电力系统的电能质量分析与评估

黄大立

中能祥瑞电力工程有限公司，福建 福州 350028

0 引言

电力系统为社会生产、生活提供稳定的电力输出。为了解电力系统的供电问题，需要对电力系统电能质量进行相应的评估工作，以制订相应的调整方案，完成对电力系统供电的优化工作。为此，文章采用有效的方法对电力系统的电能质量进行分析和评估，充分分析了电力系统的运行状况。

1 电力系统电能质量概述

电能质量代表电力系统中交流电的质量水平，电能的理想状态频率、电压完整对称的正弦波，三相交流系统三相之间的相位差都为120°。但是受材料、温度、机械装置运行、自然条件等因素的影响，理想的电能质量仅存在于理论分析，现实的电力系统会不断受外界因素的干扰和冲击，或者受不平衡负荷的干扰，以及非线性用电设备的使用，都可能导致电能质量出现严重的下降问题[1]。从整体上看，电能质量的主要研究内容如下：（1）电压质量。电力系统的电压波动情况。（2）电流质量。反映电力系统的电流变化。（3）供电质量。供电质量不仅包括电源可靠性、电力系统的电压质量，还包括电价等电力系统应用问题的解决速度。（4）用电质量。用电质量主要相对用户而言，指电力系统的电力稳定性。

2 电能质量指标计算

2.1 电压偏差

电力系统的电压受到外界干扰和系统内部波动时，可能会出现电压波动问题，导致出现电压偏差。电压偏差需要检测目前电压U，电力系统标称电压Ue，再利用以下公式

2.2 电压波动、闪变

电压波动指电力系统的电压出现极为快速的变化，需要测量变化中的电压最大值Umax、电压最小值Umin，则电压波动变化率计算式为

如果计算得到的电压波动变化率低于20.7%，则可以将电压波动视为电压偏差。

闪变是在冲击性强或者大功率负荷冲击电网时导致电网出现电压波动，从而影响电网中其他电气设备的正常运行。电压10 kV以下的电力系统，闪变极限值为2.5；电压为35～110 kV的电力系统闪变极限值为2.0；电压超过220 kV的电力系统闪变极限值为1.6[2]。当波动负荷较大影响系统中的电气设备时，一般使用短期闪变值Pst描述闪变情况，会利用在0.001 s、0.01 s、0.03 s、0.1 s、0.5 s以上的观察值，计算公式如下：

2.3 电压三相不平衡

理想状态下，三相电压等值，并且彼此之间有120°的相位角。如果电力系统中的一相或者两相出现了故障，会出现事故性不平衡问题，必须迅速排除故障使系统恢复正常运行状态。若三相电压设计不合理，将可能出现负载不对称的情况。利用对称分量法可以将三相电压分为负序电压和正序电压，再根据二者的比值即可计算不平衡度。若三相系统的不平衡问题比较严重，可能导致电极出现严重波动，绕子也会受到影响严重发热；保护装置也会发生严重的事故故障，影响电力系统的正常运行。

2.4 谐波问题

谐波是电力系统工频整数倍的正弦波，由于大量非线性负荷电器的使用，使得谐波被大量注入电网，影响电网的稳定性。分析电网质量的谐波问题时，可以利用工频电压U1、均方根电压Uk、谐波的最高次数N计算总谐波失真率：

谐波对电力系统稳定性的影响较大，因此一般会专门制订标准限制谐波电流，有效降低谐波对系统的影响。

2.5 电压暂降

电压暂降又被称为电压骤降，电力系统中某个点的电压值突然降低至额定电压值的10%～90%，然后在30个波动周期内恢复至正常工作状态，则该过程被称为电压暂降。在计算时，一般使用均方根法确定暂降电压值：

如果电压信号被数字化，则电压信号的有效值为

电力系统中，电压暂降是长期存在的问题，尤其在各种大负荷用电设备不断发展的背景下，导致电压暂降的问题开始逐渐增加，并且暂降幅度也开始增加，导致电力系统中的敏感设备难以稳定运行，难以保障工业用电的稳定性[3]。

2.6 电压暂升

电压暂升指电力系统的均方根电压突然达到额定电压值的1.1～1.8倍，经过1 min左右恢复至正常状态。电力系统出现电压暂升的主要原因是由于系统出现故障，比如线路接地出现短路故障、大负载设备停止工作等。电压暂升的计算方法与电压暂降相同。

2.7 频率偏差

电力系统出现问题时，会出现频率和电力系统标称频率严重不符的情况，影响电力系统中高敏感度设备的正常运行，从而影响电力系统的安全性。如果频率偏差过大，可能造成负荷的发热量严重增加，还可能导致系统出现损毁问题。电压频率的改变会导致电机转速发生转变，如果频率下降，将可能导致电力系统的中电容器无法发挥补偿作用，严重影响系统的平衡性，从而影响电力系统中的控制设备的准确性。频率偏差的计算式为

2.8 电压中断

如果电压低于额定电压的10%，可以视为电压中断。电压中断的主要原因为供电系统故障、负荷故障等。一旦系统出现电压中断问题，将可能对电力设备产生比较严重的损害，比如电机减速、精密设备损坏等。系统电压中断后一般难以迅速恢复，可能导致产生严重的经济损失。

3 电能质量评估方法

3.1 电能综合评估法

（1）基于短板效应评估。短板效应是通过系统的短板情况确定系统状态，优化系统时可以通过补强短板实现对电能质量的优化。对系统电能短板进行分析，可以完成对电力系统电能质量的评估工作，从而确定系统中存在的主要问题，更好地确定电力系统电能质量的优化方法。一般情况下，用电设备的各项指标都应低于极限值，才能有效避免其出现异常，如果用电设备的某些指标接近极限值甚至出现超出极限值的情况，将可能导致设备出现异常。使用短板效应进行评估时，可以将超出或者接近极限值的指标视为短板，并分析短板对设备造成的影响，完成电能质量的评估工作。

（2）综合指标量化。该方法将电力系统电能质量量化为统一的综合指标，完成对电能整体质量的准确判断。使用综合指标量化法时，先进行极限指标归一化处理，分析各种指标对系统内用电设备的影响水平；再根据短板效应整合各项指标，实现对综合性指标的单一量化，完成对电能质量偏离程度的分析。

综合指标量化工作中，需要分析电力系统的谐波、电压三相不平衡情况、电压波动和闪变情况、电压偏差、频率偏差等指标，然后利用短板效应分析问题的严重程度，完成对电压质量的评估。

3.2 遗传投影寻踪法

遗传投影寻踪法的核心思路在于将高维空间中的点向低维空间中映射，再利用低维空间中数据分布反映高维空间的数据特征，或者建立高维、低维空间数据输入输出关系和专门的评估系统模型。使用该方法进行电能质量综合评估时，将多个指标整合到单一指标中可能存在表现不完整问题，而且能更好地完成对高维、低维空间数据的转化。

首先，根据国网的指标要求完成等级划分工作，然后随机取值，确定高维、低维空间的投影指标。其次，利用投影指数确定一维空间中某个方向的投影值，使用投影值的标准差构建目标函数，利用遗传算法确定目标函数最大值时的投影方向作为最佳投影方向。最后，利用投影方向确定最佳投影结构图。

国网的要求的指标包括电压偏差、电压波动、频率偏差、电压不平衡、电压闪烁和波纹、瞬态过电压。在实际工作中，一般难以精确获得暂态和瞬态过电压情况，而且只会在特殊情况下对电力系统的闪变问题进行分析，因此不考虑这两项指标。通过对不同电能等级的随机值采集投影指标样本，可知电能质量越差，则评估等级越高。为了迅速确定空间数据特征，需要保证投影值的标准差尽可能大，再进行目标函数和投影方向的优化，并根据最大值确定投影方向。同时，建立电能质量评估综合模型，完成对电能质量的综合评估工作。

4 结束语

电能质量管理工作需要以电能质量综合评估为基础，因此文章主要对电力系统的电能质量进行分析与评估。在评估前应该充分了解各项指标，确定指标数据的获取方式、极限值等要求，再使用合理的办法进行评估工作，分析电能质量问题对电力系统所造成的危害，最终形成合理的电能质量评估方法。