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1、本科生毕业设计（论文）电能质量参数中电流综合评估方法探索学院（部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师：完成日期： 年 月摘 要本文对电网电能质量现有的国家标准以及国内外研究现状进行了简单介绍，着重介绍了影响电能质量的重要因素电流谐波，并运用Matlab/Simulink软件对以船舶电网为例的电流谐波畸变和由此导致的另一个电能质量参数功率因数这两个参数进行了评估。关键词：电能质量，电流，仿真，评估AbstractThis paper gives an outline of national standards concerning electrical power quality and
2、 the state-of-art of the researches fulfilled both at home and abroad. The emphasis is put on the principal element of power qualitycurrent harmonics. Afterwards, under the consideration of marine electric network, the assessment of both parameters of current harmonic distortion and power factor und
3、er the environment of Matlab/Simulink.Key words: Power Quality, Electric Current, Simulation System, Assessment目 录1引言 （1）1.1电能质量的国家标准 （1）1.2电能质量的研究 （4）2. 电能质量的发展趋势 （5）2.1对电能质量指标及其标准的思考 （5）2.2 20世纪末对电能质量要求的新发展 （7）2.3现代电能质量监测技术的发展趋势 （8）3. 电能质量评估方法比较与分析 （10） 3.1电能质量评估的必要性 （10）3.2几种评估方法的基本原理 （11）3.3电能质量
4、评估方法比较与分析 （18）4. 仿真系统设计与实验结果 （19） 4.1仿真电网程序图及参数 （19） 4.2实验结果监测数据 （20） 4.3数据评估 （26）5. 结论 （27）参考文献 （27）1.引言电能是一种经济、实用、清洁且容易传输和控制的能源形态，电能作为一种特殊商品进入市场，与其他商品一样也应讲究其质量。随着国民经济的快速发展，生产部门和用户越来越关注电能质量。电能质量对电网的安全运行有着重要的意义，同时电能质量的好坏也直接影响着用户侧设备是否能正常运行。例如法国国家电力公司分别用翠绿色、银白色、金色和绿色等不同颜色表示不同等级的电能质量，按不同的价格进行收费。1.1电能质量
5、的国家标准电能质量包括四个方面的相关术语和概念：电压质量(Voltage quality)，即用实际电压与额定电压间的偏差(偏差含电压幅值、波形和相位的偏差)，反映供电企业向用户供给的电力是否合格；电流质量(Current quality)，即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低网损；供电质量(quality of supply)，包含技术含义和非技术含义两个方面：技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量(quality of service)包括供电企业对用户投诉的反应速度和
6、电力价格等；用电质量(quality of consumption)，包括电流质量和非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等,它反映供用双方相互作用与影响用电方的责任和义务1。通常，电能质量定义为：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。从20世纪90年代初到2001年，我国国家技术监督局先后组织制定并颁布了6项电能质量国家标准2，3：GB 123251990供电电压允许偏差；GB/T 145491993公用电网谐波；GB/T 155431995三相电压允许不平衡度；GB/T 159451995电力系统频率允许偏差；GB 123262000电压波动和闪变；GB/T 184812
7、001暂时过电压和瞬态过电压。表1.1 电能质量国家标准摘要标准编号标准名称允许限值说 明GB12325-90供电电压允许偏差1.35kV及以上为正负偏差绝对值之和不超过10%；2.10kV及以下三相供电为7%；3.220V单相供电为+7%-10%。衡量点为供电产权分界处或电能计量点。GB12326-90电压允许波动和闪变电压波动1.10kV及以下2.5%；2.35110kV2%；3.220kV及以上1.6%。闪变V101.要求较高的照明0.4%（推荐值）；2.一般照明负荷0.6%（推荐值）。1.衡量点为电网公共连接点（PCC），取实测95%概率值；2.给出闪变电压限值和频度的关系曲线，可以根
8、据电压波动曲线查得允许值，并给出算例；3.对测量方法和测量仪器做出基本规定。GB/T 14549-93公用电网谐波各级电网谐波电压限值（%）电压（kV） 总畸变率 奇次 偶次0.38 5 4.0 2.0610 4 3.2 1.63566 3 2.4 1.2110 2 1.6 0.8（220kV电网参照110kV执行）1.衡量点为PCC，去实测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作出基本规定；4.对同次谐波随机性合成提供算法。GB/T 15543-95三相电压允许不平衡度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%。1.各级电压要
9、求一样；2.衡量点为PCC，去实测95%概率值或日累计超标不超过72min，且每30min中超标不超过5min；3.度测量方法和测量仪器作出基本规定；4.提供不平衡度算法。BT/T 15945-95电力系统频率允许偏差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。对测量仪器提出了基本要求。1.1.1电压偏差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偏差的百分数为该节点的电压偏差。电压偏差计算式如下：电压偏差(%)=(实际电压-额定电压)/额定电压100% 电能质量供电电压允许偏差(GB12325-1990)规定电力系
10、统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：(1)35kV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的正负偏差绝对值之和不超过10%；(2)10kV及以下高压供电和低压三相用户为额定电压的+7%-7%；(3)220V低压单相用户为额定电压的+7%-10%。1.1.2公用电网谐波谐波(Harmonic)，即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于1的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。1电能质量公用电网谐波(GB/T14529-1993)中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值，见表1.2。表1.2 公用电网谐
11、波电压（相电压）限制值电网标称电压（kV）电压总谐波畸变率（%）各单次谐波电压含有率（%）奇次偶次0.385.04.02.06、104.03.21.635、663.02.41.21102.01.60.81.1.3三相电压不平衡电能质量三相电压允许不平衡度(GB/T15543-1995) 规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%，每个用户不得超过1.3%。该标准还解释：不平衡度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产(运行)周期中的实测值,例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平衡指标时，该标准规定用95%概
12、率值作为衡量值。即正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和实际测量的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合,应和实际测量的95%的概率值对比；以判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作1。1.1.4频率偏差 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差。电能质量电力系统频率允许偏差(GB/T15945-1995)中规定：电力系统频率偏差允许值为0.2Hz，当系统容量较大时，偏差值可放宽到+0.5Hz-0.5Hz。1.1.5电压波动闪变电压波动(Fluctuation)，即电压方均根值一系列的
13、变动或连续的改变；闪变(Flick)，即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的1。电能质量电压波动和闪变(GB12326-2000) ，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值，见表1.3。表1.3 各级电压下闪变限制值系统电压等级1kV135kV35220kVPst1.00.9(1.0)0.8Plt0.80.7(0.8)0.61.1.6暂时过电压和瞬态过电压 “暂时过电压”是指其频率为工频或某谐波频率，且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压；“瞬态过电压”为振荡的或非振荡的，通常衰
14、减很快,持续时间只有几毫秒且为缓波前的(例如一些操作过电压)或几十个微秒且为快波前(如雷电过电压)的过电压1。表1.4 各类作用电压的典型波形分类低频电压瞬态电压持 续暂 时缓波前快波前陡波前电压波形电压波形范围f=50或60HzTd1h10f500Hz0.03 Td 3600s20T15000sT220ms0.1T120sT2300s3 T1100ns0.3f1100MHz30f260 s。(2)频率偏差(Frequency Deviations)各国均已作出具体规定。(3)电压下跌(Sags)持续时间为0.5周波1 min,幅值为0.1 p.u.至0.9 p.u.(标幺值),系统频率仍为标
15、称值。(4)电压上升(Swells)电压(或电流)暂时性超过标称值10%者称为电压上升。系统频率仍为标称值。持续时间为0.5周波1 min,幅值为1.1 p.u.至1.8 p.u.(标幺值)。(5)瞬时脉冲或突波(Transients)瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲,也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。(6)电压波动(Voltage Fluctuations)电压波动是在包络线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出0.9 p.u.至1.1 p.u.电压范围的一系列电压随机变化。这种电压变化往往称作闪变(fl
16、icker)。闪变这个专用术语是来自电压波动对照明灯的视觉影响。对输配电系统产生电压闪变的最常见原因是电弧炉。(7)电压切痕(Notches)电压切痕是一种持续时间小于0.5周波的周期性电压扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率会非常高,因此用常规的谐波分析设备是很难测量出电压切痕的。这就是过去从未有过此项电压扰动内容,直到最近才正式列入的原因。(8)谐波(Harmonics)含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐波。产生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波之和。谐波是由于电力系统和电力负荷中设备的非线性特性造成的。谐波有奇
17、次(又可分为3的倍数和非3的倍数)和偶次之分。随着用电装置对谐波敏感性的日益增加,高次谐波越来越受到注意并规定了限额。(9)间谐波(Interharmonics)含有基波的非整倍数频率的电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数谐波(fractional harmonics)亦属于此类。间谐波的主要来源是静止变频器(statifrequency converter)、循环换流器(cyclo converter)、感应电动机和电弧发生装置等。间谐波会使显示装置引发视觉闪变。(10)过电压(Overvoltages)过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于1 min。过电压的幅值为1.1 p.u
18、.至1.2 p.u.。(11)欠电压(Undervoltages)欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间大于1 min。欠电压的幅值为0.8 p.u.至0.9 p.u.。2.3现代电能质量监测技术的发展趋势12 监测电能质量是电力公司了解其电力系统性能并使之满足用户需求的前提，是分析和解决电能质量问题的第一步，是在电力市场交易中建立电能质量等级服务标准和检验供电部门能否达到合同约定的电能质量水平的技术和数据基础并为对电能质量进行综合性评估提供了切实的依据。随着网络通信技术和信息技术的迅速进步，为适应当代电力系统发展的需要，电能质量监测技术正朝着网络化、信息化、标准化、智能化的方向发展12。（
19、1）监测系统的网络化 监测系统的网络化，可以实现同一供电系统对不同地点电能质量的监测，也可实现多个局域系统的集中监测，对全系统电能质量可进行多层分析和评估，有助于针对存在的电能质量问题提出合理的治理方案。监测数据量的庞大，数据共享性的要求不断提高，以及多角度观测的需求，使得原始的局域网很有可能不能满足需求。未来的发展一定会建立在宽带通信和光纤网络的技术支撑上，网络的拓扑结构直接反映着电能质量监测系统的总体水平。（2）监测体系的信息化 从监测内容来看，首先，监测点要求信息的实时性加强了，实时数据的传输需要面向连接，频度为秒级，比特率可变，且具有较高的精度等级；其次，为保证系统可靠性和安全性，信息
20、的传送必须快且准。拒送、误送或者延迟都可能导致事故；再次，涉及的是多业务的灵活性，电力系统中关于生产和管理所需的批次信息和其它数据也将在通信网传输，这类业务包括上传报表、文件等数据业务，其传输的频度及应用类型都较为随机，要求传输网络具有较高的灵活性和扩展性。因此，传统的电力通信向实时、可靠、高速，并集成语音、数据、图像等各类业务为一体的信息化综合性网络方向发展十分必要。（3）监测数据的标准化监测系统的标准化包括数据格式的标准化和显示界面的标准化。电能质量监测实时数据量相当庞大，而且要求数据可以共享并能进行多角度观察，因此对于数据格式的设计应该有严格的统一的规定。数据格式标准化，使得数据的共享与
21、传输就显得轻而易举了。IEEE 标准委员会提出了一种通用的数据文件格式作为通用的平台PQDIF（power quality data interchange format）。PQDIF 是种平面文件结构，由各记录链接而成，通过标记元素结构将数据的物理属性和逻辑属性分离，具有良好的扩展性和压缩性，解决了数据量庞大的问题，也实现了电能质量物理属性的多角度观察，其功能又类似于中间件，使多数据源具有良好的兼容性，便于实现数据共享，为分析电网的电能质量问题以及实现电能质量管理和分析系统提供一种很好的平台。目前，PQDIF 已经成为先进国家信息标准化的趋势。在具体的工程实践中，监测系统需要自动连接对应站点
22、，实时接收站点的测量数据、波形、频谱，并显示于客户端，还供随时调阅数据。因此，为了提高系统信息共享的档次；易于工作人员之间交流经验；各站点之间、各监测仪器之间相互交换数据更方便；明确显示每个监测仪器、子系统及主系统各项功能，便于比较，在数据设计格式统一化、标准化的基础上，监测系统还要求显示界面的规格化、统一化、标准化。这也是加快信息化和网络化的步伐之一。（4）监测评估的智能化电能质量监测技术需要利用先进的数学方法和工具对电能质量现象和实测数据进行挖掘、分析、整理和报告表述，还需要对电能质量扰动做出科学的评估，为电力部门改善电能质量提供决策依据，因此，电能质量的专家分析系统各功能模块的设计应向智
23、能化和科学化方向发展。3. 电能质量评估方法比较与分析3.1电能质量评估的必要性由于不同的用电设备对电能干扰的敏感度各有不同，且用户因为电能质量问题所导致的损失也不同，所以用户对电能质量关注的方面和程度也有所不同。图3.1从客观上分析了不同用户对电能质量的不同需求，在主观上给出了在电力市场的条件下，供电公司对于用户不同选择的应对措施。调查结果表明绝大多数用户（包括居民）所受的影响累计起来损失很大，但他们不愿为提高电能质量而支付任何额外费用，所以在电力市场条件下居民用户代理选择不同的供电方，即选择电能质量综合性能比较好的供电方，这就需要我们对电能质量进行综合评估，而供电方也要不断提高电能质量的综
24、合性能来改善用户的生活品质。较高的综合性能会吸引大多数用户，例如居民，而对于特殊用户或者少数大用户，他们会关注电能质量的某些指标，而他们也愿意为此支付额外的费用，这是供电方的高价值端用户，会为供电方带来不少利润。所以电能质量的单项指标评估与综合评估都是非常重要的。客观性主观性个性化要求的特征（特殊用户或少数大用户）1.设备对个别现象敏感，愿为个别或部分指标作要求并付费；2.设备产生个别显著的干扰，并为干扰作投资或付费；3.在电力市场下，用户可针对个别指标选择不同的供电方。电力公司1.对敏感用户改善供电环境；2.对干扰用户约束/隔离罚款/敦促治理。单项指标高标准给敏感用户；低约束给干扰用户电能质
25、量结论：1.作为被选择方或主动争取用户方，以方面需要以个性化指标全力争取大用户（高价值）；另一方面，随着经济发展，居民用电市场增大，需要综合指标吸引大多数用户；2.工艺责任要求全面提高服务，需要有综合评价指标衡量，评比。特征分类暂态/离散（事件）型稳态/连续型我国标准GB/TDL/TGBGB/TGBGB/TGB/T瞬态过电压谐振过电压工频过电压长时间中断/可靠性电压偏差谐波频率偏关IEEE std 1159瞬变冲击脉冲瞬变振荡电压暂升电压暂降短时间中断电压长时间变动电压不平衡电压波动和闪变（间）谐波直流偏置陷波综合指标保证一定利润下不断提高标准IEC单方向瞬变振荡性瞬变工频过电压长时间中断电压
26、偏差间）谐波直流偏置信誉损失与公益性责任高频传导现象低频传导现象大众化要求的特征（绝大多数用户）1.调查结果表明绝大多数用户（包括居民）所受的影响累积起来，损失很大，但他们不愿为提高电能质量而支付额外费用；2.在电力市场下，居民用户代理选择不同的供电方。图3.1 用户对电能质量的要求及供电公司应对的措施分析注：图中电能质量分类的空白处表示还没有对应机构的标准3.2几种评估方法的基本原理13 目前，已经有多篇文献对电能质量综合评估方法进行了研究探讨。主要包括基于概率统计与矢量代数的方法、基于模糊数学的方法、概率论与模糊数学相结合的方法、层次分析法与模糊数学相结合的方法等，近两年来还出现了利用物元
27、分析法来进行电能质量综合评估，这些方法均在不同方面显示出各自的优缺点，值得借鉴与学习。3.2.1概率统计与矢量代数的方法确定电能质量评估的时间段将电能质量的各指标按国标和实际需求划分等级求电能质量各指标对应各等级的概率分布求电能质量各指标的概率分布的期望值和方差，并将其标幺化用矢量代数方法将期望和方差的标幺值归一量化，从而得到评估指标的唯一量化指标对归一量化值进行分级，评定电能质量所处等级图3.2 概率论与数理统计评估方法流程图根据上述流程图，其评估步骤为：（1）确定电能质量评估的时间段（如一天24小时）电能商品的生产和销售具有日、周和季等周期特性，因此需要选定一定的周期作为评估时间段，所选的
28、周期应能够很好的描述短期和长期负荷消费的电能质量情况，一般取24小时。（2）将电能质量的各指标按国家标准和实际需求划分等级（3）求电能质量各指标对应各等级的概率分布在所确定的时间段的时长范围内，求出电能质量指标在每一级的时长，则该指标处于第k级的概率分布Pk=该指标在第k级的时长/整个时间段的时长（24小时）。概率分布Pk完整的描述了一天24小时电网该项指标各级的状况。（4）求电能质量各指标的概率分布的期望值和标准差值，并将其标幺化人们实际需求的是各项指标的平均值和离散情况，所以可以根据概率和数理统计原理，用概率分布Pk期望值E(K)和标准差(K)来反映该指标的特性。然后由专家打分或按实际要求
29、确定期望和标准差的基准值EB(K)、B(K)，对求得的期望值E(K)和标准差(K)进行标幺化，求其标幺值E*(K)、*(K)。（5）用矢量代数方法将期望和标准差的标幺值归一量化。用矢量代数的方法将两个标幺值归一量化为一个指标Q*，对这个指标标幺化，得到Q=Q*/2，则Q就是表述该项指标特性的唯一量化指标。（6）对归一量化指标进行如下分级，则归一电能质量指标越小，综合电能质量越好。3.2.2基于模糊数学的方法目前，模糊数学理论在处理电能质量综合评估问题上，主要有模糊模式识别和模糊综合评价两种方法，它们的具体评估流程如图3.3和图3.4。将电能质量划分为若干等级形成指标隶属度样本集建立电能质量各项
30、指标的模糊模型将实测数据代入模糊模型得到各项指标的模糊集合取模糊集合的算术平均数得到各项指标的隶属度，并将其用隶属度集合表示采用海明距离贴近度求出隶属度集合于电能各等级的贴近度判断电能质量属于哪一等级图3.3 模糊式识别方法流程图建立电能质量各项指标的隶属度函数代入测试数据得到的各项指标的所有数据的隶属度对每项指标进行等级评定求出所有数据在各等级的百分比根据实际情况对二级评判进行因素划分采用模糊综合评判进行等级判断图3.4 模糊综合评判方法流程图3.2.3概率论与模糊数学相结合的方法根据国标对电能质量各项指标分级用概率统计方法对各项指标分级评估得到各指标各级的概率将所有指标的概率分布按等级排成
31、矩阵将该矩阵与权重矢量相乘得到各级电能质量的评估结果矩阵对所得矩阵采用加权平均法处理得到电能质量的评估结果图3.5 概率论与模糊数学相结合的方法流程图针对概率统计与矢量代数方法和模糊数学方法各自的优缺点，文献14提出了概率论与模糊数学相结合的电能质量综合评估方法，其评估流程如图3.5所示。此种法首先对电能质量的各项指标进行分级，然后运用上述概率统计的方法对各指标分级进行评估分析，得到各个指标各级的概率分布P，将每个指标的第k级概率分布Pk按顺序排列成矩阵Bmn（m表示电能质量的指标项数，n表示每个指标都被分为n级,Bi,j即表示电能质量第i项指标的第j级的概率分布，i 1,m ,j 1,n）。
32、把矩阵B与相应的的权重矢量A1m乘，得到一个含有n个数据的矩阵C1n。权重矢量A1m的元素为与B中相对应的电能质量的某项指标的权重值，具体数值由实际需要而定。矩阵C的n个数据为各级电能质量的评估结果。最后，对矩阵C应用加权平均法处理得到一个数据D，就是电能质量的唯一量化评估结果。此种方法在初始数据采集和处理过程中应用概率统计方法，既保证了评估过程的客观性，避免了人为主观因素的不良影响，又可以有效地体现各分项指标的主要特征。在数据评估阶段，引入了权重矢量，体现了各单项指标的重要性，能够满足用电个性化的需求，但是如何确定权重矢量，以克服主观因素的影响，尚需进一步改善。3.2.4层次分析法层次分析法
33、（Analytic Hierarchy Process，AHP）是由美国运筹学家T.L.Satty于20世纪70年代创立的一种将定性与定量分析相结合的多目标决策方法。它的基本思想是将复杂的问题分解成各组成因素，然后按因素的支配关系分成有序的递阶层次结构；通过两两比较判断形成确定每一层次中因素的相对重要性，最后在递阶层次结构内进行合成，得出决策因素相对目标的重要性的总的顺序，为决策者提供选择方案的理论依据。通过层次分析法可对评估对象进行主观赋权。建立层次递阶结构构成判断矩阵层次单排序及一致性检验层次总排序（计算权重及检验）图3.6 层次分析法流程图根据上述流程图，其步骤为：（1）建立层次递阶结构
34、。层次递阶结构通常可划分为目标层、准则层和方案层。对于电能质量综合评估，可建立如图3.7所示的递阶结构。A层电能质量B层电压质量频率质量C层电压偏差闪变波动谐波三相不平衡频率偏差图3.7 电能质量评估层次递阶结构（2）构成判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层某元素，本层次有关元素之间相对重要性的状况，通常用标度1、2、3、9及它们的倒数来表示相对重要性。（3）层次单排序及一致性检验。层次单排序是指，根据判断矩阵计算对于上一层某元素而言本层与之相关联的元素重要性次序的权值，它是层次总排序的基础。层次单排序可以归结为计算判断矩阵的特征值及特征向量问题。（4）层次总排序（计算权重及检验）。利用同一层次中所有元素的层次单排序结果，可以计算针对上一层次而言本层次所有元素重要性的权值，即层次总排序。层次总排序需要从上至下逐层进行，对于最高层，层次单排序即为总排序。最后还要对层次总排序进行一致性检验。文献15在层次分析法的基础上，进一步对各单项电
