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现代电能质量若干问题的研究

肖湘宁，陶  顺，姜  旭
华北电力大学  北京市昌平区   102206

摘要：随着时代的进步和科技的发展，电网结构和负荷构成发生了巨大变化，电能质量问题的含义和内容正在不断丰富和深化认识。本文在对现代电能质量问题做出简要阐述后，概论了电能质量监测的几个重要问题，并结合工程实例，研究了电压暂降的监测系统，探讨了电压暂降相关标准化的工作，提出了有组织有计划的开展具有自主知识产权的适时、适度与电力系统运行和用户特点相适应的电能质量标准及其检测方法的制定和实施工作的建议。
关键词：电能质量 监测技术 电压暂降

1 现代电能质量问题

        众所周知，传统电能质量问题是针对电气量的稳定偏差量而言的，它的基本内容包含电压偏差、频率偏差和三相不平衡度以及所希望的单位功率因数。但随着时代的进步和科技的发展，电网结构和负荷构成发生了巨大变化，电能质量问题的含义和内容正在不断丰富和深化认识。现代电能质量的广泛定义包括：供电可靠性（供电连续性）、电能质量指标（稳态、动态电压质量、频率质量、电流质量、波形质量等多种信息）和提供的有用信息（收集电能质量状态量，并使其成为可交换的有用信息）。
        另一方面，现代工艺制造技术及其设备运行要求，以及生产力和产品竞争力的提高越来越依赖高质量的电力供应。因此，电力系统除了满足电网安全稳定运行的基本要求外，还应把质量控制、经济运行和高效能量管理作为评估电力系统运行水平的重要内容。进一步讲，电能质量问题已不仅仅是基本技术问题，它已被提升到关系整个电力系统及用电设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系到电气环境工程保护，关系到整个国民经济的总体效益和发展战略的高度来认识，当代电力系统已经赋予了它新的概念和内容。
        不难看出，电能质量问题已经成为一项系统工程，它涉及到干扰源、感受源、设备与装置、接地系统、电磁兼容、电气环境、监督与管理、标准与法规、技术与非技术因素等诸多方面，是大范围多领域的综合系统研究问题。限于篇幅，本文在对现代电能质量问题做出简要阐述后，先从电能质量对监测的要求、监测的目标、监测点的选择、检测设备以及监测技术的发展趋势五个方面进行了论述，而后重点结合目前发达国家电能质量首要问题——电压暂降与短时间间断——的起因与危害、监测与评估及其相关标准，介绍了在这方面取得的研究成果。

2 电能质量监测技术

        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。监测电能质量是电力公司了解其电力系统性能并使之能满足用户需求的前提，是分析和解决电能质量问题的第一步，其作用概括为：系统安全、可靠、经济运行的督察作用；优质高效供应电力的技术保证；电力市场交易的基础数据；有序的商业化运作与文明社会的标志。
2.1电能质量的六个显著特点对监测的要求
        电能质量同一般产品质量不同，其具有六个显著特点。每个特点对于电能质量监测技术提出了针对性的要求，整理如表1所示。从表1可以看出，针对电能质量不同特点，所采取的分析方法及监测手段有着较大的差异。
2.2电能质量监测目标
        根据不同的监测要求，电能质量的监测目标可分为描绘系统性能、描绘特定问题、电能质量评估及诊断与设备维护这几方面。
        （1）描绘系统性能
        通过了解系统的电能质量，供电方可以迅速发现问题，并能向用户提供信息以将敏感设备特性与实际的电能质量特性协调起来。
        （2）描绘特定问题
        通过对特定用户现场或有问题的负荷进行短期监测来解决问题。可以用于识别设备不兼容的原因等。
        （3）电能质量评估
        提供不同等级的电能质量以满足特定用户的需要，建立等级服务的标准，检验是否达到合同约定的电能质量水平。
        （4）诊断与设备维护
         提供与特定设备特性有关的信息。及时维护设备，避免灾难性故障，防止电能质量扰动最终影响整个电能质量性能。
表1:电能质量的六个显著特点对监测的要求

2.3电能质量监测位置的选择
        电能质量监测位置对于监测效果及事后分析具有重要影响，所以根据不同的监测要求，可选择的监测位置，主要有以下三处：
       （1）用户的供电入口
       此处监测可以包含供电降压变压器的影响；收集的数据还可用来描述用户负荷电流变化和谐波畸变水平；能指示扰动源（在测量仪表的系统侧或用户侧），可以降低变换器成本。
       （2）受影响的设备附近
        可观测到与敏感设备所觉察的相同变化。对高频暂态过程，减小由隔离产生的监测仪和受影响设备之间的差别。
       （3）同时选择变电站和特定的用户供电入口
       作为公共连接点，变电站对由其供电的馈电线故障期间其它馈电线上的用户经受的电压暂降，由谐波注入造成的背景谐波电压都能感受到。供电入口位置可以反映用户设备敏感性。
2.4电能质量检测设备
        检测设备是电能质量监测的基础，应根据不同的监测要求及相应投资，采取适当检测设备。具体检测设备的类别及相应功能如下表：（表2）
2.5电能质量监测技术的发展趋势
        随着网络通信技术和信息技术的迅速进步，为适应当代电力系统发展的需要，电能质量监测技术正朝着网络化、信息化、标准化、智能化的方向发展。
（1）监测系统网络化
        监测系统实现网络化，既可以实现同一供电系统不同地点的电能质量监测，也可实现多个局域系统的集中监测，对全系统电能质量可进行多层分析和评估，进而有助于针对存在的电能质量问题提出合理的治理方案。监测的数据量庞大，数据共享性的要求提高，多角度观测的需求，使得原始的局域网可能不满足需求。未来的发展一定会建立在宽带通信和光纤网络的技术支撑上，网络的拓扑结构直接反映着电能质量监测系统的总体水平。
表2：电能质量设检测设备及功能一览表

（2）监测体系信息化
        从监测内容上看，首先，监测点要求信息的实时性加强了，实时数据的传输需要面向连接，频度为秒级，比特率可变，且具有较高的精度等级；其次，为保证系统可靠性和安全性，信息的传送必须高速、准确。拒送、误送或延迟都可能导致电力系统扩大事故；再者，涉及的是多业务的灵活性，电力系统中关于生产和管理所需的批次信息和其它数据也将在通信网传输，这类业务包括上传报表、文件等数据业务，其传输的频度及应用类型都较为随机，要求传输网络具有较高的灵活性和扩展性。因此，传统的电力通信向实时、可靠、高速，并集成语音、数据、图像等各类业务为一体的信息化综合性网络方向发展十分必要。
（3）监测数据标准化
        监测系统的标准化包括数据格式的标准化和显示界面的标准化。电能质量监测实时数据量相当庞大，而且要求数据可以共享并能进行多角度观察，因此对于数据格式的设计应该有严格的统一的规定。数据格式标准化，使得数据的共享与传输就显得轻而易举了。IEEE标准委员会提出了一种通用的数据文件格式作为通用的平台——PQDIF（power quality data interchange format）。PQDIF 是种平面文件结构，由各记录链接而成，通过标记元素结构将数据的物理属性和逻辑属性分离，具有良好的扩展性和压缩性，解决了数据量庞大的问题，也实现了电能质量物理属性的多角度观察，其功能又类似于中间件，使多数据源具有良好的兼容性，便于实现数据共享，为分析电网的电能质量问题以及实现电能质量管理和分析系统提供一种很好的平台。目前，PQDIF 已经成为先进国家信息标准化的趋势。
在具体的工程实践中，监测系统需要自动连接对应站点，实时接收站点的测量数据、波形、频谱，并显示于客户端，还供随时调阅数据。因此，为了提高系统信息共享的档次；易于工作人员之间交流经验；各站点之间、各监测仪器之间相互交换数据更方便；明确显示每个监测仪器、子系统及主系统各项功能，便于比较，在数据设计格式统一化、标准化的基础上，监测系统还要求显示界面的规格化、统一化、标准化。这也是加快信息化和网络化的步伐之一。
（4）监测评估智能化
        电能质量监测技术需要利用先进的数学方法和工具对电能质量现象和实测数据进行挖掘、分析、整理和报告表述，还需要对电能质量扰动做出科学的评估，为电力部门改善电能质量提供决策依据，因此，电能质量的专家分析系统各功能模块的设计应向智能化和科学化方向发展。

3 电压暂降问题的研究

3.1 电压暂降现象基本描述

        近年来发达国家普遍认为，电能质量的首要问题是电压暂降问题。电压暂降是一种事件型电能质量问题，是指工频条件下电压均方根值减小到0.1～0.9p.u.之间、持续时间为0.5个周期至1分钟的短时间电压变动现象。暂降幅值、持续时间、暂降频次是标称电压暂降严重程度的最重要的三个特征量。另外，暂降的同时还可能出现电压相位跳变现象。

3.2  电压暂降的危害

近十几年来，很多工业和商业用户都在应用对动态电压质量扰动非常敏感的设备，如计算机网络和通讯设备、半导体和电子制造业设备、生物技术和药物实验室以及金融数据处理中心等。电压暂降和短时间中断会引起这些设备不能正常工作，由此给用户带来巨大的经济损失。据美国电力科学研究院－EPRI的调查报道， 美国每年因可靠性和电能质量问题造成工业的生产力和停工损失达1500-1900亿$。且据其DP项目Q研究发现只有3%的事件是由于电力供应中断造成的，而其余大多数部分都是由于短时动态电力干扰引起的。另据报道，（1）某个主要生产光纤电缆的厂商监测7年的电能质量，虽然没有发生过一次停电，但每年要经受6-10次电压暂降，每次损失达15-50万$；（2）塑制品聚合加工业、造纸业、玻璃制造业等都是电力消耗大户，暂降导致现代化生产线突然停止意味着重启前需要数小时清除设备内的垃圾。某玻璃制品厂工频5个周期的电压间断，造成损失（含停工）约200,000$；（3）英国某造纸厂由于持续仅2～3个周波0.9p.u.的电压暂降造成关键负荷可调速驱动装置跳闸，生产线作业中断，一次事件的直接损失达14万英镑。对石化工业来说，生产线的连续性也是非常关键的，一次短时的电压暂降将造成整个生产线全停数天，可能造成数百万美元的损失。

由于在用户电能质量问题投诉中，80％以上是电压暂降引起的。因此，电压暂降已成为发达国家首要的电能质量问题，是当今社会对供电质量提出的新挑战。

3.3 暂态电压监测记录装置的研发

监测并记录电压暂降和短时间中断事件，确定事件持续（发生）时间和受影响的用户（设备）范围，为系统或用户的故障分析提供依据，为解决问题的方案提供有用的线索。为电压暂降的科学评估和参量限值的提供数据，为地区的招商引资提供技术保障。电压暂降问题的检测已经被大家所关注，国际供电会议关于电能质量的工作组目前的主要工作是收集世界各地的动态电压监测方法和数据。

常见的分析型电能质量监测仪虽然功能比较完善，但目前市场价格都比较昂贵。为了既考虑监测系统的经济性，又促进电压暂降的全面监测，我们自主研发了动态电压事件记录仪，对电压暂降事件实现适时检测、判别、定位和录波功能，数据供后台分析软件使用。其系统的结构图可由下图表示：

装置采用三相四线制或三相三线制接线。其硬件部分AD转换芯片采用ADS8364。主CPU为TMS320F2812-DSP。DSP完成AD芯片的控制、电压有效值的计算、SD卡文件系统的管理以及与DS1302和上位机的通信。辅助电路主要有DS1302电路、SD卡电路、1M外部RAM和电源等部分。装置软件部分的电压有效值计算模块采用虚拟三相瞬时DQ变换法[1]。该方法能准确检测电压暂降扰动的幅值和相位跳变，在时间上只延迟1/4个周期；对暂降事件的定位，误差为+3-+4ms之间，且受谐波及相位跳变的影响很小；计算量相对其它方法而言要小。系统每周期采样64点进行计算，当检测到电压发生暂降时，每周期存储32点数据。事件判断模块结合当前状态、历史状态来确定当前正处于事件的何种状态。这些状态有：没有事件发生（电压正常状态）、新事件开始（检测到第一个暂降点）、暂降中（连续几个暂降点）、后续录波（暂降后的连续几个非暂降点）和暂降结束。数据转存模块实现指将采样数据从外部RAM转存到SD卡中。装置设计最长记录时间为1min，数据量为576k。每个事件存为一个文件。文件名自动按编号生成。事件文件收集到数据中心，采用后台分析软件实现对事件的储存、分析、分类及统计。图4是对某工业区10kV配电网实时监测事件波形。

3.4 基于无线通讯的WEB技术的电压暂降监测和分析系统

设备功能与经济性往往是对立统一的。如果监测设备功能越完善，储存空间越大，其成本造价必定越高，不适合系统的多点全面监测。另外，据调查，个别公司已经安装了昂贵的监测设备，但监测数据的收集和分析工作却没有相应的得到研究和利用，使之只是一堆数字垃圾。为了实现全网的电能质量监测与分析，可以弱化现场检测设备的功能，将事件记录通过数据通讯或人工收集到数据中心，集中在后台处理和分析。因此，如何开发智能化和信息化的后台分析软件，从数据中挖掘事件的表现参量是个很重要的工作。

    我们研究设计了可基于无线通讯的WEB技术的电压暂降监测和分析系统。在该系统服务器端建立电压暂降监测数据库；实现了监测数据自动存入原始数据库、事件判别、事件特征量的计算分析、定期与非定期事件统计等功能；建立了信息发布系统，实现任意终端通过web按照各自对应的分配权限，对被测系统电压暂降监测事件进行相应的多样化查询和管理。此平台已在某工业区安装并试运行了10个月，成功监测和记录了该地区电压暂降事件。其系统设计见图5，2006年上半年的暂降幅值\频次分布见图6。

3.5 电压暂降的标准

有关电压暂降的标准汇总如表3。目前，国际上虽然已就电压暂降在电力系统的分析方法、监测技术有了相关的标准，但是，无论在电压暂降的定义上，还是在监测方法与界面显示的统计报表参量和格式上，都没有世界公认的在系统运行中适用的统一标准，这无疑对促进电压暂降问题的改善会带来分歧与困惑。建立电压暂降指标体系已引起学术界的广泛关注，文献[2-6]报道的相关研究成果，对指标标准的建立一定会有很大的促进。

另外，虽然南非在NRS048-2标准中提出了电力系统电压暂降现象的限值要求，但建立电压暂降限值标准实际上是很困难的。这是因为电压暂降的特征与电力系统的网络结构、保护设置水平及其所处地理环境等方面有很大关系。从IEC61000-2-8标准中提供的调查结果来看，不同国家有不同的暂降频次，有的甚至悬殊很大；电网类型不同，暂降频次也相差太大。因此，作者认为对电力系统的电压暂降限值适宜针对电网的网络特点和管理水平，通过理论评估和长期的电压暂降监测结果，建立全社会成本效益最佳的约束标准。

另外，国际上也就对电压暂降广泛敏感的电子类和IT类设备制造商提出了一些暂降抗扰力的约束规范和测试标准。对诸如接触器类、机电类等敏感设备甚至还没有可推荐的标准，这无疑会给用户的设备选型和系统的技术经济评估带来困难。因此设备类的电压暂降约束标准有待向深度和广度上发展。

表3：电压暂降相关的典型标准汇总表

4 结束语

当代电力系统的电网结构和负荷构成的新变化，越来越丰富了电能质量的内涵。本文论述了现代电能质量监测的几个重要问题，并结合工程实例，研究了电压暂降的监测系统，探讨了电压暂降相关标准化的工作。至今，我国还没有制定适合国家电网特点的电压暂降和短时间中断等动态电压质量问题的评价标准。保证优质电力生产和用户安全使用要靠多方共同努力，要求设备制造厂商、电力供应方、电力使用方、标准制定方、监督管理方等协同合作，达成共识，制定统一的和可操作的适时、适度质量标准和供电质量协议的参考标准，按照电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制、分层治理和质量达标。只有这样才能实现电能质量这个系统工程实现技术与经济的综合优化，做到电能质量的责任与义务清晰，有法可依，综合管理，保护共享的电气环境，共同获得最大的生产效率和经济利益。作者建议，应当有组织有计划的展开现代电能质量从理论体系到工程实践的研究工作；开展具有自主知识产权的适时、适度与电力系统运行和用户特点相适应的电能质量标准及其检测方法的制定和实施工作。并且尽快开展典型示范工程的动态电能质量及电压暂降等的监测普查、统计分析与评估。

参考文献：

1.        肖湘宁等编著《电能质量分析与控制》. 中国电力出版社，2004年2月.

2.        陶顺; 肖湘宁; 刘晓娟; 电压暂降对配电系统可靠性影响及其评估指标的研究 中国电机工程学报 2005年 21期  

3.        张鹏 郭永基电压骤降的可靠性评估新方法 电力系统自动化 2002年08期

4.        D.L. Brooks, Roger C. Dugan, Marek Waclawiak, Ashok Sundaram Indices for Assessing Utility Distribution System RMS Variation Performance IEEE Trans. Power Delivery 1998；

5.        Bollen, M.H.J. Sabin, D.D.; Thallam, R.S. Voltage-sag indices - recent developments in IEEE P1564 Task Force; CIGRE/IEEE PES International Symposium , 8-10 Oct. 2003 Pages:34 – 41

6.        Herath, H.M.S.C.; Gosbell, V.J.; Perera, S Power quality (PQ) survey reporting: discrete disturbance limits IEEE Trans. Power Delivery Page(s):  851- 858 Volume: 20 Issue: 2 Part: 1 April 2005