配电网电能质量新特性研究

由何丽、吕超、张银帆，内蒙古电力科学研究院（中国）发表

摘要 - 近年来，电力系统逐渐变为电子供电。配电网的电能质量呈现出新的特征。尽管电力电子技术为可再生能源、微电网技术、分布式电源、电动汽车等带来了质的飞跃，但也对配电网的电能质量产生了影响。本文讨论了配电网电能质量的新特性，如快速电压波动、频繁的三相不平衡、由扰动频率变化引起的次同步谐波以及超高频谐波。同时，还详细阐述了治理建议。结合现有问题，我们展望了未来配电网电能质量的发展方向。

关键词 - 配电网、电力电子、电能质量、超高频谐波、MapReduce

引言

电能质量是电力系统研究中的最新分支之一。它指的是保持配电母线电压和电流的幅值和频率在额定值，并且波形接近于正弦波的质量。电能质量问题发生在实际负载设备和元件或输配电子系统中，这对各种设备和电力系统的正常运行不利，影响电力系统的稳定性、连续性和可靠性。近年来，清洁能源技术的普及以及分布式电源、微电网技术和电动汽车的发展离不开电力电子技术。通过使用电力电子设备，可以实现电能的灵活变换和控制，为人们的生活带来便利。配电网逐渐向电力电子化发展，但这也使得配电网的电能质量呈现出新的特征[1]。本文将围绕配电网的电网电能质量问题讨论这些新特征。

配电网电能质量的新特性

A. 快速电压波动

电力系统中的高功率、大容量和冲击性负荷是导致电压快速波动的主要原因，如电气化铁路、大型轧钢厂、变频调速装置和大型钢铁电弧炉。快速电压波动可能导致电力设备无法正常工作或造成不合格的生产产品。对于电压波动，IEC 61000-4-30描述了三个参数：最大电压波动、稳态电压波动和动态电压波动，其中最大电压波动被定义为电压波动期间出现的最大和最小电压。差的稳态电压变化被定义为两个相邻稳态电压有效值之间的差异，其中至少包含一个电压变化特征[5]。电压波动是一系列电压波动。电压波动的确定需要识别两个至少稳定保持1秒的周期。电压变化的幅度是两个极值之间的差异。极值必须是基本电压周期的一半。均方根值。快速电压变化（RVC）指的是上述电压波动中最大电压波动和稳态电压变化的两个物理量，它们的定义与电压波动特征相同。为了确保电力系统的稳定运行和用户侧良好的电能质量，有必要定义快速电压波动的限制，并建立一种有效的算法来进行准确的检测和分析。

B. 频繁的三相不平衡

传统三相三线配电网的三相电压不平衡主要是由三相负荷的不对称引起的。三相四线配电网的三相电压不平衡主要是由大量单相负荷布置的不平衡引起的。由不平衡电压降引起的负序和零序电流[6]。配电网中的三相电压不平衡。除了这些原因外，智能家居系统与光伏系统之间的相互作用使得低压配电系统的三相不平衡问题越来越频繁。同时，微电网包含大量非线性和不平衡负载。非线性负载会给变流器带来正序、负序和零序谐波干扰。不平衡负载会给变流器带来负序和零序谐波干扰。此外，在交直流混合输配电中，当电网发生故障时会产生负序电流分量，在负序分量的作用下配电系统会出现三相电流不平衡[7]。

C. 扰动频率变化

在电力电子化的背景下，随着变频调节装置、晶闸管整流电源装置、同步级联调速装置、循环转换器等可再生能源如风电和光伏的使用，电力频率扰动的频率发生偏移，导致电流幅值、相位和波形的变化。当产生整数谐波时，会产生同时具有连续和离散分量的间谐波，出现次同步谐波问题[4]。

根据傅里叶级数分解理论，周期性非正弦量只能分解为整数谐波。事实上，许多非线性负载是波动的。电气化铁路和工业电弧炉，例如晶闸管整流电源，是快速变化的冲击负荷，其电气量在毫秒或微秒内变化。在这几个毫秒或几微秒内，对电力频率来说不存在“周期性”的前提。在这种情况下，会出现间谐波，傅里叶技术分析的结果与实际情况不一致或不完全符合。间谐波是指频率为非基频整数倍的谐波分量，也称为非谐波，其频率低于基频的简单谐波称为次同步谐波。

由于次同步谐波引起的配电系统电能质量和稳定性问题，已引起电力行业的广泛关注。次同步谐波之间的谐波引起的次同步振荡问题尤为突出。中国新疆某地区的大型风电场的次同步谐波引起了地电压的频繁波动。2015年7月1日，次同步谐波分量跨越5个电压等级引起接近。单元的继电保护动作最终导致单元切机事故。电网中的次同步振荡主要表现为大振幅的连续增长（发散）或恒定振幅的次同步或超同步电流、电压和功率谐波随机。振荡频率会变化，影响电网的安全和设备的运行，甚至引起严重的稳定性事故或设备损坏。由于次同步谐波具有频率时变特性，传统的单一固定频率抑制方法已不再适用。有必要研究其时变性和随机性以及传播路径和原因，然后制定控制措施[8]。

D. 超高频谐波问题

随着近年来第三代半导体材料SiC和GaN的广泛应用，电力电子开关设备的频率从几千赫兹发展到数十千赫兹甚至几百千赫兹。随着电力系统的智能化发展以及电力电子设备的应用，2到150 kHz的超高频谐波已成为配电网电能质量的新问题[9]。特别是可再生能源的并网和开关电源的大规模使用向配电网注入了大量谐波，触发了配电网电能质量的新特征。

研究表明，超高频谐波的传输色散不同于普通谐波发射，是一种新的电能质量现象。主要特征是既能产生一次发射，也能产生二次发射。一次发射的定义是指检测到的电气设备在自身运行过程中发出的辐射，与其自身的拓扑结构、连接阻抗等因素有关。其主要特点是幅度很小[10]。二次发射的定义是指检测设备在接收到附近设备后发出的辐射，这与附近激励设备的电网阻抗和设备阻抗有关，其幅度是原始发射的几倍[11]。当一次发射和二次发射相互渗透时，发射源将难以辨别。目前，这项研究仍无法在实验室水平上模拟实际的发射，这给超高频谐波的研究和标准制定带来了极大的复杂性[12]。

超高频谐波会给配电网中的电气设备和通信带来许多不利影响[12]，主要分为以下四类：

• 干扰配电网中电气设备的正常使用，例如导致电动汽车充电站无法正常工作，干扰接触照明。

• 导致设备故障或损坏，影响电气设备的使用寿命。

• 设备或安装点的噪声增加。实验表明，噪声分贝随着超高频谐波频率和幅度的增加而增加，影响人们的生活。

• 干扰通信，由于谐振效应，终端用户设备形成低阻抗路径，导致电力线通信故障，例如数据信息传输错误，导致测量误差。

随着电网电子配电的发展，超高频谐波的危害和影响将越来越严重。相关电力部门需要进行研究和测试，收集电网和设备的超高频谐波数据，并合理制定相关标准、规范指标、限值、测量和计算方法。

配电网电能质量的新特性分析方法

虽然近年来由于电力电子化的发展，配电网的电能质量呈现出许多新特征，但在电力大数据的背景下，整个配电网的数据可以用于电能质量分析。MapReduce的“分而治之”的核心思想为大数据处理提供了便利条件。

A. MapReduce简介

随着科学技术的飞速发展，多模态数据采集方法导致各行业数据量的爆炸性增长在这种大数据环境下，基于HPC集群的传统并行计算已经无法满足实际并行计算分析处理的需求。为了解决这一问题，MapReduce应运而生。MapReduce是由谷歌提出的一种用于大规模数据并行处理的模型和方法。它可以在由许多普通廉价PC组成的Hadoop集群上并行执行任务[13]。“分解和组合”是MapReduce的核心思想。通过将对大规模数据集的操作分解到不同的PC节点上，MapReduce通过每个PC节点分别进行相应的计算和处理分析任务，最终通过合并每个节点的中间结果来得到最终结果。

MapReduce框架是一种并行计算模型，如图1所示。MapReduce通过利用Hadoop平台实现大规模数据挖掘，并通过自动分割输入的大规模数据实现并行分布式计算。在MapReduce模型中，通过用户编程实现了两个抽象的编程接口调用，分别是Map和Reduce。每个函数使用键值对（Key/Value）作为输入和输出，以实现大规模数据的并行计算任务。

B. 基于MapReduce的配电网电能质量分析方法

电能质量分析涉及大量的监测指标，而过去的算法无法满足精度要求。随着配电网电能质量监测数据的爆炸性增长，电能质量分析将受到性能瓶颈的制约。因此，迫切需要利用大数据技术来解决由庞大的电能质量监测数据带来的问题。面对这一问题，Hadoop MapReduce架构在大数据分析中表现出色，为大数据处理提供了便利条件。通过MapReduce的“分而治之”核心思想，将计算任务分解到多个节点进行并行计算，从而加快了处理效率。因此，可以将电能质量监测数据分解到多个节点进行并行统计分析。

根据配电网电能质量监测数据的特征，配电网电能质量数据包括电压偏差、电压波动、三相频率偏差、不平衡、谐波含量等。根据MapReduce的“分而治之”思想，配电网的电能质量监测数据被并行地分析和处理。基本思想如图2所示。

定义监测数据序列集Ti={Pij}，其中Ti代表第i个监测点，Pij代表第i个监测点的第j个监测数据，i按监测点顺序递增，i=1,2,3,...n，n代表监测点的数量，j=1,2,3,...m，m代表每个监测点的总监测点数量，按监测时间递增。Pij = (Vij1,Vij1,...,Vij1)，L表示监测指标的数量。对于配电网电能质量的新特性，通常包括四个指标：快速电压波动、扰动频率变化、超高频三相不平衡和谐波，即L=4[14]。将监测数据序列Tj分解，所有三元监测点数据碎片记录表示为三元组<Nid,k,Tik>，其中Nid是监测点编号，k是碎片的序号，Tki是监测点Tki的序列k的监测数据序列={Pij l j[bk,ek]}，其中bk和ek由以下公式计算：

<Nid,k>用于标记碎片化后的每一段电能质量数据。Nid代表电能质量监测点编号，k代表每个序号。Map函数将所有电能质量监测点数据碎片作为Map函数的输入。电能质量数据被分配到不同的节点进行数据处理。每个Map函数输出的对应形式为<k,v>：

<(Nid,k,c),(a1,a2,a3,a4,a5)> ，其中c∈{1,2,3,4}代表四个指标，例如电压波动偏差、频率扰动变化、三相不平衡、谐波含量，a1是不合格数量，a2是平均值，a3是超标数量，a4是最大值，a5是最小值[15]。计算完成后，将每个参数与国家电能质量标准进行比较。根据分析计算得到各种指标。如果发生频繁的三相不平衡，a3指标会显示异常，最终输出结果。

配电网电能质量发展方向

随着未来电网电力电子化供电和源网荷储技术的发展，以及气候、市场化和公众意识等非电因素的影响，配电网的电能质量问题受到越来越大的影响。在未来，配电网的电能质量问题将成为一个具有时空相关特征的复杂问题，需要通过全局优化配置和可靠监控来解决。由单相负荷引起的三相不平衡和设备利用率降低问题，尤其是在单相电动汽车充电设备接入配电网后，问题将进一步凸显：分布式电子能源接入和孤立电网运行。由于短路容量的降低，谐波失真将变得更加突出，新负荷和组件的接入将导致新的电能质量问题，如LED照明设备对闪烁的敏感性。网侧接入不同的滤波电路会增加电网的电容特性，增加电网谐振的风险。在电能质量分析问题中，电力电子电路的简化会导致一些电能质量问题，如LED照明的影响。当前的问题包括新设备的谐波特性和谐波叠加问题，如不同数量的电动汽车充电对配电网谐波特性的影响；传感器对电压测量的精度，尤其是对超高频谐波的测量。如果频率响应特性不能满足要求，则测量结果不可信。电能质量监测数据可视化显示问题，如监测的大数据库，以及如何有效地进行聚合。

结论

配电网的电力电子化是智能配电网的前提。在配电网电力电子化的基础上，本文讨论了由快速电压波动、频繁的三相不平衡、扰动频率变化引起的次同步谐波和超高频谐波等配电网电能质量的新特性，并设计了基于MapReduce的并行分析算法。最后，本文展望了配电网电能质量的发展方向。

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