電能質(zhì)量監(jiān)測的現(xiàn)狀及展望

11.引言

電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的質(zhì)量。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、標(biāo)準(zhǔn)正弦波和額定電壓對(duì)用戶供電。同時(shí)，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值大小應(yīng)相等、相位對(duì)稱且相差120度。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對(duì)稱、負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運(yùn)行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想狀態(tài)并不存在。因此，產(chǎn)生了電網(wǎng)運(yùn)行電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。

改革開放以前，我國工業(yè)水平比較落后，制造業(yè)工藝比較粗糙，高、精、尖方面的先進(jìn)制造業(yè)更是缺乏，因而，諧波引起的影響與危害并不明顯，而電能質(zhì)量問題更提不到議事日程。人們普遍認(rèn)為，只要能保證電網(wǎng)頻率的正常以及保證供電電壓在一定范圍內(nèi)，就等于保證了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。另外從我國的電力系統(tǒng)供求關(guān)系來看，80年代之前處于計(jì)劃和短缺經(jīng)濟(jì)時(shí)期，有沒有電供用戶使用是主要問題，自然 “電能質(zhì)量”問題就無從談起。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化，電網(wǎng)中各種非線性負(fù)荷不斷增長;各種復(fù)雜的、精密的，對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備越來越多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，大量基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置不僅對(duì)供電電能質(zhì)量異常敏感，同時(shí)也加劇了電能質(zhì)量的進(jìn)一步惡化。

電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)原因[1] [2]：

(1)電力系統(tǒng)元件存在的非線性問題

電力系統(tǒng)元件的非線性問題主要包括：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波;變壓器產(chǎn)生的諧波;直流輸電產(chǎn)生的諧波。此外，還有變電站并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置等因素對(duì)諧波的影響。其中，直流輸電是目前電力系統(tǒng)最大的諧波源。

(2)非線性負(fù)荷

在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，非線性負(fù)載占很大比例，這是電力系統(tǒng)諧波問題的主要來源。電弧爐(包括交流電弧爐和直流電弧爐)是主要的非線性負(fù)載，它的諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴(yán)重非線性引起的。居民生活負(fù)荷中，熒光燈的伏安特性是嚴(yán)重非線性的，會(huì)引起較為嚴(yán)重的諧波電流，其中3次諧波的含量最高。大功率整流或變頻裝置也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，同時(shí)也使功率因數(shù)降低。

(3)電力系統(tǒng)故障

電力系統(tǒng)運(yùn)行的各種故障也會(huì)造成電能質(zhì)量問題，如各種短路故障、自然災(zāi)害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變、故障保護(hù)裝置中的電力電子設(shè)備的啟動(dòng)等都將造成各種電能質(zhì)量問題。

電能質(zhì)量問題不僅僅關(guān)系到用電設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性，而且還關(guān)系到供用電市場的規(guī)范化。它的產(chǎn)生可能來源于供電方的輸配電系統(tǒng)，也可能來源于用戶端的不合理用電，還可能來源于雷電等自然現(xiàn)象。只有對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行有效地監(jiān)測才會(huì)對(duì)問題的產(chǎn)生和影響有清楚的認(rèn)識(shí)，這樣才能為電能質(zhì)量的改善p供用電雙方的協(xié)調(diào)和供用電市場的規(guī)范提供真實(shí)依據(jù)，以便采取有效的解決措施。在這樣的環(huán)境下，探討電能質(zhì)量領(lǐng)域的相關(guān)理論及其控制技術(shù)，分析我國電能質(zhì)量管理和控制的發(fā)展趨勢，具有現(xiàn)實(shí)意義。

22.電能質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀

2.12.1衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)

由于所處立場不同，關(guān)注電能質(zhì)量的角度不同，人們對(duì)電能質(zhì)量的定義還未能達(dá)成完全的共識(shí)，但是對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)都有較為一致的認(rèn)識(shí)。主要指標(biāo)為國家技術(shù)監(jiān)督局相繼頒布的涉及電能質(zhì)量五個(gè)方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，即：供電電壓允許偏差，供電電壓允許波動(dòng)和閃變，供電三相電壓允許不平衡度，公用電網(wǎng)諧波，以及供電頻率允許偏差等的指標(biāo)限制。

(1) 電壓偏差(voltage deviation)：是電壓下跌(電壓跌落)和電壓上升(電壓隆起)的總稱。

(2) 頻率偏差(frequency deviation)：對(duì)頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶而異，各國對(duì)于該項(xiàng)偏差標(biāo)準(zhǔn)都有相關(guān)規(guī)定。

(3) 電壓三相不平衡(unbalance)：表現(xiàn)為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 諧波和間諧波(harmonics inter-harmonics)：含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。含有基波非整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分?jǐn)?shù)次諧波也屬于間諧波。

(5) 電壓波動(dòng)和閃變(fluctuation flicker)：電壓波動(dòng)是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動(dòng)，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機(jī)變化。閃變則是指電壓波動(dòng)對(duì)照明燈的視覺影響。

此外IEEE第22標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(huì)和其他國際委員會(huì)從電壓幅值和電壓波形兩個(gè)方面采用11種指標(biāo)來衡量電能質(zhì)量[3] [4] ，其中電壓幅值指標(biāo)包括：斷電(interruption)、電壓下跌(sag)、電壓上升(swell)、瞬時(shí)脈沖(impulse)、電壓波動(dòng)(fluctuation)與閃變(flicker)、電壓切痕(notch)、過電壓(over-voltage)、欠電壓(under-voltage)、電壓波形指標(biāo)包括：諧波(harmonic)、間諧波(inter-harmonic)、頻率偏差(frequency deviation)。