電能質量分析及其測量系統(tǒng)的研究

陳兵

摘 要：隨著社會經濟的發(fā)展，電能質量成為了影響電力企業(yè)發(fā)展的重要因素之一。電能質量與電能測量技術密切相關。簡要介紹了電能質量的分析方法及其測試系統(tǒng)，指明了新技術的應用范圍和發(fā)展方向，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：電能質量；電能測量技術；測試系統(tǒng)；電力系統(tǒng)

中圖分類號：TM711.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.064

在經濟不斷發(fā)展的大趨勢下，社會各界對電力的需求量日漸增加，電力系統(tǒng)也在原有的規(guī)模上不斷擴大，整流型、帶有沖擊性的非線性負荷也逐漸增多。非線性負荷的存在會導致電網畸變、波動，甚至出現(xiàn)閃邊的情況，進而引發(fā)三相不平衡的電能質量問題。鑒于此，我國相關部門加大了對電能質量和用電設備運行穩(wěn)定性的研究力度。目前，電能質量已經成為了備受關注的熱點話題之一。因為電能質量引發(fā)的電網事故和人員糾紛案件屢見不鮮，所以，電能質量管理和電力治理工作越來越重要。隨著時間的推移，人們已經認識到了電網諧波和三相不平衡問題的嚴重性。因此，相關部門在電能質量標準中增設了部分電力功能、電壓波動和閃變等方面的內容。

1 電能質量分析

在企業(yè)運行的過程中，電能質量是非常重要的，它在電力系統(tǒng)中占有舉足輕重的位置，已經受到了人們的高度關注。因此，如何保證電能質量參數(shù)的穩(wěn)定性，提高電能質量，并作出合理的評價，已經成為了電能質量檢測中的重要內容之一?，F(xiàn)階段，我國針對電能質量中存在的問題制定了多項解決措施，以期進一步推動社會的發(fā)展。

1.1 電能質量的分析方式

1.1.1 時域仿真方式

在電能質量分析中，時域仿真方式已經被廣泛應用。它主要是通過時域仿真程序探究影響電能質量的多個因素。在電能質量分析中，不僅可以使用有通用性的EMTP系統(tǒng)、EMTDC系統(tǒng)、BPA系統(tǒng)和NETOMAC等仿真程序，還可以使用SPICE、MATLAB和SABER等電力電子仿真程序。隨著科技的發(fā)展，仿真程序也在不斷更新?lián)Q代，其功能性在實踐過程中不斷加強，而且在電力設備、電力系統(tǒng)諧波分析和元件建模等工作中也可以應用這種技術。

1.1.2 頻域分析方式

頻域分析方式是分析諧波問題時比較常見的方法，包括頻率掃描和諧波潮流的計算等。諧波是指電力系統(tǒng)中的電壓或電流訊號，除了基頻（50/60 Hz）外之交流、周期性成分，其他的皆被稱為諧波。頻譜分析的作用是利用儀器和軟件分解諧波的組成成分，明確各次諧波的頻率，以便于后期分析。結合非線性負載動態(tài)的特征，隨著科學技術的不斷發(fā)展，混合諧波潮流計算方式應運而生。也就是說，在原有計算基礎的前提下，可以利用EMTP等技術仿真計算非線性負載。這樣，不僅能夠求出各次諧波動態(tài)的電流矢量，還能夠求得動態(tài)的諧波潮流解。

1.2 變換方式

在分析電能質量時，應用的變換方式主要包括Fourier變換方式、短時Fourier變換方式和小波變換方式。作為信號分析的經典方式，F(xiàn)ourier變換方式有顯著的優(yōu)勢，所以，它被廣泛應用。但是，要想應用FFT變換方式，就要具備2個使用條件：①與采樣定理的要求相吻合，即采樣頻率是最高信號頻率的2倍；②被分析波形的變化狀態(tài)要穩(wěn)定，能夠隨著時間的變化而變化。因此，在采樣頻率或者信號不能滿足上述條件時，運用FFT變換方式分析電能質量可能會出現(xiàn)不良的輕量，導致數(shù)據(jù)分析不準確，存在不必要的誤差。另外，F(xiàn)FT變換方式針對的是整個時間段的積分，可能無法充分利用時間信息，信號一旦發(fā)生突變，頻譜就會散布在整個頻帶上。

為了減少電能質量對數(shù)據(jù)存儲空間的擾動，減小對傳輸數(shù)據(jù)量的影響，進一步提高電能質量監(jiān)測和分析系統(tǒng)的實時性，在深入研究提升小波變換基本理論的基礎上，提出了一種基于提升小波變換的電能質量擾動數(shù)據(jù)壓縮方法，具體步驟是：①多尺度分解提升小波變換擾動電能質量的信號。②根據(jù)相應的施加閾值策略，閾值量化和編碼處理每個尺度上的高頻系數(shù)，并保存與擾動相關的系數(shù)值，拋棄其他與擾動無關的系數(shù)值，有效壓縮電能質量擾動數(shù)據(jù)。③要想提升小波逆變換，就要用壓縮后的數(shù)據(jù)重構原始電能質量擾動信號。在閾值量化和編碼時，各尺度要采用不同的軟閾值，而閾值估計可用極大、極小閾值計算。

2 電能測試系統(tǒng)分析

2.1 模擬電路測量系統(tǒng)

電路測量系統(tǒng)作為我國電能質量測量裝置的早期工具之一，工作人員在其基礎上繼續(xù)展開研究，研制出了類似諧波測量儀器的設備。在實際的模擬電路中，臨接式帶通濾波器和單節(jié)濾波器型諧波分析儀較為常用。在設計儀器時，帶通濾波器的中心頻率與諧波頻率的數(shù)值相等。利用這種設置，當濾波器組遇到周期信號時，每種頻率的諧波信號只能從同頻帶和有所對應的濾波器內通過，而濾波器的輸出幅值檢波后的記錄是時間函數(shù)。這種諧波分析儀的優(yōu)勢是應用分析的時間相對較短，缺點是結構較為復雜，并且成本較高。要想有效提高其分辨率，就要使用更多的精密濾波器和檢波器。單節(jié)濾波器型諧波分析儀僅需要使用一個窄帶濾波器。另外，高頻振蕩器輸出一個頻率可調的正弦電壓信號和被測信號會被一起輸入調制器，并在調制器內部混頻。

2.2 基于MCU和DSP的采樣測試系統(tǒng)

DSP是指高速數(shù)字信號處理技術，它是專門完成實時數(shù)字信息處理的。而基于MCU和DSP的采樣測試系統(tǒng)是建立在數(shù)字信號處理理論基礎上的，它是一種專用的綜合性微處理器，專門處理以運算為主的信號。該系統(tǒng)的應用原理如圖1所示。

基于MCU和DSP的采樣測試系統(tǒng)利用數(shù)字信號處理技術很好地解決了諧波測量工作中存在的問題，對于軟件中的不合理之處，利用它也可以適當?shù)匦薷?。該系統(tǒng)還能夠完成多種指標的測量，例如電壓，頻率，電壓、電流的有效值，電壓的缺口和深度等，為實際測量工作奠定了堅實的基礎。但是，在實際工作中，該系統(tǒng)不僅要完成采樣、打印等工作，還要統(tǒng)計、核算相關數(shù)據(jù)。如果它只使用單個處理器，那么，完成任務是有一定難度的。因此，為了提高工作效率，現(xiàn)在的電力測量系統(tǒng)一般會配置2個或2個以上的處理器。

2.3 分布式采樣系統(tǒng)

近年來，我國電能測量系統(tǒng)在不斷發(fā)展，現(xiàn)在普遍使用統(tǒng)計型電壓表檢測電壓質量，但是，部分電壓檢測設備還存在一些不足——只能檢測電壓的合格率，并沒有建立相對完備的體系為其提供指導。諧波測量儀和電壓波測量儀等能夠有效控制各級母線電壓和主變壓器的諧波電流，實時測量大、中型非線性負荷用戶和電廠的數(shù)據(jù)，然后再將其匯總。這樣，分析人員就可以合理地分析、評估和預判電能質量。針對當前的發(fā)展情況，建立并完善電能質量在線監(jiān)測網和科學、規(guī)范的管理平臺是非常重要的，它的存在可以盡早將問題暴露出來，相關工作人員也可以及時制訂解決措施，保證電網的運行安全。因此，建立分布式的電能質量測量系統(tǒng)是這項工作今后發(fā)展的主要方向。

3 結束語

在市場經濟中，考慮到企業(yè)的長遠發(fā)展，提高電能質量是很有必要的。電能質量在保證電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用，而且它還是我國電網發(fā)展水平的重要標志。另外，提高電能質量能夠增加我國的國民收入，提高用電效率，減少環(huán)境污染，促進我國經濟的可持續(xù)發(fā)展，也為相關工作的長遠發(fā)展提供了可能。相信通過電力企業(yè)工作人員的集體努力，電能質量會不斷提高，網絡化測試系統(tǒng)則是其未來發(fā)展的主要方向。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕