电力系统电能质量评估体系架构

陶 顺 肖湘宁

（华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室 北京 102206）

1 引言

电能质量评估是基于对系统电气运行参数的实际测量或通过建模仿真获得基本数据后，对电能质量各项特性指标做出评价和对其是否满足规范要求进行考查与推断的过程。一般包括选择标准规定或供用电双方商定的指标、收集电能质量数据、选择评估基准以及确定目标水平或等级等基本步骤。对电力系统电能质量的评估，实质上是对电力系统运行水平和电力供应能力的综合评价，是约束、督促电力公司与电力用户共同维护公共电网电能质量环境的基础，同时也是实施质量治理与控制的依据、检验治理与控制效果的工具。因此，电能质量评估是电能质量研究中不可缺少的重要组成部分。

电能质量现象类别较多，不仅评估的指标内容很多，而且根据不同的应用环境和条件，形成了多类型的评估方式。可以将现有的电能质量研究文献和标准采用的各种评估方式归纳起来[1-9]，如图1分类所示。由图可见，电能质量评估非常复杂，且现有文献一般并没有给出评估方式的完整定义，更没有分析它们相互之间的内在联系。本文将系统化的定义和分析这些评估方式，并在此基础上，研究并建立一个多视觉的电能质量评估体系架构，以阐明各种评估方式之间的关系，以便较灵活地研究或完善各类电能质量评估模型，来考核多参量的电能质量特性和拓展电力扰动监测评估的多类应用。

图1 电能质量各种评估方式归类Fig.1 Classification of power quality assessment modes

2 评估方式的定义

2.1 单项评估和综合评估

按电能质量所包含的具体指标内容进行评估是最常见的和普遍采用的方法，它可分为以下两种：

（1）单项评估。针对某一个电能质量问题或对其某个特征进行量化而得到考核值的过程。结果的表现形式就是该项电能质量的单项指标，评估结果就是指标值。例如三次谐波电压含有率HRU3为4%。

（2）综合评估。电能质量综合评估就是在分析单项指标的基础上，把部分或全部电能质量问题以及某项电能质量的多个特征量按属性合成一个有机的整体，进而得到其考核值的过程，结果的表现形式可以是电能质量的综合指标或综合等级。根据评估所包括的内容可以分为单项电能质量多参数综合评估（如电压谐波总畸变率 THDu）和多项电能质量综合评估[3-7]。

2.2 指标量化评估和等级评估

为了满足不同应用环境的需要，按评估结果形式可以分为指标量化评估和等级评估。

量化评估是将各规定的电能质量指标数值化的计算，得到的评估结果是一具体数值。它可以直接与标准规定的或合同规定的限值水平相比较。例如，通过监测计算得到的某低压（380V/220V）配电系统公共连接点处的 THDu为 9.22%，而国标中对应限值是 5%，经直接比较就很容易得出该公共连接点的谐波电压严重超标的结论。指标量化评估能够直接反映电能质量问题的严重性，且便于专业工作人员将其结果作为电能质量目标控制和改善电力设计的参量，由此可以作为评估的主要方式之一。

另一方面，用户电力设备的类型、型号及其电气参数决定了其产生电力扰动的程度或对电能质量的敏感程度，也就决定了其对接入系统节点处的电源质量的要求等级。在开放市场条件下，也需要实现电能质量等级“按需择货，按质定价”。因此，除了量化评估之外，还需要面向市场不同电能质量需求层次建立质量等级评估。等级化的质量表现形式也便于企业工程人员得到质量水平的直观感受。

电能质量等级评估首先需要针对各个评估指标划分一致公认的等级域，例如，德国以 DIN VDE标准形式定义了闪变严重度指标的3个等级域，如图2所示；IEC61000-2-4：2002标准定义了连续型电能质量指标的 3等级划分[8]。然后，在指标量化评估的基础上，将实际评估水平对照已划分的等级域来得到评价等级。

图2 DIN VDE标准中闪变Ast和Alt等级域划分Fig.2 Grade areas of Ast and Alt in DIN VDE

文献[3-7]也给出了各自的等级域划分方法。需要明确的是，如何科学合理地划分等级域的界限是个困难而复杂的问题，还有待深入研究。

2.3 监测点评估和系统评估

按电能质量评估的空间层次，可以分为监测点评估和系统评估。

2.3.1 监测点评估

监测点评估是基于某监测点电能质量基本特征量的检测与分析，计算出该监测点实际质量水平。监测点指标是在一个特定监测周期内对该监测点测量仪器记录的数据进行电能质量特征化分析及统计而产生的，用以表征该监测点电能质量特性的指标，并作为下一步系统指标计算的依据。典型的时间周期主要是日、周、月（季）、年等。电能质量监测点往往是选择公共连接点 PCC处或用户与电力公司协商的指定节点，也可能是系统内部质量监控的节点。监测点评估结果精确反映了由PCC处供电的各电力用户的实际电能质量水平，可为执行供电合同的质量条款提供依据，同时也可为监测点之间的质量对比和用户选择接入点提供基本评价数据。

2.3.2 系统评估

从经济性考虑，电力公司不可能在每个节点都安装电能质量监测装置，但要反映系统的电压质量水平，只有一个监测点又是不够的。这就需要在已选择的典型的各监测点评估基础上，进行系统评估，即对某供电系统各监测点采集和计算的数据，经过再统计或再处理，得到对整个系统性能评估的结果。系统评估虽然不能精确描述提供给每个独立用户的供电质量，但作为参考水平，便于与不同系统或系统内不同区域的质量水平比较，也为用户选择接入系统内的具体区域提供依据。

系统评估的表现形式与监测点指标基本相同，其值可以是各监测点指标的平均值，也可以是各监测点指标的概率大值，如95%概率大值（CP95）等。考虑到没有被监测到的站点情况时，一般采用对统计值进行加权处理，如按每个监测点供电的用户数赋权、按监测点的平均负荷或用户额定容量赋权等。

2.4 兼容评估和规划评估

国际电工委员会IEC在电磁兼容标准中为一些电能质量问题提出了限值要求——兼容水平和规划水平。兼容水平是用来协调组成供电网络的设备或由供电网络供电的设备干扰发射和抗扰度的参考值，以保证整个系统的电磁兼容性。规划水平是在规划时评估所有用户负荷对供电系统的影响所采用的，一般作为供电公司内部的质量目标。

2.4.1 兼容评估

为了把实际电能质量水平与兼容水平相比较而设定的衡量参数就是兼容指标（或特征指标）。对电压质量来说，兼容指标主要反映公共电网中电力用户和电力系统的电磁兼容环境，是量化和报告公共电网电压整体质量水平的指标。若在限值以内，能保证用户设备以较高概率（95%）维持在正常运行状态。因此，EN50160：1999等一些标准直接将其称为公共电网电压特征。量化兼容指标的过程就是兼容指标评估，它是面向电力公司与电力用户之间的兼容性评价，也是电能质量评估的主要内容。

2.4.2 规划指标

为了比较实际质量水平与规划水平而设定的衡量参数就是规划指标。以谐波电压为例，IEC61000-3-6：1996就规定了不止一个规划指标来衡量谐波影响，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。

基于电能质量实际运行状况规划评估得到的这些极值或较高概率值（如CP99等[9]）不仅可用于比较系统内部控制目标以保证实际运行时的可靠充裕度，而且可以作为特殊负荷接入系统评估的背景值。

3 定制评估和公众评估

在对用户与系统之间作兼容评估（特征限值评估）时，不同的电力用户会根据自身用电设备对电能质量的敏感性或发射水平，提出个性化的质量需求。为了评估电力用户的不同质量需求，本文首次提出两个评估定义，即定制评估和公众评估。

定制评估是在兼容评估基础上，只针对敏感用户关心的电能质量问题，按需要的结果表现形式进行评估的过程。它是衡量供电部门向敏感用户提供的电力能否达到用户所需的可靠性指标和质量水平的工具，可以有效地监督和促进定制电力合同的执行。电能质量定制评估和定制电力供给一样，一般只是对生产有特殊要求的用户和少数大用户而言的。这些特殊用户或大用户，往往是生产效率比较高，对国民经济贡献比较大，或者是和人民生活息息相关的产业或部门，电能质量问题对他们造成的经济损失和社会影响不容忽视。因此，定制电力供给和定制电力评估在电能质量研究中都是非常重要的。根据用户关心的电能质量内容，定制评估可以是单项评估，也可以是综合评估，但更多的是多项电能质量的综合评估；其限值可能是协议合同值，也可能是公共标准等。

相对于定制评估，公共评估是对电能质量无特别要求的电力用户，一般是对公众用户（包括居民用户等）而言的，是全面评估国家标准已规定的各项电能质量指标的执行情况，是一种典型的全面的综合评估。公众评估反映了消耗电能的普遍质量水平，是衡量电力部门优质服务水平和质量管理水平的重要指标。

据文献[10]公布的对大工业用户电力供应的一个社会调查结果显示，有87%电力用户关注电能质量，他们是愿意以更高的电价来得到定制电力服务的。图3分析了用户对电能质量的多种需求，以及供电公司面向用户选择的对策。由此可见，电能质量的多层次供给与供电质量合同按质论价已势在必行。对有特殊要求的定制电力供给，供用电双方都需要对电能质量进行定制评估，给出并执行限值约束。对面向大众用户的公用电网，供用双方需要对电能质量做出全面的、公开的公众评估，以促进电力公司全面提高优质服务水平。

图3 定制评估和公众评估的必要性Fig.3 Necessity of custom assessment and public assessment of PQ

4 电能质量评估体系架构

4.1 各评估方式之间的关系分析

经分析以上按类给出的电能质量各种评估目的和内容，可以得到各种评估形式之间的相互关系如下：

（1）按指标内容、空间层次和结果形式的各分类内部之间都是纵向的上下关系。例如，单项评估是综合评估的基础，指标量化评估是等级评估的基础，监测点评估是系统评估的基础。

（2）按指标内容、空间层次和结果形式的各分类外部之间的联系是横向的、两两交融的。例如，不论是单项评估，还是综合评估，结果的表现形式既可以是量化的，又可以是分级的；监测点评估或系统评估包含的内容可能是单项的，也可能是多项或全面电能质量综合评估。

（3）按应用服务分类的兼容评估和规划评估、按面向用户分类的定制评估和公众评估的内部之间是横向的平行关系。它们可以是按指标内容、空间层次和结果形式分类的任何一种方式。

（4）按面向用户分类的反映不同电力用户和电力公司之间兼容程度的定制评估和公众评估一般是在兼容评估范围内的。

现场实际检测并收集的电能质量基础数据，经不同指标内容、空间层次和结果形式的纵向计算后，评估的结果最终需要映射到实际应用上，才能达到评估的目的。这就是平行的不同应用或服务的横向评估，即作为反映电力公司和电力用户之间限值要求的兼容评估（含定制评估和公众评估）以及作为电力系统内部控制目标限制和特殊负荷接入系统评估背景值的规划评估，或其他开发的应用评估等。

4.2 评估体系架构

基于以上各种评估方式的定义和对它们之间相互关系的分析，可以从纯数据处理技术角度和应用服务角度来观察电能质量评估的全过程，如图4所示，进而可构建成一个电能质量评估体系构架，如图5所示。

图4 电能质量评估体系的不同视觉Fig.4 The PQES from different views

图5 电能质量评估体系架构的分层Fig.5 The layers of PQASI

该评估体系架构按两个视角分为两个层次，即专业技术层和应用服务层。专业技术层是应用服务层的基础与支撑，应用服务层是专业技术层评估结果的影像。图5中，专业技术层是从横向上对电能质量按空间层次、指标内容和结果形式的不同评估，双向箭头表明它们之间在数据信息上的相互联系；纵向箭头形成了一个自下而上的评估流程。应用服务层是面向电力用户和电力公司，选择不同应用条件的限值基准，提供电能质量评估应用与服务的处理单元，主要内容包括兼容评估（特征评估）和规划评估，以及诸如电气设备使用寿命预测和运行或可传输容量确定等其他应用服务开发，其核心部分是对大用户和少数重要用户的定制评估和对大部分用户的公众评估。

评估架构还包含两个市场主体即电力公司和电力用户以及一个电力监管的中间机构。评估体系只在应用服务层才与供用电双方发生联系，也就是说，在向应用服务层提交电力公司或电力用户关心的电能质量问题和应用要求后，专业技术层可以根据应用服务层的需求形式，先计算和处理基础监测数据，再将结果映射到应用服务层上，于是得到相对应的应用评估结果。例如专业技术层监测点评估得到的THDu的周10min方均根值的CP95值，就可直接映射到应用服务层作为兼容指标，与相应限值进行比较。

建立的电能质量评估体系架构包含了各种评估方式，规定了内部各层各分区的职能和输出形式，显示了体系内部之间的关系以及内部与外部之间的联系与接口界面。

5 结论

本文在归纳和分析电能质量单项评估和综合评估、量化评估和等级评估、监测点评估和系统评估、兼容评估和规划评估、定制评估和公众评估的相互关系基础上，构造了基于专业技术层和应用服务层的不同视觉的分层电能质量评估体系架构。体系架构显示了体系内部之间关系以及内部与外部之间的联系，规定了内部各层各分区的职能和输出形式。在电能质量评估体系架构下，可以较灵活地建立或完善各种电能质量评估模型，以实现电能质量的全面考量，并开发电力扰动监测与评估的多类应用。

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