关于加强电能质量管理的几个问题 林海雪

关于加强电能质量管理的几个问题林海雪
关于加强电能质量管理的几个问题林海雪
中国电力科学研究院，北京 100085
改革开放以来，我国电力工业得到了快速的发展，目前已基本上摆脱了“供不应求”的局面。

然而随着电网负荷结构的变化和大批新兴产业的崛起，电能质量的矛盾渐显突出，在许多情况下，制约了电力工业的发展，而电能质量管理方面的落后状况，必须引起电力企业和相关部门的高度重视。

本文结合国内外现状和动向，就加强电能质量管理的几个问题谈些看法，以供参考。

1 提高对电能质量重要性的认识
1.1 电能质量关系到国民经济的总体效益
现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高。

电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电、输变电和用电带来不同程度的危害。

据统计，电网用电负荷中异步电动机占的比例最大。

电网电压和频率的偏差、谐波、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等，均会直接影响电机的转速、力矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。

电网谐波含量增加，导致了电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，并联电容器不能正常运行，同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表指示和电能计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题[1]。

随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及，对电能质量提出了越来越高的要求。

过去电力企业不甚关注的电能质量某些指标，例如电网中电压暂降（dip sag）和短时断电已成为一个突出的问题。

一个计算中心失去电压2 s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。

当今半导体芯片制造厂、自动化精加工生产线，对配电系统中电能质量的异常十分敏感，甚至几分之一秒的电压暂降就可能使生产停顿、设备损坏或出次品，在工厂内部造成混乱，而每次电压暂降可能造成百万美元级的损失，这些用户对不合格电能的容许度可以严格到20～40个ms[2]。

据美国电力科学研究院Jane Clemmensen估计，当今和电能质量相关的问题，在美国每年造成的损失高达260亿美元[3]。

美国电能质量方面一位知名专家下面一段话可以概括本节内容：“电能质量意味着经济问题，这一点特别重要，……电能质量问题会造成用户生产力下降，竞争力减弱，还影响到员工的就业，他们会影响到整个经济社会。

”[4]
1.2 改善电能质量是电力可持续发展的必要条件
现今，可持续发展的理念在水资源利用、退耕还林和环境保护等问题上已广为人知，在电力工业发展中也同样存在这个问题。

传统意义上，电力发展是以电能供求平衡为出发点，然而现代电网中负荷结构已发生了质的变化，电力电子技术的广泛使用、家用电器的普及以及诸如工业电弧炉、电气化铁道的发展，使主要负荷日趋非线性化与时变化，大量干扰源给电网的电能质量带来严重的“污染”，这和1.1节所述的情况形成了一对尖锐的矛盾。

电网中因电能质量问题引发的诸多问题，包括造成电网大面积停电事故，在国内外屡见不鲜（限于篇幅，实例从略），这说明，仅从“供求平衡”来考虑电网的发展是不够的。

电能质量问题已提升为电力可持续发展的一个必要条件。

目前，电能质量作为供电可靠性的一个重要组成部分（或者反之，将可靠性纳入供电电能质量范畴中），已受到广泛关注。

电力可靠性传统上限于研究供电电压完全丧失的概率和平均故障时间的问题，目前则延伸到研究保证电能质量，使电力系统和用户的生产过程可以连续，不致受到干扰等问题[5]。

在欧洲，欧盟委员会（European Commission）建议电力市场委员会（The Council on the E lectricity Market）发布导则，要求电力系统运行部门应该就电能质量及其服务方面作出年度报告并公开出版。

电力市场委员会还应建立适当准则来评价报告的内容，以保证电能质量达标[6]。

1.3 电力市场机制必将推动电能质量提高
从20世纪90年代以来，世界上许多国家都在对传统的电力管理体制进行改革，其目标是打破垄断，建立开放的电力市场，通过引进竞争机制，提高电力生产各个环节的效率，降低运营成本，最终加快电力的发展，使广大用户受益。

我国从2003年开始，已正式将国家电力公司改组为11家独立的企业实体，向开放式的电力市场迈出了重要的一步。

在开放的电力市场中，电网可以选择高质量、低价格的电厂上网，用户可以从电价、质量和可靠性等方面选择适合自身需要的供电公司购电。

在这种环境下，最大限度地满足用户需求是提高电力企业竞争力的必要条件。

只有不断增强服务意识，提高电能质量管理水平，才能使电力企业树立良好的社会形象，从而使企业更多地从不断扩大的市场中获利。

2 建立健全电能质量监督管理体系
1998年，电力工业部颁发了《电网电能质量技术监督管理规定》[电综（1998）211号文]，该文规定了国家电力公司负责全国电网电能质量技术监督归口管理，具体业务上由二大部门分级管理：
（1）电能质量指标运行监督部门，即以各级电力调度部门为主，对电网频率和各厂、站母线电压（偏差）进行日常监督和调整，这种监督从涉及的电能质量指标和范围来说均有限，不能全面反映广大用户供电质量的状况。

（2）电能质量检验测试中心（站），即以各级电力试验研究院（所）为主建立的，对电网的主要监测点（包括一些干扰源用户）的谐波、电压波动、闪变以及三相不平衡指标进行定期（间隔约1～2年）或不定期（根据需要）进行监测和分析。

这种监测限于时间、人力和仪器，实际上也不能充分反映用户电能质量的状况。

2001年，国家电力公司下发的《关于进一步提高用户电压质量管理的指导意见》中规定，供电部门应对配变台区的电压质量进行2 4 h轮测。

如按此规定，广大低压用户的电压（偏差）质量会得到基本监督，可惜目前多数电力企业由于缺乏质量服务意识，或限于资金、技术等原因，此规定实施中被大打折扣，一般仅按每百台配变装设2个电压监测点进行供电电压合格率的统计[7]。

针对上述问题，必须完善电能质量监督管理体系：
（1）国家电力公司解体后，应明确一个全国电能质量归口管理部门，此部门宜由国家质量监督检验检疫总局授权，其主要职责为组织制定与电能质量市场运作相关的法规、标准、导则和规定等文件，并负责监督实施。

这个问题将在第3节中进一步论述。

（2）以各级电力调度部门为中心，逐步加强对电能质量指标的全面运行监测。

这里“全面”的含义，包括电能质量指标的全面性、时间上连续性和监测上普及性，使本系统的电能质量受到全面、实时监测，其相关的统计数据最终能真实反映用户电能质量状况。

（3）各级电能质量检验测试中心（站）的工作应围绕解决具体电能质量中存在的问题展开，包括：①电能质量不定期的监测；②电能质量问题的技术咨询和服务；③电能质量纠纷的仲裁；④测量仪器、仪表的管理；⑤改善电能质量技术措施的开发和应用等。

（4）有必要建立全国电能质量检测中心。

这个机构在前述电综[1998]211号文件已明确。

早于1996年，电力部人劳[1996]211号文件给当时的电力科学研究院下达组织“电力工业部电能质量检验测试中心”任务，由于资金、人员、费用以及改制等原因，此中心至今没有建起来。

目前中国电科院仅完成了部分测量仪器的建标并开展了相应的量值传递工作。

由于电能质量是一个专业性很强的工作，目前在国际上也是一个热门的电工领域，虽然电力部门均已企业化（包括中国电科院），但电能质量检测中心（站）仍宜由各级电力企业组建，但需要由国家质量监督检验检疫总局及其下属部门授权和认证，并在其监督下公正地为供、用电双方服务。

3 完善电能质量标准体系
为了适应电力市场发展，我国于1995年通过了《电力法》，并于1996年4月1日起实施。

《电力法》规定：“供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准”（第二十八条），“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”（第三十二条），“上网电价实行同网同质同价”（第三十七条）。

这些规定为电能质量市场运作提供了基本准则，但远远不够。

在开放的电力市场中，发电、输电、配电和用户之间均应遵守电力调度规则及其他有关的法规、技术标准与导则（以下统称为“标准”），并将其在相应的电
力采购或供应协议中加以引用，双方严格遵守。

实际上，市场化运作就是以"标准"为中心展开的，行政管理部门的责职主要就是制定“标准”，监督“标准”的实施。

历年来我国虽然制定了一些电能质量的标准，但离市场运作还有很大差距，表现在：（1）用于电网中电能质量的国家标准不完善，如有的标准科学性、可操作性差，存在问题较多未能及时修订[8]；标准涉及的指标不全面，有的指标对一些用户很重要（例如电压暂降），目前还未作有关规定。

（2）缺乏与国家标准相配套的行业标准或规程、导则，使国标执行中有相当的随意性和分散性。

（3）在电力规划、设计和运行规范或导则中，对电能质量问题关注不够。

例如，调度规程中，没有规定预防谐波和电压波动闪变在某些方式下可能带来的危害；在电力规划设计规范中还只从可靠性要求（即断电频次、时间）出发将负荷分为一、二、三级；从电能质量要求角度，目前国际上已将负荷按普通负荷（common load）、敏感负荷（sensitive load）和要求严格的负荷（critical load）分三类，这两者在网络设计上有时是有矛盾的（例如，环网可以提高供电可靠性，然而增加了电压暂降的频次和深度，对敏感负荷不利，反而降低其可靠性）。

（4）电气产品的电能质量标准差距相当大，对于大量干扰源的电气产品，应制定产生干扰的限制标准。

例如，国标GB 17625.1-19 98《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16 A）》为等效采用IEC 61000-3-2，使用范围有限。

大量的设备在标准上还是空白，例如电力变压器谐波发生量就是一例；对于电气产品耐受干扰的能力，也应根据IEC电磁兼容标准制定相应的标准。

（5）按《电力法》规定的关于电能质量的一些行政规定未能配套发布。

例如《电力法》第三十七条关于上网电价实行同网同质同价的具体办法和实施步骤，至今尚未发布，而此条款实际上是对长期以来“以量计价”的否定。

实行同质同价，就意味着“优质优价”、“劣质低价”，并将导致“污染罚款”，这是促使电能质量提高的经济杠杆，具有十分重要意义。

此外，由原电力工业部颁发的《电网电能质量技术监督管理规定》，也应与时俱进，作相应修改。

4 关于电能质量的测量和治理
在第2节中已提出，运行监督部门应对电能质量指标做到全面运行监测，这个工作做起来有一定难度，但必须朝此方向积极努力。

由监测人员携带仪器到现场1～2年搞一次普测的做法必须逐步淘汰。

目前所用的检测仪器已不少，但大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间太长，仅测有效值已不能精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[2]：①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，因此采用多种判据来启动量测装置，如幅值、波形畸变、幅值上升率等。

②需要测量各次谐波以及间谐波的幅值、相位；
需要有足够高的采样速率，以便能测得相当高次谐波的信息。

③建立有效的分析和自动辩识系统，使之能反映各种电能质量指标的特性及其随时间的变化规律。

④充分利用网络资源的SCADA系统是实现电能质量全面运行监测解决办法，目前国内已有多个单位进行试点，取得可喜成果[9～11]。

针对电能质量测试工作管理问题，目前国内尚缺乏统一遵循的规范或制度，例如：测试仪器产品的认证，使用中的测试仪器检验，各级电能质量检测中心（站）仪器的配置等问题，已导致许多单位仪器选购上盲目和配置上混乱[12]，造成极大的浪费。

改善电能质量措施涉及面很广。

为减小频率和电压偏差，应实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制以及许多新型的调频、调压装置的开发和应用。

近几年在全国范围内进行的城乡电网改造工程，也是提高电能质量的重要措施。

在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前已有几种装置可供选择，例如技术已相当成熟的无源滤波器、静止无功补偿装置（SVC）等。

随着高性能的电力电子元器件（例如GTO、IGBT、LTT等）的出现，以及微处理和微电子技术、信息技术和控制技术的发展，灵活交流输电系统（F ACTS）正在开发，并逐步进入工程应用。

目前主要的FACTS装置有：静止无功补偿器（STATCOM）、晶闸管控制的串联投切电容器（TSS C）、可控串联补偿电容器（TCSC）等。

作为FACTS技术在配电系统应用的延伸--用户特定电力技术（custom power技术）已成为改善电能质量的有力工具。

目前主要的custom power装置有：有源电力滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电用静止无功补偿器（D -STATCOM）、固态切换开关（SSTS）等，目前国内外均在竞相开发和应用，除了存在一些技术原因外，价格较高是一个主要的制约因素。

在电能质量治理上，国内冶金企业做得较好，并取得良好的经济效益和社会效益[13]。

例如，某厂高速线材厂投入中、低压TSF（晶闸管投切滤波器）进行无功补偿和滤波后，使功率因数由0.75提升到0.95，使各次谐波抑制在国标限值内，有功功率由15 804 kW降到13 644 kW，吨钢耗由167 kWh降低到145 kWh，年节电5 800万 kWh，年节电费314万元，一年即可收回投资。

文献[14]对广东省内已投入运行3年来的几十套无源滤波兼无功补偿装置的实测数据进行统计分析，得出如下的技术经济效益：①使谐波电流严重超标（2～5倍）的用户治理合格，供电质量得到明显改善；②提高了电气设备的利用率，增容14%～41%；③提高用户的功率因数，从0.6左右升至0.9以上，避免了功率因数罚款；④减少电网及变压器有功和无功功率损耗1/3～2/3，使用户本身有功耗量减少4%左右；⑤用户总用电电流减小20%～42.7%，少受电网无功功率25%～92.5%；⑥使用户产品合格率提高0.5%～1%；⑦杜绝因谐波放大使电容器损坏的事故。

据该文测算，用户一般可以在2～8个月内收回装置的投资。

在电能质量治理上必须遵循《电力法》规定，“谁污染、谁治理”的原则。

目前在管理上应加大宣传力度，提高对电能质量重要性认识，在普及电能质量知识基础上对相关专业人员进行技术培训，使其对标准的使用和治理措施选择上不出错。

在这方面，中国电力企业联合会可以发挥作用，组织编制一些标准实施导则或治理措施选择指南，供电力企业专业人员使用。

5 结论
电能质量关系到国民经济的总体效益，也关系到电力工业可持续发展，在电力市场体制下，电力企业必须加强电能质量管理，以提高企业的竞争力。

为此，应建立、健全电能质量监督管理体系，完善电能质量标准体系，加强对测量仪器的管理，开发和研制满足电能质量监测要求的新型监测仪和SCADA系统，积极开发推广改善电能质量的技术措施，以取得良好的社会经济效益。

6 参考文献
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[2] 韩英铎. 信息电力与FACTS及DFACTS技术. 电力系统自动化，2000，24（19）：1～7.
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[7] 张龙.建立电力市场过程中如何深入开展电能质量的综合管理. 电能质量国际研讨会，北京，2002.
[8] 林海雪.从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准. 电网技术，1999，23（5）：64～67.
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[10] 段晓波. 数字式电能质量在线监测终端与监测系统. 电能质量国际研讨会，北京，2002.
[11] 赵晨.电能质量的SCADA系统及其应用. 电能质量国际研讨会, 北京，2002.
[12] 徐义.如何进行电能质量的综合管理. 电能质量国际研讨会，北京，2002.
[13] 沈龙大.冶金企业的无功补偿与谐波治理. 电能质量国际研讨会, 北京，2002.
[14] 龙绍清.广东省谐波治理的技术经济效益统计分析.广东电力，1996，9（3）：30～31.。