电能质量工程

电能质量工程0.引言电能质量可以不严格的定义为：电力部门提供给消费者的电力服务的质量。当波形发生畸变时，电压很难稳定；谐振和摇摆随之发生；某些瞬时事件的发生使得正弦波扭曲；电能利用率下降。以上诸情况均可称为电能质量的下降。不论是发电还是用电，电能质量工程这一课题真正涵盖了电力工程的大部分领域，它伴随着电力工程的诞生就一直是该领域中的一个令人感兴趣的话题，并且，由于当今时代的某些因素使得该话题已经成为焦点话题。大功率半导体开关器件的诞生以及在用电、配电、送电设备上的广泛使用使得非正弦负载电流现象普遍存在。送电、配电过程中的损耗问题近几年得到了广泛的研究，研究表明：有些类型的电能质量下降将会导致损耗的增加。综上所述，电能质量问题已经成为当今电力工程领域里的一个亟待解决的问题。1.电能质量指数电能质量指数产生于电能质量工程学的早期。它是一些量化指标，用以度量电能供应质量的高低。表1列出了一些最通用的指数。在有些指数中用到了电压或电流的谐波成分。例如，对于负载电流，当假设它为周期信号时，我们可把它展成为付立叶级数得形式，并令I1表示基频分量，I2表示第二谐振分量，以此类推。Irms表示I(t)的有效值。Parseval原理给出了谐波成分与电流有效值之间的关系：表1中wi表示电话影响因素，h表示谐波数，正负电流分别表示为I+和-I-.2.电能质量问题的分类对于电能质量问题以及它所涉及的问题我们有多种方式对其进行分类。一种方法是通过电能质量问题对频谱所造成的影响来分（例如噪声为高频现象，闪烁是一种低频现象）。人们常常也会用该问题的强度来对其进行分类。也许最有效的分类方法是利用与稳态相关的一些量来对电能质量问题进行分类，如利用对应于某些过去发生的、经常被隔离处理的重大事件的谐波（整数倍于工频）来对其分类。表1中的指数可作为表征这类事件的指标。3.理想整流器公式电能质量工程正逐步发展成为信号分析的一个特殊分支。从这一点来看，现有的许多公式都可用来解决电能质量的相关问题。表2给出了一组理想整流器公式。表中所有的电压和电流为有效值，单位为安培和伏特。Vac为交流基频量，Ls为旁路电感，Vdc为直流电压，LL为线对线，u是换相角，Is为交流电流有效值，P为所有交流侧及直流侧的功率总和（公式为理想状态，无损耗）。整流器的延迟角为α，频率为ω，直流电感的定义基于理想意义下：直流侧为纯粹直流。整流器是一重要的谐波负载电流源。整流公式给出了理想条件下的电流与电压之间关系的表达式，这里的理想条件是指：假设整流器的损耗为零，直流侧的电感足够大。公式是建立在理想条件值上，因此实际使用这些公式时请谨慎使用。注意基频电压和基频电流之间的转换系数为功角的余弦，功率因数为P/VrmsIrms。4.电能质量监视技术的发展趋势随着人们对PQ关注程度的不断提高，用来表征和监视干扰和PQ变化的监视设备越来越先进。分析工具可以提供诸如干扰波形、趋势以及有关统计型指标的PQ信息。通过与库中的典型PQ特性及相关系统事件（如电容器的投切）特性进行对比，引起PQ发生变化的原因就不难被发现。在各种方法中，要求提供的数据应与冲击（由干扰引起的）相关，只有这样才能准确刻画终端设备对于PQ变化的灵敏性。对于那些对电能条件及保护措施有特殊要求的设备，如果其保护装置能够基于PQ变化特性来进行设计，这种设计无疑对系统是有很大好处的。了解电力系统的特性已经变得越来越重要。由瞬时干扰、电压下陷、谐波干扰以及电容器的投切引起的电能质量的变化都会给用户操作带来冲击，由此造成的减产及停产均会造成重大经济损失。可靠性及电能质量是数字经济及工业控制的关键及必要条件。电力部门必须能够刻画和评估系统任何水平下的特性。用户可利用这一特性指标计算冲击对其造成的影响以及PQ改善后所带来的经济效益。这种特性指标信息为整个电力部门所分享，因此故障区域可及时被确定而且故障可及时被解除。不间断地监控系统性能的检测技术是非常有用的，而且借助于互联网，各用户可分享自己感兴趣的所有信息。4.1为什么要监控PQPQ监视器已经用于工业、商业及住宅小区系统。一旦故障发生，监视器可以监视故障，并能给出解决问题的可行方法。对于故障分析软件来说，PQ监视器是必不可少的，但固定监视器的需求已经开始减少，逐步由便携式指示器所代替。PQ监视器正逐渐成为全系统性能评估程序中必要组成部分。统一照明器（UnitedIlluminating）是一个很好的例子。所有变电站都安有固定PQ监视器，通过内部信息网，各级用户可不间断的获得由PQ监视器提供的信息。PQ监视器的好处主要有：了解电能质量及可靠性。从用户的角度上说，任何条件下引起其设备发生故障或工作流程发生误操作的事件均属于可靠性范畴的问题。监控系统将根据UI（统一照明器）在用户设备上所受的冲击来表征和刻画系统的特性。当系统由正常状态到非正常状态转换时，用户尤其关注此时的系统特性。同时，为了保持电能质量达到正常水平必须进行一些相关的设备操作，这些操作将会给配电公司带来冲击。掌握此方面的信息将会降低配电公司所受到的冲击。改良优先权系统。传统意义下，电力部门划分资本支出和系统维护的优先权是以解决系统问题和控制系统的成长为基础的。支出的大小与系统所能维持的可靠度是密切相关的。一种更加取决于用户的确定支出优先权的方法是：由系统的干扰给用户所带来的代价的大小来确定。这种方法可以实现最大限度地满足用户要求的目的。在非正常状态下，这一目的显得尤为重要。分析PQ变化对用户所带来的冲击需要PQ监视器及用户的跟踪装置两方面提供的信息。识别故障。监视器能够在引起大面积用户发出抱怨、设备发生故障甚至设备瘫痪之前确定故障的具体情况。例如:共鸣可引起本地的谐波干扰问题，在电容器投切期间断路器问题将引起二次冲击，电弧问题源于劣质连接器及电缆的绝缘性差，故障会引起电压下陷和瞬时干扰，接地问题将导致电压的偏离和中性点问题。监视器的另外一些用途包括为用户提供信息服务（如AustinEnergy）、提高PQ服务（如DukeEnergy）以及依照正在供应的电能质量来制定的有关合同（如DetroitEdison）。4.2测量点的位置及问题的解决4.2.1手持式仪器虽然固定式的PQ监视器有向着可移动式及可连续描述系统PQ变化的新型监控器发展的趋势，我们仍然达不到任何设备和电路上都配备PQ监视器的水平。即使某些设备上已经安装了固定PQ监视器，我们还是需要便携式的监视器协同固定监视器一起追踪问题的所在。幸运的是，琳琅满目的手持式仪表可满足这方面的需求。从最简单的万用表到能够实现PQ监视器全部功能的手持式计量器，这类手持式仪表的型式非常丰富。万用表在许多PQ问题检测过程中，简单的万用表是必需的工具。它可方便地用于检查系统的电压和电流。这些足以查明电压调节、电流负荷、中性导体的过载以及接地回路等方面的问题。万用表能够直接读到正在测量处的电压和电流的有效值，这一点是非常重要的。另外一些仪表利用实测到的峰值或平均值间接地计算出有效值来，这些获得有效值的方法均假设测量信号为正弦波。由于现今大量负载电流均含有谐波成分，因此对于大量设备来说，上述方法所计算出的有效值均为近似值。表1对比了采用不同测量方法最终计算出的各种波形有效值之间的差距。许多商业化的设备所出现的问题大多可归结为由接地回路窜入的干扰。当系统中存在不止一处中性接地点时就会产生接地回路。它将允许负载电流在接地系统中流动。正常情况下，返回的负载电流应从中性导体流过而且在大地系统中应该没有电流。地系统中的电流可以通过多种渠道再次返回其源处，如建筑物的钢架、通信线路及计算机网络等。所有这些都是引起干扰和设备误操作的潜在因素。万用表是追踪接地回路问题最理想的工具。应从设备入口处开始测量，检测绿色导线的地电流。如果查到有负载电流从这些电路中流过，则相关的底板及个别的负载也需要检查，直到中性地点被定位为止。手持式谐波测量仪简单的万用表不能提供测量处的有关波形方面更具体的信息。波形中有关谐波构成方面的附加信息对于某些类型的PQ问题是很有用的。许多手持式谐波测量仪可提供测量处的电压和电流的谐波详细信息（图1）。这些测量仪检测设备中不同类型的负载的波形特征，并检测设备周围电压的实质程度。谐波失真常与电容器组的使用有关。这类仪器可以用来检测电容器或滤波器受到冲击时波形失真的程度。当流过变压器的负载电流包含大量的谐波成分时，变压器的额定值将降低。手持式谐波测量仪可用来检测载荷并能用来计算基于该谐波成分下变压器额定值下降的程度。对于许多带有单项负载的三相商业性设备来说，中性导体过载现象是一个特殊的重要的问题。这类负载波形中包含高比例的三次谐波成分，它将导致比相电流还要高的中性点电流的产生。手持式谐波测量仪可用来确定和分析这一问题，进而帮助人们找到解决此类问题的有效方法。暂态记录仪：手持式示波器能够记录瞬间高频波形的手持式仪器对于解决由干扰及高频噪声引起的PQ问题是非常有用的。由投切（电路投切、变压器投切及电容器投切）引起的瞬时变化对于敏感负载及浪涌抑制器都会产生干扰。记录此暂态过程对于确定、分析和解决此类问题以及保护敏感设备都是非常重要的。某些正常操作也有可能引起高频干扰。例如，大功率设备工作时能够引起电压下陷，而这种下陷的电压波形中包含高频谐波成分，它将给敏感设备的通讯带来干扰。另外，采用脉宽调制方式驱动的现代调速电机对电网也将产生高频干扰。这种电机的输出波形具有幅值大幅上升的脉动形式，如果这种电压的波动平滑得不够好的话，它将造成电机绝缘材料老化。甚至微机或其他一些小功率的电器设备的通断都会对敏感器件造成干扰。手持式示波器正是理想的测试仪器，因为它小巧灵活，方便使用。传统示波器是一种体积较大的用来记录暂态变化的实验室仪器，而微型示波器因其采用手持式设计使得它的用途比台式示波器更为广泛（图2）。通用PQ监视器手持式仪表同样也可全面监测电能质量(图3)。它可当成一般的万用表来使用，另外，通过设定它也可用于记录电压的变化、干扰的实际情况及暂态过程。这种仪器不仅适用于追踪电线及接地等问题，同时它在需要进一步了解有关电能质量方面信息的场合派上用场。多功能PQ监视仪还可同步地监控所有三相电压和电流，这些对于分析PQ变化的原因是很重要的。手持式谐波测量仪及示波器通常不具有这些功能。有关软件可以帮助你处理测量数据并为你提供相应的分析结果。4.3PQ监测的系统途径PQ监测采用系统的方法。PQ监视仪应能不间断地评估系统的特性、发现系统的问题，并能为系统长期性能指标的评定提供相关信息。系统结构PQ监视仪工作原理如图4所示。该图表示了变电站到被选择用户之间的电能监控系统的结构。变电站是一个非常重要的环节，它是各种不同电压等级线路的共同连接点。例如，如果某条馈线发生故障，则该馈线所属同一母线上的其它馈线上的所有用户都会经历电压下降现象。监测用户服务入口处的PQ的目的是：了解来自于电力系统并进入用户设备的干扰以及用户操作对电力系统的冲击。系统由四大部分组成：l监测仪器l下载计算机l主站l因特网或企业网从电力部门到用户，大量不同等级的用户均可分享来自于该监测系统的信息。最基本的用途是用户可观察干扰数据。详细的干扰数据可用于分析系统某些故障或瞬间事件产生的原因，它还可用来评估系统或用户端双方面的保护装置的特性。电能特性指标监测系统的重要用途之一是在线地监测系统的PQ特性。首先数据被保存在PQ数据库中，然后利用各种数据库管理和分析软件（如PQView）可对其进行分析和处理。使用各种PQ指标（例如指标SARFI-----用于表征电压下陷程度）可以追踪各个变电站的工作情况。这些测量指标可以为如何合理地分配维修和扩展系统资金问题上提供合理的优先权顺序依据。同时它们是一类基于用户设备的敏感性所定义的指标，因此具有适用性。变电站电压下陷特性可用持续期分散量级图（如图5）或表征不同SARFI临界值的柱状图（如图6）来表示。这些图表示了不同严重程度的电压下陷发生的频率。通过选择一个特殊的电压下陷临界值，例如70%，我们可以对不同变电站的特性进行比较。