电气工程及其自动化 本科毕业论文 电能质量

本科毕业论文

学 院 电力学院

专 业 电气工程及其自动化

学生姓名 巢学文

指导教师 欧阳森

提交日期 2011年10月25日

华 南 理 工 大 学

毕 业 论 文 任 务 书

兹发给 2009级电气工程及其自动化专升本（B） 班学生 巢学文 毕业设计（论文）

任务书，内容如下：

1.毕业设计（论文）题目：

2.应完成的项目：

3.参考资料以及说明：

中国电力出版社

4.本毕业设计（论文）任务书于2011年8月4日发出，应于2011 年10月25日前完

成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。

专业教研组（系）、研究所负责人

指导教师

毕业设计（论文）评语：

毕业设计（论文）总评成绩：

毕业设计（论文）答辩负责人签字：

年

月 日

目 录

摘要 5 Abstract 6

第一章 概述 7

1.1 引言 7

1.2 电能质量问题概述 8

1.3 电能质量检测内容 10

1.4 电能质量治理概述 15

第二章 电能质量检测方法 17

2.1复调制细化谱分析方法 17

2.2常用的电压波动检测方法 17

第三章 电能质量在线监测系统 19

3.1电能质量在线监测系统概述 19

3.2电能质量在线监测系统组成 19

3.3电能质量在线监测系统功能 20

第四章 电能质量主要监测指标及其评估 21

4.1供电电压偏差 21

4.2电力系统频率 21

4.3三相不平衡 21

4.4供电中断与供电可靠性 22

4.5电压波动与闪变 22

4.6电压暂降与段时间中断 22

4.7波形畸变与电力谐波 23

第五章 电能质量测量展望 24

5.1基础理论的研究 24

5.2新型算法的开发 24

5.3电能质量监测的网络化、智能化 24

第六章 结论 26

第七章 参考资料 27 致谢 28

摘 要

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在。因此，产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

改革开放以前，我国工业水平比较落后，制造业工艺比较粗糙，高、精、尖方面的先进制造业更是缺乏，因而，谐波引起的影响与危害并不明显，而电能质量问题更提不到议事日程。人们普遍认为，只要能保证电网频率的正常以及保证供电电压在一定范围内，就等于保证了电网的电能质量。另外从我国的电力系统供求关系来看，80年代之前处于计划和短缺经济时期，有没有电供用户使用是主要问题，自然 “电能质量”问题就无从谈起。

随着国民经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网中各种非线性负荷不断增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。随着计算机技术的日益普及，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置不仅对供电电能质量异常敏感，同时也加剧了电能质量的进一步恶化。

在电力市场环境下，电能已转化为由电力部门向电力用户提供电力供应及辅助服务的特殊商品。如何对电能质量进行检测与评估已成为电力质量管理工作的前提。电能质量检测是现代电力系统进行电能检测管理的主要工具。

本文主要描述电能质量问题、监测的内容、监测方式以及其治理，通过对实质监测系统的分析得出最后的结论。

关键词：电能质量，谐波，电能质量监测系统，治理

Abstract

Quality of electric energy supply by means of the public power grid user end of the AC electric energy quality. The ideal state of public power grid should be at a constant frequency, the standard sine wave and rated voltage of power supply. At the same time, in a three-phase system, each phase voltage and current amplitude should be equal, symmetry and phase difference of 120 degrees. But due to the system of generators, transformers and lines and other equipment, nonlinear or asymmetric load varied, and the control measures are not perfect and the operation, the external interference and all kinds of fault and other reasons, this ideal state does not exist. Therefore, to generate grid power equipment and power supply link in the various problems, also produced the concepts of power quality.

Before the reform and opening up, China's industrial level is more backward, manufacturing process relatively rough, high, fine, sharp aspects of advanced manufacturing industry is lacking, therefore, the influence and harm of harmonic cause is not obvious, and the electric energy quality problems do not mention to the schedule. It is generally believed that, as long as the frequency of normal as well as guaranteeing the supply voltage in a certain range, to ensure the quality of electric energy. In addition to our country electric power system from the point of supply demand relations, before 80 time in planning and shortage economy period, there is no electricity available to users is the main problem, natural" power quality” the problem is mentioned.

With the development of the national economy, the progress of science and technology and the production process is highly automated, of various nonlinear network load increasing; a variety of complex, sophisticated, sensitive to electric energy quality of power equipment are more and more. With the popularization of computer technology, based on computer system control device and electronic device not only for the quality of power supply is very sensitive, and increase the power quality deterioration.

This paper describes the problem of electric energy quality, monitoring contents, monitoring and its governance, through to the real monitoring system analysis to draw a final conclusion.

Keyword: Quality of electric energy, Harmonic, Power quality monitoring system, Management

第一章 概述

1.1引言

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在。因此，产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

改革开放以前，我国工业水平比较落后，制造业工艺比较粗糙，高、精、尖方面的先进制造业更是缺乏，因而，谐波引起的影响与危害并不明显，而电能质量问题更提不到议事日程。人们普遍认为，只要能保证电网频率的正常以及保证供电电压在一定范围内，就等于保证了电网的电能质量。另外从我国的电力系统供求关系来看，80年代之前处于计划和短缺经济时期，有没有电供用户使用是主要问题，自然 “电能质量”问题就无从谈起。

随着国民经济的发展，科学技术的进步和生产过程的高度自动化，电网中各种非线性负荷不断增长；各种复杂的、精密的，对电能质量敏感的用电设备越来越多。随着计算机技术的日益普及，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置不仅对供电电能质量异常敏感，同时也加剧了电能质量的进一步恶化。

电力系统电能质量问题的产生主要有以下几个原因：

（1）电力系统元件存在的非线性问题

电力系统元件的非线性问题主要包括：发电机产生的谐波；变压器产生的谐波；直流输电产生的谐波。此外，还有变电站并联电容器补偿装置等因素对谐波的影响。其中，直流输电是目前电力系统最大的谐波源。

（2）非线性负荷

在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大比例，这是电力系统谐波问题的主要来源。电弧炉（包括交流电弧炉和直流电弧炉）是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。居民生活负荷中，荧光灯的伏安特性是严重非线性的，会引起较为严重的谐波电流，其中3次谐波的含量最高。大功率整流或变频装置也会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使功率因数降低。

（3）电力系统故障

电力系统运行的各种故障也会造成电能质量问题，如各种短路故障、自然灾害、人为误操作、电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启动等都将造成各种电能质量问题。

电能质量问题不仅仅关系到用电设备运行的可靠性和安全性，而且还关系到供用电市场的规范化。它的产生可能来源于供电方的输配电系统，也可能来源于用户端的不合理用电，还可能来源于雷电等自然现象。只有对电能质量进行有效地监测才会对问题的产生和影响有清楚的认识，这样才能为电能质量的改善﹑供用电双方的协调和供用电市场的规范提供真实依据，以便采取有效的解决措施。在这样的环境下，探讨电能质量领域的相关理论及其控制技术，分析我国电能质量管理和控制的发展趋势，具有现实意义。

1.2 电能质量问题概述

随着科学技术的发展，一些带有基于微处理器的控制器和大功率电子开关器件的现代用电设备对电能质量的要求越来越高，他们对电磁干扰都极为敏感，而且随着电力用户对电能质量认识的提高，越来越多的用户向电力部门提出了高质量的供电要求，另外，电能质量的恶化会带来比如使继电保护误动，附加损耗增加等问题，而且电力企业处于提高自身运行效率的需要，也在努力寻求提高电能质量的新途径。

1.2.1电能质量的定义

从普通意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术含义还存在着不同的认识，一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力企业可能把电能质量简单地看成是电压（偏差）与（频率）的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能99%是符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向符合正常供电；而设备制造厂家则认为合格的电力质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。另一方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特别是用电负荷的性能和结构的制约。

“电能质量”这一用词长久以来就比较混乱，在英文用词方面有人使用“Electric Power Systems Quality”（供电质量）等。对其含义也各有解析。直到1968年，一篇关于美国海军电子设备电源规范要求的研究论文最先规范使用了“Power Quality”(电能质量)这一专业术语。于此同时，前苏联等国家也开始使用“Voltage Quality”（电压质量），用来反映电压幅值的缓慢变动和电源实际频率与理想频率的偏差。此后，越来越多的研究者表现出对电能质量货电压质量的关心，电气工程界在关于电能质量问题应采用规范的技术名词上逐渐趋向一致。国际电气电子工程师协会（IEEE）标

准化协调委员会一正式采用“Power Quality”（电能质量）术语的决定，并且给出了相应的技术定义：“合格的电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的”。这个定义的缺点是不够直接和简明。

一种普遍接受和采用的技术名词与定义方法是：从工程使用角度出发，将电能质量概念进一步具体分解并给出解析。其内容如下：

（1）电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门想用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降（升）与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。

（2）电流质量。电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。电流质量通常包括电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。

（3）供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度。

（4）用电质量。它包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴纳电费等。

上述关于电能质量的含义与解析反映了供用电双方的互相作用和影响以及责任和义务。虽然其含义很工程化，但对理解和认识电能质量是很有实用价值的。

另外，国际电工委员会（IEC）标准则对电能质量定义为，电能质量是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。这里的“偏差”应广义理解，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。但是，IEC并没有采用“Power Quality”（电能质量）这一术语，而是用“EMC”（电磁兼容）术语来强调设备与设备之前，电源与设备之间的相互作用及影响，定义电磁兼容为设备或系统能在所处的电磁环境中正常运行并且不对该电磁环境产生任何不能容忍的电磁扰动。在电磁兼容的概念中，用排放（Emission）表示设备产生的电磁污染，用（Immunity）表示设备抗电磁污染的能力，并以此为基础，制定了一系列电磁兼容的标准。

1.2.2衡量电能质量的主要指标

由于所处立场不同，关注电能质量的角度不同，人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识，但是对其主要技术指标都有较为一致的认识。主要指标为国家技术监督局相继颁布的涉及电能质量五个方面的国家标准，即：供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压允许不平衡度，公用电网谐波，以及供电频率允许

偏差等的指标限制。

(1) 电压偏差（voltage deviation）：是电压下跌(电压跌落)和电压上升(电压隆起）的总称。

(2) 频率偏差（frequency deviation）：对频率质量的要求全网相同，不因用户而异，各国对于该项偏差标准都有相关规定。

(3) 电压三相不平衡（unbalance）：表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准。

(4) 谐波和间谐波（harmonics & inter-harmonics）：含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流称为间谐波，小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波。

(5) 电压波动和闪变（fluctuation & flicker）：电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。

此外IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会从电压幅值和电压波形两个方面采用11种指标来衡量电能质量 ，其中电压幅值指标包括：断电（interruption）、电压下跌（sag）、电压上升（swell）、瞬时脉冲（impulse）、电压波动（fluctuation）与闪变（flicker）、电压切痕（notch）、过电压（over-voltage）、欠电压（under-voltage）、电压波形指标包括：谐波（harmonic）、间谐波（inter－harmonic）、频率偏差（frequency deviation）。

1.2.3目前存在的问题

对电能质量进行监测是获得电能质量信息的直接途径，虽然这方面的监测仪器已不少，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窗太长，仅测有效值已不能准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：

（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，因此需要采用多种判断来启动测量装置，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。

（3）建立有效的分析和自动辨识系统，使之能反映各种电能质量指标的特征及其随时间变化规律。随着电力市场运营模式的逐渐实施和电能质量的法规化，供电质量将会引起越来越多的重视，开发电能质量的分析检测软件将是新的研究方向。

电能质量分析和计算的准确性不仅依赖对各种干扰数学模型的描述，还和网络参数的可信度有关，近年来，基于数字技术的数学分析方法主要应用在电能质量的一下

领域：

（1）分析谐波在网络中的分布；

（2）分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络的传播；

（3）分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用；

（4）多种控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。

目前所采用的方法有三种：

（1）时域仿真方法，该方法在电能质量分析仲应用最为广泛，其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象迸行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP、EMTDC、NETOMAC、BPA等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER等电力电子仿真程序两大类。由于这些仿真程序在不断发展中，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。

（2）频域分析方法，该方式主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描，谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特征，近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方式，即在常规的谐波潮流计算法基础上，利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出备次谐波动态电流矢量，从而得到动态谐波潮流解。

（3）基于变化的方法，这里主要指Fourier方式方法、短时Fourier变换方法，加窗傅里叶变换和小波变换(WT)方法。

1.3 电能质量治理概述

影响电能质量的原因各种各样，大体可以分为：

（1）内因。系统本身接有电弧炉、整流器、单相负荷、大功率电动机等干扰性负荷。这些负荷对电网产生负面影响，如谐波、无功冲击、负序等，而且这些负面影响可能通过公共连接点（ PCC）波及其它终端用户。因此，系统中必须安装相关装置，以 及时缓解这些问题，而且还应根据电能质量评估体系，利用经济杠杆约束此类用户对电能质量的影响。

（2） 外因。雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线路切换等都可能干扰系统，造成断电或电压变动，甚至影响到相邻线路，导致有害影响蔓延。现在采取的措施，一是减少故障发生的次数和改变排除故障的方式，目前配电系统中的线路主保护是电流保护，该保护最大的缺陷是线路中相当大部分区域上的故障不能无时延地予以切除，此外即使无时延保护，从检测出故障到断路器开断故障，最快也需要3~6 个周波。若是永久性故障，多次重合闸则导致电压的不断波动，这在图 2 中可以很明显地看出来。二是降低装置对电能质量问题的敏感性，主要是用户

侧在敏感负荷或关键负荷处安装补偿装置，这种方法对单个负荷可有直接和明显的效果，但是受限于补偿装 置的容量和价格，应用范围也受到限制。

目前在电能质量检测与控制中，有两个重要环节需要深入探讨：

（1）实时准确地检测。检测值可能是要滤除的谐波、要补偿的无功或要平衡的不对称值等。已经出现的检测方法很多，大多数的检测方法在信号平稳时，能准确地检测出干扰值。而这里的“实时检测”主要是指当信号被干扰时，检测电路的实时跟踪速度，目前大多数的常规检测方法很少能做到这一点，而实时性对于持续时间较短的电压跌落、突升、闪变、谐波等尤为重要。以谐波检测方法为例，为提高实时性，文献提出了不同的方法，有的是常规方法的改进，更多的是新理论的灵活应用。但这些检测方法在改进的同时也带来了新的问题，如要选择合适的数学函数、变换结果的相位与幅值会出现偏差等，所以它们的有效性还有待进一步研究。

（2） 求得补偿信号的参考值后，要快速准确地驱动变流器，产生补偿信号。目前出现的控制方法有：滞环比较控制、空间矢量控制、无差拍控制等。这些方法各有优点，可根据实际情况灵活选用。

无论是检测还是控制，

存在的主要问题都是如何

减小以至消除时滞，使补偿

偏差最小。

电能质量控制器（或有

源滤波器）的结构一般是：

靠近源侧（或负荷侧）连接

一并联逆变器，靠近负荷侧（或源侧）连接一串联逆变器，两逆变器通过公共的直流电容结合在一起。串联部分的功能为补偿各种干扰，并联部分的功能为有源滤波、动态补偿无功、为直流电容提供能量等。当在直流侧并联能量储存装置时，还能使负载不受瞬时停电的干扰。整个电路的三个主要组成部分为检测电路、控制电路 PWM形成及驱动电路，如图 3所示。

在图 3的基础上进行改变，例如只取并联侧或只取串联侧；使用三相整流桥或三相 PWM整流桥；储能部分采用蓄电池、超导、飞轮或超级电容器，以供应短时有功电力；不同的补偿目标采用不同的控制方法等，就可以制造出不同的设备，实现不同的功能。

第二章 电能质量检测方法

2.1复调制细化谱分析方法

复调制细化谱分析方法，又称为选带频率细化分析方法，是基于复调制移频的高分辨率傅里叶分析方法，一般简称为Zoom FFT（ZFFT）方法，是信号处理领域70年代发展起来的一项新技术，FFT只能分析从零频开始的一个低通频带，且频带分辨率越高，ZFFT就是设法将感兴趣得那段频带谱移动到零频带附近，在进行常规的FFT运算。

通常的FFT方法在整个分析频带内具有相同的频率分辨率，这无疑是一种浪费。如果想提高分辨率，在采样频率不变的情况下，只能增加采样点数，但这样会极大地提高运算量，不利于运算的实现。而降低采样频率，保持采样点数不变，同样可以提高采样分辨率，但是采样频率降低后有可能造成频谱的混叠，如果将感兴趣得频段移动到原点附近，在进行低通滤波以免频率混叠，然后进行重采样以降低采样频率，这样就可以在不增加采样点数的情况下获得高的多的频率分辨率，该方法即为复调制细化谱分析方法。

复调制细化谱分析方法主要包括以下几个步骤：移频－低通数字滤波－重抽样－FFT及谱分析－频率成分调整这样一个流程。经过几个处理步骤分析说最得最终结果，完全能反映出原数字序列在某一频率范围内的频谱特性，幅度绝对值相差－比例常数D。与同样点数的直接FFT相比折椅细化分析方法所获得的频率分辨率要高D倍。

2.2常用的电压波动检测方法

要检测电压波动和闪变，首要的任务就是准确地提取出波动信号，通常将波动电压看成以工频额定电压未载波，起电压的幅值受频率范围在0.05～35Hz的电压波动分量调制的调幅波。因此，电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法，用于载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号，将电压波动分量与工频载波电压分离，通过带通滤波器得到波动分量。为使分析简化又不失一般性，通常分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制。

目前常用的电压波动的检测方法有五种，即牌坊检测法，有效值检测法、整流检测法、小波分解和同步检测法以及补偿迭代检测法。

2.2.1平方检波法

国际电工委员会(IEC)推荐平方解调检测法，即将工频电压平方，然后利用借调带通滤波器检测出调幅波。

如果利用0.05～35Hz的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量，并且考虑手机上的调制指数m＜＜1，存在的调幅波电压的倍频分量幅值远小于调幅波的幅值，可忽略不计。

这种方法较适合用数字信号处理的方法来实现，也为IEC推荐的闪变测量原理框图所采用。

优点：简单，便于数字化实现。

缺点：忽略了波动量中的倍频分量。

2.2.2有效值检波法

有效值检测法是利用RMS/DC变换器将波动的输入交流电压变换成脉动的直流电压，再经解调带通滤波器后获得的波动信号。RMS/DC变换器输出的直流电压值为输入交流电压的方均根值，其脉动成分即反映了输入电压方均根值的变化。

这种方法，就实现而言，要将方均根值的计算时间准确地整定在半个工频周期是相当困难的，而且其元件参数整点较为困难。另外，该方法可去除直流分量和二倍工频分量等，只保留调幅波，但其中不会完全没有直流分量，仍需隔直和滤波。

优点：可以很好地检测出波动电压信号。

缺点：就实现而言，要将均方根值的计算时间准确地整定在半个工频周期是相当困难的。

2.2.3基于线性调配Z变换的闪变测量方法

1、考虑到平方检波法简便易行，并且不需要同步采样，这里用减去平均值的方法代替隔直滤波器，在进行截至频率为35Hz的低通滤波，即刻得到波动分量，如果平方后的信号不进行隔直和低通滤波而直接进行频谱分析，由于其中的波动的分量较小，而直流分量和高频分量大，检测结果容易受到干扰。

2、利用CZT变换对0~35Hz之间的频谱进行细化分析，得到各个波动分量的频率以及幅值。进行CZT变换时其中的卷积可以利用FFT来进行计算，大大的提高运行速度，因此，应当使CZT变换的点数满足2的n次方关系。由于进行高精度频谱分析的判断是固定的，这就使的A和W成为常量，可以事先计算出来，以查表的形式存储，节省运算时间。

3、按照IEC的规定对瞬时闪变视感度进行分级，分级数不得小于64，生成CPF曲线。

第三章 电能质量在线监测系统简述

3.1电能质量在线监测系统概述

电网由“发、输、变、配、用”五个环节组成，作为用户侧的“配、用”电环节消耗着总电能的80%。随着社会经济发展，电气化铁路、电弧炉、变频器等冲击性、非线性、不平衡度负载在电力应用中越来越多，谐波、负序、闪变、电压暂态等电能质量问题直接影响着电力系统的供电安全。电能是一种商品，其质量问题是供应商和客户共同关注的问题。用电企业有必要建立电能质量监测系统，实现对整个配电电网电能质量的实时监控。

3.2电能质量在线监测系统组成

电能质量在线监测系统主要有现场监测层，通讯传输层和数据管理层组成，系统拓扑结构见图1。组网方式有网线、光纤、无线三种模式。

3.2.1现场监测层

现场安装各类电能及电能质量监测设备，要求具有通讯功能。可以选择安科瑞的ACR330ELH、ACR320ELH、ACR230ELH、ACR220ELH等电力仪表，主要功能：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO，RS485通讯接口、Modbus协议。

3.2.2通信传输层

为了将监测层设备采集的数据传送到服务器而负责数据通讯传输的设备，主要有通讯管理机、串口服务器、网络交换机等。数据采集终端通过串口与监测层设备通讯，读取其中数据，并进行初步分析、整理，将数据保存在本地SD卡中，之后将数据传输给无线通讯模块。无线通讯模块采用射频技术，在现场组成无线局域网络，将各点数据采集终端整理的数据收集并传输到后台服务器，也可用网线或光纤的方式传输数据。

3.2.3数据管理层

对采集数据进行存储、解析及应用的过程，包括服务器架设、各种软件的应用。

3.3电能质量在线监测系统功能

3.3.1标准的监测系统

标准的监测系统具有CAD一次单线图显示中、低压配电网络的接线情况；庞大的系统具有多画面切换及画面导航的功能；分散的配电系统具有空间地理平面的系统主画面。主画面可直接显示各回路的运行状态，并具有回路单点、非带电及故障着色的功能。主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。

3.3.2用户管理

可对不同级别的用户赋予不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性，如对某重要回路的和/分闸操作，需操作员级用户输入操作口令，还需工程师级用户输入确认口令后方可完成操作。

3.3.3数据采集处理

通过安科瑞Acrel-2000型电力监控系统可实时和定时采集现场设备的各电参量及开关量状态（包括三相电压、电流、功率、功率因数、频率、谐波、不平衡度、电流K系数、电话波形因子、电压波峰系数、电能、温度、开关位置、设备运行状态等），将采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示（总系统功率、负荷最大值、功率因数上下限等），并对重要信息量进行数据库存储。

3.3.4趋势曲线分析

系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的负荷运行状况。如通过调用某配出回路的实时曲线可分析该回路的电气设备所引起的信号波动情况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，方便工程人员对监测的配电网络进行质量分析。

3.3.5报表管理

系统具有标准的电能报表格式并可根据用户需求设计符合其需要的报表格式，系统可自动设计。可自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、事件故障及告警记录报表，操作记录报表等，可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置；系统设计还可根据用户需求量身定制满足不同要求的报表输出功能。

随着社会经济的发展及电力的广泛应用，电能质量分析管理已成为电网用户侧配电系统建设的必然选择，以上介绍的电力质量分析仪，可以实现对电能的在线监测，实现对采集数据的分析、处理，并生成各种电能及电能质量报表、分析曲线、图形等，便于电能的分析、研究。

第四章 电能质量治理方式

电能质量的检测通常包括主干电力网电能质量检测和特殊用户的电能质量检测两种。主干电力网的检测装置安装在系统的枢纽变电站中，主要对系统母线电压碱性监测，检测的目的是了解整个电力网的电能质量情况。特殊用户的电脑质量检测装置可以安装再用户变电站的电源进线侧，也可以安装在向该用户供电的系统变电站的出线侧，主要监视装置安装处的母线电压和线路中断额电流，检测的目的是了解被监视用户对电网产生污染的情况。

装置测量计算的电气量主要有：三相电压、电流的有效值；电网的频率；电压、电流中各次谐波的含量及谐波总含量；各次谐波功率及畸变功率；波形及波峰因数；电压、电流中的负序和零序分量；在出现电压闪变的情况下对闪变的性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的电压波形。

在检测的上述各量出现异常时，装置应能够根据具体给出声光报警信号，并能够记录异常发生的时刻、持续的时间等信息。

4.1电压偏差

电压是电能质量最重要的指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。

4.1.1电压偏差的定义

供电系统在正常运行方式下，某一节点的电压测量值与系统标称电压（通常，电力系统的额定电压采用标称电压去描述，对电器设备则采用额定电压的术语）只差对系统标称电压的百分数称为该电压节点的电压偏差。

供电系统正常运行方式是指系统中所有电气元件按预定工况运行。供电系统在正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常变化，系统中各节点的电压随之发生改变，会偏离系统电压额定值。电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率小于额定电压的1%。

电压的方均根值偏离额定值的现象称为电压变动，所以电压偏差属于电压变动的范畴。与同属电压变动范畴的过电压和欠电压相比，电压偏差仅仅针对电力系统正常运行状态而言。过电压和欠电压既可能出现在电力系统正常运行方式下，也可能出现在电力系统非正常运行方式下，如故障状态等。电力系统正常运行方式下，机组或负荷的投切所引起的系统电压偏差并不大，起绝对值不大于标称电压的10%。系统在非正常运行方式下，由于故障所引发的系统电压变动与故障点距离的远近有很大关系。

此时，系统实际电压可能严重偏离标称值，也可能偏离标称值的幅度并不大，距离越近，电压低于标称值越多。反之，距离越远，电压低于标称值越少。此时，电压偏差强调的是实际偏离标称电压，分别未高于标称电压的110%和维持在标称电压的10%~90%，并且持续时间超过1min。

4.1.2电压偏差的限值

用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将会受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异，一般而言。35KV以上供电压无直接用电设备，用电设备大多通过降压变压器接入供电系统，合理选择降压变压器的分接头位置可以起到一定的调压作用。因此，目前我过对35KV及以下供电电压规定了允许电压偏差。供电电压指标允许限制

表1.1供电电压指标允许限值 我国的国家标准GB/T12325-2008《电能质量 供电电压偏差》对电压偏差做出了详尽规定。

4.1.3电压偏差过大的危害

电压偏差过大对广大用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会差生极大的危害。

4.1.3.1电压偏差过大对用电设备的危害

所有用户的用电设备都是按照额定定压进行设计和制造的，当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，很可能会由于过电压过过电流而损坏。

1、对照明设备的危害。照明常用的白炽灯、荧光灯等设备，其发光效率、光通量以及使用寿命均与电压有关。

2、对电动机的危害。用电设备中大量使用的异步电动机，其电磁转矩、效率和电流与端电压关系十分密切。其最大电磁转矩（功率）与端电压的平方成正比。此外，

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