电能质量治理节能技术

概述
电能既是一种经济适用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形势，又是一种由电厂发电、电力部门向用户提供，并由发、供、用三方共同保证这两的特殊产品。如今，电能作为走入市场的商品，无疑也应讲求质量。在此，我们会从对电能质量现象的认识和发展历程，电能质量的概念、定义、常用术语及其分类方法等基本知识入手，通过对国际电工委员会IEC和国际电气与电子工程师协会IEEE有关档案中所列的关于电磁干扰现象的特性分析和描述。
由于供电电源电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题，早在电力供应一开始就引起了供用电双方的关注。人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称值的多少作为检验电能质量的重要指标。之后随着工业规模扩大和科技发展，电力用户对电能质量的要求在不断提高。与此同时许多新型用电设备也会像电网注入各种电磁干扰，造成电能质量问题日益突出并引起各方关注。人们已经认识到，电力部门只要将电能“如数”地传输给电力用户，并且保证一定的供电连续性即可满足需求的想法是很不完善的，电力系统运行和工业生产过程对电能质量的要求正在逐步扩大和深化，提高嗲能质量已经成为保证供用电系统安全稳定运行的基本要求。
如何深入理解现代电能质量问题，如何把提高电能质量与增强竞争意识、扩大电力市场占有率联繫起来，如何从技术、经济和运行管理等方面加大力度，保证优质供电，以最小程度减少现代工业企业及重要电力用户的影响，既是电力用户需求和电力系统运行给我们提出的新任务，也是资讯时代给我们提出的新挑战。可以认为，当代电力系统的发展赋予了电能质量新的涵义和意义。近十多年来，电力科技工作者根据当代电力系统的特点，对出现的各种各样电能质量现象进行了分类整理和研究，不断地深入分析和探索尚待认识的电磁干扰问题，并且在此基础上部分地制定出了科学的符合生产实际的和可操作的电能质量考核基数及评估方法，推动了电能质量先进控制技术的实施。所有这些工作都为最终构成一个全面电能质量监督管理体系，真正实现电网的安全稳定和优质经济运行，向用户供给合格的电能和满意的服务提供了理论上合技术上的保证。

原理
（1）电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差以反映分配的电力是是否合格。电压质量通常包括：电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降、暂升与终端、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。
（2）电流质量。电流质量与电压质量密切相关，为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应儘量保持该电流波形与供电电压同相位。电流质量包括：电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与之后、噪声等。
（3）供电质量。包括技术含义和非技术含义两部分，技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。
（4）用电质量。包含电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴纳电费等。

方法及措施
一、瞬变现象
瞬变一词我们之前应该是接触过的，在店里系统运行分析里。它表示电力系统运行中一种并不希望而又事实上出现的瞬时事件。由于RLC电路的存在，大多数人的概念里瞬变现象自然是指阻尼振荡现象。关于此，IEEE里有一个含义更宽，描述也更简单的定义：变化量的部分变化，且从一种稳态过渡到另一种稳态过程中，该变化逐渐消失的现象。但这样描述在电能质量领域里会存在潜在的许多分歧。下面对瞬变的两种普遍类型做一下介绍：
1、冲击性瞬变现象
是在稳态条件下，电压、电流的非工频、单极性的突然变化现象。通常用上升和衰减时间来表现冲击性瞬变的特性，也可以通过其频谱特性成分表示。
2、振荡瞬变现象
是一种电压、电流的非工频、有正负极性的突然变化现象。对于迅速改变瞬时值极性的电压和电流振荡问题，常用其频谱成分（主频率）、持续时间和幅值大小来描述其特性。

二、短时电压变动
这一类型包括电压暂降（也称为骤降或凹陷）和短时间电压中断等现象。若按照持续时间长短来划分，进一步还可将其分成瞬时、暂时和短时三种类型。顺便指出：如此细分的目的是用于电能质量监测中队电压干扰分类统计。
1、电压中断
当供电电压降低到0.1p.u以下，且持续时间不超过1min时，我们就认为出现的电压中断现象。出现原因可能是系统故障、用电设备故障或控制失灵等。
2、电压暂降
暂降是指工频条件下电压方均根值减小到0.1~0.9p.u之间、持续时间为0.5~50周波的短时电压变动现象。电能质量领域使用暂降（sag）来描述短时电压降低已经很多年了，IEC把这一现象成为骤降（dips）在国内外行业内这两个词可以相互替换，是同意词。
3、电压暂升
暂升的涵义是指在工频条件下，电压均方根值上升到1.1~1.8p.u之间、持续时间为半个到50个周波的电压变动现象。与暂降的起因一样，暂升现象也是同系统故障相联繫的。我们可以用幅值大小和持续时间来表征这一现象。由于分类的方法不同，在许多资料中也使用“瞬态过电压”作为“电压暂升”的同义词。电压暂升现象远没有电压暂降现象那样常见。

三、长时电压变动
长时间电压变动是指，在工频条件下电压均方根值偏离额定值，并且持续时间超过1分钟的电压变动现象。分两种情况，即过电压和欠电压。通常，过电压和欠电压并非由于系统故障造成，而是由于负荷变动或系统开关操作引起的。
1、过电压
过电压是指在工频条件下交流电压方均根值升高，超过额定值10%，并且持续时间大于1分钟的电压上升现象。过电压的出现通常是负荷投切的结果。
2、欠电压
欠电压是指在工频条件下交流电压方均根值降低，低至额定值的90%且持续时间超过1分钟的电压变动现象。与过电压的出现原因正好相反。某一负荷的投入或某一电容器的切除都可能引起系统欠电压。
3、持续中断
持续中断是指系统电压迅速降到0且持续时间大于1min。这种长时间电压中断往往是持久的。当系统事故发生后，往往需要人工应急处理以恢复正常供电，通常需数分钟或数小时。持续电压中断是特有的电力系统现象。但如果是电气设备检修或线路更改导致停电，或由于工程设计不当或电力供应不足引起的持续中断，则不属于电能质量问题。

四、电压不平衡
电压不平衡，时常被定义为与三相电压或电流的平均值的最大偏差，并且用该偏差与平均值的百分比表示。电压不平衡也可以用对称分量发来定义即用负序或零序分量的百分比加以衡量。电压不平衡的起因主要是负荷不平衡（如单相运行）所致，或者是三相电容器组的某一相熔断器熔断造成的。大于5%的电压不平衡属于电压严重不平衡，它的起因很可能是由于单相负荷过重引起的。

五、波形畸变
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徵。波形畸变有五种重要类型，即直流偏置、谐波、间谐波陷波和噪声。
1、直流偏置
在交流系统中出现直流电压或电流称为直流偏置。这可能是由于地磁干扰或半波整流引起的。例如为延长灯管的寿命在照明系统中採用的半波整流器电流，会是交流变压器偏磁以至于发生磁饱和，引起铁芯发热缩短寿命直流分量还会引起接地极和其它电气设备连线的电解腐蚀。
2、谐波
把含有供电系统设计运行频率整数倍频率的电压或电流定义为谐波。可以把畸变波分解成工频和各次谐波分量的综合。电力系统中的非线性负荷是造成波形畸变的源头。
3、间谐波
与谐波定义方法类似，只是将整数倍于工频的条件换成非整数倍。
4、陷波
陷波是电力电子器件在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另一相时产生的周期性电压扰动。
由于陷波的连续出现，可以用受影响电压的波形频谱来表征该量。但由于陷波的相关频率相当高，很难用谐波分析中习惯採用的测量手段来反映它的特徵量，通常把它作为特殊问题处理。例如，一种评价指标规定，出现的陷波以其下陷深度和宽度来衡量。
5、噪声
噪声是指带有低于200kHz宽频频谱，混叠在电力系统的相线、中性线或信号线中的有害干扰信号。
电力电子装置、控制器、电弧设备、整流负荷以及供电电源投切等都可能产生噪声。由于接地线配置不当，未能把噪声产地至远离电力系统，常常会加重对系统的噪声干扰和影响。噪声可以对点射设备的正常工作造成危害。採用滤波器、隔离变和电力线调节器等措施能减缓噪声的影响。

意义
电能作为人们广泛使用的能源，其套用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标誌之一，在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的要求，是一个国家生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是资讯时代和信息社会发展的必然结果，是增强用电效率，节能降损、改善电气环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。
随着电能质量标準的制定和实施，电能质量的监督管理法规体系将逐步建立。这比将大大促进设备製造厂商提高期生产设备和对电力系统的兼容性，促使电力用户在提高产品生产效率，使用高性能设备的同时，严格限制自身对电力系统和其它设备的电磁干扰，保障各行各业的正常用电秩序，进一步促进供电部门加强对电能质量的技术监督和对电力系统的运行管理，推动电能质量先进控制技术的研发和套用，提高控制和驾驭的能力，保障配电系统安全经济的运行和向用户提供合格的电能和优质的服务，为千家万户提供信得过的电能产品。

新基建的浪潮下，国家电网有了新的大动作。6月15日，国家电网隆重举行“数字新基建”核心基础建设任务发布会暨云签约仪式，针对社会各界发布“数字新基建”十大核心任务，并与华为、阿里、腾讯、百度等合作方签订战略合作协议书。其2020年整体投入资金更是高达247亿元，预估带动当今社会投入资金约1000亿元。
电能的运用被称为能源领域的第三次重大变革，指引当今社会生产步入技术密集型新时代，规模化生产、批量化生产应运而生。过往数十年，我们国家电力发展一直坚持“就地平衡”的准则，哪里有需求就在哪里建电厂。由于东中部经济发展的速度较快，对电能需求较大，因此 这些地域汇聚了大量火电厂，环境污染问题特别严重。经济的飞速发展需要耗费海量能源，作为飞速发展中国家，我们国家能源消耗在世界排名第二，导致我们国家绝大部分城市的空气污染物排放已经超过了地域环境质量达标值允许的最大排放量。

一、智能配电自动化

从电流走向来说，电网主要包含发电、输电、变电、配电、用电五个阶段。利用对电力企业展开充分的调研能够发现，电网对无线通讯拥有着大量潜在需求。在未来的智慧电网中，5G有四大应用领域，分别是智能分布式配电自动化、毫秒级精准负荷控制、低压用电信息采集、分布式电源。
配电自动化是一个综合性信息管理系统，整合了计算机技术、数据传输、控制技术、现代化设备及管理等诸多技术与设备，具有诸多优点，例如提升 供电系统的可靠性、稳定性，使电能质量更高，提升 用户服务质量，减少运作费用，降低劳动强度。具体来说，配电自动化的发展主要经历了三个阶段：
第一阶段：这一个阶段是基于自动化开关设备相互配合的配电自动化阶段，这一个阶段运用的设备主要包含重合器与分段器等，无需搭建通信网络与计算机系统。一旦电力系统发生故障，就能马上利用自动化开关设备的相互配合对故障展开隔离，恢复供电。但从整体来说，这一阶段的配电自动化系统主要局限于自动重合器与备用电源自动投入装置，自动化程度较低。但现阶段，在配电自动化领域，这些系统仍在大范围运用。
第二阶段：这一个阶段的配电自动化系统是以通信网络、馈线终端单元、后台计算机网络为基础搭建起来的，既能保障配电网络正常运作，又能对配电网的运行状况展开监控，还能改变配电网的运作方式，及时发现配电网故障。一旦电网发生故障，调度员就能利用遥控将故障区域隔离起来，恢复供电

二、低压用电信息采集

钱江世纪城位于杭州一环中心，与钱江新城拥江而立，从滩涂变良田，从偏远乡村到现代化主城区，钱江世纪城称为杭州萧山基础建设的样版工程。晚上走在公路上，一眼看过去，映入眼前的是霓虹灯下的一片繁华，很难见到电线杆、电线，以致于使人忽略了其电力设施。
但电无处不在，原先，萧山区供电公司积极打造出智慧电网和泛在电力物联网。在地下，该公司运用纵横交错的电缆将变电站与开闭所连接起来，打造出了一张四通八达的地下电力网。依托于该电力网，萧山区供电公司可为当地区民与企业提供常见故障主动抢修、智慧用能提议等高品质用电服务。
在常见故障主动抢修方面，萧山区供电公司安装智能化配变终端与低压线路检测终端，进而对配电关键节点用电量、电压、电流等数据展开归纳，实现开关站—配电线路—配电变压器—低压配电线路—用户用电状态的全过程用电检测服务。
当电力设备出现常见故障时，智能化配变终端利用边缘计算技术，飞速分析常见故障数据之后传输给云端主站展开综合性研判。这使电力工作人员在用户报修前，就能精确掌握常见故障位置、原因等，并安排维修队伍实施主动抢修，同时，系统主动向受影响的居民发送停电信息，通知居民停电原因与预估恢复时间。
在智慧用能提议方面，萧山区供电公司利用智能化配变终端，对家庭、企业等用户用电行为展开分析，进而勾勒立体化的用户画像，在此基础上，便能够为用户提供个性化的智慧用能提议。
例如当电动汽车在充电桩充电时，充电桩配置的低压线路终端可实时监测充电负荷、充电周期特性、充电状态等，后台工作人员可一键查询充电桩运作信息，依据用户用电量、充电频率等，不断完善配电网及充电桩，正确引导用户安全、有序充电，同时，该过程中节省下来的电力运维成本费用，可以用特惠活动的形式反馈给用户，从而完成价值共创。
智慧电网指的是电力传输网络体系，也被称为“电网2.0”，最大的特性就是“电力流”、“信息流”和“事务流”高度融合，能够更好的检测动力消耗，支撑负载平衡，降低动力成本费用，提升 动力运输及运用功率，降低故障发生概率，缩短故障维修时间，提升 整个电网的安全性、灵活性，让电商与用户完成双向互动。
在智慧电网的构建过程中，对于电力用户的用电信息采集系统的构建是十分重要的。借助构建好的用电信息采集系统，能够及时、完整、准确地掌控用户用电信息。系统收集的用户用电信息作为收费依据，牵涉到千家万户的利益，系统的操控功能影响到用户的停电、送电。
低压用电信息采集指的是对电力用户的用电信息进行收集、处理、监控，借助5G（边缘计算）技术，完成用户信息自动收集、用电分析与管理、计量异常监测、相关信息发布、电能质量监测、智能用户设备信息交互、分布式电源监控等功能。
现阶段，电力用户用电信息采集的主要业务是计量、传输数据，包括终端上传主站的状态量收集类业务以及主站下发终端（下行方向）的常规总召命令，上行流量比较大、下行流量比较少，现有通讯方式以230M、无线公网和光纤传输方式为主，各类用户终端使用集中器，主站由省公司集中化布署。初期，信息采集每天会布置24个计量点。现阶段，信息采集主要运用两种，一种是每隔5分钟收集一次，一种是每隔15分钟收集一次，每天的0点是统一收集点。
未来，伴随着新业务不断地发展，用电信息数据需要实时上报。同时，伴随着终端设备的数目不断地增多，用电信息采集将延伸到家庭，借助5G技术，电力企业有希望获取全部用电终端的负荷信息，借助更精细化的方式完成供需平衡，完成错峰用电。例如，现阶段，欧美等国正实行价阶梯报价机制，需要实时公示电价，让用户能够按需采购。

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第三阶段：伴随着计算机技术不断地发展，在第二阶段配电自动化系统的基础上，利用增添自动控制基本功能形成了配电自动化系统。这一个配电自动化系统由两大系统构成，一是集配电网SCADA系统、配电地理信息系统、需方管理、调度员仿真调度、故障呼叫服务系统和工作管理等于一体的综合性自动化系统，二是集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统，基本功能有一百四十多种。现阶段，配电自动化系统便是根据这一个目标搭建起来的。
现阶段，最主流的方案便是集中式配电自动化方案，在这个方案中，通信系统的主要基本功能是传输数据业务，包含终端上传主站的遥测、遥信信息采集、主站下发终端的常规总召、线路故障定位隔离、恢复时的遥控命令等，上行流量比较大，下行流量比较小，主站集中部署在各个地市。

三、精准负荷控制

电力负荷控制系统是一个集现代化管理、电子技术应用、自动控制、信息等多学科技术为一体，实现电力营销监管、电力营销管理、营业抄收、数据收集和网络连接等多种功能的一个完善的系统。一旦电网产生故障，负荷控制便会通过稳控系统摘除负荷，确保电网可以保持平稳运作。同时，负荷控制会通过第三道防线的频低压减载装置负荷减载，避免 电网崩溃。通过稳控装置集中切负荷会形成非常大的社会影响，同时，电网第三道防线措施也会导致用电负荷形成更大面积的损失。
现阶段，在特高压交直流电网建设过渡阶段，确保电网安全的主要措施仍然是安全平稳控制系统建设。为确保直流故障后电网仍然能平稳运作，电力企业通常会运用多直流提升、抽蓄电站切泵等方式来均衡电网功率缺损。但如果直流电网产生严重故障，这种方式很难阻滞电网频率跌落，仍需紧急切负荷。
而运用基于稳控技术的精准负荷控制系统，以生产企业内部的可中断负荷为控制对象，既能应对一些紧急情况，还能将社会影响、经济损失降到最低。所以，从现阶段的情况来看，基于稳控技术的精准负荷控制系统是负荷控制系统的一大创新。
传统配电网络因为缺乏通信网络的支持，摘除负荷的方式非常直接——摘除整条配电线路。如果立足业务影响、用户体验，电力企业一定希望尽可能减少对用户的影响，希望可以对配电网络进行精准控制，优先切断可以中断的非主要负荷，例如电动汽车充电桩、工厂内部非连续生产的电源等，将对主要用户的影响降到最低。

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