现代电网电气量的检测与分析综述

石建磊，段秦刚

（1.冀北电力有限公司电力经济技术研究院，北京 100070；2.广东电网公司电力调度控制中心，广东 广州 510600）

电能是国民经济和社会发展中重要的能源，随着科学技术不断发展，人们对电能的依赖越来越大。当前，我国电力系统的发展面临着新的机遇与挑战。首先，以消耗化石能源（以煤碳、石油为代表）为主要发电方式的传统电力系统面临能源枯竭和环境污染的双重压力；其次，以通信技术及微电子技术为核心的新产业的发展对电力系统智能化、供电可靠性及电能质量提出更高的要求；再次，我国发电中心与负荷中心的逆向分布现状，决定了我们需要大力发展特高压输变电技术。面对世界电力发展的新动向，欧洲和美国分别以新能源发电、通信技术为核心提出了智能电网（Smart Grid）的概念。在这样的背景下，国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上提提出建设“坚强智能电网”的理念，智能电网的建设也得到政府的高度重视，2010年政府工作报告中明确提出要“加强智能电网建设”。我国智能电网以特高压输变电为基础，综合考虑新能源的接入、分布式能源的隔离等技术，以电力电子技术为主要特征，以通信信息平台为支撑，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。如何为用户提供可靠优质的电能，即电能质量问题，是智能电网发展与建设的重要问题之一。

在电力系统发展过程中，电气量的检测一直是电能质量分析的基础。早期，电能质量问题主要集中在频率偏差和电压偏差两个方面。20世纪80年代，众多新型电气设备投入运行，为电网注入各种电磁干扰，危害电力系统的安全稳定和负荷的正常工作[1]。目前在美国，由于电能质量下降，每年的经济损失达200亿~300亿美元，其中电压暂降、暂升、瞬时过电压和短时中断是美国电网中普遍存在的电能质量问题[2]。LPQI在对欧盟8国的1 400个监测点的电能质量调查认为，谐波畸变、电压闪变、供电可靠性、电压暂降和电磁兼容是欧洲电能质量的主要问题[2]。因此，检测电压暂降、电压闪变和波动、电压电流波形畸变一直是国内外研究的热点。

随着现代电网建设，分布式电源并网，大规模可再生能源的波动性、间歇性和不确定性以及多种电力变换接入方式对电网安全稳定运行提出了新的挑战，主要有以下几个方面[3]：第一，电压偏差的控制和调整，可再生电源往往在中、低压配电线并网，传统配电网由被动的受端变为有源系统，功率由单向转为双向流动，当较大的风力发电电源与用户在同一母线（连接点）上时，有可能造成用户电压偏差超标；第二，电压波动和闪变，风力发电中风况及塔影效应对并网风电机组引起电压波动和闪变影响很大；第三，谐波和间谐波，一个带有电力电子变换器的变速风力发电机组，在运行中将产生一定量的谐波和间谐波畸变，另外，当分布式发电向配电网注入直流，直流会使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，引起发热，振动并使附近机械负荷产生转矩脉动；第四，供电的短暂中断和可靠性，许多情况下分布式发电设计成当电网企业供电中断时，可作为备用发电来向负荷供电，但从主供电电源向备用电源的转移往往不是一种无缝转移，开关切换需要一定的时间，所以可能仍存在极短时间的中断。此外，各类对电能质量愈加敏感负荷的大规模应用以及充电汽车的大规模发展，使电网结构和负荷类型正在发生着深刻变化。

以往的保护策略无法满足现代电网安全稳定运行的要求，需要基于新的电气量检测方法，检测出现代电网中故障情况下和非故障情况下，电压暂降、电压波动和闪变、电压电流波形畸变的特征，与保护协调配合，实现现代电网的安全稳定运行。随着信息化、智能化的发展，仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题[4]。基于信息化的数字信号处理分析方法在研究现代电网电气量的检测与分析，保障现代电网供电可靠性、运行稳定性中有重要意义。当前国际上由电力系统各种电能质量问题带来的经济损失中，占据前三位的是：电压暂降、电压波动和闪变、电压电流波形畸[2]。

1 国内外对于电能质量问题的研究动态

随着世界工业生产技术的提高，各国智能电网的提出，电能质量正不断被赋予新的含义，并逐渐形成一个覆盖诸多领域的综合的复杂的研究方向，引起国内外越来越多的关注[5]。

1996年，美国电科院（EPRI）出版世界第一本电能质量专著《Electrical Power Systems Quality》，此后的10多年时间里，在美国和欧洲先后约有20多本著作出版[2]。2008年，欧盟-莱昂纳多电能质量工作组（LPQI）出版的文献[6]，全面介绍了电能质量各种类型，主要有电能问题的基本现象；电压与电流的特性，包括电压暂降、电压波动与闪变、电压和电流波形畸变、电压和电流不平衡及过电压问题；电力系统运行中的电能质量问题，包括供电连续性和可靠性及电能质量监测与评估；电能质量相关配置，包括配电网结构、电器与设备；电能质量治理方案，包括和电力系统的关系、典型补偿方法与装置；未来电能质量市场，包括分布式发电和电力市场、劣质电能成本及电能的合理利用方面的最新研究成果等。2004年，肖湘宁教授出版了我国第一本电能质量教材，即文献[5]，到目前为止，国内相继翻译和出版了10多本著作。

迄今为止，解决电能质量问题的装置很多，对电压跌落起抑制作用的装置有以下几种：蓄电池储能系统（BESS）、动态不间断电源（DUPS）、机械切换开关（DUR）、超导磁能系统（SMES）、静止电子分接开关（SETC）、固态切换开关（SSTS）、静止无功补偿器（SVC）、不间断电源（UPS）[7]。

近年来，基于数字信号处理技术的各种分析方法已在以下电能质量领域中得到应用：分析谐波在网络中的分布；分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播；分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用；多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题[4]。所采用的方法有3种：时域分析方法、频域分析方法和变换分析方法[8]。

时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP、EMTDC、NETOMAC、BPA等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER等电力电子仿真程序两大类。频域分析方法主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算[9-10]。基于变换的方法这里主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法和小波变换（WT）方法。

2 国内外对于电压暂降的研究动态

电压暂降（Voltage Sag）是指在短时间内（通常指工频半个周期至1 min）供电系统电压突然下降，且超出正常电压偏差允许值，然后又返回到正常的电压水平。美国国际电工委（IEEE）的定义为：工频电压的有效值下降，其持续时间为10 ms～1 min。电压暂降深度是指电压额定值与电压暂降过程中的最小值之差。文献[11]认为引起电压暂降的原因主要有3类：第1类叫FRS（fault related sags），即与故障有关的电压跌落；第2类叫MSRS（motor starting related sags），即与大型电动机的启动有关的电压跌落；第3类叫MRRS（motor re-acceleration related sags），即与电动机的再加速有关的电压跌落，也就是大型电动机运行和故障之间的相互作用对电压跌落的特性有重大的影响。对于FRS，跌落开始下降和最后恢复都非常迅速；对于MSRS，跌落事件的恢复需要很长的时间，通常为几百毫秒到几秒；对于MRRS，在故障开始的时候，大型电动机作为电压源，因而减少了电压降，当故障清除以后，电动机再加速加深了电压跌落，延长了电压跌落的恢复时间[12]。

一般情况下，描述电压暂降特性的参数主要有3个[12]：电压暂降的幅值，即电压发生突然下降后的电压幅值大小，常用电压幅值暂降深度来表示；电压暂降时的相角跳变，指电压暂降前后相位角的变化，不对称电压暂降时，指电压基波正序分量的相角变化；电压暂降起止时刻，即电压暂降的持续时间。上述3个特性参数检测的准确性是判断电压暂降类型、原因以及进一步补偿分析的基础。依据电压暂降特性参数可以将目前关于电压暂降检测的方法分为两大类：电压暂降幅值检测方法和同时检测电压暂降幅值及相角跳变到的方法。

电压暂降幅值检测方法主要有：有效值法（RMS）、基波分量法、电压峰值法、基于无功功率理论的park变换法、小波分析法、卡尔曼滤波法。文献[5]的RMS法采用滑动平均值法，文献[13]介绍的基波分量法采用傅里叶变换，电压峰值法采用半个周期内的电压峰值差，这3种方法都需要长达半个或一个周期的数据框，对于基波分量法，如果数据框长为半个周期，那么则需要电压对称。因此，这3种方法会使暂降检测延迟半个到一个周期，而且，电压峰值检测方法检测到的暂降幅值与实际值相比多数情况下偏大。文献[14]采用基于无功功率理论的Park变换法，基本原理是对ABC三相电压进行Park变换，通过滤波提取直流量，再进行Park反变换，得到电压暂降幅值。这种方法能够检测电压暂降幅值，但只是用于三相对称扰动。Kalman滤波也称之为最小二乘滤波，其实质是对被污染的信号作最优估计，其遵循的最优滤波原则是一种最小方差原则，数学模型上主要突出模型噪声和测量噪声的影响。文献[15]应用Kalman滤波提取电能质量信号特征，实现了对电能质量信号的分类。文献[16]提出了基于小波模型的Kalman滤波较好地实现了对电力系统谐波的在线追踪。但是卡尔曼滤波也有其缺点，就是当发生电压突变时，高阶卡尔曼滤波需要一定反应时间才能准确地给出估计值。文献[17]采用的小波分析法及其发展可在时频局部化，而且时窗和频窗宽度可调节，故可以检测到突变信号。但是，小波分析法的检测结果受小波函数选取的影响较大，对各类噪声及微弱信号敏感，需要提前去噪，其得出的识别信号很难被迅速识别，而且同样存在半个周期数据框延迟的问题。

同时检测电压暂降幅值及相角跳变的方法主要有：单相电压变换平均值、傅里叶算法、缺损电压法以及基于瞬时无功功率的方法。文献[5]的单相电压变换平均值、缺损电压法在判断电压暂降发生时都会有一定的延迟。文献[5]给出的傅里叶算法这种方法能够算出系统电压幅值，而且能够算出电压暂降中是否发生了相移，是一种基本的应用广泛的方法，但是傅里叶算法有以下不足：1）其对信号中的任何局部信息处理方式相同；2）计算结果不能反映随时间变化的频率；3）数据窗长为信号周期的整数倍，计算结果有一个周期的延迟。瞬时无功功率法最早由日本学者H.Akagi于1984年提出的，经过不断改进，现包括瞬时电压d-q分解法、单相d-q坐标变换检测方法和改进的αβ-dq变换检测原理。文献[14，18-19]分别采用瞬时电压d-q分解法、单相d-q坐标变换检测方法及改进的αβ-dq变换检测原理。改进的αβ-dq变换检测方法在暂降幅值检测的准确性方面与另外2种方法没有太大差别，它的延迟虽然最短，但是在暂降结束时会产生较大的波动，当滤波器的截止频率较大时，波动现象十分明显。而对于相位跳变的检测，在滤波器截止频率较低时，3种方法的检测准确度基本一致，但均有较大的时滞。

3 国内外对于电压波动与闪变的研究动态

供电电压偏离系统标称电压的现象称为电压变动，电压变动值为电压方均根值的2个相邻极值之差。电光源的电压波动造成灯光强度不稳定的人眼视感度反应称为闪变。闪变是电压波动引起的有害结果，在实际应用时广义的闪变包括了电压波动，甚至电压波动的全部有害内容。

目前，国内外的闪变检测方法主要有3种：平方检测法、有效值检测法和整流检测法。其中IEC推荐的方法是平方检测法，基本原理是将电压的瞬时值进行平方运算后，再经过解调滤波器滤波得到电压波动信号；英国ERA闪变仪采用的方法是整流检测法，基本原理是将电压波动信号进行整流后，再经过带通滤波器便可得到调幅波；有效值检测法是将原电压波动信号平方后减去载波电压均值再进行积分运算。

此外，一些较新的检测方法也应用广泛，包括小波变换法、小波包分析法、基于无功功率理论的检测方法、独立分量分析法与Hilbert-Huang变换法等。

小波变换基本原理是用小波多分辨率信号分解滤波器取代传统同步检波器中的低通滤波器，检测电压闪变的包络信号及其突变时间的效果非常好。文献[20]基于小波对非稳定信号的敏感性，结合FFT变换的优点，提出了基于快速小波变换的闪变检测方法。文献[21]采用小波包分析和拟同步检波结合的方法检测电压闪变信号，该方法的优点是不但对低频部分进行了分解，而且对高频部分也做了分解，缺点是信息量大时实时性差，在线测量难度大。文献[22]提出了基于瞬时无功功率理论的检测方法，能够准确有效地计算出平稳闪变的参数和扰动发生的时刻、持续时间。文献[23]采用的基于独立分量分析ICA（Independent Component Analysis）的闪变检测方法是近年来发展起来的一种非常有效的盲源分离技术。该方法能准确分离平稳和非平稳的电压闪变信号的包络信号，不仅能够准确地检测出幅值和频率，而且能检测出扰动发生和终止的时间。但是，ICA的准确性容易受到噪声的干扰。此外，文献[24]提出一种新的非平稳信号处理方法，即HHT（Hilbert-Huang Transform）。该方法具有小波多分辨的优点，可以从时域和频域两方面同时对信号进行分析，能够准确检测出突变、非平稳谐波和电压闪变信号的时间、频率和幅值信息。

4 国内外对于电压电流波形畸变的研究动态

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，可以用偏移频谱描述其特征。波形畸变有5种主要类型：即直流偏置、谐波、间谐波、陷波、噪声[25]。

随着智能电网的建设和发展，电力电子器件的大规模应用，各种功率开关器件以及其他非线性负载在电力行业被广泛采用，大量谐波注入电网，电压电流波形畸变问题已经引起国内外越来越多的关注。目前，以高速数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展，使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正被采用数字控制的电能质量调节装置所取代。工业中，广泛应用有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）对电流波形畸变进行补偿，因此，当前国内外对于电压和电流波形畸变的检测主要是基于有源电力滤波器。

最早人们采用文献[26]中的方法，即利用模拟带通滤波器或陷波器的检测法。这种检测方法现在已经不用了，这是因为当电网频率波动时，所设计的滤波器中心频率会发生偏移，会使检测出的谐波信号中含有大量基波分量，增加了APF的设计容量和有功损耗。另外，该方法不能同时分离出无功电流和谐波电流。

文献[27]是一种频域检测法，这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行傅里叶分析，最终得到所需的谐波和无功电流，但这种算法的滤波器阶次大于100，运算量较大，延迟较大。

文献[28]采用基于Fryze功率定义的检测法。其原理是将负载电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无功电流（包括谐波电流）。该方法的缺点是由于Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求的瞬时有功电流需要对一个周期的电流、电压进行积分运算，再加上其他运算电路，要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际上是几个周期前的电流值，其实时性较差。

基于瞬时无功功率的检测法[29]，包括p-q法、ipiq法、d-q法以及p-q-r法。基本思想是：通过变换得到功率，然后将功率中与所要检测的信号相对应的恒定分量滤除出来，再经反变换还原出所要检测的信号。当电网电压对称且无畸变时用p-q法检测谐波电流；当电网电压畸变且不对称时，可以使用ipiq法检测谐波电流，而此时d-q法能更加精确地检测出谐波电流；当电压畸变明显时使用p-q-r法，虽然不能完全抑制谐波，但其对无功补偿和中线电流的抑制比较有效。

近年来，随着自动化技术和人工智能技术发展，各种优化算法和预测算法也受到人们的关注，如小波变换法、神经网络法、自适应预测技术等，这些智能算法的引入使得计算精度提高，响应加快，但是实现困难。

5 结论

以往的保护策略无法满足现代电网的安全稳定运行的要求，需要一种新的电气量检测方法，检测出接入新能源的现代电网中故障情况下和非故障情况下，电压暂降、电压波动和闪变、电压电流波形畸变的特征，与保护协调配合，实现现代电网的安全稳定运行。随着信息化、智能化的发展，仅测有效值已不能精确描述实际的电能质量问题。基于信息化的数字信号处理分析方法在研究现代电网中的电气量的检测与分析，保障其供电可靠性、运行稳定性中有重要意义。本文能够为研究一种快速准确检测电压暂降、电压波动和闪变、电压电流波形畸变检测技术提供基础理论。

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