電能質(zhì)量研究簡介

電能質(zhì)量研究簡介朱守真清華大學電機系2006年11月12/27/20231內(nèi)容電能質(zhì)量的概述

歷史、研究方向、定義、擾動因素、影響電能質(zhì)量的指標

諧波、閃變、電壓驟降、電壓中斷、電壓突升、電壓裂痕、暫態(tài)沖擊及暫態(tài)振蕩、過電壓或欠電壓、三相電壓不對稱電能質(zhì)量檢測設備

檢測內(nèi)容,測試儀類型電能質(zhì)量的標準

主要標準、探討12/27/20232電能質(zhì)量研究的歷程19世紀中葉直至20世紀初3次諧波Steinmetz提出變壓器的三角-星型不接地連接20世紀初到40年代提出更廣泛的諧波治理方法研究處于相對停滯期50年代到80年代其他更多的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)80年代提出電能質(zhì)量概念90年代至今美EPRI著手DPQ項目PQ研究熱潮開始12/27/20233電能質(zhì)量研究方向電能質(zhì)量相關術語的定義以及標準的建立

電能質(zhì)量的測量方法以及監(jiān)測儀器

電能質(zhì)量的建模、仿真以及分析

電能質(zhì)量的擾動源確定

電能質(zhì)量的改善

電能質(zhì)量問題所產(chǎn)生的影響12/27/20234電能和電能質(zhì)量的歸類理想三相交流系統(tǒng)：

1、恒定的頻率；2、確定的電壓等級；3、完好的電壓波形且能連續(xù)的向負荷供電；合格的、安全的電能

在一定指標或閾值范圍內(nèi)的不滿足規(guī)范要求的——電能質(zhì)量12/27/20235電能質(zhì)量的分類（1）電壓質(zhì)量（電壓幅值質(zhì)量）狹義電能質(zhì)量

會影響用戶設備正常運行的不理想的系統(tǒng)電壓，包括電壓的閃變、瞬時過電壓或跌落、諧波畸變、各相電壓不平衡等情況；電流質(zhì)量指電力電子設備等非線性負荷給電網(wǎng)帶來的電流畸變，包括流入電網(wǎng)的諧波電流，以及無功、不平衡負荷電流、低頻負荷變化造成的閃爍等。頻率質(zhì)量12/27/20236電能質(zhì)量的分類(2)穩(wěn)態(tài)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、波形下陷以及噪聲等；暫態(tài)暫態(tài)電能質(zhì)量問題通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，可分脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類。12/27/20237更廣泛的電磁兼容問題非技術成分質(zhì)量問題12/27/20238電能質(zhì)量的特點電能質(zhì)量往往是由用戶干擾所決定的電能質(zhì)量在空間和時間上均處于動態(tài)變化之中電能質(zhì)量和用電設備的性能密切相關12/27/20239引起電能質(zhì)量的四大因素自然現(xiàn)象和災難電力設備及裝置故障或保護誤動作終端用戶非線性、沖擊性污染型負荷的大量使用人為事故12/27/202310電能質(zhì)量的定義電力公司用戶設備制造商IEEEIEC電能質(zhì)量是任何導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差12/27/202311電力公司定義電能質(zhì)量相當于供電可靠性，通常用統(tǒng)計數(shù)字來量化utilitiesdefinepowerqualityasreliabilityandshowstatisticstoquantifyit12/27/202312用戶定義導致用戶設備失效或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏移稱為電能質(zhì)量12/27/202313設備制造商定義能使設備正常運行的供電特征稱為電能質(zhì)量Themanufactureofloadequipmentdefinepowerqualitypowerasthosecharacteristicsofthepowersupplythatenabletheequipmenttoworkproperly.12/27/202314IEEE定義電能質(zhì)量是對向敏感設備提供電力和設置接地系統(tǒng)以保持其正常運行能力的一種概念描述PowerQualityistheconceptofpoweringandgroundingsensitiveequipmentinamatterthatissuitabletotheoperationofthatequipment12/27/202315IEC定義電能質(zhì)量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和不干擾用戶使用電力的物理特性Powerqualityissetofparametersdefiningthepropertiesofthepowersupplyasdeliveredtotheuserinnormaloperatingconditionsintermsofcontinuityofsupplyandcharacteristicsofvoltage(symmetry,frequency,magnitude,andwaveform).12/27/202316電能質(zhì)量的影響國標GB755《電機基本技術要求》規(guī)定，電動機在額定功率下電源電壓的偏差不超過±5％時才能維持額定出力；紡織機、造紙機等生產(chǎn)機組對于頻率敏感，如果頻率變化過大就可能出現(xiàn)廢品，甚至使設備受損；頻率降低會使汽輪機的葉片承受壓力加大，嚴重時會發(fā)生機械共振，使葉片斷裂；電壓的快速波動會使電動機轉速不均勻，不僅危及電動機的安全運行，而且還影響一些產(chǎn)品的質(zhì)量，并引起照明的“閃變”。12/27/202317電能質(zhì)量問題的影響電網(wǎng)諧波含量的增加，將導致電氣設備壽命縮短，電網(wǎng)網(wǎng)損增大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，同時可能引起繼電保護和自動裝置誤動，儀表指示和電度計量不準等一系列問題。，由諧波引起的損耗和電氣設備絕緣壽命的縮短所造成的等值損耗也很可觀，約為用電量的0.7％。三相電壓不平衡（即存在負序分量）會引起電機附加振動力矩和發(fā)熱。額定轉矩的電動機，如負序電壓含量為4％，由于發(fā)熱，其絕緣壽命縮短約一半。如果某相電壓高于額定值，則其壽命縮短更嚴重。一些保護也會因負序的干擾而誤動作。12/27/202318電能質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟損失一個計算中心失去電源2ｓ就可能破壞幾十小時的數(shù)據(jù)處理結果或上百萬元的經(jīng)濟損失。在大型機器制造廠,01ｓ的電壓突降就可能造成異常的生產(chǎn)狀況和質(zhì)量破壞。自動化設備控制的連續(xù)精加工生產(chǎn)線,它們對配電系統(tǒng)中的干擾異常敏感,幾分之一秒的不正常供電就可能在工廠內(nèi)部造成混亂,其損失是難以估量的。這些用戶對不合格電力的容許度可嚴格到只有1-2周波。現(xiàn)代化的商貿(mào)中心、銀行、醫(yī)院也是如此。諧波的嚴重危害和所造成的損失經(jīng)常被人們所提及。而無人值守變電站中計算機系統(tǒng)突然出現(xiàn)的死機現(xiàn)象，大多屬于電能質(zhì)量問題。據(jù)估計，因電能質(zhì)量問題每年給美國企業(yè)造成的損失累計達150億到300億美元之多，尤其是那些對電壓變化敏感的電子、信息、半導體行業(yè)。12/27/202319北京地區(qū)電能質(zhì)量問題北京供電局了解，北京第11屆亞運會期間網(wǎng)球中心在舉行開幕式時全場照明突滅一半，究其原因則是電壓波動引起；2001年大運會期間清華大學游泳館等部分場館均出現(xiàn)過較為嚴重的、因電能質(zhì)量問題影響場館正常比賽用電的事件；據(jù)北京化工集團統(tǒng)計，3年來因供電問題化工生產(chǎn)裝置停車56起，其中因電壓跌降的有43起，其中最危險的是由于這是電壓突變過程，供電部門并未察覺也未記錄，造成了一定區(qū)分責任的糾紛；首鋼日用電子有限公司等大企業(yè)也有同類的情況發(fā)生。12/27/202320電氣設備對電壓凹陷的敏感性分析主要原因短路故障引起較嚴重的電壓凹陷（驟降）電機啟動引起較長的凹陷時間。特征量幅值：偏離額定值的最大值（60％）持續(xù)時間：均方根值超出指定門檻值的一段時間發(fā)生頻次特定幅值及持續(xù)時間情況下發(fā)生的次數(shù)。12/27/202321產(chǎn)生電壓跌落的原因超高壓電網(wǎng)故障造成大范圍的配電網(wǎng)的電壓波動。雷擊引起的絕緣子閃絡或線路對地放電系統(tǒng)故障當保護動作后伴隨著重合閘時，由此而引起的電壓跌落次數(shù)將成倍數(shù)增加，并且規(guī)定時間間隔的連續(xù)跳閘是造成瞬時供電中斷的主要因素之一。電壓跌落統(tǒng)計結果表明大部分的電壓跌落幅值都低于（20～30）％的額定值。12/27/202322設備對電壓凹陷的敏感圖非正常工作狀態(tài)正常工作狀態(tài)Vmin1tmsxt（持續(xù)時間）V(幅值)12/27/202323暫態(tài)電能質(zhì)量暫態(tài)電能質(zhì)量問題通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征檢測暫態(tài)持續(xù)時間的問題轉化為檢測信號奇異點的問題

12/27/202324電壓跌落

Meyer小波分析DB6小波分析12/27/202325電壓切痕

Meyer小波分析DB6小波分析12/27/202326電能質(zhì)量擾動（1）擾動類型子類/類屬特征屬性幅值持續(xù)時范圍

(pu)間劃分暫態(tài)沖擊納秒級上升時間5ns-<50ns微秒級1us-50ns-1ms毫秒級1ms-1ms-1cycs暫態(tài)振蕩低頻頻譜<5kHz0-40.3–50ms中頻5~500kHz0–820us高頻0.5~5MHz0-45us供電中斷即時-<0.10.5–36cycs瞬時-36cycs–3s暫時-3-60s持續(xù)-0>1min電壓驟降即時-0.1–0.90.5–36cycs瞬時-36cycs–3s暫時-3-60s電壓突升即時-1.1–1.80.5–36cycs瞬時-36cycs–3s暫時-3-60s12/27/202327電能質(zhì)量擾動（2）

擾動類型子類/類屬特征屬性幅值持續(xù)時范圍

(pu)間劃分電壓不平衡穩(wěn)態(tài)不平衡度0.5–2%-閃變暫態(tài)<25Hz0.001–0.07-直流偏置穩(wěn)態(tài)-0–0.001---諧波準穩(wěn)態(tài)2-100th

0–0.2-間諧波穩(wěn)態(tài)0–5kHz0–0.02-裂痕暫態(tài)<=0.5cyc電噪聲暫態(tài)verybrand0–0.01-削平暫態(tài)--相角不對稱穩(wěn)態(tài)--頻率波動穩(wěn)態(tài)--<=10s12/27/202328主要電能質(zhì)量指標量化目的除經(jīng)濟性指標外，目前沒有統(tǒng)一的指標能描述全部電能質(zhì)量問題指標往往是與擾動類型相關聯(lián)12/27/202329諧波各次諧波的相位和幅值諧波含有率HR總畸變率THD諧波功率諧波阻抗K因子12/27/202330閃變白熾燈的光通量短期覺察度Pst長期覺察度Plt累積概率函數(shù)曲線CPF閃變覺察曲線PFC12/27/202331電壓驟降閾值指標持續(xù)時間、電壓幅值統(tǒng)計指標系統(tǒng)電壓有效值變化平均指標（SARFIx）面積、能量型指標電壓缺失電壓驟降“面積”能量損失特殊指標12/27/202332電壓驟降－電壓缺失電壓缺失(LV)是指電壓驟降過程中跌落電壓積分12/27/202333電壓驟降－電壓驟降面積借鑒發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定的面積方法來描述電壓驟降，是一種電壓幅值對時間的積分電壓驟降面積指標不等同于能量12/27/202334電壓驟降－能量損失損失能量指標指電壓驟降中系統(tǒng)未能正常傳輸給負荷的能量多少，也是缺失電壓和持續(xù)時間的函數(shù)或12/27/202335電壓驟降－特殊指標電壓驟降評分12/27/202336電壓中斷統(tǒng)計評價指標SAIFI：系統(tǒng)平均中斷頻率指標CAIFI：用戶平均中斷頻率指標SAIDI：系統(tǒng)平均中斷時間指標CAIDI：用戶平均中斷時間指標ASAI：平均可用服務指標ASUI：平均服務不可用指標AENS：平均未供能源12/27/202337電壓突升指標比較類似電壓驟降12/27/202338電壓裂痕12/27/202339暫態(tài)脈沖沖擊振蕩暫態(tài)12/27/202340過電壓、欠電壓12/27/202341三相不對稱NEMA定義IEEE定義正負序定義瞬時定義12/27/202342電能質(zhì)量的檢測的基本作用評價電網(wǎng)和供電點電能質(zhì)量的優(yōu)劣調(diào)查干擾源的發(fā)射干擾和敏感用戶所承受干擾的手段是供用雙方簽訂合同及明確電能質(zhì)量責任的重要考查依據(jù)是進行電能質(zhì)量治理的先決條件是電能商品按質(zhì)定價的技術依據(jù)12/27/202343理想的電能質(zhì)量檢測算法

能夠獲得信號的準確頻譜特性

能夠準確分析電能質(zhì)量變化的發(fā)生時間

算法得到的系數(shù)應該在時域和頻域上具有明確的的物理意義

算法效率要高，適用于實時分析

12/27/202344電能質(zhì)量檢測算法框圖12/27/202345研究現(xiàn)狀對于配電網(wǎng)絡的電能質(zhì)量分析，主要的問題是配電網(wǎng)中負荷，尤其是新型負荷的精確數(shù)學建模以及如何利用計算機來實現(xiàn)智能建模；重要設備的擾動下異常行為、性能變化的分析暫態(tài)電能質(zhì)量擾動在配電網(wǎng)中的傳輸特性及其合理的仿真算法；擾動源的辨識和定位；電能質(zhì)量治理措施；用戶電力技術CustomPower或者配網(wǎng)無功補償技術D-STATCOM在配電網(wǎng)中的應用效果評判。12/27/202346時Fourier變換

與小波分析的時頻窗口的對比短時Fourier變換小波分析12/27/202347原理結構圖TMS320C5402?DSPGeneration,FixedPointDATAA/D1A/D2A/D3A/D4A/D5A/D6高速采樣SRAMFLASHCPLD串口通信（RS323/RS485）液晶顯示鍵盤輸入紅外通信時鐘EEPROM12/27/202348指定標準的國際組織組織簡單說明IEEE有多個工作組就測量、描述、術語、指標等多方面進行研究，研究成果較公開。IEC主要研究諧波和電磁兼容問題，涉及測量、指標等方面，在歐洲應用的較為廣泛ANSI美國國家標準學會，近期主要是與IEEE等組織合作研究。SEMI半導體行業(yè)委員會，主要關注半導體處理裝置抗電壓驟降干擾問題CBEMAITIC國際商用制備制造聯(lián)合會和信息技術工業(yè)委員會，致力于信息終端設備受電壓驟降干擾的曲線和圖形化描述UIE電力應用國際聯(lián)合會UNIPEDE電能生產(chǎn)、輸配國際聯(lián)合會CENELEC歐洲電工標準化委員會CIGRE國際大電網(wǎng)會議CIRED國際配網(wǎng)會議U.S.Military美國軍方，主要從飛行器、船只、基地安全角度考慮FIPS美國聯(lián)邦信息處理標準委員會NFPA美國國家防火協(xié)會，從防火和建筑安全角度考慮NIST美國國家標準化和技術學會ULUnderwriters實驗室BSI不列顛標準研究院12/27/202349．基本功能運行電量的采集、計算和顯示實時三相電壓、電流有效值；當前有功功率、無功功率，總諧波含量，三相電壓不平衡度，頻率；液晶屏幕首頁顯示當前電量數(shù)據(jù)。諧波分析13次諧波或更高次諧波監(jiān)測，檢測諧波畸變率；記錄各次諧波含量；記錄當天發(fā)生畸變嚴重的時刻。供電電壓偏差檢測和記錄檢測并記錄三相電壓偏差；記錄當天發(fā)生嚴重偏差的時刻。三相電壓不平衡度檢測和記錄記錄三相電壓不平衡度；記錄當天發(fā)生嚴重電壓不平衡的時刻。頻率偏差檢測記錄當天發(fā)生嚴重頻率偏離的數(shù)據(jù)及時間。瞬時電壓凹陷檢測檢測持續(xù)時間10－300ms的瞬時電壓跌落。瞬時斷電以及恢復次數(shù)和時間的紀錄記錄斷電時刻/來電時刻；記錄斷電次數(shù)，第一次斷電和最后來電的時間。竊電紀錄，提供與電度表數(shù)據(jù)輸出的連接口具有電度表功能，顯示電度數(shù)值；監(jiān)測用戶是否有竊電行為。非正常電量的記錄、存儲提供紅外遙控數(shù)據(jù)傳輸與外部計算機串口、并口通訊;提供任意移動閃存（U盤）通訊接口，下載記錄的數(shù)據(jù)。液晶顯示、鍵盤接口2．擴展功能暫態(tài)電能質(zhì)量檢測，包括閃變、電壓跌落等；可配置GSM模塊，實現(xiàn)GSM通訊；利用已有的通訊接口建立多點電能質(zhì)量網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)；配置分析軟件，對保存的故障或非正常數(shù)據(jù)進行處理及分析；12/27/202350其它負荷曲線；負荷持續(xù)率用戶負荷率；用戶需要系數(shù)；最大/最小用電負荷（有功、無功）；峰谷差。12/27/202351主要電能質(zhì)量標準(IEEE/ANSI)標準號時間描述5191992電力系統(tǒng)諧波控制1433D1999電能質(zhì)量術語詞匯定義11591995電能質(zhì)量監(jiān)測中的若干問題，包括數(shù)據(jù)采集、描述和數(shù)據(jù)格式1564D2002電壓驟降指標13461998評估具有電子處理設備的電力系統(tǒng)兼容性評估，從設計和規(guī)劃角度提出經(jīng)濟損失的計算方法12501995短暫電壓擾動下計算機等設備靈敏度分析，減緩擾動影響的方法等1421991工業(yè)和商業(yè)性電網(wǎng)的接地考慮4461995應急和備用電源的使用、設計和維護6021996醫(yī)療場所電源的設計和運行11001999電子設備的供電和接地實施15472003分布式電源電能質(zhì)量考慮1453電壓閃變1409用戶電力改善電能質(zhì)量12/27/202352主要電能質(zhì)量標準(IEC)標準號描述61000-1-x有關電能質(zhì)量的定義和一般方法61000-2-x電磁環(huán)境61000-3-x諧波污染限制61000-4-x測