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摘要:随着我国科技的进步和生产技术自动化水平的提高,电网中各种对电能质量产生污染的设备元件不断增多;同时,现代用电设备对电能质量的要求较之传统设备更高,电能质量问题日益突出。提高电能质量的关键首先是能够实时对电网和用户的电压、电流进行监测,而选择合适的电能质量检测算法尤为重要。本文阐述了电能质量的相关理论,并较全面地总结了电能质量的检测分析方法。
关键词:电能质量;检测分析;电网
作者简介:岳浩(1988-),男,湖北武汉人,武汉大学电气工程学院本科生,主要研究方向:电气工程与自动化;邓旭(1990-),男,湖南永州人,武汉大学电气工程学院本科生,主要研究方向:电气工程与自动化。(湖北 武汉 430072)
随着“十一五”电网建设规划在“西电东送、南北互供、全国联网”方针指导下,我国电网将逐步形成全国联网,这就对系统运行的稳定性与可靠性提出更高要求。一方面,电力负荷中大量的非线性负荷给电力系统的电能质量带来严重污染;另一方面,现代用电设备对电能质量的要求较传统设备更高。电力用户的需求正在由原来量的需求向现在优质电能和高可靠性供电的需求转变。
一、电能质量的定义
从普遍意义上讲,电能质量是指优质供电。从工程实用角度出发,将电能质量概念进一步具体分解并给出解释。其内容如下:
(1)电压质量。通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡等。
(2)电流质量。通常包括电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。
(3)供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量,它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。
(4)用电质量。它包括电流质量和非技术含义,如用户是否按时、如数缴纳电费等。
二、电能质量的具体指标
(1)电网频率。我国电力系统的标称频率为50Hz,GB/T15945-1995《电能质量—电力系统频率允许偏差》中规定:电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz,当系统容量较小时,偏差值可放宽到±0.5Hz,标准中没有说明系统容量大小的界限。
(2)电压偏差。GBl2325-90《电能质量—供电电压允许偏差》中规定:35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%;10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的土7%;220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%～10%。
(3)三相电压不平衡。GB/T15543-1995《电能质量—三相电压允许不平衡度》中规定:电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%,短时不得超过4%。标准还规定对每个用户电压不平衡度的一般限值为1.3%。
(4)公用电网谐波。GB/T14549-93《电能质量—公用电网谐波》中规定:6kV～220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是0.38kV为5.0%,6kV～10kV为4.0%,35kV～66kV为3.0%,110kV为2.0%。
(5)波动和闪变。GBl2326-90《电能质量—电压允许波动和闪变》中规定:在公共供电点的电压波动允许值:10kV及以下为2.5%,35kV～110kV为2%,220kV及以上为1.6%。
三、电能质量问题产生原因分析
随着电力系统规模的不断扩大,电力系统电能质量问题的产生主要有以下三个原因。
1.非线性负荷
在电力系统中,存在大量非线性设备及负荷,诸如电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置,会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中,因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小,但数量巨大,也是谐波的主要来源之一。工业中,冷轧钢机是典型的非线性负荷,轧钢时功率大,回程空载时电功率小。此外,工业中广泛使用的电弧和接触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频炉等均属此类非线性电力设备。
2.输配电系统产生谐波
输配电系统中主要是电力变压器产生谐波。由于变压器铁芯的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大。其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。
3.电力系统中非线性元件
由于电力电子技术的发展,晶闸管整流和换流技术在电力工业中获得广泛应用,但是这些整流和换流电子器件也是电力系统中的谐波源。例如,用作直流输电的大容量整流和逆变装置,工业中大量使用的变频调速装置,冶金、化工、矿山部门大量使用的晶闸整流电源以及电气化铁道中用交流单相整流供电的机车等都是谐波源。
四、电能质量检测分析方法
电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述,需要开发相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析。
近年来,基于数字技术的数学分析方法已在以下电能质量领域获得广泛应用:分析谐波在网络中的分布;分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播;分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用;多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。按不同分析方法,这些技术可分为三种。
1.时域仿真方法
时域仿真是利用仿真软件及程序模拟电力系统各种暂态问题,从而对电能质量的各种指标进行研究。其缺点是仿真频率范围有限,并且模拟开关开合的时候会引起数值震荡。因此,要采用相应技术以抑制发生数值震荡。由于这些仿真程序在不断发展中,其功能日益强大,还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。
2.频域分析方法
该方法主要用于谐波问题的分析计算,包括频率扫描、谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性,近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法,即在常规的谐波潮流计算法基础上,利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算,可求出各次谐波动态电流失量,从而得到动态谐波潮流解。
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傅里叶变换法、短时傅里叶变换法、二次变换法和小波变换法。
(1)傅里叶变换法。傅里叶变换法是电能质量分析领域中的基本方法,在实际运用中,常常采用离散傅里叶变换方法(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)。通常是利用它们对信号进行采样,然后将采样值转换成数字信号序列,借助计算机进行谐波分析。
在使用过程中出现了很多改进的DFT和FFT算法,它们在一定程度上提高了算法的速度和精度。
傅里叶变换的优点是算法快速简单,但也存在一些缺点,如:对时变非平稳信号难以充分描述;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;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等。
(2)短时傅里叶变换法。短时傅里叶变换(STFT)是和傅里叶转换相关的一种数学转换关系,用以决定时变讯号其局部段落之弦波成分的频率与相位。
它的思想是:选择一个时频局部化的窗函数,假定分析窗函数g(t)在一个短时间间隔内是平稳(伪平稳)的,移动窗函数,使f(t)g(t)在不同的有限时间宽度内是平稳信号,从而计算出各个不同时刻的功率谱。短时傅里叶变换使用一个固定的窗函数,窗函数一旦确定了以后,其形状就不再发生改变,短时傅里叶变换的分辨率也就确定了。如果要改变分辨率,则需要重新选择窗函数。
短时傅里叶变换用来分析分段平稳信号或者近似平稳信号犹可,但是对于非平稳信号,当信号变化剧烈时,要求窗函数有较高的时间分辨率;而波形变化比较平缓的时刻,主要是低频信号,则要求窗函数有较高的频率分辨率。短时傅里叶变换不能兼顾频率与时间分辨率的需求。短时傅里叶变换窗函数受到W.Heisenberg不确定准则的限制,时频窗的面积不小于2。这也就从另一个侧面说明了短时傅里叶变换窗函数的时间与频率分辨率不能同时达到最优。
(3)二次变换法。二次变换(QT)是一种基于能量角度来考虑的时-频变换方法。该方法实现基础是用时间和频率的双线性函数来表示信号的能量函数。
仿真结果表明,二次变换不仅可以准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻,而且还能精确测量基波和谐波分量的幅值。但它无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值,同时不具有时域分析功能。
(4)小波变换。传统的信号理论是建立在傅里叶分析基础上的,而傅里叶变换作为一种全局性的变化,其有一定的局限性。在实际应用中人们开始对傅里叶变换进行各种改进,小波分析由此产生了。小波分析是一种新兴的数学分支,它是泛函数、傅里叶分析、调和分析、数值分析的最完美的结晶。
小波变换采用不同尺度的分析方法,能在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率,为非稳态信号的分析提供了一条新的途径。
常用的小波基函数有:Daubechies小波、B小波、Morlet小波、Meyer小波等。
与Fourier变换相比,小波变换是时间(空间)频率的局部化分析,它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化,最终达到高频处时间细分,低频处频率细分,能自动适应时频信号分析的要求,从而可聚焦到信号的任意细节,解决了Fourier变换的困难问题,成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破。有人把小波变换称为“数学显微镜”。
小波变换的优点是:窗口大小和位置可以调节,能有效地从信号中提取信息,通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析;可以对信号进行去噪、识别和数据压缩、还原等。
此外,还有神经网络法,Pisarenko谐波分解(Pisarenko Harmonic Decomposition,PHD)法,基于Wigner-Ville分布的交叉的电能质量扰动信号检测法,基于瞬时无功功率理论与广义旋转坐标变换等等方法。
由于各种算法各有优缺点,如何选择合适的算法,对现有算法进行改造,充分发挥各种算法的优点就显得尤其重要。随着电能质量研究的深入,今后的工作将是设计和开发基于变换的实用装置,从而进行电能质量的检测分析以及扰动类型的正确识别。
五、结束语
以上只是简要介绍了电能质量及其检测方法的相关概念。随着电能质量检测方法理论的逐渐成熟完善和电能质量检测装置的核心器件不断发展,完整、准确地描述实际发生的动态电能质量,对电能质量指标进行监测、统计和分析已经逐渐实现。这对改善电能质量、保证电网和电气设备的安全、经济运行,保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。
参考文献:
[1]徐义.电网建设发展中电能质量综合管理问题探讨[J].Fluke communication,2006,(4):11-15.
[2]陈慈萱.电气工程基础[M].北京:中国电力出版社,2003.
[3]孙可.电能质量分析方法与控制技术探讨[J].能源工程,2004,(4):13-16.
[4]胡铭,陈珩.电能质量及其分析方法综述[J].电网技术,2000,24(2):36-38.
[5]肖湘宁,等.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.
[6]肖湘宁,徐明荣.现代电能质量问题再认识[A].2003年全国电能质量研讨会[C].2003.
[7]姚元玺,窦婷婷,杭乃善.电能质量问题概述[A].中国高等学校电力系统及其自动化专业第20届学术年会论文集(下册)[C].2004.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:电能质量;检测分析;电网
作者简介:岳浩(1988-),男,湖北武汉人,武汉大学电气工程学院本科生,主要研究方向:电气工程与自动化;邓旭(1990-),男,湖南永州人,武汉大学电气工程学院本科生,主要研究方向:电气工程与自动化。(湖北 武汉 430072)
随着“十一五”电网建设规划在“西电东送、南北互供、全国联网”方针指导下,我国电网将逐步形成全国联网,这就对系统运行的稳定性与可靠性提出更高要求。一方面,电力负荷中大量的非线性负荷给电力系统的电能质量带来严重污染;另一方面,现代用电设备对电能质量的要求较传统设备更高。电力用户的需求正在由原来量的需求向现在优质电能和高可靠性供电的需求转变。
一、电能质量的定义
从普遍意义上讲,电能质量是指优质供电。从工程实用角度出发,将电能质量概念进一步具体分解并给出解释。其内容如下:
(1)电压质量。通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡等。
(2)电流质量。通常包括电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。
(3)供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量,它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。
(4)用电质量。它包括电流质量和非技术含义,如用户是否按时、如数缴纳电费等。
二、电能质量的具体指标
(1)电网频率。我国电力系统的标称频率为50Hz,GB/T15945-1995《电能质量—电力系统频率允许偏差》中规定:电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz,当系统容量较小时,偏差值可放宽到±0.5Hz,标准中没有说明系统容量大小的界限。
(2)电压偏差。GBl2325-90《电能质量—供电电压允许偏差》中规定:35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%;10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的土7%;220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%～10%。
(3)三相电压不平衡。GB/T15543-1995《电能质量—三相电压允许不平衡度》中规定:电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%,短时不得超过4%。标准还规定对每个用户电压不平衡度的一般限值为1.3%。
(4)公用电网谐波。GB/T14549-93《电能质量—公用电网谐波》中规定:6kV～220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是0.38kV为5.0%,6kV～10kV为4.0%,35kV～66kV为3.0%,110kV为2.0%。
(5)波动和闪变。GBl2326-90《电能质量—电压允许波动和闪变》中规定:在公共供电点的电压波动允许值:10kV及以下为2.5%,35kV～110kV为2%,220kV及以上为1.6%。
三、电能质量问题产生原因分析
随着电力系统规模的不断扩大,电力系统电能质量问题的产生主要有以下三个原因。
1.非线性负荷
在电力系统中,存在大量非线性设备及负荷,诸如电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置,会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中,因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小,但数量巨大,也是谐波的主要来源之一。工业中,冷轧钢机是典型的非线性负荷,轧钢时功率大,回程空载时电功率小。此外,工业中广泛使用的电弧和接触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频炉等均属此类非线性电力设备。
2.输配电系统产生谐波
输配电系统中主要是电力变压器产生谐波。由于变压器铁芯的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大。其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。
3.电力系统中非线性元件
由于电力电子技术的发展,晶闸管整流和换流技术在电力工业中获得广泛应用,但是这些整流和换流电子器件也是电力系统中的谐波源。例如,用作直流输电的大容量整流和逆变装置,工业中大量使用的变频调速装置,冶金、化工、矿山部门大量使用的晶闸整流电源以及电气化铁道中用交流单相整流供电的机车等都是谐波源。
四、电能质量检测分析方法
电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述,需要开发相应的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析。
近年来,基于数字技术的数学分析方法已在以下电能质量领域获得广泛应用:分析谐波在网络中的分布;分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播;分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用;多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。按不同分析方法,这些技术可分为三种。
1.时域仿真方法
时域仿真是利用仿真软件及程序模拟电力系统各种暂态问题,从而对电能质量的各种指标进行研究。其缺点是仿真频率范围有限,并且模拟开关开合的时候会引起数值震荡。因此,要采用相应技术以抑制发生数值震荡。由于这些仿真程序在不断发展中,其功能日益强大,还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。
2.频域分析方法
该方法主要用于谐波问题的分析计算,包括频率扫描、谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性,近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法,即在常规的谐波潮流计算法基础上,利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算,可求出各次谐波动态电流失量,从而得到动态谐波潮流解。
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傅里叶变换法、短时傅里叶变换法、二次变换法和小波变换法。
(1)傅里叶变换法。傅里叶变换法是电能质量分析领域中的基本方法,在实际运用中,常常采用离散傅里叶变换方法(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)。通常是利用它们对信号进行采样,然后将采样值转换成数字信号序列,借助计算机进行谐波分析。
在使用过程中出现了很多改进的DFT和FFT算法,它们在一定程度上提高了算法的速度和精度。
傅里叶变换的优点是算法快速简单,但也存在一些缺点,如:对时变非平稳信号难以充分描述;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;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等。
(2)短时傅里叶变换法。短时傅里叶变换(STFT)是和傅里叶转换相关的一种数学转换关系,用以决定时变讯号其局部段落之弦波成分的频率与相位。
它的思想是:选择一个时频局部化的窗函数,假定分析窗函数g(t)在一个短时间间隔内是平稳(伪平稳)的,移动窗函数,使f(t)g(t)在不同的有限时间宽度内是平稳信号,从而计算出各个不同时刻的功率谱。短时傅里叶变换使用一个固定的窗函数,窗函数一旦确定了以后,其形状就不再发生改变,短时傅里叶变换的分辨率也就确定了。如果要改变分辨率,则需要重新选择窗函数。
短时傅里叶变换用来分析分段平稳信号或者近似平稳信号犹可,但是对于非平稳信号,当信号变化剧烈时,要求窗函数有较高的时间分辨率;而波形变化比较平缓的时刻,主要是低频信号,则要求窗函数有较高的频率分辨率。短时傅里叶变换不能兼顾频率与时间分辨率的需求。短时傅里叶变换窗函数受到W.Heisenberg不确定准则的限制,时频窗的面积不小于2。这也就从另一个侧面说明了短时傅里叶变换窗函数的时间与频率分辨率不能同时达到最优。
(3)二次变换法。二次变换(QT)是一种基于能量角度来考虑的时-频变换方法。该方法实现基础是用时间和频率的双线性函数来表示信号的能量函数。
仿真结果表明,二次变换不仅可以准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻,而且还能精确测量基波和谐波分量的幅值。但它无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值,同时不具有时域分析功能。
(4)小波变换。传统的信号理论是建立在傅里叶分析基础上的,而傅里叶变换作为一种全局性的变化,其有一定的局限性。在实际应用中人们开始对傅里叶变换进行各种改进,小波分析由此产生了。小波分析是一种新兴的数学分支,它是泛函数、傅里叶分析、调和分析、数值分析的最完美的结晶。
小波变换采用不同尺度的分析方法,能在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率,为非稳态信号的分析提供了一条新的途径。
常用的小波基函数有:Daubechies小波、B小波、Morlet小波、Meyer小波等。
与Fourier变换相比,小波变换是时间(空间)频率的局部化分析,它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化,最终达到高频处时间细分,低频处频率细分,能自动适应时频信号分析的要求,从而可聚焦到信号的任意细节,解决了Fourier变换的困难问题,成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破。有人把小波变换称为“数学显微镜”。
小波变换的优点是:窗口大小和位置可以调节,能有效地从信号中提取信息,通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析;可以对信号进行去噪、识别和数据压缩、还原等。
此外,还有神经网络法,Pisarenko谐波分解(Pisarenko Harmonic Decomposition,PHD)法,基于Wigner-Ville分布的交叉的电能质量扰动信号检测法,基于瞬时无功功率理论与广义旋转坐标变换等等方法。
由于各种算法各有优缺点,如何选择合适的算法,对现有算法进行改造,充分发挥各种算法的优点就显得尤其重要。随着电能质量研究的深入,今后的工作将是设计和开发基于变换的实用装置,从而进行电能质量的检测分析以及扰动类型的正确识别。
五、结束语
以上只是简要介绍了电能质量及其检测方法的相关概念。随着电能质量检测方法理论的逐渐成熟完善和电能质量检测装置的核心器件不断发展,完整、准确地描述实际发生的动态电能质量,对电能质量指标进行监测、统计和分析已经逐渐实现。这对改善电能质量、保证电网和电气设备的安全、经济运行,保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。
参考文献:
[1]徐义.电网建设发展中电能质量综合管理问题探讨[J].Fluke communication,2006,(4):11-15.
[2]陈慈萱.电气工程基础[M].北京:中国电力出版社,2003.
[3]孙可.电能质量分析方法与控制技术探讨[J].能源工程,2004,(4):13-16.
[4]胡铭,陈珩.电能质量及其分析方法综述[J].电网技术,2000,24(2):36-38.
[5]肖湘宁,等.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.
[6]肖湘宁,徐明荣.现代电能质量问题再认识[A].2003年全国电能质量研讨会[C].2003.
[7]姚元玺,窦婷婷,杭乃善.电能质量问题概述[A].中国高等学校电力系统及其自动化专业第20届学术年会论文集(下册)[C].2004.
(责任编辑:麻剑飞)