一種新型電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

【摘 要】隨著非線性負(fù)載在電網(wǎng)中的不斷增加，其對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染也越來(lái)越大，治理電網(wǎng)諧波污染顯得愈加重要。介紹了一種新型電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的功能與服務(wù)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】諧波；電能質(zhì)量；畸變；諧波源；監(jiān)控系統(tǒng)

非線性負(fù)荷特別是煤礦中的大型提升機(jī)、工業(yè)制造中的機(jī)床和家用的空調(diào)、電視和電腦等大量非線性負(fù)荷向電網(wǎng)中注入了大量的諧波，使各種設(shè)備出現(xiàn)故障，如使電機(jī)負(fù)載加重，產(chǎn)生振蕩轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速周期性變化；加重集膚效應(yīng)，使電機(jī)和變壓器銅損、鐵損增加而過(guò)熱；使變壓器鐵心產(chǎn)生磁滯伸縮現(xiàn)象，噪聲增加，甚至達(dá)到不能容許的程度；產(chǎn)生電壓波形畸變，對(duì)電機(jī)和變壓器絕緣游離（局部放電）過(guò)程的產(chǎn)生和發(fā)展有很大影響，引起絕緣介質(zhì)強(qiáng)度降低，使用壽命縮短；使電力電纜容量減小，損失增加，老化加劇，泄露電流加大，有時(shí)引起單相對(duì)地?fù)舸斐扇喽搪罚粚?duì)通信設(shè)備、自動(dòng)和遠(yuǎn)動(dòng)裝置、繼電保護(hù)、測(cè)量設(shè)備和儀表等有各種危害。另一方面，由于電力線為擾動(dòng)提供了最好的傳播途徑，且傳播速度快，電氣環(huán)境污染及面積大，影響域廣，其結(jié)果可能會(huì)大大降低與其相連接的其他系統(tǒng)或設(shè)備的電氣性能，甚至使設(shè)備遭到損壞，可見(jiàn)劣質(zhì)的電能的危害與影響具有快速傳播性。

基于以上情況研制了新型電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，能夠評(píng)估電網(wǎng)中的諧波源及其危害大小，判斷諧振發(fā)生的可能性及諧振電壓，為電網(wǎng)的電能質(zhì)量治理提供指標(biāo)和決策服務(wù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

1）位于變電站（所）的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端，用于監(jiān)測(cè)各母線、饋線的電能質(zhì)量參數(shù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)各種無(wú)線、有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至位于主站的服務(wù)器。各監(jiān)測(cè)終端可利用GPS進(jìn)行時(shí)間同步。

3）主站系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器可實(shí)時(shí)計(jì)算各次諧波潮流，控制監(jiān)測(cè)終端上傳事項(xiàng)信息。

4）管理人員能夠通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或客戶端軟件觀察諧波功率的流動(dòng)情況，及各次諧波對(duì)母線電壓的影響，打印形成各種報(bào)表。

2 系統(tǒng)服務(wù)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)將在全網(wǎng)范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量信息，在線采集電壓、電流、供電可靠性等各種電能質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)行諧波潮流計(jì)算，在全網(wǎng)范圍內(nèi)查找諧波源，并按照危害程度對(duì)諧波源進(jìn)行排序。幫助運(yùn)行人員更好地采取提高電能質(zhì)量的措施，提高電能質(zhì)量管理水平。

充分利用電網(wǎng)“三集五大”體系建設(shè)成果，通過(guò)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)（控）信息支撐系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量信息和電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)展“全天候、全方位、全流程”即時(shí)在線監(jiān)測(cè)，以全面掌握電能質(zhì)量狀況，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中異動(dòng)和問(wèn)題的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)預(yù)警，為電力決策部署提供輔助支撐，為持續(xù)提升管理績(jī)效提供服務(wù)支持。

主要包括：

1）電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集：利用變電站電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)終端，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行24小時(shí)不間數(shù)據(jù)采集、記錄和上傳。

2）分布式數(shù)據(jù)庫(kù)：主站系統(tǒng)與各變電站監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，減輕主站數(shù)據(jù)查詢壓力，提高分析速度。

3）電能質(zhì)量分析：建設(shè)全網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、諧波發(fā)射水平、功率預(yù)測(cè)等算法策略對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行多維分析，為確定諧波源提供完整、準(zhǔn)確和及時(shí)的方案，并通過(guò)諧波發(fā)射水平給出全網(wǎng)電能質(zhì)量的綜合評(píng)估。

4）輔助決策：輔助運(yùn)行管理人員查找配電網(wǎng)隱患，如過(guò)電壓、欠電壓、因諧波電流造成的電網(wǎng)電壓薄弱點(diǎn)，確定諧波潮流的大小和流動(dòng)方向。

5）輔助管理：生成各種電能質(zhì)量報(bào)表，查訊電能質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)，參與績(jī)效考核。

3 系統(tǒng)具體功能及優(yōu)勢(shì)

1）就地在線監(jiān)測(cè)裝置之間相互獨(dú)立，單元的任意增加與縮減不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2）多功能監(jiān)測(cè)終端，可通過(guò)終端圖形界面任意配置監(jiān)測(cè)通道，設(shè)置物理采集、軟采集和函數(shù)采集通道。

3）數(shù)據(jù)記錄全面。

體現(xiàn)在：

①測(cè)量計(jì)算功能：三相電壓、電流；三相有功功率、無(wú)功功率；諧波含有率，三相電壓、電流不平衡度、電壓合格率等；

②數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)功能：按設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)記錄配電變壓器高低壓側(cè)各模擬量。記錄天數(shù)默認(rèn)為60天（可根據(jù)用戶要求增加記錄天數(shù)）；

③日統(tǒng)計(jì)記錄：記錄每日的總、尖、峰、平、谷的有功功率，三相電壓越下限時(shí)間，三相電壓越上限時(shí)間，總運(yùn)行時(shí)間，變壓器日有功損耗電量，日功率因數(shù)合格率，日電壓合格率，變壓器日平均負(fù)荷率。記錄天數(shù)默認(rèn)為60天（可根據(jù)用戶要求增加記錄天數(shù)）；

④事件記錄：記錄配電變壓器低壓母線三相電壓電流越上、下限及復(fù)歸時(shí)間，三相電壓、電流總畸變率越上限及復(fù)歸時(shí)間，三相電壓、電流不平衡度越上限及復(fù)歸時(shí)間，無(wú)功功率反送發(fā)生及復(fù)歸時(shí)間，裝置停電及來(lái)電時(shí)間。

⑤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能采集變壓器、母聯(lián)及各保護(hù)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，記錄其變位時(shí)間與變位后的狀態(tài)。各開(kāi)關(guān)狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)與模擬量時(shí)間一致，誤差不大于1ms；

⑥系統(tǒng)具備良好的人機(jī)接口界面，滿足自動(dòng)、手動(dòng)控制以及參數(shù)設(shè)定的要求；

⑦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠快速計(jì)算并準(zhǔn)確跟蹤被測(cè)試點(diǎn)的三相電壓、電流同步信號(hào)，精度達(dá)到0.5電角度；

4）諧波潮流計(jì)算和顯示。采用GPS同步各站采集的數(shù)據(jù)，能夠得到精確的諧波潮流；

5）諧波發(fā)射水平和諧波責(zé)任計(jì)算。能夠分析任意諧波源對(duì)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響，輔助確定諧波源的影響范圍及影響程度；

6）諧波源全網(wǎng)定位。能夠在全網(wǎng)范圍內(nèi)按照影響程度和影響范圍對(duì)各個(gè)諧波源排序，并定位影響最大的諧波源；

7）超限報(bào)警和事件追憶功能，能夠幫助運(yùn)行人員及時(shí)找到因諧波問(wèn)題引起電網(wǎng)中故障的原因，具有錄波功能；

8）高精度。符合國(guó)標(biāo)A 級(jí)儀器要求。對(duì)諧波、三相不平衡度、閃變和波動(dòng)均采用基準(zhǔn)算法，無(wú)近似計(jì)算，采用高精度A/D（12 位），同時(shí)采樣，采集速率12.5 kHz。電壓測(cè)量精度0.1級(jí)，電流測(cè)量精度0.2級(jí)，功率電度測(cè)量精度0.5級(jí)；

9）強(qiáng)大的通訊功能。監(jiān)測(cè)單元具有RJ-45、RS-232/458、光纖、GPRS和zigbee等多種通訊方式，通訊距離不受限制。可以靈活的構(gòu)建電力諧波潮流分散監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)提供靈活和便捷的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)置功能；

10）諧振模態(tài)分析。通過(guò)判斷節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的奇異性，系統(tǒng)能夠分析電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的諧振頻率，找到電網(wǎng)隱含的諧振點(diǎn)及相關(guān)設(shè)備，有效避免各個(gè)節(jié)點(diǎn)上諧振的發(fā)生，降低設(shè)備損失，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

4 系統(tǒng)應(yīng)用前景

目前電力管理機(jī)構(gòu)在電能質(zhì)量監(jiān)控方面所做的工作還很薄弱，監(jiān)控點(diǎn)偏少，對(duì)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析，沒(méi)有對(duì)諧波源的評(píng)估和諧波責(zé)任的劃分。隨著今后電力電子等非線性生產(chǎn)設(shè)備的大量使用，電能質(zhì)量問(wèn)題將日益突出，電力系統(tǒng)對(duì)用戶電能質(zhì)量的監(jiān)管也會(huì)提上日程。該產(chǎn)品可與配電自動(dòng)化系統(tǒng)相配合，提高供電質(zhì)量，幫助電力系統(tǒng)確定對(duì)其他用戶影響最大的諧波源，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

電力管理部門(mén)于2012年編寫(xiě)了《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督技術(shù)監(jiān)督規(guī)定》，并在部門(mén)科技發(fā)展規(guī)劃中特別提出了對(duì)電能質(zhì)量、節(jié)能與環(huán)保建設(shè)規(guī)劃，其中就包括研究低壓電網(wǎng)降損節(jié)能技術(shù)以及提高電壓質(zhì)量的技術(shù)措施。該新型電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的推出和完善，能夠成為配電網(wǎng)電能質(zhì)量管治的一個(gè)非常有用的工具，在區(qū)域配電網(wǎng)絡(luò)中具備較好的應(yīng)用前景，必將產(chǎn)生較好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

基于電網(wǎng)非線性設(shè)備不算增加并造成電網(wǎng)諧波污染不斷加劇的現(xiàn)狀，研制了新型電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，能夠評(píng)估電網(wǎng)中的諧波源及其危害大小，判斷諧振發(fā)生的可能性及諧振電壓，為電網(wǎng)的電能質(zhì)量治理提供指標(biāo)和決策服務(wù)，具備較好的實(shí)用性和推廣前景。

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[責(zé)任編輯：張濤]