電能質量研究簡介朱守真清華大學電機系2006年11月2/1/20231內容電能質量的概述

歷史、研究方向、定義、擾動因素、影響電能質量的指標

諧波、閃變、電壓驟降、電壓中斷、電壓突升、電壓裂痕、暫態沖擊及暫態振蕩、過電壓或欠電壓、三相電壓不對稱電能質量檢測設備

檢測內容,測試儀類型電能質量的標準

主要標準、探討2/1/20232電能質量研究的歷程19世紀中葉直至20世紀初3次諧波Steinmetz提出變壓器的三角-星型不接地連接20世紀初到40年代提出更廣泛的諧波治理方法研究處于相對停滯期50年代到80年代其他更多的現象被發現80年代提出電能質量概念90年代至今美EPRI著手DPQ項目PQ研究熱潮開始2/1/20233電能質量研究方向電能質量相關術語的定義以及標準的建立

電能質量的測量方法以及監測儀器

電能質量的建模、仿真以及分析

電能質量的擾動源確定

電能質量的改善

電能質量問題所產生的影響2/1/20234電能和電能質量的歸類理想三相交流系統：

1、恒定的頻率；2、確定的電壓等級；3、完好的電壓波形且能連續的向負荷供電；合格的、安全的電能

在一定指標或閾值范圍內的不滿足規范要求的——電能質量2/1/20235電能質量的分類（1）電壓質量（電壓幅值質量）狹義電能質量

會影響用戶設備正常運行的不理想的系統電壓，包括電壓的閃變、瞬時過電壓或跌落、諧波畸變、各相電壓不平衡等情況；電流質量指電力電子設備等非線性負荷給電網帶來的電流畸變，包括流入電網的諧波電流，以及無功、不平衡負荷電流、低頻負荷變化造成的閃爍等。頻率質量2/1/20236電能質量的分類(2)穩態穩態電能質量問題以波形畸變為特征，主要包括諧波、間諧波、波形下陷以及噪聲等；暫態暫態電能質量問題通常是以頻譜和暫態持續時間為特征，可分脈沖暫態和振蕩暫態兩大類。2/1/20237更廣泛的電磁兼容問題非技術成分質量問題2/1/20238電能質量的特點電能質量往往是由用戶干擾所決定的電能質量在空間和時間上均處于動態變化之中電能質量和用電設備的性能密切相關2/1/20239引起電能質量的四大因素自然現象和災難電力設備及裝置故障或保護誤動作終端用戶非線性、沖擊性污染型負荷的大量使用人為事故2/1/202310電能質量的定義電力公司用戶設備制造商IEEEIEC電能質量是任何導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差2/1/202311電力公司定義電能質量相當于供電可靠性，通常用統計數字來量化utilitiesdefinepowerqualityasreliabilityandshowstatisticstoquantifyit2/1/202312用戶定義導致用戶設備失效或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏移稱為電能質量2/1/202313設備制造商定義能使設備正常運行的供電特征稱為電能質量Themanufactureofloadequipmentdefinepowerqualitypowerasthosecharacteristicsofthepowersupplythatenabletheequipmenttoworkproperly.2/1/202314IEEE定義電能質量是對向敏感設備提供電力和設置接地系統以保持其正常運行能力的一種概念描述PowerQualityistheconceptofpoweringandgroundingsensitiveequipmentinamatterthatissuitabletotheoperationofthatequipment2/1/202315IEC定義電能質量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和不干擾用戶使用電力的物理特性Powerqualityissetofparametersdefiningthepropertiesofthepowersupplyasdeliveredtotheuserinnormaloperatingconditionsintermsofcontinuityofsupplyandcharacteristicsofvoltage(symmetry,frequency,magnitude,andwaveform).2/1/202316電能質量的影響國標GB755《電機基本技術要求》規定，電動機在額定功率下電源電壓的偏差不超過±5％時才能維持額定出力；紡織機、造紙機等生產機組對于頻率敏感，如果頻率變化過大就可能出現廢品，甚至使設備受損；頻率降低會使汽輪機的葉片承受壓力加大，嚴重時會發生機械共振，使葉片斷裂；電壓的快速波動會使電動機轉速不均勻，不僅危及電動機的安全運行，而且還影響一些產品的質量，并引起照明的“閃變”。2/1/202317電能質量問題的影響電網諧波含量的增加，將導致電氣設備壽命縮短，電網網損增大，系統發生諧波諧振的可能性增加，同時可能引起繼電保護和自動裝置誤動，儀表指示和電度計量不準等一系列問題。，由諧波引起的損耗和電氣設備絕緣壽命的縮短所造成的等值損耗也很可觀，約為用電量的0.7％。三相電壓不平衡（即存在負序分量）會引起電機附加振動力矩和發熱。額定轉矩的電動機，如負序電壓含量為4％，由于發熱，其絕緣壽命縮短約一半。如果某相電壓高于額定值，則其壽命縮短更嚴重。一些保護也會因負序的干擾而誤動作。2/1/202318電能質量問題造成的經濟損失一個計算中心失去電源2ｓ就可能破壞幾十小時的數據處理結果或上百萬元的經濟損失。在大型機器制造廠,01ｓ的電壓突降就可能造成異常的生產狀況和質量破壞。自動化設備控制的連續精加工生產線,它們對配電系統中的干擾異常敏感,幾分之一秒的不正常供電就可能在工廠內部造成混亂,其損失是難以估量的。這些用戶對不合格電力的容許度可嚴格到只有1-2周波。現代化的商貿中心、銀行、醫院也是如此。諧波的嚴重危害和所造成的損失經常被人們所提及。而無人值守變電站中計算機系統突然出現的死機現象，大多屬于電能質量問題。據估計，因電能質量問題每年給美國企業造成的損失累計達150億到300億美元之多，尤其是那些對電壓變化敏感的電子、信息、半導體行業。2/1/202319北京地區電能質量問題北京供電局了解，北京第11屆亞運會期間網球中心在舉行開幕式時全場照明突滅一半，究其原因則是電壓波動引起；2001年大運會期間清華大學游泳館等部分場館均出現過較為嚴重的、因電能質量問題影響場館正常比賽用電的事件；據北京化工集團統計，3年來因供電問題化工生產裝置停車56起，其中因電壓跌降的有43起，其中最危險的是由于這是電壓突變過程，供電部門并未察覺也未記錄，造成了一定區分責任的糾紛；首鋼日用電子有限公司等大企業也有同類的情況發生。2/1/202320電氣設備對電壓凹陷的敏感性分析主要原因短路故障引起較嚴重的電壓凹陷（驟降）電機啟動引起較長的凹陷時間。特征量幅值：偏離額定值的最大值（60％）持續時間：均方根值超出指定門檻值的一段時間發生頻次特定幅值及持續時間情況下發生的次數。2/1/202321產生電壓跌落的原因超高壓電網故障造成大范圍的配電網的電壓波動。雷擊引起的絕緣子閃絡或線路對地放電系統故障當保護動作后伴隨著重合閘時，由此而引起的電壓跌落次數將成倍數增加，并且規定時間間隔的連續跳閘是造成瞬時供電中斷的主要因素之一。電壓跌落統計結果表明大部分的電壓跌落幅值都低于（20～30）％的額定值。2/1/202322設備對電壓凹陷的敏感圖非正常工作狀態正常工作狀態Vmin1tmsxt（持續時間）V(幅值)2/1/202323暫態電能質量暫態電能質量問題通常是以頻譜和暫態持續時間為特征檢測暫態持續時間的問題轉化為檢測信號奇異點的問題

2/1/202324電壓跌落

Meyer小波分析DB6小波分析2/1/202325電壓切痕

Meyer小波分析DB6小波分析2/1/202326電能質量擾動（1）擾動類型子類/類屬特征屬性幅值持續時范圍(pu)間劃分暫態沖擊納秒級上升時間5ns-<50ns微秒級1us-50ns-1ms毫秒級1ms-1ms-1cycs暫態振蕩低頻頻譜<5kHz0-40.3–50ms中頻5~500kHz0–820us高頻0.5~5MHz0-45us供電中斷即時-<0.10.5–36cycs瞬時-36cycs–3s暫時-3-60s持續-0>1min電壓驟降即時-0.1–0.90.5–36cycs瞬時-36cycs–3s暫時-3-60s電壓突升即時-1.1–1.80.5–36cycs瞬時-36cycs–3s暫時-3-60s2/1/202327電能質量擾動（2）

擾動類型子類/類屬特征屬性幅值持續時范圍(pu)間劃分電壓不平衡穩態不平衡度0.5–2%-閃變暫態<25Hz0.001–0.07-直流偏置穩態-0–0.001---諧波準穩態2-100th

0–0.2-間諧波穩態0–5kHz0–0.02-裂痕暫態<=0.5cyc電噪聲暫態verybrand0–0.01-削平暫態--相角不對稱穩態--頻率波動穩態--<=10s2/1/202328主要電能質量指標量化目的除經濟性指標外，目前沒有統一的指標能描述全部電能質量問題指標往往是與擾動類型相關聯2/1/202329諧波各次諧波的相位和幅值諧波含有率HR總畸變率THD諧波功率諧波阻抗K因子2/1/202330閃變白熾燈的光通量短期覺察度Pst長期覺察度Plt累積概率函數曲線CPF閃變覺察曲線PFC2/1/202331電壓驟降閾值指標持續時間、電壓幅值統計指標系統電壓有效值變化平均指標（SARFIx）面積、能量型指標電壓缺失電壓驟降“面積”能量損失特殊指標2/1/202332電壓驟降－電壓缺失電壓缺失(LV)是指電壓驟降過程中跌落電壓積分2/1/202333電壓驟降－電壓驟降面積借鑒發電機暫態穩定的面積方法來描述電壓驟降，是一種電壓幅值對時間的積分電壓驟降面積指標不等同于能量2/1/202334電壓驟降－能量損失損失能量指標指電壓驟降中系統未能正常傳輸給負荷的能量多少，也是缺失電壓和持續時間的函數或2/1/202335電壓驟降－特殊指標電壓驟降評分2/1/202336電壓中斷統計評價指標SAIFI：系統平均中斷頻率指標CAIFI：用戶平均中斷頻率指標SAIDI：系統平均中斷時間指標CAIDI：用戶平均中斷時間指標ASAI：平均可用服務指標ASUI：平均服務不可用指標AENS：平均未供能源2/1/202337電壓突升指標比較類似電壓驟降2/1/202338電壓裂痕2/1/202339暫態脈沖沖擊振蕩暫態2/1/202340過電壓、欠電壓2/1/202341三相不對稱NEMA定義IEEE定義正負序定義瞬時定義2/1/202342電能質量的檢測的基本作用評價電網和供電點電能質量的優劣調查干擾源的發射干擾和敏感用戶所承受干擾的手段是供用雙方簽訂合同及明確電能質量責任的重要考查依據是進行電能質量治理的先決條件是電能商品按質定價的技術依據2/1/202343理想的電能質量檢測算法

能夠獲得信號的準確頻譜特性

能夠準確分析電能質量變化的發生時間算法得到的系數應該在時域和頻域上具有明確的的物理意義

算法效率要高，適用于實時分析

2/1/202344電能質量檢測算法框圖2/1/202345研究現狀對于配電網絡的電能質量分析，主要的問題是配電網中負荷，尤其是新型負荷的精確數學建模以及如何利用計算機來實現智能建模；重要設備的擾動下異常行為、性能變化的分析暫態電能質量擾動在配電網中的傳輸特性及其合理的仿真算法；擾動源的辨識和定位；電能質量治理措施；用戶電力技術CustomPower或者配網無功補償技術D-STATCOM在配電網中的應用效果評判。2/1/202346時Fourier變換與小波分析的時頻窗口的對比短時Fourier變換小波分析2/1/202347原理結構圖TMS320C5402?DSPGeneration,FixedPointDATAA/D1A/D2A/D3A/D4A/D5A/D6高速采樣SRAMFLASHCPLD串口通信（RS323/RS485）液晶顯示鍵盤輸入紅外通信時鐘EEPROM2/1/202348指定標準的國際組織組織簡單說明IEEE有多個工作組就測量、描述、術語、指標等多方面進行研究，研究成果較公開。IEC主要研究諧波和電磁兼容問題，涉及測量、指標等方面，在歐洲應用的較為廣泛ANSI美國國家標準學會，近期主要是與IEEE等組織合作研究。SEMI半導體行業委員會，主要關注半導體處理裝置抗電壓驟降干擾問題CBEMAITIC國際商用制備制造聯合會和信息技術工業委員會，致力于信息終端設備受電壓驟降干擾的曲線和圖形化描述UIE電力應用國際聯合會UNIPEDE電能生產、輸配國際聯合會CENELEC歐洲電工標準化委員會CIGRE國際大電網會議CIRED國際配網會議U.S.Military美國軍方，主要從飛行器、船只、基地安全角度考慮FIPS美國聯邦信息處理標準委員會NFPA美國國家防火協會，從防火和建筑安全角度考慮NIST美國國家標準化和技術學會ULUnderwriters實驗室BSI不列顛標準研究院2/1/202349．基本功能運行電量的采集、計算和顯示實時三相電壓、電流有效值；當前有功功率、無功功率，總諧波含量，三相電壓不平衡度，頻率；液晶屏幕首頁顯示當前電量數據。諧波分析13次諧波或更高次諧波監測，檢測諧波畸變率；記錄各次諧波含量；記錄當天發生畸變嚴重的時刻。供電電壓偏差檢測和記錄檢測并記錄三相電壓偏差；記錄當天發生嚴重偏差的時刻。三相電壓不平衡度檢測和記錄記錄三相電壓不平衡度；記錄當天發生嚴重電壓不平衡的時刻。頻率偏差檢測記錄當天發生嚴重頻率偏離的數據及時間。瞬時電壓凹陷檢測檢測持續時間10－300ms的瞬時電壓跌落。瞬時斷電以及恢復次數和時間的紀錄記錄斷電時刻/來電時刻；記錄斷電次數，第一次斷電和最后來電的時間。竊電紀錄，提供與電度表數據輸出的連接口具有電度表功能，顯示電度數值；監測用戶是否有竊電行為。非正常電量的記錄、存儲提供紅外遙控數據傳輸與外部計算機串口、并口通訊;提供任意移動閃存（U盤）通訊接口，下載記錄的數據。液晶顯示、鍵盤接口2．擴展功能暫態電能質量檢測，包括閃變、電壓跌落等；可配置GSM模塊，實現GSM通訊；利用已有的通訊接口建立多點電能質量網絡監測系統；配置分析軟件，對保存的故障或非正常數據進行處理及分析；2/1/202350其它負荷曲線；負荷持續率用戶負荷率；用戶需要系數；最大/最小用電負荷（有功、無功）；峰谷差。2/1/202351主要電能質量標準(IEEE/ANSI)標準號時間描述5191992電力系統諧波控制1433D1999電能質量術語詞匯定義11591995電能質量監測中的若干問題，包括數據采集、描述和數據格式1564D2002電壓驟降指標13461998評估具有電子處理設備的電力系統兼容性評估，從設計和規劃角度提出經濟損失的計算方法12501995短暫電壓擾動下計算機等設備靈敏度分析，減緩擾動影響的方法等1421991工業和商業性電網的接地考慮4461995應急和備用電源的使用、設計和維護6021996醫療場所電源的設計和運行11001999電子設備的供電和接地實施15472003分布式電源電能質量考慮1453電壓閃變1409用戶電力改善電能質量2/1/202352主要電能質量標準(IEC)標準號描述61000-1-x有關電能質量的定義和一般方法61000-2-x電磁環境61000-3-x諧波污染限制61000-4-x測試和測