智能电网新能源接入电能质量监测与分析技术研究

国网辽宁省阜新供电公司 李潘星

近年来，我国新能源发电装机规模不断扩大，大规模的可再生能源接入电网，对电能质量监测与分析技术提出了新的要求。

首先，随着可再生能源的大规模开发利用，可再生能源发电逐渐成为我国电网中的主力电源之一，新能源并网系统对电力系统电能质量带来了较大影响。

其次，由于智能电网中大规模的风电、光伏等可再生能源接入电网后，其波动性、间歇性、随机性特征更为明显，将对电网电能质量造成冲击。

最后，随着科学技术的发展，新型电力电子技术和通信技术在电力系统中得到了广泛应用，其动态特性显著改变了电力系统运行的传统模式。新能源的大规模接入，对电能质量带来了新的影响，如何实时、准确地监测分析大规模可再生能源接入电网后的电能质量问题，成为智能电网建设的重要课题之一。本文以某公司为例，对智能电网新能源接入电能质量监测与分析技术展开研究。

1 国内外研究现状

由于可再生能源发电具有间歇性和波动性等特点，给电力系统带来了严重的电能质量问题，对电网电能质量的监测与分析技术也成为研究热点。

美国加州大学伯克利分校提出了一种基于动态谐波分析的电能质量监测方法。该方法首先利用小波变换对谐波信号进行分解，得到高频部分和低频部分，然后对低频部分进行奇异值分解得到特征值，最后根据特征值确定谐波类型。该方法利用小波变换对电网信号进行时频分析，可以快速准确地实现电压扰动和谐波分析。

德国西门子公司提出了一种基于小波变换的电能质量监测与分析方法，该方法首先将电力系统中的信号进行小波分解，然后对分解后的各个信号进行小波重构，最后采用FFT 变换得到各个信号的时域参数，从而实现对电能质量的监测与分析。

国内电力系统电能质量监测技术的研究起步较晚，但随着科学技术的发展，国内外研究人员不断探索新的方法，取得了一系列的研究成果。国网北京市电力公司、中国电力科学研究院有限公司、国家电网公司和南方电网公司等单位，一直致力于电能质量监测与分析技术的研究，并在不同的领域取得了较好的成果[1]。

中国电力科学研究院有限公司提出了基于小波分析的电能质量监测与分析方法，该方法首先对电网信号进行小波变换，然后利用小波变换对不同频率处的信号进行重构，从而得到信号的时频分布，最后利用FFT 变换得到信号的时域参数。该方法利用小波变换实现了对电压扰动和谐波的监测与分析，且具有较好的抗噪能力。

综上所述，随着智能电网的不断发展，新能源的不断接入，传统的电能质量监测与分析技术已无法满足新能源接入电网后对电能质量监测与分析的需求，因此亟须引入新的电能质量监测与分析技术。

2 新能源接入对电网电能质量的影响

2.1 新能源并网对于馈线稳态电压影响

对于电网而言，当系统处于稳态时，系统中的电压会保持在某一点，而如果电源突然断电，或者负载发生变化等情况，系统中的电压就会发生波动。当分布式电源接入后，系统的电压将会发生较大的波动[2]。在并网发电时，电网中的潮流会出现反向流动现象，使得系统中的电压越来越低。当分布式电源接入后，在发电机、负载等不平衡情况下，系统中的电压将会出现波动。当分布式电源接入容量较小时，电压波动幅度相对较小；当分布式电源接入容量较大时，电压波动幅度将会增大。

在系统处于稳态时，分布式电源的接入容量越大，系统中的电压就会越低，此时系统中的电压将会越来越高。因此，当分布式电源接入容量较小时，系统中的电压波动幅度较小，而当分布式电源接入容量较大时，系统中的电压波动幅度将会增大。

另外，由于分布式电源接入容量较小，系统中的负荷对分布式电源的变化响应较慢，因此分布式电源并网时，系统中的负荷并不会出现大幅度的变化。而当分布式电源接入容量较大时，系统中的负荷将会发生快速变化。当分布式电源接入容量较大时，系统中的负荷将会出现大幅度的变化，使得系统中的负荷快速变化。而负荷变化速度越快，系统中电压波动幅度将会越大。

总之，分布式电源接入电网后，将会导致电网中电压发生较大波动，而当分布式电源接入容量较大时，将会引起电网中的电压波动幅度增大[3]。

2.2 新能源引起的电网频率变化

新能源接入后，由于并网后电网的惯量较低，所以当新能源发电机接入电网后，将会出现电网频率与新能源发电频率不匹配的问题。

新能源并网后，电网频率的变化主要由两方面决定：一是由本公司并网设备自身特性决定的，当并网设备功率与电力系统总功率发生较大偏差时，并网设备会出现振荡；二是由于某公司电力系统中各元件的惯性时间常数不一致，所以当电力系统中的某一元件发生扰动时，由于惯性作用，会出现较大的振荡。

当新能源接入电网后，由于其出力的波动性，将会导致公司电网的频率产生波动，所以电网频率与新能源发电频率不匹配[4]。当新能源接入电网时，将会影响公司电网的惯性时间常数，进而使电网的频率发生变化。由于电力系统中各元件惯性时间常数的不同，所以当新能源接入电网时，由于其出力的波动性以及出力的随机性，将会使得电力系统中各元件惯性时间常数不同，进而导致电力系统中各元件产生较大的振荡。

2.3 新能源并网会产生孤岛问题

分布式电源是指能就近就地供电，能根据需要向负荷供电，不需要并网升压变压器，以减少对电网的干扰和对电网的冲击。由于分布式电源并网后会降低电力系统频率、电压、频率的稳定性，使电网失去了对分布式电源的控制能力，即孤岛效应。

孤岛效应是指当一个分布式电源与电网断开时，由于电网本身缺乏足够的信息和控制能力，无法保证分布式电源可靠地向用户供电。同时，在接入了新能源后，其功率输出受到限制，并网系统丧失了对分布式电源的控制能力和稳定性，进而失去了与大电网之间的联系和配合。

在智能电网中，孤岛效应将会造成一系列的影响。首先，分布式电源并网后将会出现孤岛现象，严重影响电能质量和电力系统运行的可靠性，甚至导致电网崩溃；其次，在新能源接入电网后，由于其功率输出特性变化较大，如发电时有功功率波动较大，而用电时则无功功率变化较大，使得电网出现不稳定现象；最后，在孤岛条件下，若电网电压的恢复速度慢于分布式电源的恢复速度，则会造成电网电压的不稳定现象。

3 智能电网技术框架下电能质量监测与分析技术

3.1 智能电网技术框架下电能质量监测方法

傅里叶变换是对信号进行傅里叶级数展开，通过计算频率域的幅值和相位来获取信号的细节信息。其是一种通用的时域分析方法，以信号时间序列为研究对象，可快速得到信号的瞬时频率、瞬时幅值和瞬时相位等，但该方法具有频域特性，对噪声敏感，因此需要对数据进行处理。傅里叶变换对信号的频率、幅值和相位进行了准确的计算，但不能获得信号的周期。在某公司应用中，由于周期性信号的频率一般都是稳定不变的，因此利用傅里叶变换无法实现对周期性信号的分析。

小波变换法是智能电网技术框架下电能质量监测与分析的新方法，其通过对信号进行小波变换，将信号分解为多个频段，再分别提取各频段的特征信息，从而达到电能质量分析的目的。小波变换法具有良好的时频特性和局部特性，能够在一定程度上提高电能质量监测的精度[5]。通过小波变换法，某公司可以将信号中的各种噪声以及高频噪声滤除，从而实现对电能质量的检测和分析。

小波变换法可以对电压、电流信号进行分解，由于在实际应用中信号在不同频段上存在着不同程度的谐波和噪声，某公司通过对信号进行多分辨率分析就可以提取出有用的信息。

3.2 智能电网框架下电能质量监测功能及配置

3.2.1 智能仪表完成电能质量的功能

智能仪表通过与用户终端之间的通信，实现对用户终端电能质量参数的采集、监控、记录、计算、分析、评估和管理。在智能电网框架下，智能仪表除了满足基本电能质量的检测和分析外，还应具有如下功能：电能质量监测功能。包括对电压偏差、频率偏差等电能质量指标的实时测量；电能质量分析功能。包括对电压波动与闪变、谐波分析和波形失真的监测；电能质量管理功能。包括用户侧电能质量指标统计，对电压偏移和三相电压不平衡度等进行统计和分析；电能质量管理功能。包括对电压波动与闪变等电能质量指标的统计和分析，对用户侧电能质量指标统计和分析。

3.2.2 新能源接入系统电能质量的功能要求和配置

新能源接入系统的电能质量问题主要是指，在新能源接入过程中产生的谐波、三相不平衡、电压暂降等，这些都是由于新能源接入系统对电网电能质量造成的影响，需要在电能质量监测与分析的基础上，通过多种手段加以改善。

谐波。主要指由电网中不平衡的三相电压、电流产生的谐波。对于谐波一般可通过加装滤波装置和补偿装置来减少谐波含量，但由于电网中存在大量非线性负载，在加入滤波装置之后，仍然会产生大量的谐波。此外，对于新能源发电系统，由于其接入容量相对较小，在系统中引入的谐波含量相对较少。

电压暂降。主要是指由电网电压突然下降而引起的电能质量问题。在电力系统中，电压暂降一般会影响到电压互感器、低压断路器等设备的正常工作，且电压暂降情况较为严重时可能造成继电保护及自动装置的误动作。

三相不平衡。主要是指电网中各相电压或电流不平衡（包括相位差、幅值差等），一般是由于设备安装和设计不良引起的。在电网中存在大量非线性负载时，三相不平衡将导致电压或电流严重畸变。

电压波动。由于新能源发电系统的特性及用户负荷特性等原因，电网中存在一定范围内的电压波动现象。当这种电压波动现象发生在配电网时，将会引起配电网中的电抗器发生闪变现象或引起自动开关误动作。

4 结语

随着现代电力技术的发展，智能电网技术得到了广泛的应用，在智能电网技术框架下，电能质量监测与分析方法也得到了极大的发展，但是电能质量监测技术是一个复杂的系统，目前仍存在一些问题，本文对某公司智能电网新能源接入电能质量监测与分析方法进行了总结，对一些检测方法进行了介绍，这些方法虽然在实际应用中取得了一定的效果，但也存在一定的不足，在公司发展中仍须进一步完善。

智能电网的构建，为新能源接入电能质量监测与分析技术提供了较好的应用前景，通过对各类电能质量监测方法进行对比分析，不难发现，基于小波变换法的电能质量监测技术具有更好的应用价值，在进行信号处理时，既可以保留信号本身的特征信息，也能够有效地降低噪声的干扰，提高数据处理速度，避免信号受到干扰。

因此，在对新能源接入电能质量监测分析技术进行研究时，应充分利用小波变换法进行电能质量监测分析技术研究，同时结合智能电网技术的应用背景，选择合适的检测方法和分析方法进行电能质量分析，以提高电能质量监测水平。