电能质量体系评价

电能质量体系评价

一.电能质量概述

随着科学技术的进步和国民经济的发展，能源的综合开发与科学使用已成为我国可持续发展的一项战略国策。电能的使用范围十分广泛，它既清洁方便、经济实用，又容易操纵。电能经济效益的好坏与应用程度的高低已成为衡量一个国家经济发展程度的一个重要标志。

电能作为一种特殊的商品，应具有质量的属性。电力用户需要电能，电力部门提供电能，二者共同决定电能质量。电能以商品的形式进入电力市场时，其质量问题逐渐突出[1]。电力用户的需求将由之前的电量需求向高质量及合理电价的需求转变，且有可能根据自身的需要要求电力公司提供更高质量的电能，有些用户甚至要求签署电能质量协议和供电合同来保证自己的利益。近年来，随着非线性设备的广泛使用，非线性、冲击性负荷持续增加，电网负荷急剧增长，这将会对供电系统的电能质量造成严重污染及不良影响[2]。由于以上原因，由电能质量引发的问题及事故不断增多，由此带来的经济损失也不断增加，电力企业之间的竞争也变得更加激烈。

因此，对广大的电力工作者而言，如何提高电力用户对电能质量问题的认识，科学、合理、有效的解决电能质量问题己成为其所面临的一项重要任务[3-5]。

1. 电能质量的基本含义

理想的电力系统供给用户的电能的电压要满足以下要求：波形应是理想的正弦波，频率应为 50Hz，用电负荷特性不受这些运行参数的影响，并始终保持负荷电流和三相交流电压的平衡，同时应保证不中断地向电力用户供电。电力系统供应的电是三相交流电，其各相电流大小和幅值均相等，相间互差120°且保持三相对称。实际中，电力系统中的各元件参数并不是理想的或者不处于完全对称的状态；加之用电负荷的随机性、易变性与多样性，电力系统运行时将受到负荷特性的影响；同时输配电过程中也容易发生各种操作事故，如此诸多的因素使得电力系统常常无法处于最理想的工作状态，电能质量的概念便由此诞生。从普遍意义上说，电能质量指优质供电[6]。由于看问题角度的差异，人们对电能质量技术含义的认识也不同，迄今为止尚不能给出一个准确统一的定义。围绕其含义，可从不同角度来理解电能质量[7]，内容如下：

(1) 电压质量：日常生活中我们一般根据用户所用的实际电压和理想电压之差的大小来判断所供电力是否合格。其衡量的指标包括电压偏差、频率偏差、电压谐波、电压陷波、电压不平衡度、电压波动和闪变、电压暂升(暂降)与中断、电压瞬变现象、欠电压、过电压等。

(2) 电流质量：一般来说，用户电能要满足频率单一、相位与电压相同以及正弦波形三个条件。影响电流质量的因素有电流相位超前或滞后、电流噪声、电流谐波、间谐波与次谐波等。

(3) 供电质量：可以从技术与非技术两方面来讨论其含义。非技术方面的含义主要包括：电力价格是否合理与透明，投诉能否及时反馈，也就是指服务质量；技术含义通常包括电压质量和供电可靠性。

(4) 用电质量：在非技术上其主要表现在用户能否及时足额上交电费等，同时也受电流质量的影响。

2. 电能质量的基本性质

电能作为特殊商品不但具有其它商品的基本特性，还具有以下基本特征： (1) 可变性：电力系统并不是静止不变，而是时刻动态变化的，其流动始终维持着动态平衡。随着电网结构与用电负荷的变化，不同时刻、不同公共节点的电能质量的现象和指标也会出现差异。

(2) 整体性：电力系统是一个统一的整体，其电能质量状况相互影响，供需双方通过电气连接成一个有机整体，不管哪个环节出现问题，都将威胁到电力用户、电力设备和电力网络的安全有效运行。

(3) 潜在性：随着电能质量的下降，电力系统与电力设备将受到不同程度的危害，有时候这些危害并不会马上显现，因而具有潜在的威胁和影响。

(4) 系统性：控制和管理电能质量，需要电力用户、设备制造厂商、电力部门、标准制定部门和监督管理部门等个体互相合作，具有系统性，是一项系统工程。

3. 电能质量各项指标的含义

(1) 电压偏差

电压偏差(Voltage Deviation)是指在电力系统正常运行条件下，某节点的实际电压与系统的额定电压之差对系统额定电压的百分数。可用如下公式表示：

?U?Ure?UN?100%UN

式中，各个符号的单位为 kV，?U指电压偏差；Ure指实际电压；UN指系统标称电压。电压偏差仅对电力系统处于正常运行状态时而言，属于电压变动的范畴。在正常运行状态下，电压偏差绝对值一般不大于 10%。

(2) 频率偏差

频率偏差(Frequency Deviation)是指供电系统在正常运行方式下，系统频率的实际值与额定值（50Hz 或 60Hz）之差。可用如下公式表示：

?f?fre?fN (1.2)

式中，各个符号的单位为 Hz，?f指频率偏差，fN 指标称频率，fre指实际频率。电力系统基波频率偏离规定的正常值的现象称为频率变化。频率偏差的大小反映了系统频率变化的程度。 (3) 谐波

谐波(harmonic)是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度称为谐波畸变率(THD)，谐波畸变率是研究和分析谐波的一个至关重要的指标，表示如下：

THDU??Uk?2mkU1?100% (1.3)

式中，THDU指总的电压谐波畸变率，U1指基波均方根，Uk指各次谐波均方根； m 指计算的谐波最高次数，其值是根据所要求的计算精度和畸变程度取值，一般 m? 50。

(4) 三相不平衡

三相系统包括平衡三相系统与不平衡三相系统。平衡三相系统的三相瞬时总功率在任意时刻都与时间无关；而不平衡三相系统的瞬时总功率总与时间有关，是时间的函数。处于正常工作下的三相电力系统的电量可以依据对称分量法分解为负序分量和正序分量，电量负序分量的均方根值与正序分量的均方根值之比称为三相不平衡度。可以采用以下公式来表示：

?U?U2?100% (1.4) U1I2?100% (1.5) I1 ?1?其中，?U，?1指三相电压不平衡度与三相电流不平衡度；U1，U2分别表示电压正序分量与负序分量的均方根，单位为 kV；I1，I2指电流正序分量与负序分量的均方根，单位为 kA。

电力系统中存在的三相不平衡状态一般分为两种：正常性不平衡和事故性不平衡。电力系统在正常运行方式下，供电环节和用电环节引起的不平衡称为正常性不平衡。系统中各种非对称性故障（如单相、两相接地短路、两相相间短路等）引起的不平衡称为事故性不平衡。

(5) 电压波动与闪变

电压波动是指公共连接点电压在短时间里急剧变动，并且明显偏离标称电压值的一种电磁现象。典型的电压波动范围为 0.1%~7%，变化频率小于 25Hz。 电压波动的公式为：

d?Umax?Umin?100% (1.6)

UN式中，Umax,Umin分别指电压波动过程中电压均方根值处于相邻位置的两个极值，单位为 kV；UN分别指系统标称电压，单位为 kV。

闪变(Flicker)是指电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反映。闪变是指人对照度波动的主观视觉反映，是电压波动对一些用电负荷所造成的有害影响，它不属于电磁现象。通常人们用白炽灯的工作状况作为依据来判断电压波动值是否能引起闪变。

上述六项指标阐述了电能质量的概念与基本特征，他们的定义不但明确反映了供电方与用户的相互关系、相互作用以及影响，同时也明确界定了双方的责任与义务。

4. 电能质量的研究背景和意义

随着社会的不断进步和国民经济的蓬勃发展，电能在人们的生活中扮演着愈来愈重要的角色。电能质量的好坏直接影响着国民经济的总体效益。20 世纪 90年代开始，我国陆续颁布了一系列有关电能质量的评价标准，如电压偏差、谐波、电压波动与闪变标准等[8-9]，对电能质量的研究也在不断深入。近年来，随着非线性、冲击性负荷的不断增加，电网和电力用户中如谐波、三相不平衡、电压波动和闪变等电能质量问题也不断恶化[10]，而一些之前未被人们所重视的电能质量问题也逐步显现，如暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降以及短时间间断等。国外有专家认为，电压凹陷与短时间间断也已逐渐上升为重要的电能质量问题之一[11]。

最近几年，由电能质量导致的事故数量出现上升趋势，由其所引起的经济损失也在进一步地增加。如上海某家电子公司主要生产对供电电压下陷十分敏感的 0.25um~0.5um 的硅晶片，由于出现了长约 20ms 的电压降落 80%Un 事故，设备停止运转，直接导致该公司经济损失高达两百万！另据资料显示，美国仅一年出现的电能质量问题就带来 133 亿美元的损失[12-14]。因此，科学管理电能质量、提高治理电力污染力度是亟待解决的问题！

在现行电力市场机制下，电力用户可以作为独立的实体选择不同的电能供应商，并参与价格控制。各供电部门为了保持市场占有率，争取更多的用户资源，就必须向用户提供高品质的电能，提高对电力用户的服务水平。基于以上原因，我们应该明确地知道电能质量是优还是差，并尽可能地着手去建立一个相对比较优良的电能质量评估系统，从而科学、合理地评价电能质量。

电能质量评估已经是一个急需解决的问题，它的意义十分重大，主要表现在以下几个方面。

第一，电能质量由多种指标体现，是多个指标的有机综合，按照国家对供电质量制定的一系列的标准，电能质量的好坏不能只由供电是否合格来决定，单凭合格与不合格这两个等级的质量标准很难对电能质量的性质有一个真实、全面、自然的反映。因此，综合地评价电能质量，并据此科学、经济地解决电能质量的有关问题是摆在面前的一个亟待解决的任务。

第二，电网中存在着各种各样的电能质量问题，不同问题对不同设备有不同程度地影响。如果很多问题相互组合共同作用影响设备，其影响将是复杂的，只简单地关注某个指标是无意义的。此外，建立新的电力管理体制在全世界都在进行，在新体制建立时要求引进能带来高效率的竞争机制来减少运行成本，从而建

立一个开放的电力市场，使得电力用户与电力生产部门都能够获得较大的利益。

第三，处于电力市场环境下的电能具有质量属性。电价随着电能成本的不同而不同，所以要根据实际情况对电能质量进行评价。电力公司所追求的利益最大化目标与电能质量的目标保持着一致性，通过提高电力公司的电能质量，可以增强供电企业优质供电的积极性。

第四，针对个别对电能干扰有特殊要求的用户，应约束这类干扰的指标和限值。包括居民用户在内的绝大多数用户不愿因这类干扰而支付费用，而会选择具有较好电能综合性能的供电方。电能质量评估不仅关系到用户的切身利益，而且关系到整个电网的安全、稳定运行。

由此可见，我们应在电力市场环境下积极拓宽电能质量的内涵，彻底改变传统的电能质量评价方式，寻找切实有效的电能质量管理办法。电能质量综合评价有大量的工作要做：电能质量现象种类繁多，还有很多的电能质量问题没有列入国家标准，甚至还没有引起人们的足够重视；电能质量的评价指标体系还不健全、不规范；监测手段不足，监测网络尚待建立：对不同负荷的电能质量问题研究不够；各种评估方法还需要改进和优化等等。

在电能质量评估方面，我们不仅要反复实践，更要深入研究，只有这样，才能不断地丰盈和完善电能质量评估体系，使电能质量评估更加科学合理、更具可操作性。不仅要按质量对电能定价，满足用户的多元化需求，同时也要不断地激励供电部门提供更优质的电能。对电能质量的评估既是信息社会中用户对高品质电能的要求，也是电力市场改革进程中供电部门提高供电质量的要求。可以预计电能质量评估将会发挥更为重要的作用[15]。

5. 国内外电能质量评估研究现状

由于社会的进步，电能质量问题不断受到关注，相应的电能质量标准也陆续在各国出现。20 世纪 90 年代初，我国已颁布六项关于电能质量的国家标准[16-21]。但是这些规定只是规定了单项指标是否合格的限值，并没有规定采取怎样的评价方法。如果我们简单地就几个单项评价指标是否合格来评价电能质量的性质，这是不全面且不真实的。迄今为止，还没有完全成熟的关于电能质量综合评估的方法。现只能把单项指标评价作为对电能进行综合评价的过渡方法，很难进入更深层次的研究。文献[22]介绍了电能质量的各单项指标及其限值，定义了 6 个归并后的电能质量单项指标。在对电能质量进行评价时，就单项指标可以根据问题的不同使用不同的评价方法，从而顺利解决电能质量的具体问题。单项指标评价分块化了电能的整体性，也忽略了电能质量问题间的相互联系，这时就需要对电能质量进行综合评价。

电能质量进行综合评估在对供电部门进行电能质量考核、电能质量合理定价和评价用户对电能质量的满意度时，显得格外重要。多年来，电能质量工作者所追求的共同目标就是寻找一个相对全面、定量的方法对电能质量进行评估。遗憾的是，目前仍无一个全面、系统、公认的电能质量评价方法。国内外关于如何综合、全面的评价电能质量的研究正逐步升温，怎样以客观、科学的手段把多个单项指标综合为单一量化指标的问题仍然是其研究焦点。综合评估是在各单项指标评估的基础上建立起来的，但并不是将各单项指标的评估结果进行简单的综合。

过去曾有一些文献就电能质量的综合评价方法进行了一系列研究，重点主要集中在基于概率论、向量代数、模糊数学与层次分析法上。

文献[23]根据矢量代数与概率论提出评价电能质量的综合评估方法。依据概率统计特征值来描述分析电能各项参数，此法有效的把握了电能质量各单项指标主要特征，并对其进行归一量化，为电能按质论价提供了依据，但在确定方差的基准值和期望时，如果不能选择比较恰当的基准值，就有可能大大影响到评价的结果。

文献[24]依据国家标准确定了影响电能质量的各单项指标，建立了电能质量明了的测量结果和报警、自动诊断功能，因而统计功能十分有限。此种电能质量的监测过程与管理模式都存在严重的不足之处，不但无判断依据，也存在工作量大、效率低、实时性差、监测指标少等问题。如果要实现电能质量及时有效地测量和分析，就必须大面积的建设网络型电能质量监测与分析系统[35-37]。

模糊综合评价模型。在运用层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）求取电能质量指标加权向量的基础上，提出了二级模糊综合评价方法，并对 4 组实测数据进行了有效的综合评价。

文献[25]首先根据物元的概念及其相关函数理论就电能质量中相互关联的各个质量等级分别进行计算，由此得出电能质量的关联矩阵，然后根据层次分析法算出各个指标的权重系数，进而获得最终的评估结果。物元分析法易于实施，评价结果明确，但在计算目标权重系数时仍然排除不了主观因素的影响。文献[26-27]提出了基于模糊数学理论的电能质量综合评估方法。由于电能质量的某些指标不能确切地描述问题，因而也难以准确地描述定量关系，而模糊理论能有效解决这个问题，具有明显的优势，利用模糊理论方法可对配电网的电能质量进行有效的综合评估。但由于最大隶属度原则的片面性，很难找到含义明晰的隶属度函数，评估结果受人为主观因素影响较大，客观性较差。

文献[28]提出了一种基于熵权的 AHP 模糊综合评价方法，这种方法克服了传统 AHP 方法计算权值的缺陷，利用熵权对 AHP 方法得出的电能质量各指标权重进行修正，得出综合权重，并结合模糊综合评价方法对电能质量进行评估。

文献[29]将变电站母线作为电能质量综合评估的基本元，构造了区域性的电能质量综合评估体系，提出基于最大熵原理的投影寻踪分析模型 ME-PP 的母线电能质量综合评估方法和基于重要度和特征值的组合赋权法的区域性电能质量综合评估方法。

文献[30]提出了基于人工神经网络和模糊识别理论的电能质量综合评估。通过构建模糊神经网络模型，提高了系统的柔性处理能力和自组织、自学习和自适应能力；由于隶属度概念的引入，模型能识别同一等级电能质量之间的差异，评估结果更加客观、合理。

文献[31]提出了一种综合集成赋权法，该方法利用 Gl 法与熵值法分别确定主观权重与客观权重，不但操作过程很简单，同时也客服了单一赋权的局限性。

另外，基于小波变换、人工神经网络等方法进行综合评估的研究也在不断深入，并取得了不少成果[32-34]。近年来，计算机网络事业迅速发展，六项电能质量国家标准在电力部门广泛实施，对电能质量的管理监督工作也逐步迈入法制化轨道，这对电能质量监测技术的进一步发展起到了极大地推动作用。目前存在三种电能质量监测分析仪：第一种是主要用于测量谐波的手持式便携谐波分析仪，结构功能比较单一，多数不能进行综合测量、分析以及评价。第二种为便携式多功能分析仪，可以分析多数电能质量指标，但是多为定时的专业测量，而不能进行连续监测，因而在历史数据的对比和自动统计分析的功能上不完善。第三种为电能质量远程监测仪，主要用来对公共连接点的电能质量进行持续监测，由

于没有直观明了的测量结果和报警、自动诊断功能，因而统计功能十分有限。此种电能质量的监测过程与管理模式都存在严重的不足之处，不但无判断依据，也存在工作量大、效率低、实时性差、监测指标少等问题。如果要实现电能质量及时有效地测量和分析，就必须大面积的建设网络型电能质量监测与分析系统[35-37]。

6 .电能质量与电力系统运行状态的关系

从系统安全稳定角度出发，电力系统运行状态一般分为六个等级，即正常运行状态、警戒状态、紧急状态、极度紧急状态、崩溃和恢复。运行状态下的电压、电流和频率等电气参数既是运行控制的对象也是电能质量研究的主要内容。电力系统运行状态及电能质量的关系见表 1-1。可以想见，当电力系统在紧急、极度紧急甚至崩溃和恢复的状态过程中，系统自身的安全稳定以及保证局部或部分重要用户的供电是首要的，大部分区域的电能质量是得不到保证的。只有当电力系统在正常运行状态或警戒状态下经过有功和无功调整、控制保护等措施，按可接受的质量和数量向全局用户供电时，电能质量才会成为运行控制的主要目标函数之一，并由此质量才能得以保证。换言之，在正常运行和警戒状态下，电能质量才有评估的普遍意义。

(1) 电能质量评估与相关电力系统规划评估

电力系统可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供电的能力的量度，包括充裕度和安全性两个方面。充裕度评估采用线性负荷模型的静态特性，反映在研究时间段内电力系统容量满足负荷电量需求的能力。在系统的实际运行中，容量的充裕度是电能质量的电压偏差、频率偏差以及供电连续性的基本保证。安全性评估需要引入负荷的动态特性，反映在电力系统经受主要元件发生突然短路的动态条件下，系统容量满足负荷需求的程度[38]。在实际运行中，系统的安全性决定了暂态型电能质量的严重程度，以及可能引起的部分用户的长时间电压中断。

长期以来，人们对电能质量的关注只是聚焦在与电力系统充裕度相关的电压偏差、频率偏差和供电连续性上。近几年来，与系统安全性评估紧密相关的暂态

过程质量问题，尤其是电压暂降和短时间中断，也已经成为用户投诉的主要原因。

为了保证现代电能质量水平，除了电力系统可靠性的充裕度和安全性评估以外，还需要对特殊负荷接入系统进行评估，如非线性负荷、不平衡负荷和冲击性负荷的接入系统评估。所有这些评估的结果一般是用来指导电力公司内部规划、

设计和控制运行，以保证其内在质量目标和安全域的，本文将它们统称为与质量相关的电力系统规划评估。

在电力系统的正常和警戒运行状态下，为了监督电力公司对用户实际供给电能的质量水平，还要对电网电能质量实际运行状况进行监测与评估，以判断其是否满足要求限值，为进一步调整控制和治理措施提供依据。这就是本文研究的电力系统运行状态下的电能质量评估。

（2） 电能质量的特征决定了其评估的特殊要求

电能产品和其它产品一样，具有类似的基本特征，如对产品的质量指标可以分级、检测和评估，也可以确定相应的质量标准和实施必要的质量控制手段。但是，电能产品因为其生产、输送和消耗的全过程独具特色，因此，相比其它产品，还具有一些独特的特征，这也引起了在评估质量上的特殊要求：

（1）电力系统的电能质量始终处于动态变化中。随着电网结构的改变和用电负荷的随机变化，为了保证电能的生产与消耗处于动态平衡，在不同公共连接点、 不同时刻，电能质量症状的监测值往往是不同的。评估指标需要反映质量在时间上的流动特性和在空间上的分布特性。

（2）电能的生产、输送和消耗几乎同时完成，消耗的劣质电能是不可更换的，因此质量对设备造成的影响是不可挽回的。并且，诸如对设备使用寿命的影响等危害并不是立即显现的，其影响具有潜在性。在评估电能质量时，既需要反映立即显现的事件，也需要体现潜在的危害和影响性。

（3）电能质量是需要供、用双方共同保证和维护的特殊商品，电能生产、输送

和消费各环节组成了不可分割的统一整体，其间任何设备产生的质量干扰同时也 会在此整体上传播，甚至还有可能被放大。很多情况下消耗电能的用户是造成这些干扰的主要部分。在控制和管理电能质量时，需要明确双方的职责，共同维护。这就要求质量评估需要透明化，评估方法容易被双方接受和理解。

（4）电能质量是多个指标共同作用在一个系统上，其不同的组合结果对电力系统运行的不利影响和电气设备性能的降低，甚至损坏是一个系统问题。加之，电能质量的类型比较多，而且各类型的参量也较多。对众多与质量相关的特征联系起来进行整体描述和评估，就有必要建立一个全面的质量评估体系。

概括而言，电能质量的特殊性决定了我们需要建立一个具有一致性、合理性、 实用性、认同性、透明性、可操作性的电能质量评估体系。

二． 电能质量问题探讨

1 关于大规模集群风电接入电网的电能质量问题

（1）集群风电场电能质量问题分析

1）集群风电频率问题：2011 年风电大规模脱网引起了系统频率越限。当风电穿透率比较大时，大风速扰动也会对系统频率产生较大影响。当风机出力接近满载、系统的运行条件比较恶劣（如电压波动大）时，风电机组很容易在系统扰

动或风速扰动条件下停机，或各种原因导致大面积脱网，如风速达到切除风速等，会引起系统频率越限。

2）集群风电谐波问题：集群风电谐波问题较为突出，主要是5、7次等高次特征谐波。对于风电机组而言，谐波电流的真正来源是风电机组中的电力电子元件。 定速机组由于没有电力电子设备，机组在连续运行中基本没有谐波产生， 当机组进行投入操作时，软并网状还处于工作状态，将有谐波电流产生，但由于投入过程较短，谐波注入可以忽略。变速风电机组采用了电力电子设备。其中，双馈式异步式风电机组的发电机定子直接馈入电网，而发电机转子通过经直流环节连接的两个变流器馈入电网。永磁直驱同步风力发电机组所发电力则通过背靠背全功率变频器直接馈入电网，该背靠背全功率变频器由发电机侧变流器、直流环节和电网变流器组成。不论是哪种类型的变速风电机组，机组投入运行后变频器都将始终处于工作状态。因此变速风电机组的并网运行会引起谐波注入问题。 3）集群风电电压问题：主要是功率波动引起电网电压波动，在甘肃河西电网问题突出。 风电场风速扰动引起风电功率的波动将导致电网电压的波动， 特别是阵风和渐变风的影响明显。波动的幅度不但与风电功率大小有关，而且与风电 场分布和电网特性等有关。初步的分析测试表明，并网点上电压波动和闪变在允许范围内，不对称度在正常运行时也很小。 风电发生大规模脱网事故时由于无功补偿装置调节不及时导致电压升高。风电场直接接入输电系统，当地无负荷，不会影响用户的电压质量。 （2）集群风电电能质量特点

1）现在大规模集群风电场一般占当地电力系统的装机容量比例比较大，可以看作是电力系统的主力电源之一，且大部都集中接入输电网，而我国电能质量的

国家标准都是针对给电力用户供电的电源点且电压等级在110 kV及以下。 从前面的实测例子可以看出，风电场并网点（PCC）的电能质量限值要结合电网参数换算，而不是直接比对，所以参照执行的差别较大。

2）大规模集群风电场及接入电网点附近，没有电力用户，没有消费，电能直接送入输电网，可以看成是电能的初级产品，输入电网后，还要经过电网的进一步升压、与水火电等打捆传输、变压、滤波，这个过程可以看作是电能的进一步加工，这突显了电网功能随着大规模可再生能源的开发和智能电网建设而强化。通过电网的加工处理，只要最终供给用户的电能质量合格，不影响电网安全、经济，风电场的电能即可满足要求。所以风电场电能质量问题， 主要是要适应智能电网灵活接纳的要求，其次是参照满足供电电能质量要求。

3）风电场电能质量要参照满足供电电能质量要求，还面临电能质量考核标准的完善化，如区分风电场接入的电压等级、容量，接入变电站有无当地负荷以及负荷类型等；风电场并网点的电能质量指标与风电场内各机组电能质量指标之间的关系，如能否直接给出单个风电机组的电能质量限值；有了单个风电机组的电能质量报告后，如何直接推导并网点的电压波动和闪变、电流电压谐波等；超高压一般用电容式电压互感器，如何测量或得到超高压并网点的电压谐波等。如果可以用风电机组出厂的电能质量报告计算和评估并网点的电能质量是否合格，则可以避免在高压 PCC点测量电能质量，大幅度提高效率，因为现场测试要等风速达到测试要求，往往要耗费大量人力物力。

4）千万千瓦级风电基地的集群开发模式，在发生任何扰动或故障时，由于风电机组的抗扰动能力相对较弱，集群特性有可能要放大这种影响，所以电网运行及电能质量、特别是谐波、电压波动和闪变面临很大挑战。如酒泉千万千瓦级风

电基地来说， 3×200 MW 风电场并网点在330 kV升压变高压侧， 而集中接入点在750 kV主网变电站330 kV侧，在此 330 kV 母线接入的风电装机容量超过 3 500 MW，还将继续增加，而对这一点的电能质量没有测量，也没有标准。单个200 MW风电场谐波、电压波动和闪变不超标，如果很多个风电场的影响叠加， 由于风速波动的影响， 加之处于新疆-西北联网通道，输电线路长，常规电源弱，还有高铁影响，谐波、电压波动和闪变有多严重，如何测量和评估需要进一步研究。

（3） 我国风电有关电能质量标准化工作

伴随着智能电网的快速发展，越来越多的风电、光伏等新能源、分布式能源、微电网等相关技术得到广泛应用。由于新能源间歇发电的特点比较明显，各地能源性质及条件差异较大，如何从横向上将相关标准统一，且能满足不同性质能源合理规范地接入，是今后标准制定工作需要突破的难点。

另外，从纵向看，建设坚强智能电网，满足新能源的灵活接入，需要特高压、超高压等各个等级的输配用电环节都有完善健全的标准覆盖。至今由国内标准化技术委员会及相关行业标委会组织制定的电能质量方面主要标准有如下几个方面[16]。

1） 2） 3） 4）

电能质量指标国家标准八项：

①供电电压偏差 （GB/T 12325-2008） ； ②电压波动和闪变 （GB/T 12326-2008）； ③公用电网谐波（GB/T 14549-1993）（正在修订）；

5） 6）

④三相电压不平衡（GB/T 15543- 2008）； ⑤电力系统频率偏差（GB/T 15945-2008) ；

⑥暂时过电压和瞬态过电压（GB/T 18481-2001）； ⑦公用电网间谐波（GB/T 24337-2009）； ⑧电能质量电压暂降与短时中断（正在制定中）。

2）测量国家标准 1 项：电能质量监测设备通用要求（GB/T 19862—2005）。

3）设备国家标准 1 项：半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则 （GB/T 10236—2006） 。

4）新能源接入的国家标准 4 项：

①地热电站接入电力系统技术规定（GB/T 19962—2005）； ②风电场接入电力系统技术规定（ GB/T 19963—2011） ； ③光伏发电站接入电力系统技术规定（GB/Z 19963—2005）； ④分布式电源接入配电网技术标准（2012 年国家标准计划）。 5）新能源设备电能质量国家标准1项： GB/T 20320-2006 风力发电机组电能质量评估和测量方法。

6）治理设备（装置）国家标准 4 项：

①静止型无功功率补偿装置（SVC）现场试验（GB/T 20297—2006） ； ②静止型无功功率补偿装置 （SVC）功能特性（GB/T 20298—2006）； ③输配电系统静止无功补偿器用晶闸管阀的试验（GB/T 20995—2007）；④高压滤波装置设计与应用导则 （GB/T 26868—2011）。 7）

治理设备（装置）新能源相关行业标准比较多：

①高压静止无功补偿装置（ DL/T 1010.1~10100.5—2006）； ②电能质量测试分析仪检定规程（DL/T 1028—2006）； ③电能质量技术监督规程（DL/T 1053—2007）； ④电力系统电能质量技术管理规定（报批稿）； ⑤电能质量术语（报批稿）；

⑥电能质量检测装置运行规程（报批稿）； ⑦电能质量检测装置技术规程（报批稿）； ⑧低压有源电力滤波装置（报批稿）； ⑨电能质量评估技术监督导则（制订中）；

⑩35~220 kV变电站无功补偿设计技术规定（DL/T 5242—2010）等。 国家能源局 NB 系列 3 项：①大型风电场并网设计技术规范；②风电场电能质量测试方法；③风力发电机组电网适应性测试规程。

8）

国家电网公司有关标准(企业标准)：

①已经发布标准。Q/GDW 392-2009 风电场接入电网技术规定；Q/GDW 432-2010 风电调度运行管理规范； Q/GDW 630—2011 风电场功率调节能力和电能质量测试规程； 风电并网运行控制技术规定；风电功率预测系统功能规范；风电场调度运行信息交换规范。

②正在制订标准。风电场无功配置及电压控制技术规定；并网风电场继电保护配置及整定技术规范。

③有关规定。风电场接入系统设计内容深度规定；办理新建发电机组进入商业运营工作规定；防止风电大规模脱网重点措施；国家电网公司十八项电网重大反事故措施（修订版）。

④各网公司(分部)及省公司有关规定。安全性评价规定；新能源发电场（厂）验收规定；调度运行规定等。

(4) 风电电能质量标准化

为了适应风电稳步发展和智能电网建设的要求，应从以下几个方面建立和完善集群风电电能质量标准。

1）风电电能质量术语，要按风电特点加以区分，如大规模集群风电、分布式风电等。

2）区分不同风电特点的电能质量限值、基本要求系列；包括电压偏差、频率偏差、谐波（包括间谐波）、三相电压平衡度、电压波动和闪变、电压暂升和暂降、短时和长时断电、暂时过电压和瞬态过电压等。

3）区分不同风电特点的监视、测量和评估方法系列标准。 4）区分不同风电特点的监视、测量和分析设备仪器系列标准。

5）区分不同风电特点的电能质量控制装置及应用导则系列标准。包括风电谐波治理、改善风电静动态电能质量特性的设备、 装置及其应用的标准，如 SVC（静止无功补偿装置）、PF（无源电力滤波兼无功补偿装置）、TSC（TSR）（晶闸管投切电容器或电抗器）、APF（有源电力滤波兼无功补偿装置）、SVG（静止无功发生器）等。

6）区分不同风电特点的电能质量管理的系列标准等。

标准制定过程中，还要特别考虑到大规模集群风电并网的特点，如直接接入输电网，就地无用电负荷，常规电源弱，单个接入变电站容量大等。[39]

2 关于风力发电引起电压波动和闪变的电能质量问题

（1） 机理分析

从并网风电机组输出的功率波动着手，分析了风力发电引起电压波动和闪变的主要原因，并介绍了关于并网风电机组电能质量的国际电工标准 IEC 61400-21[3]，总结了风力发电引起的电压波动和闪变的计算方法和影响因素， 最后对未来的研究方向和研究重点进行了展望。

风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动， 下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理。图1为风电机组并网示意图， 其中E为风电机组出口电压相量，V为电网电压相量，R1X1分别为线路电阻和电抗，Ia、Ir分别为线路上流动的有功电流和无功电流相量。一般而言，有功电流要远大于无功电流。

????

由图1(b)可见， a I R &1 是造成电压降落的主要原因，R1Ia 与jX1Ia垂直，造成的电压降落可以忽略不计。由图 1(c)可见，jX1Ir是造成电压降落的主要原因，R1Ir与V垂直，造成的电压降落可 以忽略不计。所以有功电流和无功电流都会造成 明显的电压降落，分别为R1Ia和jX1Ir。当并网风 电机组的输出功率波动时， 有功电流和无功电流随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。 影响风电机组输出功率的因素很多， 其中风速的自然变化是主要因素。 风电机组的机械功率可以表示为

P?1?CP(?,?)Av3 (1) 2???????式中P为功率；?为空气密度；A为叶片扫风面积；v为风速；CP为功率系数，表示风电机组利用风能的效率，它是叶尖速比?和桨距角?的函数，叶尖速比?定义为

???R/v (2)

式中?为叶轮转速，R为叶轮半径。

由式(1)可见，空气密度? 、叶轮转速?、桨距角?和风速v 的变化都将对风电机组的输出功率产生影响。风速v的变化是由自然条件决定的，随机性比较强，且功率与风速的三次方近似呈正比，因此当风速快速变化时，并网风电机组的输出功率将随之快速变化。 叶轮转速?和桨距角? 的变化由风电机组类型和控制系统决定， 先进的控制系统能够减小风电机组输出功率的波动。

此外，在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。常见的转矩和输出功率的波动频率与叶片经过塔筒的频率相同。对于三叶片风电机组而言，波动频度为3p（p为叶轮旋转频率）时，最大波动幅度约为转矩平均值的20%。

塔影效应是指风电机组塔筒对空气流动的阻碍作用，当叶片经过塔筒时，产生的转矩减小。远离塔筒时风速是恒定的，接近塔筒时风速开始增加，而更接近时风速开始下降。塔影效应对下风向类型风电机组的影响最严重。塔影效应可以用频率为3p倍数的傅立叶级数表示。由于叶片扫风面积内垂直风速梯度的存在， 风剪切同样会引起转矩波动。 风剪切可用以风电机组轮毂为极点的极坐标下的二项式级数表示。从风轮的角度看，风廓线是一个周期性变化的方程，变化频率为 3p的倍数。

除了塔影效应和风剪切引起的输出功率波动外，在风电机组输出功率中还可检测到频率为p的波动分量，其出现的主要原因可能是叶片结构或重力不完全对称。此外，频率为塔筒谐振频率的波动分量也比较明显，它可能是由于轮毂的横向摆动引起的。

并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。[40-44]

（2） 影响因素

影响风力发电引起的电压波动和闪变的因素很多，如风况（平均风速和湍流强度等） 、风电机组类型、控制系统（桨距和速度控制等）和电网状况（风电机组公共连接点的短路容量、电网线路X/R 比和公共连接点所连接的负荷特性）等。

风况对并网风电机组引起的电压波动和闪变影响很大，尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大， 风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时，恒速风电机组产生的电压波动和闪变继续增大， 而变速风电机组因为能够平滑输出功率的波动， 产生的电压波动和闪变却开始减小。 湍流强度对电压波动和闪变的影响较大，两者几乎成正比例增长关系。

并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电能质量影响很大。 例如， 恒速风电机组对p和3p频率比较敏感，会产生较大的电压波动和闪变；但变速风电机组却可以减轻3p频率的影响， 变速风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速风电机组，几乎是恒速风电机组的1/4。

并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。合适的X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功

率引起的电压波动补偿掉,从而使整个平均闪变值有所减轻。研究表明，当线路X/R比很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变很大。当线路X/R 比对应的线路阻抗角为 60°~70°时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最小。

并网风电机组在启动、 停止和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变。分别计算了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变， 并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较。由于启动时无法控制叶轮转矩，而持续运行过程中的功率波动较小，所以恒速定桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变要比持续运行过程中产生的电压波动和闪变大。对于恒速变桨距风电机组，结论是相反的。在塔影、风剪切和有限的桨距调节范围的联合作用下， 恒速变桨距风电机组持续运行过程中的功率波动幅值非常大， 从而产生较大的电压波动和闪变； 而恒速变桨距风机组可以控制叶轮转矩，启动时产生的电压波动和闪变比较小。

3 用于含风电网电能质量检测与定位的改进型自适应提升小波算法研究

风电并网的电能质量由于风能的随机性、间歇性和不可控性[45]，其检测分析的热点、难点就是对暂态的、突变的、非平稳信号的检测与分析。因此，选取合适的电能质量的检测分析方法是一项重要研究点。

目前，小波变换因其具有的时频多分辨分析能力，在对风电电能质量的分析多尺度过程和突变过程检测分得到了青睐。然而，采用经典小波提取特征信号时，对于同一个动态信号中的特征波形，选取不同的小波基函数可能会导致不同的收敛速度和分析精度，且易受到噪声的影响产生多个伪极值点，造成实际检测分析

的困难[46-49]。

基于在双正交小波和完全重构滤波器组的小波提升方法理论基础上，采用基于局部最大梯度法的自适应更新、每层最小均方误差预测法的自适应预测和“更新优先”的提升方案，自适应地选择预测器与更新器算子，得到一种改进的自适应提升小波的风电并网的电能质量的检测分析算法。该算法在频域和时域都能够表征信号局部特征，适合于检测信号中混杂的暂态反常信号并进而展示其对应成分。通过对复杂频率成分采用逐步精细采样步长，聚焦到信号的任意细节，能很好处理突变信号。仿真实验表明，本方法可很好应用于风电电能质量的电压波动与闪变、谐波检测和电压偏差事件定位检测分析中。

（1）自适应提升小波变换算法改进

本文针对含风电网电能质量问题，研究了一种改进型自适应提升小波变换算法。自适应提升小波由剖分、自适应更新和自适应预测的分解过程和恢复预测、恢复更新、奇偶样本序列合并三步重构过程组成。本文采用了基于局部最大梯度法的自适应更新和每层最小均方误差的自适应预测方法，改进了一种适用于电能质量检测分析的自适应提升小波变换算法。其原理框图如图 3-1 所示。

(2) 基于自适应提升小波变换的风电场电压波动与闪变检测

1. 电压波动与闪变信号的数学模型

根据扰动原因的不同，闪变可分为周期性和非周期性，其中对人们生产生活影响较大的为周期性电压闪变。周期性电压闪变可看成是对正弦电压的低频调制[55]，电压的瞬时值解析式如式 3-2所示。

u(t)??A0??Aicos(2?fit??i)??cos(2?f0t??0)?A(t)cos(2?f0t??0) 3-2

i?1m式中，A0,f0,?0分别为基波电压的幅值、角频率和初相角；Ai,f,?i分别为调制波电压的幅值(最大为基波幅值的 10%)、角频率(一般为 1~10 Hz)和初相角。根据闪变信号调制波的幅值和频率范围，可知闪变信号为典型的幅值低频调制的窄带信号。满足自适应提升小波变换的前提条件。

2. 电压波动与闪变信号的同步检波

电压闪变的包络信号 A(t)携带着电压闪变的幅度和频率信息，必须不失真地检测出电压闪变的包络信号。本文采用文献[10]提出的电压跟踪装置，对原始电压闪变信号序列 u(t)进行跟踪进而发出同相位信号序列ur(t)，再将u(t)与

ur(t)送入乘法器相乘获得待检信号 x(t)。本文针对待检信号 x(t)设计出自适应提升小波变换滤波器，从而得到电压闪变的包络信号 A(t)。其流程框图如图 3-2所示。

图 3-2 中乘法器输出信号 x(t)为：

x(t)?u(t)ur(t)?A(t)cos2(2?f0t??0)?1A(t)cos2(2?f0t??0) 3-15 2在式 3-15 中，右边第一项是待检测的电压闪变的包络信号，它包含有原低频调制信号；第二项是中心频率为 100Hz 的调幅信号。经过自适应提升小波多分辨率分析后可得到电压闪变信号的包络信号序列 A(t)，它反映了电压闪变的频率、幅值和其时域特性。

3. 电压波动与闪变检测仿真分析

利用 MATLAB R2009b 软件对电压波动与闪变信号进行基于同步检测法结合自适应提升小波变换的仿真分析。仿真实验中，电压波动与闪变信号的采样频率取为 1.28kHz，采样时长 2s；原始信号中基波的幅值为 1，角频率为f050Hz，初相角?0为 π/4，并含有方差为 0.01 的均匀白噪声。由式 3-13，可设定含闪变电压信号离散形式表达式为

u(n)?A0?1??Aicos(2?fit??i)?cos(2?f0n??0)?rand(n) 3-16

式中，rand(n)为方差为 0.01 的均匀白噪声。式 3-16 中相关参数设定值如表

3-1 所示。

由自适应提升小波的多分辨率特性可知，分解至第五层后，信号低频分量包含0~50Hz 的电压信号，即为总包络信号。再经过进一步的分解可分别使 5Hz，10Hz 的两个闪变分量分别分布在 d8(3.125~6.25Hz)， d7(6.25~12.5Hz)的频率范围之内。至此，多分辨分解结束。

4. 基于自适应提升小波变换的电能质量事件定位

基于模极大值原理的事件定位模型,由信号的奇异性检测理论结合自适应提升小波变换，可制定出以下扰动事件定位流程。 1)采样电压信号

通常来说，采样频率越高就越能精确地反映出被采样信号地原始波形，但同时也会对采样系统提出更高的要求；而采样频率频率过低就不能很好反映系统的其他扰动信号成分。

2)对信号进行自适应提升小波变换多分辨分析，确定分解尺度 3)确定信号高频（d1 和 d2）的系数极大值 4)找出模极大值对应的时间点 5)时间点输出从而实现扰动事件定位

理论上，自适应提升小波变换在各尺度下系数模极大值与信号奇异点的位

置相对应，因此尺度越小，小波系数模极大值点就越吻合奇异点。

三．电能质量综合评估

对电能质量综合评估的研究焦点是如何科学、客观地将一个多指标问题综合成单一的性能参数问题，国内外已经有多篇文献对电能质量综合评估方法进行了探讨，研究方向大致可以分为两类。

其一是国内文献研究对电能质量综合质量等级评定，是定性评价。在将多维问题向一维加权归并时，采用了许多种不同的方法：如遗传投影寻踪法，概率统计与矢量代数相结合的综合评价方法，物元分析法，模糊数学法，层次分析法与模糊评价结合的方法，等等。概括起来讲，这些评价方法都可归结为如何科学的将多维电能质量现象向一维进行加权归并。

其二是国外文献采用的电能质量综合指标定义与管理，是定量评价。法国国家电力公司以电能质量各分类现象，包括电压中断、暂降、暂升、幅值偏差、不平衡、谐波等的供电保险（Emerald Contract）限值为基础，作监测结果的比值归一化处理，并定义监测点综合指标 IG（Global Indicator）为归一后的最大值。在此研究基础上，针对连续性电能质量问题（文中只包括电压幅值偏差、不平衡、闪变、谐波四种，没有提及频率偏差和电压中断）进一步定义了监测点综合指标 UPQI（Unified Power Quality Index），即：当归一化的数值都小于 1，则 UPQI 等于其最大值；当存在大于 1 的数值时，UPQI 等于 1 加上所有指标超过 1 部分的总和。对电压偏差、谐波、不平衡和暂降现象，提出以各

供电公司单类指标的平均值为基准将各公司的单类指标归一化处理，各公司全局化指标为各类归一化指标的平均值，实现了各供电公司的电能质量评比排序。其电能质量综合指标定义的共同特点是以可接受的限值水平（合同限值、标准限值、监测平均值等）为基准，先将各类电能质量监测结果归一化，再取其最大值、平均值或超过部分的累积值等为综合指标值。

比较以上两种电能质量综合评价方法，它们都能实现综合评估及对结果进行评比和排序。量化评价中定义的各归一化指标是其最大限值的百分比，综合指标不仅凸显最差电能质量问题，而且还能体现该问题与要求限值的偏离度。定义简单，容易理解。指标的定量化描述有利于运行人员直观判断与决策调控措施，如法国国家电力公司已将定义的指标应用于实际的监测系统以指导调度运行。但指标量化的值域大，如果直接让用户基于定量指标来选择不同电能质量水平或市场基于定量指标来定价及经济性分析，无疑会增加选择的难度和操作的困难。以有限等级划分的定性综合评价却正好可以适应未来电力市场中电能质量等级的选择、定价和竞争的可操作性要求。由于电能质量各单一指标定义范围的相对不相关性，导致综合等级评估中相对权重难以确定，相关文献在数学模型或训练样本上均不同程度的受到人为主观因素的影响，使评定结果存在一定的不确定性和不可理解性。

结 论

社会与科技的进步已经赋予了电能质量更多更新的内容，建立一套合理的、实用的、和与生产实际紧密结合的电能质量评估体系是适应电能质量管理标准化的需要，是建立以系统结构、用户敏感类型和合同要约为变量的未来电力市场与监管框架模型，促进灵活电力市场多层次质量需求的需要。

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