电能质量的综合评估

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 毕业设计（论文）

题    目     电能质量的综合评估   

系    别         电力工程系           

专    业    电气工程及其自动化    

班    级        **************        

姓    名        ***********        

指导教师                          

下达日期     年   月   日

设计时间自    年  月  日 至    年  月  日

毕业设计（论文）任务书

一、设计题目：1、题目名称       电能质量的综合评估         

2、题目来源                ********

二、目的和意义 随着非线性负荷的增多，电能质量问题已表现的日益突出，各国都根据实际情况制定了相关的电能质量标准，所制定的标准能够评判电能质量各单项指标是否合格，但却存在着一定的缺陷。电能质量是一个多指标的综合体，单纯的判断某项指标是否合格，并不能反映整体的电能质量情况。 通过设计学习掌握电能质量的基本理论； 电能质量综合评估的基本理论； MATLAB的编程方法与技巧； 三、原始资料    见附录。 四、设计说明书应包括的内容 完成电能质量综合评估的实现； 完成电能质量综合治理的MATLAB仿真； 完成5000汉字的与设计内容有关的英文资料的翻译。 五、设计的主要技术指标 （1）根据我国电能质量评估中存在的主要问题，建立适合的电能质量评估体系； （2）软件应达到的要求： a.程序要满足一定的速度要求和应用需求 b.结果可信、真实 （3）MATLAB仿真要求： a.  实现谐波源（谐波潮流）的仿真； b.  实现谐波综合治理的仿真，治理效果要满足国家标准要求； （4）以实际的例子（电气化铁路）进行电能质量评估，得出量化结果； 六、主要参考资料 （1）肖湘宁. 《电能质量分析与控制》. 北京：中国电力出版社，2004，2. （2）Alexander Kusko, Marc T.Thompson 《电力系统电能质量》. 科学出版社, 2009.3 （3）《电能质量国家标准应用指南》 中国标准出版社 2009.9 （4）程浩忠. 电能质量概论. 北京：中国电力出版社，2008，4. 七、进度要求 1、实习阶段   第  周（    月   日）至第    周（   月    日）共    周 2、设计阶段   第    周（    月    日）至第    周（    月    日）共    周 3、答辩日期   第    周（  2012  年   月    日）                         八、其它要求 （1）根据我国电能质量存在的主要问题及国家标准，建立适合的电能质量评估模型； （2）掌握一种电能质量分析软件的使用以及其仿真； （3）设计完成后，使我们具有分析电能质量初步问题的能力；

电能质量综合评估

摘要

电力行业市场化己成为世界各国电力工业改革的目标。而电能质量则是这其中的关键。本文论述了电能质量各项指标的国标定义，以及在电力市场环境中研究电能质量综合评估问题的意义。本文选择用简单易懂的概率统计和矢量代数相结合方法来进行电能质量的综合评估。首先用概率统计对山西省各市的电能质量的各项指标分别进行评估，然后与矢量代数相结合得到电能质量各项指标的归一量化评估结果，最后综合全省结果比较而直观、全面地反映出山西省的电能质量问题。本文还在介绍各种工业负荷的电能质量特性的基础上，针对电气化铁路影响电能质量的谐波因素进行了MATLAB仿真处理。

关键词：电能质量；综合评估；概率统计和矢量代数；MATLAB仿真；

Comprehensive Evaluation of Power Quality

ABSTRACT

The power industry market has become the reform objective of power industry through the world . The power quality is the key .This article discusses the definition of the GB of the power quality indicators , And the significance of the study comprehensive assessment of power quality problems in the electricity market environment . This article select the method that the combination of probability statistic and vector algebra to conduct comprehensive assessment of power quality . Firstly, use probability statistic to assess power quality indicators of all cities of the Shanxi Province, then use vector algebra to the normalized quantitative results of the assessment of power quality indicators , and then integrated the province's results and the electric characteristics to reflect the power quality in Shanxi Province intuitively and comprehensively. On the basis of introducing a variety of industrial load's power quality characteristics, this paper counter harmonic of electrified railway affecting power quality factors with the MATLAB simulation processing .

Key words: Power quality; Comprehensive evaluation; Probability statistic and vector algebra; MATLAB simulation;

第一章  绪论

1.1 在电力市场环境下研究电能质量评估问题的意义

进入二十一世纪后，在我国电力已经作为一种特殊的商品逐渐走入了市场化的大门，电力市场也逐步成型。目前，我国的电力市场采用的是发电侧开放式的单一购电者模式，即将电力经营企业拥有的发电厂与电网分开，市场只对发电侧开放，在发电侧各发电厂竞价上网，但是购电者只有电力调度交易中心一方。电力市场中电能交易类型包括合约交易、现货交易、期货交易等，而现阶段，我国的电力市场中的交易类型为，在市场中，电网经营企业与发电公司间以短期现货交易和远期合约交易为主；而电力调度交易中心与购电者间以现货交易为主。作为一种商品，电力市场化后，电能的质量无疑将会与价格挂钩，从而引起人们对质量的重视，这对于电能质量的提高将会起到很好的促进作用。

随着电力市场化的进行，电力系统将出现厂网分开，供输分离的局面，电能将统一开放，作为一种商品投入到市场竞争中去，像其他的商品一样，竞价上网，做到按质定价、优质优价，因此，在电力市场的环境下对电能质量进行评估具有重要的意义。在电力市场环境下，有了明确的电能质量等级划分方法，就可以综合的评估、比较各种电能的质量，从而为建立公平的电力市场创造条件。同时，有一个明确的电能质量的评估标准，也便于购电方进行比较和选择，从而达到以最少的资金获得最适合的电能的目的。在电力市场中对各种电能的质量进行评估并采用按质论价、优质优价的购电原则，有利于鼓励各个发电厂商、输配电系统努力改进或提高电能的质量，从而可以提高电力系统整体电能的质量。其次，在电力市场中考虑电能质量就将电能质量的治理问题推向了市场，使其与经济利益挂钩，从而明确了电能质量治理的责任，有助于改变目前互相推卸责任、标准单一、无人治理的被动局面。并且，在电力市场中考虑电能质量问题有助于改革并完善电力企业的管理，从而促使电力企业从垂直垄断管理向开放竞争管理转变，努力开拓电力市场，提高企业的管理效率和电能质量，降低供发电成本和电价，最终达到促进国民经济发展的目的。

1.2 国内外的研究现状

长期以来，定量的、全面的评估电能质量，一直是电能质量工作者共同追求的目标。目前，电能质量综合评估的研究焦点依然是如何科学、客观地将一个多指标问题综合成单一量化指标问题，已经有多篇文献对电能质量综合评估方法进行了探讨，对电能质量的定量评价做出了有益的探索。

由于电能质量指标具有模糊性，因此产生了基于模糊数学的综合评估方法。文献[1]采用了“模糊模式识别”的方法，首先将电能质量的各个指标模糊化，建立相应的隶属度函数，并且将服务性指标利用专家评分法获得隶属度；然后确定电能质量的等级，采用将模糊集求概率和，在考核周期内取算术平均的方法获得指标隶属度；之后再采用海明贴近度，利用择近原则判断出质量等级。但是，由于采用的贴近度对模糊关系的刻画不够细致，最大隶属度原则掩盖了介于两个隶属度之间的差别，严重时可能会导致判断偏差太大，所以对电能质量的综合评估不够细致、清晰和全面。文献[2]提出了利用“模糊综合评判”的方法对电能质量进行综合评估。首先对电能质量的各个指标进行分级，从最低一级开始评判，在评判完这一级之后再进入下一级，直到最后获得综合评判结果。同时，在每一级评判中引入相应的评判权重，以表示不同指标在该级中的重要程度。最后一级的综合评判采用加权平均法，以避免最大隶属度原则的片面性。此种方法综合考虑了电能质量指标的各个方面，评判客观、全面、合理，具有一定的应用价值。上述两种基于模糊数学的方法，均存在如何建立合理的隶属度函数的问题，如果隶属度函数建立不合理，将会对评估结果产生很大影响。

文献[3]采用了概率统计特征值的方法，抓住了分项电能质量指标的主要特征。采用矢量代数的方法有效地将不同的分项指标归一量化，使电能商品优质和优价的一一对应成为可能。但是基准值的选取不同，指标的归一量化结果会有很大不同。如果基准值选取不当，会对电能质量综合评估的准确性有很大影响。

针对模糊数学和概率统计与矢量代数方法各自的优缺点，文献[4]提出了将二者相结合的综合评价方法，这种方法在对电能质量进行整体评价的同时，还可以单独评价电能质量的某项指标。采用概率统计特征值的方法可以抓住电能质量分项指标的主要特征，而采用模糊综合评判的方法则可以体现不同用户对电能质量各项指标要求的不同。整个过程中，在尽量避免主观人为因素对评价结果的影响的同时引入了权重矢量，因而可以根据实际的需要满足对某些项指标的特殊要求。但是综合评判过程中各单项指标的权重选取不当，将会对综合评估结果产生不良影响。

文献[5]将“层次分析法（AHP）”用于电能质量综合评估中的权重确定。层次分析法是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程。应用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同方案的权重，为最佳方案的选择提供依据。但是层次分析法在遇到因素众多、规模较大的问题时,容易出现判断矩阵难以满足一致性要求的问题,往往难以进一步对其分组。而判断矩阵的阶数越大,元素间两两比较判断的次数就越多,很难达到一致。因此文献[6]采用了主客观权重相结合的方法，提出了基于可变权重的电能质量模糊综合评价。先利用 AHP 法确定各项指标的主观权重，再根据不同评价对象的具体情况对各单项指标赋予客观权重，得到可变综合权重，最后利用模糊综合评价方法对电能质量进行综合评判。该方法根据不同类型负荷的敏感程度确定各单项指标权重。但是在对各单项指标赋予客观权重时，需要专家根据具体的情况给予赋权，仍然避免不了人为因素的影响。

文献[7]基于物元分析法，首先用物元和相关函数理论计算待评估的电能质量对各不同质量等级的关联值，并形成关联值矩阵；然后结合层次分析法得到指标权重，计算得到最终评价结果。这种评估方法结果清晰，方法简单，易于编程实现，但是此种方法在确定目标权重时，仍然不能避免人为主观因素的影响。

1.3 本论文的主要工作

本论文以地区电网电能质量综合评估为背景，进行了电能质量综合评估方法的

应用研究。本论文的主要工作有以下几个方面：

（1）介绍了电能质量综合评估的意义及方法研究现状。

（2）对电能质量的含义及评估指标和国标进行了简要的介绍。

（3）简要介绍了几种算法。

（4）分析了概率和矢量代数相结合的电能质量综合评估方法，并应用该方法对山西地区变电站的电能质量情况进行了综合评估。

（5）对谐波污染和防治进行了仿真。

第二章 电能质量评估指标概述

2.1 电能质量指标的概念和影响因素

2.1.1 电压偏差

电压偏差指供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压

之差与系统标称电压之比的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为

                                    (2-1)

式中 δU——电压偏差

Ure——实际电压，kV；

UN——系统标称电压，kV。

供电系统正常运行是指系统中所有电气元件均按照预定工况运行。供电系统在

正常运行时，负荷时刻发生着变化，系统的运行方式也经常改变，系统中各节点的电压随之发生改变，会偏离电压标称值。电压的这种变化是缓慢的，其每秒电压变化率小于标称电压的 1%。

电压的均方根值偏离标称值的现象称为电压变动，电压偏差属于电压变动的范畴。供电电压允许偏差是电能质量的一项基本指标。合理确定该偏差对于电气设备的制造和运行，对于电力系统安全和经济都有重要意义。系统无功功率不平衡是引起系统电压偏差的根本原因，无功功率越严重，电压偏差越大。另外供配电网络结构的不合理也能导致电压偏差。供配电线路输送距离过长，输送容量过大，导致截面过小等因素都会加大线路的电压损失，从而产生电压偏差。

电压偏差过大对用电设备以及电网的安全稳定和经济运行都会产生极大的危害：（1）对用电设备的危害：当电压偏离标称电压较大时，用电设备的运行性能恶化，不仅运行效率降低，还可能由于过电压或过电流而损坏。例如，当电压高于标称电压 5%时，白炽灯的寿命会减少 30%；当电压高于标称电压 10%时，白炽灯的寿命会减小一半，从而使白炽灯的损坏数量大大增加；当电压低于标称电压的 5%时，白炽灯的光通量减少 18%；当电压低于标称电压 10%时，光通量减少 30%，从而使照度显著降低。电压过低或过高都会使电动机的温升增加，若电动机长时间处于较大的电压偏差下运行，就可能烧坏电动机绕组，使绕组绝缘老化而缩短电动机的寿命。由于许多家用电器内部都装有动力装置，也即是各种类型的电动机，电压偏差过大同样会影响它们的使用效率和寿命，严重影响人们的正常生活。（2）对电网的危害：输电线路的输送功率受功率稳定极限的，而线路的静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。系统运行电压偏低，输电线路的功率极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定现象，甚至导致电力系统频率崩溃，造成系统解列。如果电力系统缺乏无功电源，可能产生系统电压不稳定现象，导致电压崩溃。

我国的国家标准 GB/T 12325-2003《电能质量 供电电压允许偏差》对电压偏差做了详尽规定。

2.1.2 频率偏差

频率是电能质量的重要指标之一。系统负荷特别是发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率，使系统的频率偏差控制在允许范围之内。允许频率偏差的大小不仅体现了电力系统运行管理水平的高低，同时反映了一个国家工业发达的程度。

频率偏差是指在电力系统正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值（50Hz或60Hz，我国采用50Hz标准）之差。用公式表示为：

式中 δf ——频率偏差，Hz

fre——实际频率，Hz；

fN——系统标称频率，Hz。

频率偏差属于频率变化的范畴，电力系统的频率变化是指基波频率偏离正常值的现象。电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时都在发生变化，当发电机与负荷出现有功功率不平衡时，系统频率就会产生变动，出现频率偏差。频率偏差的大小及其持续时间取决于负荷特性和发电机控制系统对负荷变化的响应能力。在任意时刻，系统中所有发电机的总输出有功功率如果大于系统负荷有功功率的总需求（包括电能传输环节的全部有功损耗），那么，系统频率上升，频率偏差为正；反之，系统中所有发电机的总输出有功功率如果小于系统负荷对有功功率的总需求，系统频率则下降，频率偏差为负。电力系统的大事故，如大面积甩负荷、大容量发电设备退出运行等，会加剧电力系统有功功率的不平衡，使系统频率偏差超出允许的极限范围。系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。

频率偏差过大对用电负荷以及电力系统的安全稳定和经济运行都会造成很大的危害：

（1）系统频率偏差过大对用电负荷的危害：产品质量没有保障，工业企业所使用的用电设备大多数是异步电动机，其转速与系统频率有关，系统频率变化将引起电动机转速改变，从而影响产品质量；降低劳动生产率，电动机的输出功率与系统频率有关，系统频率下降使电动机的输出功率降低，从而影响所传动机械的出力；使电子设备不能正常工作，甚至停止运行，电子设备对系统频率非常敏感，系统频率的不稳定会影响这些电子设备的工作特性，降低准确度，造成误差。

（2）对电力系统的危害：降低发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃；汽轮机在低频下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂；处于低频率电力系统中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，系统所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困难；无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比，当系统频率下降时，电容器的无功出力成比例降低，电容器对电压的支撑作用收到削弱，不利于系统电压的调整；频率偏差大使感应式电能表的计量误差加大。

我国的国家标准GB/T15945－1995《电能质量 电力系统频率允许偏差》对频率偏差做了详尽规定。

2.1.3 谐波含量

谐波的国际公认定义是：“谐波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”。谐波的一个重要指标就是总谐波畸变率（THD），定义为畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度。用公式表示为：

                                         (2-3)

式中 THDU ——电压总谐波畸变率；

Uh——各次谐波均方根值；

U1——基波均方根值；

M ——所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决

定，通常取 M≤50。

电流总谐波畸变率 THDi的计算同式(2-3)，只需将其中的电压变量改为电流变量即可。电力系统中的非线性负荷是造成波形畸变的主要根源。近年来，电力系统谐波问题日益严重，主要原因就是：（1）电力电子设备及其新技术的大量采用，以及各种家用电器的普遍使用，从电网的各个供电点向电力系统注入大量谐波；（2）为了节省原材料，铁芯设备的工作点更进入饱和区，引起谐波的增加；（3）电弧炉用户的增多及其容量的增加。谐波的污染和危害主要表现在对电力与信号的干扰影响方面。谐波会引起旋转电机的附加损耗、发热和振动，降低旋转电机的使用寿命。谐波电流在变压器绕组和线路传输中都要产生附加损耗，而系统变压器和线路的损耗构成了电网损耗的主要部分。在发生系统谐振或谐波放大的情况下，谐波的网损可达到相当大的程度（例如向电气铁道供电的电网在谐波严重谐振时，输变电网络中谐波损耗可达到电气铁道供电负荷的 1.85%）；谐波会对通信系统产生电磁干扰，降低电信质量；还会使重要的和敏感的自动控制、保护装置误动作。

我国的国家标准 GB/T14549－1993《电能质量 公用电网谐波》对频率偏差做了详尽规定。

2.1.4 电压波动和闪变

电压波动定义为电压均方根一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期。在配电系统运行中，这种电压波动现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的、不规则的，亦或是随机的。电压波动值为相邻电压方均根的两个极限值 Umax和 Umin之差 U，常以其标称电压 UN的百分数表示其相对百分值：

                                        (2-4)

相对最大电压变动值：

                                            (2-5)

在波动负荷中，以电弧炉引起的电压波动最为严重。多数国家在制定的电压波动与闪变标准中的条款是针对电弧炉负荷设定的。同时电弧炉造成的供电电压波动对用电设备和系统安全运行的影响主要决定于波动值的大小和变动的频度。电压闪变是指人眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受，它通常是以白炽灯的工况作为判断。闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于周期性的电压波动引起的，如往复式压缩机、电弧炉等；后者往往与随机性电压波动有关，如电焊机等。影响闪变的其他因素还有照明装置、人的视感度等。通常人对照明变化需要有一定的视觉暂留时间，高于或低于某一段频率的照明变化，普通人便察觉不到。若将载波电压的调幅波进行频谱分析，则会发现它是由 1/2f1（f1为基波电压频率）以下的低频成分所组成。在所有这些低频成分中，人眼对 8.8Hz 的电压波动最为敏感。因此，IEC（International Electro technical Commission）标准以 S=1（S 为瞬时闪变视觉度）为察觉单位，对 1/2 以下的低频成分以 8.8Hz 为标准作归一化处理，通过在 S=1 下的电压波动频率、电压波动及视觉系数之间的关系将不同频率下的低频电压波动转化为一个特定频率(如 8.8Hz)的电压波动，以该特定频率电压波动的限值作为判断是否发生闪变的标准，大于该限值则判断为发生了闪变；反之则没有。如前所述，闪变是经过灯-脑-眼环节反映人对照度的主观视感，为更为本质地描述灯-脑-眼环节的频率特性，IEC 推荐引入视感度系数 K(f )：

           (2-6)

式中 S=1 觉察单位是以闪变觉察率 F(%)为 50％为瞬时闪变视感度的衡量单位，闪变觉察率 F(%)的统计公式如下：

                                        (2-7)         

式中 A 为没有觉察的人数；B 为略有觉察的人数；C 为有明显觉察的人数；D 为不能忍受的人数。由此可见，闪变与电压波动有着直接的关系，但由于引起闪变的某些量值难以量化，而且它还需要对电压波动（调幅波）频谱分析度进行统计，因此对闪变的计算远远比计算电压波动要复杂得多。到目前为止还没有准确计算闪变的公式。

我国的国家标准 GB 12326-2000《电能质量 电压波动和闪变》对电压波动和闪变做了详尽规定。

2.1.5 三相电压不平衡度

电力系统的三相不平衡（或对称）是由于三相负载不平衡（或对称）以及系统元件参数的不对称所致。在研究不对称的三相电力系统时，广泛使用对称分量法，即将任何一组不对称的三相相量（电压或电流）分解成相序各不相同的三相对称的三相相量。三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除含有谐波分量外，还含有正序、负序、零序分量。对于三相三线制电路，只含有正、负序分量。三相电压的不平衡度通常以负序分量与正序分量均方根值的百分比来表示。

                                                  (2-8)

式中 U1为三相电压正序分量的均方根值，U2为三相电压负序分量的均方根值。

电力系统三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两大类。事故性不平衡由系统中各种非对称性故障引起，比如单相接地短路、两相接地短路或两相相间短路等。而电力系统正常运行时，供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都将导致电力系统的三相不平衡。由于三相发电机、变压器等设备通常具有良好的对称性，因此供电系统的不平衡主要来自于供电线路的不平衡。系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大量负序分量，由于负序分量的存在，三相不平衡对电气设备产生不良影响。（1）感应电动机。电动机的负序电抗很小，所以负序电压产生的负序电流很大，使电动机的铜损增加。铜损的加大不仅使电动机效率降低，同时使电动机过热，导致绝缘老化过程加快；（2）变压器。变压器处于不平衡负载下运行时，变压器容量得不到充分利用。研究表明，变压器工作在标称负载下，当电流不平衡度为 10%时，变压器绝缘寿命约缩短 16%；（3)换流器。三相不平衡使换流器的触发角不对称，换流器将产生较大的非特征谐波。非特征谐波电流的出现对换流器的谐波治理提出了更高的要求，直接导致换流器总投资的加大；（4）继电保护和自动装置。三相不平衡系统中的负序分量偏大，可能导致一些作用于负序电流的保护和自动装置误动作，威胁电力系统的安全运行，此外系统三相不平衡还会使某些负序启动元件对系统故障的灵敏度下降；（5）线损。在三相不平衡系统中，线路除正序电流产生的正序功率损耗外，还有负序电流及零序电流产生的附加功率损耗，因此加大了线路的总损耗，降低了电力系统运行的经济性；（6）计算机。在低压三相四线制系统中，三相不平衡引起中线上出现不平衡电流，中性点电位会产生漂移，严重时对计算机产生电噪声干扰，可能使计算机无法正常工作。

我国的国家标准 GB/T 15543-1995《电能质量 三相电压允许不平衡度》对电压三相电压允许不平衡度做了详尽规定。

2.1.6 暂态指标

评估电能质量的技术指标除了以上几节中介绍的稳态指标之外，还有暂态指标，主要有电压暂升、电压暂降、瞬时间断、暂时过电压、瞬态过电压、脉冲等等。其中，由于变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动化生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用，电压暂降（凹陷、跌落）与短时断电（间断）问题引起了有关部门和研究人员的重视，国内外不少专家学者认为这一问题已上升为当前最重要的电能质量问题之一，许多国家（如加拿大）已开展了电压暂降的长期监测工作。

电压暂降和电压短时间中断通常是相关联的电能质量问题。发达国家早在 20世纪 80 年代初就开始研究电压跌落并取得大量的应用成果。电压暂降是指供电电压均方根在短时间突然下降的事件。其典型连续时间为 0.5～30 周波。是指电压有效值的大幅度快速下降，IEC 定义为下降到标称值的 90%至 1%，IEEE 定义为下降到标称值的 90%至 10%。当电压有效值降低到接近于 0 时，则称为间断。电压暂降与间断主要是由于系统短路故障以及配电网感应电机启动造成。当输配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时，均可引起电压暂降。其中，短路故障、感应电机启动、雷击是引起电压暂降的主要原因。电压暂降和间断的危害主要是引起工业生产设备非正常工作，从而造成经济损失。

电压暂升是指工频电压或电流有效值上升到 1.1pu～1.8pu 之间。持续时间在 0.5周波到 1 分钟之间的电压质量问题。单相接地故障会引起非故障相的电压升高。大负荷的切除或电容器组的充电也会导致类似的电压质量问题。

暂态脉冲的定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化。变化是单方向的，常用其上升和延迟时间来描述。产生冲击暂态的主要原因是闪电。由于涉及到的频率很高，所以产生的冲击电压或电流衰减很快，同一个冲击暂态事件，在电力网络的不同点会观察到不同的结果。冲击暂态常常引起设备因过电压而损坏，还有可能激发电力系统的固有振荡而导致振荡暂态。

振荡暂态定义为电压或电流在稳态下的突然的非工频变化，变化是双向的。常用频谱成份（主导频率）、持续时间和幅值进行描述。根据其频谱范围，振荡暂态可分为高频、中频和低频 3 种。

2.2 电能质量国家标准

电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理、推广电能质量控制技术、维护供用电双方合法权益的法律依据。电能质量指标主要包括：频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。从 20 世纪 80 年代初到 2003 年，国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量国家标准，如表 1 所示。

表 1 六项电能质量国家标准摘要

标准编号	标准名称	允许限值
GB/T 12325－2003	电能质量 供电电压偏差	1. 35kV 及以上为正偏差绝对值之和不超过 10% 2. 10kV 及以下三相供电为±7% 3. 220V 单项供电为  +7%,-10%
GB 12326－2000	电能质量 电压波动和闪变	当r时，对于低压（）和中压（），d=1.25%~3%; 对于高压（），d=1.0~3%;  对于随机不规则变动，d=2%( ) 和d=1.5%() ; 系统电压等级
	1.0	0.9（1.0 ）	0.8
	0.8	0.7（0.8 ）	0.6

注1括号中的值仅适用于所有用户为同电压等级场合

注2为短时间闪变值；

注3

为长时间闪变值
GB/T 14549-1993	电能质量 公用电网谐波	各级电网谐波电压限值（%） 电压 （）		奇次	偶次
0.38	5	4.0	2.0
6.10	4	3.2	1.6
35.66	3	2.4	1.2
110	2	1.6	0.8

注 1.220kV 电网参照 110kV 执行

2.表中 THD 为总谐波畸变率
GB/T 15543-1995	电能质量 三相电压不平衡	1. 正常允许 2%，短时不超过 4% 2. 每个用户一般不得超过 1.3%
GB/T 15945-1995	电能质量 电力系统频率偏差	1. 正常允许±0.2Hz，根据系统容量可以放宽到±0.5Hz 2. 用户冲击引起的频率变动一般不得超过±0.2Hz
GB/T 18481-2001	电能质量 暂时过电压和瞬态过电压	1.系统工频过电压限值 电压等级（KV）	过电压值（p.u.）
Um>252(Ⅰ)	1.3
Um>252(Ⅱ)	1.4
110及220	1.3
35∽66	1.732
3∽20	1.9

注：1.Um是指贡品峰值电压

    2.Um>252(Ⅰ)和Um>252(Ⅱ)分别指线路断路器两侧变电所的线路

2.操作过电压限值

空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相重合闸、非对称故障分闸及振荡解列过电压限值

电压等级（KV）	过电压值（p.u.）
500	2.0*
300	2.2*
110∽252	3.0

*表示该过电压相对地统计操作过电压

第三章 不同工业负荷的电能质量特点

电能质量主要包括电压波动、电压闪变、谐波电流、谐波电压(电压总谐波畸变率)、三相电压不平衡度。功率因数不属于电能质量范畴, 但它是考核用户的一个重要指标, 也是治理中的一个重要指标, 为便于描述, 暂把它做为一个电能质量指标。非线性负荷及冲击负荷种类很多, 如冶金负荷、电气化铁路、大容量高压电机负荷等, 也包括风电场(风电场是供电电源, 由于风力发电特点,风力发电也会引起电能质量问题, 为方便叙述, 按照负荷考虑)。冶金负荷包括电炉负荷、轧机负荷、电解铝负荷等; 电气化铁路根据牵引变型式及机车型式, 可以划分多种供电负荷形式, 引起不同程度的电能质量问题; 大容量高压电机在煤矿、石油、化工以及其它行业有所应用, 会产生一定的电能质量问题; 风电场根据其风电机类型会产生不同程度的电能质量问题。以下对常遇到的若干类负荷的电能质量特点进行详细描述。

3.1    冶金电炉负荷

冶金负荷中经常遇到的有矿热炉、电弧炉、精炼炉、中频炉等。矿热炉主要指硅铁炉、黄磷炉、电石炉等冶炼炉。电弧炉( electric arc furnace, EAF)包括交流电弧炉、直流电弧炉, 生产工程包括补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期(精炼期)和出钢。在熔化期, 由于炉料尚未熔化, 电弧阻抗不稳定, 电极短路和开路发生频繁, 引起电压波动和闪变, 也产生大量谐波电流以及负序电流。矿热炉属于原矿冶炼, 冶炼过程分为熔化、除渣、精炼期。

 

图1 典型电弧炉及等效阻抗示意图

电弧炉和矿热炉引起的电压波动是由无功功率冲击造成的, 无功功率冲击值与电炉炉变容量、冶炼工艺、接入点电网参数、炉变阻抗参数以及短网参数有关。其中, 大功率电弧炉由于其冶金工艺的原因, 其无功冲击呈现冲击幅值大, 电压波动大, 冲击无规律, 引起的电压闪变严重等特点。对于大功率电弧炉的无功冲击初步估算一般按照炉变的1. 2~1. 5倍考虑, 如图1所示, XT 为考核点( PCC)到系统的等值阻抗, XL 包括钢厂线路、降压变、串抗、炉变、短网的等值阻抗。则电弧炉引起的最大无功冲击可按下式进行估算:

  (3—1)

交流电弧炉闪变的评估可以根据GB12326---2008电能质量电压波动和闪变附录C3提供的方法进行估算。交流电弧炉和矿热炉的谐波电流主要以2、3、4、5、6、7次谐波电流为主,谐波含量如图2所示。

 

图2 电弧炉负荷电流仿真曲线及谐波电流发生量分解

由于这两种电炉都有频繁电极短路和断路的特点, 因此负序电流较大, 并引起三相电压不平衡; 此外, 这两种电炉功率因数一般在0. 4~0. 7之间, 实测某交流电弧炉无功功率及功率因数如图3所示。

 

图3  典型电葫芦负荷无功功率及功率因素实测曲线

直流电弧炉由于把交流转换成直流, 其无功功率冲击一般是同容量交流电弧炉的50%, 引起的电压波动及闪变较同容量的交流电弧炉小, 对于大容量的直流电弧炉, 其引起的电压波动不容忽视; 直流电弧炉引起的谐波电流随着整流脉动数的增加, 谐波电流的谐波次数向高次移动。对于6脉动的整流炉变, 主要谐波电流有5、7、11、13次, 其中5、7次较高。对于12脉动整流炉变,主要谐波电流有11、13、23、25次谐波电流, 其中11次和13次谐波电流较高。无论是6脉冲还是12脉冲整流炉变, 其11次以下各次谐波电流虽然较其本身特征谐波较小, 但各次谐波电流含量还是有较大含量, 尤其是特征谐波的两侧谐波次数的电流含量较大, 直流电弧炉谐波电流比较复杂, 根据实际测试数据, 有些电弧炉的2次谐波电流也是需要留意的; 直流电弧炉采用三相整流直流冶炼, 负序电流不大, 其引起的三相电压不平衡度不高, 功率因数在0. 7~0. 8之间。

精炼炉冶炼过程无功功率冲击较小, 引起的电压波动和闪变不大, 产生的负序电流较小。精炼炉主要电能质量问题是谐波电流, 各次谐波电流远小于电弧炉的各次谐波电流, 主要谐波电流是3次和5次, 2次和7次谐波电流也稍大。精炼炉功率因数比电弧炉的功率因数高, 一般在0. 8~0. 9之间, 许多精炼炉功率因数在0. 85以上,甚至达到0. 9或更高。

中频炉是一种电磁炉, 首先通过1个逆变电源, 把三相交流电整流(用晶闸管) 变成单相直流电, 然后由逆变桥逆变成1种500~1000Hz的中频脉冲交流电, 再通过炉胆内的铜圈形成磁场,磁场使圈内的钢材产生涡流, 涡流流过被加热的钢材, 产生热量, 从而达到熔炼钢材的目的。中频炉的变压器二次侧多采用两卷, 一卷用星形, 一卷用三角形, 两卷间形成自然移相, 二次侧形成12脉动整流。中频炉引起的电压波动和三相电压不平衡度较低, 其主要问题是谐波电流和功率因数。中频炉的谐波电流主要是5、7、11次, 但6、8、9次和10次谐波电流含量也相对较高, 且呈现含量基本相同的特点, 中频炉功率因数0. 8左右, 需要进行无功补偿。

3.2   电气化铁路负荷

电铁牵引负荷具有多变性、随机性、移动性,对电网的干扰程度在不同时段内具有不确定性,这构成对电网干扰的复杂性。电气化铁路负荷供电电源一般为110kV或220kV, 牵引变二次侧电压一般为27. 5kV或55kV; 牵引变的常用形式有Y-d11型、V-v12型、T型接线的斯考特变压器以及阻抗平衡变压器;常用的牵引机车有韶山系列车型, 如SS4、SS4G、SS8、SS9等机车, 还有现在新型的动车系列车型。

电气化铁路负荷具有短时冲击性的特点, 但是一般电铁负荷都是110kV或220kV供电, 短路容量大, 因此, 电气化机车负荷引起的电网电压波动不大, 不是电气化铁路电能质量主要问题。如果铁路沿线机车较多, 牵引车辆往来繁忙, 将会造成一定程度的电压波动; Y-d11型和V-v12型两臂负荷产生的负序电流比T型接线的斯考特变压器和阻抗平衡变压器产生的负序电流大, 引起的三相电流不平衡度严重。图4是对V-v12型牵引变基于MATLAB的电流不平衡度仿真。

图4   V-v12型牵引变低压侧两臂

 

图5  SS4型电力机车主电路原理图及谐波含量

从图4中可以看出, 两个牵引臂负荷具有相同的阻抗角时, 两个牵引臂的电流相差越大, 牵引变高压侧三相电流不平衡越大。负序电流、三相电压不平衡度是电气化铁路电能质量的一个主要问题; 牵引机车多采用晶闸管换流电路, 其主要谐波电流是3、5、7、9、11次, 其中3、5、7次谐波电流含量最大; 韶山系列机车采用多段半控桥式晶闸管相控整流电路, 电路原理图及谐波含量如图5所示。功率因数一般在0. 78~ 0. 82之间。动车机组采用PWM( 脉宽调制)交 交变频电路,功率因数在0. 95以上且谐波电流较少。

3.3  高压电机负荷

高压电机大量用于煤矿、石油、化工等行业,其主要电能质量问题是电机启动时的无功功率冲击引起的电压波动。高压电机一般是6kV或10kV供电, 对于直接启动的电机, 其启动电流是额定电流的7~8倍, 启动期间功率因数低, 冲击负荷主要是无功功率, 平均功率因数0. 85左右,不存在谐波电流和三相电压不平衡的问题。

很多高压电机都采用非直接启动方式, 如传统的减压启动方式就有Y-启动、自藕减压启动、电抗器启动、电阻分压启动、电容分压启动等,这些启动仍然会有一定的无功功率冲击。启动电流大约是额定电流的2~3倍。新型的软启动方式是通过控制连接于电源和被控电机之间的三相反并联晶闸管导通角, 使被控电机的输入电压按不同的要求而变化, 从而实现电机启动。这种启动方式特点是无冲击电流, 恒流启动。

3.4 风电场

风电场的风力发电机由风力机和发电机组成, 根据两部分的不同结构形式, 风力发电机可以划分很多种。目前, 国内采用较多的是变速恒频的双馈发电机和变速恒频的交 直 交同步发电机。变速恒频的双馈发电机使用最广, 国内常用的单台装机容量是1. 5MW, 

风电场电能质量问题主要是电压波动和谐波电流问题。引起风电场电压波动的因素有很多。风电机组在变动的风速作用下(如阵风、渐变风、随即噪声风、塔影效应、风剪切、偏航误差等), 其功率输出具有变动的特性, 可能引起所接入系统的某些节点(如并网点)的电压波动[ 9-10]。风电机组并网时可能引起较大的冲击电流, 造成并网点的电压波动, 

风电机组启动、脱网及发电机组切换也会引起电网电压波动。风电场电压波动计算需要用专用的软件进行仿真, 评估计算可以参照标准GB/T20320 2006风力发电机组电能质量测量和评估方法。估算时, 电压波动设置的无功补偿容量是风电机组安装容量的0. 2~0. 25倍。

风电场的谐波电流主要是由于风电场采用了大量电力电子器件如晶闸管、绝缘栅门极晶体管( insulatedgatebipdar translator, IGBT)等原因。同步发电机的交直交变流装置以及双馈发电机转子励磁变流装置都是风电场谐波电流源, 谐波电流主要是3、5、7次, 其中5次谐波电流最大, 7次谐波电流次之。

风电场风力发电机的功率一般在0. 95以上,按照国家电网风电场接入电网技术规定(试行) 规定, 风电场接入电网的升压站高压侧功率因数按照1. 0配置, 运行过程中按照- 0. 98~+0. 98运行。风电场三相电压不平衡度较小。

3.5 电气化铁路谐波滤除的MATLAB仿真

针对实际的铁路从1~50次谐波潮流计算，进行了MATLAB仿真，对其中含量较大的三五七次谐波的滤除。结果截图如下：

图6 无源滤波仿真设计

图7 滤波前流入系统的电流波形

图8 滤波前谐波含量

图9 流入3次调谐支路的电流波形

图10 流入5次调谐支路的电流波形

图11 流入7次调谐支路的电流波形

图12 经过无源滤波后流入系统的电流波形

图13 滤波后谐波含量

小结：经过认真的仿真设计和参数的修改，可以很明显的得出的结论是：谐波的滤除很大程度上改善了流入电网电流的电能质量。但此次设计最终没能解决的问题是由于滤波支路的参数设置还不够科学，流入滤波支路的电流很大，不是实际滤波应该有的。这也将是我还需认真钻研的方向。

第四章 山西省电能质量全析

本章采用概率统计与矢量代数的电能质量综合评估方法，这种算法虽然简单，但可以抓住分项电能质量的主要特征, 采用矢量代数的方法可以有效地将不同的分项指标归一量化, 使电能商品的按质论价成为可能。

4.1算法原理说明

基于概率统计与矢量代数的电能质量综合评估方法的流程如下所示：

a) 确定电能质量评估的总的采样点个数。

b) 将电能质量的各指标按国家标准和实际需求划分等级, 见表2。

c) 求电能质量各指标对应各等级的概率分布。

d) 求电能质量各指标的概率分布的期望值和标准差值, 并将其标幺化。

人们实际需求的是各项指标的平均值和离散情况, 所以可以根据概率和数理统计原理, 用概率分布Pk期望值E (k) 和标准差σ(k) 来反映该指标的特性。然后由专家打分或按实际要求确定和标准差的基准值EB (k)及σB(k), 对求得的期望值E (k) 和标准差σ(k) 进行标幺化, 求其标幺值E*(k)及σ*(k)。

取期望和标准差的基准值分别为EB( k) = 5(合格级) , σB( k) = 2(应根据专家打分或实际经验得到)。

e) 用矢量代数方法将期望和标准差的标幺值归一量化。

f) 对各归一量化值进行综合量化。

g) 对综合量化指标进行等级评定。

表2   电能质量指标等级划分标准

等级	电压偏差（≤10%）	电压闪变（≤0.6）	频率偏差（≤±0.2）	三相不平衡度（≤2.0）	THD(≤2.00%)
1	[0,2.5]	[0,0.15]	[0,0.05]	[0,0.5]	[0,0.5]
2	(2.5,5]	(0.15,0.3]	(0.05,0.10]	(0.5,1]	(0.5,1]
3	(5,7.5]	(0.3,0.45]	(0.10,0.15]	(1,1.5]	(1,1.5]
4	(7.5,10]	(0.45,0.60]	(0.15,0.20]	(1.5,2]	(1.5,2]
5	(10,12.5]	(0.6,0.75]	(0.20,0.25]	(2,2.5]	(2,2.5]
6	(12.5,15]	(0.75,0.90]	(0.25,0.30]	(2.5,3]	(2.5,3]
7	(15,17.5]	(0.90,1.05]	(0.30,0.35]	(3,3.5]	(3,3.5]
8	(17.5,+∞)	(1.05,+∞)	(0.35,+∞)	(3.5,+∞)	[3.5,+∞)

其中  1--4级为合格级，5---8级为不合格级；

对综合量化指标进行分级见表3, 则归一电能质量指标越小, 综合电能质量越好。

表3 归一量化电能质量指标及其等级

等级	归一量化值	等级	归一量化值
1	0~0.15	5	0.6~0.75
2	0.15~0.3	6	0.75~0.9
3	0.3~0.45	7	0.9~1.05
4	0.45~0.6	8	1.05~1.2

其中  1级为优质电能质量等级, 2级为良好电能质量等级, 3级为中等电能质量等级, 4级为合格电能质量等级, 5级为轻度污染电能质量等级,6级为中度污染电能质量等级, 7级为较重污染电能质量等级, 8级为重度污染电能质量等级。

4.2 实例分析

全省共11个地市，160个变电站作为采样点。所有数据见附录。评估结果如表4。

表4    各地市电能质量综合评估结果

地区	长治	晋城	大同	晋中	忻州	临汾	吕梁	阳泉	太原	运城
评估结果	0.7139	0.57	0.5631	0.5984	0.7934	0.4450	0.4356	0.5851	0.4855	0.3575
等级	5	4	4	4	6	3	3	4	4	3

根据综合评估结果对山西的电能质量进行直观绘图如下：

第五章 结论

本论文对电能质量的综合评估方法进行了初步研究，提出用基于概率统计和矢量代数相结合的综合评估方法，对山西的十个地市进行电能质量的综合评估，评估结果负荷山西的负荷分布特点，可以证明这一方法可在一定程度上应用在电能质量的综合评估上。但这个方法与设想仍需要进一步改进与完善。

本文的研究工作还有许多不足之处，本文只是分析了众多方法后选择了这一方法进行计算，而没有对多种方法进行计算后对结果进行分析比较。其中的关键还是我们对其他方法的理解和使用上存在一定问题。这是今后需要不断完善的方向。

电力市场环境下对电能质量进行综合评估涉及到了电力系统、电力市场、管理学、经济学等多方面的因素，是一个涵盖面十分广泛的研究课题。本文只针对电能质量评估方法这一部分作了研究，力求评估方法能够客观合理的反应电能质量指标的特性，下面就本论文的不足之处提出几点改进意见，并对本课题的进一步研究提出一点展望。第一，指标的选择。本论文进行的电能质量综合评估，仅仅考虑了国家标准所规定的几项电能质量指标。实际评估中，需要考虑的指标因素很多，例如近年来倍受关注的电压暂降，以及可靠性等因素，都应该作为电能质量综合评估的重要指标；第二，测试数据的选择。由于电能质量的生产与销售具有日、周和季等周期性，因此，所采用的测试数据也应能够较好的描述电能质量的周期性。本论文所采用的实例，测试时间较短，不能够很好的反映测试点的电能质量周期性。实际评估中，应采用长时间的测试数据，例如一天 24 小时，这样的数据才能够较好的描述电能质量的特性。

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致谢

本论文是在***讲师的悉心指导下完成的。值此论文付梓之际，我首先要向我的恩师致以深深的感谢和崇高的敬意!从最初的论文选题、资料收集到文章撰写，***老师都提出了详尽而宝贵的意见，论文的完成凝结着***老师的关怀和指导。***老师丰富的专业知识和对科研新领域、新课题敏锐的洞察力使我受益匪浅，在科研的路上少走很多弯路;更令我敬佩的是恩师那严谨的治学态度、崇高的敬业精神和对新知识执着追求的态度，为我树立了人生的榜样，将使我受益终生。

感谢******************等同学在共同的学习和生活中给予我的关心与帮助!

感谢本论文参考文献中所有的专家学者们，是他们的智慧和成果，给我以启迪和帮助。

最后，谨向审阅论文的专家，以及所有关心论文工作的老师、同学和朋友们致以诚挚的谢意!