電力系統電能質量評估體系架構

陶 順 肖湘寧

（華北電力大學電力系統保護與動態安全監控教育部重點實驗室 北京 102206）

1 引言

電能質量評估是基于對系統電氣運行參數的實際測量或通過建模仿真獲得基本數據后，對電能質量各項特性指標做出評價和對其是否滿足規范要求進行考查與推斷的過程。一般包括選擇標準規定或供用電雙方商定的指標、收集電能質量數據、選擇評估基準以及確定目標水平或等級等基本步驟。對電力系統電能質量的評估，實質上是對電力系統運行水平和電力供應能力的綜合評價，是約束、督促電力公司與電力用戶共同維護公共電網電能質量環境的基礎，同時也是實施質量治理與控制的依據、檢驗治理與控制效果的工具。因此，電能質量評估是電能質量研究中不可缺少的重要組成部分。

電能質量現象類別較多，不僅評估的指標內容很多，而且根據不同的應用環境和條件，形成了多類型的評估方式。可以將現有的電能質量研究文獻和標準采用的各種評估方式歸納起來[1-9]，如圖1分類所示。由圖可見，電能質量評估非常復雜，且現有文獻一般并沒有給出評估方式的完整定義，更沒有分析它們相互之間的內在聯系。本文將系統化的定義和分析這些評估方式，并在此基礎上，研究并建立一個多視覺的電能質量評估體系架構，以闡明各種評估方式之間的關系，以便較靈活地研究或完善各類電能質量評估模型，來考核多參量的電能質量特性和拓展電力擾動監測評估的多類應用。

圖1 電能質量各種評估方式歸類Fig.1 Classification of power quality assessment modes

2 評估方式的定義

2.1 單項評估和綜合評估

按電能質量所包含的具體指標內容進行評估是最常見的和普遍采用的方法，它可分為以下兩種：

（1）單項評估。針對某一個電能質量問題或對其某個特征進行量化而得到考核值的過程。結果的表現形式就是該項電能質量的單項指標，評估結果就是指標值。例如三次諧波電壓含有率HRU3為4%。

（2）綜合評估。電能質量綜合評估就是在分析單項指標的基礎上，把部分或全部電能質量問題以及某項電能質量的多個特征量按屬性合成一個有機的整體，進而得到其考核值的過程，結果的表現形式可以是電能質量的綜合指標或綜合等級。根據評估所包括的內容可以分為單項電能質量多參數綜合評估（如電壓諧波總畸變率 THDu）和多項電能質量綜合評估[3-7]。

2.2 指標量化評估和等級評估

為了滿足不同應用環境的需要，按評估結果形式可以分為指標量化評估和等級評估。

量化評估是將各規定的電能質量指標數值化的計算，得到的評估結果是一具體數值。它可以直接與標準規定的或合同規定的限值水平相比較。例如，通過監測計算得到的某低壓（380V/220V）配電系統公共連接點處的 THDu為 9.22%，而國標中對應限值是 5%，經直接比較就很容易得出該公共連接點的諧波電壓嚴重超標的結論。指標量化評估能夠直接反映電能質量問題的嚴重性，且便于專業工作人員將其結果作為電能質量目標控制和改善電力設計的參量，由此可以作為評估的主要方式之一。

另一方面，用戶電力設備的類型、型號及其電氣參數決定了其產生電力擾動的程度或對電能質量的敏感程度，也就決定了其對接入系統節點處的電源質量的要求等級。在開放市場條件下，也需要實現電能質量等級“按需擇貨，按質定價”。因此，除了量化評估之外，還需要面向市場不同電能質量需求層次建立質量等級評估。等級化的質量表現形式也便于企業工程人員得到質量水平的直觀感受。

電能質量等級評估首先需要針對各個評估指標劃分一致公認的等級域，例如，德國以 DIN VDE標準形式定義了閃變嚴重度指標的3個等級域，如圖2所示；IEC61000-2-4：2002標準定義了連續型電能質量指標的 3等級劃分[8]。然后，在指標量化評估的基礎上，將實際評估水平對照已劃分的等級域來得到評價等級。

圖2 DIN VDE標準中閃變Ast和Alt等級域劃分Fig.2 Grade areas of Ast and Alt in DIN VDE

文獻[3-7]也給出了各自的等級域劃分方法。需要明確的是，如何科學合理地劃分等級域的界限是個困難而復雜的問題，還有待深入研究。

2.3 監測點評估和系統評估

按電能質量評估的空間層次，可以分為監測點評估和系統評估。

2.3.1 監測點評估

監測點評估是基于某監測點電能質量基本特征量的檢測與分析，計算出該監測點實際質量水平。監測點指標是在一個特定監測周期內對該監測點測量儀器記錄的數據進行電能質量特征化分析及統計而產生的，用以表征該監測點電能質量特性的指標，并作為下一步系統指標計算的依據。典型的時間周期主要是日、周、月（季）、年等。電能質量監測點往往是選擇公共連接點 PCC處或用戶與電力公司協商的指定節點，也可能是系統內部質量監控的節點。監測點評估結果精確反映了由PCC處供電的各電力用戶的實際電能質量水平，可為執行供電合同的質量條款提供依據，同時也可為監測點之間的質量對比和用戶選擇接入點提供基本評價數據。

2.3.2 系統評估

從經濟性考慮，電力公司不可能在每個節點都安裝電能質量監測裝置，但要反映系統的電壓質量水平，只有一個監測點又是不夠的。這就需要在已選擇的典型的各監測點評估基礎上，進行系統評估，即對某供電系統各監測點采集和計算的數據，經過再統計或再處理，得到對整個系統性能評估的結果。系統評估雖然不能精確描述提供給每個獨立用戶的供電質量，但作為參考水平，便于與不同系統或系統內不同區域的質量水平比較，也為用戶選擇接入系統內的具體區域提供依據。

系統評估的表現形式與監測點指標基本相同，其值可以是各監測點指標的平均值，也可以是各監測點指標的概率大值，如95%概率大值（CP95）等。考慮到沒有被監測到的站點情況時，一般采用對統計值進行加權處理，如按每個監測點供電的用戶數賦權、按監測點的平均負荷或用戶額定容量賦權等。

2.4 兼容評估和規劃評估

國際電工委員會IEC在電磁兼容標準中為一些電能質量問題提出了限值要求——兼容水平和規劃水平。兼容水平是用來協調組成供電網絡的設備或由供電網絡供電的設備干擾發射和抗擾度的參考值，以保證整個系統的電磁兼容性。規劃水平是在規劃時評估所有用戶負荷對供電系統的影響所采用的，一般作為供電公司內部的質量目標。

2.4.1 兼容評估

為了把實際電能質量水平與兼容水平相比較而設定的衡量參數就是兼容指標（或特征指標）。對電壓質量來說，兼容指標主要反映公共電網中電力用戶和電力系統的電磁兼容環境，是量化和報告公共電網電壓整體質量水平的指標。若在限值以內，能保證用戶設備以較高概率（95%）維持在正常運行狀態。因此，EN50160：1999等一些標準直接將其稱為公共電網電壓特征。量化兼容指標的過程就是兼容指標評估，它是面向電力公司與電力用戶之間的兼容性評價，也是電能質量評估的主要內容。

2.4.2 規劃指標

為了比較實際質量水平與規劃水平而設定的衡量參數就是規劃指標。以諧波電壓為例，IEC61000-3-6：1996就規定了不止一個規劃指標來衡量諧波影響，如日3s方均根值的CP95值、周10min方均根值的最大值和周3s方均根值的最大值等。

基于電能質量實際運行狀況規劃評估得到的這些極值或較高概率值（如CP99等[9]）不僅可用于比較系統內部控制目標以保證實際運行時的可靠充裕度，而且可以作為特殊負荷接入系統評估的背景值。

3 定制評估和公眾評估

在對用戶與系統之間作兼容評估（特征限值評估）時，不同的電力用戶會根據自身用電設備對電能質量的敏感性或發射水平，提出個性化的質量需求。為了評估電力用戶的不同質量需求，本文首次提出兩個評估定義，即定制評估和公眾評估。

定制評估是在兼容評估基礎上，只針對敏感用戶關心的電能質量問題，按需要的結果表現形式進行評估的過程。它是衡量供電部門向敏感用戶提供的電力能否達到用戶所需的可靠性指標和質量水平的工具，可以有效地監督和促進定制電力合同的執行。電能質量定制評估和定制電力供給一樣，一般只是對生產有特殊要求的用戶和少數大用戶而言的。這些特殊用戶或大用戶，往往是生產效率比較高，對國民經濟貢獻比較大，或者是和人民生活息息相關的產業或部門，電能質量問題對他們造成的經濟損失和社會影響不容忽視。因此，定制電力供給和定制電力評估在電能質量研究中都是非常重要的。根據用戶關心的電能質量內容，定制評估可以是單項評估，也可以是綜合評估，但更多的是多項電能質量的綜合評估；其限值可能是協議合同值，也可能是公共標準等。

相對于定制評估，公共評估是對電能質量無特別要求的電力用戶，一般是對公眾用戶（包括居民用戶等）而言的，是全面評估國家標準已規定的各項電能質量指標的執行情況，是一種典型的全面的綜合評估。公眾評估反映了消耗電能的普遍質量水平，是衡量電力部門優質服務水平和質量管理水平的重要指標。

據文獻[10]公布的對大工業用戶電力供應的一個社會調查結果顯示，有87%電力用戶關注電能質量，他們是愿意以更高的電價來得到定制電力服務的。圖3分析了用戶對電能質量的多種需求，以及供電公司面向用戶選擇的對策。由此可見，電能質量的多層次供給與供電質量合同按質論價已勢在必行。對有特殊要求的定制電力供給，供用電雙方都需要對電能質量進行定制評估，給出并執行限值約束。對面向大眾用戶的公用電網，供用雙方需要對電能質量做出全面的、公開的公眾評估，以促進電力公司全面提高優質服務水平。

圖3 定制評估和公眾評估的必要性Fig.3 Necessity of custom assessment and public assessment of PQ

4 電能質量評估體系架構

4.1 各評估方式之間的關系分析

經分析以上按類給出的電能質量各種評估目的和內容，可以得到各種評估形式之間的相互關系如下：

（1）按指標內容、空間層次和結果形式的各分類內部之間都是縱向的上下關系。例如，單項評估是綜合評估的基礎，指標量化評估是等級評估的基礎，監測點評估是系統評估的基礎。

（2）按指標內容、空間層次和結果形式的各分類外部之間的聯系是橫向的、兩兩交融的。例如，不論是單項評估，還是綜合評估，結果的表現形式既可以是量化的，又可以是分級的；監測點評估或系統評估包含的內容可能是單項的，也可能是多項或全面電能質量綜合評估。

（3）按應用服務分類的兼容評估和規劃評估、按面向用戶分類的定制評估和公眾評估的內部之間是橫向的平行關系。它們可以是按指標內容、空間層次和結果形式分類的任何一種方式。

（4）按面向用戶分類的反映不同電力用戶和電力公司之間兼容程度的定制評估和公眾評估一般是在兼容評估范圍內的。

現場實際檢測并收集的電能質量基礎數據，經不同指標內容、空間層次和結果形式的縱向計算后，評估的結果最終需要映射到實際應用上，才能達到評估的目的。這就是平行的不同應用或服務的橫向評估，即作為反映電力公司和電力用戶之間限值要求的兼容評估（含定制評估和公眾評估）以及作為電力系統內部控制目標限制和特殊負荷接入系統評估背景值的規劃評估，或其他開發的應用評估等。

4.2 評估體系架構

基于以上各種評估方式的定義和對它們之間相互關系的分析，可以從純數據處理技術角度和應用服務角度來觀察電能質量評估的全過程，如圖4所示，進而可構建成一個電能質量評估體系構架，如圖5所示。

圖4 電能質量評估體系的不同視覺Fig.4 The PQES from different views

圖5 電能質量評估體系架構的分層Fig.5 The layers of PQASI

該評估體系架構按兩個視角分為兩個層次，即專業技術層和應用服務層。專業技術層是應用服務層的基礎與支撐，應用服務層是專業技術層評估結果的影像。圖5中，專業技術層是從橫向上對電能質量按空間層次、指標內容和結果形式的不同評估，雙向箭頭表明它們之間在數據信息上的相互聯系；縱向箭頭形成了一個自下而上的評估流程。應用服務層是面向電力用戶和電力公司，選擇不同應用條件的限值基準，提供電能質量評估應用與服務的處理單元，主要內容包括兼容評估（特征評估）和規劃評估，以及諸如電氣設備使用壽命預測和運行或可傳輸容量確定等其他應用服務開發，其核心部分是對大用戶和少數重要用戶的定制評估和對大部分用戶的公眾評估。

評估架構還包含兩個市場主體即電力公司和電力用戶以及一個電力監管的中間機構。評估體系只在應用服務層才與供用電雙方發生聯系，也就是說，在向應用服務層提交電力公司或電力用戶關心的電能質量問題和應用要求后，專業技術層可以根據應用服務層的需求形式，先計算和處理基礎監測數據，再將結果映射到應用服務層上，于是得到相對應的應用評估結果。例如專業技術層監測點評估得到的THDu的周10min方均根值的CP95值，就可直接映射到應用服務層作為兼容指標，與相應限值進行比較。

建立的電能質量評估體系架構包含了各種評估方式，規定了內部各層各分區的職能和輸出形式，顯示了體系內部之間的關系以及內部與外部之間的聯系與接口界面。

5 結論

本文在歸納和分析電能質量單項評估和綜合評估、量化評估和等級評估、監測點評估和系統評估、兼容評估和規劃評估、定制評估和公眾評估的相互關系基礎上，構造了基于專業技術層和應用服務層的不同視覺的分層電能質量評估體系架構。體系架構顯示了體系內部之間關系以及內部與外部之間的聯系，規定了內部各層各分區的職能和輸出形式。在電能質量評估體系架構下，可以較靈活地建立或完善各種電能質量評估模型，以實現電能質量的全面考量，并開發電力擾動監測與評估的多類應用。

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