电能质量监测技术综述(1)

解 决 方 法
有 源 、无 源 滤 波
静止无功补偿 电容器、 隔离电感器
静止无功补偿 滤 波 器 、避 雷 器 隔离变压器
避雷器
不间断电源、 动态电压恢复器 正确接地、 滤波器
６６ ｜ 电 气 时 代 ２００７ 年 第 ５ 期
Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ Ｉ电 能Ａ质 Ｌ量 专 题Ａ 报Ｒ 道Ｅ Ａ
约 束 条 件 的 最 小 绝 对 值 近 似 方 法 ，将 牛 顿 类 迭 代
算法和最小二乘原理结合起来求解超定非线性方
程组的牛顿类算法。
４）ＤＦＴ（ＦＦＴ）类 算 法 及 其 改 进 等 其 他 分 析 方 法 。
（３）三 相 不 平 衡
三 相 平 衡 是 指 三 相 电 量 （电 压 或 电 流 ）数 值 相
电 能 质 量 监 测 是 收 集 、分 析 并 将 原 始 测 量 数
据 解 释 为 有 用 信 息 的 过 程 。建 立 完 善 的 电 能 质 量
监 测 系 统 ，对 整 个 电 力 系 统 的 电 能 质 量 管 理 和 改
善都是十分重要的。
电能质量监测的目标和要点
监 测 目 标 决 定 监 测 设 备 选 择 、触 发 阈 、数 据 采 集 和 存 储 方 法 以 及 分 析 和 解 释 要 求 。任 何 电 能 质 量 监 测 系 统 ，都 应 明 确 监 测 目 标 ，包 括：
Ｕ
ｒｅ
Ｎ
统额定电压。
在电压监测点安装具有自动记录和统计功能
的 电 压 监 测 仪 ，可 以 直 接 监 测 电 压 的 偏 差 ，并 能
统计电压合格率。
（２）频 率 偏 差
电 力 系 统 在 正 常 运 行 条 件 下 ，系 统 频 率 的 实
际 值 与 额 定 值 之 差 ，称 为 系 统 的 频 率 偏 差 ，即
多 项 式 曲 线 拟 合 法 ，以 计 算 量 和 复 杂 度 为 代 价 来
提高算法的精度和响应速度。
２ ） 解 析 法 对 信 号 观 测 模 型 进 行 数 学 变 换 ，
将 待 测 量 ｆ 或 Δ ｆ 为 样 本 值 的 显 函 数 来 估 计 。涉 及
复 杂 的 数 学 推 导 ，难 以 考 虑 谐 波 、非 周 期 分 量 和
噪 声 影 响 ； 算 法 简 明 ，计 算 量 不 大 ，但 难 以 适 应 非
稳 态 频 率 的 测 量 ，且 算 法 推 导 有 近 似 化 过 程 ，精
度总体不高。
３ ） 误 差 最 小 化 原 理 类 算 法 包 括：在 最 小 方
差意义下实现样本数据与模型的最佳拟合的最小
二 乘 算 法 ，以 极 小 化 误 差 向 量 的 一 次 范 数 为 求 解
δ ＝ ｆ － ｆ
ｆ ｒｅ
Ｎ
式 中 ，δ ｆ 是 频 率 偏 差 ； ｆ ｒｅ 是 实 际 频 率 ； ｆ Ｎ 是 系 统
标 称 频 率 ， 单 位 为 Ｈｚ。
频 率 的 测 量 分 析 方 法 有 以 下 很 多 种：
１ ） 周 期 法 通 过 测 量 信 号 波 形 相 继 过 零 点 间
等 ，频 率 相 同 ，相 位 互 差 １ ２ ０ ° 的 情 况 。不 同 时 满
足 这 ３ 个 条 件 称 为 三 相 不 平 衡 。常 用 不 平 衡 度 ε 来
衡 量 三 相 不 平 衡 的 程 度 ，用 负 序 分 量 与 正 序 分 量
的方均根值百分比表示
ε
Ｕ＝
Ｕ２ × Ｕ
１００％
１
的 时 间 宽 度 来 计 算 频 率 。该 方 法 易 于 实 现 ，但 精
度 低 （ 受 谐 波 、噪 声 和 非 周 期 分 量 的 影 响 ） 。对 其 改
进 主 要 是 提 高 其 测 量 精 度 和 实 时 性 ，典 型 的 改 进
算 法 有 水 平 交 算 法 、高 次 修 正 函 数 法 和 最 小 二 乘
随
着用电需求增加和电力系统规模扩大， 非 线 性 、冲 击 性 、不 平 衡 的 负 荷 日 益 增 多 ，所 导 致 的 各 种 电 能 质 量 问 题 也 越 来
越 严 重 ，造 成 电 网 供 电 质 量 降 低 ，运 行 状 况 恶 化 。
常 见 电 能 质 量 问 题 如 附 表 所 示 。电 能 质 量 引 发 的
Ｌ
ｄ
算点的三相短路容量，单位为 ＭＶＡ。
（４）电 压 波 动 与 闪 变
电 压 波 动 （Ｖｏｌｔａｇｅ Ｆｌａｃｔｕａｔｉｏｎ）定 义 为 电 压 均 方
根 值 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 １ ｍ ｉ ｎ 内 ，测 量 各 工 频
波 动 幅 值 、出 现 频 率 、 调制频率 波 形 、峰 值 、 持续时间 上 升 时 间 、峰 值 、 持续时间 幅 值 、持 续 时 间 、 瞬 时 值 ／时 间
幅 值 、频 谱
电弧炉、 电动机起动 线 路 、负 载 和 电容器组投切 雷击线路、 感性电路开合 远端故障、 电动机起动 不正常接地、 固态开关负载
公 共 连 接 点 的 三 相 短 路 容 量 ，单 位 为 ＭＶＡ。
在 三 相 对 称 系 统 中 ，若 在 某 一 相 上 增 设 单 相
负 荷 ，则 三 相 电 压 不 平 衡 度 可 估 算 为
Ｓ ε Ｕ≈ Ｓ Ｌ × １ ０ ０ ％
ｄ
式 中 ， Ｓ 是 单 相 负 荷 容 量 ， 单 位 为 ＭＶＡ； Ｓ 是 计
力 系 统 频 率 允 许 偏 差 》 Ｇ Ｂ ／ Ｔ １ ５ ９ ４ ５ － １ ９ ９ ５ 。④ 《 三
相 电 压 允 许 不 平 衡 度 》 Ｇ Ｂ ／ Ｔ １ ５ ５ ４ ３ － １ ９ ９ ５ 。⑤《 公
用 电 网 谐 波 》ＧＢ／Ｔ １４５４９ － １９９３。这 些 标 准 是 分
后 果 设 备 过 热 、继 电 保 护 误 动 、设 备 绝 缘 破 坏 设 备 过 热 、继 电 保 护 误 动 、通 信 干 扰 计时器计时错误、 通信干扰 伺服电动机 运行不正常 设备绝缘破坏、 损坏电力电子设备
设备绝缘破坏
设 备 停 运 、敏 感 负载不能正常运行 微处理器控制设备 不正常运行
０．１ １ ３ １０ ５０
短 时 闪 变 严 重 度 Ｐ ｓｔ，Ｐ ｌｔ 长 时 间 闪 变 严 重 度 可 由 多 个 Ｐ 计算。
ｓｔ
常用的电压波动的检测方法有整流检测法、 有 效 值 检 测 法 和 平 方 检 测 法 。 ＩＥＣ 推 荐 采 用 平 方 检 测 法 ，并 给 出 了 闪 变 仪 的 设 计 规 范 。闪 变 仪 框 图 如 附 图 所 示 。为 检 测 出 电 压 波 动 分 量 ，通 常 将 电 压 波 动 看 成 以 工 频 电 压 为 载 波 ，其 均 方 根 值 或 峰 值 受 到 以 电 压 波 动 分 量 作 为 调 幅 波 的 调 制 。任 何波形的调幅波均可看作是由各种频率分量合成。
在 不 含 零 序 分 量 的 三 相 系 统 中 ，若 已 知 三 相
电 量 ａ、 ｂ、ｃ，则 三 相 不 平 衡 度
ε
＝
１ － ３ － ６ Ｌ ×
１００％
１＋ ３－ ６Ｌ
式中 Ｌ ＝ ａ ４＋ ｂ ４＋ ｃ ４ （ａ２＋ ｂ２＋ ｃ２）２
Ｓ Ｐ专Ｅ题Ｃ报Ｉ道Ａ电Ｌ能 质 Ａ量 Ｒ Ｅ Ａ
电能质量监测技术综述
文 ／ 华 北 电 力 大 学 电 气 与 电 子 工 程 学 院 朱 永 强 尹 忠 东 肖 湘 宁 申 展
网 络 化 、信 息 化 、标 准 化 和 智 能 化 已 成 为 电 能 质 量 监 测 系 统 的 必 然 发 展 趋 势 ，它 为 电 网 的 优 化 和 事 故 分 析 提 供 实 时 可 靠 的 数 据 ，为 电 能 质 量 综 合 评 估 提 供 切 实 依 据 ，也 是 电 力 企 业 面 向 市 场 ，适 应 竞 争 的 强 有 力 手 段 ，可 以 进 一 步 保 障 各 级 用 户 的 正 常 用 电 秩 序 ，为 其 提 供 优 质 的 电 能 。
若估算某个不对称负荷在公共连接点上造成
的 三 相 电 压 不 平 衡 度 ，则 可 近 似 计 算
３Ｉ Ｕ
ε
Ｕ≈
２ Ｌ × １０Ｓ
１００％
ｄ
式 中 ，Ｉ 是 负 荷 电 流 的 负 序 分 量 ，单 位 为 Ａ； Ｕ 是
２
Ｌ
公 共 连 接 点 的 线 电 压 均 方 根 值 ， 单 位 为 ｋＶ； Ｓ 是 ｄ
电 气 时 代 ２００７ 年 第 ５ 期 ｜ ６７
Ｓ Ｐ专Ｅ题Ｃ报Ｉ道Ａ电Ｌ能 质 Ａ量 Ｒ Ｅ Ａ
输入适配 自测信号
平方检测 滤波器
附 图 ＩＥＣ推 荐 的闪变仪框图
察 出 闪 变 时 ，称 视 感 度 （觉 察 出 和 未 觉 察 的 人 数 比 ） Ｓ ＝ １ 。根 据 １ ０ ｍ ｉ ｎ 内 Ｓ （ ｔ ） 测 试 数 据 ，用 按 时 分 级 法 得 到 累 积 概 率 函 数 ＣＰＦ。 在 ＣＰＦ 曲 线 上 采 用 超 过 ０．１％、 １％、 ３％、 １０％ 和 ５０％ 时 间 的 Ｓ（ｔ）的 闪 变 觉 察 单 位 值 （分 别 为 Ｐ 、Ｐ 、Ｐ 、Ｐ 、Ｐ ）来 计 算
１）描 述 系 统 的 整 体 性 能 。 ２）描 述 特 定 电 能 质 量 问 题 。 ３）评 估 电 能 质 量 水 平 。 ４）干 扰 诊 断 与 设 备 维 护 。 电 能 质 量 监 测 的 要 点 包 括： １）确 定 电 能 质 量 的 描 述 和 分 析 方 法 。 ２ ） 选 择 监 测 点 一 般 来 说 ，在 几 个 关 键 点 进 行 测 量 即 可 确 定 整 个 系 统 的 特 性 。监 测 位 置 通 常 选 择 用 户 的 供 电 入 口 ，受 影 响 的 设 备 附 近 ，或 在 变电站和特定用户供电入口同时监测。
３）设 定 监 测 启 动 阈 值 。 ４）确 定 测 量 和 监 测 时 间 。 ５）查 找 扰 动 源 。
电能质量指标的描述和分析方法
我国已经颁布了 ５个有关电能质量的国家标
准 ： ① 《 供 电 电 压 允 许 偏 差 》 ＧＢ １２３２５ － ２００３。
② 《 电 压 波 动 和 闪 变 》 Ｇ Ｂ １ ２ ３ ２ ６ － ２ ０ ０ ０ 。③ 《 电
类型 谐波 三相 不对称 陷波
扰动性质 稳态 稳态 稳态
电压闪变
稳态
谐振暂态
暂态
脉冲暂态 电压暂升／ 暂降
噪声
暂态
暂态 稳态／ 暂态
附表 电能质量问题一览
特 征 指 标 谐波频谱电压、 电流波形
不平衡因子
产 生 原 因 非线性负载、 固态开关负载
不对称负载
持 续 时 间 、幅 值
调速驱动器
析和监测电能质量指标的重要依据。
（１）电 压 偏 差
供 电 系 统 在 正 常 运 行 条 件 下 ，某 一 节 点 的 运
行电压与系统额定电压之差对系统额定电压的百
分 数 称 为 该 节 点 的 电 压 偏 差 ，可 表 示 为
δ ＝ （ Ｕｒｅ － ＵＮ） × １００％
Ｕ
ＵＮ
式中，δ 是电压偏差；Ｕ 是运行电压；Ｕ 是系
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 之 为 闪 变 ，其 变 化 较 快 。
电压波动引起照明闪烁对人的主观视觉反应
称 为 瞬 时 闪 变 视 感 度 Ｓ （ ｔ ） 。若 人 群 中 有 ５ ０ ％ 的 人 觉
纠 纷 和 电 网 事 故 呈 上 升 趋 势 ，电 能 质 量 的 监 测 管
理 和 电 力 污 染 的 治 理 工 作 变 得 越 来 越 重 要 。电 能
质 量 问 题 已 引 起 各 国 电 力 工 作 者 的 高 度 重 视 ，提
高电能质量的新技术已成为近年来电力系统研究
领域中新的研究热点。
带通和 加权滤波
平 方 器 Ｓ（ｔ） 闪 变 的
低通滤波
Leabharlann Baidu
统计评定
输出 Ｐ ｓｔ
平方和
１ ｍｉｎ积 分
记录
（５）谐 波 谐波是对周期性交流信号进行傅里叶分解得 到 的 ，频 率 为 基 波 频 率 （ 一 般 指 工 频 ） 的 整 数 倍 （ 大 于 １ ） 的 分 量 。谐 波 测 量 一 般 包 括 谐 波 幅 值 和 相 位 、 各 次 谐 波 含 有 量 、总 谐 波 畸 变 率 、谐 波 功 率 及 谐 波阻抗等。 测 量 谐 波 的 方 法 有 很 多 。对 于 稳 态 谐 波 ，可 以 用 ＦＦＴ 算 法 ，也 可 用 快 速 Ｈａｒｔｌｅｙ 变 换 （ＦＨＴ）和 离 散 小 波 变 换（ＤＷＴ）。 ＦＦＴ 变 换 具 有 明 显 的 物 理 意 义 ，通 过 变 换 域 反 映 信 号 的 频 率 成 分 。采 用 加 窗 算 法 、跟 踪 系 统 频 率 的 数 字 锁 相 技 术 和 高 阶 有 源 低 通 滤 波 技 术 ， 可 减 小 ＦＦＴ 变 换 频 谱 泄 漏 造 成 的 误 差 和 消 除 混 叠 效 应 。 ＦＨＴ 变 换 后 在 频 域 内 仍 为 实 函 数 ，比 ＦＦＴ 速 度 更 快 ，占 用 存 储 空 间 更 少 ， 可 对 应 完 成 ＦＦＴ 功 能 。 ＤＷＴ 不 但 可 以 完 成 ＦＨＴ 功 能 ，还 可 得 到 分 数 次 谐 波 。 对 于 暂 态 谐 波 ， 可 用 改 进 的 ＦＦＴ 分 析 和 小 波 变换方法。 为 区 别 暂 态 现 象 和 谐 波 ，对 变 化 快 的 谐 波 ，每 次 测 量 结 果 可 为 ３ ｓ 内 所 测 值 的 平 均 值 。国 家 标 准 推荐采用下式计算