電能質量及檢測方法研究

楊 璐

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002）

0 引 言

隨著經濟的迅速發展，大量整流設備等非線性負荷不斷投入運行，使得電網中產生電壓畸變、諧波；三相不對稱負載，如單相大容量負荷（電氣化鐵路、電弧爐及大功率設備）由于在三相系統中的容量和電氣位置分布不合理，引起系統三相不平衡；具有波動性、沖擊性的負荷（鋼鐵企業的電弧爐、大型軋鋼機）容易引起電壓波動和閃變，嚴重威脅著電力系統安全、穩定、可靠、經濟的運行。用戶側設備的運行也受電能質量的影響。如果供電突然中斷或者波動，將會給工業生產帶來巨大的經濟損失，尤其對于用戶側安裝的一些對電能質量具有高要求的控制設備、電子裝置等。為了保證電力系統的安全經濟運行，減少因電能質量問題對用戶和用電設備造成的影響，了解電能質量的定義、基本指標，研究電能質量的檢測方法具有重要意義。

1 電能質量概念

電能質量是指電力系統通過公用電網供給用戶端的交流電能的品質［1-2］。公用電網在理想狀態下應以標準電壓、恒定的頻率及正弦波形向用戶供電。但由于電力系統中存在非線性或不對稱設備如發電機、變壓器和線路等，負荷性質多變及外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀況在實際運行中并不存在，因此產生了電網運行、電力設備和供用電環節中的電能質量問題［3-5］。針對電能質量中主要的影響指標及供用電雙方的需求，將電能質量分為電壓質量、電流質量、供電質量、用電質量4個方面。

2 電能質量基本指標

2.1 電壓偏差

電壓偏差的定義為實際運行電壓對系統標稱電壓的偏差相對值，以百分數形式表示，其計算公式為：

式中，δU為電壓偏差；Us為實際電壓；UN為系統標稱電壓。

電壓偏差會影響設備的使用壽命甚至會使設備損壞，降低設備的運行效率及性能。受影響的主要是電動機、變壓器、電爐、白熾燈等各種電子設備。電壓過高會降低電器設備的絕緣性能，絕緣擊穿，壽命減短等。

2.2 頻率偏差

頻率偏差指的是系統頻率的實際值和標稱值之差，即：

式中，Δf為頻率偏差，單位Hz；fr為實際頻率，單位Hx；fN為標稱頻率，單位Hz。

可以通過硬件、軟件，或者軟硬件相結合的方法對頻率偏差進行測量。采用電子元器件搭建硬件的電路實現測頻，稱為硬件測頻；通過某種算法對采集到的周期量的離散值計算得出頻率，稱為軟件測頻。軟件測頻算法包括最小二乘法、遞推傅式算法、全周波傅式算法、卡爾曼濾波算法、基于插值的Cross算法等。

2.3 諧波

相對于頻率為50 Hz的基波而言，諧波是指對周期的交流量進行傅里葉分解以后，得到的頻率為工頻整數倍且大于1的分量。由于流過非線性設備的電流和加在其上的電壓成非線性關系，因此電力系統中的非線性設備是產生諧波的主要原因。如常見的非線性負荷節能燈，會產生較大的諧波，降低供電質量。我國電氣化鐵路大量采用交-直-交或交-直型電力機車，由于濾波措施不得力，其諧波和負序引發電網產生局部諧振，造成諧波過流。

2.4 電壓波動和閃變

電壓波動（voltage fluctuation）為電壓方均根值（有效值）一系列的變動或連續的改變，電壓波動可以通過電壓方均根值曲線來描述。閃變是指燈光照度不穩定造成的視感，可以通過短時閃變和長時閃變來衡量。電壓波動和閃變的實質是無功功率不平衡。具有波動性、沖擊性的負荷如鋼鐵企業的電弧爐、大型軋鋼機等容易引起電壓波動和閃變。負荷如果在工作期間變化劇烈，突然增加或者減少，并周期性的交替變更，也會引起較大的電壓波動。閃變是電壓波動的直接反映，當電壓波動嚴重，引起照明燈具閃爍，會使人眼感到疲勞甚至難以忍受而降低工作效率。

2.5 三相電壓不平衡

三相平衡指的是三相電壓具有相同的幅值且相角互差120°，但是由于系統中單相接地、兩相斷線等故障或者系統本身的不對稱都會引起三相不平衡，系統本身正常不平衡運行引起的三相不平衡稱為“三相電壓不平衡度”，是電能質量衡量指標之一。三相電量的不平衡度通常用零序分量或負序分量比正序分量的百分數表示。在三相系統中，測量得到的三相電量的幅值和相位后，通過對稱分量法計算出正序、負序和零序分量，用式（3）、（4）得到序分量的不平衡度。

式中，εU2、εU0為三相電壓的負序、零序不平衡度；U1、U2、U0為電壓正序、負序和零序分量均方根值，單位V。

引起三相電壓不平衡的的主要原因與諧波及電壓波動的起因一致，均是由于單相大容量負荷（電氣化鐵路、電弧爐及大功率設備）在三相系統中的容量和電氣位置分布不合理。

3 電能質量檢測方法

電能質量檢測涉及到數字信號處理及計算機技術，隨著這些技術的發展，電能質量檢測方法也不斷提高改進。現在的電能質量監測裝置不僅僅能夠對諧波、電壓、電流、頻率等電能質量的穩態指標進行監測，還能得到暫態信息量，如暫態諧波、電壓暫降、電壓暫升、瞬間擾動等。目前，這些檢測分析方法可以按時域、頻域、變換域分為三大類。

3.1 時域仿真方法

時域仿真分析是在仿真程序的基礎上，針對電能質量問題中的暫態信息量進行研究。時域仿真程序有系統暫態仿真程序和電力電子仿真程序兩大類。電力系統主要由R、L、C元件組成，電力方程以微分方程的形式表示，運用數學計算方法求解。

3.2 頻域仿真方法

頻域仿真方法主要針對的是電能質量問題中的諧波問題，包括頻率掃描、常規諧波潮流計算、混合諧波潮流計算。混合諧波潮流計算方法與常規諧波潮流計算方法相比，能反映非線性負載的動態特性、考慮非線性負載對控制系統的作用。但是該方法計算量大，求解過程復雜。

3.3 基于變換域的仿真方法

3.3.1 傅里葉變換法

在電能質量分析領域中，常用的傅里葉變換法是離散傅里葉變換和快速傅里葉變換。對非正弦周期信號的時間連續信號等間隔采樣，借助計算機對采樣值轉換成的數字序列進行諧波分析［6］。

傅里葉變換法要求采樣頻率必須是最高信號頻率的兩倍以上，而且被分析的波形必須是穩態的、隨時間周期變化的。如果不能滿足這兩個要求，FFT分析就會帶來誤差，出現“頻譜混疊”或者“頻譜泄露”現象。對于非平穩信號，如電能質量問題中的電壓暫降，由于信號在任一時刻附近的頻域特征都很重要，且信號有突變，僅僅從時域或者頻域分析是不夠的，信號中若存在突變，其頻譜將分散于整個頻帶。

3.3.2 短時傅里葉變換

短時傅里葉變換（也叫窗口傅里葉變換）方法克服了傅里葉變換法的缺點，將不平穩過程看成是一系列短時平穩過程的集合，短時性則通過窗口函數來覆蓋時域。短時傅里葉變換中的窗口一旦選定，其時頻分辨率就確定了，不隨時間和頻率變化。對于非平穩信號，某一時段需要小窗口分析短時間段上的高頻信號，另一時間段需要大窗口分析長時間段上的低頻信號，因此時間窗口大小很難選定。由于短時傅里葉變換的時-頻窗口是固定的，所以這種方法不適合含有多個頻率分量和暫態過程不連續的信號［7］。

文獻［8］用短時傅里葉變換檢測電壓暫降擾動，并指出選擇適宜窗函數，可以精確檢測電壓暫降的復制和突變點，在抑制諧波和噪聲方面的性能比小波變換方法好。文獻［9］采用小波和短時傅里葉變換相結合的方法，分析電網中的諧波，先用小波變換分離基波和各次諧波，再用短時傅里葉變換計算基波和各次諧波的幅值、頻率、相位。文獻［10］將短時傅里葉變換和S變換在檢測電壓暫降問題方面進行了對比研究，結果表明，對同一電壓暫降信號，選取的窗函數窗寬越小，檢測結果越精確。文獻［11］用短時傅里葉變換法對電壓間諧波進行分析，在對電壓信號進行時頻分析時，選用了不同的高斯窗函數來說明窗函數的窗寬對時頻分辨率的影響，表明合適的窗函數可以得到更好的視頻分辨率。

3.3.3 S變換

S變換是一種可逆的時頻分析方法，它繼承和發展了短時傅里葉變換和小波變換的局部化思想［12］。S變換是一種自適應分辨率的變換，其高斯窗口隨頻率分辨率變化、具有更高頻率分辨率，近年來在電能分析中得到廣泛應用。文獻［13］采用了S變換和時域分析結合的方法對電能質量擾動自動識別，從信號S變換幅值矩陣和信號的時域采樣中提取與電能質量擾動相關的特征參數，并依據簡單的規則樹，避免誤差，該方法識別率高，抗噪能力好。文獻［14］提出了一種改進的S變換，引入高斯窗函數調節因子，用快速傅里葉變換得到擾動主要頻率，確定調節因子，高斯窗口寬度隨頻率分辨率變化，提高時頻分辨率。文獻［15］研究了快速S變換電能質量擾動識別方法，與S變換相比，在信號特征量提取方面所用時間縮短，電壓擾動信號較長時也不會影響特征向量提取的實時性。

3.3.4 小波變換

與傅里葉變換和短時傅里葉變換相比，小波變換是對時間和頻率進行局部變換，能有效地提取信號中有用信息，通過伸縮和平移運算對函數或者信號進行多尺度細化分析。因此能對突變信號和不平穩信號進行分析。小波變換法已廣泛用于信號分析、圖像處理等領域。

小波變換在電能質量問題中的應用主要集中在對電能質量擾動進行檢測和定位、電能質量擾動識別、暫態電能質量擾動建模與分析以及電能質量擾動信號數據壓縮等方面。文獻［16］中對于小波多分辨信號的分解，可以采用Meyer小波變換法，先將復雜的電能信號波形分解成大體部分和細節部分，再對細節部分的突變時間和頻率分量進行小波域上的檢測，這種方法具有較好的局部特性，適合短暫瞬變信號的檢測分析。文獻［17］利用Mallat算法和小波變換，對電能信號進行分解，檢測暫態發生時間點。文獻［18］中，由于系統發生擾動時，信號時間短，不容易被檢測出來，小波變換時頻局部特性，能夠精確地檢測出擾動發生時刻點。文獻［19］采用小波變換和快速傅里葉變換相結合的方法檢測諧波，通過小波變換的高頻系數模極大值來判定諧波的起始時刻，該方法能有效精確檢測電壓暫降時刻和持續時間。文獻［20］將小波變換應用于電能質量擾動數據壓縮，為了得到完整的檢測信息，需要存儲大量數據。

4 結束語

本文介紹了電能質量的相關概念，并對電能質量檢測方法進行分類，著重分析了基于變換的方法在電能質量檢測中的應用。隨著數字信號處理以及計算機技術的進步，電能質量檢測技術也隨之發展，檢測裝置也越來越先進，能夠實現對電能質量的各項指標檢測、分析。電能質量的檢測分析對電網安全運行，以及用戶和設備的安全具有重要意義。

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