電網系統中異常電能事件的檢測與分析

劉海云 劉玉娥 敖俊成

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

關鍵詞：電力系統自動化;電能質量;異常電能事件

中圖分類號：TM76 ? ? ?文獻標識碼：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、功率等電參數的測量及電力系統諧波分析研究已有多年的歷史。隨著電網系統和用戶負載復雜性的提高，電壓、電流波形普遍出現畸形，各種電能質量問題日趨嚴重，電力公司、用電企業也更加重視電能事件檢測分析工作。

1 ?電能質量的概念

1.1 ?電能質量定義

在電網系統的發展過程中，電能質量的概念越來越多地被提及。從廣義上說，電能質量可以簡單分為電壓質量和電流質量。電壓質量問題主要來源于供電側，由電力公司負責，電力公司應該提供可保障用戶設備正常運行的理想供電電壓;電流質量問題主要來源于用電側，由電力用戶負責，現階段主要是電力用戶用電過程中的非線性負載給電網帶來的電流諧波畸變。

1.2 ?異常電能事件的成因

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

（2）電力系統中裝置正常運行時的自動保護等因素。比如自動開關裝置的跳閘及閉合、大型電力設備的啟動和停止等動作，會在電網中產生大量的電壓暫升、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載等因素。比如電氣化機車的運行、煉鋼電弧爐的使用，會導致電網系統中出現諧波畸變等異常事件。

1.3 ?異常電能事件的危害

電能質量問題會導致較為嚴重的后果，異常電能事件不僅會影響供電系統的正常安全供電，同時也會給用電系統帶來各種各樣的危害，直接影響著人身安全和經濟效率，具體表現在：

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

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

（3）通過電磁感應和輻射，對通信信號的正常傳輸造成干擾。

2 ?電能質量事件的檢測方法

2.1 ?頻率偏差越限

電網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個頻率數值。統計10s內的完整波形個數，除以完整波形的時間，即為基波頻率。10s內，頻率可能不恰好是50Hz，周期可能不是整數。比如10s內完整周期個數為499，時間為9.984s，則頻率為499÷9.984=49.98Hz。

根據《GB/T 15945-2008電能質量電力系統頻率偏差》的規定，頻率偏差的正常允許值范圍為±0.2Hz，即以50Hz標稱工作頻率為例，若電網頻率的測量值不在49.8Hz～50.2Hz范圍內，則視為一次頻率偏差越限事件。

2.2 ?電壓偏差越限

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

根據《GB/T 12325-2008電能質量供電電壓偏差》的規定，在35kV及以上系統中，正負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三相供電系統為例，若電壓正偏差或負偏差超過7%，則視為一次電壓偏差越限事件。

2.3 ?諧波畸變

電力系統中的諧波是指電壓或電流的頻率是系統基頻倍數的分量。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%，則標示為“250Hz”的第5次諧波子組的幅值，還應該包括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行計算，將計算結果與標準規定的限值比較，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中，A、B、C三相應該有幅值相同、相位各相差120°的電壓。但在實際的三相系統中，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。三相系統可以分解為正序、負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°。負序分量相對正序分量的百分比為負序不平衡度，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電能質量三相電壓不平衡度》的規定，電網正常運行時，負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決定。閃變嚴重度的評估采用“燈-眼-腦”模型，對經過預處理的電壓數據進行平方運算、加權凌波和平滑計算，模擬燈光的閃爍效果、人眼的頻率選擇和人腦的視覺反應，最后對瞬時閃變值統計分析，得出閃變嚴重度評估結果。

按照《GB/T 12326-2008電能質量電壓波動和閃變》的規定，在大于110kV的系統中，長時間閃變的限值為0.8，其余為1。以35kV系統為例，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態電壓之間，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包括穩態的穩定性，穩態的最小持續時間，兩個穩態之間的最小電壓差和兩個穩態之間的最小變化速度。

電壓快速變動事件的檢測從穩態的捕捉開始，穩態的判斷要基于穩態容差和最小穩態時間的設定。捕捉到兩個相鄰的穩態后，對其間的電壓變動過程進行分析。若變動過程中的電壓差和變化速度均大于設定的閾值，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態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，都是電網系統最常見和最重要事件的其中一部分，對電網系統的正常穩定運行有重要的影響。電壓暫升、暫降、中斷的基礎測量、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，即深度（或剩余電壓）和持續時間。

出現較為嚴重的暫升、暫降或中斷事件后，電網電壓通常會在觸發值附近發生變化。遲滯設置可以避免將這種在電壓恢復過程中的緩慢變化紀錄為另一個事件。需要注意的是，多相系統中，電壓暫升暫降和中斷事件需要同時對各相的Urms（1/2）進行評估，比如三相系統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測量的RMS電流（Ihalf_cycle_rms）。當Ihalf_cycle_rms高達預設的沖擊電流閾值時，沖擊電流事件開始;當Ihalf_cycle_rms低至沖擊電流閾值減去用戶設定的遲滯值后，事件結束。每一個半周期間隔應該連續、無重疊。閾值設置通常大于標稱電流的120%。

沖擊電流事件可以進一步由三個參數描述，沖擊電流開始至結束的時間、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 ?電能質量問題的發展

在現代社會中，電力是影響國民經濟發展的重要基礎產業之一。隨著科學技術的發展，各種復雜精密的用電設備不斷普及，對電力系統可靠性的要求也更高。與此同時，生產環境中大型電子裝置的啟動停止、電力用戶對非線性負載的廣泛使用等各種因素造成電力系統中異常事件日益增多。這兩方面的矛盾越來越突出，對人類正常生產和生活造成的危害和損失也越來越大。

在我國，經過一段經濟快速增長的時期后，人們不再一味地追求發展的速度，而是越來越關注發展的質量。在電力系統領域，人們會更加關注電力系統的可靠性和穩定性。提高電能質量，減少電網中的異常事件，已成為我國發展過程中迫切需要解決的重要課題。

4 ?結 ?論

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

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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、電能質量;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、電能質量。