電能質量監測的現狀及展望

劉松

1 引言

電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能的質量。理想狀態的公用電網應以恒定的頻率、標準正弦波和額定電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統中，各相電壓和電流的幅值大小應相等、相位對稱且相差120度。但由于系統中的發電機、變壓器和線路等設備非線性或不對稱、負荷性質多變，加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想狀態并不存在。因此，產生了電網運行電力設備和供用電環節中的各種問題，也就產生了電能質量的概念。

2 電能質量監測現狀

2.1 衡量電能質量的主要指標

由于所處立場不同，關注電能質量的角度不同，人們對電能質量的定義還未能達成完全的共識，但是對其主要技術指標都有較為一致的認識。主要指標為國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會相繼頒布的涉及電能質量五個方面的國家標準，即：供電電壓偏差、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡、公用電網諧波，以及電力系統頻率偏差等指標限制。

(1)電壓偏差（voltage deviation）：是電壓下跌(電壓跌落)和電壓上升(電壓隆起）的總稱。

(2)頻率偏差（frequency deviation）：對頻率質量的要求全網相同，不因用戶而異，各國對于該項偏差標準都有相關規定。

(3)電壓三相不平衡（unbalance）：表現為電壓的最大偏移與三相電壓的平均值超過規定的標準。

(4)諧波和間諧波（harmonics &inter-harmonics）：含有基波整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。含有基波非整數倍頻率的正弦電壓或電流稱為間諧波，小于基波頻率的分數次諧波也屬于間諧波。

(5)電壓波動和閃變（fluctuation &flicker）：電壓波動是指在包絡線內的電壓的有規則變動，或是幅值通常不超出0.9～1.1倍電壓范圍的一系列電壓隨機變化。閃變則是指電壓波動對照明燈的視覺影響。

2.2 電能質量控制策略與技術

2.2.1 幾種電能質量控制策略

(1)PID控制：這是應用最為廣泛的調節器控制規律，其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，易于在工程中實現。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，應用PID 控制技術最為方便。其缺點是：響應有超調，對系統參數攝動和抗負載擾動能力較差。

(2)空間矢量控制：空間矢量控制也是一種較為常規的控制方法。其原理是：將基于三相靜止坐標系(abc)的交流量經過派克變換得到基于旋轉坐標系(dq)的直流量從而實現解耦控制。常規的矢量控制方法一般采用DSP 進行處理，具有良好的穩態性能與暫態性能。也可采用簡化算法以縮短實時運算時間。

(3)模糊邏輯控制：知道被控對象精確的數學模型是使用經典控制理論的“頻域法”和現代控制理論的“時域法”設計控制器的前提條件。模糊控制作為一種新的智能控制方法，無需對系統建立精確的數學模型。它通過模擬人的思維和語言中對模糊信息的表達和處理方式，對系統特征進行模糊描述，來降低獲取系統動態和靜態特征量付出的代價。

(4)非線性魯棒控制：超導儲能裝置(SMES)實際運行時會受到各種不確定性的影響，因此可通過對SMES的確定性模型引入干擾，得到非線性二階魯棒模型。對此非線性模型，既可應用反饋線性化方法使之全局線性化，再利用所有線性系統的控制規律進行控制，也可直接采用魯棒控制理論設計控制器。

2.2.2 FACTS技術

FACTS，即基于電力電子控制技術的靈活交流輸電，是上世紀80年代末期由美國電力研究院（EPRI）提出的。它通過控制電力系統的基本參數來靈活控制系統潮流，使輸送容量更接近線路的熱穩極限。采用FACTS技術的核心目的是加強交流輸電系統的可控性和增大其電力傳輸能力。

目前有代表性的FACTS裝置主要有：可控串聯補償電容器、靜止無功補償器、晶閘管控制的串聯投切電容器、統一潮流控制器等。

2.2.3 用戶電力技術

用戶電力技術就是將電力電子技術、微處理機技術、自動控制技術等運用于中低壓配電系統和用電系統中，其目的是加強配電系統的供電可靠性，并減小諧波畸變，改善電能質量。該技術的核心器件IGBT比GTO具有更快的開關頻率，并且關斷容量已達MVA級，因此DFACTS裝置具有更快的響應特性。

目前主要的FACTS裝置有：有源濾波器(APF)、動態電壓恢復器(DVR)、配電系統用靜止無功補償器(DSTATCOM)、固態切換開關(SSTS)等。

2.3 電能質量監測裝置

由于電能質量需要監測的量很多而且大多是高度畸變的，傳統的方法是采用模擬信號的分析，監測不同的電能質量指標使用不同的儀表。如傳統的測量電壓和電流有效值的電壓表、電流表，測量功率損耗的有功表、無功表，測量頻率的頻率表，還有諧波表、三相不平衡度計、電壓波動和閃變儀[1]。此類儀器的不足之處是可監測的指標少，通用性差、精度較低、自動化程度較低。

采用微處理器為核心的新一代數字式儀表已被廣泛應用，核心由DSP(Digital Signal Proceeding)所構成。一般都可和計算機相連，構成數據處理能力較強的PC+DSP主從式結構，具有顯示、存儲、通信、人機對話等功能。對一個站點進行監測，有較好的效果。

2.4 電能質量監測方法

電力系統中的各種擾動引起的電能質量問題主要可分為穩態事件和暫態事件兩大類。穩態電能質量問題以波形畸變為特征，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態事件通常是以頻譜和暫態持續時間為特征，可分為脈沖暫態和振蕩暫態兩大類[2]。

電能質量的監測方法主要有時域仿真法、頻域分析方法和基于變換的方法。

2.4.1 時域仿真法

時域仿真方法在電能質量分析中的應用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時域仿真程序對電能質量問題中的各種暫態現象進行研究。對于電壓下跌、電壓上升、電壓中斷等有關電能質量暫態問題，由于其持續時間短、發生時間不確定、對頻域分析提出了較高的要求，較多采用時域仿真方法。

目前EMTP、EMTDC、NETOMAC等系統暫態仿真程序[3]和SPICE、PSPICE、SABER等電力電子仿真程序在研究中得到了廣泛應用，有的已經被做成商業軟件。

采用時域仿真計算的缺點是仿真步長的選取決定了可模擬的最大頻率范圍，因此必須事先知道暫態過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模擬開關的開合過程時，還會引起數值振蕩。

2.4.2 頻域分析法

頻域分析方法主要用于電能質量穩態問題。比如諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡等。相對于暫態問題，此類事件具有變化相對較慢、持續時間較長等特點。對稱分量法是最常用的方法。它的優點是概念清晰、建模簡單、算法成熟，但耗時長。

頻域分析方法主要包括頻率掃描、諧波潮流計算和混合諧波潮流計算等，該方法多用于電能質量中諧波問題的分析。

頻率掃描和諧波潮流計算在反映非線性負載動態特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計算法在近些年中發展起來。其優點是可詳細考慮非線性負載控制系統的作用，因此可精確描述其動態特性。缺點是計算量大，求解過程復雜。

2.4.3 基于變換的方法

在電能質量監測領域中廣泛應用的基于變換的方法主要有復立葉變換、神經網絡、二次變換、小波變換和Prony分析等5 種方法。

2.4.3.1 傅立葉變換

傅立葉變換是電能質量監測領域中的基本方法，傅立葉變換的優點是算法快速簡單。但其缺點也很多：

(1)雖然能夠將信號的時域特征和頻域特征聯系起來觀察，但不能將二者有機地結合起來。

(2)只能適應于確定性的平穩信號(如諧波)，對時變非平穩信號難以充分描述。

(3)短時傅立葉變換(STFT)的離散形式沒有正交展開，難以實現高效算法；只適合于分析特征尺度大致相同的過程，不適合分析多尺度過程和突變過程。

(4)快速傅立葉變換(FFT)變換的時間信息利用不充分，任何信號沖突都會導致整個頻帶的頻譜散布；在不滿足前提條件時，會產生“旁瓣”和“頻譜泄露”現象。

傅立葉變換是經典的頻譜分析和信號處理方法。其對含有短時高頻分量與長時間低頻分量的電能質量信號分析具有一定的局限性。目前經改進的快速傅立葉變換（FFT）和（STFT）已經成為電能質量分析的基礎。

2.4.3.2 神經網絡法

神經網絡理論是巨量信息并行處理和大規模平行計算的基礎，它既是高度非線性動力學系統，又是自適應組織系統，可用來描述認知、決策及控制的智能行為。

神經網絡法的優點是：可處理多輸入-多輸出系統，具有自學習、自適應等特點；不必建立精確數學模型，只考慮輸入輸出關系即可。缺點是：存在局部極小問題，會出現局部收斂，影響系統的控制精度；理想的訓練樣本提取困難，影響網絡的訓練速度和訓練質量；網絡結構不易優化。

2.4.3.3 二次變換法

二次變換是一種基于能量角度來考慮的新的時域變換方法。該方法的基本原理是用時間和頻率的雙線性函數來表示信號的能量函數。

二次變換的優點是：可以準確地檢測到信號發生尖銳變化的時刻；精確測量基波和諧波分量的幅值。缺點是：無法準確地估計原始信號的諧波分量幅值；不具有時域分析功能。

2.4.3.4 小波分析法

小波變換是近年來興起的一種算法，由于具有時域局部化的優點，特別適合于突變信號和不確定信號的分析。目前國內外已經有許多文獻應用小波變換對諧波監測[4]、電磁暫態波形分析、電力系統擾動建模等電能質量問題進行了研究。

小波變換是一種多尺度分析數字技術，它通過對時間序列過程從低分辨率到高分辨率的分析，顯示過程變化的整體特征和局部變化行為。

常用的小波基函數有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波、Meyer小波等。

小波變換的優點是：具有時－頻局部化的特點，特別適合突變信號和不平穩信號分析；可以對信號進行去噪、識別和數據壓縮、還原等。

缺點是：在實時系統中運算量較大，需要采用DSP等高價格的高速芯片；小波分析有“邊緣效應”，邊界數據處理會占用較多時間，并帶來一定誤差。

2.4.3.5 Prony分析法

Prony分析衰減的思想類似于小波。在該方法中，信號總是被認為可以由一系列的衰減的正弦波構成，這些衰減正弦波類似于小波函數。所以Prony分析方法和小波一樣，可以做多尺度的信號分析。Prony分析的主要缺點是計算時間過長。

3 電能質量監測分析展望

電能質量的監測是一個復雜的系統工程。它涉及到電力系統、自動控制、現代通信等多個方面。目前乃至今后一段時間內，它在發展中要解決以下幾方面的問題[5]：

3.1 標準體系的研究

電能質量標準體系的研究基礎標準、方法標準、相關產品標準、管理標準?；A標準包括術語定義和各類基本要求和限值。方法標準包括對各項數據監測、測量評價、科學的計算方法等各類標準。相關產品標準包括監測、測量和分析處理的各類測量儀器和電能質量控制設備的標準。管理標準包括有各類管理的制度標準。標準體系的的不健全無疑將會阻礙對電能質量進一步的深入研究。

3.2 新型算法的開發

隨著近代數學和人工智能技術的迅速發展及大量跨學科、跨專業交叉理論的出現，電能質量分析的模型、方法和手段呈現出強烈的多樣性，如何以更科學、更先進的模型來分析電能質量，改善其對電網的影響，也是電能質量研究領域內不可忽視的核心所在。就目前電能質量的研究情況來看，小波分析、模糊數學的方法、神經網絡方法、遺傳算法及交叉技術將成為今后電能質量新算法研究的主流方向?？蓱媚：龜祵W方法建立精確數學模型，應用小波變換對擾動數據進行辨識、分類和原因分析，應用模糊-神經網絡方法確定有效信息的傳輸、存儲。這些理論的推出及其日漸成熟對電能質量研究領域從算法本身到算法的適用領域、算法性能的改善等各方面產生深遠的影響。

3.3 電能質量監測的網絡化、智能化

現代電網規模越來越大，監測點越來越多，未來電能質量的監測不僅局限于某一點，而是要實現同一供電系統、不同地點的電能質量監測，甚至實現多個不同供電系統的集中監測。在功能上，更強調智能化，除具有計算、顯示等功能外，還要有一定的判斷、分析、決策等功能，如能進行事件預測、故障辨識、干擾源識別和實時控制，初步具有自動的實用先進的計算智能評估功能。

電能質量監測是一個較復雜的問題，如何合理、全面地分析處理各種干擾源，充分將計算機技術和網絡技術為電能質量監測所用，都是應注意的問題。同時電能質量監測的發展趨勢對監測系統在功能上提出了更高的要求，也表明這一應用領域的研究需要多種技術的相互融合和各個領域的密切合作。

[1]林海雪.論電能質量標準[J].中國電力,1997.

[2]吳競昌.供電系統諧波[M].北京：中國電力出版社,1998:63-161.

[3]潘貞存,陳青,王慧,等.電能質量及其檢測方法地研究[J].山東電力技術,1997.

[4]何定金,肖先勇.電能質量檢測系統中的數據處理技術[J].四川大學學報（工程科學版），2004，2.

[5]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社,2009.