電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析與評(píng)估

黃大立

中能祥瑞電力工程有限公司，福建 福州 350028

0 引言

電力系統(tǒng)為社會(huì)生產(chǎn)、生活提供穩(wěn)定的電力輸出。為了解電力系統(tǒng)的供電問(wèn)題，需要對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估工作，以制訂相應(yīng)的調(diào)整方案，完成對(duì)電力系統(tǒng)供電的優(yōu)化工作。為此，文章采用有效的方法對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)估，充分分析了電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

1 電力系統(tǒng)電能質(zhì)量概述

電能質(zhì)量代表電力系統(tǒng)中交流電的質(zhì)量水平，電能的理想狀態(tài)頻率、電壓完整對(duì)稱的正弦波，三相交流系統(tǒng)三相之間的相位差都為120°。但是受材料、溫度、機(jī)械裝置運(yùn)行、自然條件等因素的影響，理想的電能質(zhì)量?jī)H存在于理論分析，現(xiàn)實(shí)的電力系統(tǒng)會(huì)不斷受外界因素的干擾和沖擊，或者受不平衡負(fù)荷的干擾，以及非線性用電設(shè)備的使用，都可能導(dǎo)致電能質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重的下降問(wèn)題[1]。從整體上看，電能質(zhì)量的主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）電壓質(zhì)量。電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)情況。（2）電流質(zhì)量。反映電力系統(tǒng)的電流變化。（3）供電質(zhì)量。供電質(zhì)量不僅包括電源可靠性、電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，還包括電價(jià)等電力系統(tǒng)應(yīng)用問(wèn)題的解決速度。（4）用電質(zhì)量。用電質(zhì)量主要相對(duì)用戶而言，指電力系統(tǒng)的電力穩(wěn)定性。

2 電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算

2.1 電壓偏差

電力系統(tǒng)的電壓受到外界干擾和系統(tǒng)內(nèi)部波動(dòng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)電壓偏差。電壓偏差需要檢測(cè)目前電壓U，電力系統(tǒng)標(biāo)稱電壓Ue，再利用以下公式

2.2 電壓波動(dòng)、閃變

電壓波動(dòng)指電力系統(tǒng)的電壓出現(xiàn)極為快速的變化，需要測(cè)量變化中的電壓最大值Umax、電壓最小值Umin，則電壓波動(dòng)變化率計(jì)算式為

如果計(jì)算得到的電壓波動(dòng)變化率低于20.7%，則可以將電壓波動(dòng)視為電壓偏差。

閃變是在沖擊性強(qiáng)或者大功率負(fù)荷沖擊電網(wǎng)時(shí)導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，從而影響電網(wǎng)中其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。電壓10 kV以下的電力系統(tǒng)，閃變極限值為2.5；電壓為35～110 kV的電力系統(tǒng)閃變極限值為2.0；電壓超過(guò)220 kV的電力系統(tǒng)閃變極限值為1.6[2]。當(dāng)波動(dòng)負(fù)荷較大影響系統(tǒng)中的電氣設(shè)備時(shí)，一般使用短期閃變值Pst描述閃變情況，會(huì)利用在0.001 s、0.01 s、0.03 s、0.1 s、0.5 s以上的觀察值，計(jì)算公式如下：

2.3 電壓三相不平衡

理想狀態(tài)下，三相電壓等值，并且彼此之間有120°的相位角。如果電力系統(tǒng)中的一相或者兩相出現(xiàn)了故障，會(huì)出現(xiàn)事故性不平衡問(wèn)題，必須迅速排除故障使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。若三相電壓設(shè)計(jì)不合理，將可能出現(xiàn)負(fù)載不對(duì)稱的情況。利用對(duì)稱分量法可以將三相電壓分為負(fù)序電壓和正序電壓，再根據(jù)二者的比值即可計(jì)算不平衡度。若三相系統(tǒng)的不平衡問(wèn)題比較嚴(yán)重，可能導(dǎo)致電極出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)，繞子也會(huì)受到影響嚴(yán)重發(fā)熱；保護(hù)裝置也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的事故故障，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.4 諧波問(wèn)題

諧波是電力系統(tǒng)工頻整數(shù)倍的正弦波，由于大量非線性負(fù)荷電器的使用，使得諧波被大量注入電網(wǎng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。分析電網(wǎng)質(zhì)量的諧波問(wèn)題時(shí)，可以利用工頻電壓U1、均方根電壓Uk、諧波的最高次數(shù)N計(jì)算總諧波失真率：

諧波對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響較大，因此一般會(huì)專門制訂標(biāo)準(zhǔn)限制諧波電流，有效降低諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。

2.5 電壓暫降

電壓暫降又被稱為電壓驟降，電力系統(tǒng)中某個(gè)點(diǎn)的電壓值突然降低至額定電壓值的10%～90%，然后在30個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)恢復(fù)至正常工作狀態(tài)，則該過(guò)程被稱為電壓暫降。在計(jì)算時(shí)，一般使用均方根法確定暫降電壓值：

如果電壓信號(hào)被數(shù)字化，則電壓信號(hào)的有效值為

電力系統(tǒng)中，電壓暫降是長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，尤其在各種大負(fù)荷用電設(shè)備不斷發(fā)展的背景下，導(dǎo)致電壓暫降的問(wèn)題開(kāi)始逐漸增加，并且暫降幅度也開(kāi)始增加，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的敏感設(shè)備難以穩(wěn)定運(yùn)行，難以保障工業(yè)用電的穩(wěn)定性[3]。

2.6 電壓暫升

電壓暫升指電力系統(tǒng)的均方根電壓突然達(dá)到額定電壓值的1.1～1.8倍，經(jīng)過(guò)1 min左右恢復(fù)至正常狀態(tài)。電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓暫升的主要原因是由于系統(tǒng)出現(xiàn)故障，比如線路接地出現(xiàn)短路故障、大負(fù)載設(shè)備停止工作等。電壓暫升的計(jì)算方法與電壓暫降相同。

2.7 頻率偏差

電力系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻率和電力系統(tǒng)標(biāo)稱頻率嚴(yán)重不符的情況，影響電力系統(tǒng)中高敏感度設(shè)備的正常運(yùn)行，從而影響電力系統(tǒng)的安全性。如果頻率偏差過(guò)大，可能造成負(fù)荷的發(fā)熱量嚴(yán)重增加，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)損毀問(wèn)題。電壓頻率的改變會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果頻率下降，將可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的中電容器無(wú)法發(fā)揮補(bǔ)償作用，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的平衡性，從而影響電力系統(tǒng)中的控制設(shè)備的準(zhǔn)確性。頻率偏差的計(jì)算式為

2.8 電壓中斷

如果電壓低于額定電壓的10%，可以視為電壓中斷。電壓中斷的主要原因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)故障、負(fù)荷故障等。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)電壓中斷問(wèn)題，將可能對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生比較嚴(yán)重的損害，比如電機(jī)減速、精密設(shè)備損壞等。系統(tǒng)電壓中斷后一般難以迅速恢復(fù)，可能導(dǎo)致產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

3 電能質(zhì)量評(píng)估方法

3.1 電能綜合評(píng)估法

（1）基于短板效應(yīng)評(píng)估。短板效應(yīng)是通過(guò)系統(tǒng)的短板情況確定系統(tǒng)狀態(tài)，優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)可以通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)短板實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的優(yōu)化。對(duì)系統(tǒng)電能短板進(jìn)行分析，可以完成對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的評(píng)估工作，從而確定系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題，更好地確定電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的優(yōu)化方法。一般情況下，用電設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)都應(yīng)低于極限值，才能有效避免其出現(xiàn)異常，如果用電設(shè)備的某些指標(biāo)接近極限值甚至出現(xiàn)超出極限值的情況，將可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常。使用短板效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可以將超出或者接近極限值的指標(biāo)視為短板，并分析短板對(duì)設(shè)備造成的影響，完成電能質(zhì)量的評(píng)估工作。

（2）綜合指標(biāo)量化。該方法將電力系統(tǒng)電能質(zhì)量量化為統(tǒng)一的綜合指標(biāo)，完成對(duì)電能整體質(zhì)量的準(zhǔn)確判斷。使用綜合指標(biāo)量化法時(shí)，先進(jìn)行極限指標(biāo)歸一化處理，分析各種指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)用電設(shè)備的影響水平；再根據(jù)短板效應(yīng)整合各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合性指標(biāo)的單一量化，完成對(duì)電能質(zhì)量偏離程度的分析。

綜合指標(biāo)量化工作中，需要分析電力系統(tǒng)的諧波、電壓三相不平衡情況、電壓波動(dòng)和閃變情況、電壓偏差、頻率偏差等指標(biāo)，然后利用短板效應(yīng)分析問(wèn)題的嚴(yán)重程度，完成對(duì)電壓質(zhì)量的評(píng)估。

3.2 遺傳投影尋蹤法

遺傳投影尋蹤法的核心思路在于將高維空間中的點(diǎn)向低維空間中映射，再利用低維空間中數(shù)據(jù)分布反映高維空間的數(shù)據(jù)特征，或者建立高維、低維空間數(shù)據(jù)輸入輸出關(guān)系和專門的評(píng)估系統(tǒng)模型。使用該方法進(jìn)行電能質(zhì)量綜合評(píng)估時(shí)，將多個(gè)指標(biāo)整合到單一指標(biāo)中可能存在表現(xiàn)不完整問(wèn)題，而且能更好地完成對(duì)高維、低維空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。

首先，根據(jù)國(guó)網(wǎng)的指標(biāo)要求完成等級(jí)劃分工作，然后隨機(jī)取值，確定高維、低維空間的投影指標(biāo)。其次，利用投影指數(shù)確定一維空間中某個(gè)方向的投影值，使用投影值的標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法確定目標(biāo)函數(shù)最大值時(shí)的投影方向作為最佳投影方向。最后，利用投影方向確定最佳投影結(jié)構(gòu)圖。

國(guó)網(wǎng)的要求的指標(biāo)包括電壓偏差、電壓波動(dòng)、頻率偏差、電壓不平衡、電壓閃爍和波紋、瞬態(tài)過(guò)電壓。在實(shí)際工作中，一般難以精確獲得暫態(tài)和瞬態(tài)過(guò)電壓情況，而且只會(huì)在特殊情況下對(duì)電力系統(tǒng)的閃變問(wèn)題進(jìn)行分析，因此不考慮這兩項(xiàng)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)不同電能等級(jí)的隨機(jī)值采集投影指標(biāo)樣本，可知電能質(zhì)量越差，則評(píng)估等級(jí)越高。為了迅速確定空間數(shù)據(jù)特征，需要保證投影值的標(biāo)準(zhǔn)差盡可能大，再進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)和投影方向的優(yōu)化，并根據(jù)最大值確定投影方向。同時(shí)，建立電能質(zhì)量評(píng)估綜合模型，完成對(duì)電能質(zhì)量的綜合評(píng)估工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

電能質(zhì)量管理工作需要以電能質(zhì)量綜合評(píng)估為基礎(chǔ)，因此文章主要對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行分析與評(píng)估。在評(píng)估前應(yīng)該充分了解各項(xiàng)指標(biāo)，確定指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取方式、極限值等要求，再使用合理的辦法進(jìn)行評(píng)估工作，分析電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)所造成的危害，最終形成合理的電能質(zhì)量評(píng)估方法。