王良之 湯志平 薛順偉

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)過程的高度自動(dòng)化，電網(wǎng)中各種非線性負(fù)荷不斷增長(zhǎng)；各種復(fù)雜的、精密的，對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備越來越多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，大量基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和電子裝置不僅對(duì)供電電能質(zhì)量異常敏感，同時(shí)也加劇了電能質(zhì)量的進(jìn)一步惡化。

一、電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)原因

1.電力系統(tǒng)元件存在的非線性問題。電力系統(tǒng)元件的非線性問題主要包括：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波；變壓器產(chǎn)生的諧波；直流輸電產(chǎn)生的諧波。此外，還有變電站并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置等因素對(duì)諧波的影響。其中，直流輸電是目前電力系統(tǒng)最大的諧波源。

2.非線性負(fù)荷。在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，非線性負(fù)載占很大比例，這是電力系統(tǒng)諧波問題的主要來源。電弧爐（包括交流電弧爐和直流電弧爐）是主要的非線性負(fù)載，它的諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴(yán)重非線性引起的。居民生活負(fù)荷中，熒光燈的伏安特性是嚴(yán)重非線性的，會(huì)引起較為嚴(yán)重的諧波電流，其中3次諧波的含量最高。大功率整流或變頻裝置也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波電流，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，同時(shí)也使功率因數(shù)降低。

3.電力系統(tǒng)故障。電力系統(tǒng)運(yùn)行的各種故障也會(huì)造成電能質(zhì)量問題，如各種短路故障、自然災(zāi)害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)工作狀態(tài)的改變、故障保護(hù)裝置中的電力電子設(shè)備的啟動(dòng)等都將造成各種電能質(zhì)量問題。

衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)：由于所處立場(chǎng)不同，關(guān)注電能質(zhì)量的角度不同，人們對(duì)電能質(zhì)量的定義還未能達(dá)成完全的共識(shí)，但是對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)都有較為一致的認(rèn)識(shí)。主要指標(biāo)為國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局相繼頒布的涉及電能質(zhì)量六個(gè)方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即：供電電壓允許偏差，供電電壓允許波動(dòng)和閃變，供電三相電壓允許不平衡度，公用電網(wǎng)諧波，暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓以及供電頻率允許偏差等的指標(biāo)限制。

二、電能質(zhì)量控制策略與技術(shù)

1.PID控制。這是應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，易于在工程中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。其缺點(diǎn)是：響應(yīng)有超調(diào)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和抗負(fù)載擾動(dòng)能力較差。

2.空間矢量控制。空間矢量控制也是一種較為常規(guī)的控制方法。其原理是：將基于三相靜止坐標(biāo)系（abc）的交流量經(jīng)過派克變換得到基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）的直流量從而實(shí)現(xiàn)解耦控制。常規(guī)的矢量控制方法一般采用DSP 進(jìn)行處理，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能與暫態(tài)性能。也可采用簡(jiǎn)化算法以縮短實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)間。

3.模糊邏輯控制。知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型是使用經(jīng)典控制理論的“頻域法”和現(xiàn)代控制理論的“時(shí)域法”設(shè)計(jì)控制器的前提條件。模糊控制作為一種新的智能控制方法，無需對(duì)系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型。它通過模擬人的思維和語言中對(duì)模糊信息的表達(dá)和處理方式，對(duì)系統(tǒng)特征進(jìn)行模糊描述，來降低獲取系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征量付出的代價(jià)。

4.非線性魯棒控制。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置 （SMES）實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)受到各種不確定性的影響，因此可通過對(duì)SMES的確定性模型引入干擾，得到非線性二階魯棒模型。對(duì)此非線性模型，既可應(yīng)用反饋線性化方法使之全局線性化，再利用所有線性系統(tǒng)的控制規(guī)律進(jìn)行控制，也可直接采用魯棒控制理論設(shè)計(jì)控制器。

5.FACTS技術(shù)。FACTS，即基于電力電子控制技術(shù)的靈活交流輸電，是上世紀(jì)80年代末期由美國(guó)電力研究院（EPRI）提出的。它通過控制電力系統(tǒng)的基本參數(shù)來靈活控制系統(tǒng)潮流，使輸送容量更接近線路的熱穩(wěn)極限。采用FACTS技術(shù)的核心目的是加強(qiáng)交流輸電系統(tǒng)的可控性和增大其電力傳輸能力。

目前有代表性的FACTS裝置主要有：可控串聯(lián)補(bǔ)償電容器、靜止無功補(bǔ)償器、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器、統(tǒng)一潮流控制器等。

6.用戶電力（Custom Power）技術(shù)。用戶電力技術(shù)就是將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等運(yùn)用于中低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，其目的是加強(qiáng)配電系統(tǒng)的供電可靠性，并減小諧波畸變，改善電能質(zhì)量。該技術(shù)的核心器件IGBT比GTO具有更快的開關(guān)頻率，并且關(guān)斷容量已達(dá)MVA級(jí)，因此DFACTS裝置具有更快的響應(yīng)特性。

三、電能質(zhì)量分析方法

電力系統(tǒng)中的各種擾動(dòng)引起的電能質(zhì)量問題主要可分為穩(wěn)態(tài)事件和暫態(tài)事件兩大類。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態(tài)事件通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征，可分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類。

電能質(zhì)量的分析方法主要有時(shí)域仿真法、頻域分析方法和基于變換的方法。

1.時(shí)域仿真法。時(shí)域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最為廣泛，其最主要的用途是利用各種時(shí)域仿真程序?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題中的各種暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究。對(duì)于電壓下跌、電壓上升、電壓中斷等有關(guān)電能質(zhì)量暫態(tài)問題，由于其持續(xù)時(shí)間短、發(fā)生時(shí)間不確定、對(duì)頻域分析提出了較高的要求，較多采用時(shí)域仿真方法。

2.頻域分析法。頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)問題。比如諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相不平衡等。相對(duì)于暫態(tài)問題，此類事件具有變化相對(duì)較慢、持續(xù)事件較長(zhǎng)等特點(diǎn)。對(duì)稱分量法是最常用的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰、建模簡(jiǎn)單、算法成熟，但耗時(shí)長(zhǎng)。

3.基于變換的方法。在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基于變換的方法主要有復(fù)立葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、二次變換、小波變換和Prony分析等5 種方法。

（1）傅立葉變換。傅立葉變換是電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中的基本方法，傅立葉變換的優(yōu)點(diǎn)是算法快速簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)也很多。傅立葉變換是經(jīng)典的頻譜分析和信號(hào)處理方法。其對(duì)含有短時(shí)高頻分量與長(zhǎng)時(shí)間低頻分量的電能質(zhì)量信號(hào)分析具有一定的局限性。目前經(jīng)改進(jìn)的快速傅立葉變換（FFT）和（STFT）已經(jīng)成為電能質(zhì)量分析的基礎(chǔ)。

（2） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是巨量信息并行處理和大規(guī)模平行計(jì)算的基礎(chǔ)，它既是高度非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，又是自適應(yīng)組織系統(tǒng)，可用來描述認(rèn)知、決策及控制的智能行為。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)是：可處理多輸入－多輸出系統(tǒng)，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等特點(diǎn)；不必建立精確數(shù)學(xué)模型，只考慮輸入輸出關(guān)系即可。缺點(diǎn)是：存在局部極小問題，會(huì)出現(xiàn)局部收斂，影響系統(tǒng)的控制精度；理想的訓(xùn)練樣本提取困難，影響網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和訓(xùn)練質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易優(yōu)化。

（3）二次變換法。二次變換是一種基于能量角度來考慮的新的時(shí)域變換方法。該方法的基本原理是用時(shí)間和頻率的雙線性函數(shù)來表示信號(hào)的能量函數(shù)。

二次變換的優(yōu)點(diǎn)是：可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到信號(hào)發(fā)生尖銳變化的時(shí)刻；精確測(cè)量基波和諧波分量的幅值。缺點(diǎn)是：無法準(zhǔn)確地估計(jì)原始信號(hào)的諧波分量幅值；不具有時(shí)域分析功能。

（4）小波分析法。小波變換是近年來興起的一種算法，由于具有時(shí)域局部化的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于突變信號(hào)和不確定信號(hào)的分析。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多文獻(xiàn)應(yīng)用小波變換對(duì)諧波監(jiān)測(cè)、電磁暫態(tài)波形分析、電力系統(tǒng)擾動(dòng)建模等電能質(zhì)量問題進(jìn)行了研究。

小波變換的優(yōu)點(diǎn)是：具有時(shí)－頻局部化的特點(diǎn)，特別適合突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào)分析；可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪、識(shí)別和數(shù)據(jù)壓縮、還原等。缺點(diǎn)是：在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)算量較大，需要采用DSP等高價(jià)格的高速芯片； 小波分析有“邊緣效應(yīng)”，邊界數(shù)據(jù)處理會(huì)占用較多時(shí)間，并帶來一定誤差。

（5）Prony分析法。Prony分析衰減的思想類似于小波。在該方法中，信號(hào)總是被認(rèn)為可以由一系列的衰減的正弦波構(gòu)成，這些衰減正弦波類似于小波函數(shù)。所以Prony分析方法和小波一樣，可以做多尺度的信號(hào)分析。Prony分析的主要缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)。

電能質(zhì)量分析及其監(jiān)測(cè)是一個(gè)較復(fù)雜的問題，如何合理、全面地分析處理各種干擾源，充分將計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為電能質(zhì)量分析與監(jiān)測(cè)所用，都是應(yīng)注意的問題。同時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能上提出了更高的要求，也表明這一應(yīng)用領(lǐng)域的研究需要多種技術(shù)的相互融合和各個(gè)領(lǐng)域的密切合作。

（作者單位：四川省電力公司西昌電業(yè)局 四川省喜德供電公司）