電能質量監(jiān)測與治理案例分析

1、電能質量監(jiān)測與治理案例分析王超江蘇電子產品裝備制造工程技術研究開發(fā)中心淮安信息職業(yè)技術學院自動化學院摘要：該文以在線電能質量監(jiān)測及治理為案例，闡述了進行電能質量監(jiān)測與治理的必 要性實例通過在線電能質量監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)電網中存在的電能質量問題并進 行及時治理，實現(xiàn)了電網電能質量狀況實時監(jiān)測和評估，提高和改善了電網電 能質量，取得了良好的社會效益和經濟效益.關鍵詞：電能質量;監(jiān)測;治理;作者簡介：王超（1972-），安徽肥東人，碩士，副教授，主要從事電力傳動新 技術研究.收稿日期:2016-12-08a case study of monitoring andimprovement of powe

2、r qualitywang chaojiangsu engineering technical r&d center forequipment manufacturing of electronic products;abstract：a case of improvcmcnt of power quality of an online monitoring system was introduccd in this paper. the ncccssity of monitoring and improvement of power quality was summarized. i

3、t is considered that power quality on-line monitoring system can be expected to have higher performance in evaluating power quality of the grid. for that power quality on-line monitoring system can find and improve power quality problems appeared in time. finally the benefit analysis was implemented

4、 based on resuits of improvcment of power quality.it is demonstrated that application of on-line monitoring of power quality system can gain good socioeconomic performance.keyword：power quality; monitoring; improvement;received： 2016-12-08隨著科學技術的發(fā)展，人類的生產和生活方式已經發(fā)生深刻的變化.電能作為一 種便于利用的清潔、高效能源，已經成為人類社會生活的

5、一種基礎能源形式電 能質量的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的經濟、安全和可靠運行，涉及供電部門、電 力設備制造商和電力用戶等多方面利益.一方面，為進一步提高用電效率，各種整流、逆變和變頻調速等電力電子裝置的 應用越來越廣泛，這些具有不對稱、沖擊性、非線性和豐富諧波特性的用電負荷 成為影響電能質量的重要因素列一方面，對電能質量的要求及敏感程度比較高 的用電設備如芯片制造、精密加工、汽車生產線、數(shù)據中心等，電網中的任何瞬 態(tài)和暫態(tài)響應都易引起設備的運行異常甚至損壞，從而影響牛產的正常進行， 產生不必要的經濟損失1-2因此，電能質量問題日益突岀并受到各利益相關 方的重視.1電能質量監(jiān)測與治理對電網電能質量狀

6、況進行監(jiān)測評估是解決電能質量問題的基礎傳統(tǒng)的電能質量 監(jiān)測采用便攜式儀器可對選定的監(jiān)測點在一段時間內的電能質量各項穩(wěn)態(tài)指標， 如頻率偏差、電壓偏差、諧波、閃變和電壓不平衡等進行分析統(tǒng)計，找出該段時 間內電能質量指標變化的情況和變化規(guī)律此種監(jiān)測方式雖可發(fā)現(xiàn)一些特定的電 能質量問題，但也存在著諸如實時性差、監(jiān)測指標少、工作量大和測量誤差大等 局限性.要對電網電能質量狀況進行整體評估，則需要進行在線電能質量監(jiān)測結合電能 質量監(jiān)測點設置原則，正確選擇在線電能質量監(jiān)測裝置安裝位置，并基于通信 網絡實現(xiàn)與電能質量監(jiān)測主站通信，在線實時監(jiān)測電網的電能質量指標，對各 個監(jiān)測點的數(shù)據進行實時采集、分析、統(tǒng)計和展

7、示在線監(jiān)測方式不僅可以監(jiān)測 電能質量各項穩(wěn)態(tài)指標，還可以實時監(jiān)測電壓暫降、暫升和短時中斷等電能質量 暫態(tài)指標，從而可以及吋發(fā)現(xiàn)存在電能質量問題的站點，通過相應的治理和改 善措施提高電能質量.在對電網電能質量狀況進行系統(tǒng)評估的基礎上，可根據不同的負荷性質和干擾 源性質，木著“誰污染，誰治理”的原則來劃分電網內各主體的治理責任，相 應的治理措施涉及電力生產、傳輸和消費的整個環(huán)節(jié)常見的治理措施包括安裝 無功補償裝置、濾波裝置或統(tǒng)一電能調節(jié)裝置等隨著電力電子技術的不斷發(fā)展, 各種新型電能質量治理裝置正在被不斷研發(fā)并應用到電網中，但技術經濟性能 的綜合考量仍然是制約此類裝置廣泛應用的瓶頸.盡管對如何確定

8、合理的電能質量治理方案并未有最優(yōu)的方式，但可在電能質量 監(jiān)測評估并綜合考慮技術經濟的條件下，因地制宜地采取有針對性的電能質量 治理措施，以達到改善電能質量的目的.本文以上海電能質量在線監(jiān)測及治理為 例進行分析，通過應用在線電能質量監(jiān)測系統(tǒng)并采取適當?shù)闹卫泶胧?，可取?良好的社會和經濟效益.2案例分析2.1電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)2. 1. 1系統(tǒng)概述電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)由底層的監(jiān)測裝置、監(jiān)測主站、客戶端通過通信系統(tǒng)連接 在一起，采集并顯示監(jiān)測裝置獲取的數(shù)據在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對全網電能質量數(shù) 據的采集、統(tǒng)計分析，提供監(jiān)測的全部電能質量指標，實現(xiàn)為電力系統(tǒng)管理、運 行監(jiān)督部門和相關單位提供用戶訪問功能具

9、體結構如圖1所示.圖1在線電能質量監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖下載原圖監(jiān)測裝置:按照相應的電能質量監(jiān)測點設置原則安裝在變電站里，采集相應監(jiān)測 點處的電壓、電流信號，并按照要求進行計算、存儲、展示及上傳必要的電能質 量監(jiān)測數(shù)據.通信系統(tǒng):是連接監(jiān)測裝置與主站之間的通信線路，目前基本上采用光纖以太網 通信方式.監(jiān)測主站:收集監(jiān)測裝置采集的電能質量數(shù)據，按規(guī)劃的功能要求對數(shù)據進行處 理、儲存和發(fā)布.用戶可通過客戶端瀏覽器，進入主站獲取相關信息.2.1. 2監(jiān)測主站監(jiān)控中心主站包含通信前置機、各類服務器（數(shù)據庫、應用、對外接口、web、 備用和備份）和管理工作站等數(shù)據庫服務器、應用服務器和web服務器各一臺,

10、與監(jiān)測裝置的通信通過前置機通信監(jiān)測裝置端的數(shù)據實時傳到通信前置機中， 應用服務器定時從通信前置機中獲取數(shù)據放入數(shù)據庫中設置管理工作站、磁盤 陣列、備份服務器和網絡交換機等硬件設備，通過專用電能質量分析處理軟件， 實現(xiàn)主站的運行管理功能.2.2污染用戶治理通過電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據分析，發(fā)現(xiàn)測港變電站35kv電能質量監(jiān)測點 存在電壓總諧波畸變率和5次諧波電壓含有率超出國標限值的情況，同時5次、 11次和13次等諧波電流也都不同程度地存在超岀國標限值的情況.由于該監(jiān)測 點所監(jiān)測供電線路負荷主要為一家電石廠，初步分析認為引起上述超標情況的 原因應該與該電石廠有關.2. 2.1原因分析及治理該電石

11、廠主要牛產設備為電石爐，而電石爐是一種高耗能的冶煉設備固，在電 石爐生產過程中，容易造成負荷的三相不平衡、畸變和大幅波動，從而產生大量 諧波，經變壓器注入電網同時電石爐是一種電弧型負荷，主要產生11次、 13次等諧波國_,因此是電網中典型的諧波源.為進一步確認該廠的諧波污染情況，采用便攜式電能質量儀器對供電線路pcc (point of common coupling)點進行現(xiàn)場測試.測試結果顯示在該廠工作時段所 監(jiān)測的電能質量較差，各次諧波超標情況均與在線電能質量監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測情 況相符且主導諧波電流均由負荷側流向電網側，故判定引起變電站供電線路電 能質量超標的原因是電石廠大量采用非線性用電

12、設備而未采取相應的治理措施.為改善電能質量，并考慮到電石廠的實際情況，建議該用戶采用在其10kv負荷 側母線上安裝濾波兼補償?shù)?fc (fixed capacitor) +tcr (thyristor controlled reactor-tcr)型的 svc (switching virtual circuit)治理方式這樣既可以 吸收負荷產生的諧波電流避免其污染電網，又可以補償感性無功從而提高功率 因數(shù).2. 2. 2 svc總體設計svc裝置tcr及各濾波器支路全部直接掛接在10kv母線側.根據負荷產生的諧波 電流、無功情況，同時為了避免治理設備造成低次諧波放大，該治理裝置配置3, 5,

13、 7, 11次4組濾波器支路.所有濾波器支路同tcr均掛接在10kv母線上，如 圖2所示3, 5, 7次濾波器采用單調諧濾波器，11次濾波器采用高通濾波器.圖2 svc單線系統(tǒng)圖 下載原圖2. 2. 3 tcr基本工作原理 當前普遍使用的tcr是靜止型動態(tài)無功補償裝置，圖3是其工作原理通過調節(jié) 圖3中晶閘管的控制角a改變回路電壓和電流的相位差，調節(jié)回路電感大小.電網補償裝置包含固定電容器、電抗器和晶閘管3個部分，當需要時可以根據電 網需求在感性負荷和容性負荷間變化，通過a角的改變實現(xiàn)線路無功補償，改 善電網質量在應用中，將固定電容器分組來消除不同的高次諧波，晶閘管控制 電抗器線圈采用對地三角形

14、連接，使得每個支路互相獨立控制，也有益于高次 諧波和負序抑制.晶閘管閥采用交流調壓功能的2個反并聯(lián)的晶閘管，以同步方式進行電抗器投 入和切除當晶閘管承受正向電壓時才會被觸發(fā)導通，電抗器接入在電壓負半 周期，只要晶閘管通過的電流大于維持電流，晶閘管就持續(xù)導通，電抗器就仍 接在電路中圖3是單相電路的電壓和電流波形.圖3 tcr單相電路原理及波形圖下載原圖電壓過零點到觸發(fā)點的電角度為a,其調節(jié)范圍為0180。每半周波電抗器導 通角用。表示當a為0°時，電抗器投入運行；當a為90°時，電抗器電流 達最大值;當a為180。時，電抗器拆除運行.為了避免諧波諧振的危險，在svc的系統(tǒng)設計

15、中，濾波器系統(tǒng)應濾除負荷和tcr 產生的主要諧波電流，補償裝置的控制器也應具備各種諧波的抗干擾能力.tcr裝置實現(xiàn)功能：（1）實時采集工作狀態(tài)，獲取跟蹤嚴重沖擊無功功率負荷工 作狀態(tài)，經過數(shù)據處理，發(fā)出與工作狀態(tài)相對應的晶閘管閥觸發(fā)脈沖.（2）觸 發(fā)脈沖經電磁耦合方式去觸發(fā)六相晶閘管閥，實現(xiàn)對電抗器的控制.（3）改變 觸發(fā)角，改變回路的電壓和電流相位角，從而改變tcr回路的無功功率量.（4） 調節(jié)tcr回路，實現(xiàn)電網無功功率趨于零.（5）采用無觸點電力電子器件，實現(xiàn) 動態(tài)、實時無功補償.（6）能有效抑制不對稱負荷產生的負序分量.2. 2. 4治理裝置主要參數(shù)根據計算，該治理裝置tcr主電抗器的

16、三相額定容量為6 mvar.為了保證svc投入運行后能達到考核點功率因數(shù)0. 9以上的要求，并且不會產牛 無功倒送，濾波器的基波補償容量取與tcr容量基本相等，略小于6 mvar.綜合 考慮諧波濾波的效果設置各個濾波器支路、選擇安裝容量和必需的各項安全性指 標，實現(xiàn)最優(yōu)化配置.確定濾波器方案的前提，主要是明確補償?shù)臒o功容量和主導諧波電流，選擇濾 波支路、確定其基波容量，并計算出各濾波器支路的參數(shù)通過計算，治理裝置 主要參數(shù)如表1和表2所示.表1各濾波支路電容器額定電壓安裝容量下載原表表2各濾波支路電抗器參數(shù)下載原表2. 2. 5效益分析該電石廠在前期數(shù)據測試和方案設計的基礎上，安裝了一套fc+

17、tcr型svc治理 裝置通過一段吋間的投入運行，并跟蹤對比該電石廠在電能質量治理裝置投運 前后的測試數(shù)據，可以看出其電能質量狀況已得到明顯改善，且已取得良好的 社會和經濟效益.在該電石廠夜間工作時段投運濾波裝置后，根據電能質量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測及 現(xiàn)場測試的數(shù)據分析，可以看出總諧波電壓畸變率、5次諧波電壓含有率均已符 合國標限值（治理前后變化趨勢如圖4、圖5所示）圖4治理前后電壓總諧波畸變率變化趨勢圖下載原圖圖5治理前后5次諧波電壓含有率變化趨勢圖下載原圖注入到35kv系統(tǒng)pcc點的諧波電流在濾波后均符合國標限值諧波電流的改善， 使濾波效果十分明顯，從而大大減小了諧波對電網的污染，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定

18、性.功率因數(shù)是考核用戶的電能利用率、收取電費和加強用戶側管理的一項重要指標, 功率因數(shù)的高低直接關系著用戶用電成本的高低和電網的安全穩(wěn)定運行采取治 理措施后，該電石廠生產屮所需要的無功電流由低壓側的tcr直接提供，減少 了電網向其輸送的無功功率，從而使其平均功率因數(shù)達到0. 9以上，這樣可不 用向供電公司繳納額外的無功罰款，降低了用電成木.安裝電能質量治理裝置后，一方面可以有效地改善劣質的電能質量，另一方面 從節(jié)能減排的角度來看，則可以獲得良好的節(jié)能效益.采用濾波加無功補償技術的電能質量治理措施，一方面通過濾波減少了因諧波 電流在用電設備和輸配電設備之間的傳輸而造成的發(fā)熱，減小了有功功率的損 耗，節(jié)約了電能；另一方面無功補償則減少了電網中無功功率的傳輸，減輕了電 網的負擔，降低了因傳輸大量無功而造成的線損.通過現(xiàn)場測試后發(fā)現(xiàn)，在相同生產條件下，該電石廠進線有功功率由治理前的9. 66 mw降低到治理后的8. 79 mw,無功功率由治理前的1. 04mvar降低到治理后 的0. 70 mvar,分別降低了 11%和33%,節(jié)能效果明顯.3結論木文在概述電能質量監(jiān)測與治理必要性的基礎上，以某電網電能質量監(jiān)測及治 理