電網(wǎng)系統(tǒng)中異常電能事件的檢測與分析

劉海云 劉玉娥 敖俊成

摘 ?要：在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程中，造成電能質(zhì)量問題的因素不斷增加，同時，人們對電能質(zhì)量可靠性的要求越來越高。針對這些問題，本文介紹了電能質(zhì)量事件的成因和危害，對不同種類電能質(zhì)量事件的檢測方法進(jìn)行了總結(jié)分析，同時對電能質(zhì)量問題未來的發(fā)展進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)自動化;電能質(zhì)量;異常電能事件

中圖分類號：TM76 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0026-03

Abstract：In the development of modern science and technology，the factors that cause power quality problems are increasing，and people have higher and higher requirements for reliable power quality. In view of these problems，this paper introduces the causes and harmfulness of power quality events，summarizes and analyzes the detection methods of different kinds of power quality events，and probes into the future development of power quality problems.

Keywords：power system automation;power quality;abnormal electrical energy event

0 ?引 ?言

對電壓、電流、頻率、功率等電參數(shù)的測量及電力系統(tǒng)諧波分析研究已有多年的歷史。隨著電網(wǎng)系統(tǒng)和用戶負(fù)載復(fù)雜性的提高，電壓、電流波形普遍出現(xiàn)畸形，各種電能質(zhì)量問題日趨嚴(yán)重，電力公司、用電企業(yè)也更加重視電能事件檢測分析工作。

1 ?電能質(zhì)量的概念

1.1 ?電能質(zhì)量定義

在電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程中，電能質(zhì)量的概念越來越多地被提及。從廣義上說，電能質(zhì)量可以簡單分為電壓質(zhì)量和電流質(zhì)量。電壓質(zhì)量問題主要來源于供電側(cè)，由電力公司負(fù)責(zé)，電力公司應(yīng)該提供可保障用戶設(shè)備正常運行的理想供電電壓;電流質(zhì)量問題主要來源于用電側(cè)，由電力用戶負(fù)責(zé)，現(xiàn)階段主要是電力用戶用電過程中的非線性負(fù)載給電網(wǎng)帶來的電流諧波畸變。

1.2 ?異常電能事件的成因

（1）自然環(huán)境因素。比如極端的低溫、強烈的雷電等天氣因素，可能對電力系統(tǒng)造成無法預(yù)知的影響，使電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生異常事故，降低系統(tǒng)供電的可靠性;

（2）電力系統(tǒng)中裝置正常運行時的自動保護(hù)等因素。比如自動開關(guān)裝置的跳閘及閉合、大型電力設(shè)備的啟動和停止等動作，會在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的電壓暫升、暫降或中斷等異常事件;

（3）電力用戶使用沖擊性和非線性負(fù)載等因素。比如電氣化機(jī)車的運行、煉鋼電弧爐的使用，會導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波畸變等異常事件。

1.3 ?異常電能事件的危害

電能質(zhì)量問題會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果，異常電能事件不僅會影響供電系統(tǒng)的正常安全供電，同時也會給用電系統(tǒng)帶來各種各樣的危害，直接影響著人身安全和經(jīng)濟(jì)效率，具體表現(xiàn)在：

（1）造成用電設(shè)備過熱，埋下突發(fā)性火災(zāi)事故的隱患，對設(shè)備附近的人身和財產(chǎn)安全形成威脅;

（2）造成用電設(shè)備工作不穩(wěn)定，降低設(shè)備工作效率，而且長期如此，必然影響設(shè)備使用壽命;

（3）通過電磁感應(yīng)和輻射，對通信信號的正常傳輸造成干擾。

2 ?電能質(zhì)量事件的檢測方法

2.1 ?頻率偏差越限

電網(wǎng)頻率的測量基于參考通道基波過零檢測的周期法，每10s參考通道電壓波形計算出1個頻率數(shù)值。統(tǒng)計10s內(nèi)的完整波形個數(shù)，除以完整波形的時間，即為基波頻率。10s內(nèi)，頻率可能不恰好是50Hz，周期可能不是整數(shù)。比如10s內(nèi)完整周期個數(shù)為499，時間為9.984s，則頻率為499÷9.984=49.98Hz。

根據(jù)《GB/T 15945-2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》的規(guī)定，頻率偏差的正常允許值范圍為±0.2Hz，即以50Hz標(biāo)稱工作頻率為例，若電網(wǎng)頻率的測量值不在49.8Hz～50.2Hz范圍內(nèi)，則視為一次頻率偏差越限事件。

2.2 ?電壓偏差越限

將電力系統(tǒng)中實際供電電壓相對于標(biāo)稱電壓的偏差以百分比表示即為電壓偏差。當(dāng)測量值大于標(biāo)稱值時，測量值和額定值之差的絕對值即為上偏差或正偏差。當(dāng)測量值小于標(biāo)稱值時，測量值和額定值之差的絕對值即為下偏差或負(fù)偏差。電壓偏差計算基于10周期方均根值，在50Hz系統(tǒng)中即為200ms內(nèi)10個周期電壓測量值的方均根值。

根據(jù)《GB/T 12325-2008電能質(zhì)量供電電壓偏差》的規(guī)定，在35kV及以上系統(tǒng)中，正負(fù)電壓偏差絕對值之和的允許范圍為10%，10kV及以下三相供電為±7%，220V單相供電則為+7%、-10%。以220V三相供電系統(tǒng)為例，若電壓正偏差或負(fù)偏差超過7%，則視為一次電壓偏差越限事件。

2.3 ?諧波畸變

電力系統(tǒng)中的諧波是指電壓或電流的頻率是系統(tǒng)基頻倍數(shù)的分量。諧波測量分析的階次通常為50次或40次，幅值以方均根值表示。為了提高諧波測量與評估的準(zhǔn)確度，對DFT頻譜的分析一般使用子組算法。比如250Hz頻譜分量為5%，245Hz為1.2%，255Hz為0.8%，則標(biāo)示為“250Hz”的第5次諧波子組的幅值，還應(yīng)該包括245Hz頻譜分量及255Hz頻譜分量。即第5次諧波為=5.2%，而不是5%。

通常在對電壓總諧波畸變率的計算中，對2～50次電壓諧波含有率和2～25次電流諧波的有效值進(jìn)行計算，將計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值比較，如果高于限值，則視為諧波畸變事件。

2.4 ?三相電壓不平衡

在理想的三相交流電力系統(tǒng)中，A、B、C三相應(yīng)該有幅值相同、相位各相差120°的電壓。但在實際的三相系統(tǒng)中，三相的電壓幅值互不相等，或相互間的相位差不為120°，即為三相電壓不平衡。三相系統(tǒng)可以分解為正序、負(fù)序和零序三個對稱的分量，三個分量中三相幅值相等，相位分別互差120°、-120°和0°。負(fù)序分量相對正序分量的百分比為負(fù)序不平衡度，零序分量相對正序分量的百分比為零序不平衡度。

按照《GB/T 15543-2008電能質(zhì)量三相電壓不平衡度》的規(guī)定，電網(wǎng)正常運行時，負(fù)序電壓不平衡度不得超過2%，短時不得超過4%。若計算值超過限值，則視為電壓不平衡事件。

2.5 ?閃變越限

閃變反映了燈光閃爍對人類的影響程度，由供電電壓變動的頻率和每次變動的程度這兩個指標(biāo)決定。閃變嚴(yán)重度的評估采用“燈-眼-腦”模型，對經(jīng)過預(yù)處理的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行平方運算、加權(quán)凌波和平滑計算，模擬燈光的閃爍效果、人眼的頻率選擇和人腦的視覺反應(yīng)，最后對瞬時閃變值統(tǒng)計分析，得出閃變嚴(yán)重度評估結(jié)果。

按照《GB/T 12326-2008電能質(zhì)量電壓波動和閃變》的規(guī)定，在大于110kV的系統(tǒng)中，長時間閃變的限值為0.8，其余為1。以35kV系統(tǒng)為例，長時間閃變的測量值若大于1，則視為一次閃變越限事件。

2.6 ?電壓快速變動

電壓快速變動事件反映兩個穩(wěn)態(tài)電壓之間，供電電壓幅值的變化情況。評價電壓方均根值變化狀況的特征參數(shù)包括穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)的最小持續(xù)時間，兩個穩(wěn)態(tài)之間的最小電壓差和兩個穩(wěn)態(tài)之間的最小變化速度。

電壓快速變動事件的檢測從穩(wěn)態(tài)的捕捉開始，穩(wěn)態(tài)的判斷要基于穩(wěn)態(tài)容差和最小穩(wěn)態(tài)時間的設(shè)定。捕捉到兩個相鄰的穩(wěn)態(tài)后，對其間的電壓變動過程進(jìn)行分析。若變動過程中的電壓差和變化速度均大于設(shè)定的閾值，則視為一次電壓快速變動事件。其中，變化速度的判定可以基于穩(wěn)態(tài)差值或變動過程中的極值。

2.7 ?電壓暫升暫降中斷

電壓的暫升、暫降和中斷，都是電網(wǎng)系統(tǒng)最常見和最重要事件的其中一部分，對電網(wǎng)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行有重要的影響。電壓暫升、暫降、中斷的基礎(chǔ)測量、事件檢測，是基于半周期刷新的一周期方均根值（Urms（1/2））。這三種事件的評估，均采用2個特征參數(shù)，即深度（或剩余電壓）和持續(xù)時間。

出現(xiàn)較為嚴(yán)重的暫升、暫降或中斷事件后，電網(wǎng)電壓通常會在觸發(fā)值附近發(fā)生變化。遲滯設(shè)置可以避免將這種在電壓恢復(fù)過程中的緩慢變化紀(jì)錄為另一個事件。需要注意的是，多相系統(tǒng)中，電壓暫升暫降和中斷事件需要同時對各相的Urms（1/2）進(jìn)行評估，比如三相系統(tǒng)中對電壓中斷事件開始的判斷，需要三相的Urms（1/2）均低于設(shè)置的中斷閾值。

2.8 ?沖擊電流

沖擊電流事件的檢測使用每個半周期內(nèi)測量的RMS電流（Ihalf_cycle_rms）。當(dāng)Ihalf_cycle_rms高達(dá)預(yù)設(shè)的沖擊電流閾值時，沖擊電流事件開始;當(dāng)Ihalf_cycle_rms低至沖擊電流閾值減去用戶設(shè)定的遲滯值后，事件結(jié)束。每一個半周期間隔應(yīng)該連續(xù)、無重疊。閾值設(shè)置通常大于標(biāo)稱電流的120%。

沖擊電流事件可以進(jìn)一步由三個參數(shù)描述，沖擊電流開始至結(jié)束的時間、沖擊電流Ihalf_cycle_rms的最大值和沖擊電流事件期間所測量的Ihalf_cycle_rms值的方均根值。

3 ?電能質(zhì)量問題的發(fā)展

在現(xiàn)代社會中，電力是影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種復(fù)雜精密的用電設(shè)備不斷普及，對電力系統(tǒng)可靠性的要求也更高。與此同時，生產(chǎn)環(huán)境中大型電子裝置的啟動停止、電力用戶對非線性負(fù)載的廣泛使用等各種因素造成電力系統(tǒng)中異常事件日益增多。這兩方面的矛盾越來越突出，對人類正常生產(chǎn)和生活造成的危害和損失也越來越大。

在我國，經(jīng)過一段經(jīng)濟(jì)快速增長的時期后，人們不再一味地追求發(fā)展的速度，而是越來越關(guān)注發(fā)展的質(zhì)量。在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，人們會更加關(guān)注電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。提高電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)中的異常事件，已成為我國發(fā)展過程中迫切需要解決的重要課題。

4 ?結(jié) ?論

在社會經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)發(fā)展的情況下，電能質(zhì)量問題對社會生產(chǎn)、人民生活的影響日趨嚴(yán)重。基于這一情況，本文特別針對異常電能事件這一點進(jìn)行了探究。首先介紹了電能質(zhì)量的基本概念和異常電能事件的成因及危害，然后總結(jié)分析了各種類型電能質(zhì)量事件的物理意義、檢測方法和評估標(biāo)準(zhǔn)，最后對電能質(zhì)量問題未來的發(fā)展進(jìn)行了展望，特別強調(diào)了我國在發(fā)展過程中應(yīng)對電能質(zhì)量問題的重要性和緊迫性。雖然經(jīng)過多年的研究，世界各國對電能質(zhì)量問題的處理已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗，但也要認(rèn)識到電能質(zhì)量問題仍處在不斷發(fā)展變化的過程中。面對新的挑戰(zhàn)，組織起全面開展電能質(zhì)量理論與方法、標(biāo)準(zhǔn)與評估、監(jiān)測與治理等領(lǐng)域的研究勢在必行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2001（10）：5-12.

[2] 張逸，林焱，吳丹岳.電能檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015（2）：138-147.

[3] 丁澤俊，朱永強，陶順.事件型電能質(zhì)量的綜合評估 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（2）：84-87.

[4] 劉金鑫，李鵬，崔紅芬，等.微網(wǎng)中電能質(zhì)量問題及其治理措施研究 [J].中國電力，2012，45（3）：38-42.

作者簡介：劉海云（1991.04-），男，漢族，甘肅蘭州人，軟件工程師，本科，研究方向：嵌入式開發(fā)、電能質(zhì)量;劉玉娥（1990.08-），女，漢族，甘肅張掖人，測試工程師，本科，研究方向：嵌入式測試、電能質(zhì)量;敖俊成（1989.11-），男，漢族，四川廣安人，軟件工程師，本科，研究方向：嵌入式開發(fā)、電能質(zhì)量。