电能质量在线监测的主要参数

郭锐强　魏子贺　刘鑫

[摘要]对波动、电压偏差、闪变、暂降和频率偏差、谐波以及三相系统的不平衡度等电力系统中有关电能质量的参数的概念、计算方法、测量方法及产生的原因和造成影响的后果进行了阐述。

[关键词]电能质量 在线监测

社会发展到今天，电力无所不能。但由于电网中日益增多的非线性、波动性和冲击性负荷，导致了电能质量问题成为人们时下广泛关注的焦点话题之一，受到了供用电双方的极为重视。为保证电网的安全稳定运行，很有必要对电能质量进行实时监测。

图1所示为电力系统在理想状态下按额定频率和额定电压的正弦波形进行供电的波形图和向量图。其三相电压和电流的幅值均相等，相位差互差120度。

图1 理想对称三相系统的电压波形图和向量图

但在现实中，由于各种各样的原因，这样理想的供电系统实际上是不可能存在的。从对理想的三相交流电力系统的分析可以得知，对电能质量的标准可以从以下的因素进行分析研究。

（1）对三相交流电来讲， Ua，Ub，Uc是否达到基本平衡；（2）

，频率偏差与其动态属性；（3）电压是否存在偏差以及偏差的大小，是否发生了波动与闪变等；（4）电压和电流的波形是否发生突变。

现如今，国家已经颁布了《供电电压允许偏差》、《暂时过电压和瞬态过电压》、《频率允许偏差》、《公共电网谐波》等以及有关电压的波动、闪变、间断、三相不平衡等方面的电能质量的相关标准。本论文就是遵循以上的电能质量的相关标准对电能质量在线监测装置进行了研究设计。

1.电压允许偏差。在正常运行的电力系统中，某一处的供电电压的实际值与系统标称电压的差值对系统标称电压的百分比称为该处的电压偏差，其数学表达式如下：

其中，电压的实际值在电能质量监测装置中可由

得到。

2.频率偏差。所谓频率是指电力系统中的正弦交流电在1s内交变的次数，单位是赫兹。所谓频率偏差是指在正常运行条件下，电力系统频率的实际值与标称值（也称额定值）之差，它的数学表达式是：。在我们国家，电力系统的额定频率是50HZ，而国外采用的是60HZ频率。我国对频率偏差的规定是，其偏差允许值范围为-0.2HZ～+0.2HZ，对于容量较小的系统，其允许值范围可以扩大到-0.5HZ～+0.5HZ。频率偏差产生的根本原因是电力系统中存在不平衡的有功功率。

3.高次谐波。所谓高次谐波，是指频率为基波频率整数倍的波形。在供电系统中，产生电压谐波的根本原因是具有非线性特性的某些元件和负荷的存在，例如电力系统中的波形突变就是电压与电流因为不成线性关系而导致的。理想情况下电路中的波形是一个很标准的正弦波形，但是当谐波出现时，正弦波形会产生明显的失真。

干扰源能够产生高次谐波，有三种方式对电源及邻近设备产生谐波污染，即传导、电磁辐射和感应耦合。所谓传导就是高次谐波根据阻抗大小不同分流到电源和负载上。而电磁辐射是指干扰源产生的高次谐波能够产生辐射作用，对周围的无线电等电子设备产生污染。而感应耦合则是在传导中，相互平行敷设的导线形成电磁耦合而产生的感应干扰。

4.电力系统的三相不平衡度。所谓三相平衡系统是指三相交流电力系统中的三相交流电都具有相同的频率和幅值，且在相位上三相按顺序互差120度的角度。但是在实际的电力系统中由于有各种各样的原因存在，实际电力系统不能达到理想中的平衡。三相不平衡是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。在电力系统中，由于三相不平衡的存在，会使系统或用户受到一系列的影响，具体有如下五个方面的影响。

5.电压暂降。电压暂降（也称电压骤降或称电压跌落，还有的称为电压凹陷），是指在50HZ频率条件下电压均方根值迅速减小到额定电压的0.1～0.9倍之间、其持续时间约为10毫秒至1分钟的短时间的电压变动现象。标称电压暂降的三个最重要的特征量，第一个是电压暂降的幅值，第二个是电压暂降的持续时间，第三个是电压暂降的相位跳变。产生的原因一般是由电网、变电设施的故障或负荷突然出现大的变化（如大功率设备启动时）所引起的。在某些情况下会出现两次或更多次连续的跌落或中断。

6.电压的波动与闪变。电网中的一系列的电压均方根值的连续变化或相对快速变动称为电力系统的电压波动。电压波动值是电压均方根值的两个极限值Umax和Umin之差ΔU，通常用与其标称电压UN的百分值来表示。

在对谐波进行测量，以及对电压偏差和三相不平衡度等电能质量参数的计算过程中， FFT（Fast Fourier Transformation即快速傅里叶变换）算法有着，所以选用FFT算法作为三相电能质量参数的测量方法。在频率检测方法上，傅里叶变换算法虽然抗干扰性好，但采用的是迭代法来求解方程，不好确定运算时间，因此频率检测采用过零点检测法。用平方检测法来测量电压的波动与闪变。