基于电能质量监测的研究分析

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][2]：

　　(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。

　　22.电能质量监测现状

　　2.12.1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(voltagedeviation)：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(frequencydeviation)：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[3][4]，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(frequencydeviation)。

　　2.22.2电能质量控制策略与技术

　　2.2.1几种电能质量控制策略

　　①PID控制：这是应用最为广泛的调节器控制规律，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，易于在工程中实现。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID控制技术最为方便。其缺点是：响应有超调，对系统参数摄动和抗负载扰动能力较差。

　　②空间矢量控制：空间矢量控制也是一种较为常规的控制方法。其原理是：将基于三相静止坐标系(abc)的交流量经过派克变换得到基于旋转坐标系(dq)的直流量从而实现解耦控制。常规的矢量控制方法一般采用DSP进行处理，具有良好的稳态性能与暂态性能。也可采用简化算法以缩短实时运算时间。

　　③模糊逻辑控制：知道被控对象精确的数学模型是使用经典控制理论的"频域法"和现代控制理论的“时域法”设计控制器的前提条件。模糊控制作为一种新的智能控制方法，无需对系统建立精确的数学模型。它通过模拟人的思维和语言中对模糊信息的表达和处理方式，对系统特征进行模糊描述，来降低获取系统动态和静态特征量付出的代价。

　　④非线性鲁棒控制：超导储能装置(SMES)实际运行时会受到各种不确定性的影响，因此可通过对SMES的确定性模型引入干扰，得到非线性二阶鲁棒模型。对此非线性模型，既可应用反馈线性化方法使之全局线性化，再利用所有线性系统的控制规律进行控制，也可直接采用鲁棒控制理论设计控制器。

　　2.2.2FACTS技术

　　FACTS，即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。

　　目前有代表性的FACTS装置主要有：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、统一潮流控制器等。

　　2.2.3用户电力(CustomPower)技术

　　用户电力技术就是将电力电子技术、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，并减小谐波畸变，改善电能质量。该技术的核心器件IGBT比GTO具有更快的开关频率，并且关断容量已达MVA级，因此DFACTS装置具有更快的响应特性。

　　目前主要的FACTS装置有：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)、固态切换开关(SSTS)等。

　　2.32.3电能质量监测装置

　　由于电能质量需要监测的量很多而且大多是高度畸变的，传统的方法是采用模拟信号的分析，监测不同的电能质量指标使用不同的仪表。如传统的测量电压和电流有效值的电压表、电流表，测量功率损耗的有功表、无功表，测量频率的频率表，还有谐波表、三相不平衡度计、电压波动和闪变仪[5]。此类仪器的不足之处是可监测的指标少，通用性差、精度较低、自动化程度较低。

　　采用微处理器为核心的新一代数字式仪表已被广泛应用，核心由DSP(DigitalSignalProceeding)所构成。一般都可和计算机相连，构成数据处理能力较强的PC+DSP主从式结构，具有显示、存储、通信、人机对话等功能。对一个站点进行监测，有较好的效果。

　　目前电能质量监测设备的发展趋势倾向于采用永久性的固定设备对现场数据进行在线监测，对于固定电能质量监测设备而言，需要综合考虑成本和性能进行专门的研制。基于微处理器的智能化电能质量在线监测设备采用嵌入式系统和数字信号处理技术在设计上具有在线监测、智能化、网络化、实时性好和成本低的特点。基于双CPU的嵌入式系统将嵌入式DSP处理器和嵌入式微控制器相结合，通过2个CPU扩充系统资源，共同分担系统负荷，同时DSP作为高速处理器件也利于保证系统的实时性。这种双CPU系统结构和DSP的高速处理能力对于保证系统实现在线监测、智能化、网络化等强大功能而又不牺牲实时性起到了关键作用。它具有在线监测、精度高、升级潜力大、实时性好、体积小、成本低的特点，既适用于现场的测量分析，也适用于长期的在线监测。

　　2.42.4电能质量分析方法

　　电力系统中的各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态事件和暂态事件两大类。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、波形下陷及噪声等;暂态事件通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两大类[6]。

　　电能质量的分析方法主要有时域仿真法、频域分析方法和基于变换的方法。

　　1时域仿真法

　　时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其最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进行研究。对于电压下跌、电压上升、电压中断等有关电能质量暂态问题，由于其持续时间短、发生时间不确定、对频域分析提出了较高的要求，较多采用时域仿真方法。

　　目前EMTP、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真程序[7]和SPICE、PSPICE、SABER等电力电子仿真程序在研究中得到了广泛的应用，有的已经被做成商业软件。

　　采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模拟的最大频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模拟开关的开合过程时，还会引起数值振荡。

　　2频域分析法

　　频域分析方法主要用于电能质量稳态问题。比如谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等。相对于暂态问题，此类事件具有变化相对较慢、持续事件较长等特点。对称分量法是最常用的方法。它的优点是概念清晰、建模简单、算法成熟，但耗时长。

　　频域分析方法主要包括频率扫描、谐波潮流计算和混合谐波潮流计算等，该方法多用于电能质量中谐波问题的分析。

　　频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，因此混合谐波潮流计算法在近些年中发展起来。其优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态特性。缺点是计算量大，求解过程复杂。

　　3基于变换的方法

　　在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有复立叶变换、神经网络、二次变换、小波变换和Prony分析等5种方法。

　　(1)傅立叶变换

　　傅立叶变换是电能质量分析领域中的基本方法，傅立叶变换的优点是算法快速简单。但其缺点也很多：

　　①虽然能够将信号的时域特征和频域特征联系起来观察，但不能将二者有机地结合起来。

　　②只能适应于确定性的平稳信号(如谐波)，对时变非平稳信号难以充分描述。

　　③短时傅立叶变换(STFT)的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法;只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。

　　④快速傅立叶变换(FFT)变换的时间信息利用不充分，任何信号冲突都会导致整个频带的频谱散布;在不满足前提条件时，会产生“旁瓣”和“频谱泄露”现象。

　　傅立叶变换是经典的频谱分析和信号处理方法。其对含有短时高频分量与长时间低频分量的电能质量信号分析具有一定的局限性。目前经改进的快速傅立叶变换(FFT)和(STFT)已经成为电能质量分析的基础。

　　(2)神经网络法

　　神经网络理论是巨量信息并行处理和大规模平行计算的基础，它既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为。

　　神经网络法的优点是：可处理多输入-多输出系统，具有自学习、自适应等特点;不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可。

　　缺点是：存在局部极小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度;理想的训练样本提取困难，影响网络的训练速度和训练质量;网络结构不易优化。

　　(3)二次变换法

　　二次变换是一种基于能量角度来考虑的新的时域变换方法。该方法的基本原理是用时间和频率的双线性函数来表示信号的能量函数。

　　二次变换的优点是：可以准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻;精确测量基波和谐波分量的幅值。缺点是：无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值;不具有时域分析功能。

　　(4)小波分析法

　　小波变换是近年来兴起的一种算法，由于具有时域局部化的优点，特别适合于突变信号和不确定信号的分析。目前国内外已经有许多文献应用小波变换对谐波监测[8]、电磁暂态波形分析、电力系统扰动建模等电能质量问题进行了研究。

　　小波变换是一种多尺度分析数字技术，它通过对时间序列过程从低分辨率到高分辨率的分析，显示过程变化的整体特征和局部变化行为。

　　常用的小波基函数有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波、Meyer小波等。

　　小波变换的优点是：具有时-频局部化的特点，特别适合突变信号和不平稳信号分析;可以对信号进行去噪、识别和数据压缩、还原等。

　　缺点是：在实时系统中运算量较大，需要采用DSP等高价格的高速芯片;小波分析有“边缘效应”，边界数据处理会占用较多时间，并带来一定误差。

　　(5)Prony分析法

　　Prony分析衰减的思想类似于小波。在该方法中，信号总是被认为可以由一系列的衰减的正弦波构成，这些衰减正弦波类似于小波函数。所以Prony分析方法和小波一样，可以做多尺度的信号分析。Prony分析的主要缺点是计算时间过长。

　　33.电能质量监测分析展望

　　电能质量的分析和监测是一个复杂的系统工程。它设计到电力系统、自动控制、现代通信等多个方面。目前乃至今后一段时间内，它在发展中要解决以下几方面的问题[9]：

　　(1)基础理论的研究

　　电能质量基础理论研究是对其本质进行深入研究的基础，包括统一的畸变波形行电能质量的含义，各功率成分的定义、产生机理、评价体系的研究，及物理意义，科学的计算方法研究等。目前为适应不同的需要提出许多的定义方法。各方法在数学表达式、物理意义、建立模型及实施方面各有所长，但距离理论上和实际上的统一并易于接受的表达式尚有一定的差距，无法对电能质量做出综合的分析和评估。这一理论的短缺无疑将会阻碍对电能质量进一步的深入研究。

　　(2)新型算法的开发

　　随着近代数学和人工智能技术的迅速发展及大量跨学科、跨专业交叉理论的出现，电能质量分析的模型、方法和手段呈现出强烈的多样性，如何以更科学、更先进的模型来分析电能质量，改善其对电网的影响，也是电能质量研究领域内不可忽视的核心所在。就目前电能质量的研究情况来看，小波分析、模糊数学的方法、神经网络方法、遗传算法及交叉技术将成为今后电能质量新算法研究的主流方向。可应用模糊数学方法建立精确数学模型，应用小波变换对扰动数据进行辨识、分类和原因分析，应用模糊-神经网络方法确定有效信息的传输、存储。这些理论的推出及其日渐成熟对电能质量研究领域从算法本身到算法的适用领域、算法性能的改善等各方面产生深远的影响。

　　(3)电能质量监测的网络化、智能化

　　现代电网规模越来越大，监测点越来越多，未来电能质量的监测不仅局限于某一点，而是要实现同一供电系统、不同地点的电能质量监测，甚至实现多个不同供电系统的集中监测。在功能上，更强调智能化，除具有计算、显示等功能外，还要有一定的判断、分析、决策等功能，如能进行事件预测、故障辨识、干扰源识别和实时控制，初步具有自动的实用先进的计算智能评估功能。

　　电能质量分析及及其监测是一个较复杂的问题，如何合理、全面地分析处理各种干扰源，充分将计算机技术和网络技术为电能质量分析与监测所用，都是应注意的问题。同时电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求，也表明这一应用领域的研究需要多种技术的相互融合和各个领域的密切合作。