電能質(zhì)量監(jiān)測的現(xiàn)狀及展望

劉松

1 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用戶供電。同時，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。

2 電能質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 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，人們對電能質(zhì)量的定義還未能達(dá)成完全的共識，但是對其主要技術(shù)指標(biāo)都有較為一致的認(rèn)識。主要指標(biāo)為國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會相繼頒布的涉及電能質(zhì)量五個方面的國家標(biāo)準(zhǔn)，即：供電電壓偏差、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡、公用電網(wǎng)諧波，以及電力系統(tǒng)頻率偏差等指標(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）：對頻率質(zhì)量的要求全網(wǎng)相同，不因用戶而異，各國對于該項(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)電壓波動和閃變（fluctuation &flicker）：電壓波動是指在包絡(luò)線內(nèi)的電壓的有規(guī)則變動，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對照明燈的視覺影響。

2.2 電能質(zhì)量控制策略與技術(shù)

2.2.1 幾種電能質(zhì)量控制策略

(1)PID控制：這是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，易于在工程中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。其缺點(diǎn)是：響應(yīng)有超調(diào)，對系統(tǒng)參數(shù)攝動和抗負(fù)載擾動能力較差。

(2)空間矢量控制：空間矢量控制也是一種較為常規(guī)的控制方法。其原理是：將基于三相靜止坐標(biāo)系(abc)的交流量經(jīng)過派克變換得到基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)的直流量從而實(shí)現(xiàn)解耦控制。常規(guī)的矢量控制方法一般采用DSP 進(jìn)行處理，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能與暫態(tài)性能。也可采用簡化算法以縮短實(shí)時運(yùn)算時間。

(3)模糊邏輯控制：知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型是使用經(jīng)典控制理論的“頻域法”和現(xiàn)代控制理論的“時域法”設(shè)計(jì)控制器的前提條件。模糊控制作為一種新的智能控制方法，無需對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型。它通過模擬人的思維和語言中對模糊信息的表達(dá)和處理方式，對系統(tǒng)特征進(jìn)行模糊描述，來降低獲取系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特征量付出的代價。

(4)非線性魯棒控制：超導(dǎo)儲能裝置(SMES)實(shí)際運(yùn)行時會受到各種不確定性的影響，因此可通過對SMES的確定性模型引入干擾，得到非線性二階魯棒模型。對此非線性模型，既可應(yīng)用反饋線性化方法使之全局線性化，再利用所有線性系統(tǒng)的控制規(guī)律進(jìn)行控制，也可直接采用魯棒控制理論設(shè)計(jì)控制器。

2.2.2 FACTS技術(shù)

FACTS，即基于電力電子控制技術(shù)的靈活交流輸電，是上世紀(jì)80年代末期由美國電力研究院（EPRI）提出的。它通過控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)來靈活控制系統(tǒng)潮流，使輸送容量更接近線路的熱穩(wěn)極限。采用FACTS技術(shù)的核心目的是加強(qiáng)交流輸電系統(tǒng)的可控性和增大其電力傳輸能力。

目前有代表性的FACTS裝置主要有：可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器、靜止無功補(bǔ)償器、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器、統(tǒng)一潮流控制器等。

2.2.3 用戶電力技術(shù)

用戶電力技術(shù)就是將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)等運(yùn)用于中低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，其目的是加強(qiáng)配電系統(tǒng)的供電可靠性，并減小諧波畸變，改善電能質(zhì)量。該技術(shù)的核心器件IGBT比GTO具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達(dá)MVA級，因此DFACTS裝置具有更快的響應(yīng)特性。

目前主要的FACTS裝置有：有源濾波器(APF)、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、配電系統(tǒng)用靜止無功補(bǔ)償器(DSTATCOM)、固態(tài)切換開關(guān)(SSTS)等。

2.3 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置

由于電能質(zhì)量需要監(jiān)測的量很多而且大多是高度畸變的，傳統(tǒng)的方法是采用模擬信號的分析，監(jiān)測不同的電能質(zhì)量指標(biāo)使用不同的儀表。如傳統(tǒng)的測量電壓和電流有效值的電壓表、電流表，測量功率損耗的有功表、無功表，測量頻率的頻率表，還有諧波表、三相不平衡度計(jì)、電壓波動和閃變儀[1]。此類儀器的不足之處是可監(jiān)測的指標(biāo)少，通用性差、精度較低、自動化程度較低。

采用微處理器為核心的新一代數(shù)字式儀表已被廣泛應(yīng)用，核心由DSP(Digital Signal Proceeding)所構(gòu)成。一般都可和計(jì)算機(jī)相連，構(gòu)成數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的PC+DSP主從式結(jié)構(gòu)，具有顯示、存儲、通信、人機(jī)對話等功能。對一個站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，有較好的效果。

2.4 電能質(zhì)量監(jiān)測方法

電力系統(tǒng)中的各種擾動引起的電能質(zhì)量問題主要可分為穩(wěn)態(tài)事件和暫態(tài)事件兩大類。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態(tài)事件通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，可分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類[2]。

電能質(zhì)量的監(jiān)測方法主要有時域仿真法、頻域分析方法和基于變換的方法。

2.4.1 時域仿真法

時域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛，其最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(jìn)行研究。對于電壓下跌、電壓上升、電壓中斷等有關(guān)電能質(zhì)量暫態(tài)問題，由于其持續(xù)時間短、發(fā)生時間不確定、對頻域分析提出了較高的要求，較多采用時域仿真方法。

目前EMTP、EMTDC、NETOMAC等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序[3]和SPICE、PSPICE、SABER等電力電子仿真程序在研究中得到了廣泛應(yīng)用，有的已經(jīng)被做成商業(yè)軟件。

采用時域仿真計(jì)算的缺點(diǎn)是仿真步長的選取決定了可模擬的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態(tài)過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模擬開關(guān)的開合過程時，還會引起數(shù)值振蕩。

2.4.2 頻域分析法

頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)問題。比如諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡等。相對于暫態(tài)問題，此類事件具有變化相對較慢、持續(xù)時間較長等特點(diǎn)。對稱分量法是最常用的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰、建模簡單、算法成熟，但耗時長。

頻域分析方法主要包括頻率掃描、諧波潮流計(jì)算和混合諧波潮流計(jì)算等，該方法多用于電能質(zhì)量中諧波問題的分析。

頻率掃描和諧波潮流計(jì)算在反映非線性負(fù)載動態(tài)特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計(jì)算法在近些年中發(fā)展起來。其優(yōu)點(diǎn)是可詳細(xì)考慮非線性負(fù)載控制系統(tǒng)的作用，因此可精確描述其動態(tài)特性。缺點(diǎn)是計(jì)算量大，求解過程復(fù)雜。

2.4.3 基于變換的方法

在電能質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基于變換的方法主要有復(fù)立葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、二次變換、小波變換和Prony分析等5 種方法。

2.4.3.1 傅立葉變換

傅立葉變換是電能質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域中的基本方法，傅立葉變換的優(yōu)點(diǎn)是算法快速簡單。但其缺點(diǎn)也很多：

(1)雖然能夠?qū)⑿盘柕臅r域特征和頻域特征聯(lián)系起來觀察，但不能將二者有機(jī)地結(jié)合起來。

(2)只能適應(yīng)于確定性的平穩(wěn)信號(如諧波)，對時變非平穩(wěn)信號難以充分描述。

(3)短時傅立葉變換(STFT)的離散形式?jīng)]有正交展開，難以實(shí)現(xiàn)高效算法；只適合于分析特征尺度大致相同的過程，不適合分析多尺度過程和突變過程。

(4)快速傅立葉變換(FFT)變換的時間信息利用不充分，任何信號沖突都會導(dǎo)致整個頻帶的頻譜散布；在不滿足前提條件時，會產(chǎn)生“旁瓣”和“頻譜泄露”現(xiàn)象。

傅立葉變換是經(jīng)典的頻譜分析和信號處理方法。其對含有短時高頻分量與長時間低頻分量的電能質(zhì)量信號分析具有一定的局限性。目前經(jīng)改進(jìn)的快速傅立葉變換（FFT）和（STFT）已經(jīng)成為電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)。

2.4.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是巨量信息并行處理和大規(guī)模平行計(jì)算的基礎(chǔ)，它既是高度非線性動力學(xué)系統(tǒng)，又是自適應(yīng)組織系統(tǒng)，可用來描述認(rèn)知、決策及控制的智能行為。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)是：可處理多輸入-多輸出系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等特點(diǎn)；不必建立精確數(shù)學(xué)模型，只考慮輸入輸出關(guān)系即可。缺點(diǎn)是：存在局部極小問題，會出現(xiàn)局部收斂，影響系統(tǒng)的控制精度；理想的訓(xùn)練樣本提取困難，影響網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和訓(xùn)練質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易優(yōu)化。

2.4.3.3 二次變換法

二次變換是一種基于能量角度來考慮的新的時域變換方法。該方法的基本原理是用時間和頻率的雙線性函數(shù)來表示信號的能量函數(shù)。

二次變換的優(yōu)點(diǎn)是：可以準(zhǔn)確地檢測到信號發(fā)生尖銳變化的時刻；精確測量基波和諧波分量的幅值。缺點(diǎn)是：無法準(zhǔn)確地估計(jì)原始信號的諧波分量幅值；不具有時域分析功能。

2.4.3.4 小波分析法

小波變換是近年來興起的一種算法，由于具有時域局部化的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于突變信號和不確定信號的分析。目前國內(nèi)外已經(jīng)有許多文獻(xiàn)應(yīng)用小波變換對諧波監(jiān)測[4]、電磁暫態(tài)波形分析、電力系統(tǒng)擾動建模等電能質(zhì)量問題進(jìn)行了研究。

小波變換是一種多尺度分析數(shù)字技術(shù)，它通過對時間序列過程從低分辨率到高分辨率的分析，顯示過程變化的整體特征和局部變化行為。

常用的小波基函數(shù)有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波、Meyer小波等。

小波變換的優(yōu)點(diǎn)是：具有時－頻局部化的特點(diǎn)，特別適合突變信號和不平穩(wěn)信號分析；可以對信號進(jìn)行去噪、識別和數(shù)據(jù)壓縮、還原等。

缺點(diǎn)是：在實(shí)時系統(tǒng)中運(yùn)算量較大，需要采用DSP等高價格的高速芯片；小波分析有“邊緣效應(yīng)”，邊界數(shù)據(jù)處理會占用較多時間，并帶來一定誤差。

2.4.3.5 Prony分析法

Prony分析衰減的思想類似于小波。在該方法中，信號總是被認(rèn)為可以由一系列的衰減的正弦波構(gòu)成，這些衰減正弦波類似于小波函數(shù)。所以Prony分析方法和小波一樣，可以做多尺度的信號分析。Prony分析的主要缺點(diǎn)是計(jì)算時間過長。

3 電能質(zhì)量監(jiān)測分析展望

電能質(zhì)量的監(jiān)測是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它涉及到電力系統(tǒng)、自動控制、現(xiàn)代通信等多個方面。目前乃至今后一段時間內(nèi)，它在發(fā)展中要解決以下幾方面的問題[5]：

3.1 標(biāo)準(zhǔn)體系的研究

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系的研究基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、方法標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)包括術(shù)語定義和各類基本要求和限值。方法標(biāo)準(zhǔn)包括對各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、測量評價、科學(xué)的計(jì)算方法等各類標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)包括監(jiān)測、測量和分析處理的各類測量儀器和電能質(zhì)量控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。管理標(biāo)準(zhǔn)包括有各類管理的制度標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)體系的的不健全無疑將會阻礙對電能質(zhì)量進(jìn)一步的深入研究。

3.2 新型算法的開發(fā)

隨著近代數(shù)學(xué)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展及大量跨學(xué)科、跨專業(yè)交叉理論的出現(xiàn)，電能質(zhì)量分析的模型、方法和手段呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的多樣性，如何以更科學(xué)、更先進(jìn)的模型來分析電能質(zhì)量，改善其對電網(wǎng)的影響，也是電能質(zhì)量研究領(lǐng)域內(nèi)不可忽視的核心所在。就目前電能質(zhì)量的研究情況來看，小波分析、模糊數(shù)學(xué)的方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法及交叉技術(shù)將成為今后電能質(zhì)量新算法研究的主流方向?？蓱?yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法建立精確數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用小波變換對擾動數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識、分類和原因分析，應(yīng)用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法確定有效信息的傳輸、存儲。這些理論的推出及其日漸成熟對電能質(zhì)量研究領(lǐng)域從算法本身到算法的適用領(lǐng)域、算法性能的改善等各方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

3.3 電能質(zhì)量監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化、智能化

現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模越來越大，監(jiān)測點(diǎn)越來越多，未來電能質(zhì)量的監(jiān)測不僅局限于某一點(diǎn)，而是要實(shí)現(xiàn)同一供電系統(tǒng)、不同地點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測，甚至實(shí)現(xiàn)多個不同供電系統(tǒng)的集中監(jiān)測。在功能上，更強(qiáng)調(diào)智能化，除具有計(jì)算、顯示等功能外，還要有一定的判斷、分析、決策等功能，如能進(jìn)行事件預(yù)測、故障辨識、干擾源識別和實(shí)時控制，初步具有自動的實(shí)用先進(jìn)的計(jì)算智能評估功能。

電能質(zhì)量監(jiān)測是一個較復(fù)雜的問題，如何合理、全面地分析處理各種干擾源，充分將計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為電能質(zhì)量監(jiān)測所用，都是應(yīng)注意的問題。同時電能質(zhì)量監(jiān)測的發(fā)展趨勢對監(jiān)測系統(tǒng)在功能上提出了更高的要求，也表明這一應(yīng)用領(lǐng)域的研究需要多種技術(shù)的相互融合和各個領(lǐng)域的密切合作。

[1]林海雪.論電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[J].中國電力,1997.

[2]吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國電力出版社,1998:63-161.

[3]潘貞存,陳青,王慧,等.電能質(zhì)量及其檢測方法地研究[J].山東電力技術(shù),1997.

[4]何定金,肖先勇.電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2004，2.

[5]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社,2009.