电能质量研究简介

电能质量研究简介朱守真清华大学电机系2006年11月2019/8/222内容电能质量的概述历史、研究方向、定义、扰动因素、影响电能质量的指标谐波、闪变、电压骤降、电压中断、电压突升、电压裂痕、暂态冲击及暂态振荡、过电压或欠电压、三相电压不对称电能质量检测设备检测内容,测试仪类型电能质量的标准主要标准、探讨2019/8/223电能质量研究的历程19世纪中叶直至20世纪初3次谐波Steinmetz提出变压器的三角-星型不接地连接20世纪初到40年代提出更广泛的谐波治理方法研究处于相对停滞期50年代到80年代其他更多的现象被发现80年代提出电能质量概念90年代至今美EPRI着手DPQ项目PQ研究热潮开始2019/8/224电能质量研究方向电能质量相关术语的定义以及标准的建立电能质量的测量方法以及监测仪器电能质量的建模、仿真以及分析电能质量的扰动源确定电能质量的改善电能质量问题所产生的影响2019/8/225电能和电能质量的归类理想三相交流系统：1、恒定的频率；2、确定的电压等级；3、完好的电压波形且能连续的向负荷供电；合格的、安全的电能在一定指标或阈值范围内的不满足规范要求的——电能质量2019/8/226电能质量的分类（1）电压质量（电压幅值质量）狭义电能质量会影响用户设备正常运行的不理想的系统电压，包括电压的闪变、瞬时过电压或跌落、谐波畸变、各相电压不平衡等情况；电流质量指电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸变，包括流入电网的谐波电流，以及无功、不平衡负荷电流、低频负荷变化造成的闪烁等。频率质量2019/8/227电能质量的分类(2)稳态稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等；暂态暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。2019/8/228更广泛的电磁兼容问题非技术成分质量问题2019/8/229电能质量的特点电能质量往往是由用户干扰所决定的电能质量在空间和时间上均处于动态变化之中电能质量和用电设备的性能密切相关2019/8/2210引起电能质量的四大因素自然现象和灾难电力设备及装置故障或保护误动作终端用户非线性、冲击性污染型负荷的大量使用人为事故2019/8/2211电能质量的定义电力公司用户设备制造商IEEEIEC电能质量是任何导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差2019/8/2217电能质量的影响国标GB755《电机基本技术要求》规定，电动机在额定功率下电源电压的偏差不超过±5％时才能维持额定出力；纺织机、造纸机等生产机组对于频率敏感，如果频率变化过大就可能出现废品，甚至使设备受损；频率降低会使汽轮机的叶片承受压力加大，严重时会发生机械共振，使叶片断裂；电压的快速波动会使电动机转速不均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且还影响一些产品的质量，并引起照明的“闪变”。2019/8/2218电能质量问题的影响电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，电网网损增大，系统发生谐波谐振的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准等一系列问题。，由谐波引起的损耗和电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损耗也很可观，约为用电量的0.7％。三相电压不平衡（即存在负序分量）会引起电机附加振动力矩和发热。额定转矩的电动机，如负序电压含量为4％，由于发热，其绝缘寿命缩短约一半。如果某相电压高于额定值，则其寿命缩短更严重。一些保护也会因负序的干扰而误动作。2019/8/2219电能质量问题造成的经济损失一个计算中心失去电源2ｓ就可能破坏几十小时的数据处理结果或上百万元的经济损失。在大型机器制造厂,01ｓ的电压突降就可能造成异常的生产状况和质量破坏。自动化设备控制的连续精加工生产线,它们对配电系统中的干扰异常敏感,几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱,其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有1-2周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。谐波的严重危害和所造成的损失经常被人们所提及。而无人值守变电站中计算机系统突然出现的死机现象，大多属于电能质量问题。据估计，因电能质量问题每年给美国企业造成的损失累计达150亿到300亿美元之多，尤其是那些对电压变化敏感的电子、信息、半导体行业。2019/8/2220北京地区电能质量问题北京供电局了解，北京第11届亚运会期间网球中心在举行开幕式时全场照明突灭一半，究其原因则是电压波动引起；2001年大运会期间清华大学游泳馆等部分场馆均出现过较为严重的、因电能质量问题影响场馆正常比赛用电的事件；据北京化工集团统计，3年来因供电问题化工生产装置停车56起，其中因电压跌降的有43起，其中最危险的是由于这是电压突变过程，供电部门并未察觉也未记录，造成了一定区分责任的纠纷；首钢日用电子有限公司等大企业也有同类的情况发生。2019/8/2221电气设备对电压凹陷的敏感性分析主要原因短路故障引起较严重的电压凹陷（骤降）电机启动引起较长的凹陷时间。特征量幅值：偏离额定值的最大值（60％）持续时间：均方根值超出指定门槛值的一段时间发生频次特定幅值及持续时间情况下发生的次数。2019/8/2222产生电压跌落的原因超高压电网故障造成大范围的配电网的电压波动。雷击引起的绝缘子闪络或线路对地放电系统故障当保护动作后伴随着重合闸时，由此而引起的电压跌落次数将成倍数增加，并且规定时间间隔的连续跳闸是造成瞬时供电中断的主要因素之一。电压跌落统计结果表明大部分的电压跌落幅值都低于（20～30）％的额定值。2019/8/2223设备对电压凹陷的敏感图非正常工作状态正常工作状态Vmin1tmsxt（持续时间）V(幅值)2019/8/2224暂态电能质量暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征检测暂态持续时间的问题转化为检测信号奇异点的问题2019/8/2225电压跌落Meyer小波分析DB6小波分析2019/8/2226电压切痕Meyer小波分析DB6小波分析2019/8/2227电能质量扰动（1）扰动类型子类/类属特征属性幅值持续时范围(pu)间划分暂态冲击纳秒级上升时间5ns-50ns微秒级1us-50ns-1ms毫秒级1ms-1ms-1cycs暂态振荡低频频谱5kHz0-40.3–50ms中频5~500kHz0–820us高频0.5~5MHz0-45us供电中断即时-0.10.5–36cycs瞬时-36cycs–3s暂时-3-60s持续-01min电压骤降即时-0.1–0.90.5–36cycs瞬时-36cycs–3s暂时-3-60s电压突升即时-1.1–1.80.5–36cycs瞬时-36cycs–3s暂时-3-60s2019/8/2228电能质量扰动（2）扰动类型子类/类属特征属性幅值持续时范围(pu)间划分电压不平衡稳态不平衡度0.5–2%-闪变暂态25Hz0.001–0.07-直流偏置稳态-0–0.001---谐波准稳态2-100th0–0.2-间谐波稳态0–5kHz0–0.02-裂痕暂态=0.5cyc电噪声暂态verybrand0–0.01-削平暂态--相角不对称稳态--频率波动稳态--=10s2019/8/2229主要电能质量指标量化目的除经济性指标外，目前没有统一的指标能描述全部电能质量问题指标往往是与扰动类型相关联2019/8/2230谐波各次谐波的相位和幅值谐波含有率HR总畸变率THD谐波功率谐波阻抗K因子2019/8/2231闪变白炽灯的光通量短期觉察度Pst长期觉察度Plt累积概率函数曲线CPF闪变觉察曲线PFC2019/8/2232电压骤降阈值指标持续时间、电压幅值统计指标系统电压有效值变化平均指标（SARFIx）面积、能量型指标电压缺失电压骤降“面积”能量损失特殊指标2019/8/2237电压中断统计评价指标SAIFI：系统平均中断频率指标CAIFI：用户平均中断频率指标SAIDI：系统平均中断时间指标CAIDI：用户平均中断时间指标ASAI：平均可用服务指标ASUI：平均服务不可用指标AENS：平均未供能源2019/8/2238电压突升指标比较类似电压骤降2019/8/2239电压裂痕2019/8/2240暂态脉冲冲击振荡暂态2019/8/2242三相不对称NEMA定义IEEE定义正负序定义瞬时定义2019/8/2243电能质量的检测的基本作用评价电网和供电点电能质量的优劣调查干扰源的发射干扰和敏感用户所承受干扰的手段是供用双方签订合同及明确电能质量责任的重要考查依据是进行电能质量治理的先决条件是电能商品按质定价的技术依据2019/8/2244理想的电能质量检测算法能够获得信号的准确频谱特性能够准确分析电能质量变化的发生时间算法得到的系数应该在时域和频域上具有明确的的物理意义算法效率要高，适用于实时分析2019/8/2245电能质量检测算法框图2019/8/2246研究现状对于配电网络的电能质量分析，主要的问题是配电网中负荷，尤其是新型负荷的精确数学建模以及如何利用计算机来实现智能建模；重要设备的扰动下异常行为、性能变化的分析暂态电能质量扰动在配电网中的传输特性及其合理的仿真算法；扰动源的辨识和定位；电能质量治理措施；用户电力技术CustomPower或者配网无功补偿技术D-STATCOM在配电网中的应用效果评判。2019/8/2247时Fourier变换与小波分析的时频窗口的对比短时Fourier变换小波分析2019/8/2248原理结构图TMS320C5402™DSPGeneration,FixedPointDATAA/D1A/D2A/D3A/D4A/D5A/D6高速采样SRAMFLASHCPLD串口通信（RS323/RS485）液晶显示键盘输入红外通信时钟EEPROM2019/8/2249指定标准的国际组织组织简单说明IEEE有多个工作组就测量、描述、术语、指标等多方面进行研究，研究成果较公开。IEC主要研究谐波和电磁兼容问题，涉及测量、指标等方面，在欧洲应用的较为广泛ANSI美国国家标准学会，近期主要是与IEEE等组织合作研究。SEMI半导体行业委员会，主要关注半导体处理装置抗电压骤降干扰问题CBEMAITIC国际商用制备制造联合会和信息技术工业委员会，致力于信息终端设备受电压骤降干扰的曲线和图形化描述UIE电力应用国际联合会UNIPEDE电能生产、输配国际联合会CENELEC欧洲电工标准化委员会CIGRE国际大电网会议CIRED国际配网会议U.S.Military美国军方，主要从飞行器、船只、基地安全角度考虑FIPS美国联邦信息处理标准委员会NFPA美国国家防火协会，从防火和建筑安全角度考虑NIST美国国家标准化和技术学会ULUnderwriters实验室BSI不列颠标准研究院2019/8/2250．基本功能运行电量的采集、计算和显示实时三相电压、电流有效值；当前有功功率、无功功率，总谐波含量，三相电压不平衡度，频率；液晶屏幕首页显示当前电量数据。谐波分析13次谐波或更高次谐波监测，检测谐波畸变率；记录各次谐波含量；记录当天发生畸变严重的时刻。供电电压偏差检测和记录检测并记录三相电压偏差；记录当天发生严重偏差的时刻。三相电压不平衡度检测和记录记录三相电压不平衡度；记录当天发生严重电压不平衡的时刻。频率偏差检测记录当天发生严重频率偏离的数据及时间。瞬时电压凹陷检测检测持续时间10－300ms的瞬时电压跌落。瞬时断电以及恢复次数和时间的纪录记录断电时刻/来电时刻；记录断电次数，第一次断电和最后来电的时间。窃电纪录，提供与电度表数据输出的连接口具有电度表功能，显示电度数值；监测用户是否有窃电行为。非正常电量的记录、存储提供红外遥控数据传输与