現(xiàn)代電網(wǎng)電氣量的檢測與分析綜述

石建磊，段秦剛

（1.冀北電力有限公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100070；2.廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600）

電能是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中重要的能源，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人們對電能的依賴越來越大。當前，我國電力系統(tǒng)的發(fā)展面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。首先，以消耗化石能源（以煤碳、石油為代表）為主要發(fā)電方式的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)面臨能源枯竭和環(huán)境污染的雙重壓力；其次，以通信技術(shù)及微電子技術(shù)為核心的新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對電力系統(tǒng)智能化、供電可靠性及電能質(zhì)量提出更高的要求；再次，我國發(fā)電中心與負荷中心的逆向分布現(xiàn)狀，決定了我們需要大力發(fā)展特高壓輸變電技術(shù)。面對世界電力發(fā)展的新動向，歐洲和美國分別以新能源發(fā)電、通信技術(shù)為核心提出了智能電網(wǎng)（Smart Grid）的概念。在這樣的背景下，國家電網(wǎng)公司在“2009特高壓輸電技術(shù)國際會議”上提提出建設(shè)“堅強智能電網(wǎng)”的理念，智能電網(wǎng)的建設(shè)也得到政府的高度重視，2010年政府工作報告中明確提出要“加強智能電網(wǎng)建設(shè)”。我國智能電網(wǎng)以特高壓輸變電為基礎(chǔ)，綜合考慮新能源的接入、分布式能源的隔離等技術(shù)，以電力電子技術(shù)為主要特征，以通信信息平臺為支撐，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現(xiàn)代電網(wǎng)。如何為用戶提供可靠優(yōu)質(zhì)的電能，即電能質(zhì)量問題，是智能電網(wǎng)發(fā)展與建設(shè)的重要問題之一。

在電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，電氣量的檢測一直是電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)。早期，電能質(zhì)量問題主要集中在頻率偏差和電壓偏差兩個方面。20世紀80年代，眾多新型電氣設(shè)備投入運行，為電網(wǎng)注入各種電磁干擾，危害電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和負荷的正常工作[1]。目前在美國，由于電能質(zhì)量下降，每年的經(jīng)濟損失達200億~300億美元，其中電壓暫降、暫升、瞬時過電壓和短時中斷是美國電網(wǎng)中普遍存在的電能質(zhì)量問題[2]。LPQI在對歐盟8國的1 400個監(jiān)測點的電能質(zhì)量調(diào)查認為，諧波畸變、電壓閃變、供電可靠性、電壓暫降和電磁兼容是歐洲電能質(zhì)量的主要問題[2]。因此，檢測電壓暫降、電壓閃變和波動、電壓電流波形畸變一直是國內(nèi)外研究的熱點。

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)，分布式電源并網(wǎng)，大規(guī)?？稍偕茉吹牟▌有?、間歇性和不確定性以及多種電力變換接入方式對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提出了新的挑戰(zhàn)，主要有以下幾個方面[3]：第一，電壓偏差的控制和調(diào)整，可再生電源往往在中、低壓配電線并網(wǎng)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)由被動的受端變?yōu)橛性聪到y(tǒng)，功率由單向轉(zhuǎn)為雙向流動，當較大的風(fēng)力發(fā)電電源與用戶在同一母線（連接點）上時，有可能造成用戶電壓偏差超標；第二，電壓波動和閃變，風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)況及塔影效應(yīng)對并網(wǎng)風(fēng)電機組引起電壓波動和閃變影響很大；第三，諧波和間諧波，一個帶有電力電子變換器的變速風(fēng)力發(fā)電機組，在運行中將產(chǎn)生一定量的諧波和間諧波畸變，另外，當分布式發(fā)電向配電網(wǎng)注入直流，直流會使變壓器和電磁元件出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，引起發(fā)熱，振動并使附近機械負荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動；第四，供電的短暫中斷和可靠性，許多情況下分布式發(fā)電設(shè)計成當電網(wǎng)企業(yè)供電中斷時，可作為備用發(fā)電來向負荷供電，但從主供電電源向備用電源的轉(zhuǎn)移往往不是一種無縫轉(zhuǎn)移，開關(guān)切換需要一定的時間，所以可能仍存在極短時間的中斷。此外，各類對電能質(zhì)量愈加敏感負荷的大規(guī)模應(yīng)用以及充電汽車的大規(guī)模發(fā)展，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負荷類型正在發(fā)生著深刻變化。

以往的保護策略無法滿足現(xiàn)代電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求，需要基于新的電氣量檢測方法，檢測出現(xiàn)代電網(wǎng)中故障情況下和非故障情況下，電壓暫降、電壓波動和閃變、電壓電流波形畸變的特征，與保護協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。隨著信息化、智能化的發(fā)展，僅測有效值已不能精確描述實際的電能質(zhì)量問題[4]?；谛畔⒒臄?shù)字信號處理分析方法在研究現(xiàn)代電網(wǎng)電氣量的檢測與分析，保障現(xiàn)代電網(wǎng)供電可靠性、運行穩(wěn)定性中有重要意義。當前國際上由電力系統(tǒng)各種電能質(zhì)量問題帶來的經(jīng)濟損失中，占據(jù)前三位的是：電壓暫降、電壓波動和閃變、電壓電流波形畸[2]。

1 國內(nèi)外對于電能質(zhì)量問題的研究動態(tài)

隨著世界工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高，各國智能電網(wǎng)的提出，電能質(zhì)量正不斷被賦予新的含義，并逐漸形成一個覆蓋諸多領(lǐng)域的綜合的復(fù)雜的研究方向，引起國內(nèi)外越來越多的關(guān)注[5]。

1996年，美國電科院（EPRI）出版世界第一本電能質(zhì)量專著《Electrical Power Systems Quality》，此后的10多年時間里，在美國和歐洲先后約有20多本著作出版[2]。2008年，歐盟-萊昂納多電能質(zhì)量工作組（LPQI）出版的文獻[6]，全面介紹了電能質(zhì)量各種類型，主要有電能問題的基本現(xiàn)象；電壓與電流的特性，包括電壓暫降、電壓波動與閃變、電壓和電流波形畸變、電壓和電流不平衡及過電壓問題；電力系統(tǒng)運行中的電能質(zhì)量問題，包括供電連續(xù)性和可靠性及電能質(zhì)量監(jiān)測與評估；電能質(zhì)量相關(guān)配置，包括配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電器與設(shè)備；電能質(zhì)量治理方案，包括和電力系統(tǒng)的關(guān)系、典型補償方法與裝置；未來電能質(zhì)量市場，包括分布式發(fā)電和電力市場、劣質(zhì)電能成本及電能的合理利用方面的最新研究成果等。2004年，肖湘寧教授出版了我國第一本電能質(zhì)量教材，即文獻[5]，到目前為止，國內(nèi)相繼翻譯和出版了10多本著作。

迄今為止，解決電能質(zhì)量問題的裝置很多，對電壓跌落起抑制作用的裝置有以下幾種：蓄電池儲能系統(tǒng)（BESS）、動態(tài)不間斷電源（DUPS）、機械切換開關(guān)（DUR）、超導(dǎo)磁能系統(tǒng)（SMES）、靜止電子分接開關(guān)（SETC）、固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）、靜止無功補償器（SVC）、不間斷電源（UPS）[7]。

近年來，基于數(shù)字信號處理技術(shù)的各種分析方法已在以下電能質(zhì)量領(lǐng)域中得到應(yīng)用：分析諧波在網(wǎng)絡(luò)中的分布；分析各種擾動源引起的波形畸變及在網(wǎng)絡(luò)中的傳播；分析各種電能質(zhì)量控制裝置在解決相關(guān)問題方面的作用；多個控制裝置的協(xié)調(diào)以及與其他控制器的綜合控制等問題[4]。所采用的方法有3種：時域分析方法、頻域分析方法和變換分析方法[8]。

時域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛，其主要的用途是利用各種時域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進行研究。目前較通用的時域仿真程序主要有EMTP、EMTDC、NETOMAC、BPA等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER等電力電子仿真程序兩大類。頻域分析方法主要用于諧波問題的分析計算，包括頻率掃描、諧波潮流計算[9-10]?；谧儞Q的方法這里主要指Fourier變換方法、短時Fourier變換方法和小波變換（WT）方法。

2 國內(nèi)外對于電壓暫降的研究動態(tài)

電壓暫降（Voltage Sag）是指在短時間內(nèi)（通常指工頻半個周期至1 min）供電系統(tǒng)電壓突然下降，且超出正常電壓偏差允許值，然后又返回到正常的電壓水平。美國國際電工委（IEEE）的定義為：工頻電壓的有效值下降，其持續(xù)時間為10 ms～1 min。電壓暫降深度是指電壓額定值與電壓暫降過程中的最小值之差。文獻[11]認為引起電壓暫降的原因主要有3類：第1類叫FRS（fault related sags），即與故障有關(guān)的電壓跌落；第2類叫MSRS（motor starting related sags），即與大型電動機的啟動有關(guān)的電壓跌落；第3類叫MRRS（motor re-acceleration related sags），即與電動機的再加速有關(guān)的電壓跌落，也就是大型電動機運行和故障之間的相互作用對電壓跌落的特性有重大的影響。對于FRS，跌落開始下降和最后恢復(fù)都非常迅速；對于MSRS，跌落事件的恢復(fù)需要很長的時間，通常為幾百毫秒到幾秒；對于MRRS，在故障開始的時候，大型電動機作為電壓源，因而減少了電壓降，當故障清除以后，電動機再加速加深了電壓跌落，延長了電壓跌落的恢復(fù)時間[12]。

一般情況下，描述電壓暫降特性的參數(shù)主要有3個[12]：電壓暫降的幅值，即電壓發(fā)生突然下降后的電壓幅值大小，常用電壓幅值暫降深度來表示；電壓暫降時的相角跳變，指電壓暫降前后相位角的變化，不對稱電壓暫降時，指電壓基波正序分量的相角變化；電壓暫降起止時刻，即電壓暫降的持續(xù)時間。上述3個特性參數(shù)檢測的準確性是判斷電壓暫降類型、原因以及進一步補償分析的基礎(chǔ)。依據(jù)電壓暫降特性參數(shù)可以將目前關(guān)于電壓暫降檢測的方法分為兩大類：電壓暫降幅值檢測方法和同時檢測電壓暫降幅值及相角跳變到的方法。

電壓暫降幅值檢測方法主要有：有效值法（RMS）、基波分量法、電壓峰值法、基于無功功率理論的park變換法、小波分析法、卡爾曼濾波法。文獻[5]的RMS法采用滑動平均值法，文獻[13]介紹的基波分量法采用傅里葉變換，電壓峰值法采用半個周期內(nèi)的電壓峰值差，這3種方法都需要長達半個或一個周期的數(shù)據(jù)框，對于基波分量法，如果數(shù)據(jù)框長為半個周期，那么則需要電壓對稱。因此，這3種方法會使暫降檢測延遲半個到一個周期，而且，電壓峰值檢測方法檢測到的暫降幅值與實際值相比多數(shù)情況下偏大。文獻[14]采用基于無功功率理論的Park變換法，基本原理是對ABC三相電壓進行Park變換，通過濾波提取直流量，再進行Park反變換，得到電壓暫降幅值。這種方法能夠檢測電壓暫降幅值，但只是用于三相對稱擾動。Kalman濾波也稱之為最小二乘濾波，其實質(zhì)是對被污染的信號作最優(yōu)估計，其遵循的最優(yōu)濾波原則是一種最小方差原則，數(shù)學(xué)模型上主要突出模型噪聲和測量噪聲的影響。文獻[15]應(yīng)用Kalman濾波提取電能質(zhì)量信號特征，實現(xiàn)了對電能質(zhì)量信號的分類。文獻[16]提出了基于小波模型的Kalman濾波較好地實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)諧波的在線追蹤。但是卡爾曼濾波也有其缺點，就是當發(fā)生電壓突變時，高階卡爾曼濾波需要一定反應(yīng)時間才能準確地給出估計值。文獻[17]采用的小波分析法及其發(fā)展可在時頻局部化，而且時窗和頻窗寬度可調(diào)節(jié)，故可以檢測到突變信號。但是，小波分析法的檢測結(jié)果受小波函數(shù)選取的影響較大，對各類噪聲及微弱信號敏感，需要提前去噪，其得出的識別信號很難被迅速識別，而且同樣存在半個周期數(shù)據(jù)框延遲的問題。

同時檢測電壓暫降幅值及相角跳變的方法主要有：單相電壓變換平均值、傅里葉算法、缺損電壓法以及基于瞬時無功功率的方法。文獻[5]的單相電壓變換平均值、缺損電壓法在判斷電壓暫降發(fā)生時都會有一定的延遲。文獻[5]給出的傅里葉算法這種方法能夠算出系統(tǒng)電壓幅值，而且能夠算出電壓暫降中是否發(fā)生了相移，是一種基本的應(yīng)用廣泛的方法，但是傅里葉算法有以下不足：1）其對信號中的任何局部信息處理方式相同；2）計算結(jié)果不能反映隨時間變化的頻率；3）數(shù)據(jù)窗長為信號周期的整數(shù)倍，計算結(jié)果有一個周期的延遲。瞬時無功功率法最早由日本學(xué)者H.Akagi于1984年提出的，經(jīng)過不斷改進，現(xiàn)包括瞬時電壓d-q分解法、單相d-q坐標變換檢測方法和改進的αβ-dq變換檢測原理。文獻[14，18-19]分別采用瞬時電壓d-q分解法、單相d-q坐標變換檢測方法及改進的αβ-dq變換檢測原理。改進的αβ-dq變換檢測方法在暫降幅值檢測的準確性方面與另外2種方法沒有太大差別，它的延遲雖然最短，但是在暫降結(jié)束時會產(chǎn)生較大的波動，當濾波器的截止頻率較大時，波動現(xiàn)象十分明顯。而對于相位跳變的檢測，在濾波器截止頻率較低時，3種方法的檢測準確度基本一致，但均有較大的時滯。

3 國內(nèi)外對于電壓波動與閃變的研究動態(tài)

供電電壓偏離系統(tǒng)標稱電壓的現(xiàn)象稱為電壓變動，電壓變動值為電壓方均根值的2個相鄰極值之差。電光源的電壓波動造成燈光強度不穩(wěn)定的人眼視感度反應(yīng)稱為閃變。閃變是電壓波動引起的有害結(jié)果，在實際應(yīng)用時廣義的閃變包括了電壓波動，甚至電壓波動的全部有害內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外的閃變檢測方法主要有3種：平方檢測法、有效值檢測法和整流檢測法。其中IEC推薦的方法是平方檢測法，基本原理是將電壓的瞬時值進行平方運算后，再經(jīng)過解調(diào)濾波器濾波得到電壓波動信號；英國ERA閃變儀采用的方法是整流檢測法，基本原理是將電壓波動信號進行整流后，再經(jīng)過帶通濾波器便可得到調(diào)幅波；有效值檢測法是將原電壓波動信號平方后減去載波電壓均值再進行積分運算。

此外，一些較新的檢測方法也應(yīng)用廣泛，包括小波變換法、小波包分析法、基于無功功率理論的檢測方法、獨立分量分析法與Hilbert-Huang變換法等。

小波變換基本原理是用小波多分辨率信號分解濾波器取代傳統(tǒng)同步檢波器中的低通濾波器，檢測電壓閃變的包絡(luò)信號及其突變時間的效果非常好。文獻[20]基于小波對非穩(wěn)定信號的敏感性，結(jié)合FFT變換的優(yōu)點，提出了基于快速小波變換的閃變檢測方法。文獻[21]采用小波包分析和擬同步檢波結(jié)合的方法檢測電壓閃變信號，該方法的優(yōu)點是不但對低頻部分進行了分解，而且對高頻部分也做了分解，缺點是信息量大時實時性差，在線測量難度大。文獻[22]提出了基于瞬時無功功率理論的檢測方法，能夠準確有效地計算出平穩(wěn)閃變的參數(shù)和擾動發(fā)生的時刻、持續(xù)時間。文獻[23]采用的基于獨立分量分析ICA（Independent Component Analysis）的閃變檢測方法是近年來發(fā)展起來的一種非常有效的盲源分離技術(shù)。該方法能準確分離平穩(wěn)和非平穩(wěn)的電壓閃變信號的包絡(luò)信號，不僅能夠準確地檢測出幅值和頻率，而且能檢測出擾動發(fā)生和終止的時間。但是，ICA的準確性容易受到噪聲的干擾。此外，文獻[24]提出一種新的非平穩(wěn)信號處理方法，即HHT（Hilbert-Huang Transform）。該方法具有小波多分辨的優(yōu)點，可以從時域和頻域兩方面同時對信號進行分析，能夠準確檢測出突變、非平穩(wěn)諧波和電壓閃變信號的時間、頻率和幅值信息。

4 國內(nèi)外對于電壓電流波形畸變的研究動態(tài)

波形畸變，是指電壓或電流波形偏離穩(wěn)態(tài)工頻正弦波形的現(xiàn)象，可以用偏移頻譜描述其特征。波形畸變有5種主要類型：即直流偏置、諧波、間諧波、陷波、噪聲[25]。

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，電力電子器件的大規(guī)模應(yīng)用，各種功率開關(guān)器件以及其他非線性負載在電力行業(yè)被廣泛采用，大量諧波注入電網(wǎng)，電壓電流波形畸變問題已經(jīng)引起國內(nèi)外越來越多的關(guān)注。目前，以高速數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）為基礎(chǔ)的實時數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，使得采用模擬量控制的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置正被采用數(shù)字控制的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置所取代。工業(yè)中，廣泛應(yīng)用有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）對電流波形畸變進行補償，因此，當前國內(nèi)外對于電壓和電流波形畸變的檢測主要是基于有源電力濾波器。

最早人們采用文獻[26]中的方法，即利用模擬帶通濾波器或陷波器的檢測法。這種檢測方法現(xiàn)在已經(jīng)不用了，這是因為當電網(wǎng)頻率波動時，所設(shè)計的濾波器中心頻率會發(fā)生偏移，會使檢測出的諧波信號中含有大量基波分量，增加了APF的設(shè)計容量和有功損耗。另外，該方法不能同時分離出無功電流和諧波電流。

文獻[27]是一種頻域檢測法，這種方法根據(jù)采集到的一個電源周期的電流值進行傅里葉分析，最終得到所需的諧波和無功電流，但這種算法的濾波器階次大于100，運算量較大，延遲較大。

文獻[28]采用基于Fryze功率定義的檢測法。其原理是將負載電流分解為與電壓波形一致的分量，將其余分量作為廣義無功電流（包括諧波電流）。該方法的缺點是由于Fryze功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上的，所以要求的瞬時有功電流需要對一個周期的電流、電壓進行積分運算，再加上其他運算電路，要有幾個周期延時。因此，用這種方法求得的“瞬時有功電流”實際上是幾個周期前的電流值，其實時性較差。

基于瞬時無功功率的檢測法[29]，包括p-q法、ipiq法、d-q法以及p-q-r法。基本思想是：通過變換得到功率，然后將功率中與所要檢測的信號相對應(yīng)的恒定分量濾除出來，再經(jīng)反變換還原出所要檢測的信號。當電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時用p-q法檢測諧波電流；當電網(wǎng)電壓畸變且不對稱時，可以使用ipiq法檢測諧波電流，而此時d-q法能更加精確地檢測出諧波電流；當電壓畸變明顯時使用p-q-r法，雖然不能完全抑制諧波，但其對無功補償和中線電流的抑制比較有效。

近年來，隨著自動化技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展，各種優(yōu)化算法和預(yù)測算法也受到人們的關(guān)注，如小波變換法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、自適應(yīng)預(yù)測技術(shù)等，這些智能算法的引入使得計算精度提高，響應(yīng)加快，但是實現(xiàn)困難。

5 結(jié)論

以往的保護策略無法滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行的要求，需要一種新的電氣量檢測方法，檢測出接入新能源的現(xiàn)代電網(wǎng)中故障情況下和非故障情況下，電壓暫降、電壓波動和閃變、電壓電流波形畸變的特征，與保護協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)現(xiàn)代電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。隨著信息化、智能化的發(fā)展，僅測有效值已不能精確描述實際的電能質(zhì)量問題?；谛畔⒒臄?shù)字信號處理分析方法在研究現(xiàn)代電網(wǎng)中的電氣量的檢測與分析，保障其供電可靠性、運行穩(wěn)定性中有重要意義。本文能夠為研究一種快速準確檢測電壓暫降、電壓波動和閃變、電壓電流波形畸變檢測技術(shù)提供基礎(chǔ)理論。

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