现代电能质量监测技术 肖湘宁，陶 顺 （华北电力大学北京市 昌平区 102206 ） 1 现代电能质量问题 随着电力市场的开放、电网结构和负荷构成的变化，面向用户的现代电能质量有了新的内涵和 意义。从广义上，它包括三个方面：供电可靠性、电能质量和提供的相关信息。供电可靠性一般只 计及电力完全中断超过 1min、2min，甚至 5min 的事件，往往忽略了因重合闸或备自投装置动作造 成的日益引起关注的短时间中断。电能质量反映了电压和电流偏离标准波形和频率的程度，从工程 实用上，可分为电压质量和电流质量。前者包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、瞬变现象、 波动与闪变、暂降（暂升）与中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。后者包括电流谐波、 间谐波、次谐波、相位超前与滞后等。提供的相关信息是指通过监测和评估手段所获得的电能质量 状态量，并解释为公认的和可交换的有用信息。 限于篇幅，本文在论述了电能质量监测技术的发展趋势之后，重点结合目前发达国家电能质量 首要问题——电压暂降与短时间间断——的监测、评估及相关标准，介绍了在这方面取得的研究结 果。 2 电能质量监测技术的发展趋势 监测电能质量是电力公司了解其电力系统性能并使之能满足用户需求的前提，是分析和解决电 能质量问题的第一步，是在电力市场交易中建立电能质量等级服务标准和检验供电部门是否能达到 合同约定的电能质量水平的技术和数据基础，并为对电能质量进行综合性评估提供了切实的依据。 随着网络通信技术和信息技术的迅速进步，为适应当代电力系统发展的需要，电能质量监测技术正 朝着网络化、信息化、标准化、智能化的方向发展。 （1）监测系统的网络化 监测系统实现网络化，既可以实现同一供电系统不同地点的电能质量监测，也可实现多个局域 系统的集中监测，对全系统电能质量可进行多层分析和评估，进而有助于针对存在的电能质量问题 提出合理的治理方案。监测的数据量庞大，数据共享性的要求提高，多角度观测的需求，使得原始 的局域网可能不满足需求。未来的发展一定会建立在宽带通信和光纤网络的技术支撑上，网络的拓 扑结构直接反映着电能质量监测系统的总体水平。 （2）监测体系的信息化 从监测内容上看，首先，监测点要求信息的实时性加强了，实时数据的传输需要面向连接，频 度为秒级，比特率可变，且具有较高的精度等级；其次，为保证系统可靠性和安全性，信息的传送 必须高速、准确。拒送、误送或延迟都可能导致电力系统扩大事故；再者，涉及的是多业务的灵活 性，电力系统中关于生产和管理所需的批次信息和数据也将在通信网传输，这类业务包括上传 报表、文件等数据业务，其传输的频度及应用类型都较为随机，要求传输网络具有较高的灵活性和 扩展性。因此，传统的电力通信向实时、可靠、高速，并集成语音、数据、图像等各类业务为一体 的信息化综合性网络方向发展十分必要。 （3）监测数据的标准化 监测系统的标准化包括数据格式的标准化和显示界面的标准化。电能质量监测实时数据量相当 庞大，而且要求数据可以共享并能进行多角度观察，因此对于数据格式的设计应该有严格的统一的 规定。数据格式标准化，使得数据的共享与传输就显得轻而易举了。IEEE 标准委员会提出了一种通 用的数据文件格式作为通用的平台——PQDIF（power quality data interchange format）。PQDIF 是 种平面文件结构，由各记录链接而成，通过标记元素结构将数据的物理属性和逻辑属性分离，具有 良好的扩展性和压缩性，解决了数据量庞大的问题，也实现了电能质量物理属性的多角度观察，其 功能又类似于中间件，使多数据源具有良好的兼容性，便于实现数据共享，为分析电网的电能质量 问题以及实现电能质量管理和分析系统提供一种很好的平台。目前，PQDIF 已经成为先进国家信息 标准化的趋势。 在具体的工程实践中，监测系统需要自动连接对应站点，实时接收站点的测量数据、波形、频 谱，并显示于客户端，还供随时调阅数据。因此，为了提高系统信息共享的档次；易于工作人员之 间交流经验；各站点之间、各监测仪器之间相互交换数据更方便；明确显示每个监测仪器、子系统 及主系统各项功能，便于比较，在数据设计格式统一化、标准化的基础上，监测系统还要求显示界 面的规格化、统一化、标准化。这也是加快信息化和网络化的步伐之一。 （4）监测评估的智能化 电能质量监测技术需要利用先进的数学方法和工具对电能质量现象和实测数据进行挖掘、分析、 整理和报告表述，还需要对电能质量扰动做出科学的评估，为电力部门改善电能质量提供决策依据， 因此，电能质量的专家分析系统各功能模块的设计应向智能化和科学化方向发展。 3 电压暂降监测系统的研究 3.1 电压暂降的危害 近十几年来，很多工业和商业用户都在应用对动态电压质量扰动非常敏感的设备，如计算机网 络和通讯设备、半导体和电子制造业设备、生物技术和药物实验室以及金融数据处理中心等。电压 暂降和短时间中断会引起这些设备不能正常工作，由此给用户带来巨大的经济损失。据介绍，英国 某造纸厂由于持续仅 2~3 个周波 0.9p.u.的电压暂降造成关键负荷可调速驱动装置跳闸，生产线作 业中断，一次事件的直接损失达 14万英镑。我们对某工业区实地调查发现，调查的 8 个用户中，有 7 个用户反映发生过暂降事件，见表 1，占调查用户数的 87.5%。电压暂降对这些用户造成了产品和 经济上的损失，单次暂降事件损失从几万元至几十万元不等。 表1：用户调查统计表 有事件占调 有事件 有事件百 序号 行业 调查数量 查总数的百 数量 分比% 分比% 1 半导体行业 2 1 50 12.5 2 化工行业 1 1 100 12.5 3 金属加工 2 2 100 25 4 轻工业 2 2 100 25 5 乳制品 1 1 100 12.5 合计 8 7 87.5 由于在用户电能质量问题投诉中，80％以上是电压暂降引起的。因此，电压暂降已成为发达国 家首要的电能质量问题，是信息社会对供电质量提出的新挑战。 3.2 检测装置的研发 监测并记录电压暂降和短时间中断事件，确定事件持续（发生）时间和受影响的用户（设备） 范围，为系统或用户的故障分析提供依据，为解决问题的方案提供有用的线索。为电压暂降的科学 评估和参量限值的提供数据，为地区的招商引资提供技术保障。电压暂降问题的检测已经被大家所 关注，国际供电会议关于电能质量的工作组目前的主要工作是收集世界各地的动态电压监测方法和 数据。 常见的分析型电能质量监测仪虽然功能比较完善，但目前市场价格都比较昂贵。为了既考虑监 测系统的经济性，又促进电压暂降的全面监测，我们自主研发了动态电压事件记录仪，对电压暂降 事件实现适时检测、判别、定位和录波功能，数据供后台分析软件使用。其系统的结构图可由下图 表示： 图1：监测装置系统接线图 装置采用三相四线制或三相三线制接线。其硬件部分 AD 转换芯片采用 ADS8364。主 CPU 为 TMS320F2812-DSP。DSP 完成 AD 芯片的控制、电压有效值的计算、SD 卡文件系统的管理以及与 DS1302 和上位机的通信。辅助电路主要有 DS1302 电路、SD 卡电路、1M 外部 RAM 和电源等部分。装置软件 部分的电压有效值计算模块采用虚拟三相瞬时 DQ 变换法[1]。该方法能准确检测电压暂降扰动的幅 值和相位跳变，在时间上只延迟 1/4 个周期；对暂降事件的定位，误差为+3-+4ms 之间，且受谐波 及相位跳变的影响很小；计算量相对方法而言要小。系统每周期采样 64 点进行计算，当检测到 电压发生暂降时，每周期存储 32 点数据。事件判断模块结合当前状态、历史状态来确定当前正处于 事件的何种状态。这些状态有：没有事件发生 （电压正常状态）、新事件开始 （检测到第一个暂降点）、 暂降中（连续几个暂降点）、后续录波（暂降后的连续几个非暂降点）和暂降结束。数据转存模块实 现指将采样数据从外部 RAM 转存到 SD 卡中。装置设计最长记录时间为 1min，数据量为 576k。每个 事件存为一个文件。文件名自动按编号生成。事件文件收集到数据中心，采用后台分析软件实现对 事件的储存、分析、分类及统计。图 2 是对某工业区 10kV配电网实时监测事件波形。 图2 监测事件示例（左为瞬时采样值，右为后台软件再现事件的均方根值） 3.3 基于无线通讯的 WEB 技术的电压暂降监测和分析系统 设备功能与经济性往往是对立统一的。如果监测设备功能越完善，储存空间越大，其成本造价 必定越高，不适合系统的多点全面监测。另外，据调查，个别公司已经安装了昂贵的监测设备，但 监测数据的收集和分析工作却没有相应的得到研究和利用，使之只是一堆数字垃圾。为了实现全网 的电能质量监测与分析，可以弱化现场检测设备的功能，将事件记录通过数据通讯或人工收集到数 据中心，集中在后台处理和分析。因此，如何开发智能化和信息化的后台分析软件，从数据中挖掘 事件的表现参量是个很重要的工作。 我们研究设计了可基于无线通讯的 WEB 技术的电压暂降监测和分析系统。在该系统服务器端建 立电压暂降监测数据库；实现了监测数据自动存入原始数据库、事件判别、事件特征量的计算分析、 定期与非定期事件统计等功能；建立了信息发布系统，实现任意终端通过 web 按照各自对应的分配 权限，对被测系统电压暂降监测事件进行相应的多样化查询和管理。此平台已在某工业区安装并试 运行了 10 个月，成功监测和记录了该地区电压暂降事件。其系统设计见图 3，2006 年上半年的暂降 幅值\频次分布见图 4。 图3：系统功能构成图 图4： 某PCC 处2006年上半年的暂降幅值\频次分布图 4 电压暂降监测与评估的关系 动态电压质量的监测不同于诸如电压偏差等电气量的检测记录，其中最大的区别是要对这种随 机性的动态事件做出科学的统计评估，以发现和找出有规律的内涵，这对控制电能质量问题是至关 重要的。 4.1 评估的基本方法及理论评估与现场监测的关系 应用统计理论的评估是采用数学计算或仿真模拟的方法，全面了解已知电网或规划电网各公共 连接点电压暂降严重程度、特征参量及其分布特点的必要手段。评估结果对于电力企业来说，是改 善电网设计的依据，是衡量系统优质可靠供电能力的指标，是开放电力市场按质定价的前提；对电 力用户来说，是选择厂址和设备的基本条件，是暂降、短时间中断损失和改善措施投入成本的权衡； 从社会意义讲，还是高科技项目招商引资的重要衡量指标。 目前电压暂降的评估方法主要有现场监测法和随机预测法。 （1）现场监测法 现场监测法是对公共连接点（PCC）进行电能质量的长期监测，依据事件统计数据估计事件次数 和相关指标，方法简单直接。但由于暂降是随机非经常发生事件，因此需要很长的监测周期才能得 到较高的估计精度。若事件每年发生 μ 次，则监测周期至少是 4/（ με2 ）年才能达到精度 ε[3]。 电压暂降承受值为 0.70p.u.的事件次数典型值约为 20 次/年.用户（SARFI70≈20 次/年.用户），则 监测周期为 5 年时，准确度为 20%；监测周期为 20年时，准确度为 10%；监测周期为 80年时，准确 度为 5%。 （2）随机预测法 随机预测法类似系统可靠性评估方法，针对某系统对象，利用短路故障发生概率来评估暂降事 件期望次数。具体有：故障点法（method of fault position）、临界距离法（method of critical distance）和基于电磁暂态仿真软件的蒙特卡罗（Monte Carlo）仿真法。 随机预测法和现场监测法相比，可以增加故障点的设置或故障仿真次数来提高置信度。若暂降 事件每年发生 20 次，只要按故障率设置 400 个故障点进行短路分析，就可达到 10%的统计精。

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