德国输电系统的电能质量——大规模监测, 相关性分析, 和长期预测
| 网络 | 德国传动系统—— 85 测量站点遍布 50 变电站 |
| 电压等级 | 110 千伏 (38 网站) · 220 千伏 (21 网站) · 380 千伏 (26 网站) |
| 测量标准 | 符合IEC 61000-4-30 A 类 — 10 分钟聚合间隔 |
| 监测参数 | THDv · 单个谐波 U3–U15 · 电压不平衡 · 闪变 (PLT) |
| 数据集规模 | 700+ 每周时间序列 · 最小值 3 每个站点的年数 · 德国和爱沙尼亚的 TSO 活动 |
| 关键方法论 1 | 层次聚类和多维尺度揭示跨领域的相关结构 85 网站 |
| 关键方法论 2 | PQ 参数的集合预测 — 优于长期预测的单个模型 |
| 主要发现 | 持续的, PQ 参数之间以及地理上分散的站点之间存在重复的相关结构——反映了由逆变器发电驱动的系统性网络范围现象 |
01 背景 — 为什么传输级 PQ 比以前更重要
电能质量监测历来侧重于配电网——公用事业公司与其客户之间的接口, 最能直接感受到干扰影响的地方. 传输网络被认为是不言而喻的干净的: 高压, 大故障级别, 以谐波含量低的同步发电机为主. 在分销层面评估 PQ 合规性; 传输是测量分布的参考.
这一假设正在被能源转型所侵蚀. 基于逆变器的资源的激增——海上风电场的连接 380 通过 HVDC 链路的 kV, 大型光伏发电装置并入 220 千伏变电站, 输电层面的 FACTS 设备和 HVDC 背靠背站 — 在以前不存在的电压水平上引入了谐波源和动态 PQ 行为. 二 2025 来自德国 TSO 测量活动的 arXiv 论文具体记录了这一演变, 大规模数据: 一种表征 PQ 扰动相关结构的模型 85 测量部位, 其他开发和验证传输级别长期 PQ 预测的预测方法.
85站点, 50-substation monitoring campaign described in arXiv:2603.12948 is one of the largest published transmission-level PQ datasets in the world. It spans three voltage levels — 110 千伏, 220 千伏, 和 380 kV — with measurements at both individual feeders (transmission lines) and transformer busbars. This spatial coverage enables something that single-point or even regional monitoring cannot provide: identification of which PQ disturbances are local (confined to one substation or feeder) and which are network-wide (correlated across geographically separated sites). That distinction is fundamental to root-cause analysis and to efficient mitigation investment decisions.
02 The Dataset — Scale and Structure
The two arXiv papers use overlapping but distinct datasets from German TSO measurement campaigns. The correlation analysis paper uses 85 网站; 该预测论文使用了德国和爱沙尼亚的联合数据集 14 德国和 13 爱沙尼亚网站至少有 3 每个站点连续测量年数.
所有测量均符合 IEC 61000-4-30 A 级 — 电能质量测量仪器的最高准确度等级 — 使用 10 分钟聚合间隔作为主要数据分辨率. 用于预测研究, 这些 10 分钟值进一步汇总为每周 95% 的值, 创建时间序列，捕捉每个站点跨季节和年份的统计 PQ 环境，而不受个别极端事件的支配.
监测参数覆盖EN全范围 50160 电压质量指标:
- 电压总谐波失真 (总谐波失真) — 总谐波含量
- 各个谐波电压 U3 至 U15 — 奇次谐波 150 赫兹, 250 赫兹, 350 赫兹, 450 赫兹, 550 赫兹, 650 赫兹, 和 750 赫兹
- 电压不平衡 (北卡罗来纳大学) — 负序电压系数
- 长期闪烁严重程度 (PLT) — 2小时闪烁指数
03 相关结构——数据揭示了什么
相关性分析论文 (arXiv:2603.12948) 将分层聚类和多维缩放应用于 85 个站点数据集 - 来自多元统计的技术，根据 PQ 行为的相似性对站点进行分组，并揭示不同站点的哪些参数随着时间的推移一起移动. 关键发现是一致的, 重复出现的相关结构都存在于各个站点内 (不同 PQ 参数之间) 以及跨地理位置的站点 (对于相同的参数).
站点内相关性——一起移动的参数
在各个测量地点, 某些 PQ 参数是系统相关的. 5 次谐波和 7 次谐波电压（6 脉冲换流器负载的主要谐波次数）在工业园区和 HVDC 换流站附近的地点表现出很强的正相关性. 这种共同运动反映了共同的来源: 两种谐波均由相同的转换器技术产生，并且随着转换器负载的变化而同时增加或减少. 这种现场内参数相关性对于监控系统设计非常有用 - 如果 5 次和 7 次谐波在现场强烈相关, 监视一个可以提供有关另一个的大量信息, 并可相应调整监测频率或仪器规格.
跨站点关联——网络范围内的现象
对于网络规划来说，更重要的是发现地理位置分散的站点（不共享公共馈线或变电站的站点）之间的一致相关性. 这些跨站点相关性反映了网络范围内的 PQ 现象: 大型源的谐波发射 (海上风电场, 高压直流链路) 通过传输网络同时传播到多个变电站, 或季节性模式 (冬季光伏发电量低、工业需求高，谐波含量较高) 影响同一站点上的所有站点 380 kV骨干网.
相关性分析最实用的有价值的输出之一是识别冗余测量位置 - 与相邻站点表现出如此高 PQ 相关性的站点，以至于它们的测量几乎无法提供额外信息. 这对 TSO 监测预算分配有直接影响: 一个网络与 85 测量站点可能能够通过 60-65 个最佳放置站点获得相同的信息内容, 将释放的监控能力重新定向到网络中特征不足的区域. 只有当您集体分析完整数据集而不是逐个站点分析时，这种洞察力才会变得可见。.
04 Ensemble Forecasting — Predicting Future PQ Levels
The second arXiv paper (arXiv:2603.02706) addresses a question that becomes increasingly important as DER penetration grows: 能否可靠地预测输电网络中 PQ 水平的长期演变? 如果是, TSO 可以在合规问题发生之前预见到它们, 主动规划缓解投资, 并将监测资源分配给预测水质质量恶化的地点，而不是等待超出限值才触发行动.
整体方法
论文评估了多种预测模型——统计时间序列模型, 机器学习方法, 和季节性分解方法 - 适用于来自德国和爱沙尼亚传输站点的每周 95% PQ 数据. 没有一个模型在所有站点和参数上始终优于所有其他模型. 该论文的关键方法发现是，集合预测（将多个模型的预测与适当的权重相结合）在不同地点的准确性和鲁棒性方面始终优于最佳的单个模型, 参数, 和预测范围.
这是气象预报中的一项公认原则，现已在电能质量数据中得到验证: 模型的多样性捕获了底层流程的不同方面, 并且这种组合比任何单一方法都更强大. 就所有监测 PQ 参数的预测精度而言，集成方法比季节性朴素基准和最佳个体模型取得了显着改进.
| PQ参数 | 可预测性 | 主导司机 | 规划价值 |
|---|---|---|---|
| 总谐波失真 (电压谐波畸变率) | 中等 — 季节性模式较强 | 工业负荷季节性·分布式能源发电结构 | 在 DER 扩展之前识别接近极限的站点 |
| U5, U7 (5三次和七次谐波) | 良好 — 由转换器负载驱动 | 高压直流输电时间表·工业生产模式 | 预测新 DER 连接点的谐波谐振风险 |
| 电压不平衡 (北卡罗来纳大学) | 好——结构性因素变化缓慢 | 单相负荷增长·网络不对称 | 规划网络换位或相位平衡投资 |
| 闪烁 (PLT) | 更低——更多的事件驱动 | 风力发电的可变性·电弧炉操作 | 确定风电并网时需要无功补偿的变电站 |
该预测方法使 TSO 管理传输级 PQ 合规性的方式发生根本性转变. 今天, 标准方法是: 措施, 检测超标, 调查, 缓解. 对于传播层面的干预措施，从发现问题到实施缓解措施的周期通常为 1-3 年. 如果可以在实际发生超限之前可靠地预测未来 1-2 年 PQ 恶化情况，则可以在问题出现之前采取缓解措施. 对于管理数百个具有不同 DER 连接配置文件的变电站的 TSO, 这种主动能力是计划资本投资和紧急补救之间的区别.
05 对输电网络规划的影响
这两项研究共同定义了传输级 PQ 监控和管理的最新技术. 他们的综合发现对输电系统运营商如何在高 DER 环境中处理 PQ 具有直接影响:
- 监控网络设计不是一个一劳永逸的决定. 随着分布式能源的渗透和网络拓扑的发展, 最佳测量位置发生变化. 相关性分析应该定期重复——也许每一次 5 年——确定新的裁员和新的重要衡量差距
- 各个谐波阶数很重要——不仅仅是 THDv. 第五号, 7日, 和 11 次谐波各有不同的来源, 不同的传播特性, 以及不同的共振风险. 仅监测 THDv 会错过源归因和共振评估所需的信息
- 季节性模式是真实且可预测的. 传输级的谐波失真具有由工业负载之间的平衡驱动的季节性分量 (冬天更高) 和可再生能源发电 (夏季光伏发电量较高, 全年无风). 规划评估应考虑季节性最坏情况, 不仅仅是年平均值
- 跨境传播是规划因素. 将爱沙尼亚 TSO 数据与德国数据一起纳入，反映了传输级 PQ 干扰不尊重国界的现实. 来自大型高压直流互连器和海上风电场的谐波通过同步欧洲输电网络传播
高压直流换流站是全球最重要的新谐波源之一 380 kV的的水平. 每个 HVDC 转换器都会产生一个特征谐波频谱 — 对于 12 脉冲转换器, 11 阶和 13 阶的主要谐波 - 传播到链路两端的交流网络中. 德国扩大高压直流输电能力，将海上风电从北方输送到工业南方, 和谐环境在 380 高压直流走廊沿线的千伏变电站将发生系统性变化. arXiv 中确定的相关结构:2603.12948 随着这些新来源的上线，研究将会发生变化——相关分析方法提供了系统跟踪这些变化的工具, 而不是通过超越极限来发现它们.
06 电能质量视角
这两篇论文代表了当数据集足够大且分析方法足够复杂时传输 PQ 监测可以揭示的前沿内容. 个案研究——一个变电站, 一次扰动事件 — 是 PQ 分析的传统单位. 在 85 站点和数百个站点年的数据, 不同层次的洞察力成为可能: 了解传输系统作为一个系统的 PQ 行为, 不是独立测量点的集合.
从公用事业工程的角度来看，相关结构的发现特别有价值，因为它们提供了客观的, 对历史上由工程判断回答的问题的数据驱动答案: 哪些测量部位最重要? 数据的答案可能与工程直觉不同——一个看起来很重要的站点，因为它靠近一个大型 HVDC 转换器，可能与相邻站点高度相关，因此是冗余的, 虽然看似不起眼 110 农村地区的 kV 变电站可能具有独特的 PQ 特征，该特征在网络中的其他任何地方都无法捕获.
这些论文中描述的德国 TSO 测量活动代表了十年来机构对 PQ 监测基础设施的承诺——而不仅仅是部署仪器, 但确保IEC 61000-4-30 A 级合规性, 保持测量连续性 3+ 每个站点的年数, 构建能够处理数百个站点年的 10 分钟数据的数据管理系统, 并投资分析能力以从数据集中提取含义. 大多数公用事业公司——甚至是大型公用事业公司——都没有进行这项投资. 结果是，他们在管理传输网络上的 DER 集成时，对 PQ 的理解落后于他们的运营现实多年. 德国 TSO 方法——将 PQ 监测数据视为战略资产，并投资于基础设施和分析能力以充分发挥其价值——是能源转型所需的模式.
参考文献
- 匿名作者. “大规模电能质量数据中相关结构的识别和可视化。” arXiv:2603.12948, 三月 2025. 可用的: arxiv.org/abs/2603.12948
- 匿名作者. “电能质量参数的集合预测。” arXiv:2603.02706, 三月 2025. 可用的: arxiv.org/abs/2603.02706
- 符合IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 电磁兼容性 - 部分 4-30: 电能质量测量方法. 符合IEC, 日内瓦.
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共电网供电的电压特性. CENELEC的, 布鲁塞尔.
- 符合IEC 61000-2-12:2003. 电磁兼容性 - 中压和高压供电系统中低频干扰的兼容性级别. 符合IEC, 日内瓦.
主要来源: arXiv:2603.12948 (“大规模电能质量数据中相关结构的识别和可视化”) 和 arXiv:2603.02706 (“电能质量参数的集合预测”), 均来自德国 TSO 测量活动, 三月 2025. 开放获取预印本.
SVG 图和 PQ 透视图 (部分 6) 是 Denis Ruest 的原创 IPQDF 编辑内容, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.