电能质量基本概念.指标.标准

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电能质量基本概念、指标、标准＊

王志群，朱守真，周双喜

（北京清华大学西主楼电机系）

摘要：本文综述了电能质量的一些基本问题。文章首先提出电能质量的概念及其属性，并从负荷、经济和电力市场角度分析了电能质量研究热起的原因，在介绍了有关分类依据的基础上汇总了多种电能质量扰动。对主要电能质量问题给出了具体的定义和主要技术指标，同时指出了扰动的成因和主要表现以及未来发展的趋势。文中也较详细列举了业内近２０年提出的有关电能质量的诸多通用标准，明确了各标准的内容、适用范围和各自特点。关键词：电能质量，电能质量指标，电能质量标准。

标准的主要内容和使用范围，并指出了一些悬而未

引言

决的问题；最后对电能质量数据互换格式编程和仿真接口的实现和应用做了一些尝试。

随着系统中应用电力电子等非线性负荷的情况不断增多，导致恶化电能质量的因素也不断增多；另一方面随着信息产业的发展，各种复杂精密、对供电质量敏感的用电设备和控制设备逐步普及，系统内外的电能质量已引起电力工作者和学者的广泛重视。正值电力市场改革在全球范围内的逐步推进，电能作为商品在市场上进行公开交易。很多用户已经将电能商品的质量和它的价格因素紧密联系在一起，而电力公司也迫切需要知道电能质量的扰动源是出自系统网络本身还是用户负荷，进而也必将与经济相挂钩。电能供求双方在各自利益驱动下，对电能的各项质量技术指标均做出了明确规定。

参考文献１。４就研制改善电能质量的装置做了探讨，也进行许多有益的尝试。为记录收集电能质量，众多研究人员提出了许多比较实用的检测和监测电能质量的算法和解决方法，但还没有哪种方法能够胜任所有的电能质量问题。相对而言，目前对电能质量本身的问题探讨的相对较少一些，本文正出于此目的，追踪并总结了电能质量的一些基本概念、指标和相关标准，旨在更好地将电能质量的研究进展研究背景介绍给各行各业，以期能使得电能产、供、用以及设备制造商能通力合作，更好的解决我国的电能质量问题。

文中首先分析了电能质量研究目的，指出电能质量是如何提出的；然后逐一介绍了电能质量主要的一些量化指标，同时分析了各指标制定的客观依据；其次，文章介绍了国际上最新的有关电能质量

描述电力的三个基本属性是电压幅值、电压波

二，电能质量的提出

形和频率。理想的三相交流系统必须以恒定的频率（５０／６０Ｉ－Ｉｚ）按规定的电压等级以完好的电压波形连续的向负荷供电。因系统构架、元件参数、扰动、人为调控等原因，理想供电的要求很难满足，故业内规定在一定指标或阈值范围内的供电可以认为是合格的、安全的，而将一些不满足规范要求的划分到电能质量范畴内。虽然电能质量中的部分问题（如谐波）随着电力及电力系统的产生就存在，但电能质量的概念产生于２０世纪８０年代。

电能质量只是一个抽象概念，因为原文术语Ｐｏｗｅｒ本身并不具备质量属性，所以不能认为是电能的质量问题；只是考虑到电压电流间的紧密联系，业内将一部分扰动统称为电能质量。

从本质上讲，电能质量包括电压质量、电流质量和频率质量三个方面。

（１）电压质量又称电压辐值质量，一般认为电压辐值质量主要受供电侧影响，用实际电压与理想电压间的广义偏差反映供电水平。

（２）电流质量，主要受用户影响，电流质量问题一般就是指谐波。

（３）频率质量一般就是指系统供电的同步频率不满足系统的额定偏差范围的规范，在电源较弱的地区，随着大容量的有功负荷的较快变化，系统频率会出现周期性或非周期性的偏移，目前的调频控

第二届电能质量国际研讨参堙太嘉臻＃㈣懒蝴麟ｒ～一～……————……—————

制技术和发电管理已经能够较好地控制频率变动，本文将不对频率质量作具体讨论。此外，有学者指出电能质量还应包括非技术成分质量问题。

从现有的统计和研究结果来看，破坏程度较为严重的是电压辐值质量问题，也是近年国内外研究重点，故狭义上的电能质量主要是指电压质量，且皿ＥＥ在其标准中对电压质量推荐使用电能质量来表示。本文在后续内容中对电能质量与电压质量不做严格区分。受电能质量扰动影响最重的是配电网中的工业负荷，故配网电能质量问题在整个电能质量

研究中处于重中之重的地位。

影响电能质量的因素主要有四个方面：①自然现象和灾难，如雷击；②电力设备及装置故障或保护误动作；③终端用户非线性、冲击性污染型负荷的大量使用；④人为事故。保证电能质量水平需要多方面的配合，才能取得双赢或多赢的效果。

１电能质量的定义

电能质量目前没有完全统一的定义，从电能生产、输送和使用角度，因有着不同的参考框架而对电能质量有着不同的解释。ＩＥＥＥ组织一直在其官方文件中使用“电能质量”（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ）术语，并给出了有关定义；而ＩＥＣ较多情况下是使用术语“电磁兼容性”（ＥＭＣ），最近才开始使用电能质量。经细心的对照比较，“电能质量”和“电磁兼容性”在很大程度上有重叠但并非完全一致。

ＩＥＥＥ在其第１１００号标准（又称翠绿皮书）这样定义“电能质量是指对向敏感设备提供电力和设置接地系统以保持其正常运行能力的一种概念描述”，显然这是一个中性的、从技术本身出发的一

种定义。对电磁兼容性，嘣１０００．１．１中给出定义：

设备和系统在其电磁环境内保持正常工作且不引发下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性”，该明确的指出了改善电能质量的着手点就是供电装

．

此外，业内也普遍接受一种直接简明、更多从有关电能质量相关术语的定义请参见ⅢＥＥ第１１５９

号标准。

２电能质量现象的属性和分类依据

电能质量问题从时间尺度上主要可分周期稳态（包含准稳态）和暂态（又称非稳态）两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形裂痕以及噪声等；暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。对电能质量，除基本的幅值、频率、频谱和系统阻抗等四种属性外，通常还使用表１列出的附加属性来描述不同的电能质量

问题。表１

描述电能质量的附加属性

稳态电能问题

暂态电能质量问题

调制上升率凹陷深度持续时间凹陷面积

产生概率能量强度

除基本的稳态和暂态之分外，又可以根据其他因素，如持续时间长短、频谱分布、电压幅值范围等，对电能质量问题进行细分。

各种电能质量现象并不是严格区分、物理独立的，调查统计和理论仿真均表明发生某些电能质量于动态变化之中，因此即使是同一扰动源引发的问３电能质量热起的原因

各种电能质量扰动问题的依次被工业部门发社会生产规模、生产能力的发展和电力技术的现象往往或必定伴随着其他电能质量问题出现，现有的研究还没有深入到这些电能质量现象的相互依赖性上。电能质量在时间和空间上是随机分布，处题，在不同的ＰｃＣ点，观察到现象和具体指标往往有一定的差异，所以就引入了电能质量的传播特性

研究内容。

所在电磁环境内的任何设备所不能允许的扰动的物理能力。而最近，ＩＥＣ的一个工作组明确将电能质量定义为“电能质量是指供电装置在正常工作情况定义偏于系统供电角度。可以看出ⅢＥＥ和ＩＥＣ在解释电能质量的相同点在于以保持用电设备正常运行作为定义电能质量的基础，所不同的是ＩＥＣ更加置。

现、被研究人员提出是与工业水平和社会经济发展程度紧密相连的，从联系上往往表现出矛盾运动中的相互依存、相互制约特征。相对而言，对电能质量的认识和估计能力往往阶段性地滞后于工业技术的发展水平，每一次电能质量研究上的重大进展归根结底往往是在权衡“得”与“失”之后的弥补措

施。

用户角度出发的解释“电能质量问题是指任何导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差”，但我们必须认识到它含该的内容并不全，

进步最直接地导致电力负荷在构成、特征越益复杂化，负荷的不断变化引起某些电能质量扰动逐步趋于严重或者引发出新的问题。扰动给生产造成了巨

大损失，经济上的损失在一定程度上可以限制部分污染性或者敏感性负荷的应用，同时也给设备制造商提供了巨大的商业空间，得以在强烈需求下不断推出新的用电设备和扰动控制技术，能够提高负荷的抗干扰能力或抑制扰动的影响范围。设备抗电能质量扰动性能的提高暂时掩盖了电网中存在的电能质量问题。除个别电能质量扰动，绝大多数电能质量问题目前没有能够从根本上得到控制或解决。这种负荷变化和经济利益驱动与电能质量的矛盾运动中不断促使人们对后者认识的深化，也使得今天电能质量研究局面得以形成。

（１）负荷变化。自人类能够产生电能，以照明为主的负荷是纯电阻性的，相对负荷容量也很小，基本上不会引发电能质量问题，当然最根本的原因是人们对电能本身的需求要远远大于对质量水平的

需求。随着三相发电系统出现，开始出现三相电压

不平衡；当三相交流电机普遍应用以及采用变压器构成多级系统，因结构和饱和非线性等因素出现了谐波等电能质量问题。当工业生产需要大量的电能转换时，采用开关器件的整流装置大量引入了谐波

污染。虽然人们早早就认识到谐波的危害并采取了

必要的滤波措施，但治理谐波所带来的对系统安全的负面影响以及高额投入，逼迫电力部门不得不采取折中方案；而工业企业在生产高速增长和丰厚收益的前提下，也没有能够对谐波引起高度重视。随冶金行业采用大功率电弧炉，电压波动和闪变也被人们所认识。而近代电气牵引铁路的投运，使得局部电力系统三相不平衡尤其突出。总之在精密敏感负荷出现之前，人们对电能质量主要是停留在“稳

态”阶段。

从加世纪７０年代开始，大容量高频可控电力电子器件的逐步应用，将电能质量带入到了“暂态”阶段。因电力电子负荷开关器件动作造成电压裂痕、电压波形削平等暂态电能质量扰动，出现了持续时间较短且严重破坏供电的扰动波形。而随着系统规模的扩大，电气阻抗的减少使得任何短路故障发生均会使得故障点处的电压出现如电压骤降此类的暂态电能质量问题；在系统的强联系之下，电压骤降会沿网络拓扑在一定范围里传播使得扰动的危害面加大。

（２）经济驱动和电力市场的推动。事实证实，电能质量问题是会严重破坏电力系统运行和工业生产的。导致巨大的经济损失。电能质量问题不断涌现的同时，单个电能质量扰动造成的平均直接经济损失已达数百万美元，其中以半导体、化工和生物产业的损失尤为惨重，因此造成的中断成本更无法

确切计算。对用户而言，因电能质量造成的产量减低、设备损失是很容易计算的，然而在激烈竞争下对合同违约、市场份额丢失乃至生产设备性能的缓慢降低造成的间接损失就不容易衡量了。迫于经济损失的压力，部分行业付出大量的精力和资金支持

相关的研究。

在电力市场条件下，电能质量成本对一些大型

工业用户是不容忽视的。如果把电力公司供应的高质量电能看作是对工业用户的增值服务，用户则可以考虑采用电能质量服务以躲避潜在的经济损失。于是就出现了电能供应商与客户之间的供电质量合同以及电能质量价格的概念。最为著名的有美国底特律一爱迪生供电公司在１９９５年开始与三大汽车巨头间的“特殊制造合同”，此外法国ＥＤＦ和南非均开始新的电能质量业务。电力市场中电能质量合同的出现也促进了电力公司和用户对电能质量研究的投入，以更好的完善该项增值服务和区分双方责

任和义务。

４电能质量现象汇总

表２列出了已知的电能质量现象，并进行了简单的分类。

表２

电能质量扰动汇总表

幅值范围

扰动类型

子类／类属特征属性

恃续时间划分

（Ｐ．Ｕ．）

纳秒级

上升时间５ｍ

＜５０ｎｓ

暂态冲击微秒级１ｍ

５０ｍ—ｌｍｓ

毫秒级ｌＩｎＢ

ｌｍｓ—ｌｅｖｅｓ

低频频谱＜５ｋＨｚ

０—４

Ｏ．３—５０１ｍ

中频

５—５００ｋＨｚ

０—８２０∞

暂态振荡

高频０．５—５蛐№

０—４

５∞

即时０．５—３６ｃｙｃｓ

瞬时

＜０．１

３６

ｃｙｃｓ一３８暂时３—６０ｓ

供电中断

持续Ｏ

＞ｌｍｉｎ即时０．５—３６ｅｙｃｓ

瞬时０．１～０．９

３ｔ旆一３Ｂ

电压骤降暂时３—６Ｄｓ

即时０．５—３６“∞

瞬时１．１＿１．８

３６ｃｙｃｓ一３８电压突升暂时３—６０ｓ欠电压非稳态Ｏ．８一Ｏ．９≥ｌｍｉｎ过电压非稳态１．１一ｌ≥ｌｒａｉｎ

不平衡度

电压不平确

稳态０．５％一２％

闪变暂态（２５Ｈｚ

Ｏ．００ｌ—Ｏ．０７

直流偏置稳态Ｏ—Ｏ．００ｌ

谐波准稳态

２．１００ｍ

０—０．２

第二届电艟质量国际研讨专雪套皋集：熟垂强删鏊鳍鳢旷——————

续表

幅值范围

扰动类型子类／类属特征属性

持续时间划分

（ｐ．Ｕ．）

间谐波稳态Ｏ～５ｋＨｚ

Ｏ＿Ｏ．０２

裂痕暂态≤０．５ｅｙｅ

电噪声暂态ｖｅｒｙ

ｂ刊

Ｏ—Ｏ．０１

削平暂态相角不对称稳态频率波动

稳态

≤ｌＯｓ

通常将电压骤降、突升、供电中断、过＼欠电压等统称为电压变动；将直流偏置、谐波、裂痕（又称陷波）、削平（Ｆｌａｔ）等称为波形畸变。虽然研究人员将部分电能质量现象划分的非常细，在实际监测和测量中往往将其中部分子类加以合并，如供电中断也常常划分为瞬时、暂时和持续三种。表２中持续时间中以周期数表示的是基于５０Ｉ－Ｉｚ系统而言，与一般文献中基于６０Ｈｚ系统的不同，但反映的时间尺度是一样的。

此外，各个具体的电能质量问题也根据外在形式和机制划分成很多子类，如电压骤降就可以根据外在电压波形不同，划分成Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个类

型。

三，主要电能质量指标

对电能质量，除经济性指标外，目前没有统一的指标可以用来描述表２中提到的全部电能质量问题，而是根据不同扰动或扰动组的特征制定了一些具体的量化指标。

１谐波

谐波（Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）污染是电能质量的一个基本问题。谐波问题并不新鲜，对谐波的研究可以追溯到电力系统形成初期。１９１６年，电气工程师Ｓｔｅｉｎ－ｍｅｌｚ就撰文探讨三相系统中的谐波问题；在近期研究人员提出了谐波组的概念用于进一步研究谐波问题。

各次谐波含有率（ＨＲ）、总谐波畸变率（册）、谐

描述谐波的一般指标：各次谐波幅值和相位、

波功率和谐波阻抗，以及部分演化指标如Ｋ因子等。通常ＴＨＤ定义为谐波分量（ｈ≥２）有效值相对于基波分量（ｈ＝１）的百分比。若不考虑电流中的直流分量，则ＴＨＤ可以用式（１）计算

～逝１１：年ｈ＝２

２

间谐波（Ｉｎｔｅｒｂａｒｍｏｎｉｃ）问题，在理论界还存在

许多争论。间谐波就是指频率非整数次基波频率的波形分量。目前的研究表明一部分加热控制器和循环整流装置会引起问谐波，其幅值很小一般不会对系统或设备造成直接破坏，但有时候间谐波会在变压器电抗和电容器组之间激励起难以预料的谐振。目前从研究和生产上均证实了间谐波可以引起闪变的发生，对间谐波的来源、影响和有关测量方法还处于探讨阶段。相比较而言，频率小于基波频率的次谐波（Ｓｕｂ—ｈａｒｍｏｎｉｃ）的危害就大得多，子谐波电流极易造成电力变压器饱和或损害同步发电机。

２电压闪变

电压闪变（Ｆｌｉｃｋｅｒ）是指人眼对由一定频率（最高可达ｌＯＨｚ）的电压波动所引起的照明异常而产生的直观视觉感受，闪变的低频调制信号一般认为从１。ｌＯＨｚ，也是人眼视觉最为敏感的频率范围。根据扰动原因不同，电压闪变可分为周期性和非周期性之分。闪变往往需要对波动波形进行频谱分析。

对电压闪变目前没有精确的计算指标，通常以

白炽灯的光通量（ＦｌｉｃｋｅｒＩｎｔｅｎｓｉｔｙ）作为判断指标之

一，此外使用较多的指标有：短期觉察度（Ｐ。）、长期觉察度（Ｐｌ。）、累积概率函数曲线（ＣＰＦ，Ｃｕ—ｍｌｌｌａｌＪｖｅＰｒｏｂａｂｉｌｉｔｙＦｕｎｃｔｉｏｎＣｕｒｖｅｓ）和闪变觉察曲线

（ＰＦＣ，ＰｅｒｃｅｐｔｉｂｌｅＦｕｎｃｔｉｏｎＣｕｒｖｅｓ）。

Ｐ。是在一种基于人眼因灯光闪烁受到损害的算法思想得出的，一般每ｌＯｍｉｎ周期评估一次。Ｐ。在一定范围内关于电压变化幅值呈线性关系，且一般与频率大小直接相关。严格地说，Ｐ。的计算较为复杂。需要运用到概率分布、均值以及ｎ阶距的知识，所以往往也从统计意义上并且考虑了测量的不确切性得出的Ｐ。值，表示在一定置信度范围内的

结果。

综合连续１２次Ｐ。可以评估得出Ｐｈ的数值，即通常计算周期为２ｈ，具体计算方法为

：＾厩

（２）

Ｙ

ｉ。ｌ

３电压骤降

ＩＥＥＥ给出电压骤降（Ｓａｇ）的一种定义是供电

系统中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的

１０％．９０％，并在随后的１０ｍｓ到ｌｍｉｎ的短暂持续期后恢复正常。ＩＥＣ的有关标准与匝ＥＥ的一个较大的区别在于电压骤降的电压幅值规定为正常值的１％一９０％。图１给出了一个简单的电压骤降的波形

示意图。

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ｐ

ד习∑，／

”一

１０％）仉

ｔ

图１电压骤降的波形示意图

不同原因引发的电压骤降在主要ＰＣＣ点观察到

的外在电压波形差异较大，

电压骤降波形的差异，与扰动时刻系统的不对称有较大关系。故障导致的电压骤降表现出明显的、较为严重的不平衡性态，随故障类型和配电变压器绕组连接形式的不同所呈现的不对称情况也不

一致。

（ａ）

Ｔｉ“。（ｃｙ。ｌｅ８）

（ｃ）砥（ｃｙ。ｌ。８）

图２不同原因电压骤降的典型波形圈

（ａ）Ｆａｕｌｔ

ｉｎｔ捌；（ｂ）Ｍｏｔｏｒｓｔｌ血ｎｇ；

（ｃ）ＴＩｍ面Ⅻ∞ｅｑ蛐唱

现有的统计数据和研究成果表明最严重的电能

质量问题就是电压骤降（也包括短时电压完全中

断）。对电压骤降问题，研究内容涉及不对称电压骤降特性、不同设备对电压骤降的敏感程度、电压骤降过程的仿真计算、电压骤降在不同电压等级之间的渗透、电压骤降的随机预测、缓解电压骤降的

技术措施等。

（１）基本的阈值指标。最常用的描述电压骤降的指标是持续时间、电压幅值。电压幅值的计算可以是总的有效值，也可以基波电压幅值，也可以是峰值。使用不同方法计算电压幅值得出的描述形式也不尽相同。计算电压幅值的目的之一就是得到电压骤降的深度，深度指标大小直接反映了电压骤降的严重程度；而持续时间部分决定了对负荷设备尤其是电子设备的影响大小。因扰动发生时刻往往会发生相角的变化，故相角跳变也是描述电压骤降的指标之一，在实际应用往往容易被忽略。

（２）统计指标。用于评估电压骤降（也适用电压突升）的统计性指标有系统电压有效值变化平均指标（ＳＡＲＦＩ，），监测并统计被评估系统的所有用户在一段时间内受到的电压骤降（或电压突升）的次数，从而得到电压幅值（有效值）低于（或高于

茗）的ＳＡＲＦＩ，。

ＳＡＲＦＩ，：警

㈥

式中茗——电压有效值阈值；

腿——第ｉ次电压骤降中观察到电压低于

（或高于）戈的用户数；

７ｖＴ．一用户总数。

该指标以年为单位时间进行评估。该指标有多个变形和推广。

随着计算机等信息终端对电压敏感程度的提高，国际商用制备制造联合会（ＣＢＥＭＡ）和信息技术工业委员会（ｒ１１Ｃ）先后于１９７８年和１９９６年提出了计算机等信息类设备电压容许要求，用于描述计算机、可调速驱动、照明等在电压骤降（甚至瞬时电压中断）下的抗扰能力。ＩＴＩＣ是在ＣＢＥＭＡ的基础上修订的，两者的区别在于ＩＴＩＣ曲线提供了一个阶梯式的可接受（容许）运行区域，而ＣＢＥＭＡ则

是一条光滑的曲线如图３所示。虽然ＣＢＥＭＡ和ＩＴＩＣ

并没有被直接用作描述或评估电压骤降的指标，但

在实际应用中与ＳＡＲＦＩ指标结合就有了ＳＡＲＦＩｃｓｅ砌ｔ

和姗Ⅲｃ指标，用于表示系统中在统计规律下的

符合容许条件的电压骤降的情况。

此外，可以用于评估电压骤降对用电设备影响

第二届电能质量国际研讨会论文橐；鞔搋黜粼溯一…——～……………一……………～…………—～

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图３

ＣＢＥＭＡ和ＩＴＩＣ电压容许曲线（ａ）ＣＢＥＭＡ；（ｂ）ＩＴＩＣ

的其他抗扰能力依据有：１９７８年美国联邦政府对自动化数据处理仪器提出的ＦＩＰＳ曲线；１９７２年针对工业负荷的故障率曲线；１９７４年针对大型计算机的交流输电线电压容许偏差等，但这些一般已逐步失去作用了，因为不能适应目前的形势了。

除上面提到的统计指标外，累计发生次数、累计持续时间、平均持续时间、累计跌落深度、平均跌落深度、累计电压时间面积、平均电压时间面积等也可以用作电压骤降的统计指标。

（３）面积、能量型指标。除最基本的基于阈值检测的指标和统计指标外，描述电压骤降的指标还有电压缺失、面积、能量损失等变异指标。

电压缺失是指电压骤降过程中跌落电压积分，

一般可以这样定义电压缺失ＬＶ

ＬＶ：ｊ．（１一吲州ｆ

（４）

式中

Ｖ（ｔ）——指电压幅值的时间函数，该指标与下面的面积指标非常接近。

借鉴发电机暂态稳定的面积方法来描述电压骤

降，检测到扰动记录幅值和波形的同时。实时计算电压骤降的“面积”（当然也可以后期计算处理），

如图４所示。

这里的“面积”可以理解为是一种电压幅值对

时间的积分，可以有正负之分（电压骤降为负，电

压突升为正）。电压骤降电压时间积分面积在单相情况下这样定义

广ｔ‘ｔ

‰西口。＝Ｉ

４‘［“（￡）一Ｕ删］ｄｔ‰翦

（５）

。——————————Ｌ

ｌｓ

ｌｓ

ｏ————————————Ｌ—一

图４电压骤降面积指标示意

若电压幅值函数ｃ，（ｔ）在任意一个小时间间

隔内满足对时间的线性关系，则式（５）可写为式

（６）

ｒｔ

口。＝Ｉ（６）

ｏ

０

ｎ［ｕ。（￡）一ｕ一］ｄ￡

这是单相的情形，读者可自行推广到三相系统中，对幅值波形呈矩形状的电压骤降可以用电压骤降深度和持续时间的乘积来近似上述的积分

口。一ｄ。￡。

（７）

电压骤降面积指标不等同于能量。损失能量指标指电压骤降中系统未能正常传输给负荷的能量多少，也是缺失电压和持续时间的函数。令损失能量

为皿，一种单相电压骤降的损失能量为

ｒ

舾＝ｌ［１一Ｕ（ｔ）２］ｄｔ

（８）

Ｊ

此外，另一种电压骤降能量损失指标定位是

ｒ

皿＝Ｉ［１一ｔＪ（ｔ）］２ｄｔ

（９）

√

可以看出积分形式的定义对非矩形状的电压骤降也同样试用，但缺陷是积分限的确定比较困难，尤其是积分上限。

（４）特殊指标。美国ＤｅｔｆｉｏｔＥｄｉｓｏｎ电力公司在和通用汽车之间的电能质量合同中采用了一个称为骤降评分（ｓａｇ８Ｃ０１陀）的特殊指标，该指标是基于标么值的平均电压缺失，并充分考虑了空间和时间上的量测集结关系，只考察某个ＰＣＣ点一定周期（１５ｒａｉｎ）内的最严重电压骤降

１

ｓｓ＝ｌ一寺（“＋％＋Ｕｃ）

（１０）

该指标虽简单，但忽略了持续时间这一重要参

数。

４电压中断

电压中断（Ｌｎｔｅｒｍｐｔｉｏｎ，又称供电中断）是指供

电侧电压接近于零的状态，如图５所示。电压接近零在ＩＥＣ中定义为小于指定电压（一般是额定电压）的１％，而ⅢＥＥ中定义为小于１０％，两者略有区别。持续时间长于３ｒａｉｎ的成为长电压中断，反之

称为短电压中断。

图５电压中断的波形示意

类似前面电压骤降的ＳＡＲＦＩ指标，电压中断的评价指标一般也是基于统计的。

表３

常用电压中断的统计指标

指标

解

释

Ｓ舡Ｆｌ

系统平均中断频率指标，即系统平均每年向每用户中断供电的次数

用户平均中断频率指标，即平均每年每

ＯＵＦｌ

用户遭受到的中断的次数

系统平均中断时间指标．即系统平均每

ＳＡ王Ｄｌ

年向每用户供电中断的持续时间

用户平均中断时问指标，即平均每年每

Ｃ蛆Ｄｉ

用户遭受到的中断的持续时间

脚

平均可用服务指标，即一年中供电服务可用的用户小时数总和与需求的总用户小时数的比值

平均服务不可用指标，一年中供电服务ＡＳ￡，，

不可用的用户小时数总和与需求的总用户小时数的比值

衄诏

平均未供能源，即系统平均每年向每用户未供能量

此外，还有ＭＡＩＦＩ、ＣｕｍＰｒｏｂ９５％、ＲＭＢ等多个指标。上面的指标在实际应用中从系统角度、用户角度得到的结果区别不大，这些指标往往作为系统或用户（更多的是用户）对供电的期望水平之一。

电压中断一般是由故障后保护的动作（在故障发生和保护动作之间，电压骤降发生；而对于故障馈线上的用户，在电压骤降之后就是电压中断），有时是因保护误动作等原因造成的。目前而言长电压中断还是最为严重的电能质量扰动之一，故非常有必要对电压中断的发生频率和持续时间做相应的规定。从目前国际组织的官方文件中很难找到对应的限制，只有欧洲的标准中这样规定：视地区不同，持续时间在３ｔｒｉｍ以上的电压中断次数在１０—

５０次。当然我们看到制定这类值是必须要考虑到实际情况的，所以有较大的难度。

５电压突升

电压突升（Ｓｗｅｌｌ）是指工频电压的暂态升高，其典型的幅值波形如图６所示，电压突升一般由故障或开关动作引发，该现象常常发生在中性点不接地系统中，如当发生瞬时单相接地故障时，其余两相对地电压会突升至额定电压的压，这就是电压突

升。

Ｏ％１Ｕｏ

图６电压突升的波形示意图

一般借鉴电压骤降的部分指标，如ＳＡＲＦＩ统计指标、时间电压积分的面积指标和能量指标作为电

压突升的指标。

６电压裂痕

电压裂痕（Ｎｏｔｃｈｅｓ，又称电压凹陷、电压缺口等）是指一种持续时间短于半个周波，起始时刻与原波形极性相反的工频电压开关性（或其他的）扰动。因为进行相反，故与正常波形相比总使得扰动电压的峰值降低，如图７所示。持续时间短于半个周波的电压跌落和完全失压也可以划分为电压裂

痕。

图７电压裂痕的波形示意图

三相整流设备在换相过程有非常短暂（小于ｌｍｓ）的短路过程，该短暂短路过程引起的供电电压跌落一般就是电压裂痕。电压裂痕的最主要影响就是高次谐波，由三相整流设备引起的电压凹陷一般是周期性的。

一般描述电压裂痕一般需要综合裂痕缺口深度、裂痕持续时间和每个正弦波上凹陷的个数三个性质。因为电压裂痕发生时刻通常伴随着高频暂态

第二届电能质量国际研讨台论文集确ｌ黝蝴嬲蝴犷——…～一

过程，需要一些暂态分析的方法也被用来分析电压

裂痕。

７暂态冲击和暂态振荡

暂态（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）一般是指系统电压、电流的

快速变化。暂态的学术定义是指那些系统电压／电

流快速简短的不连续性的次周波扰动，如图８所

示。电力系统波动分析中往往遇到的不符要求但本质上呈瞬态特性的事件就可以认为是暂态。暂态的

另一个常用定义是：在一个稳态到另一稳态的过渡过程中出现的部分变化，该定义范围很宽且较简

洁。一般分为脉冲型（Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ）和振荡型（Ｏｓｃｉｌ．

１ａｔｏｒｙ）两种。

Ｉ

’硼ｈ

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／；

ＦＶ；ｊ／｜。｝：Ｖｉ

…歹；、

７

Ｌ

Ｆ…；｝；

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；

图８暂态振荡的示意渡形

冲击暂态是指电压和／或电流的突然的、非工频、单一极性方向的变化。引发冲击暂态的最普遍

的因素就是雷击。因冲击暂态所表现的高频特性，冲击暂态的波形随电路元件不同差异非常大，且随

观察地点的不同形状也不同。相比照，振荡型暂态

是指电压和／或电流在稳定状态下的突发的、非工频的、具有双向极性的变化。通常情况下，冲击型

暂态无法沿输电线长距离传播，但冲击型暂态可能引发系统的自然频率下的振荡型暂态。目前出利用暂态分析的原理和方法外，还没有具体统一的描述暂态扰动的指标。

通常情况下，因电容器（组）上电激励引起的振荡暂态频率呈现一种较低频率的振荡，小于５ｋＨｚ；但当电容器在上电投运时刻，若附近有正在运行的电容器组，则形成背靠背形式的投切方式，

此时引起的振荡频率则较高，最高能够达５ＭＨｚ。

８过电压／欠电压

过电压是指系统工频电压有效值上升到至指定电压（一般为额定）的１１０％以上、持续时间超过

ｌｍｉｎ的电压升高。相反，欠电压是指系统工频电压

低于指定电压的９０％、持续时间超过ｌｍｉｎ的电压

降低。过电压／欠电压一般非系统故障所致，但可能会因负荷波动或者系统的开断操作引发。过电压在电压调节能力薄弱或缺少电压控制的区域时常发

生。

过电压扰动的最基本的三个指标分别是幅值、持续时间和电压时间积分阢。对于幅值属性，通过

测量得到，为时间的函数Ｕ（Ｉ），可以是最大电压幅

值，也可以是与标称电压的最大电压偏差。持续时

间ｒ的定义就较多了，常用的有这样三个：电压恢复到暂态过电压扰动最大幅值的１０％需要的时间；

电压平均衰减时间常数；电压时间积分以的变化

率；电压时间积分是这样定义的

广Ｉ。＋ｒ

Ｕ。＝Ｉ。Ｕ（ｔ）ｄｔ

（１１）

Ｊ～

式中ｔｏ——过电压扰动起始时间；

卜一般选为扰动持续时间。

９三相电压不对称

电压不对称（又称不平衡）一般有两种可能，一种是结构性因素，二是使用性因素。ＥＨＶ输电线路的不循环换位就属于前者，电气牵引机车等大容

量不对称或单相负荷的接人就属于后者；三相不平衡不仅与电力系统有关，更多的受用户负荷性质影

响。电压不平衡对电力系统三相制设备会造成巨大

影响，比如感应电机、电能转换器、变压器和输电

线路损耗等，这方面有较多文章论述。

通常电压不平衡使用不平衡因子（Ｕｎｂａｌａｎｃｅ

Ｆａｃｔｏｒ，ＶＳＦ）指标来描述，但目前各类标准中对不

平衡因子给出的定义也不尽相同。美国国家设备制

造商协会（Ｎａｔｉｏｎａｌ

ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ’ｓＡｓｓｏｃｉａ．

ｔｉｏｎ，ＮＥＭＡ）对电压不平衡是针对线电压定义的，称为线电压不平衡率ＬＶＵＲ

ｌｆ．

ＬＶＵＲ＝＿蚀鲁—坠里×１００％

一ｆ｛．

ＵＬ・ｍ

（１２）

式中

ＵＬ．。——三相线电压有效值最大值；编．。。＿一三相线电压有效值的平均值。

ＩＥＥＥ有关电压不平衡的定义与ＮＥＭＡ相仿，只

是对相电压（对地）而言，故又称相电压不平衡率

Ｐ垤履

ＰＶＵＲ：二耻鲁—土坐×１００％

ＩＴＴｆ

（１３）

Ｕｐ・”

式中

Ｕ。。矗一三相相电压有效值最大值；

Ｕ。，广三相相电压有效值的平均值。

无论是线电压不平衡或者相电压不平衡，从本质上看是属于幅值不平衡。

业内目前还普遍使用负序、正序比值的不平衡

率定义方法

ＶＵＦ＝寺×１００％

（１４）

式中

（７—一负序电压辐值；移。——正序电压辐值。

该定义可以是线电压或者相电压，又称负序不平衡。通过Ｐａｒｋ变换将三相不平衡线电压转换成两组对称的分量。

通过推导，电压不平衡度可以写作

卿＝√糍×１００％（１５）

其中口

一一（彩乙６埘＋ｕ乞ｈ面＋玎。ｈｍｄ，ｐ＝惫警急搿２粤２（１６，

７

通过一定的恒等变换，可以推导出前面三种定义间的联系；对同一问题，这几种定义方法得出的

指标往往是不一致的，在不平衡率小于５％时相差

比较小，在大于５％的情况下，结果相差是比较大

的。

若测量的是三相相电压或两个相间电压时不平

衡度的计算。假设测量时测取了ＡＢ、ＢＣ的相间电压，则瞬时不平衡度可以用式（１７）计算

唧

鲁箍

（１７）

有文献在仔细分析后指出在进行三相电压不平衡度指标计算前，应采用适当的方法如滤波器（模拟、数字）或者ＦＦｒ算法将谐波去掉。

四、现行的通用电能质量标准

电能质量问题的合理评估是非常必要的，评估就需要有必要的依据，需要深人分析具体问题并制定相应的准则。标准往往是有着明确的指导意义的，电能质量标准的主要作用就是提供一个评估电能质量厉害关系、电力系统行为和设备性能的共同基础。因电能质量问题的多样性，目前制定的电能质量标准也相当的细化，较广泛包含电能质量方方面面的标准还没有出现。

１制定电能质量标准的国际组织

当电能质量问题引起各行业广泛重视的同时，国际上几大电气组织和研究机构纷纷成立了电能质量专委会，致力于电能质量若干基本问题如定义、测量、评价指标等的研究，已先后公布了部分正式标准和试行草案。现简单列出相关的国际组织：

表４制定电能质量标准的有关国际机构

组织

简单说明

衄

有多个工作组就测量、描述、术语、指标等多方面进行研究，研究成果较公开主要研究谐波和电磁兼容问题，也涉及

ｍＣ

测量、指标等方面，在欧洲应用的较为广

泛

美国国家标准学会，近期主要是与皿Ｅ

ＡＮＳＩ

等组织合作研究

ｓ】ＥⅧ

半导体行业委员会，主要关注半导体处理装置抗电压骤降干扰问题

ＣＢＥＭＡ国际商用制备制造联合会和信息技术工ｒ１１Ｃ

业委员会，致力于信息终端设备受电压骤降干扰的曲线和图形化描述

Ｕ匝

电力应用国际联合会咖ＥＤＥ

电能生产、辕配国际联合会ＣＥＮＥＵ℃

欧洲电工标准化委员会ＣＩＧＲＥ国际大电网会议Ｃ珏ｔＥＤ

国际配网会议

美国军方。主要从飞行器、船只、基地

Ｕ．Ｓ．ＭｉｌｉｔⅢｙ

安全角度考虑

踊

美国联邦信息处理标准委员会

ＮⅡ’Ａ

美国国家防火协会，从防火和建筑安全角度考虑

脚

美国国家标准化和技术学会ＵＬ

Ｕｎｃｌｅｔｗｒｉｔｅ￡ｓ实验室晌

不列颠标准研究院

ＩＥＥＥ和ＩＥＣ是电能质量最主要的标准发布机

构，相对具有更为一般性的参考意义，其他的部分机构在电能质量闰题的具体应用上也做了大量卓有

成效地研究。

２标准所应涉及的内容

电能质量，如同其他产品和服务的质量一样，定量分析它的质量水平是较困难的。目前虽然有不少与电压或其他技术内容相关的标准是可以具体量测的，但从本质上看电能质量的量度还是要参考终端用户设备的性能表现和生产情况才能得到较为正确、客观地评判，这也是电能质量制定中所面临的

主要问题之一。

在清楚为什么要制定电能质量标准后，就必须明确标准所应涉及的内容，概括起来必须涉及下面的这些方面：首先明确有关定义，划分兼容性和兼

第二届电能质量国际研讨台论文秉渤捌蝴嬲辫秽……————…………—————

容水平，定出系统的期望水平和判断基准，研究扰动产生的特性和限制条件，界定用户设备与系统对电能质量水平的影响，提出设备抗干扰需求，统一测量方式以及描述方法，给出具体应用的处理办法以及具体步骤，最后归述到惩罚措施和经济问题

上。

３电能质量标准

电能质量标准制定的原因，一方面是由于电能质量对社会生产、系统运行和电力服务均有着越来越明显的影响，影响的程度也越来越严重；另一方面也是因为在电能质量测量、监测、治理、仿真分析等各方面均存在着一定的混乱状况，各自为政、各行其是，这给研究分析电能质量、交流信息带来了诸多麻烦，于是也迫使有关组织急切的制定出一部分标准。现行标准的另一个比较重要的特点就是很多问题还并没有深入研究清楚，不少标准往往是

技术层面上现有实践经验的总结或者还只是一些设

想，缺少系统的机理分析得出的详实明确的理论和

方法。

一般来说，电力系统只能控制电压的质量指标，而控制不了电流尤其是特殊负荷吸收或注入的电流。所以电能质量领域的大多数标准通常只专注

于限定电压在一定水平之内。下面是一些有关电能质量的主要标准。

ＩＥＥＥ的第１４５３、１４０９、１５４７标准制定组也正致力于电压闪变、用户电力改善电能质量和分布式新

能源育电网互联对电压质量影响程度的研究。此

外，还有ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ共同制定的第１８、２８、３６８、

Ｃ３７．９０、ｃ８１．４、Ｃ８２、Ｃ２６、Ｃ５７、４１４、１４２、４９３、

５１８、５１９、５８７、９４４等一系列标准。

代表欧洲国家ＩＥＣ也有相类似的一系列标准。

表５

ＩＥＥＥ的有关标准

标准号

时间

描

述

５１９１９９２电力系统谐波控制

１４３３

Ｄ

１９９９

电能质量术语词汇定义

ｌ钙１５

电能质量监测中的若干问题，包括１１５９数据采集、描述和数据格式

１５６４Ｄ２００２

电压骥降指标

评估具有电子处理设备的电力系统

１３４６１９孵

兼容性评估，从设计和规划角度提出经济损失的计算方法

１２５０１钙１５

短暂电压扰动下计算机等设备灵敏度分析，减缓扰动影响的方法等

１４２１９９ｌ

工业和商业性电网的接地考虑

续表

标准号

时间

描

述

４４６

１９９５

应急和备用电源的使用、设计和维护

６０２

１９９６医疗场所电源的设计和运行１１００

１９９１９

电子设备的供电和接地实施

表６

ＩＥＣ的有关标准

标准号

描

述

６１０００一ｌ—ｘ有关电能质量的定义和一般方法６１０００一２一ｘ

电磁环境６１０００一３一ｘ

谐波污染限制６１∞０—４一ｘ

测试和测量

６１０００一５一ｘ改善电能质量的装置及其安装６１０００一６一ｘ

一般性抗干扰和电磁污染标准聊／７／Ｇｌ

有关术语

ＳＣ玎Ａ／ＷＧ

１

谐波和其他低频扰动ＳＣ７７＾佣ｎＧ６

低频抗干扰测试

ＳＣ７７Ａ／ＷＧ２电压波动和其他低频扰动ＳＣ７７Ａ／ＷＧ８

与系统频率相关的电磁干扰Ｓｃ７７＾佴，Ｇ

９

电能质量测量方法

有关于常见电能质量问题的兼容水平的

ＥＮ５０１６０

规定

ＩＥＣ的第１０００系列标准对电压骤降问题做了较为详细的分析和规定，目前在一些行业内也发布了有关供电水平的规定，这些标准往往是根据具体的应用而做出的。对指导实际生产和评估均有着重要

意义。

我国颁布的有关电能质量的标准是根据我国实际电能水平并参考国际标准制定的，相关标准还不齐全，目前实施的有：ＧＢｌ２３２５—１９９０、ＧＢｌ２３２６－－

１９９０、ＣＢ／Ｔ

１４５４９—１９９３、ＧＢ／Ｔ１５５４３—１９９５、ＧＢ／Ｔ

１５５４３－－１９９５等，分别就供电电压允许偏差、允许波动和闪变、谐波水平、不平衡以及频率允许偏差做出了规定。正如专家所指出的那样，电能质量及供电水平标准的制定必须考虑到电力工业的发展和实际需求，这方面有成功的经验也有失败的教训值得借鉴。

表７

其他相关标准

标准号

描

述

ＳＥＭｌ

Ｆ４２

规定了半导体设备的电压骤降容许条件Ｓ聊Ｆ４７

如何测试半导体设备的电压骤降容许水平

续表

标准号

同Ｐｓ９４

步介绍了各种扰动的基本概念和主要描述指标，并且详细列举了业内主要电工类国际组织在近２０年提出的有关电能质量的诸多通用标准和部分具体应用规范，说明了各标准的主要内容、适用范围和各自特点。在探讨电能质量这些基本问题的同时，旨在让读者对电能质量的概况以及来龙去脉有一个初

步了解。

描述

信息处理设备对供电的要求

考虑建筑物防火的条件下，对电源的若干要求

电压不平衡下，交流多相电机的运行要求

侧重变压器的谐波容量

Ｎ兀’Ａ７０Ｍ甲Ａ７５

ＮＦＰＡ７８

Ｎ】眦～ＭＧｌ

ＵＬｌ５６ｌＵＬｌ５６２

参考文献

［１］蒋平，赵剑峰，唐国庆．串联型电能质量补偿器的试验研究．

４欠缺之处

目前标准中提出的电能质量指标在遇到非周期信号、问谐波信号，就不能很好的评价电能质量的好坏了。因此随考虑问题的改变，实际情况也在变化，相应指标也需要不停的修订中，电力系统需要一个较为全面合理的标准。

目前几乎所有的标准或者规范均是针对电能质量本身的技术范畴展开的，至今还没有任何标准明确完整地定义电力供应者、用户等各方面在电能质量问题中的角色以及责任，也没有任何规范指出电力供应者必须或能够向客户提供的供电服务质量服务的有关内容。

电力系统自动化，２００ｉ。２５（４）：４１—４４

［２］肖国春．电能质量及其控制技术的研究进展．电力电子技

术，２０００，（６）：５８—６０

［３］赵剑锋．蒋平．基于电压型逆变器的串联型电能质量补偿器

与电力系统相互作用的研究，中国电机工程学报，２００ｉ，２１

（４）：７５—７９

［４］胡铭，陈珩．有源滤波技术及其应用．电力系统自动化．

２０００。２４（３）：６６—７０

・

［５］滕林．电能质量及其检测方法．国际电力，１９９８，（４）：４２

—４６

［６］胡铭．陈珩．基于小波变换模极大值的电能质量扰动检测与

定位．电网技术，２００ｉ．２５（３）：１２一１６

［７］林海雪．现代电能质量的基本问题．电网技术，２００ｉ，２５

（１０）：５一１２

［８］胡铭，陈珩．电能质量及其分析方法综述．电网技术，２０∞，

２４（２）：３６—３８

五、结束语

本文首先对各种电能质量扰动进行了综合，初

［９］张鹏，郭永基．电压骤降德可靠性评估新方法．电力系统自

动化．２００２，２６（８）：２０—２４

作者简ｊｒ．

王志群（１９ｒ７卜），博士研究生。１９９９年毕业于清华大学获工学学士学位。主要从事分布式发电

和电能质量评估的研究。

朱守真（１９５旷）女，研究员。主要从事电力系统建模、参数辨识、大型发电机组安全监控、电

压稳定、电能质量监控和评估的研究。

周双喜（１９４５一），教授，博士生导师。长期从事电力系统分析争控裁，以及电压稳定的研究。