電網(wǎng)特殊負荷的電能質(zhì)量管理

鄭偉，周喜超，安哲，劉穎英，周勝軍，智勇，楊勇

(1.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州市，730050;2.中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟和現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)中的負荷日趨復(fù)雜化和多樣化。電氣化鐵路、冶金等電網(wǎng)中大功率非線性、沖擊性及波動性特殊負荷的大量應(yīng)用，使得電網(wǎng)產(chǎn)生諧波、三相不平衡、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量問題。特殊負荷對區(qū)域性電網(wǎng)甚至整個電力系統(tǒng)的影響已表現(xiàn)得十分明顯與突出。加強對全網(wǎng)特殊負荷電能質(zhì)量的技術(shù)監(jiān)督和管理，提高人們對電能質(zhì)量危害的認識，積極采取防范措施以保證電網(wǎng)電能質(zhì)量是刻不容緩的。

目前，隨著電能質(zhì)量領(lǐng)域研究的開展和深入，越來越多的人們開始關(guān)注特殊負荷的電能質(zhì)量問題。文獻［1-3］介紹了特殊負荷的用電特性及其對公用電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響和危害，并提出了分析特殊負荷時所采取的數(shù)學(xué)模型及其處理方式。文獻［4-6］針對特殊負荷電能質(zhì)量的監(jiān)測管理現(xiàn)狀進行分析，特殊負荷電能質(zhì)量的綜合治理也是一個研究的熱點問題。文獻［7-12］詳細介紹了目前比較成熟且普遍采用的治理方案。通過這些研究成果，可以掌握特殊負荷的電能質(zhì)量特性。針對特殊負荷的電能質(zhì)量問題，電網(wǎng)公司如何對這些負荷進行有效的監(jiān)督與管理，以減小其對電網(wǎng)的影響也是值得研究的。文獻［13-15］指出了我國電能質(zhì)量管理方面存在的問題，提出了一些關(guān)于體制改革、標準改進和技術(shù)提高的建議，但沒有從管理的角度就電能質(zhì)量的管理方式及流程環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)研究。

本文首先對特殊負荷的含義及其電能質(zhì)量特性進行了介紹，然后從電網(wǎng)公司的角度出發(fā)，對特殊負荷管理中應(yīng)包含的關(guān)鍵要素進行了分析與探討，給出了關(guān)鍵環(huán)節(jié)詳細的管理流程，并對特殊負荷電能質(zhì)量管理中的核心內(nèi)容，即特殊負荷的監(jiān)測、評估與治理，進行了分析，可為電網(wǎng)特殊負荷電能質(zhì)量管理提供參考。

1 特殊負荷的含義及其電能質(zhì)量特性

特殊負荷，是指可能對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響的負荷，具有非線性、沖擊性、波動性、不平衡等特點。典型的特殊負荷主要包括:功率可控硅整流裝置，如電氣化鐵路、電解裝置、直流輸電的換流閥和相控電抗器型無功補償裝置;工業(yè)冶煉負荷，如交流煉鋼電弧爐、軋機、高頻感應(yīng)加熱爐等;大型變壓器、電抗器等鐵心設(shè)備;分布式電源，如風(fēng)電場、光伏電站及電動汽車充電站等［16］。

特殊負荷的電能質(zhì)量特性一般表現(xiàn)為因非線性特性而產(chǎn)生大量諧波污染。所有的特殊負荷都不同程度地會產(chǎn)生諧波，沖擊性負荷特別是電弧爐幾乎產(chǎn)生連續(xù)頻譜的諧波電流，甚至產(chǎn)生大量的分數(shù)次諧波;功率快速變化和沖擊性使其引起電網(wǎng)電壓波動及閃變問題;單相負荷或不平衡負荷使其產(chǎn)生負序電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)三相電壓不平衡等。典型特殊負荷及其所屬行業(yè)和電能特性見表1。

表1 典型特殊負荷Tab.1 Typical special loads

2 特殊負荷電能質(zhì)量管理的關(guān)鍵要素

2.1 關(guān)鍵要素

特殊負荷電能質(zhì)量的管理應(yīng)本著“安全第一、預(yù)防為主、超前防范”的方針進行全過程的監(jiān)督與管理。從管理的目標及特殊負荷接入電網(wǎng)的過程角度考慮，特殊負荷電能質(zhì)量管理應(yīng)包含以下2個方面的關(guān)鍵要素:

(1)從管理制度上保證管理工作落實到位。以往的管理規(guī)定往往僅從技術(shù)角度做出規(guī)定，缺乏具體的職責(zé)與分工，使電能質(zhì)量管理工作中存在互相推諉的現(xiàn)象。因此，有必要對各環(huán)節(jié)工作的職責(zé)與分工做出明確的規(guī)定，真正推進管理工作的進行。

(2)從管理流程上保證特殊負荷電能質(zhì)量管理，明確新建、擴建或改建負荷以及新接入負荷的管理流程。特殊負荷的電能質(zhì)量管理是一項系統(tǒng)的工程，不確定的管理流程將使工作中存在漏洞，并影響后續(xù)工作的順利開展，使管理工作存在隱患。因此，有必要詳細規(guī)定管理工作的流程，使特殊負荷電能質(zhì)量管理工作有章可循。

從管理內(nèi)容的角度考慮，一項特殊負荷電能質(zhì)量管理規(guī)定應(yīng)至少包括:管理的方針與原則;相關(guān)部門職責(zé)與分工;特殊負荷管理工作流程;電能質(zhì)量評估工作流程;電能質(zhì)量監(jiān)測與治理方案等。通過建立1套完整的特殊負荷接入運行、監(jiān)測、評估、治理管理辦法，規(guī)范特殊負荷電能質(zhì)量管理，使電網(wǎng)電能質(zhì)量指標符合國家標準，從而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、可靠運行。

2.2 組織管理制度的保證

應(yīng)按照“依法監(jiān)督、分級管理”的原則，結(jié)合電網(wǎng)公司具體的職能設(shè)置，制定適合于本電網(wǎng)公司的組織管理制度、設(shè)備運行管理和技術(shù)培訓(xùn)管理等措施，明確各級部門的責(zé)任和權(quán)利，以及各部門和各級人員的電能質(zhì)量管理的崗位職責(zé)，并制定相應(yīng)的各種管理規(guī)定和考核辦法，把電能質(zhì)量的各項指標納入各級部門和相關(guān)人員的培訓(xùn)計劃和經(jīng)濟考核中，達到電能質(zhì)量監(jiān)督所要求的規(guī)劃、設(shè)計、基建、運行、用電全過程監(jiān)督和管理。

2.3 管理流程的保證

對于新建、擴建或改建的特殊負荷項目，電網(wǎng)公司在用戶用電工程設(shè)計時應(yīng)使用戶明確電能質(zhì)量的重要性及影響，使用戶在進行設(shè)計的同時考慮改善電能質(zhì)量的措施，如:抑制諧波、改善三相不平衡、電壓波動和閃變等抑制措施;用戶完成用電方案設(shè)計并進行接入系統(tǒng)申請后，電網(wǎng)公司相關(guān)部門應(yīng)組織特殊負荷用電方案設(shè)計的審查工作，同時對用戶提交的電能質(zhì)量評估結(jié)果進行審核，審核通過后方可與用戶簽署供電協(xié)議，并通知用戶開展后續(xù)工程;當電能質(zhì)量評估結(jié)果不滿足要求時，電網(wǎng)公司則需及時通知客戶進行相關(guān)整改，提交改善的電能質(zhì)量污染抑制或治理設(shè)計方案。供電協(xié)議作為明確電網(wǎng)公司和用戶雙方權(quán)利與義務(wù)的法律條文，應(yīng)將涉及電能質(zhì)量方面的內(nèi)容納入其中，從而實現(xiàn)對特殊負荷用戶設(shè)備的有效管理。

特殊負荷客戶受電工程竣工后，電網(wǎng)公司應(yīng)嚴格把關(guān)，對特殊負荷接入系統(tǒng)后的電能質(zhì)量情況進行實測驗收。新建、擴建或改建負荷的電能質(zhì)量管理流程如圖1所示。

圖1 新建、擴建或改建特殊負荷的電能質(zhì)量管理流程Fig.1 Newly built，expanded and rebuilt power quality management procedure for special loads

對于現(xiàn)有的特殊負荷客戶，電網(wǎng)公司應(yīng)加強其電能質(zhì)量常態(tài)監(jiān)督管理，對特殊負荷客戶進行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，并定期跟蹤檢查用戶電能質(zhì)量治理設(shè)備的投運情況，建立健全特殊負荷客戶基礎(chǔ)資料、電能質(zhì)量事故及分析處理檔案，為特殊負荷類似的電能質(zhì)量問題處理奠定基礎(chǔ)。對與在監(jiān)測與評估過程中發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量污染水平超過規(guī)定限值的用戶，電網(wǎng)公司應(yīng)督促其制定治理措施并限期整改，在其重新投運時應(yīng)進行電能質(zhì)量驗收，從而加強電能質(zhì)量指標超標的已入網(wǎng)用電客戶的電能質(zhì)量的技術(shù)監(jiān)督和管理。已入網(wǎng)特殊負荷的電能質(zhì)量管理流程如圖2所示。

3 特殊負荷的電能質(zhì)量管理中的核心內(nèi)容

3.1 特殊負荷的電能質(zhì)量監(jiān)測

解決特殊負荷電能質(zhì)量問題，首先需要對其電能質(zhì)量狀況實施有效的監(jiān)測。電能質(zhì)量監(jiān)測是評估數(shù)據(jù)的直接來源，是質(zhì)量評估中的重要前提。因此，應(yīng)重點監(jiān)測特殊負荷電能質(zhì)量情況。特殊負荷電能質(zhì)量監(jiān)測分為在線監(jiān)測、不定期檢測和專項測試3種方式。

圖2 已入網(wǎng)特殊負荷的電能質(zhì)量管理流程Fig.2 Power quality management procedure of special loads accessing power grid

電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，通過局域和廣域網(wǎng)，逐步建立形成分布式、智能化電能質(zhì)量監(jiān)測、分析、評估與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測的實時分層分級管理，從而對特殊負荷的用電情況和電能質(zhì)量進行實時在線監(jiān)測，充分發(fā)揮電能質(zhì)量監(jiān)測的作用。

針對特殊負荷用戶，應(yīng)根據(jù)其危害程度和產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的嚴重程度采取不定期檢測方式。

專項測試主要用于特殊負荷設(shè)備接入電網(wǎng)，或反映電能質(zhì)量出現(xiàn)異常，需要對比前后變化情況的場合，以確定電網(wǎng)電能質(zhì)量指標的背景狀況和負荷變動與干擾發(fā)生的實際參量，或驗證技術(shù)措施效果等。

對監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)的、存在電能質(zhì)量指標嚴重超標的用電設(shè)備，電網(wǎng)公司應(yīng)及時跟蹤監(jiān)測記錄電能質(zhì)量變化情況，并采取相關(guān)措施，為治理提供依據(jù)。同時對于電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備應(yīng)進行入網(wǎng)檢驗，保證性能和精度符合國家標準和當前電網(wǎng)的要求。

3.2 特殊負荷的電能質(zhì)量評估

特殊負荷電能質(zhì)量評估是電能質(zhì)量監(jiān)督管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是明確電能質(zhì)量治理責(zé)任、保證電力系統(tǒng)良好供電質(zhì)量的必要手段，有助于改變供用電雙方互相推卸責(zé)任、無人治理的被動局面。

根據(jù)“堵新治舊”的原則，在新建、擴建及改建特殊負荷用戶接入系統(tǒng)前，要對其進行科學(xué)、正確的電能質(zhì)量評估，即入網(wǎng)前根據(jù)新報裝特殊負荷用戶設(shè)備相關(guān)電氣參數(shù)特點，進行電能質(zhì)量評估，實現(xiàn)對入網(wǎng)用戶的檢查以及對污染源和污染程度的預(yù)測和分析，對下一步監(jiān)測和治理污染提供依據(jù)。對已入網(wǎng)的特殊負荷用戶，則采取將實際測量數(shù)據(jù)與評估指標限值比較的方式，對各項電能質(zhì)量指標進行評估，并采取相應(yīng)的治理措施，以保證電網(wǎng)的安全運行。

電能質(zhì)量的評估涉及國標、導(dǎo)則、系統(tǒng)方面知識以及相應(yīng)的計算、分析和經(jīng)驗推算法則，這些在特殊負荷電能質(zhì)量管理和技術(shù)監(jiān)督中起著重要作用。

3.3 特殊負荷的電能質(zhì)量治理

特殊負荷電能質(zhì)量治理應(yīng)從用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)綜合考慮。

對于用戶側(cè)治理，可采取靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器、濾波器等技術(shù)措施和裝備減小用戶注入電網(wǎng)的諧波和負序電流，抑制用戶側(cè)功率波動所引起的電網(wǎng)電壓波動與閃變。電網(wǎng)公司各級電能質(zhì)量監(jiān)督管理機構(gòu)應(yīng)參與到治理方案的設(shè)計審定、設(shè)備的招標和制造、安裝調(diào)試、竣工驗收的全過程。因特殊負荷用戶接入及運行造成的電能質(zhì)量污染，用戶應(yīng)負責(zé)其防治和治理工程的管理，并承擔(dān)投資所發(fā)生的費用，最終技術(shù)裝備的產(chǎn)權(quán)歸用戶所有。當用戶接入系統(tǒng)電壓等級較高(110 kV及以上)或容量較大時(電氣化鐵路負荷、大型鋼廠等)的電網(wǎng)時，其治理裝備可考慮與電網(wǎng)公司協(xié)商接于電網(wǎng)側(cè)(系統(tǒng)變電站內(nèi))。此時，防止和治理工程的管理可由電網(wǎng)公司負責(zé)，技術(shù)裝備歸電網(wǎng)公司所有，所發(fā)生的費用由用戶和電網(wǎng)公司共同承擔(dān)，有時也可采取費用由電網(wǎng)公司承擔(dān)，用戶通過高電價在后期對費用進行補償?shù)姆椒ā?/p>

對于電網(wǎng)側(cè)治理，電網(wǎng)公司應(yīng)根據(jù)各級電網(wǎng)電能質(zhì)量污染源用戶的電能質(zhì)量情況，調(diào)整有關(guān)運行方式和采取相應(yīng)防范對策，保證電能質(zhì)量指標符合有關(guān)規(guī)定的要求。例如:采用△/Y0接線的變壓器取代Y/Y0接線的變壓器，以降低配電向高一級電壓等級電網(wǎng)的諧波傳遞;在系統(tǒng)變電站加裝靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器、濾波器等技術(shù)裝備對電能質(zhì)量問題進行治理。此時，電網(wǎng)公司應(yīng)承擔(dān)項目的工程管理和投資管理，產(chǎn)權(quán)歸電網(wǎng)公司所有。

4 結(jié)語

特殊負荷對電網(wǎng)的電能質(zhì)量污染日益嚴重，應(yīng)加強對全網(wǎng)特殊負荷電能質(zhì)量的管理監(jiān)督，維護電網(wǎng)廣大電力用戶的安全運行。建立完善的管理體系是改善供電品質(zhì)的重要手段。應(yīng)從管理制度及管理流程2個方面保證和推進特殊負荷電能質(zhì)量工作的順利開展。特殊負荷電能質(zhì)量管理中的核心內(nèi)容包括監(jiān)測、評估與治理，應(yīng)分別對其內(nèi)容制定詳細的規(guī)定。

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