1、电能质量发展现状 与前沿问题,2008-4-8,主要内容,基本概念 理论基础与分析方法 电能质量标准体系 电能质量监测技术 电能质量控制技术 电气化铁路电能质量问题与同相供电系统,什么是电能质量,目前并没有一个统一的电能质量标准定义IEC标准对电能质量的定义为:电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。导致供电设备或用户设备故障或不能正常工作的电流、电压或频率偏差。,什么是电能质量,IEEE第22标准统筹委员会(电能质量)和其他国际委员会推荐用如下术语表述几种主要的电能质量干扰： 断电( interruption) 电压凹陷/凸起( voltage sags/s
2、wells) 瞬时脉冲( transients pulse) 过/欠电压(over/under voltage) 谐波/谐间波(harmonics/ interharmonics) 电压切痕( voltage notches) 三相不平衡度( imbalance) 电压波动和闪变( voltage fluctuation and flicker),研究现状,国际上对电能质量的研究是从电磁兼容学科入手的。（IEC、IEEE等） 所谓电力系统的电磁兼容性（EMC）指的是电力系统中的每一个电气设备应在其所处的电磁环境中正常工作，并减少其对电力系统的干扰。,研究现状,全国环境电磁学学术会议，1984。
3、（中国电子学会、中国电机工程学会、中国铁道学会 ） 电能质量（国际）研讨会 ，2002。（全国电压电流等级和频率标准化技术委员会 ）二十世纪八十年代初，能源、铁道两部联合对牵引变电所进行测试，主要内容为牵引负荷电能质量问题。,电能质量问题的起因,电力系统引起的电能质量问题绝大多数是电压暂降。,5,%,9,5,%,8,0,%,2,0,%,电能质量问题的起因,电能质量引起的经济损失,用户侧,系统侧,电能质量问题起因出现频率,用户负荷 气候因素（强日照、狂风、暴雨等） 配电系统 输电系统 发电系统,电能质量特点,动态性：电能从发电生产到用户消耗是一个整体,其流动始终处于动态平衡中,并且随着电网结构和
4、负荷的改变而不断变换。相关性：电能不易大量存储,其生产、输送、分配和转换过程直至消耗几乎是同时进行的。当系统处在各种运行状态时,电能质量一旦不达标,相关的设备就会受到不同程度的影响。传播性：电力系统是一个复杂的网络,为电能提供了最好的传输途径。电能传播速度快,电气污染波及面大,会大大降低相连系统的电能质量。,电能质量特点,潜在性：电能质量扰动复杂多变,事故诱发条件复杂,其质量的下降造成对系统用电设备的损害有时并不立即显现,为安全运行留下了隐患。复杂性：电能质量的多个指标作用于同一个系统时,综合给出电能质量的评判标准是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定量评估计算方法。整体性。保证电能质
5、量要靠多方努力。要求电力供应方、电力使用方、设备制造商等共同协作,制定统一和可操作的合适质量标准或单独的供电质量协议,或者按电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和管理。,电能质量研究意义,电能质量的恶化将会给电力系统和用电设备带来严重危害。 谐波问题是电能质量中的一个重要问题。一直以来,电能质量研究也主要集中在与谐波相关的稳态电能质量研究上。 暂态信号中的奇异点和不规则突变通常与系统的电气参数有着重要的联系。奇异点检测的目的就是对故障进行定位,抓住故障特征,进而采取适当的保护或控制措施。因此,暂态电能质量分析已成为研究热点。,电能质量分析方法,时域分析法 频域分析法 基于变换的方法 傅立叶
6、变换 小波变换法 神经网络法 二次变换法,我国电能质量标准,GB/T12325-2003电能质量 供电电压允许偏差 GB/T15945-1995电能质量 电力系统频率允许偏差 GB/T14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/Z17625.4-2000中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估 GB/T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度 GB 12326-2000 电能质量 电压允许波动和闪变 GB/T 18481-2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压,电能质量标准供电电压偏差,危害 对照明设备的影响。,电能质量标准供电电压偏差,危害 对电动机的影响。 对变压器、
7、互感器的影响。 对并联电容器的影响。 对家用电器的影响。 对其他用电设备的影响。 对电力系统运行的影响。,电能质量标准供电电压偏差,GB/T12325-2003电能质量 供电电压允许偏差(GB/T12325-90) 基本条款 35kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的 10。如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值为衡量依据。 10kV 及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的10。 220V单相供电电压允许偏差为标际称系统电压的+7、10%。,电能质量标准频率偏差,危害 引起电动机转速变化，对纺织、造纸等行业产品质量造成影响。 使电动机功率降低，影响生产效率，如电容器无
8、功出力将成比例降低。 影响测量、控制等设备的准确性和工作性能。 将影响发电厂和系统的安全运行。,电能质量标准频率偏差,GB/T15945-1995电能质量 电力系统频率允许偏差 基本条款 电力系统额定频率为50Hz。 电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到0.5Hz。 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0.2Hz。,电能质量标准公用电网谐波,谐波危害：建议根据谐波影响的特性，将谐波影响划分为三类，即热影响、冷影响和谐振影响。 热影响指因发热而产生的不良影响，有长期性和积累效应，主要是谐波或合成谐波的幅值在起作用。如对感应电机和同步电机的影响，电容
9、器组的热效应。 冷影响指瞬间产生的不良影响，主要是谐波或合成谐波的瞬时幅值或相位在起作用。如对继电保护和自动装置等弱电设备的影响，对电容器组和绝缘电缆的电介质的影响等属于此类。 谐振影响指网络的拓扑结构和参数对谐波源激励的一种响应。在低次谐波下，未串入电抗器或串入的电抗器不恰当时并联电容器组不能投入使用或投入后故障都属于此范畴。,电能质量标准国外谐波标准,英国 Engineering Recommendation G5/3 Limits for Harmonics in the United Kingdom Electricity Supply System，1976 Engineering
10、Recommendation G5/4, Planning levels for harmonic voltage distortion and the connection of non-liner equipment to transmission systems and distribution networks in the United Kingdom ，2001,电能质量标准国外谐波标准,美国 IEEE Std519-1981“IEEE Guide for Harmonic Control and Reactive Compensation of Static Power Conv
11、erters”IEEE Std519-1992 “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”,电能质量标准国外谐波标准,IEC Assessment of Emission Limits for Distorting Loads in MV and HV Power System，IEC 61000-3-6,1996. 最主要特点在于设置了系统任意一点上的电压畸变兼容水平。 对系统设计来说，规划水平是IEC61000-3-6推荐的。规划水平限值要严于兼
12、容水平限值。 IEC61000-3-6的另一个特点是提出了三级评估方法。其中的二级评估与IEEE Std.519 相对应。,电能质量标准我国谐波标准,电力系统谐波管理的暂行规定（SD126-84）电能质量 公用电网谐波（GB/T1454993）GB/Z17625.4-2000中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估，等同采用IEC61000-3-6 “Assessment of Emission Limits for Distorting Loads in MV and HV Power System”,电能质量标准我国谐波标准,IEC61000-3-6和GB/T14549比较 性质 限值 用
13、户谐波发射限值的分配方法 用户协议容量Si和供电容量St的确定 多谐波源叠加指数的确定 多谐波源的同时系数的确定 电压畸变限值与电流畸变限值的关系 限值评估的方法,电能质量标准三相不平衡度,三相不平衡危害 增加发电机转子损耗和发热，降低运行效率。增加电动机损耗，产生的附加转矩可能损坏电机。占用系统容量，减小系统有效容量。,电能质量标准三相不平衡度,GB/T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度 基本条款 电力系统公共连接点正常电压不平衡允许值为2，短时不得超过4。电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定。 接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡
14、度允许值一般为1.3%。,电能质量标准电压波动和闪变,电压波动和闪变危害 使电视机画面亮度变化，垂直和水平幅度波动 使电动机转速不均匀，影响电机寿命和产品质量 使电力电子整流设备的出力波动，导致换流失败 使电子仪器设备（示波器等）工作不正常 影响对电压波动敏感的工艺或者试验结果。,电能质量标准电压波动和闪变,GB 123262000 电能质量 电压允许波动和闪变，适用于电力系统正常运行方式下,由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人对灯光闪烁明显感觉的场合。由波动负荷引起的短时间闪变值Pst和长时间闪变值Plt的限值：,电能质量监测,方式 定期巡检：主要用于需要掌握电能质量情况
15、又不需要连续检测或者不具备连续在线监测条件的场合。 专项监测：主要用于负荷容量变化大或有干扰源设备接入电网，或者当电能质量出现异常，需要对比前后变化情况的场合。 在线监测：主要用于监测重要变电站或者实施无人值班变电站的公共连接点或者重要用户的公共连接点的电能质量。,电能质量监测的目的,了解情况：对各种电能质量指标进行实时更新测量与数据采集，保证对电力系统基本运行工况的观察、记录和动态分析。 治理措施：针对各种指标的具体特征对电能质量问题进行分层检测，完成对多种扰动信息的识别、提取和分析，为制定改善电能质量和治理电网污染的具体措施提供可信依据。 综合评价：完整了解电网安全、稳定、优质运行的技术经
16、济条件，对电能质量各项指标进行综合评价。优化整个系统的监测体系，实现数据共享交流。,电能质量监测设备,电能质量监测方法电压偏差,监测仪器在一个周期内对输入信号进行采样，测得的离散采样值为ui，因此，被测电压的有效值为式中，N为每个周期采样点数。 电压偏差为实测电压U相对额定电压UN的偏差,电能质量监测方法电压偏差,电压监测仪主要功能 监测电压偏差，统计电压合格率或电压超限率，统计的时间以min为单位电压合格率(%)=（1超限时间/总时间）100电压超限率(%)=超限时间/总时间100 定时刷新 能预置被监测电压额定值，并按照要求整定在被监测电压允许偏差范围内的上限值和下限值。,电能质量监测方法
17、频率偏差,频率表（具有自动记录和统计功能、绝对误差0.01Hz） 借助波形的过零点测量交流信号的周期，并求出实际系统频率 为克服谐波、噪声和非周期分量对测量的影响，测量中可以利用基于傅立叶变换和基波分量相位的方法 可采用自适应技术调整采样间隔来减小采样不同步引起的误差,电能质量监测方法三相不平衡度,电压或电流不平衡度分别用U 或I 表示,即用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值的百分比表示。式中U1 为三相电压的正序分量方均根值,V;U2 为三相电压的负序分量方均根值,V。,电能质量监测方法三相不平衡度,不平衡度测量仪器测量电压不平衡度的绝对误差应不超过0. 2%;测量电流不平衡度的绝对误差
18、不应超过1%。每次测量,一般按3 s方均根取值。对于离散采样的测量仪器,可按下式计算:式中 k 为在3 s内第k次测得的不平衡度;m 为在3 s内均匀间隔取值次数(m 6) 。,电能质量监测方法三相不平衡度,对于波动性较小的场合，三相不平衡度允许值应和实测的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实测值的95%概率值对比，以判断是否合格（任何时刻均不能超过短时允许值） 。为了实用方便,实测值的95%概率值可将实测值（不少于30个）按由大到小次序排列，舍弃前面5%的大值,取剩余实测值中的最大值；对于日波动负荷，按日累计，超标时间不得超过72min，且每30min中超标时间不超过5
19、min。,电能质量监测方法谐波,IEC61000-4-7：1991电磁兼容 第4部分：试验和测量技术 第7分部分：供电系统及相连设备的谐波、谐间波的测量和测量仪器导则（2002年更新） GB/T17626.7-1998 等同采用IEC61000-4-7 IEC61000-4-7根据谐波特性将其分为四种： 准稳态谐波（变化慢的）； 波动谐波； 快速变化谐波（或短时冲击谐波）； 谐间波或其他杂散分量。,电能质量监测方法谐波,对测量仪器和测量方法的要求： 非连续测量（准稳态谐波） 连续测量（波动谐波和快速变化的谐波）：矩形窗口没有间隔和不重叠，而对汉宁窗可以有半个窗宽的重叠。 窗宽选择：推荐8倍于基
20、波周期的小窗口（考虑了选择功能、时间响应以及平滑其它瞬态现象的一种折衷方案），小于4倍基波周期的窗口不予推荐。,电能质量监测方法谐波,不同谐波的测量方法比较,电能质量监测方法电压波动和闪变,检测方法 平方检测法：通过将输入信号进行平方后，再经过0.0535Hz的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上的频率分量，便可检测出调幅波即电压波动分量。 有效值检测法：通过将输入信号的平方减去参考值，并将其积分，忽略积分结果中大于2倍基频分量，即可得到需要检测的调幅波输出。,电能质量监测方法电压波动和闪变,IEC推荐的闪变仪日本的V10闪变仪,电能质量监测技术发展方向,网络化 硬件系统：数据采集；管理分析；终
21、端应用,电能质量监测技术发展方向,网络化 软件系统：三层体系结构模型,电能质量监测技术发展方向,智能化 事件预测 故障辨识 干扰源识别 实时控制 智能评估在大量知识库积累的基础上，结合神经网络的数据处理和模式判别能力，并在用户的积极参与下实现知识和样本的创造，提高智能化水平。,电能质量监测技术发展方向,标准化 电能质量的评价标准化：频率偏差、电压偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度 信息发布标准化：便于工作人员之间交流经验，了解系统功能，提高信息共享效率 数据格式标准化：IEEE标准委员会提出电能质量数据交换格式（Power Quality Data Interchange Format，
22、PQDIF）,电能质量监测技术发展方向,PQDIF逻辑结构图,电能质量控制技术,灵活交流输电技术（FACTS）：基于电力电子控制技术的灵活交流输电，是上世纪80年代末期由美国电力研究院(EPRI)提出的。它通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使输送容量更接近线路的热稳极限。采用FACTS技术的核心目的是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力。包括可控串联补偿电容器、静止无功补偿器、晶闸管控制的串联投切电容器、统一潮流控制器,电能质量控制技术,用户电力技术：将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等运用于中低压配电系统和用电系统中，其目的是加强配电系统的供电可靠性，并减小谐波畸
23、变，改善电能质量。包括：有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止无功补偿器(D-STATCOM),电能质量控制的发展方向,基础理论工作 电能质量问题与指标的定义 评价标准与体系 电能质量问题的表现形式 影响因素 防治方法 电能质量控制的新方法、新技术和新策略,电能质量控制的发展方向,推广使用数字化电能质量控制技术 以DSP为基础的实时数字信号处理技术 提高系统稳定性、可靠性和灵活性 由程序控制,改变控制方法或算法时不必改变控制电路 可重复性好,易调试和批量生产 易实现并联运行和智能化控制 基于FPGA的电能质量控制技术,电能质量控制的发展方向,对电能质量检测技术的新要求
24、能捕捉快速(ms级甚至ns级)瞬时干扰的波形 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,以便能和得相当高次谐波的信息 建立有效的分析和自动辩识系统，反映各种电能质量指标的特征及其随时间的变化规律。,电能质量控制的发展方向,大力发展应用新技术 电力电子技术的应用可以大大提高电网的电能质量 FACTS、CusPow等新技术 非电力电子技术将这些技术融合发展,并合理使用、大力推广,必然会逐步满足电力负荷对电能质量日益提高的要求。,电气化铁路电能质量问题,谐波 三相不平衡（负序） 功率因数 电压偏差 电压波动与闪变,电气化铁路同相供电系统（过渡方案）,电气化铁路同相供电系统（过渡方案）,电气化铁路同相供电系统（最终方案）,电气化铁路同相供电系统（最终方案）,谢 谢！,
