基于某低压工业用户的电能质量分析

杨彩东 胡凡君 李自文

摘要：随着现代社会的发展，加之电力设备和用电设备的敏感性不断增加，越来越多的低压用户开始关注电能质量问题。在实际应用中，电能质量检测主要是基于系统侧来考虑的。本文以广州市某低压工业用户的监测数据为核心，分析该用户的电压质量，包括电压偏移、电压谐波畸变率和三相电压不平衡度。然后将这些指标与国家标准对比，评价用电质量并对超标项提出整治措施。

Abstract： With the development of modern society and the increasing sensitivity of power equipment and electrical equipment， more and more low-voltage users have begun to pay attention to power quality problems. In practical applications， power quality inspection is mainly based on the system side. This paper takes the monitoring data of a low-voltage industrial user in Guangzhou as the core， and analyzes the user's voltage quality， including voltage offset， voltage harmonic distortion rate and three-phase voltage unbalance degree. Then compare these indicators with national standards， evaluate the quality of electricity and put forward remediation measures for exceeding the standard.

關键词：电能质量；电压偏移；谐波；不平衡度；低压用

Key words： power quality；voltage offset；harmonics；unbalance；low voltage users

中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）26-0155-03

0 引言

电能质量不仅关系到电网企业的安全经济运行，也影响到用户的安全运行和产品质量[1]。几年前，电能质量这一概念还只是变电站和电弧炉工程师们所关心的问题。而近年来，由于大量电力电子设备的使用以及高精密仪器的广泛应用，电能质量问题已经引起了人们的普遍关注。IEEE技术协调委员会给出的“power quality”的技术定义为：“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统适合该设备正常工作” [2]。电能质量问题主要包括：电网频率、电压偏差、三相电压不平衡、公网谐波、公网间谐波、电压波动和闪变、电压暂降与短时中断等。

1 电压质量对低压配电网用户的影响

电能质量的主要指标是电压、频率和波形。在这三种指标中，用户关注最多的是电压指标。本文基于广州某大型工业用户一天内的监测数据评价该用户所用电能的电压质量，并着重分析电压谐波与电压不平衡度的影响。

1.1 电压谐波

谐波被定义为与系统频率相关的量，其频率为季波频率的整数倍，该倍数称为谐波次数n[3]。

电力系统中总是有谐波存在的。尤其是近几年大量电力电子设备的投入运行，导致电力系统中谐波的含量不断增加，谐波已经成为威胁电能质量的一个重要隐患。

电力系统中，谐波源主要有三大类[3]：磁芯设备；电弧炉、弧焊机、高压放电管等；电子设备和电力电子设备。

1.2电压不平衡

三相系统中电压不平衡定义为：三相电压幅值大小不相等并且/或者相互间位移夹角不为120°[3]。

电力系统中不平衡运行状态主要是由负荷的不平衡运行造成的。不同的单相设备接到不同相配电线上，由于三相负载不对称，会导致系统不平衡运行。三相电弧炉由于弧阻抗的变动也会造成不平衡运行。而且，由于电弧炉属于大功率用电设备，其不对称运行会引起供电系统中明显的电压不平衡。另外，架空输电线由于各相导线之间和对地之间位置并不是一成不变的。因此导线参数不同，每一相的电压降落也不同。

2 基于低压用户侧的电压质量技术分析

以广州某大型工业用户为例，其相关的电能质量数据通过电能质量终端设备采集，整理并上传至服务器。从服务器中截取2017年3月20日（星期一）一整天的A相电压有效值并绘制成图1。

一般来说，负荷的增加会使无功需求增加，电压降低。整体上看，上午8时到下午17时，A相电压有效值低于220V，而其余时间，电压有效值高于220V。电压较低的时段正好是工作时段。这说明，采集的数据能够较好的反应该用户实际用电情况，具有一定真实性和代表性。

2.1电压偏移

各种用电设备都有其额定电压。在额定电压下运行往往能取得最佳效果。若某节点实际电压为U，额定电压为UN，则电压偏移表示为：

从所得数据中筛选出最恶劣的两个点，即最大正偏移电压为231.162V，最大负偏移电压为210.645V。通过计算得出二者的偏差分别为5.07%和-4.25%，均在规定的允许电压偏移内。

同理，B相的最大正、负偏移分别为：7%和-2.58%。C相最大正、负偏移分别为：8.93%和-0.71%。B相达到了临界最大正偏移，C相最大正偏移超过了允许值，虽然电压超过允许偏移的时间不长，但是仍然会影响设备的正常工作，还可能会对设备的绝缘和寿命带来挑战。总体来说，B相和C相的电压偏移都不理想，为了保证电能质量，应该考虑采取一定措施减小电压偏移。

2.2 电压谐波分析

电能质量采集终端使用的主要分析工具是快速傅里叶变换（FFT）。FFT是建立在傅里叶变换的基础之上，能过够使计算时间缩短的特殊算法。电压谐波水平直接影响着电压波形是否为标准正弦。基波分量越大，越接近标准正弦。因此，电压畸变率也是衡量电能质量的一个重要指标。

所有谐波分量之和（直到特定的次數）的均方根值与基波分量均方根值的比值称为总谐波畸变率[3]。计算公式为：（2）

其中Un表示n次谐波均方根值，U1表示基波均方根值。一般而言，谐波次数的上限是50次。如果高次谐波谐振的危害较小，则上限可以相应降低到25次[3]。

考虑到电压有效值U为：

采用（5）式计算电压畸变率不仅要比直接用（3）式快得多，理论上还要比（3）式更精确。

终端设备采集数据并进行FFT，提取出A相基频分量有效值和A相电压畸变率分别如图2和图3所示。

在国家技术标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）中，规定低压电网的电压总谐波的畸变率为5%。从图3中数据可以得到电压总谐波畸变率已经超过了14.52%，B相和C相电压畸变率也分别高达14.12%和14.11，这说明该用户的电压谐波的质量比较恶劣，需要进行整改。

2.3电压不平衡度分析

理论上，同步电机发出的电是三相对称的。但是实际上电力系统中的节点大多是不对称的。造成这种不对称的原因只要是不平衡的负荷，尤其是中低压电网中的单相负荷。三相不平衡的分析方法一般采用对称分量法。即

其中U1 （1）分别是正序基波电压、负序基波电压和零序基波电压。

图4是终端测量并计算出来的该工业用户低压侧负序电压不平衡度。国家标准规定电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值2%短时不得超过4%。接于公共接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。因此，该用户三相不平衡度是满足国家标准的。

3 解决措施

通过上文的分析，可以看到该用户三相不平衡度很低，基本上可以认为三相是对称的。但是电压偏移和电压畸变率均达不到电能质量的国家标准。这两个方面应该引起足够的重视，采取措施将其控制在合理的范围内。

对于电压偏移来说，主要应该考虑能否从工厂内部出发，制定调压措施，重点是在轻载阶段，适度调压，将电压水平降至国家标准之内，重载时段，电压偏移在能够接受的范围内，可以维持当前的调压策略。

改善电压谐波畸变率的措施主要是滤波器的选择。有源滤波器随着滤波要求的升高，成本方面没有什么明显变化，因此可以考虑用有源滤波器进行滤波。有源滤波器的容量选择依据电能质量采集终端的谐波数据来确定，同时要求滤波器能很好的滤掉幅值较高的谐波。

4 结语

本文介绍了电能质量采集终端一些数据的快速算法，并基于广州某大型工业用户一天内的监测数据评价该用户所用电能的电压质量。分析表明该用户的电压正偏移越过国家标准上限，负偏差满足国家要求；电压畸变率严重超标；三相电压不平衡度满足要求。而后根据超标项给出了相关改善措施。

参考文献：

[1]BOLLEN M H J. What is power quality？[J]. Electric Power Systems Research， 2003， 66（1）： 5-14.

[2]林海雪.现代电能质量的基本问题[J].电网技术，2001，25（10）：5-12.

[3]Angelo Baggini.电能质量手册[M].北京： 中国电力出版社， 2010.