李彥臻

（大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司，北京 100140）

0 引言

目前，越來(lái)越多的風(fēng)電場(chǎng)建成并投入運(yùn)行。由于大中型風(fēng)電場(chǎng)一般直接接入輸電網(wǎng)，故輸電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電電能質(zhì)量要求越來(lái)越高。風(fēng)能是一種間歇性能源，且風(fēng)速預(yù)測(cè)存在誤差。因此，風(fēng)電場(chǎng)不能提供持續(xù)穩(wěn)定的功率，發(fā)電穩(wěn)定性較差。另外，風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)會(huì)影響當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電能質(zhì)量，產(chǎn)生電壓波動(dòng)與閃變[1]。為此，本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)一款電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，為風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題提供監(jiān)測(cè)和解決依據(jù)。

1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)構(gòu)成

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)由電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)上位機(jī)組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括以下功能：

（1）采樣

對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電氣量、輸電線路電氣量進(jìn)行連續(xù)采集，采樣率為4800Hz。

（2）錄波告警

各監(jiān)測(cè)量越限告警并啟動(dòng)錄波，錄取一段時(shí)間的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，以便后續(xù)分析。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)顯示基波電壓、基波電流有效值和相位；實(shí)時(shí)顯示2~19次諧波電壓、諧波電流的有效值；實(shí)時(shí)顯示各單元的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)；實(shí)時(shí)顯示頻率、頻率差；實(shí)時(shí)顯示三相電壓不平衡度、電壓波動(dòng)與閃變、電壓偏差；實(shí)時(shí)顯示電壓電流總諧波畸變率。

（4）統(tǒng)計(jì)功能

統(tǒng)計(jì)所有通道基波電壓、基波電流有效值的歷史曲線和年月日?qǐng)?bào)表；統(tǒng)計(jì)2－19次諧波電壓、諧波電流的有效值的歷史曲線和年月日?qǐng)?bào)表；統(tǒng)計(jì)各單元的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)的歷史曲線和年月日?qǐng)?bào)表；統(tǒng)計(jì)頻率、頻率差的歷史曲線和年月日?qǐng)?bào)表；統(tǒng)計(jì)三相電壓不平衡度電壓波動(dòng)與閃變、電壓偏差的歷史曲線和年月日?qǐng)?bào)表；統(tǒng)計(jì)顯示總諧波畸變率的歷史曲線和年月日?qǐng)?bào)表。

2 電能質(zhì)量各參量計(jì)算方法

目前，電能質(zhì)量問(wèn)題的主要分析方法可分為時(shí)域、頻域和基于數(shù)學(xué)變換三種。其中，時(shí)域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用最廣泛，其最主要的用途是利用各種時(shí)域仿真程序?qū)╇娤到y(tǒng)電能質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行研究。頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量中諧波問(wèn)題的分析，包括頻譜分布、諧波潮流計(jì)算等?；跀?shù)學(xué)變換的分析方法主要指傅立葉變換、短時(shí)傅立葉變換以及小波變換等。此外，瞬時(shí)無(wú)功功率理論、專(zhuān)家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析方法也在電能質(zhì)量領(lǐng)域中獲得了應(yīng)用[2]。

在電能質(zhì)量問(wèn)題的諸多主要分析方法中，傅立葉變換方法作為經(jīng)典的信號(hào)分析方法，具有正交、完備等許多優(yōu)點(diǎn)，而且有快速傅立葉變換(FFT)這樣的快速算法[3]。

2.1 各次電壓電流基本量的計(jì)算

離散傅立葉變換DFT(FFT)計(jì)算電壓、電流的基本量時(shí)，將電壓和電流合并為一個(gè)復(fù)序列，一次FFT完成電壓、電流的各次諧波的基本值的計(jì)算[4]。不妨設(shè)x(n)=u(n)+ji(n)，其對(duì)應(yīng)的離散傅立葉變換為：

根據(jù)幅值調(diào)整可得u(n)和i(n)的離散傅里葉變換：

2.2 電壓電流有效值的計(jì)算

設(shè)任意周期電壓u(t)、電流i(t)，采樣序列為電壓序列u(n)、電流序列i(n)，則電壓有效值為：

2.3 頻率的計(jì)算

設(shè)兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的計(jì)數(shù)值為N，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期為T(mén)s，則電網(wǎng)的周期為：

2.4 諧波量的計(jì)算

裝置諧波測(cè)量采用FFT算法，各次諧波幅值與經(jīng)過(guò)N點(diǎn)FFT變換后的頻譜X(k)之間的關(guān)系如下：

利用加窗FFT將采樣信號(hào)中的各次諧波分量變換到頻域中，計(jì)算出信號(hào)各次諧波的幅值和相角，可以計(jì)算出電能質(zhì)量中諧波的相關(guān)指標(biāo)[5]。

其中：Um(l)為基波電壓幅值，Im(l)為基波電流幅值，Um(k)為k次諧波電壓幅值，Im(k)為k次諧波電流幅值，HRUk為k次諧波電壓含有率，HRIk為k次諧波電流含有率，THDu為電壓總諧波畸變率，THDi為電流總諧波畸變率。

2.5 三相不平衡度的計(jì)算

一般用不平衡度來(lái)描述三相電壓不平衡的程度，用電壓或者電流的負(fù)序分量與正序分量的方均根值百分比來(lái)表示。

在有零序分量的三相系統(tǒng)中，采用對(duì)稱(chēng)分量法分別求出負(fù)序分量、正序分量，三相不平衡度ε計(jì)算公式如下：

在無(wú)零序分量的三相系統(tǒng)中，設(shè)三相量為U、V、W，不平衡度ε計(jì)算公式如下：

2.6 閃變計(jì)算

電壓閃變是指人眼對(duì)電壓波動(dòng)引起的照明異常的視覺(jué)感受。由于一般用電設(shè)備對(duì)電壓的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于白熾燈，為此，選擇人對(duì)白熾燈照度波動(dòng)的主觀視感作為衡量電壓波動(dòng)危害程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。電壓閃變受電壓波動(dòng)幅值、頻率和波形的影響，人眼對(duì)0.05Hz到35Hz的電壓波動(dòng)感受明顯。因此，計(jì)算閃變前需對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入模擬人眼的閃變?cè)u(píng)估系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果序列記為ST。

由采樣值計(jì)算ST的框圖如圖2所示。

根據(jù)上述模型，本文采用simulink搭建閃變仿真模型如圖3所示。

設(shè)10min內(nèi)裝置采集存儲(chǔ)S個(gè)采樣點(diǎn)，將S個(gè)采樣點(diǎn)經(jīng)過(guò)上述處理，取得ST序列。計(jì)算ST序列的最大值記為Smax，每0.2倍的Smax劃分為一個(gè)區(qū)間（共10個(gè)區(qū)間），記錄各區(qū)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，并分別記錄為 S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10。

計(jì)算概率分布：

計(jì)算累積概率：

P1到P10分別與0.1相比較，大于0.1的加起來(lái)得到P0.1；

P1到P10分別與0.3相比較，大于1的加起來(lái)得到P1；

P1到P10分別與3相比較，大于3的加起來(lái)得到P3；

P1到P10分別與10相比較，大于10的加起來(lái)得到P10；

P1到P10分別與50相比較，大于50的加起來(lái)得到P50；

則短時(shí)閃變Pst和長(zhǎng)時(shí)閃變Plt的計(jì)算方法如下：

式中，n為長(zhǎng)時(shí)間閃變測(cè)量時(shí)間內(nèi)包含的短時(shí)閃變值個(gè)數(shù)，一般n取12，即長(zhǎng)時(shí)閃變?yōu)?小時(shí)連續(xù)短時(shí)閃變測(cè)試結(jié)果的三均方根值。

2.7 電壓波動(dòng)計(jì)算

電壓波動(dòng)定義為電壓均方根值一系列相對(duì)快速或連續(xù)改變的現(xiàn)象。其變化周期大于工頻周期，即電壓波動(dòng)的變化頻率大于工頻。為此，本文將電壓采樣值經(jīng)過(guò)0.05－45Hz的帶通濾波器提起電壓波動(dòng)量（Umax-Umin），則電壓波動(dòng)的計(jì)算公式為：

2.8 電壓偏差計(jì)算

電壓偏差是指在一定的電力系統(tǒng)運(yùn)行條件下，由于總負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行特性的改變，負(fù)荷所需的無(wú)功功率與配電系統(tǒng)提供的無(wú)功功率不平衡導(dǎo)致的供電電壓連續(xù)偏離標(biāo)稱(chēng)電壓的情況，計(jì)算方法如下：

需要指出的是，電壓偏差是一種穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量，而電壓波動(dòng)是一種暫態(tài)電能質(zhì)量。

2.9 電壓驟升驟降

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障或者由于大容量設(shè)備啟動(dòng)造成供電母線電壓迅速下降后立即回升至標(biāo)稱(chēng)電壓的允許范圍的現(xiàn)象稱(chēng)為電壓驟降，其典型時(shí)間為0.5個(gè)－30個(gè)周波，下降幅度為標(biāo)稱(chēng)電壓的10%~90%；反之，當(dāng)發(fā)生甩負(fù)荷等故障造成電壓驟然升高后隨即恢復(fù)到標(biāo)稱(chēng)電壓的現(xiàn)象稱(chēng)為電壓驟升。電壓驟升驟降是一種暫態(tài)電能質(zhì)量，本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算采樣電壓有效值判斷是否發(fā)生驟升和驟降。

3 應(yīng)用

應(yīng)用上述算法，本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量指標(biāo)如下：

（1）頻率誤差: ≤0.01Hz；

（2）基波電壓、基波電流誤差≤0.5%；

（3）基波電壓和電流之間相位差的測(cè)量誤差：≤0.5°；

（4）諧波電壓測(cè)量誤差： GB/T 14549-1993規(guī)定的A級(jí)要求；

（5）諧波電流測(cè)量誤差：GB/T 14549-1993規(guī)定的A級(jí)要求；

（6）三相電壓不平衡度誤差：≤0.2%；

（7）電壓偏差誤差：≤0.5%；

（8）電壓波動(dòng)誤差：≤5%；

（9）閃變誤差：≤5%。

該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可為進(jìn)一步研究風(fēng)電機(jī)組的電能質(zhì)量問(wèn)題提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1]林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問(wèn)題[J].電網(wǎng)技術(shù),2001,25(1):10.

[2]肖湘寧,尹忠東,徐永海.現(xiàn)代電能質(zhì)量問(wèn)題綜述[J].電氣時(shí)代,2004,(11):10.

[3]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004．

[4]石敏,吳正國(guó),尹為民.基于小波變換與FFT算法的電能質(zhì)量信號(hào)分析[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2003,15(1):64-69．

[5]張斌,劉曉川,許之晗.基于變換的電能質(zhì)量分析方法[J]．電網(wǎng)技術(shù),2001,25(1):26-29．