2. 电能质量现象与监测需求
电能质量在线监测系统的设计起点，不是选什么设备，而是先明确“要测什么、为什么测、测到什么程度”。电压偏差、频率偏差、谐波、间谐波、电压波动与闪变、三相不平衡、暂降暂升与中断，这些现象在物理本质上分属不同类别：有的属于稳态量（如电压偏差、谐波、不平衡），有的属于准稳态波动量（如闪变），有的属于短时事件量（如暂降、暂升、中断）。不同类别对采样率、测量窗口、统计方法、触发判据和存储策略的要求差异很大，监测系统必须按“稳态—波动—事件”三条量测通道分别设计。
一、稳态指标：电压偏差、频率偏差与谐波
电压偏差反映实际运行电压对系统标称电压的偏离程度，通常以百分数表示：ΔU% = (U实测 − UN)/UN × 100%。按 GB/T 12325，35kV 及以上供电电压正负偏差绝对值之和不超过 10%，20kV 及以下三相供电为 ±7%，220V 单相为 +7%/−10%。在线监测中，电压偏差属于慢变量，通常取 10 周波（约 200ms）有效值作为基本测量值，再按 1min、10min 统计平均值，并记录越限起止时刻与持续时间。
频率偏差是系统实际频率与标称频率（50Hz）之差。正常运行时电力系统频率偏差应控制在 ±0.2Hz 以内，事故情况下可放宽至 ±0.5Hz。频率测量不能简单用电压过零点计数，因为谐波和噪声会造成过零点抖动；工程上常用锁相环（PLL）或过零检测配合数字滤波，在 10 周波窗口内计算频率，分辨率要求达到 0.01Hz，刷新周期不大于 1s。
谐波是频率为基波整数倍的分量，用总谐波畸变率 THD 和各次谐波含有率 HRUh 表征。GB/T 14549 对 0.38kV 电压总谐波畸变率限值为 5%，其中奇次谐波 2～9 次含有率限值较严。谐波测量的核心要求是“同步采样”：采样频率必须与基波频率保持整数倍关系，否则频谱泄漏会使 5 次、7 次谐波幅值产生明显误差。工程上通常采用 256 点/周波或 128 点/周波采样，配合 10 周波矩形窗做 FFT，每 3s 输出一组 2～50 次谐波数据。
二、间谐波与电压波动闪变
间谐波是频率不是基波整数倍的分量，主要来源是变频器、电弧炉、周波变换器等。间谐波不能直接用普通 FFT 分辨，因为其频率落在基波整数倍之间，需要采用加窗插值 FFT 或 IEC 61000-4-7 规定的分组方法，将 5Hz 分辨率谱线按 200ms 窗口聚合。间谐波会引起灯光闪烁和低频振荡，监测系统应至少覆盖 5～2500Hz 范围，并单独输出间谐波电压含有率。
电压波动与闪变描述的是电压有效值的快速变化及其对人眼视觉的影响。电压波动 d 用相邻极值之差与标称电压之比表示；闪变则用短时闪变值 Pst（10min）和长时闪变值 Plt（2h）衡量。Pst 的计算需要先按 IEC 61000-4-15 设计模拟人眼—大脑响应链：平方解调、带通滤波（0.05～35Hz）、视感度加权、平滑滤波，再统计累积概率。在线监测装置必须内置闪变算法，采样率不低于 1kHz，且每 10min 输出一次 Pst，否则无法反映电弧炉、焊机等冲击性负荷的真实影响。
三、三相不平衡与暂降暂升中断
三相不平衡用负序分量与正序分量之比表示，即不平衡度 ε = U2/U1 × 100%。GB/T 15543 规定公共连接点正常允许值为 2%，短时不超过 4%。测量时需用对称分量法从三相基波相量中提取正序、负序和零序，因此要求三相同步采样，通道间相位误差小于 0.1°。不平衡度通常每 10 周波计算一次，再取 10min 平均值。
暂降、暂升与中断属于短时电压事件。暂降指电压有效值降至 0.1～0.9p.u.，持续 0.5 周波～1min；暂升指升至 1.1～1.8p.u.；中断指降至 0.1p.u. 以下。这类事件不能靠稳态统计发现，必须采用“半周波有效值滑动计算 + 阈值触发”的方式：每半个周波计算一次有效值，当越出设定阈值时启动事件记录，保存事件前后各若干周波的波形、特征幅值、持续时间和相位跳变。典型判据为：暂降阈值 0.9p.u.、暂升阈值 1.1p.u.、中断阈值 0.1p.u.，并设置 1 周波左右的防抖时间，避免误触发。
四、从指标定义到监测系统量测要求
把上述指标翻译成在线监测系统的具体量测要求，可以归纳为四条设计主线。第一，采样与同步：稳态谐波要求采样率与基波频率整数倍同步，通常用 128 点/周波或 256 点/周波；事件捕获要求半周波滑动计算，采样率不低于 1kHz；闪变算法要求 1kHz 以上连续采样。第二，窗口与统计：电压偏差、谐波、不平衡用 10 周波窗口，闪变用 10min 和 2h 统计，事件用半周波滑动窗口。第三，触发与录波：暂降、暂升、中断必须设置阈值触发，并保存事件前后波形，典型录波长度为事件前 4 周波、事件后 8 周波。第四，数据输出：稳态量按 1min/10min 输出平均值和最大值，事件量按次输出特征幅值、持续时间、相位跳变，闪变按 10min 输出 Pst。
五、典型参数配置示例
以下给出一组用于 10kV 配电监测点的参考配置，参数属于教学示例，实际工程应按现场容量、短路水平和监测目的调整。
| 监测对象 | 测量窗口 | 统计周期 | 触发/输出条件 |
|---|---|---|---|
| 电压偏差 | 10 周波有效值 | 1min、10min 平均 | 越限 ±7% 记录起止时间 |
| 频率偏差 | 10 周波 | 1s 刷新 | 越限 ±0.2Hz 告警 |
| 谐波 2～50 次 | 10 周波 FFT | 3s 输出、10min 统计 | THD>5% 或单次越限记录 |
| 间谐波 | 200ms 加窗 | 10min 平均 | 5～2500Hz 分组输出 |
| 闪变 Pst | 10min | 10min | Pst>1.0 记录 |
| 三相不平衡 | 10 周波对称分量 | 10min 平均 | ε>2% 记录 |
| 暂降/暂升/中断 | 半周波滑动有效值 | 按次 | 0.9/1.1/0.1p.u. 触发录波 |
这张表的核心逻辑是：稳态量看统计值，波动量看算法输出，事件量看触发记录。在线监测系统如果只做稳态统计，就会漏掉暂降和闪变；如果只做事件录波，又无法评价谐波和不平衡的长期水平。因此，系统设计时必须把三类量测通道同时纳入，并在数据平台上按统一时标对齐，才能形成完整的电能质量画像。