现代配电网电能质量的监测、分析及改善

Ｆｄｔｅｒ）工作原理是利用可控
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
的功率半导体器件向电网注入与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。
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与 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，使其尽可能与信 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
中国电力教育
２００８年研究综述与技术论坛专刊
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
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，与标称电压比较，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
有源滤波器。用无源滤波器来消除５次、７次、１次、１３次等 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，其大小和方向与相位有关，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。
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
１４５４Байду номын сангаас—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％。
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
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。
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Ｐｏｗｅｒ
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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
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 实际值与额定值之差，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
（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，十分方便与计算机连接 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
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下与原来的函数ｘ（ｔ）作内积，其表达式如下：
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
（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。