电能质量分析与控制 武晓冬

参考书目 电能质量分析与控制 肖湘宁 电能质量概论 程浩忠

课程特点 理论与实际相结合 不是单一课程 可以讲，所有的电力系统故障都与电能 质量问题有关 监测是基础 仿真是手段 治理设备是重点

本课程讲授的主要内容 传统电能质量问题 现代电能质量问题 电能质量综合评估 电能质量综合治理 电能质量检测仪器及电能质量监测网 电能质量分析软件 电能质量数据处理

第一章 电能质量概论

第一节 概述 电能是一种由电力部门向用户提供，并 由供、用双方共同保证质量的特殊商品。 起初，人们把电力系统运行中电压和频 率偏离标称值的多少作为检验电能质量 的主要指标。 之后，新型电气设备的应用会向电力系 统注入各种电磁干扰，对系统和设备的 安全运行造成影响。

因此，人们意识到电力部门只要将 电能“如数”的传送到电力用户， 并保证一定的供电连续性即可满足 需求的想法是不完善的。 提出了现代电能质量问题 最终要形成全面的电能质量监督管 理体系。

一、供电系统运行与电能质量的关系 1、理想供电系统运行的基本特性： 单一恒定的电网标称频率、规定的若干 电压等级和以正弦函数波形变化的交流 电向用户供电，并保证这些参数不受用 电负荷的影响 始终保持三相交流电压和负荷电流的平 衡，用电设备汲取电能应保证最大传输 效率，且各负荷之间互不干扰。

电能供应充足，即向电力用户的供电 不中断，始终保证电气设备的正常工 作与运转，并且每时每刻系统中的功 率供需是平衡的。 因此得到了供电系统电能质量的基本 要求：电压合格、频率合格、连续供 电。 电压合格 频率合格 连续供电

2、电能质量的特征 电力系统的电能质量始终处在动态变化中； 电力系统是一个整体，其电能质量状况相互 影响； 电能质量扰动具有潜在危害性和广泛传播性； 有些情况下用户是保证电能质量的主体部分 对电力系统的电能质量指标进行综合评估非 常困难； 控制和管理电力系统电能质量是一项系统工 程。

二、当代电力系统对电能质量的要求 1、电网与负荷构成的变化主要表现为： 电力系统扩张与联网逐渐形成，系统运 行的安全稳定性和可靠性要求不断提高； 打破原有自然垄断，引进竞争机制，实 施市场化运营，强化环境意识与提高信 息管理水平已势在必行 ； 与计算机技术、通讯技术结合紧密，采 用高新技术以提高电力传输能力和实现 配电自动化的趋势方兴未艾 。（TCSC、 FACTS、HVDC、cus－pow）

电力用户为满足其对产品的个性化、 多样性生产的需求，从最大经济利益 出发，在大功率冲击性、非线性负荷 容量迅速增长的同时，更大规模地采 用科技含量高的器件、设备与技术。 越来越多的电力用户采用了微电子技 术、计算机技术、电力电子技术、数 字控制的自动化生产线等，大批新兴 产业迅速崛起。 所以，改变电能质量是一项系统工 程。

2、长期以来，人们习惯把电能质量 ＝供电可靠性。 传统负荷对短时间的电压变化基本 没反映，只在供电中断时才不能正 常工作。 因此，只用指标RS－1来评价

3、负荷敏感度 负荷敏感度：负荷对电能质量问题的敏 感程度。 某半导体厂：从未发生停电，但一次几 十毫秒的电压暂将就会造成生产线工作 紊乱，产品报废。 新型用电设备：变频装置、大容量并联 电容器补偿装置，以及非线性、冲击性 和波动性负荷。

4、进入电力市场后 电力企业间竞争加强 用户增加电能质量意识

电力改革的实施方案和现状 由于种种原因的推动，电力体制改 革终于在 2002年底正式实施。 1) 实行厂网分开 由于种种原因的推动，电力体制改 革终于在 2002年底正式实施。  1) 实行厂网分开 将国家电力公司管理的资产按照发 电和电网两类业务划分，并分别进行资 产、财务和人员的重组。属地方政府和 其它部门管理的电力企业，也要实行厂 网分开。以小水电自发自供为主的供电 区，要加强电网建设，适时实行厂网分 开。

2) 重组国家电力公司管理的发电资 产，按照建立现代企业制度要求组建若 干独立的发电企业。 中国华能集团 中国大唐集团 中国华电集团 中国国电集团 中国电力投资集团 2) 重组国家电力公司管理的发电资 产，按照建立现代企业制度要求组建若 干独立的发电企业。 通过重组形成五大全国性发电企业， 由国务院授权经营，分别在国家计划中 实行单列。发电资产重组综合了考虑电 厂的资产质量和所在地域条件等，进行 合理组合。每个发电企业在各电力市场 中的份额原则上不超过20%。

3) 重组电网资产，建立国家电网公司和南方 电网公司 由国务院授权国家电网公司，作为原国家 电力公司管理的电网资产出资人代表。国家 电网公司按照国有独资形式设置，在国家计 划中实行单列。 设立华北（含山东）、东北（含内蒙古东 部）、西北、华东（含福建）、华中（含重 庆、四川）电网公司。 这些区域电网公司的 经营范围内，原国家电力公司资产比重较大， 其组建工作由国家电网公司负责，各地方以 所拥有的电网尽资产比例为基础参股，组建 区域电网有限责任公司或股份有限公司。西 藏电力企业由国家电网公司代管。

设立南方电网公司。其经营范围为云南、 贵州、广西、广东和海南。在国家计划 中单列。 区域电网公司按现代企业制度设立，将 区域内的现省级电力公司改组为分公司 或子公司，负责经营当地相应的输配电 业务。区域电网公司可以拥有抽水蓄能 电厂或少数应急、调峰电厂。个别暂时 未纳入重组后发电企业的电厂，可由区 域电网公司代管。

4）建立电力调度交易中心 在区域电网公司经营范围内，根据各地电网 结构、负荷分布特点及地区电价水平的集体 情况，设置一个或数个电力调度交易中心， 由区域电网公司负责管理。电力调度交易中 心之间实行市场开放。 （华东和华中的模拟电力市场）

5）国务院下设国家电力监管委员会 该机构为国务院直属事业单位，按国家授 权履行电力监管职责。电力监管委员会按照 垂直管理体系设置，向区域电网公司电力调 度交易中心派驻代表机构。其主要职责为： 制定电力市场运行规则，监管市场运行， 维护公平竞争；  处理电力市场纠纷；负责监督社会普遍服 务政策的实施。 根据市场情况向政府价格主管部门提出调 整电价建议； 监督检查电力企业生产质量标准，颁布和 管理电力业务许可证。

6) 完善电力体制改革的配套措施。 适时制定和修改有关电力和电价的法律、法 规和其它相关的行政法规。转变政府职能， 充分发挥市场配置资源的基础性作用，改善 政府宏观调控，改革电力项目审批办法，加 强电力市场监管，在国家中长期规划指导下， 做好电力建设项目的前期准备公司。进一步 充实和完善中国电力企业联合会的自律、协 调、 监督、服务功能，充分发挥其在政府、 社会、电力企业之间的桥梁、纽带作用。

5、处理电力争端 配电系统电容器投切 电力系统短路 误动作

6、智能电网和微电网技术 智能电网和微电网对电能质量有什么影响？

研究背景 智能电网的研究工作起源于美国，随后部分 其他国家认可了其观点，目标是在2020年或 更远的将来实现智能电网。 美国能源部（DOE）及电网智能化联盟主导 的GridWise项目和EPRI发起的Intelligrid 项目。 欧洲于2005年成立了欧洲智能电网论坛，发 表了《欧洲未来电网的远景和策略》、《战 略性研究议程》、《欧洲未来电网发展策略》 3份报告，全面阐述了智能电网的发展理念 和思路，以指导欧洲智能电网的建设。 世界著名的IBM、Google、Intel等信息产业 龙头纷纷进军智能电网领域

转向了更加高效、灵活、环保、且有利于跨欧电力市场建设等需求 安全、可靠、价格合理的电力供应是国家繁荣、安全的重要保证 驱动力 电力需求的增长与日益老化的电网框架之间的矛盾。 运行成本控制与相应监管政策的不确定性的矛盾 环境压力不可再生能源的过度开采和利用，造成生态环境破坏和能源枯竭 信息化、数字化等新技术的驱动 美 欧洲各国的能源政策更加强调对环境的保护和可再生能源发展，尤其是鼓励风能、太阳能和生物质能等可再生能源发展 欧盟和相关国家的政策鼓励和支持，提倡低碳发电、可再生能源电力和高效的能源利用方式，用以减小碳化物的排放，保护环境 现代新技术的驱动 欧

未来配电网的承担 配电的概念向外扩展： 未来智能电网将根据用户对电能质量、 安全性和可靠性的需求供电，电网的扩 建、维修和运行都是灵活、优化和规划 性的，具有灵活的需求侧管理和用户驱 动的增值服务市场，协调当地能源管理 以及分布式发电、可再生能源同大规模 集中发电的完全整合。

主动配电网 智能电网具有：5个很重要的电网技术发展— —大容量电力储能技术、电能质量控制技术、 潮流灵活控制技术、高度的信息集成技术和 智能调度技术的发展。 主动配电网的功能是将电源和用户需求有效 连接起来，允许双方共同决定如何最好地实 时运行，要达到这一要求，控制水平要远高 于目前配电网的水平，这包括：潮流优化， 电压控制和保护技术，以及比目前配电网拥 有更多的传感器和自动装置。

微电网的定义及国内外的发展状况 微电网是未来电力系统的一种结构，可作为输电网、配电网之后的第三级电网，微电网与大型电网结合有明显的优点： 使各种分布式发电设备的能力得到充分的利用，减小主干电网在负荷峰值期的负担； 增强供电可靠性并提高系统稳定性。特别是近年各种极端气候出现机率变大，我国的各种冰灾事故频繁发生，如南方地区刚刚发生的大范围长时间暴雪天气，致使电网严重受损，长时间、大面积的停电给国家带来了巨大的经济损失，对人民生活也造成了极大的不便。对某些特殊负荷可以保障非常时期的供电，提高外部大电网的安全性； 提高整个电网的运行效率，同时也减小对环境的污染； 实现更佳无功功率控制，减小谐波污染提高电能质量，为用户提供“定制电力技术”服务。

微电网的定义 美国能源部：微电网由分布式能源和电力负荷构成，可以工作在并网与独立两种模式下，具有高度的可靠性和稳定性。 美国电气可靠性技术协会（CERTS）：微电网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并同时满足用户对电能质量和供电安全等要求。 美国威斯康辛大学的R.H.Lasseter教授：微电网是一个由负载和微型电源组成的独立可控系统，就地提供电能和热能。 欧盟科技框架计划（Framework Program, FP）：利用一次能源，使用微型电源，并可冷、热、电三联供；配有储能装置，使用电力电子装置进行能量调节，可在并网和独立两种方式下运行。

微电网的特点 灵活性：微电网是由微型电源及负荷构成的小型电力系统，与大系统的主要区别在于其灵活的可调度性； 多样性：微型电源的组成多种多样，既有传统电源，又有可再生能源。同时，微电网中也包含储能设备，作为系统稳定运行的必要条件；而负荷的类型也有很多，如敏感型、非敏感型，可控型、非可控型等； 可控性：根据运行工况的不同，微电网可以选择不同的运行方式，完善的控制策略使得微电网的可靠性得到提高，安全性得到保障； 交互性：作为具备独立发电设备的微电网可以在必要时对主网提供有力支撑；同时主网也可以向微电网提供电能； 独立性：微电网在一定条件下可以独立运行，在一定基础上保障了本地的用电需求。

传统电网到智能电网的演变

未来能源支撑－智能电网

电能质量在智能电网和微电网技术中的应用十分广泛，不可缺少！

三、改善电能质量的意义 电能质量的优劣已成为电力系统运行与 管理水平高低的重要指标 控制和改善电能质量也是保证电力系统 自身可持续发展的必要条件 关系到电气环境工程保护

第二节 电能质量的概念、定义、分类

一、电能质量术语 电能质量：power quality或voltage quality 电压波动或晃电

二、基本概念与定义 从普遍意义上讲：电能质量是指优质供 电。 电力部门：电压、频率合格率和连续供 电年小时数。 电力用户：是否向设备提供电力 设备生产者：电源特性应完全满足电气 设备的正常工作需求。

从工程角度出发 电压质量：实际电压与理想电压的偏差 电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、 电压畸变、电压波动和闪变、电压暂降 （升）与中断、电压谐波、电压陷波、 欠电压、过电压

电流质量：用户汲取的电流时单一频率 的正弦波，且与供电电压同相位。 电流谐波、间谐波或次谐波，电流 相位超前或滞后。 供电质量 技术含义：电压质量和可靠性 非技术含量：服务质量 用电质量 技术含义：用电质量 非技术含义：用户是否按时、如数 交电费

迄今为止电能质量定义 定义一：合格的电能质量是指，提供给 敏感设备的电力和为其设置的接地系统 均适合于设备正常工作。 定义二：造成用电设备故障或误动作的 任何电力问题都是电能质量问题，其表 现为电压、电流或频率的偏差。

定义三：电能质量就是电压质量，合格 的电能质量应当是恒定频率和恒定的正 弦波形电压和连续供电。 电能质量：导致用电设备故障或不能正 常工作的电压、电流或频率的偏差、其 内容包括频率、电压偏差、电压波动与 闪变、三相不平衡、暂时或瞬时过电压、 波形畸变、电压暂降与短时间中断以及 供电连续性。

三、电能质量的分类 稳态现象：可以用幅值、频率、频谱、 调制、电源阻抗、下降深度、下降面积 来描述。 暂态现象：还需要上升率、幅值、相位 移、持续时间、频谱、频率、发生率、 能量强度、电源阻抗等。

变化型与事件型分类 按照电能质量扰动现象的变化的连续性 和事件的突发性分类。 变化型：连续出现的电能质量扰动现象 事件型：突发的电能质量扰动现象。

第三节 电能质量现象描述

一、瞬变现象 变量的部分变化，且从一种稳定状态过 渡到另一种稳定状态中该变化逐渐消失 的现象。 1、冲击性瞬变现象（雷击） 在稳态条件下，电压、电流非工频单 极性的突然变化现象。用上升或衰减时 间来表示冲击性的特征。

2、振荡性瞬变现象 在稳态条件下，电压、电流的非工频、 有正负极性的突然变化的现象，常用频 谱成分，持续时间和幅值来表示。

二、短时间电压波动 包括电压暂降、电压终端现象，若按 持续时间长短来分，进一步可分为瞬 时，暂时，短时三种。 主要原因为系统故障、大容量（大电 流）负荷启动或与电网松散连接的间 歇性负荷运作。

1、电压中断 供电电压降为0.1p.u以下，持续时间不 超过1min。 原因：系统故障、电气设备故障、控制 失灵。

2、电压暂降 指工频条件下电压均方根值减小到 0.1p.u～0.9p.u之间，持续时间0.5周 波～1min。 原因：系统故障、大负荷大电机启动汲 取大电流造成。

3、电压暂升 工频条件下，均方根为：1.1～1.8p.u， 持续时间0.5周波～1min。 原因：系统故障。

三、长时间电压变动 是指在工频条件下电压均方根值偏离 额定值，并且持续时间超过1min的电 压变动现象。主要由负荷变动或系统 的开关操作引起。 一般用电压均方根值对时间的变化曲 线作为长时电压波动的典型波形

长时间电压变动 过电压：电压均方根值升高，超过额 定值的10％，原因：负荷投切 欠电压：电压均方根值降低，低于额 定值的90％，原因：大负荷投入、电 容器组切除 电压持续中断：供电电压迅速下降为 0，且持续时间超过1min

四、电压不平衡 对称分量法来定义

五、波形畸变 是指电压或电流波形偏离稳态工频正弦 波形的现象 用偏移频谱来描述

1、直流偏置 在交流系统中出线直流电压或电流，称 为直流偏置 可能是由地磁干扰或半波整流产生

2、谐波 把含有供电系统设计运行频率整数倍频 率的电压或电流 原因：系统中非线性负荷。

3、间谐波 把含有供电系统设计运行频率非整数倍 频率的电压、电流，称为间谐波。

4、陷波 是电力电子装置在正常工作情况下，交 流输入电流从一项切换到另一项时产生 的周期性电压扰动。

5、噪声 指带有低于200kHz宽带频谱，混叠在电 力系统的相线、中性线或信号线中的有 害干扰信号。

六、电压波动 指电压包络线有规则的变化或一系列随 机电压波动。 负荷电流的大小呈现快速变化时，要引 起的电压变动，称为闪变。

七、工频变化

第四节 电能质量标准简介 电能质量标准是保证电网安全经济运行， 保护电气环境，保证电力用户正常使用 电能的基本技术规范，是实施电能质量 监督管理、推广电能质量控制技术、维 护供用电双方合法权益的法律依据。 保证电力系统稳定、经济、优质运 行，全面保障电能质量是电力企业和用 户、电器制造商共同的责任和义务。

1.电能质量指标国家标准 供电电压允许偏差（GB/T 12325—2003） 电压波动和闪变（GB 12326—2000）

2.电能质量测量国家标准 供电系统及相连设备的谐波、谐间波的 测量和测量仪器导则（GB/T 17626.7— 1998） 电能质量监测设备——通用要求（待批）

3.相关的设备国家标准 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 （设备每相输入电流≤16A）（GB 17625.1— 1998） 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中 产生的电压波动和闪烁的限制（GB/Z 17625.3—2000） 半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护 导则（待批）

4.电能质量治理设备（装置）国家标准 输配电系统静止无功补偿器用晶闸管阀 的试验（待批） 静止型无功功率补偿装置（SVC）功能 特性（待批）

电能质量国家标准摘要 （1）标 准：GB/T 12325—2003电能质量 供电电压允许偏 差 允许限值：①35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%； ②10kV及以下三相供电为±7%； ③220V单相供电为+7%，-10%。 说 明：衡量点为供电产权分界处或电能计量点 （2）标 准：GB 12326—2000电能质量 电压波动和闪变 允许限值：电压变动d的限值和变动频率r有关；对于随机 不规则的变动，d=2%（LV，MV）和d=1.5%（HV） 注：低压（LV）、UN≤1kV；中压（MV），1kV＜UN≤35kV；高 压（HV），35kV＜UN≤220kV。

闪变限值 系统电压 LV MV HV Pst 1.0 0.9(1.0) 0.8 Plt 0.7(0.8) 0.6 注：①括号中的值仅适用于所有用户为同电压等级场合； ②Pst为短时间闪变值（10min）；Plt为长时间闪变值（2h） 说 明：①衡量点为公共连接点PCC；②限值分三级处理原则； ③提供预测计算方法，规定测量仪器并给出典型分析实例。

（3）标准：GB/T 14549—1993电能质量 公用电网谐波允许限值： 各级电网谐波电压限值（%） 电压（kV） THD 奇次 偶次 0.38 5 4.0 2.0 6、10 4 3.2 1.6 35、66 3 2.4 1.2 110 2 0.8 注：①220kV电网参照110kV执行 ②表中THD为总谐波畸变率 说 明：①衡量点为PCC，取实测95%概率值；②对用户允许产生的谐波电流，提供计算方法；③对测量方法和测量仪器做出规定；④对同次谐波随机性合成提供算法。

（4）标 准：GB/T 15543—1995电能质量 三相电 压允 许不平衡度 允许限值：①正常允许2%，短时不超过4%；②每个 用户一般不得超过1.3%。 说 明：①各级电压要求一样；②衡量点为PCC， 取实测95%概率值或日累计超标不许超过72min，且 每30min中超标不许超过5min；③对测量方法和测量 仪器做出基本规定；④提供不平衡度算法。

（5）标 准：GB/T 15945—1995电能质量 电力系 统频率允许偏差 允许限值：①正常允许±0.2Hz，根据系统容量可以 放宽到±0.5Hz；②用户冲击引起的频率变动一般不 得超过±0.2Hz。 说 明：对测量仪器提出了基本要求。

（6）标 准：GB/T 18481—2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压 ①系统工频过电压限值 电压等级（kV） 过电压限值 （p.u.） Um>252（Ⅰ） 1.3 Um>252（Ⅱ） 1.4 110及220 35～66 3～10 注：①Um指工频峰值电压 ②Um>252kV（Ⅰ）和Um>252kV（Ⅱ）分别指 断路器变电所侧和线路侧

②操作过电压限值 空载线路合闸过电压限值 电压等级（kV） 过电压限值（p.u.） 500 2.0 * 330 2.2 * 110～220 3.0 * 表示该过电压为相对地统计操作过电压。 说 明：①暂时过电压包括工频过电压和谐振过电压。瞬态过电压包括操作过电压和雷击过电压；②工频过电压 。谐振过电压和操作过电压 ；③还对空载线路分闸过电压、断路器开断并联补偿装置及变压器等瞬态过电压限值作出了规定。

电能质量国外标准简介----欧共体 1995年欧共体颁布了《公用配电系统供电特性》 （EN50160），包括5大类13个指标。 1．频率 （1）互联电网：（50±0.5）Hz （2）孤立电网：（50±1）Hz 2．电压幅值 （1）慢速电压变化：±10%UN （2）电压波动：低压系统5% UN；中压系统：4% UN。 闪变：Plt=1.0 （3）电压暂降：每年可能发生几十至一千次，大部分 持续时间小于1s，幅值不大于60% UN。 （4）短时断电：每年可发生几十次至几百次，约70% 的短时断电小于1s。

（5）长时断电：超过3分钟的长时断电，每年在10次 以内或不超过50次。 （6）暂时工频过电压：低压系统一般不超过1.5倍相 电压，中压系统不超过1.7～2.0倍相电压（和中性 点接地情况有关）。 （7）瞬态过电压：低压系统一般不超过6kV。 3．电压不平衡 负序分量占正序分量RMS（方均根值）的2%。 4．电压波形 （1）整数次谐波：40次谐波以下的总畸变率（THD） 不超过8%，且各次谐波上限均有明确规定。 （2）间谐波：缺乏公认的实验数据，未作规定（但 IEC 61000-2-4规定一般限值为0.2%） 5．电源信号电压 指的是工频电压上又叠加的一个正弦传输信号电 压。低频段幅值小于10%UN，中频段幅值小于5%UN。

电能质量国外标准简介----美国 计算机和商用设备制造商协会（Computer and Business Enquipment Manufacturers Association，即CBEMA）出于大 型计算机及其控制装置对电能质量要求，提出了电压容限曲线 （称为CBEMA曲线）。该协会后改称为信息技术工业协会 （Information Technology Industry Council，即ITIC）， 并将电压容限曲线作了一定改进，如图3所示。

电能质量标准和电磁兼容标准的关系 （1）电磁兼容的概念electromagnetic compatibility(EMC) 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该 环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 电磁兼容性包括两方面：EMI(电磁干扰)， EMS(电磁耐受)两方面 电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的，而是天天 都在改变，这也是各国政府或经济组织，保护自己 利益经常采取的手段。

六大部分：《总论》、《环境》、《限值》、《试验和测 量技术》、《安全装置和抑制导则》和《其他》。 （3）标准限值的协调 （2）电磁兼容标准 是使产品在实际电磁环境中能够正常工作的基本要求。之所以 称为基本要求，也就是说，产品即使满足了电磁兼容标准，在 实际使用中也可能会发生干扰问题。大部分国家的标准都是基 于国际电工委员会（IEC）所制定的标准。 IEC 61000系列标准 六大部分：《总论》、《环境》、《限值》、《试验和测 量技术》、《安全装置和抑制导则》和《其他》。 （3）标准限值的协调 电磁兼容协调中的有关参数 扰动水平和概率密度关系

已采用为国标的与谐波相关的IEC 61000标准文件

谢谢！