电能质量分析及其测量系统的研究

陈兵

摘 要：随着社会经济的发展，电能质量成为了影响电力企业发展的重要因素之一。电能质量与电能测量技术密切相关。简要介绍了电能质量的分析方法及其测试系统，指明了新技术的应用范围和发展方向，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：电能质量；电能测量技术；测试系统；电力系统

中图分类号：TM711.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.064

在经济不断发展的大趋势下，社会各界对电力的需求量日渐增加，电力系统也在原有的规模上不断扩大，整流型、带有冲击性的非线性负荷也逐渐增多。非线性负荷的存在会导致电网畸变、波动，甚至出现闪边的情况，进而引发三相不平衡的电能质量问题。鉴于此，我国相关部门加大了对电能质量和用电设备运行稳定性的研究力度。目前，电能质量已经成为了备受关注的热点话题之一。因为电能质量引发的电网事故和人员纠纷案件屡见不鲜，所以，电能质量管理和电力治理工作越来越重要。随着时间的推移，人们已经认识到了电网谐波和三相不平衡问题的严重性。因此，相关部门在电能质量标准中增设了部分电力功能、电压波动和闪变等方面的内容。

1 电能质量分析

在企业运行的过程中，电能质量是非常重要的，它在电力系统中占有举足轻重的位置，已经受到了人们的高度关注。因此，如何保证电能质量参数的稳定性，提高电能质量，并作出合理的评价，已经成为了电能质量检测中的重要内容之一。现阶段，我国针对电能质量中存在的问题制定了多项解决措施，以期进一步推动社会的发展。

1.1 电能质量的分析方式

1.1.1 时域仿真方式

在电能质量分析中，时域仿真方式已经被广泛应用。它主要是通过时域仿真程序探究影响电能质量的多个因素。在电能质量分析中，不仅可以使用有通用性的EMTP系统、EMTDC系统、BPA系统和NETOMAC等仿真程序，还可以使用SPICE、MATLAB和SABER等电力电子仿真程序。随着科技的发展，仿真程序也在不断更新换代，其功能性在实践过程中不断加强，而且在电力设备、电力系统谐波分析和元件建模等工作中也可以应用这种技术。

1.1.2 频域分析方式

频域分析方式是分析谐波问题时比较常见的方法，包括频率扫描和谐波潮流的计算等。谐波是指电力系统中的电压或电流讯号，除了基频（50/60 Hz）外之交流、周期性成分，其他的皆被称为谐波。频谱分析的作用是利用仪器和软件分解谐波的组成成分，明确各次谐波的频率，以便于后期分析。结合非线性负载动态的特征，随着科学技术的不断发展，混合谐波潮流计算方式应运而生。也就是说，在原有计算基础的前提下，可以利用EMTP等技术仿真计算非线性负载。这样，不仅能够求出各次谐波动态的电流矢量，还能够求得动态的谐波潮流解。

1.2 变换方式

在分析电能质量时，应用的变换方式主要包括Fourier变换方式、短时Fourier变换方式和小波变换方式。作为信号分析的经典方式，Fourier变换方式有显著的优势，所以，它被广泛应用。但是，要想应用FFT变换方式，就要具备2个使用条件：①与采样定理的要求相吻合，即采样频率是最高信号频率的2倍；②被分析波形的变化状态要稳定，能够随着时间的变化而变化。因此，在采样频率或者信号不能满足上述条件时，运用FFT变换方式分析电能质量可能会出现不良的轻量，导致数据分析不准确，存在不必要的误差。另外，FFT变换方式针对的是整个时间段的积分，可能无法充分利用时间信息，信号一旦发生突变，频谱就会散布在整个频带上。

为了减少电能质量对数据存储空间的扰动，减小对传输数据量的影响，进一步提高电能质量监测和分析系统的实时性，在深入研究提升小波变换基本理论的基础上，提出了一种基于提升小波变换的电能质量扰动数据压缩方法，具体步骤是：①多尺度分解提升小波变换扰动电能质量的信号。②根据相应的施加阈值策略，阈值量化和编码处理每个尺度上的高频系数，并保存与扰动相关的系数值，抛弃其他与扰动无关的系数值，有效压缩电能质量扰动数据。③要想提升小波逆变换，就要用压缩后的数据重构原始电能质量扰动信号。在阈值量化和编码时，各尺度要采用不同的软阈值，而阈值估计可用极大、极小阈值计算。

2 电能测试系统分析

2.1 模拟电路测量系统

电路测量系统作为我国电能质量测量装置的早期工具之一，工作人员在其基础上继续展开研究，研制出了类似谐波测量仪器的设备。在实际的模拟电路中，临接式带通滤波器和单节滤波器型谐波分析仪较为常用。在设计仪器时，带通滤波器的中心频率与谐波频率的数值相等。利用这种设置，当滤波器组遇到周期信号时，每种频率的谐波信号只能从同频带和有所对应的滤波器内通过，而滤波器的输出幅值检波后的记录是时间函数。这种谐波分析仪的优势是应用分析的时间相对较短，缺点是结构较为复杂，并且成本较高。要想有效提高其分辨率，就要使用更多的精密滤波器和检波器。单节滤波器型谐波分析仪仅需要使用一个窄带滤波器。另外，高频振荡器输出一个频率可调的正弦电压信号和被测信号会被一起输入调制器，并在调制器内部混频。

2.2 基于MCU和DSP的采样测试系统

DSP是指高速数字信号处理技术，它是专门完成实时数字信息处理的。而基于MCU和DSP的采样测试系统是建立在数字信号处理理论基础上的，它是一种专用的综合性微处理器，专门处理以运算为主的信号。该系统的应用原理如图1所示。

基于MCU和DSP的采样测试系统利用数字信号处理技术很好地解决了谐波测量工作中存在的问题，对于软件中的不合理之处，利用它也可以适当地修改。该系统还能够完成多种指标的测量，例如电压，频率，电压、电流的有效值，电压的缺口和深度等，为实际测量工作奠定了坚实的基础。但是，在实际工作中，该系统不仅要完成采样、打印等工作，还要统计、核算相关数据。如果它只使用单个处理器，那么，完成任务是有一定难度的。因此，为了提高工作效率，现在的电力测量系统一般会配置2个或2个以上的处理器。

2.3 分布式采样系统

近年来，我国电能测量系统在不断发展，现在普遍使用统计型电压表检测电压质量，但是，部分电压检测设备还存在一些不足——只能检测电压的合格率，并没有建立相对完备的体系为其提供指导。谐波测量仪和电压波测量仪等能够有效控制各级母线电压和主变压器的谐波电流，实时测量大、中型非线性负荷用户和电厂的数据，然后再将其汇总。这样，分析人员就可以合理地分析、评估和预判电能质量。针对当前的发展情况，建立并完善电能质量在线监测网和科学、规范的管理平台是非常重要的，它的存在可以尽早将问题暴露出来，相关工作人员也可以及时制订解决措施，保证电网的运行安全。因此，建立分布式的电能质量测量系统是这项工作今后发展的主要方向。

3 结束语

在市场经济中，考虑到企业的长远发展，提高电能质量是很有必要的。电能质量在保证电力系统运行的安全性和稳定性方面发挥着重要的作用，而且它还是我国电网发展水平的重要标志。另外，提高电能质量能够增加我国的国民收入，提高用电效率，减少环境污染，促进我国经济的可持续发展，也为相关工作的长远发展提供了可能。相信通过电力企业工作人员的集体努力，电能质量会不断提高，网络化测试系统则是其未来发展的主要方向。

参考文献

[1]赵凤展，杨仁刚.时频分析方法在电能质量扰动检测与识别中的应用[J].华北电力大学学报（自然科学版），2006，33（5）：33-37.

[2]耿云玲，王群，何怡刚.电能质量小波检测与定位及基于多尺度能量曲线分类[J].仪器仪表学报，2006，27（2）：180-183.

〔编辑：白洁〕