第三章传统电能质量分析与改善
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用户逐渐成为主导。用户通过买卖得到的电力所包含的任何质量 问题都不能不计算在内了。
认识的提高。对于电力系统中时常出现的各种电力干扰现象，通
过实时监测和理论分析与探讨，正在不断深入认识。供用双方的 相互影响与作用越来越紧密。关于电力供应可靠与否，人们正在 探索，试图重新给出定义和具体内容。
5、供电可用率（可靠率指标－RS-1）
KS
P K L KG f
控制系统 蒸汽 (水) 调速器
涡轮
发电机
第三章 传统电能质量分析与改善措施
（本章内容以自学阅读为主，这里给出几个要点问题）
一、电力系统运行特性 二、频率稳定与频率偏差 三、电压稳定与电压偏差 四、三相不平衡
1.电压稳定是电力系统运行中的经典问题
• 电压偏差的定义及计算方法（见P55，P87） • 电压偏差的危害（见P57－58） • 电压偏差是电力系统电压静态稳定的基本问题。究其原 因：系统无功功率不平衡（无功电源不足或过剩、分配 与分布不合理，如负荷与出力变化、运行方式和网络结 构变化等）是造成电压偏移标称值的根本原因。 • 我们有必要重温无功功率与电压的平衡关系式。
供电质量的具体内容：
电网频率合格率不低于99.9% 供电电压合格率97.8% 城市供电可靠率99.892% 城市居民客户端电压合格率不低于95.5% 农村供电可靠率99% 农村居民客户端电压合格率不低于90% 统计评价遵循《供电系统用户供电可靠性统计评价规程》中RS1指标， 承诺2002年优质服务年供电可靠率目标为99.98%
3、频率质量指标
为了表征电力系统频率，在正常运行工况下使用以下指标：
频率偏差：Δf ，用于缓慢频率变化的评价：
f f f r
其中 fr 是标称频率(50Hz或60Hz)， f 是实际频率(Hz)
相对频率偏差：εf (%)：
f (%)
f fr 100 fr
3、频率质量指标
频率稳定：系统由于发电和 负荷显著不平衡或故障引起 严重不平衡后保持系统静态 频率的能力。
二、频率稳定与频率偏差 1、电力系统频率的基本概念
交流电系统运行过程中最重要的指标之一就是供电电 压频率，其定义为规定时间间隔内测量的基波电压波形 重复次数。
从物理意义讲，交流电的频率，是与发电机组的极对数、转速直接相对应的 电频率:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f
p n 60
发电机组转速取决于机组输入、输出能量的平衡程度，并且受到机械 惯性的制约；因此，电频率是一个惯性量（系统功率振荡的物理涵义 ）。
1、电力系统频率的基本概念
负荷功率的增减，发电出力的变动，一直是处在动态变化中，加之电 力设备的操作也时有发生，这就使系统中不同节点的频率出现不同程 度的波动，也称之为能量均衡的动态过程； 但由于电频率的惯性制约，从概率统计的意义上系统中各节点的频率
频率稳定性：系统由于发电和负荷显著功率不平衡导致严 重系统故障后保持静态频率的能力。在保持过程中，控制 装置作用的特性时间又会引起短期频率波动和长期频率波 动现象。
2、设定电力系统的额定运行频率的目的
设定电力系统的额定运行频率（假定此频率能保 证供需平衡）的目的：是考虑到设备制造业的生 产可能性；是使特殊生产者及用户的需求最优化。
6、电压稳定和频率稳定是保证电力系统 正常（稳定）运行的基本条件
电力系统稳定性
频率 电压 连续
功角稳定性
频率稳定性
电压稳定性
电压稳定：系统从一个给定 的初始状态承受扰动后保持 母线静态电压的能力。
小扰动角度稳定性 暂态稳定性
短期（1／n秒） 长期（n分钟）
系统故障无功电源 损失等大扰动 系统负荷少量变化 等小扰动 短期和长期现象
“9s” 可靠性指标
3个9 99.9% 4个9 99.99% 5个9 99.999% 6个9 99.9999% 9个9 99.9999999% 适应场合
生活居住
99.91% 8h
累计年停电时间
9h 59min 5min 32s 30ms
工厂 医院、机场 银行 联网市场
国家电网公司十五规划（www.cepee.com):
5. 关于电能质量与供电可靠性
供电可靠性是指，供电系统持续供电的能力．
以往在供电中断的程度与起因等方面与电能质量和用户实际受电情况是分开考 虑的．供电与否是以其电气的物理连接为标志的。 如今，专家们认为，电力供应可靠与否应当以电力系统和电力用户的生产过程 保持连续正常工作，不会因受到电力干扰而中止为准则．因此，供电可靠性应 包含着许多相关内容，需要提供包括电能质量这一重要组成部分在内的广泛意 义上的可靠性评价报告．见6. 还有一种说法，即供电可靠性是供电连续性的具体体现，是电能质量的重要组 成（三要素）部分之一．因此，可靠性指标应是电能质量指标体系中的有机组
日累计偏差，要求保证时钟与电网频率同步正常 运行：
I f f dt
0 24
3、频率质量指标
根据欧洲EN 50160/2006标准，电源电压额定频率是50Hz。 在正常运行条件下，基波频率在10s时间测量的平均值应 在以下范围内： 与互联电网同步连接的系统： (即49.5-50.5Hz)，一年中99.5%； (即47-52Hz)，一年中100%；
5. 关于电能质量与供电可靠性
可以讲，过去的电能质量与可靠性概念是十分相似的，常常 用供电质量一言以蔽之。这是因为传统负荷几乎都是线性的和惯 性时间长，如典型设备有照明、加热和电机等；非线性电力电子 装备数量几乎可以忽略不计。所以，它们对短时电压变动是没有 反映的。况且负荷之间多少是相互隔离的，自动过程几乎不存在。 传统电能质量指标在满足稳态电压偏差的条件下，供电水平如何， 通常使用供电可靠性来表征． 概括而言，传统负荷只在电压长时间偏离额定电压值或供电电 压长时间中断时才不能正常工作。
相等，并做同步变化。因此也说，（系统稳定运行前提下，）电网中
所有的节点共享同一频率，即所谓系统频率。
动态过程的极端情况下，临界失步，失步和再同步的过程中，系统各
节点的频率不再相等，但在仍能维持同步的系统局部区域内，频率是
相等的。又有了“局部系统频率”的说法。
动态变化的负荷容 量；紧急状态下采 取切负荷保持频率 稳定
与互联电网非同步连接的系统(例如某些岛屿的供电系统)： (即49-51Hz)， 一星期中95%； (即42.5-57.5Hz)，一星期中100%；
4、电力系统的频率特性
图1是正常运行条件下的频 率变化曲线( 500s内），其 中的显示值都在允许的标 准限值范围内。
考虑到瞬变状态时，要求 频率的大幅度变化能够迅 速减小，使它落在根据系 统安全状态设定的喇叭状 曲线中。图为故障后瞬变 时长900s，频率必须稳定 在f0 ± 20mHz范围内。
第三章 传统电能质量分析与改善措施
一、电力系统运行特性 二、频率稳定与频率偏差 三、电压稳定与电压偏差 四、三相不平衡
一、电力系统运行特性
1、电力系统的基本任务
电力系统的基本任务是按可接受的质量（Quality）标准、所需 数量（Quantity）的电力，连续（ uninterrupted）地向电力用 户提供电能。可靠性是这一能力的量度。因此，对电力系统 性能的要求通常用可靠性来表征。
单位煤耗，线损，功率因数
静态稳定 暂态稳定 动态稳定
节能增效，市场运行
设备性能调节 系统保护与控制
电能质量就是电力系统稳 态运行过程中各电气特性 参数的具体表现。当其满 足标准指标时，系统为 （优质）合格运行。
3、对电力系统运行三点基本要求的考核指标
保证可靠地连续供电---供电可靠性指标 ：
1) 定性分类：按对可靠性的要求将负荷分为三级； 2) 定量考核：开展可靠性概率统计计算考核。
我国新能源电力系统面临的重大问题
电源结构性矛盾突出，规模化波动性、间歇性 新能源发电并网要求火电机组深度调峰。
50.0Hz
50.2 49.8
发 电 常规 电源 发电出力可调节 原动机功率可控 电网
用 电 用电 负荷 用电负荷随机变化 负荷预测精度较高 分布式电源接入
风电
风电功率变化大，预测精度低
优质
4、当代电力系统应当关注的几个相关问题
设备敏感度不同。本微不足道的电压扰动或特性变化可能影响到 控制系统，导致掉闸或误动作。这些敏感设备相互连接在一起， 连接在一个大的电网络中，或一系列自动化过程中。这就意味着， 整个系统与最敏感设备有相同的敏感度了。
市场竞争环境。突出了优质电能的问题。电力成为产品和商品后，
2、电力系统正常运行中诸要素关系示意图
系统正常运行应满足的2个条件： 电力安全性 （稳定性）
任一节点的P、Q必须平衡； 各节点和各元件的基本电气 电力充裕性 参数不应超过允许偏差。
电能数量
电力系统可靠性
电力经济性
电能质量 系统正常运行
电力充裕性
电力经济性
电力安全性
系统规划 系统改造 运行方式
电力系统稳定性
1、电力系统频率的基本概念
能把频率控制和保持在允许限值之内，这就要求在系统操作层面
上有大量的功率储备，从而能自动保证在任一时刻，电能消耗和
电能产生之间的平衡，做到频率稳定在规定值。
系统运行人员对系统中每个区域的发电和能耗的有效控制，以及与相 邻区域运行人员的良好协作，共同保证了整个系统的频率稳定在设定 值。
频率在限定范围内变化； 频率是系统供需稳定与 否的晴雨表
增减机电力矩，控 制发电机的调速器， 保证系统总发电容 量
控制系统 蒸汽 (水) 调速器
Loads
Active power
涡轮
发电机
足够的调频功率储备与 有功/负荷控制手段
一个信息量充足、可靠，能提供给系统运行人员所需要的数据的信息网络，是 对系统频率进行实时控制的先决条件—智能电网的核心技术之一
城市供电可靠率指标
见P80表３－７和３－８， 一般城市或地区：99.96%------3.5h; 重要城市，中心地区：99.99%------53min
2002年北京供电可靠性指标完成情况，供电可靠率：99.97% 2004年仍然为99.97％，低于国际水平。而纽约、东京、香港 达到99.99％以上.根据国际一流城市的要求，大中城市应达到 99.99％。按照北京奥运规划，2008年达到99.99％，运动场馆 达到99.999％。
5、电力系统的频率特性
系统频率特性：系统功率不平衡时，频率 变化的特性。 负荷频率特性：系统频率变化后负荷随之 变化的特性； 发电频率特性：系统频率变化后发电功率 随之变化的特性； 系统频率特性为负荷频率特性、发电频率 特性和电压影响的综合结果。
系统频率调节系数Ks：反应系统功率变化 量与频率变化量之比；为负荷调节系数与 发电调节系数之和。
2. 波动负荷对电压特性的影响
• 对公式 3 －2进一步展开并推导，我们可以得到波动负 荷对电压特性影响的关系式。 • 设某一供电系统以简化单线图表示，如图3－1（a）所 示。
U0 ZS
U
U0
PCC
P+jQ
U
U
ZL
I
图中U 为供电系统的无限大电源母线电压，即开路电压；U Z 为公共连接点（ PCC）的母线电压；为 PCC的系统阻抗， Z 为负荷阻抗；P＋jQ 为负荷的复功率。
可靠
保证系统的经济运行---发输两个重要环节的考核指标： 1) 煤耗率 (g/kW· h) 2) 线损率（网损率） (电力网络电能损耗／电力网络供应电能量) ×１００％
经济
保证良好的电能质量---国家电能质量标准和行业规定：
1) 电网规划设计(有功和无功电源的设置，电压等级选择)和 运行方式 (结线方式和接地方式等)调配中的综合保证 2) 电能质量的六项指标（但评估考核办法很不健全）
always available, always within voltage and frequency tolerance, with a pure, noise free, sinusoidal wave shape. 可靠性的内涵包括充裕性（adequacy）和安全性（security）。
成部分。
供电可靠性系列指标
见《电能质量分析与控制》P79 １. 供电可靠性常用指标 ２. 供电可靠性参考指标
供电中断的性质划分
见《电能质量分析与控制》 P81 预知安排供电中断； 故障供电中断．
传统意义上的供电可靠性仅限于计及长时 间电压中断（一般只考虑持续时间为5min， 个别国家规定为１min).
认识的提高。对于电力系统中时常出现的各种电力干扰现象，通
过实时监测和理论分析与探讨，正在不断深入认识。供用双方的 相互影响与作用越来越紧密。关于电力供应可靠与否，人们正在 探索，试图重新给出定义和具体内容。
5、供电可用率（可靠率指标－RS-1）
KS
P K L KG f
控制系统 蒸汽 (水) 调速器
涡轮
发电机
第三章 传统电能质量分析与改善措施
（本章内容以自学阅读为主，这里给出几个要点问题）
一、电力系统运行特性 二、频率稳定与频率偏差 三、电压稳定与电压偏差 四、三相不平衡
1.电压稳定是电力系统运行中的经典问题
• 电压偏差的定义及计算方法（见P55，P87） • 电压偏差的危害（见P57－58） • 电压偏差是电力系统电压静态稳定的基本问题。究其原 因：系统无功功率不平衡（无功电源不足或过剩、分配 与分布不合理，如负荷与出力变化、运行方式和网络结 构变化等）是造成电压偏移标称值的根本原因。 • 我们有必要重温无功功率与电压的平衡关系式。
供电质量的具体内容：
电网频率合格率不低于99.9% 供电电压合格率97.8% 城市供电可靠率99.892% 城市居民客户端电压合格率不低于95.5% 农村供电可靠率99% 农村居民客户端电压合格率不低于90% 统计评价遵循《供电系统用户供电可靠性统计评价规程》中RS1指标， 承诺2002年优质服务年供电可靠率目标为99.98%
3、频率质量指标
为了表征电力系统频率，在正常运行工况下使用以下指标：
频率偏差：Δf ，用于缓慢频率变化的评价：
f f f r
其中 fr 是标称频率(50Hz或60Hz)， f 是实际频率(Hz)
相对频率偏差：εf (%)：
f (%)
f fr 100 fr
3、频率质量指标
频率稳定：系统由于发电和 负荷显著不平衡或故障引起 严重不平衡后保持系统静态 频率的能力。
二、频率稳定与频率偏差 1、电力系统频率的基本概念
交流电系统运行过程中最重要的指标之一就是供电电 压频率，其定义为规定时间间隔内测量的基波电压波形 重复次数。
从物理意义讲，交流电的频率，是与发电机组的极对数、转速直接相对应的 电频率:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f
p n 60
发电机组转速取决于机组输入、输出能量的平衡程度，并且受到机械 惯性的制约；因此，电频率是一个惯性量（系统功率振荡的物理涵义 ）。
1、电力系统频率的基本概念
负荷功率的增减，发电出力的变动，一直是处在动态变化中，加之电 力设备的操作也时有发生，这就使系统中不同节点的频率出现不同程 度的波动，也称之为能量均衡的动态过程； 但由于电频率的惯性制约，从概率统计的意义上系统中各节点的频率
频率稳定性：系统由于发电和负荷显著功率不平衡导致严 重系统故障后保持静态频率的能力。在保持过程中，控制 装置作用的特性时间又会引起短期频率波动和长期频率波 动现象。
2、设定电力系统的额定运行频率的目的
设定电力系统的额定运行频率（假定此频率能保 证供需平衡）的目的：是考虑到设备制造业的生 产可能性；是使特殊生产者及用户的需求最优化。
6、电压稳定和频率稳定是保证电力系统 正常（稳定）运行的基本条件
电力系统稳定性
频率 电压 连续
功角稳定性
频率稳定性
电压稳定性
电压稳定：系统从一个给定 的初始状态承受扰动后保持 母线静态电压的能力。
小扰动角度稳定性 暂态稳定性
短期（1／n秒） 长期（n分钟）
系统故障无功电源 损失等大扰动 系统负荷少量变化 等小扰动 短期和长期现象
“9s” 可靠性指标
3个9 99.9% 4个9 99.99% 5个9 99.999% 6个9 99.9999% 9个9 99.9999999% 适应场合
生活居住
99.91% 8h
累计年停电时间
9h 59min 5min 32s 30ms
工厂 医院、机场 银行 联网市场
国家电网公司十五规划（www.cepee.com):
5. 关于电能质量与供电可靠性
供电可靠性是指，供电系统持续供电的能力．
以往在供电中断的程度与起因等方面与电能质量和用户实际受电情况是分开考 虑的．供电与否是以其电气的物理连接为标志的。 如今，专家们认为，电力供应可靠与否应当以电力系统和电力用户的生产过程 保持连续正常工作，不会因受到电力干扰而中止为准则．因此，供电可靠性应 包含着许多相关内容，需要提供包括电能质量这一重要组成部分在内的广泛意 义上的可靠性评价报告．见6. 还有一种说法，即供电可靠性是供电连续性的具体体现，是电能质量的重要组 成（三要素）部分之一．因此，可靠性指标应是电能质量指标体系中的有机组
日累计偏差，要求保证时钟与电网频率同步正常 运行：
I f f dt
0 24
3、频率质量指标
根据欧洲EN 50160/2006标准，电源电压额定频率是50Hz。 在正常运行条件下，基波频率在10s时间测量的平均值应 在以下范围内： 与互联电网同步连接的系统： (即49.5-50.5Hz)，一年中99.5%； (即47-52Hz)，一年中100%；
5. 关于电能质量与供电可靠性
可以讲，过去的电能质量与可靠性概念是十分相似的，常常 用供电质量一言以蔽之。这是因为传统负荷几乎都是线性的和惯 性时间长，如典型设备有照明、加热和电机等；非线性电力电子 装备数量几乎可以忽略不计。所以，它们对短时电压变动是没有 反映的。况且负荷之间多少是相互隔离的，自动过程几乎不存在。 传统电能质量指标在满足稳态电压偏差的条件下，供电水平如何， 通常使用供电可靠性来表征． 概括而言，传统负荷只在电压长时间偏离额定电压值或供电电 压长时间中断时才不能正常工作。
相等，并做同步变化。因此也说，（系统稳定运行前提下，）电网中
所有的节点共享同一频率，即所谓系统频率。
动态过程的极端情况下，临界失步，失步和再同步的过程中，系统各
节点的频率不再相等，但在仍能维持同步的系统局部区域内，频率是
相等的。又有了“局部系统频率”的说法。
动态变化的负荷容 量；紧急状态下采 取切负荷保持频率 稳定
与互联电网非同步连接的系统(例如某些岛屿的供电系统)： (即49-51Hz)， 一星期中95%； (即42.5-57.5Hz)，一星期中100%；
4、电力系统的频率特性
图1是正常运行条件下的频 率变化曲线( 500s内），其 中的显示值都在允许的标 准限值范围内。
考虑到瞬变状态时，要求 频率的大幅度变化能够迅 速减小，使它落在根据系 统安全状态设定的喇叭状 曲线中。图为故障后瞬变 时长900s，频率必须稳定 在f0 ± 20mHz范围内。
第三章 传统电能质量分析与改善措施
一、电力系统运行特性 二、频率稳定与频率偏差 三、电压稳定与电压偏差 四、三相不平衡
一、电力系统运行特性
1、电力系统的基本任务
电力系统的基本任务是按可接受的质量（Quality）标准、所需 数量（Quantity）的电力，连续（ uninterrupted）地向电力用 户提供电能。可靠性是这一能力的量度。因此，对电力系统 性能的要求通常用可靠性来表征。
单位煤耗，线损，功率因数
静态稳定 暂态稳定 动态稳定
节能增效，市场运行
设备性能调节 系统保护与控制
电能质量就是电力系统稳 态运行过程中各电气特性 参数的具体表现。当其满 足标准指标时，系统为 （优质）合格运行。
3、对电力系统运行三点基本要求的考核指标
保证可靠地连续供电---供电可靠性指标 ：
1) 定性分类：按对可靠性的要求将负荷分为三级； 2) 定量考核：开展可靠性概率统计计算考核。
我国新能源电力系统面临的重大问题
电源结构性矛盾突出，规模化波动性、间歇性 新能源发电并网要求火电机组深度调峰。
50.0Hz
50.2 49.8
发 电 常规 电源 发电出力可调节 原动机功率可控 电网
用 电 用电 负荷 用电负荷随机变化 负荷预测精度较高 分布式电源接入
风电
风电功率变化大，预测精度低
优质
4、当代电力系统应当关注的几个相关问题
设备敏感度不同。本微不足道的电压扰动或特性变化可能影响到 控制系统，导致掉闸或误动作。这些敏感设备相互连接在一起， 连接在一个大的电网络中，或一系列自动化过程中。这就意味着， 整个系统与最敏感设备有相同的敏感度了。
市场竞争环境。突出了优质电能的问题。电力成为产品和商品后，
2、电力系统正常运行中诸要素关系示意图
系统正常运行应满足的2个条件： 电力安全性 （稳定性）
任一节点的P、Q必须平衡； 各节点和各元件的基本电气 电力充裕性 参数不应超过允许偏差。
电能数量
电力系统可靠性
电力经济性
电能质量 系统正常运行
电力充裕性
电力经济性
电力安全性
系统规划 系统改造 运行方式
电力系统稳定性
1、电力系统频率的基本概念
能把频率控制和保持在允许限值之内，这就要求在系统操作层面
上有大量的功率储备，从而能自动保证在任一时刻，电能消耗和
电能产生之间的平衡，做到频率稳定在规定值。
系统运行人员对系统中每个区域的发电和能耗的有效控制，以及与相 邻区域运行人员的良好协作，共同保证了整个系统的频率稳定在设定 值。
频率在限定范围内变化； 频率是系统供需稳定与 否的晴雨表
增减机电力矩，控 制发电机的调速器， 保证系统总发电容 量
控制系统 蒸汽 (水) 调速器
Loads
Active power
涡轮
发电机
足够的调频功率储备与 有功/负荷控制手段
一个信息量充足、可靠，能提供给系统运行人员所需要的数据的信息网络，是 对系统频率进行实时控制的先决条件—智能电网的核心技术之一
城市供电可靠率指标
见P80表３－７和３－８， 一般城市或地区：99.96%------3.5h; 重要城市，中心地区：99.99%------53min
2002年北京供电可靠性指标完成情况，供电可靠率：99.97% 2004年仍然为99.97％，低于国际水平。而纽约、东京、香港 达到99.99％以上.根据国际一流城市的要求，大中城市应达到 99.99％。按照北京奥运规划，2008年达到99.99％，运动场馆 达到99.999％。
5、电力系统的频率特性
系统频率特性：系统功率不平衡时，频率 变化的特性。 负荷频率特性：系统频率变化后负荷随之 变化的特性； 发电频率特性：系统频率变化后发电功率 随之变化的特性； 系统频率特性为负荷频率特性、发电频率 特性和电压影响的综合结果。
系统频率调节系数Ks：反应系统功率变化 量与频率变化量之比；为负荷调节系数与 发电调节系数之和。
2. 波动负荷对电压特性的影响
• 对公式 3 －2进一步展开并推导，我们可以得到波动负 荷对电压特性影响的关系式。 • 设某一供电系统以简化单线图表示，如图3－1（a）所 示。
U0 ZS
U
U0
PCC
P+jQ
U
U
ZL
I
图中U 为供电系统的无限大电源母线电压，即开路电压；U Z 为公共连接点（ PCC）的母线电压；为 PCC的系统阻抗， Z 为负荷阻抗；P＋jQ 为负荷的复功率。
可靠
保证系统的经济运行---发输两个重要环节的考核指标： 1) 煤耗率 (g/kW· h) 2) 线损率（网损率） (电力网络电能损耗／电力网络供应电能量) ×１００％
经济
保证良好的电能质量---国家电能质量标准和行业规定：
1) 电网规划设计(有功和无功电源的设置，电压等级选择)和 运行方式 (结线方式和接地方式等)调配中的综合保证 2) 电能质量的六项指标（但评估考核办法很不健全）
always available, always within voltage and frequency tolerance, with a pure, noise free, sinusoidal wave shape. 可靠性的内涵包括充裕性（adequacy）和安全性（security）。
成部分。
供电可靠性系列指标
见《电能质量分析与控制》P79 １. 供电可靠性常用指标 ２. 供电可靠性参考指标
供电中断的性质划分
见《电能质量分析与控制》 P81 预知安排供电中断； 故障供电中断．
传统意义上的供电可靠性仅限于计及长时 间电压中断（一般只考虑持续时间为5min， 个别国家规定为１min).