 4 9 一1 9 9 3 2 、电能质量电力系统频率允许偏差g b t 15 9 4 5 1 9 9 5 3 、电能质量电压允许波动与闪变g b 1 2 3 2 6 2 0 0 0 4 、电能质量三相电压允许不平衡度g b 门1 5 5 4 3 1 9 9 5 j 、电能质量供电电压允许偏差g b l2 3 2 j 2 0 0 3 6 、电能质量暂时过电压和瞬态过电压g b t1 8 4 8 卜2 0 0 1 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 1 六项电能质量国家标准摘要 标准编号 指标 信息描述指标要求说明 电力系统正 常频率偏差垒o 2 h z 允许值为 g b t频率 系统容量较 1 5 9 4 5 1 9 9 5偏差小时偏差值 垒0 5 h z 用户冲击负 荷引起系统垒0 2 h z 频率变动 3 5 k v 及以上 供电电压 i u i s lo u 。 正、负偏差 g b t 电压 1 0 k v 及以下 衡量点为供电产权分界处 三相供电电 u s 士7 u 。 l2 3 2 5 9 0 偏差或电能计量点 压允许偏差 2 2 0 v 单相供 电电压允许- 10 u 。 2 5 2 ( i ) 1 3 暂时过电压 渤 2 5 2 ( i i ) 1 4 ( 工频过电 暂时 压和谐振过 1 l o 及2 2 01 3 过电 电压) 1 u m 指工频峰值电压 3 5 6 6压 g b t压和 2 己砌 2 5 2 ( i ) 和 1 8 4 8 1 2 0 0 l瞬态 2 5 2 ( i i ) 分别指线 过电 3 1 0 1 1 压 路断路器两侧变电所 压 的线路 过电压限 瞬态过电压 电压等级( k v ) 值( p u ) ( 操作过电 5 0 02 0 压和雷电过 电压) 3 3 02 2 1 1 0 2 5 23 0 需要指出的是，我国的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，但目前仍没有作出必要的规定，缺少相应的检测推荐方法和测 量精度等的规定，有些指标的科学性和可操作性差等，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有大量的工作需要开展。 2 3 电能质量问题的分析方法 近年来，基于数字技术的各种分析方法已在电能质量领域中得到广泛的应用， 主要的分析方法可分为时域、频域和基于数学变换的分析方法三种。 2 3 1 时域仿真方法 时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要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。目前通用的时域仿真程序主 要有e m t p 、b p a 、n e t o m a c 等系统暂态仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、m a t l a b 等电力 电子仿真程序。由于电力系统主要由r ，l ，c 等元件组成，这些程序在求解用微分方 程描述的电力元件方程时，通常采用简单易行的变阶、变步长、隐式梯形积分法。 采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，因此必 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模仿开关的开合过程时，还会引起 数值振荡。因此，要采用相应技术以抑制发生数值振荡。 利用暂态仿真程序可在如下电能质量领域开展研究： ( 1 ) 计算系统中出现的过电压，分析其对各种保护设备的影响： ( 2 ) 分析电容器投切造成的暂态现象； ( 3 ) 分析可控换流器换流造成的电压波形下陷； ( 4 ) 分析电弧炉造成的电压闪变； ( 5 ) 分析不正常接地引起的电能质量问题； ( 6 ) 开发改善电能质量的新型电力电子控制器。 由于配电系统中电能质量问题日益严重，而广大电力用户对电能质量的要求不 断提高，研究和应用各种改善电能质量的电力电子控制器己成为当务之急。利用暂 态仿真程序对这些控制器及其控制策略进行仿真分析，将成为这些时域仿真程序在 电能质量应用中最有发展前途的方法。此外，由于e m t p 等系统暂态仿真程序在不 断发展中，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电能质量 波形分析。 2 3 2 频域分析方法 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频谱分布、谐波潮流 计算等。在谐波分析中，线性网络可用式( 2 1 ) 表示。 ，。= 圪u 。 m 2 1 ，2 ，h( 2 1 ) 式中y m 为节点导纳矩阵；i m 为注入电流源矢量；u m 为节点电压矢量；m 为谐波次 数，其中，对应每个谐波频率的y m 都要单独生成。通过向所需研究的节点注入幅 值为1 的电流，其余节点的注入电流置为零，求解式( 2 1 ) 所得的电压即为该节点 的谐波输入阻抗和相应各节点间的转移阻抗。当注入电流的频率在一定范围内变动 时，可得相应谐波阻抗一频率的分布图，从图中曲线的谷值和峰值可确定该节点发 生串并联谐振的频率。 对应每个谐波频率，从各非线性负载电流中取出相应的分量组成注入电流矢 量，代入式( 2 1 ) 即可求出各节点电压的相应频率分量。将这些分量合成，又可得 各节点电压的时域波形。这种方法简单，适用于大多数情况，因此在实际谐波潮流 计算中使用较多。 考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种更精确的方法一混合谐 华北电力大学工程硕士学位论文 波潮流计算方法，即在常规的谐波潮流计算基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对 非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波动态电流矢量，从而得到动态谐波潮流 解。优点是可精确描述其动态特性，缺点是计算量大，求解过程复杂。 2 3 3 基于变换的方法 基于数学变换的分析方法：主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法以及 近年来出现的小波变换方法等。 2 3 3 1 傅立叶变换方法( f o u rie rt r a n s f o r m ) 根据傅立叶级数定义，任何周期函数在满足狄利克雷条件的前提下，均可展成 以正交的正弦函数为基的线性组合方式。设周期信号为f ( t ) ，其周期为t ，角频 率为( 1 ) = 2 f = 2 t ，则其傅立叶级数展开为： 们) = + ( 口疗c o s 挖w f + 吃s i n 坨w f ) ，l = l = + 4s i n ( 尼w f + ) ，l = l 其中：= 专e “( f ) 坊 为直流分量； ( 2 2 ) = 专r “( f ) c 。s 聆w f 衍为砣欠余弦分量钆= ；r “厂( ，) s i n 疗w 砌 为刀次正弦分量 a n = 厢 为第即次