電力系統的電能質量分析與評估

黃大立

中能祥瑞電力工程有限公司，福建 福州 350028

0 引言

電力系統為社會生產、生活提供穩定的電力輸出。為了解電力系統的供電問題，需要對電力系統電能質量進行相應的評估工作，以制訂相應的調整方案，完成對電力系統供電的優化工作。為此，文章采用有效的方法對電力系統的電能質量進行分析和評估，充分分析了電力系統的運行狀況。

1 電力系統電能質量概述

電能質量代表電力系統中交流電的質量水平，電能的理想狀態頻率、電壓完整對稱的正弦波，三相交流系統三相之間的相位差都為120°。但是受材料、溫度、機械裝置運行、自然條件等因素的影響，理想的電能質量僅存在于理論分析，現實的電力系統會不斷受外界因素的干擾和沖擊，或者受不平衡負荷的干擾，以及非線性用電設備的使用，都可能導致電能質量出現嚴重的下降問題[1]。從整體上看，電能質量的主要研究內容如下：（1）電壓質量。電力系統的電壓波動情況。（2）電流質量。反映電力系統的電流變化。（3）供電質量。供電質量不僅包括電源可靠性、電力系統的電壓質量，還包括電價等電力系統應用問題的解決速度。（4）用電質量。用電質量主要相對用戶而言，指電力系統的電力穩定性。

2 電能質量指標計算

2.1 電壓偏差

電力系統的電壓受到外界干擾和系統內部波動時，可能會出現電壓波動問題，導致出現電壓偏差。電壓偏差需要檢測目前電壓U，電力系統標稱電壓Ue，再利用以下公式

2.2 電壓波動、閃變

電壓波動指電力系統的電壓出現極為快速的變化，需要測量變化中的電壓最大值Umax、電壓最小值Umin，則電壓波動變化率計算式為

如果計算得到的電壓波動變化率低于20.7%，則可以將電壓波動視為電壓偏差。

閃變是在沖擊性強或者大功率負荷沖擊電網時導致電網出現電壓波動，從而影響電網中其他電氣設備的正常運行。電壓10 kV以下的電力系統，閃變極限值為2.5；電壓為35～110 kV的電力系統閃變極限值為2.0；電壓超過220 kV的電力系統閃變極限值為1.6[2]。當波動負荷較大影響系統中的電氣設備時，一般使用短期閃變值Pst描述閃變情況，會利用在0.001 s、0.01 s、0.03 s、0.1 s、0.5 s以上的觀察值，計算公式如下：

2.3 電壓三相不平衡

理想狀態下，三相電壓等值，并且彼此之間有120°的相位角。如果電力系統中的一相或者兩相出現了故障，會出現事故性不平衡問題，必須迅速排除故障使系統恢復正常運行狀態。若三相電壓設計不合理，將可能出現負載不對稱的情況。利用對稱分量法可以將三相電壓分為負序電壓和正序電壓，再根據二者的比值即可計算不平衡度。若三相系統的不平衡問題比較嚴重，可能導致電極出現嚴重波動，繞子也會受到影響嚴重發熱；保護裝置也會發生嚴重的事故故障，影響電力系統的正常運行。

2.4 諧波問題

諧波是電力系統工頻整數倍的正弦波，由于大量非線性負荷電器的使用，使得諧波被大量注入電網，影響電網的穩定性。分析電網質量的諧波問題時，可以利用工頻電壓U1、均方根電壓Uk、諧波的最高次數N計算總諧波失真率：

諧波對電力系統穩定性的影響較大，因此一般會專門制訂標準限制諧波電流，有效降低諧波對系統的影響。

2.5 電壓暫降

電壓暫降又被稱為電壓驟降，電力系統中某個點的電壓值突然降低至額定電壓值的10%～90%，然后在30個波動周期內恢復至正常工作狀態，則該過程被稱為電壓暫降。在計算時，一般使用均方根法確定暫降電壓值：

如果電壓信號被數字化，則電壓信號的有效值為

電力系統中，電壓暫降是長期存在的問題，尤其在各種大負荷用電設備不斷發展的背景下，導致電壓暫降的問題開始逐漸增加，并且暫降幅度也開始增加，導致電力系統中的敏感設備難以穩定運行，難以保障工業用電的穩定性[3]。

2.6 電壓暫升

電壓暫升指電力系統的均方根電壓突然達到額定電壓值的1.1～1.8倍，經過1 min左右恢復至正常狀態。電力系統出現電壓暫升的主要原因是由于系統出現故障，比如線路接地出現短路故障、大負載設備停止工作等。電壓暫升的計算方法與電壓暫降相同。

2.7 頻率偏差

電力系統出現問題時，會出現頻率和電力系統標稱頻率嚴重不符的情況，影響電力系統中高敏感度設備的正常運行，從而影響電力系統的安全性。如果頻率偏差過大，可能造成負荷的發熱量嚴重增加，還可能導致系統出現損毀問題。電壓頻率的改變會導致電機轉速發生轉變，如果頻率下降，將可能導致電力系統的中電容器無法發揮補償作用，嚴重影響系統的平衡性，從而影響電力系統中的控制設備的準確性。頻率偏差的計算式為

2.8 電壓中斷

如果電壓低于額定電壓的10%，可以視為電壓中斷。電壓中斷的主要原因為供電系統故障、負荷故障等。一旦系統出現電壓中斷問題，將可能對電力設備產生比較嚴重的損害，比如電機減速、精密設備損壞等。系統電壓中斷后一般難以迅速恢復，可能導致產生嚴重的經濟損失。

3 電能質量評估方法

3.1 電能綜合評估法

（1）基于短板效應評估。短板效應是通過系統的短板情況確定系統狀態，優化系統時可以通過補強短板實現對電能質量的優化。對系統電能短板進行分析，可以完成對電力系統電能質量的評估工作，從而確定系統中存在的主要問題，更好地確定電力系統電能質量的優化方法。一般情況下，用電設備的各項指標都應低于極限值，才能有效避免其出現異常，如果用電設備的某些指標接近極限值甚至出現超出極限值的情況，將可能導致設備出現異常。使用短板效應進行評估時，可以將超出或者接近極限值的指標視為短板，并分析短板對設備造成的影響，完成電能質量的評估工作。

（2）綜合指標量化。該方法將電力系統電能質量量化為統一的綜合指標，完成對電能整體質量的準確判斷。使用綜合指標量化法時，先進行極限指標歸一化處理，分析各種指標對系統內用電設備的影響水平；再根據短板效應整合各項指標，實現對綜合性指標的單一量化，完成對電能質量偏離程度的分析。

綜合指標量化工作中，需要分析電力系統的諧波、電壓三相不平衡情況、電壓波動和閃變情況、電壓偏差、頻率偏差等指標，然后利用短板效應分析問題的嚴重程度，完成對電壓質量的評估。

3.2 遺傳投影尋蹤法

遺傳投影尋蹤法的核心思路在于將高維空間中的點向低維空間中映射，再利用低維空間中數據分布反映高維空間的數據特征，或者建立高維、低維空間數據輸入輸出關系和專門的評估系統模型。使用該方法進行電能質量綜合評估時，將多個指標整合到單一指標中可能存在表現不完整問題，而且能更好地完成對高維、低維空間數據的轉化。

首先，根據國網的指標要求完成等級劃分工作，然后隨機取值，確定高維、低維空間的投影指標。其次，利用投影指數確定一維空間中某個方向的投影值，使用投影值的標準差構建目標函數，利用遺傳算法確定目標函數最大值時的投影方向作為最佳投影方向。最后，利用投影方向確定最佳投影結構圖。

國網的要求的指標包括電壓偏差、電壓波動、頻率偏差、電壓不平衡、電壓閃爍和波紋、瞬態過電壓。在實際工作中，一般難以精確獲得暫態和瞬態過電壓情況，而且只會在特殊情況下對電力系統的閃變問題進行分析，因此不考慮這兩項指標。通過對不同電能等級的隨機值采集投影指標樣本，可知電能質量越差，則評估等級越高。為了迅速確定空間數據特征，需要保證投影值的標準差盡可能大，再進行目標函數和投影方向的優化，并根據最大值確定投影方向。同時，建立電能質量評估綜合模型，完成對電能質量的綜合評估工作。

4 結束語

電能質量管理工作需要以電能質量綜合評估為基礎，因此文章主要對電力系統的電能質量進行分析與評估。在評估前應該充分了解各項指標，確定指標數據的獲取方式、極限值等要求，再使用合理的辦法進行評估工作，分析電能質量問題對電力系統所造成的危害，最終形成合理的電能質量評估方法。