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电能质量综述

网络高等教育

本科生毕业论文（设计）

题目：

电能质量综述

学习中心：

层次：

专科起点本科

专业：

电力工程与管理

年级：

2012年秋季

学号：

学生：

指导教师：

完成日期：

2012年6月30日

内容摘要

随着电力市场的发展，电力部门和用户都开始清楚的意识到电能作为一种特殊

的商品，无疑应该讲求质量。

劣质的电能必将损害供用双方的共同利益。

为了在竞争的电力市场中站稳脚步，供电公司就必然提高电能质量降低供电成本来适应市场的要求。

本文在详细介绍电能质量市场相关理论的基础上，分析了电能质量市场体系的结构、特点和监管等方面的问题。

关键词：

电能质量；电力市场；电能质量市场体系

1绪论

1.1课题的背景及意义

随着经济发展和高科技设备的广泛应用，尤其是计算机、现代控制理论、精密测量技术等的应用，使敏感电力负荷所占的比重日益增大，供给电能需要保持优质运行；随着社会电气化程度的提高，现代电力电子设备在各领域得到广泛应用，如变频调速装置、开关电源、感应加热等设备在生产、生活中的应用，这些非线性负荷的大量使用，将影响系统的电气运行环境，成为制约电能质量提高的因素。

就全球范围而言，从20世纪80年代开始电力工业放松管制，引入竞争机制，开放电力市场成为世界潮流。

在电力市场条件下，用户与供电企业都在追求自己的最大利益，用户会需要不同质量的电能，出现用电的个性化，供电企业为了争取更多的用户和售电量，必须满足用户对电能质量的多样性要求。

（电能质量市场体系及若干基础理论问题的研究）

目前大多数专家认为电能质量是导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题。

时至今日，在供用电双方，甚至在电力研究者中关于电能质量的范畴、定义，以及质量下降的起因等许多方面仍存在着分歧和争论，站在不同角度看，关注或表征电能质量问题会有不同的观点。

从供电角度看，电能质量是指供应电力的参数符合标准和供电可靠性的程度；从用电设备生产商的角度看，电能质量是指对设备所要求的电能特性；从用户角度看，电能质量是指一切会引起用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、电流及频率的异常扰动。

事实上，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，而且伴随电力市场的形成和发展，电能这种特殊的商品，同其他商品一样都要遵循经济规律，最终将面临买方市场。

因此，电能质量优劣，电力用户的衡量标准将占主导地位。

1.2建立电能质量市场的意义

1.2.1电力工业市场化改革的需要

电能量是用户购买的主要商品，用户不但需要足够的能量供应，而且需要辅助服务来保证电能量具有高品质的特性。

目前按功能划分的辅助服务包括：

有功频率控制（AGC），旋转备用，非旋转备用，替代备用，无功及电压支持，恢复及黑启动。

很明显，这些辅助服务都是针对发电侧提供的，难道输电和配电侧不需要辅助服务吗？

相反，输配电侧对电能量的品质特性要求更趋于多样化，电能质量矛盾更突出。

一般情况下，发电机都能提供几近正弦的标准电压，所以发电侧的辅助服务主要保证电能量的可靠性和无功支持，而输配电侧电能量的电压幅值及波形受到负荷的影响会发生波动或畸变，所以输配电侧所提供的辅助服务不仅要保证电能量的可靠性和无功支持，还要保证电能量其他质量指标达到标准或者用户更高的需求。

1.2.2社会公平性和资源优化配置的需要

随着用电负荷日趋复杂化和多样化，大量具有非线性、冲击性和不平衡特征的负荷造成供电网电能质量的恶化；同时，现代工商业大量使用的计算机系统、机器人和快速发展的高新技术产业对电能质量和供电可靠性要求却越来越高，据美国电力科学研究院粗略估计，当今和电能质量相关的问题在美国每年造成的损失就达260亿美元。

电能质量问题矛盾日益突出，其主要原因之一是电能质量恶化行为具有外在性的特点，即电能的生产和消费过程，有时会对公共连接点（PointofCommonConnected，PCC）或电网产生污染（传导型电磁污染），使其他个体蒙受经济损失，而目前缺少相应的激励机制使产生污染的供电企业和用户在决策时考虑这种对电能质量恶化造成的影响。

和自然环境资源一样，电能质量环境具有明显的公共财产和公共权益特性，电能质量管理日益受到来自经济利益和保证社会公平性的巨大压力。

随着用电负荷日趋复杂化和多样化，大量具有非线性、冲击性和不平衡特征的负荷造成供电网电能质量的恶化；同时，现代工商业大量使用的计算机系统、机器人和快速发展的高新技术产业对电能质量和供电可靠性要求却越来越高。

电能质量问题矛盾日益突出，其原因是电能质量恶化行为具有外在性的特点，即电能的生产和消费过程，有时会对公共连接点或电网产生电磁污染，使其他个体蒙受经济损失，而目前缺少相应的激励机制使产生污染的电网和用户在决策时考虑这种对电能质量恶化造成的影响。

和环境资源一样，电能质量环境具有明显的公共财产和公共权益特性，电能质量管理日益受到来自经济利益和保证社会公平性的巨大压力。

借鉴“环境经济学”的思想，对供电部门和用户产生的电磁污染进行管制势在行。

电磁污染排放权收费和交易市场和电能质量服务市场都是电力市场环境下为了减少电能质量问题产生的社会综合损失与电能质量相关的市场，前者侧重于构建电磁污染的防治体系，将电磁环境看作一种有价资源，将电磁环境的污染权推向市场，利用市场的资源优化配置功能，充分利用电磁环境资源，并使电磁污染的治理更加规模化和专业化；后者侧重于构建电能质量提高的体系，将电能质量的治理推向市场，利用市场的资源优化配置功能，充分利用社会资源，使有限的资金产生最大的效益，并合理分配高质量电能，使其发挥最大的作用，二者相辅相成，互相补充，构成了电能质量市场主体。

现代电能质量问题的解决已经不仅仅是一个单纯的技术问题，而且已经涉及到社会经济生产和资源优化配置等市场经济问题。

1.3电能质量市场领域研究现状

实施电能质量市场的运作需要解决诸多的基础理论和技术问题，如：

电能质量市场的结构及其运营机制的设计、电能质量污染排放的定量方法和定价机制、电能质量的技术经济评价方法、电能质量服务的定价方法、电能质量市场监管的经济措施等等。

迄今为止，国内外还没有学者对电能质量市场理论进行全面系统的阐述，而且所有运行中的电力市场中都未出现真正意义上的电能质量市场。

有的学者虽然提出了建立电能质量市场的想法，但是只是将电能质量市场笼统的定义为“与电能质量事务相关的市场”，并没有对电能质量市场的结构及其运营机制进行深入探讨，更没有提出系统的电能质量市场理论体系；有的学者在总结国内外电力企业对于电能质量管理策略的发展趋势的基础上，提出了电能质量服务多样化和市场化的想法。

有的学者通过几类典型的110kV负荷进行投入、退出、调整等活动对建立电能质量市场的如何实现社会公正、资源的优化配置和提高社会生产效率进行分析，进一步论证了建立电能质量市场的合理性和可行性。

目前，国内外学者和开发人员在定制电力技术方面继续开展着大量的研究工作，提出了很多解决问题的有意义的方法，也有很多电能质量控制装置陆续问世，而且部分已经投入使用。

这些方法的提出和装置的发明从技术角度为电能质量服务的提供奠定了坚实的基础。

根据不同的电力市场运营模式，定制电力技术的实现方式也应不同，概括起来可以包括：

设立用户电力技术园区，设立电能质量控制中心QCC（QualityControlCenter）和成立电能质量服务公司等不同方式。

法国国家电力公司已经开始向用户提供不同等级的电能，分别示明翠绿色、银白色、金色和绿色等，按不同的价格收费。

法电现在正在通过《EmeraldContract》和它的辅助服务开发一套更满足用户对质量要求的方法。

我国台湾地区在过去的几年里建立了向高科技企业服务的电能质量工业园区，目前内地也出现了运营中的基

于定制电力技术的电能质量工业园，相信这种经营模式会越来越受到大家的欢迎，取得良好的经济效益和社会效益。

1.4本文的主要内容

作为一个全新的研究领域，电能质量市场存在很多值得研究的问题。

全文共分为4章，各章内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章电能质量市场理论的基本框架，分析了电能电能质量市场理论研究的主要内容和方法；

第三章电能质量体系的设计，详细分析了电能质量市场的结构、特点和监管等；

本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2电能质量市场理论的基本框架

2.1引言

电能质量市场的概念可以概括为：

市场参与者采用法律、经济手段，本着公平竞争、自愿互利的原则进行“排污权”有偿使用和交易以及“电能质量服务”定制的场所。

电能质量市场中处理的问题主要应该包括：

“排污权”的管理和交易、电能质量服务的管理与定制等。

电能质量市场的提出充实和完善了电力市场。

建立电能质量市场的核心思想是将电磁环境容量看作一种有价并有偿使用的资源，将电磁环境的污染和治理推向市场，使电磁污染的治理和电能质量的控制更加规模化、专业化，达到提高效率、降低成本的目的；同时利用市场的资源优化配置功能，充分利用社会资源和电磁容量环境资源，合理分配有限的电能质量投资和高质量等级的电能；最终使电能质量问题所产生的社会综合损失最小。

本章的主要内容就是构建全面、合理的电能质量市场理论框架，它是充实和完善电能质量市场理论的重要基础，包括确定电能质量市场理论的研究内容和研究方法，为今后的研究指明方向。

2.2电能质量市场理论的主要研究内容

根据电能质量市场理论研究的主要任务，本文总结了电能质量市场理论需要研究的具体内容，包括以下8个方面：

（1）电能质量市场体系的结构及其运营机制

电能质量市场体系的构建是电能质量市场理论的重要研究内容。

电能质量市场体系是相互联系的各类与电能质量相关的市场组成的层次完整、相互配套的有机统一体。

电能质燕市场体系与电能质量市场理论的关系是相辅相成的。

前者是后者的重要研究内容，后者为前者的构建和完善提供理论指导；同时，前者也是后者存在和发展的基础。

完善的电能质量市场体系及其运营机制，可以促进以市场为基础的价格体系的形成：

为政府的市场监督和宏观调控奠定基础；是电能质量市场充分发挥利益刺激功能、配置资源功能、市场导向功能、价值评估功能和奖优罚劣功能的基础。

（2）电磁污染排污收费方法，合理的收费定价制度

连接在同一PCC上的用户，都不可避免地受到该PCC上电磁污染源的影响，因为电能质量问题而产生经济损失，比如电动机损耗增加，寿命减少，线路损耗增加，以及电能计量偏差等，产生这种经济损失的主体可蛆说普遍的，但是产生电磁污染的主体却是个别的。

通过合理的电磁污染排污收费方法适当调节电能收费，从而保证电网内各独立的经济实体电力供应及收费的公平性：

合理的电磁污染排污定价制度和收费方法，有助于协调社会生产和生活用电中由电能质量问题引发的矛盾关系：

合理的收费价格是保证社会公正的重要方面；合理的定价方法是实现排污权初始分配和交易的基础。

（3）电磁污染最优总量控制及排污权的分配和交易方法

电磁污染最优总量控制和最优分配是实现电磁污染最优管制的重要内容，是实现电磁环境容量资源和电能质量治理投资优化配置，实现社会效益最大化的直接手段；合理的初始分配是建立交易制度的重要前提；排污权自由交易是实现和保持最优分配的重要手段；合理的分配和交易方法是体现排污权真实价值的有效手段，是确定电磁污染最优总量的重要基础。

（4）研究电磁污染及电能质量扰动的变化规律

掌握电磁污染及电能质量扰动的变化规律是控制、管理和经营排污权以及电能质量服务的基本条件。

洞悉电磁污染及电能质量扰动的变化规律有助于电力用户特别是对于电能质量敏感的用户和污染大户的空间合理布局；有助于提出新的电磁污染及电能质量扰动自动检测、识别、分类、定位与定量的方法；有助于提出新的电能质量控制技术；有助于研究排污权的分配和交易方法。

（5）研究现代电能质量的技术经济评价方法

电能质量问题给社会生产生活造成严重的经济损失。

准确、通用的电磁污染及电能质量扰动技术经济评价方法是实现电磁污染合理收费、处罚和赔偿的基础：

是实现电能按质定价的技术和价格参考，是实行运用经济管理方法管理电能质量市场的理论依据。

（6）研究高质量电能供应和个性化供电的实现方法

高质量电能供应和个性化供电的实现方法是实现电能质量服务的基础。

这部分内容主要包括如何实现电能量供应和电能质量服务的有效分离：

研究新的定制电力技术（包括应用大功率电力电子器件的新设备和新的控制方法）；研究定制电力技术的实现模式，从经济性和实用性2个方面深入研究电能质量工业园区、电能质量控制中心、电能质量公司等新生事物。

（7）研究电能质量服务的定价方法

电能质量服务的定价问题实质上就是电能的按质定价问题，它是电能质量市场里一个非常重要的方面；合理的电能质量服务定价方法是实现多样化、个性化供电的前提；合理的定价方法能够实现社会资源的优化配置；合理的定价方法能够促进电能质量服务的迅速发展。

（8）研究电能质量市场投资的理论

合理的电能质量市场投资是实现社会效益最大化的直接手段；可以促进电能质量市场的健康发展。

电能质量市场的投资理论主要包括电能质量市场投资内容的研究；投资最佳规模的研究；投资结构的优化；投资经济效益的研究和投资优化决策方法的研究等5部分内容。

上述8个方面基本上涵盖了电能质量市场建立和运营所需要的理论及技术基础，计及第一章所提到的电能质量市场存在的理论基础，则构成了比较全面的电能质量市场理论的基本框架，如图1所示。

图1电能质量市场理论的总体构架

2.3电能质量市场理论的主要研究方法

电能质量市场理论作为一门经济学和自然科学相结合的交叉学科，在研究它的时候需要同时运用经济学的方法和自然科学的方法，来建立自己的理论体系。

概括来说主要有以下几种方法：

（1）监测的方法

电能质量的监测是在调查研究的基础上，监视、检测代表电能质量水平的各种数据的全过程，是电能质量监督管理的重要手段，是所有分析、判断和决策的基础，通过测量描述出一段时间内，给定系统监测点电能质量变化的情况、原因和特征。

在线监测技术就是要实现实时地监视系统的电压、电流和频率的变化，记录和保存电能质量发生变化时各相电压的幅值、频率、电压波动、三相不平衡度等，在故障前后的波形及各种参数，并具有分析、报警和历史查询等功能。

同时采用先进的技术手段，对多种电能质量的指标进行综合的监测。

电能质量的分析则是利用监测装置得到的数据，通过具体的数据分析方法，以便得到我们需要的指标。

电能质量的监测和分析是不可分割的。

影响电能质量监测主要有两个方面：

电能质量监测点和电能质量检测仪。

根据监测的目的和结构，通过有效地选择监测点，可以以最小的投入完成全系统的监测。

对电力网络来说，一般监测点选在配电网的馈线端，即变电站低压侧各个馈线支线上。

另外，在电网的发电厂，主要变电站等均设置监测点，以便监测电网的干扰电压水平及有关线路的状态。

对用户来说，监测点一般选在用户的进线处，这样，可以监测再降压的情况，同时监测到用户负荷电流变化和谐波干扰的水平。

其最大的优点是减少变换处理，可以将电压直接从CT上测量。

监测应在各种运行方式下进行:

电网正常运行，电网事故运行，最小运行方式最大运行方式等，从而获得系统运行的全面状态特征。

厂站端在线电能质量监测仪是电能质量监测管理系统的终端装置，设置在发电厂和变电站。

监测仪由数据采集器和微处理器构成。

高精度数据采集器用于对母线电压和出线电流的同步采集，微处理器用于对采集数据进行计算、存储、统计分析和管理，并可通过网络将数据远传至电能质量监测管理中心。

监测仪按照最新国标的要求，统计和计算电能质量的5个指标:

供电电压偏差、供电电压波动和闪变、谐波分析、三相电压不平衡度、频率偏差。

监测仪配有液晶显示器，能通过菜单就地显示各种采集数据和各项电能质量指标。

（2）数学方法

数学是一门庞大的科学，一切科学、技术的发展都需要数学，数学现在已经具有了几十个分支。

电能质量市场的运作涉及到工程技术问题和经济问题的解决，

此涉及到的数学问题也很多。

其中运筹学包括：

线性规划、非线性规划、博弈论、搜索论、排队论、库存论、决簧论、数理经济学等。

博弈论和数理经济学是最近几十年经济领域极其活跃的学科，并且取得了极其辉煌的成果。

博弈论是研究各方策略相互影响的条件下，理性决策人的决策行为及其均衡的一种理论，数理经济学是应用数学方法研究社会经济生活中的生产、交换、分配、消费等经济活动的学科；运用的逻辑工具除了数理逻辑的传统分支外，还有多值逻辑、内涵逻辑、模糊逻辑等；模糊数学是以不确定性的事物为研究对象的。

模糊集合的出现是数学适应描述复杂事物的需要，具有处理模糊信息的能力。

善于判断和处理模糊现象，它已初步应用于模糊控制、模糊识别、模糊聚类分析、模糊决策、模糊评判、系统理论、信息检索、医学、生物学等各个方面；积分变换主要指近年来广泛应用于工程领域的傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波变换技术，傅立叶变换（FT）是最常见的一种将时域特征和频域特征联系起来的工具，短时傅立叶变换（STFT）是通过引入一个滑动的时间局部化“窗口函数”，对信号进行分段截取，从而得到信号在某一固定时窗和频窗内的局部时一频信息，而小波变换能在高频处使用短窗，在低频处使用长窗，可以用不同的尺度观察信号和用不同的分辨率分解信号，具有良好的时频局部化特性。

以上方法相互结合主要应用于以下领域：

测数据的压缩和分析；

电能质量对称分量的计算；

电力系统无功和电能质量控制；

电能质量扰动检测、分类、识别和定位：

电能质量扰动的仿真；

电能质量的经济性评估。

概率和数理统计是根据大量同类随机现象的统计规律。

对随机现象出现某一结果的可能性作出一种客观的科学判断，对这种出现的可能性大小做出数量上的描述：

比较这些可能性的大小、研究它们之间的联系，它的这种特性可以应用于电能质量的综合评价和预测以及电能质量管理的经济效益分析。

3电能质量市场体系的设计

电能质量市场理论研究的最基本问题，就是电能质量市场体系的设计。

构建一个完整的市场体系，首先要明确市场主体、市场客体、市场载体、市场价格、市场规则和市场监管等6个基本要素。

本章将依据市场设计准则，从这6个方面对电能质量市场体系进行全面的分析和阐述。

3.1电能质量市场的结构及其运营机制

根据建立电能质量市场的主要目的和市场运营的要求，将电能质量市场分解为电磁污染排放权收费和交易市场、电能质量服务市场、电能质量科技和信息市场和其他辅助市场4类子市场。

由于电磁环境容量的公共财产特性和电磁污染的外部不经济性特征，电能质量市场还需要设置政府管理机构—电能质量监督管理部门。

下面就这4类子市场和电能质量监管部门的设计进行详细的说明。

1、电磁污染排放权收费和交易市场

电磁污染排污收费是保证电网内各独立的经济实体公平性的重要手段。

排放电磁污染的市场参与者需要交纳排污费。

常见的电磁污染有谐波电流、三相不平衡电流、瞬时脉冲电流、闪变电流和无功电流。

征收排污费的主要目的有两点：

一是通过经济刺激，电能质量监督管理部门可以控制公共连接点（PCC）每种电磁污染的总量，并形成其在市场参与者间的优化配置，有效调节和分配电能质量投资，使电能质量问题造成的社会综合损失值最小。

二是通过收费调节，实现市场的公平性。

因为即使PCC维持在最经济的电磁污染水平的时候，社会生产仍然会因为电能质量问题产生损失，由于电磁污染外部不经济性的存在，导致了这部分损失的不公平分配。

为了控制电磁污染的排放总量和方便定量收取排污费，需要采取“排污许可证”制度：

首先电力用户需要向电能质量监管部门申请“排污许可容量”才允许向电网排污；其次按照“排污许可容量”计算并征收排污费，如果排污超过允许容量将受到处罚；第三，电磁污染排放权可以在市场参与者间交易。

自由的电磁污染排放权交易有利于高效利用电磁环境资源和优化配置电能质量治理投资。

市场交易的主体可以是连接于同一PCC的任何实体之间或不同等级的输配电企业之间，没有任何电气联系的市场主体不能进行交易。

交易客体包括谐波电流排放权、三相不平衡电流排放权、瞬时脉冲电流排放权、闪变电流排放权和无功电流排放权。

2、电能质量服务市场

电能质量服务市场是以定制电力技术为主要依托而产生的一类电能质量市场，用户可以在市场里定制和购买自己所期望的任何要求的电能质量服务。

定制电力技术（CustomPower）又称用户电力技术，是美国的Hingorani博士于1988年提出的概念：

把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。

电力公司（或其他利益群体）利用定制电力技术的新设备，可使单独用户或用户群从配电系统得到用户指定质量水平的电力；通过定制电力技术可使用户供电可靠性达到不断电、严格的电压调整、低谐波电压、冲击和非线性负荷对终端电压无影响等。

定制电力既含有向用户供电的新型电力技术的意义，又意味着用户至高无上，应根据用户需求采用供电技术的含义。

3、电能质量科技和信息市场其他辅助市场

电能质量科技和信息市场是进行电能质量科技和信息类商品交易的场所。

它应该包括技术成果转让市场、技术咨询服务市场、技术项目承包市场和技术劳务市场等。

电能质量科技和信息市场的主要作用是：

使大量的先进技术进入市场，增强企业获得技术信息的能力；促进科技成果和信息的应用并迅速转化为直接生产力；有利于科研与生产部门的密切结合，既可推动企业技术改造、提高劳动生产率，又可以实现技术有偿转让，增强科研单位自我发展的能力；对电能质量市场的运行起导向、检测、反馈、预警、监督、决策和调节的作用；促进科技人才的合理流动和优化配置，进一步推动科技成果的商品化、产业化，促进科技进步，加快电力事业的建设。

电能质量市场监管部门应该积极培育和规范电能质量科技和信息市场。

4、其他辅助市场

为保证电能质量市场体系的正常运作，除了以上说明的四类市场必不可少之外，还需要金融市场、商品交易市场等辅助性市场的参与。

3.2电能质量市场体系的特点

作为电力市场环境下的派生事物，电能质量市场应该纳入到电力市场体系之

中，任何市场体系作为一个系统，必须具有统一性、开放性、竞争性和有序性，这是市场体系的本质要求。

电能质量市场体系除了具有这些市场体系的共性之外，还具有区别于其他市场体系的特点。

受电网结构的制约，电能质量市场体系将形成多层次，区域分明，以相对独立的配电网为基本单元的市场结构；由于配电系统在一定区域内是具有规模经济性的，所以依托于配电网的电能质量市场属于垄断性竞争的市场体系；虽然电能质量市场典型交易对象仅包括排污权，电能质量服务，电能质量科技和信息3种，但是交易价格波动性很大，比电能量市场中基于成本的定价机制复杂的多，要防止投机现象的发生；电磁环境容量资源属于公用财产，所以初始排污权的产权并不明确，初始排污权未做到产权明确之前无法进行市场交易；排污权的使用具有外部不经济性，电网公司、配电公司和电力用户都成为普通平等的市场参与者，需要有电能质量监管机构监督它们的生产运行，视情况决定对它们的奖惩及赔偿措施。

鉴于电能质量市场体系的以上特点，建立电能质量市场监管机构成为必然。

3.3电能质量市场的培育和监管

为了保证电能质量市场公平、公正、公开和有效地运作，必须按照行政区域设立电能质量监督管理机构（PowerQualitySupervisingDepartment，PQSD），行使行政执法职能，依照法律、法规统一履行各级电网电能质量监管职能。

（1）研究并提出有关电能质量管理的法律法规或修改建议，执行电能质量监管规章；

（2）参与电力发展规划，拟定电能质量市场发展规划和区域电能