智能電網新能源接入電能質量監測與分析技術研究

國網遼寧省阜新供電公司 李潘星

近年來，我國新能源發電裝機規模不斷擴大，大規模的可再生能源接入電網，對電能質量監測與分析技術提出了新的要求。

首先，隨著可再生能源的大規模開發利用，可再生能源發電逐漸成為我國電網中的主力電源之一，新能源并網系統對電力系統電能質量帶來了較大影響。

其次，由于智能電網中大規模的風電、光伏等可再生能源接入電網后，其波動性、間歇性、隨機性特征更為明顯，將對電網電能質量造成沖擊。

最后，隨著科學技術的發展，新型電力電子技術和通信技術在電力系統中得到了廣泛應用，其動態特性顯著改變了電力系統運行的傳統模式。新能源的大規模接入，對電能質量帶來了新的影響，如何實時、準確地監測分析大規?？稍偕茉唇尤腚娋W后的電能質量問題，成為智能電網建設的重要課題之一。本文以某公司為例，對智能電網新能源接入電能質量監測與分析技術展開研究。

1 國內外研究現狀

由于可再生能源發電具有間歇性和波動性等特點，給電力系統帶來了嚴重的電能質量問題，對電網電能質量的監測與分析技術也成為研究熱點。

美國加州大學伯克利分校提出了一種基于動態諧波分析的電能質量監測方法。該方法首先利用小波變換對諧波信號進行分解，得到高頻部分和低頻部分，然后對低頻部分進行奇異值分解得到特征值，最后根據特征值確定諧波類型。該方法利用小波變換對電網信號進行時頻分析，可以快速準確地實現電壓擾動和諧波分析。

德國西門子公司提出了一種基于小波變換的電能質量監測與分析方法，該方法首先將電力系統中的信號進行小波分解，然后對分解后的各個信號進行小波重構，最后采用FFT 變換得到各個信號的時域參數，從而實現對電能質量的監測與分析。

國內電力系統電能質量監測技術的研究起步較晚，但隨著科學技術的發展，國內外研究人員不斷探索新的方法，取得了一系列的研究成果。國網北京市電力公司、中國電力科學研究院有限公司、國家電網公司和南方電網公司等單位，一直致力于電能質量監測與分析技術的研究，并在不同的領域取得了較好的成果[1]。

中國電力科學研究院有限公司提出了基于小波分析的電能質量監測與分析方法，該方法首先對電網信號進行小波變換，然后利用小波變換對不同頻率處的信號進行重構，從而得到信號的時頻分布，最后利用FFT 變換得到信號的時域參數。該方法利用小波變換實現了對電壓擾動和諧波的監測與分析，且具有較好的抗噪能力。

綜上所述，隨著智能電網的不斷發展，新能源的不斷接入，傳統的電能質量監測與分析技術已無法滿足新能源接入電網后對電能質量監測與分析的需求，因此亟須引入新的電能質量監測與分析技術。

2 新能源接入對電網電能質量的影響

2.1 新能源并網對于饋線穩態電壓影響

對于電網而言，當系統處于穩態時，系統中的電壓會保持在某一點，而如果電源突然斷電，或者負載發生變化等情況，系統中的電壓就會發生波動。當分布式電源接入后，系統的電壓將會發生較大的波動[2]。在并網發電時，電網中的潮流會出現反向流動現象，使得系統中的電壓越來越低。當分布式電源接入后，在發電機、負載等不平衡情況下，系統中的電壓將會出現波動。當分布式電源接入容量較小時，電壓波動幅度相對較??；當分布式電源接入容量較大時，電壓波動幅度將會增大。

在系統處于穩態時，分布式電源的接入容量越大，系統中的電壓就會越低，此時系統中的電壓將會越來越高。因此，當分布式電源接入容量較小時，系統中的電壓波動幅度較小，而當分布式電源接入容量較大時，系統中的電壓波動幅度將會增大。

另外，由于分布式電源接入容量較小，系統中的負荷對分布式電源的變化響應較慢，因此分布式電源并網時，系統中的負荷并不會出現大幅度的變化。而當分布式電源接入容量較大時，系統中的負荷將會發生快速變化。當分布式電源接入容量較大時，系統中的負荷將會出現大幅度的變化，使得系統中的負荷快速變化。而負荷變化速度越快，系統中電壓波動幅度將會越大。

總之，分布式電源接入電網后，將會導致電網中電壓發生較大波動，而當分布式電源接入容量較大時，將會引起電網中的電壓波動幅度增大[3]。

2.2 新能源引起的電網頻率變化

新能源接入后，由于并網后電網的慣量較低，所以當新能源發電機接入電網后，將會出現電網頻率與新能源發電頻率不匹配的問題。

新能源并網后，電網頻率的變化主要由兩方面決定：一是由本公司并網設備自身特性決定的，當并網設備功率與電力系統總功率發生較大偏差時，并網設備會出現振蕩；二是由于某公司電力系統中各元件的慣性時間常數不一致，所以當電力系統中的某一元件發生擾動時，由于慣性作用，會出現較大的振蕩。

當新能源接入電網后，由于其出力的波動性，將會導致公司電網的頻率產生波動，所以電網頻率與新能源發電頻率不匹配[4]。當新能源接入電網時，將會影響公司電網的慣性時間常數，進而使電網的頻率發生變化。由于電力系統中各元件慣性時間常數的不同，所以當新能源接入電網時，由于其出力的波動性以及出力的隨機性，將會使得電力系統中各元件慣性時間常數不同，進而導致電力系統中各元件產生較大的振蕩。

2.3 新能源并網會產生孤島問題

分布式電源是指能就近就地供電，能根據需要向負荷供電，不需要并網升壓變壓器，以減少對電網的干擾和對電網的沖擊。由于分布式電源并網后會降低電力系統頻率、電壓、頻率的穩定性，使電網失去了對分布式電源的控制能力，即孤島效應。

孤島效應是指當一個分布式電源與電網斷開時，由于電網本身缺乏足夠的信息和控制能力，無法保證分布式電源可靠地向用戶供電。同時，在接入了新能源后，其功率輸出受到限制，并網系統喪失了對分布式電源的控制能力和穩定性，進而失去了與大電網之間的聯系和配合。

在智能電網中，孤島效應將會造成一系列的影響。首先，分布式電源并網后將會出現孤島現象，嚴重影響電能質量和電力系統運行的可靠性，甚至導致電網崩潰；其次，在新能源接入電網后，由于其功率輸出特性變化較大，如發電時有功功率波動較大，而用電時則無功功率變化較大，使得電網出現不穩定現象；最后，在孤島條件下，若電網電壓的恢復速度慢于分布式電源的恢復速度，則會造成電網電壓的不穩定現象。

3 智能電網技術框架下電能質量監測與分析技術

3.1 智能電網技術框架下電能質量監測方法

傅里葉變換是對信號進行傅里葉級數展開，通過計算頻率域的幅值和相位來獲取信號的細節信息。其是一種通用的時域分析方法，以信號時間序列為研究對象，可快速得到信號的瞬時頻率、瞬時幅值和瞬時相位等，但該方法具有頻域特性，對噪聲敏感，因此需要對數據進行處理。傅里葉變換對信號的頻率、幅值和相位進行了準確的計算，但不能獲得信號的周期。在某公司應用中，由于周期性信號的頻率一般都是穩定不變的，因此利用傅里葉變換無法實現對周期性信號的分析。

小波變換法是智能電網技術框架下電能質量監測與分析的新方法，其通過對信號進行小波變換，將信號分解為多個頻段，再分別提取各頻段的特征信息，從而達到電能質量分析的目的。小波變換法具有良好的時頻特性和局部特性，能夠在一定程度上提高電能質量監測的精度[5]。通過小波變換法，某公司可以將信號中的各種噪聲以及高頻噪聲濾除，從而實現對電能質量的檢測和分析。

小波變換法可以對電壓、電流信號進行分解，由于在實際應用中信號在不同頻段上存在著不同程度的諧波和噪聲，某公司通過對信號進行多分辨率分析就可以提取出有用的信息。

3.2 智能電網框架下電能質量監測功能及配置

3.2.1 智能儀表完成電能質量的功能

智能儀表通過與用戶終端之間的通信，實現對用戶終端電能質量參數的采集、監控、記錄、計算、分析、評估和管理。在智能電網框架下，智能儀表除了滿足基本電能質量的檢測和分析外，還應具有如下功能：電能質量監測功能。包括對電壓偏差、頻率偏差等電能質量指標的實時測量；電能質量分析功能。包括對電壓波動與閃變、諧波分析和波形失真的監測；電能質量管理功能。包括用戶側電能質量指標統計，對電壓偏移和三相電壓不平衡度等進行統計和分析；電能質量管理功能。包括對電壓波動與閃變等電能質量指標的統計和分析，對用戶側電能質量指標統計和分析。

3.2.2 新能源接入系統電能質量的功能要求和配置

新能源接入系統的電能質量問題主要是指，在新能源接入過程中產生的諧波、三相不平衡、電壓暫降等，這些都是由于新能源接入系統對電網電能質量造成的影響，需要在電能質量監測與分析的基礎上，通過多種手段加以改善。

諧波。主要指由電網中不平衡的三相電壓、電流產生的諧波。對于諧波一般可通過加裝濾波裝置和補償裝置來減少諧波含量，但由于電網中存在大量非線性負載，在加入濾波裝置之后，仍然會產生大量的諧波。此外，對于新能源發電系統，由于其接入容量相對較小，在系統中引入的諧波含量相對較少。

電壓暫降。主要是指由電網電壓突然下降而引起的電能質量問題。在電力系統中，電壓暫降一般會影響到電壓互感器、低壓斷路器等設備的正常工作，且電壓暫降情況較為嚴重時可能造成繼電保護及自動裝置的誤動作。

三相不平衡。主要是指電網中各相電壓或電流不平衡（包括相位差、幅值差等），一般是由于設備安裝和設計不良引起的。在電網中存在大量非線性負載時，三相不平衡將導致電壓或電流嚴重畸變。

電壓波動。由于新能源發電系統的特性及用戶負荷特性等原因，電網中存在一定范圍內的電壓波動現象。當這種電壓波動現象發生在配電網時，將會引起配電網中的電抗器發生閃變現象或引起自動開關誤動作。

4 結語

隨著現代電力技術的發展，智能電網技術得到了廣泛的應用，在智能電網技術框架下，電能質量監測與分析方法也得到了極大的發展，但是電能質量監測技術是一個復雜的系統，目前仍存在一些問題，本文對某公司智能電網新能源接入電能質量監測與分析方法進行了總結，對一些檢測方法進行了介紹，這些方法雖然在實際應用中取得了一定的效果，但也存在一定的不足，在公司發展中仍須進一步完善。

智能電網的構建，為新能源接入電能質量監測與分析技術提供了較好的應用前景，通過對各類電能質量監測方法進行對比分析，不難發現，基于小波變換法的電能質量監測技術具有更好的應用價值，在進行信號處理時，既可以保留信號本身的特征信息，也能夠有效地降低噪聲的干擾，提高數據處理速度，避免信號受到干擾。

因此，在對新能源接入電能質量監測分析技術進行研究時，應充分利用小波變換法進行電能質量監測分析技術研究，同時結合智能電網技術的應用背景，選擇合適的檢測方法和分析方法進行電能質量分析，以提高電能質量監測水平。