電能質量在線監測系統在供配電網的應用

張達洄

（廣東電網公司梅州供電局，廣東 梅州 514021）

隨著能源系統的快速發展，各種新型負荷（如半導體整流器、晶閘管調壓及變頻調整裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路等）不斷涌現。由于其非線性、沖擊性以及不平衡的用電特性，這些負荷所帶來的電能質量問題日趨嚴重，已經影響電力系統的安全運行；另一方面，許多高新技術的設備和裝置（如精密的芯片生產線等）都帶有基于計算機的控制器和功率電子器件等，這些新型設備對供電質量非常敏感，電能質量的瞬間微小變化都有可能帶來巨大的經濟損失。

因此，為保障電力系統的安全運行和用戶用電的可靠性，電力公司和用戶更加需要有效的電能質量監測管理解決方案來應對上述變化所帶來的挑戰，以實現輸配電系統的可靠、高效、低耗的運行。目前，只有實行長時間電能質量在線監測，才能實現對整個供電網絡的電能質量狀況和大型用電客戶的電能質量狀況的全面跟蹤和了解。通過建立完善的電能質量在線監測網絡，對電力系統的關鍵節點進行電能質量監測，可長期分析電能質量情況、排除電能質量故障，并可有針對性的進行預防/預測性維護。

1 供配電系統現狀及電能質量監測系統方案確定

該大型冶煉企業供配電系統由24 個110kV 以上的變電站、自備熱電廠和大量的6～10kV 配電站構成。該系統內的電弧爐設備、高速線材生產線及大量新型高壓大功率變頻設備的使用，致使供配電系統高次諧波和電壓波動問題嚴重，影響了系統的安全運行，且各自電能質量問題引起的事故頻發也使整個系統的經濟運行水平不高。為解決上述問題，使該冶煉企業供配電系統安全可靠、優質高效運行，預計在該供配電系統新增一套電能質量監測系統，實現對系統內的電能質量情況進行實時監測。通過實時監測，能夠實時掌握系統運行狀況，確保供電連續性和可靠性；監測電能質量各項指標，確保設備的安全可靠運行，減少故障風險；發現設備隱患并根據監測情況提供解決方案；提高管理效率，降低運行成本。

結合該供配電系統的電網結構信息及電能質量問題現狀，在電能質量問題最為嚴重的11#、31#、42#110kV 變電站新增電能質量監測裝置，對站內給電弧爐、軋鋼等車間供電的多條出線的電能質量情況進行實時監測。各電能質量監測裝置通過GPS 時鐘實現統一對時，其實時數據通過光纖網絡實時上送到主控室的電能質量在線監測系統。該方案的組網框圖如圖1所示。

圖1 系統組網框圖

2 電能質量在線監測系統實施方案

2.1 系統功能

本方案中的電能質量監測裝置選用深圳雙合電氣股份有限公司的SHDFR_PQ 電能質量監測裝置。該裝置主要完成以下功能：

1）電能質量：滿足國標規定的電能質量穩態指標監測、暫態事件記錄等要求。

2）自動報警：通過設定限值來觸發電能質量事件報警和標記等功能。

3）通信口：支持使用不同的通信口和通信協議來采集和傳輸信息。

SHDFR_PQ 電能質量監測裝置的穩態電能質量指標監測功能包括：頻率監測、電壓監測、諧波/間諧波監測、功率監測、三相不平衡監測、電壓波動監測、閃變監測、穩態事件記錄、合格率統計等；暫態電能質量事件監測功能包括：電壓暫升錄波、電壓暫降錄波、電壓短時中斷錄波、暫態事件記錄等；綜合分析和統計功能包括：電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波、間諧波、功率、電壓波動、電壓閃變等監測數據進行合格率統計及監測數據的綜合分析與統計。

本方案中的電能質量監測系統選用與監測裝置配套的 SHPQMS 管理系統，系統軟件對接入的SHDFR_PQ 電能質量在線監測裝置進行統一管理。系統軟件的功能示意圖如圖2所示。

圖2 軟件功能示意圖

2.2 數據監測

電能質量在線監測系統由通信管理機、應用服務器、數據庫服務器及GPS 同步時鐘組成。根據系統的負荷情況，應用服務器可以和數據庫服務器共用一臺計算機。

GPS 同步時鐘給通信服務器、應用服務器、數據庫服務器提供統一時間源。

數據庫服務器用來存儲電能質量相關的實時及歷史數據。

電能質量在線監測系統可以實現電能質量監測裝置采集的數據的集中管理。裝置實時采集各監測線路的電能質量數據，并將實時的電能質量測量數據上傳到監測系統。管理人員可以實時觀測到電網中各監測點的運行數據和狀態，實時監測電網電能質量，第一時間獲取電網故障數據，及時準確地進行故障分析，合理制定電能質量治理方案，迅速排除電網故障。同時，可以瀏覽查看一個月，甚至半年內任一天任一監測點的電能質量數據，通過這種方式長期監測電能質量狀況，并分析電能質量變化規律，為相關技術人員制定電能質量治理方案提供科學依據。

2.3 通信方式

該冶煉企業供配電系統現場的110kV 變電所與中心控制室都具備了光纖通信能力，因此電能質量監測裝置與中心控制室實時通信服務器的通信方式與現場原有繼電保護裝置組網的方式是一致的，在變電所和中心控制室配置協議轉換器，實現不同通信鏈路上的光纖數據和以太網數據的協議轉換。

3 電能質量在線監測系統實施成果

以11#變電站的電能質量監測裝置的數據為例，分析SHPQMS 電能質量實時在線系統的運行情況。

圖3是2012年3月12日裝置記錄的一次電能質量電壓暫降事件波形。通過波形波形分析可得出以下結論：本次電壓暫降事件是由一次三相短路故障引起，暫降時間持續3.5 周波左右，由繼電保護裝置切除故障。根據現場情況，此次故障是由于雷電導致的過電壓擊穿的絕緣故障。

圖3 電壓暫降事件波形

圖4是11#變電站某10kV 出線的復合電流波形，由圖4可以看出，大量諧波電流的存在使電流波形嚴重畸變，實際電流波形接近方波，通過諧波電流頻譜分析（圖6），可以看出，負荷電流中3 次、5 次、7 次、11、13 次等諧波分量較為嚴重，諧波分量傳遞到整個供配電系統的各段母線和線路上，且大量諧波分量的存在已影響系統的安全運行，諧波損耗也影響系統的經濟運行。根據監測結果，根據10kV 系統諧波阻抗和諧波電流分量設計合理的濾波器，濾除主要的諧波電流。同時，實時在線監測的電能質量數據還可以評估新增濾波裝置的成效并根據實時監測結果對治理方案及時調整。

圖4 諧波畸變的負荷電流波形

圖5 諧波電流頻譜分析圖

4 結論

通過SHPQMS 電能質量在線監測系統在該大型冶煉企業供配電系統的選點建設及順利實施，通過實時監測，實時掌握系統運行狀況，同時應用系統對供配電網近期電能質量進行全面分析，確保供電連續性和可靠性；監測電能質量各項指標，確保設備的安全可靠運行，減少故障風險；發現設備隱患并根據監測情況提供解決方案；提高管理效率，降低運行成本。

[1] 劉穎英,徐永海,肖湘寧.地區電網電能質量綜合評估新方法[J].中國電機工程學報,2008,28(22):130-136.

[2] 國家技術監督局.電能質量電壓波動和閃變(GB/T 12326-2008).北京:標準出版社,2008.

[3] 國家技術監督局.電能質量公用電網諧波(GB/T 14549-93).北京:標準出版社,1993.

[4] 國家技術監督局.電能質量供電電壓允許偏差(GB 12325-1990).北京:標準出版社,1993.

[5] 周勇,楚瀛.干擾性負荷對電能質量的影響[J].中國電力,2001,34(6):35-36,54.

[6] 林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術(Power System Technology),2001,25(10):5-12.