摘要：随着经济的迅速发展，大量整流设备等非线性负荷不断投入运行，使得电网中产生电压畸变、谐波；三相不对称负载，如单相大容量负荷（电气化铁路、电弧炉及大功率设备）由于在三相系统中的容量和电气位置分布不合理，引起系统三相不平衡；具有波动性、冲击性的负荷（钢铁企业的电弧炉、大型轧钢机）容易引起电压波动和闪变，严重威胁着电力系统安全、稳定、可靠、经济的运行。用户侧设备的运行也受电能质量的影响。如果供电突然中断或者波动，将会给工业生产带来巨大的经济损失，尤其对于用户侧安装的一些对电能质量具有高要求的控制设备、电子装置等。为了保证电力系统的安全经济运行，减少因电能质量问题对用户和用电设备造成的影响，了解电能质量的定义、基本指标，研究电能质量的检测方法具有重要意义。
关键词：电能质量；检测方法；应用
1电能质量概念
电能质量是指电力系统通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。公用电网在理想状态下应以标准电压、恒定的频率及正弦波形向用户供电。但由于电力系统中存在非线性或不对称设备如发电机、变压器和线路等，负荷性质多变及外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状况在实际运行中并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的电能质量问题。针对电能质量中主要的影响指标及供用电双方的需求，将电能质量分为电压质量、电流质量、供电质量、用电质量４个方面。
2 电能质量各项指标及测量方法
2.1 供电电压允许偏差
电压是电能质量的重要指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。供电系统在正常运行方式下，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为
电压偏差一般是由线路的电压损耗造成，电压偏差超标对用电设备和电网稳定以及电网的经济运行都有十分严重的影响。电压偏差的检测首先要进行采样电压有效值的计算，有离散求和法和基于 FFT 的算法。由于电压信号中含有谐波成分，故输入电压瞬时值表示为基波和各次谐波电压的相量和，利用电压有效值（即均方根值）的定义来求出各相电压，即可判断实际电压值与额定电压之间的偏差，从而对电压偏差这一电能指标进行检测。
2.2电力系统频率允许偏差
频率是电能质量最重要的指标之一。系统负荷特别是发电厂厂用电荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常运行就必须严格控制系统频率，使系统的频率偏差控制在允许范围之内。允许频率偏差的大小不仅体现电力系统运行管理水平的高低，同时反映了一个国家工业发达的程度。电力系统频率和电压偏差是电能质量传统两大基本指标。电力系统正常运行情况下，应在标称频率下运行，但是电力系统负荷大小在不断地变动其，电源出力及其调节系统追随复合变化又有一定的惯性，致使系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差。用公式表示为
频率偏差主要是通过检测电网电压波形周期的方法来实现的，通过硬件测得输入波形的过零点，再利用定时计数器来计算得到正弦波的周期，从而方便地求得实际频率，实测频率与额定频率之间的差值即为频率偏差。
2.3 三相不平衡度
三相不平衡度指 50 Hz 电力系统正常运行方式下由于负序分量引起的三相不平衡的程度。电压或者电流不平衡度分别用εu或者 εi表示，可用电压或者电流负序分量与正序分量的方均根值得百分比表示为
三相不平衡的检测是通过计算三相电力系统中负序分量和零序分量的方法来实现的，根据对称分量法，将不对称的三相相量分解成相序各不相同的对称正序、负序和零序分量，由 FFT 算法计算出各相电压的实部和虚部，代入对称分量法公式即可求得负序和零序分量，再求它们与正序的比值，即可得到负序和零序分量的含量，通过负序和零序分量的含量即可判断三相不平衡的程度。
2.4公用电网谐波
近年来，随着电力电子技术的广泛应用，半导体器件等其他非线性负荷在电力系统中的使用也越来越多，这就不可避免地使相关的电流和电压波形产生较大程度的畸变，通常称为谐波污染。谐波污染将影响电能的质量，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响。电力系统的谐波对各种电气设备，如继电保护、自动装置、计算机、测量和计量仪器以及通信系统均有不利影响。所以，对电网中谐波含量进行准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。谐波的检测方法主要有以下几种。1）模拟滤波器。模拟滤波器有两种，一种是高通滤波器，通过滤波器滤除基波电流分量，得到谐波电流分量。二是用低通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减后得到谐波电流分量。2）基于傅里叶变换的谐波检测方法。该方法检测精度高、实现简单、功能多且使用方便。在频谱分析和谐波检测两方面均得到广泛应用。3）瞬时无功功率理论。瞬时无功功率理论以瞬时有功功率P 和瞬时无功功率Q 的定义为基础，即PQ理论。后来又补充了基于瞬时有功电流iP和瞬时无功电流iQ定义的理论，即iPiQ理论。
2.5 电压波动和闪变
电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化，电压波动常用相对电压变动量来描述，电压波动取值为一系列电压均方根值变化中的相邻两个极值之差与标称电压的相对百分数，即
电光源的电压波动造成灯光照度不稳定的人眼视感反应称为闪变，换言之，闪变反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响。闪变的主要决定因素如下。1）供电电压波动的幅值、频率和波形。2）照明装置。以对白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定电压等有关。3）人对闪变的主观视感。显然，电压波动的幅值越大，闪变越严重。不同电压的波动分量，引起的照度变化对人的感觉的影响是不一样的，人眼对 6~12 Hz 的电压波动感觉最灵敏，其中对 8.5 Hz 的波动分量最为敏感，人眼能感觉到的极限频率范围 0.05~35 Hz，在各种波形中，方波波动引起的照度变化最大。
3电能质量检测方法
3.1时域仿真方法
时域仿真分析是在仿真程序的基础上，针对电能质量问题中的暂态信息量进行研究。时域仿真程序有系统暂态仿真程序和电力电子仿真程序两大类。电力系统主要由Ｒ、Ｌ、Ｃ元件组成，电力方程以微分方程的形式表示，运用数学计算方法求解。
3.2频域仿真方法
频域仿真方法主要针对的是电能质量问题中的谐波问题，包括频率扫描、常规谐波潮流计算、混合谐波潮流计算。混合谐波潮流计算方法与常规谐波潮流计算方法相比，能反映非线性负载的动态特性、考虑非线性负载对控制系统的作用。但是该方法计算量大，求解过程复杂。
3.3基于变换域的仿真方法
3.3.1傅里叶变换法
在电能质量分析领域中，常用的傅里叶变换法是离散傅里叶变换和快速傅里叶变换。对非正弦周期信号的时间连续信号等间隔采样，借助计算机对采样值转换成的数字序列进行谐波分析。傅里叶变换法要求采样频率必须是最高信号频率的两倍以上，而且被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。如果不能满足这两个要求，ＦＦＴ分析就会带来误差，出现“频谱混叠”或者“频谱泄露”现象。对于非平稳信号，如电能质量问题中的电压暂降，由于信号在任一时刻附近的频域特征都很重要，且信号有突变，仅仅从时域或者频域分析是不够的，信号中若存在突变，其频谱将分散于整个频带。
3.3.2短时傅里叶变换
短时傅里叶变换（也叫窗口傅里叶变换）方法克服了傅里叶变换法的缺点，将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合，短时性则通过窗口函数来覆盖时域。短时傅里叶变换中的窗口一旦选定，其时频分辨率就确定了，不随时间和频率变化。对于非平稳信号，某一时段需要小窗口分析短时间段上的高频信号，另一时间段需要大窗口分析长时间段上的低频信号，因此时间窗口大小很难选定。由于短时傅里叶变换的时－频窗口是固定的，所以这种方法不适合含有多个频率分量和暂态过程不连续的信号。
结束语
本文介绍了电能质量的相关概念，并对电能质量检测方法进行分类，着重分析了基于变换的方法在电能质量检测中的应用。随着数字信号处理以及计算机技术的进步，电能质量检测技术也随之发展，检测装置也越来越先进，能够实现对电能质量的各项指标检测、分析。电能质量的检测分析对电网安全运行，以及用户和设备的安全具有重要意义。
参考文献：
［１］ 肖湘宁，韩民晓，徐永海，等．电能质量分析与控制［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．
［２］ 肖湘宁，徐永海．电能质量问题剖析［Ｊ］．电网技术，２００１，２５（３）：６６－６９．
论文作者:程兰芳,田润生
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/5
标签：电压论文; 电能论文; 谐波论文; 质量论文; 频率论文; 分量论文; 偏差论文; 《电力设备》2018年第22期论文;