电能质量研究简介

电能质量研究简介朱守真清华大学电机系2006年11月10/11/20231内容电能质量的概述

历史、研究方向、定义、扰动因素、影响电能质量的指标

谐波、闪变、电压骤降、电压中断、电压突升、电压裂痕、暂态冲击及暂态振荡、过电压或欠电压、三相电压不对称电能质量检测设备

检测内容,测试仪类型电能质量的标准

主要标准、探讨10/11/20232电能质量研究的历程19世纪中叶直至20世纪初3次谐波Steinmetz提出变压器的三角-星型不接地连接20世纪初到40年代提出更广泛的谐波治理方法研究处于相对停滞期50年代到80年代其他更多的现象被发现80年代提出电能质量概念90年代至今美EPRI着手DPQ项目PQ研究热潮开始10/11/20233电能质量研究方向电能质量相关术语的定义以及标准的建立

电能质量的测量方法以及监测仪器

电能质量的建模、仿真以及分析

电能质量的扰动源确定

电能质量的改善

电能质量问题所产生的影响10/11/20234电能和电能质量的归类理想三相交流系统：

1、恒定的频率；2、确定的电压等级；3、完好的电压波形且能连续的向负荷供电；合格的、安全的电能

在一定指标或阈值范围内的不满足规范要求的——电能质量10/11/20235电能质量的分类（1）电压质量（电压幅值质量）狭义电能质量

会影响用户设备正常运行的不理想的系统电压，包括电压的闪变、瞬时过电压或跌落、谐波畸变、各相电压不平衡等情况；电流质量指电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸变，包括流入电网的谐波电流，以及无功、不平衡负荷电流、低频负荷变化造成的闪烁等。频率质量10/11/20236电能质量的分类(2)稳态稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等；暂态暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。10/11/20237更广泛的电磁兼容问题非技术成分质量问题10/11/20238电能质量的特点电能质量往往是由用户干扰所决定的电能质量在空间和时间上均处于动态变化之中电能质量和用电设备的性能密切相关10/11/20239引起电能质量的四大因素自然现象和灾难电力设备及装置故障或保护误动作终端用户非线性、冲击性污染型负荷的大量使用人为事故10/11/202310电能质量的定义电力公司用户设备制造商IEEEIEC电能质量是任何导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差10/11/202311电力公司定义电能质量相当于供电可靠性，通常用统计数字来量化utilitiesdefinepowerqualityasreliabilityandshowstatisticstoquantifyit10/11/202312用户定义导致用户设备失效或不能正常工作的电压、电流或频率偏移称为电能质量10/11/202313设备制造商定义能使设备正常运行的供电特征称为电能质量Themanufactureofloadequipmentdefinepowerqualitypowerasthosecharacteristicsofthepowersupplythatenabletheequipmenttoworkproperly.10/11/202314IEEE定义电能质量是对向敏感设备提供电力和设置接地系统以保持其正常运行能力的一种概念描述PowerQualityistheconceptofpoweringandgroundingsensitiveequipmentinamatterthatissuitabletotheoperationofthatequipment10/11/202315IEC定义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Powerqualityissetofparametersdefiningthepropertiesofthepowersupplyasdeliveredtotheuserinnormaloperatingconditionsintermsofcontinuityofsupplyandcharacteristicsofvoltage(symmetry,frequency,magnitude,andwaveform).10/11/202316电能质量的影响国标GB755《电机基本技术要求》规定，电动机在额定功率下电源电压的偏差不超过±5％时才能维持额定出力；纺织机、造纸机等生产机组对于频率敏感，如果频率变化过大就可能出现废品，甚至使设备受损；频率降低会使汽轮机的叶片承受压力加大，严重时会发生机械共振，使叶片断裂；电压的快速波动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且还影响一些产品的质量，并引起照明的“闪变”。10/11/202317电能质量问题的影响电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，电网网损增大，系统发生谐波谐振的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准等一系列问题。，由谐波引起的损耗和电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损耗也很可观，约为用电量的0.7％。三相电压不平衡（即存在负序分量）会引起电机附加振动力矩和发热。额定转矩的电动机，如负序电压含量为4％，由于发热，其绝缘寿命缩短约一半。如果某相电压高于额定值，则其寿命缩短更严重。一些保护也会因负序的干扰而误动作。10/11/202318电能质量问题造成的经济损失一个计算中心失去电源2ｓ就可能破坏几十小时的数据处理结果或上百万元的经济损失。在大型机器制造厂,01ｓ的电压突降就可能造成异常的生产状况和质量破坏。自动化设备控制的连续精加工生产线,它们对配电系统中的干扰异常敏感,几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱,其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有1-2周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。谐波的严重危害和所造成的损失经常被人们所提及。而无人值守变电站中计算机系统突然出现的死机现象，大多属于电能质量问题。据估计，因电能质量问题每年给美国企业造成的损失累计达150亿到300亿美元之多，尤其是那些对电压变化敏感的电子、信息、半导体行业。10/11/202319北京地区电能质量问题北京供电局了解，北京第11届亚运会期间网球中心在举行开幕式时全场照明突灭一半，究其原因则是电压波动引起；2001年大运会期间清华大学游泳馆等部分场馆均出现过较为严重的、因电能质量问题影响场馆正常比赛用电的事件；据北京化工集团统计，3年来因供电问题化工生产装置停车56起，其中因电压跌降的有43起，其中最危险的是由于这是电压突变过程，供电部门并未察觉也未记录，造成了一定区分责任的纠纷；首钢日用电子有限公司等大企业也有同类的情况发生。10/11/202320电气设备对电压凹陷的敏感性分析主要原因短路故障引起较严重的电压凹陷（骤降）电机启动引起较长的凹陷时间。特征量幅值：偏离额定值的最大值（60％）持续时间：均方根值超出指定门槛值的一段时间发生频次特定幅值及持续时间情况下发生的次数。10/11/202321产生电压跌落的原因超高压电网故障造成大范围的配电网的电压波动。雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电系统故障当保护动作后伴随着重合闸时，由此而引起的电压跌落次数将成倍数增加，并且规定时间间隔的连续跳闸是造成瞬时供电中断的主要因素之一。电压跌落统计结果表明大部分的电压跌落幅值都低于（20～30）％的额定值。10/11/202322设备对电压凹陷的敏感图非正常工作状态正常工作状态Vmin1tmsxt（持续时间）V(幅值)10/11/202323暂态电能质量暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征检测暂态持续时间的问题转化为检测信号奇异点的问题

10/11/202324电压跌落

Meyer小波分析DB6小波分析10/11/202325电压切痕

Meyer小波分析DB6小波分析10/11/202326电能质量扰动（1）扰动类型子类/类属特征属性幅值持续时范围

(pu)间划分暂态冲击纳秒级上升时间5ns-<50ns微秒级1us-50ns-1ms毫秒级1ms-1ms-1cycs暂态振荡低频频谱<5kHz0-40.3–50ms中频5~500kHz0–820us高频0.5~5MHz0-45us供电中断即时-<0.10.5–36cycs瞬时-36cycs–3s暂时-3-60s持续-0>1min电压骤降即时-0.1–0.90.5–36cycs瞬时-36cycs–3s暂时-3-60s电压突升即时-1.1–1.80.5–36cycs瞬时-36cycs–3s暂时-3-60s10/11/202327电能质量扰动（2）

扰动类型子类/类属特征属性幅值持续时范围

(pu)间划分电压不平衡稳态不平衡度0.5–2%-闪变暂态<25Hz0.001–0.07-直流偏置稳态-0–0.001---谐波准稳态2-100th

0–0.2-间谐波稳态0–5kHz0–0.02-裂痕暂态<=0.5cyc电噪声暂态verybrand0–0.01-削平暂态--相角不对称稳态--频率波动稳态--<=10s10/11/202328主要电能质量指标量化目的除经济性指标外，目前没有统一的指标能描述全部电能质量问题指标往往是与扰动类型相关联10/11/202329谐波各次谐波的相位和幅值谐波含有率HR总畸变率THD谐波功率谐波阻抗K因子10/11/202330闪变白炽灯的光通量短期觉察度Pst长期觉察度Plt累积概率函数曲线CPF闪变觉察曲线PFC10/11/202331电压骤降阈值指标持续时间、电压幅值统计指标系统电压有效值变化平均指标（SARFIx）面积、能量型指标电压缺失电压骤降“面积”能量损失特殊指标10/11/202332电压骤降－电压缺失电压缺失(LV)是指电压骤降过程中跌落电压积分10/11/202333电压骤降－电压骤降面积借鉴发电机暂态稳定的面积方法来描述电压骤降，是一种电压幅值对时间的积分电压骤降面积指标不等同于能量10/11/202334电压骤降－能量损失损失能量指标指电压骤降中系统未能正常传输给负荷的能量多少，也是缺失电压和持续时间的函数或10/11/202335电压骤降－特殊指标电压骤降评分10/11/202336电压中断统计评价指标SAIFI：系统平均中断频率指标CAIFI：用户平均中断频率指标SAIDI：系统平均中断时间指标CAIDI：用户平均中断时间指标ASAI：平均可用服务指标ASUI：平均服务不可用指标AENS：平均未供能源10/11/202337电压突升指标比较类似电压骤降10/11/202338电压裂痕10/11/202339暂态脉冲冲击振荡暂态10/11/202340过电压、欠电压10/11/202341三相不对称NEMA定义IEEE定义正负序定义瞬时定义10/11/202342电能质量的检测的基本作用评价电网和供电点电能质量的优劣调查干扰源的发射干扰和敏感用户所承受干扰的手段是供用双方签订合同及明确电能质量责任的重要考查依据是进行电能质量治理的先决条件是电能商品按质定价的技术依据10/11/202343理想的电能质量检测算法

能够获得信号的准确频谱特性

能够准确分析电能质量变化的发生时间

算法得到的系数应该在时域和频域上具有明确的的物理意义

算法效率要高，适用于实时分析

10/11/202344电能质量检测算法框图10/11/202345研究现状对于配电网络的电能质量分析，主要的问题是配电网中负荷，尤其是新型负荷的精确数学建模以及如何利用计算机来实现智能建模；重要设备的扰动下异常行为、性能变化的分析暂态电能质量扰动在配电网中的传输特性及其合理的仿真算法；扰动源的辨识和定位；电能质量治理措施；用户电力技术CustomPower或者配网无功补偿技术D-STATCOM在配电网中的应用效果评判。10/11/202346时Fourier变换

与小波分析的时频窗口的对比短时Fourier变换小波分析10/11/202347原理结构图TMS320C5402™DSPGeneration,FixedPointDATAA/D1A/D2A/D3A/D4A/D5A/D6高速采样SRAMFLASHCPLD串口通信（RS323/RS485）液晶显示键盘输入红外通信时钟EEPROM10/11/202348指定标准的国际组织组织简单说明IEEE有多个工作组就测量、描述、术语、指标等多方面进行研究，研究成果较公开。IEC主要研究谐波和电磁兼容问题，涉及测量、指标等方面，在欧洲应用的较为广泛ANSI美国国家标准学会，近期主要是与IEEE等组织合作研究。SEMI半导体行业委员会，主要关注半导体处理装置抗电压骤降干扰问题CBEMAITIC国际商用制备制造联合会和信息技术工业委员会，致力于信息终端设备受电压骤降干扰的曲线和图形化描述UIE电力应用国际联合会UNIPEDE电能生产、输配国际联合会CENELEC欧洲电工标准化委员会CIGRE国际大电网会议CIRED国际配网会议U.S.Military美国军方，主要从飞行器、船只、基地安全角度考虑FIPS美国联邦信息处理标准委员会NFPA美国国家防火协会，从防火和建筑安全角度考虑NIST美国国家标准化和技术学会ULUnderwriters实验室BSI不列颠标准研究院10/11/202349．基本功能运行电量的采集、计算和显示实时三相电压、电流有效值；当前有功功率、无功功率，总谐波含量，三相电压不平衡度，频率；液晶屏幕首页显示当前电量数据。谐波分析13次谐波或更高次谐波监测，检测谐波畸变率；记录各次谐波含量；记录当天发生畸变严重的时刻。供电电压偏差检测和记录检测并记录三相电压偏差；记录当天发生严重偏差的时刻。三相电压不平衡度检测和记录记录三相电压不平衡度；记录当天发生严重电压不平衡的时刻。频率偏差检测记录当天发生严重频率偏离的数据及时间。瞬时电压凹陷检测检测持续时间10－300ms的瞬时电压跌落。瞬时断电以及恢复次数和时间的纪录记录断电时刻/来电时刻；记录断电次数，第一次断电和最后来电的时间。窃电纪录，提供与电度表数据输出的连接口具有电度表功能，显示电度数值；监测用户是否有窃电行为。非正常电量的记录、存储提供红外遥控数据传输与外部计算机串口、并口通讯;提供任意移动闪存（U盘）通讯接口，下载记录的数据。液晶显示、键盘接口2．扩展功能暂态电能质量检测，包括闪变、电压跌落等；可配置GSM模块，实现GSM通讯；利用已有的通讯接口建立多点电能质量网络监测系统；配置分析软件，对保存的故障或非正常数据进行处理及分析；10/11/202350其它负荷曲线；负荷持续率用户负荷率；用户需要系数；最大/最小用电负荷（有功、无功）；峰谷差。10/11/202351主要电能质量标准(IEEE/ANSI)标准号时间描述5191992电力系统谐波控制1433D1999电能质量术语词汇定义11591995电能质量监测中的若干问题，包括数据采集、描述和数据格式1564D2002电压骤降指标13461998评估具有电子处理设备的电力系统兼容性评估，从设计和规划角度提出经济损失的计算方法12501995短暂电压扰动下计算机等设备灵敏度分析，减缓扰动影响的方法等1421991工业和商业性电网的接地考虑4461995应急和备用电源的使用、设计和维护6021996医疗场所电源的设计和运行11001999电子设备的供电和接地实施15472003分布式电源电能质量考虑1453电压闪变1409用户电力改善电能质量10/11/202352主要电能质量标准(IEC)标准号描述61000-1-x有关电能质量的定义和一般方法61000-2-x电磁环境61000-3-x谐波污染限制61000-4-x测