淺析電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：介紹了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和基本原理，分析探討了該系統(tǒng)在供配電系統(tǒng)和工廠用電設(shè)備監(jiān)測等方面的應(yīng)用，其對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；監(jiān)測系統(tǒng)；供配電系統(tǒng)；應(yīng)用

0前言

電能質(zhì)量是衡量電網(wǎng)供給用戶端交流電能的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是對電力系統(tǒng)、工業(yè)用戶等電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測并自動(dòng)記錄的智能化數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓及電流波形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析，并自動(dòng)生成所需圖形報(bào)表，相關(guān)技術(shù)人員即可以通過Web方式隨時(shí)查詢電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對電能質(zhì)量擾動(dòng)做出科學(xué)的評估，為改善電能質(zhì)量提供決策依據(jù)。

1電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和原理

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端、主站及遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件系統(tǒng)組成。

1.1電能質(zhì)量監(jiān)測終端

監(jiān)測終端主要完成數(shù)據(jù)的處理、記錄、存儲(chǔ)以及與主站之間的通訊連接和數(shù)據(jù)傳輸，形成圖形報(bào)表。監(jiān)測終端還具有LCD圖形顯示、多參數(shù)綜合測量、參數(shù)報(bào)警值設(shè)定、實(shí)時(shí)定點(diǎn)報(bào)警等功能。終端運(yùn)行VRTX實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以及時(shí)響應(yīng)用戶的請求，過電壓數(shù)據(jù)采用中斷方式記錄，保證數(shù)據(jù)不丟失。

監(jiān)測終端的硬件由TA/TV及AD信號(hào)預(yù)處理、DSP數(shù)據(jù)處理器、并行通訊ISA總線并行擴(kuò)展、調(diào)制解調(diào)器、LCD顯示器（VGA單色帶背光）、網(wǎng)絡(luò)適配器、電源等構(gòu)成。電能質(zhì)量監(jiān)測終端的硬件構(gòu)成框圖見圖1。

傳感器將配電網(wǎng)參數(shù)的電能信號(hào)TA/TV轉(zhuǎn)化為AD的輸入信號(hào)，然后進(jìn)行同步采樣，轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)通過同步串口傳入DSP，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。DSP數(shù)據(jù)處理器是監(jiān)測終端的核心部件之一，它將采集的數(shù)據(jù)變換格式，采用成熟的FFT（快速傅立葉算法）計(jì)算分析處理各種數(shù)據(jù)。DSP將分析結(jié)果送到LCD以圖形方式顯示電壓、電流基波及各次諧波的幅值、相角，電壓、電流的矢量圖，電壓、電流波形，并通過串口將數(shù)據(jù)送到主站PC進(jìn)行相應(yīng)的處理。上位計(jì)算機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)，通過管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、儲(chǔ)存、共享，運(yùn)行和管理人員可隨時(shí)查詢，并可選取需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表輸出和曲線打印分析。

1.2主站及遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件

主站通過調(diào)制解調(diào)器或網(wǎng)絡(luò)接受監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)主站為客戶機(jī)—服務(wù)器方式，數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，可以方便地調(diào)用與查詢。主站接受監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成文件、報(bào)表及曲線，并可顯示數(shù)據(jù)和圖形(如頻譜圖、波形圖、曲線圖、向量圖等)。它可以管理多臺(tái)電能質(zhì)量監(jiān)測終端，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，可以對某一時(shí)段或某一事件過程時(shí)段的電能質(zhì)量進(jìn)行分析、形成報(bào)表，自動(dòng)形成日、月和年報(bào)表，自動(dòng)找出諧波含有率超標(biāo)的時(shí)段與線路，計(jì)算電壓合格率與供電可靠性。遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件主要完成數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)及圖顯，提供報(bào)警等信息。監(jiān)測系統(tǒng)軟件框圖

見圖2。

2電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

從上世紀(jì)80年代起,我國電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由單一功能向多功能監(jiān)測的發(fā)展。目前在電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)已在供配電系統(tǒng)和工廠用電設(shè)備監(jiān)測有著廣泛應(yīng)用。

2.1供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測

我國早在90年代開始就陸續(xù)推出了關(guān)于電能質(zhì)量方面的一系列相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。在電子技術(shù)越來越發(fā)達(dá)的今天,現(xiàn)代電子設(shè)備對電能質(zhì)量更為敏感，現(xiàn)代電子設(shè)備的大量應(yīng)用加重了電網(wǎng)電能質(zhì)量的污染，因此及時(shí)了解電能質(zhì)量的情況對對于供用電雙方都具有十分重要的意義。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對運(yùn)行中的供配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，可根據(jù)使用部門的要求進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)合格區(qū)域等參數(shù)的設(shè)定、統(tǒng)計(jì)出電網(wǎng)各指標(biāo)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成所需圖形報(bào)表，并進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。同時(shí)系統(tǒng)對設(shè)定的電能質(zhì)量指標(biāo)值有越限報(bào)警功能，可輕松判斷指標(biāo)超標(biāo)與否，提醒人們對供、用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保電網(wǎng)的電能質(zhì)量符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2供配電系統(tǒng)及工業(yè)用電設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對供配電系統(tǒng)運(yùn)行中電壓、電流全波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)分析電網(wǎng)中電壓、電流的諧波狀況，為運(yùn)行和檢修人員提供可靠的電網(wǎng)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，隨時(shí)隨地掌握電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，這樣就能在供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障前，掌握到其早期的故障信息，及時(shí)做好預(yù)防檢修，提高電力系統(tǒng)供電的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，保證用電設(shè)備的正常工作。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)也可對工業(yè)用電設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測，特別是容量相對較大的非線性負(fù)載用戶設(shè)備。用戶可通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握用電設(shè)備諧波情況，以制定合適的治理方案，提高用電質(zhì)量，同時(shí)提高設(shè)備使用壽命。同時(shí)用戶還可通過監(jiān)測系統(tǒng)在線無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，滿足供電企業(yè)考核指標(biāo)，同時(shí)減少線路損耗，節(jié)約電能消耗；通過在線監(jiān)測用戶可以及時(shí)清楚了解供電設(shè)備狀況，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患和電能損耗定位，提高供電效率。

2.3供配電系統(tǒng)事故原因分析

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)具有故障錄波功能，能夠記錄發(fā)生故障時(shí)刻的電網(wǎng)狀態(tài)，通過分析，為判斷故障的來源和分析、解決問題提供了詳盡、可靠的數(shù)據(jù)和依據(jù)，這對于解決電力故障糾紛提供了可靠的技術(shù)支持。

2.4為供配電網(wǎng)技改提供依據(jù)

通過電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以評判供配電網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)哪些指標(biāo)是主要的矛盾所在，其概率水平及時(shí)間分布規(guī)律如何，從而以合理的投資、較好的技術(shù)方案、適度余量的容量進(jìn)行解決。

2.5合理引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰用電提供依據(jù)

近年各地不同程度都出現(xiàn)電力缺口的情況。通過電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以統(tǒng)計(jì)出本地區(qū)峰、平、谷用電負(fù)荷情況，據(jù)此電力管理部門可制定合理的錯(cuò)峰用電方案，合理分布電能使用時(shí)間，削峰填谷，減少因?yàn)槔l限電給企業(yè)帶來損失。

3電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

3.1概述

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)主要研究供配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償和諧波治理問題，適用于新建、改建、擴(kuò)建和技改項(xiàng)目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的無功補(bǔ)償、諧波及綜合治理等，可根據(jù)不同行業(yè)類型和負(fù)載類型的電能質(zhì)量問題提供合適的設(shè)計(jì)解決方案，以達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

3.2典型行業(yè)

①商業(yè)中心/辦公大樓/醫(yī)療/機(jī)場/體育館：空調(diào)、電梯、LED屏幕、可控硅調(diào)光系統(tǒng)、音響系統(tǒng)；

②港口碼頭/造船/造紙/煙草/煤礦：變頻器等；

③光伏/充電樁/化工/冶金：變頻器、整流器等；

④學(xué)校/研究院：實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房設(shè)備、數(shù)據(jù)中心；

⑤工廠：使用大型設(shè)備的生產(chǎn)線，高精度數(shù)控中心等；

⑥通信/金融/醫(yī)療/商業(yè)中心：UPS、開關(guān)電源等。

3.3系統(tǒng)架構(gòu)

電能質(zhì)量分析與治理系統(tǒng)由低壓側(cè)電能治理產(chǎn)品組成，主要產(chǎn)品有ANAPF有源電力濾波器、ANSVG靜止無功發(fā)生器、ANSNP中線安防保護(hù)器、ANHPD諧波保護(hù)器、ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置、ANSVG-G-A混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置、ANSVG-S-A混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置、ANSVG-S-G智慧型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置等。

4產(chǎn)品選型

4.1 諧波治理產(chǎn)品選型

4.2、無功補(bǔ)償產(chǎn)品快速選型

5產(chǎn)品功能

5.1 ANAPF有源電力濾波器

觸摸屏

互感器

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)上，負(fù)載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統(tǒng)中，通過實(shí)時(shí)檢測電路將負(fù)載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，經(jīng)控制系統(tǒng)快速運(yùn)算，采用PWM控制IGBT的觸發(fā)。通過由大容量IGBT管組成的三相變流器向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流，該補(bǔ)償電流與負(fù)荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能，保證流入電網(wǎng)電流是正弦波。

5.2 ANSNP中線安防保護(hù)器

ANSNP中線安防保護(hù)器通過電流檢測環(huán)節(jié)采集系統(tǒng)中性線上各次諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入中性線，從而消除中性線中過大的電流。

5.3 ANSVG靜止無功發(fā)生器

ANSVG靜止無功發(fā)生器是一種用于補(bǔ)償無功以及不平衡的新型電力電子裝置，它能對大小變化的無功以及負(fù)序進(jìn)行快速和連續(xù)的補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服LC補(bǔ)償器等傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償器響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償效果不能控制、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點(diǎn)。

5.4 ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置

（1）分立元件方案

ANSVC 低壓無功功率補(bǔ)償裝置適用于頻率 50Hz 電壓 0.4kV 電網(wǎng)的無功功率自動(dòng)補(bǔ)償；它集無功補(bǔ)償、電網(wǎng)監(jiān)測于一體，不但可以通過投切電容器組來補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功損耗，提高功率因數(shù)，降低線損，從而提高電網(wǎng)的負(fù)載能力和供電質(zhì)量；同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)等電量參數(shù)。

（2）智能電容方案

AZC系列智能電力電容補(bǔ)償裝置是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。AZC由智能測控單元，投切開關(guān)，線路保護(hù)單元，低壓電力電容器等構(gòu)成，AZCL在AZC的基礎(chǔ)上添加了電抗器，電抗率可選7%/14%，用于主要諧波為5次及以上/3次、5次及以上的電氣環(huán)境。改變了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式。具有補(bǔ)償效果更好，體積更小，功耗更低，價(jià)格更廉，節(jié)約成本更多，使用更加靈活，維護(hù)更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點(diǎn)。

5.5 ANSVG-G-A混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置

ANSVG-G-A混合動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償無功的同時(shí)可兼治理系統(tǒng)的諧波，該設(shè)備以并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的電流分量，通過控制計(jì)算及邏輯變化，計(jì)算出系統(tǒng)所需的無功分量及諧波分量，然后通過三相全橋換流電路實(shí)時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的無功與諧波電流注入到配電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)償，兼諧波治理。

5.6 ANSVG-S-A系列混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置

ANSVG-S-A系列混合動(dòng)態(tài)消諧補(bǔ)償裝置應(yīng)用新技術(shù)，以SVC的經(jīng)濟(jì)性和APF濾波的性等特點(diǎn)為基礎(chǔ)，將兩者技術(shù)相結(jié)合，提高傳統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)，在降低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)諧波治理與無功補(bǔ)償。

5.7 ANSVG-S-G智慧型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置

ANSVG-S-G智慧型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是一種用于補(bǔ)償無功，提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果的新型電力電子裝置；智能控制系統(tǒng)主動(dòng)根據(jù)系統(tǒng)的線性動(dòng)態(tài)需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)有源及無源模塊的輸出配比；ANSVG-S-G整機(jī)主要是由ANSVG-S-G模塊、無源補(bǔ)償電容器（TSC）、液晶顯示器組成。

6應(yīng)用案例

6.1 概述

某工廠負(fù)載為空壓機(jī)、注塑機(jī)一類的變頻設(shè)備，是典型的諧波發(fā)生源，客戶要求針對諧波電流進(jìn)行治理，改造前/后實(shí)測數(shù)據(jù)如下：

治理前數(shù)據(jù)截圖

治理后數(shù)據(jù)截圖

現(xiàn)場安裝圖

6.2 測量前/后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

6.3 測量前/后數(shù)據(jù)分析

從治理前后的測量數(shù)據(jù)電流波形對比圖中，我們可以較為直觀的看出諧波治理后的電流波形更加平滑，更加趨近于正弦波形。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，諧波電流主要以5、7、11次為主，治理前的5、7、11次諧波電流均超出國標(biāo)限值（5次62A、7次44A、11次28A），經(jīng)過容量200A的ANAPF有源濾波器治理后均降到了限值以下，滿足國標(biāo)對于各次諧波電流值的要求；治理后諧波電流畸變率（以A相為例）由治理前的32.39%降到了10.42%；治理后諧波電壓畸變率（以A相為例）由治理前的5.4%降到了2.97%，滿足國標(biāo)限值電壓畸變率≤5%的要求，各項(xiàng)指標(biāo)wan全符合國家標(biāo)準(zhǔn)，諧波治理效果明顯。

7典型業(yè)績

8結(jié)束語

電能質(zhì)量監(jiān)測是保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的技術(shù)支撐，是保證電網(wǎng)和電氣設(shè)備安全和可靠的重要手段。建立實(shí)用、先進(jìn)、可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為及時(shí)分析和反映電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，找出電網(wǎng)中影響電能質(zhì)量的原因，采取相應(yīng)的措施，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸建國.電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版.