低壓智能配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量管理

丹東華通測(cè)控有限公司 王偉 曲娓

引言

在目前我國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域中，電力系統(tǒng)存在著大量非線性、沖擊性和波動(dòng)性負(fù)荷，這些負(fù)荷造成了電網(wǎng)發(fā)生波形畸變、電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡、非對(duì)稱(chēng)性，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴(yán)重降低。同時(shí)，基于計(jì)算機(jī)，微處理器控制的精密電子儀器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)企業(yè)中大量使用，對(duì)供電質(zhì)量的敏感程度越來(lái)越高，對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求，從而使電能質(zhì)量問(wèn)題及其解決措施逐漸成為研究的熱點(diǎn)。要對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行改善，首先要對(duì)電能質(zhì)量做出精確的檢測(cè)和分析，測(cè)量電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，并分析和判斷造成各種電能質(zhì)量問(wèn)題的原因，為電能質(zhì)量的改善提供依據(jù)。

一、電能質(zhì)量

電能質(zhì)量(Power Quality)：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。

電能質(zhì)量是衡量電網(wǎng)是否造成污染的指標(biāo)體系，它直接影響著供、用電雙方的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。在工業(yè)領(lǐng)域的電力系統(tǒng)當(dāng)中，常見(jiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題主要有以下幾種：

1.頻率偏差

系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱(chēng)值之差大于0.2HZ時(shí)稱(chēng)為系統(tǒng)的頻率偏差，其產(chǎn)生的根本原因是由系統(tǒng)有功功率不平衡。

2.電壓波動(dòng)與閃變

又稱(chēng)為電壓瞬變或突波，是指兩個(gè)連續(xù)的穩(wěn)態(tài)之間的電壓值發(fā)生快速的變化，其持續(xù)時(shí)間很短。按照電壓波形的不同分為兩類(lèi)：一是電壓瞬時(shí)脈沖，是指疊加在穩(wěn)態(tài)電壓上的任一單方向變動(dòng)的電壓非工頻分量；二是電壓瞬時(shí)振蕩，是指疊加在穩(wěn)態(tài)電壓的同時(shí)包括兩個(gè)方向變動(dòng)的電壓非工頻分量。電壓瞬變可能是由閃電引起的，也可能是由于投切電容器組等操作產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)瞬變。

3.三相不平衡

在電力系統(tǒng)中，各種不平衡工業(yè)負(fù)荷以及各種接地短路故障都會(huì)導(dǎo)致三相電壓的幅值或相位不對(duì)稱(chēng)，不平衡的程度通常用不平衡度來(lái)表示。

4.過(guò)電壓

通常持續(xù)時(shí)間大于1分鐘，幅值大于標(biāo)稱(chēng)值的電壓被稱(chēng)為暫時(shí)過(guò)電壓，而持續(xù)時(shí)間為數(shù)毫秒或更短，帶有強(qiáng)阻尼振蕩或非振蕩的過(guò)電壓稱(chēng)為瞬態(tài)過(guò)電壓，瞬態(tài)過(guò)電壓可疊加于暫時(shí)過(guò)電壓之上。過(guò)電壓主要是由于負(fù)載的切除和無(wú)功補(bǔ)償電容器組的投入等過(guò)程引起，另外，變壓器分接頭的錯(cuò)誤設(shè)置也是過(guò)電壓產(chǎn)生的原因。

5.波形畸變

是指穩(wěn)定狀態(tài)偏離了理想的工頻正弦波形(主要由偏離的頻譜量表征)。主要有：諧波、間諧波、陷波、直流偏置和噪聲五種基本形式。在工業(yè)領(lǐng)域中，最主要的為諧波形式。而諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。

6.電壓暫降及暫升

電壓暫降（暫升）是指在工頻下，電壓的有效值短時(shí)間內(nèi)下降（上升）。電壓暫降及暫升產(chǎn)生的原因主要有電力系統(tǒng)發(fā)生故障，如系統(tǒng)發(fā)生接地短路、單相接地等故障；大容量電機(jī)的啟動(dòng)、停止和負(fù)載突增、突降也會(huì)導(dǎo)致的重要原因。

7.電壓中斷

在一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的一相或多相電壓低于0.1倍標(biāo)稱(chēng)值。分為瞬時(shí)中斷、短時(shí)中斷和持久停電三種。瞬時(shí)中斷為持續(xù)時(shí)間在0.5個(gè)周期到3秒之間的供電中斷，短時(shí)中斷的持續(xù)時(shí)間在3~60 秒之間，而持久停電的持續(xù)時(shí)間大于60秒。

此外，還有欠電壓、電壓切痕等其它一些情況，也會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

二、電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量的好壞主要表現(xiàn)為頻率的偏差、電壓的變化以及諧波分量的大小。所以電能的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也有頻率、電壓以及電壓的不對(duì)稱(chēng)性和非正弦性標(biāo)準(zhǔn)。

1.頻率質(zhì)量

頻率是整個(gè)電力系統(tǒng)統(tǒng)一的運(yùn)行參數(shù)，一個(gè)電力系統(tǒng)只有一個(gè)頻率。我國(guó)電力系統(tǒng)的額定頻率為50Hz。在電力系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率與用電設(shè)備及送電設(shè)備消耗的功能不平衡，將引起電力系統(tǒng)頻率變化。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過(guò)或低于發(fā)電廠的出力時(shí)，系統(tǒng)頻率就要降低或升高，發(fā)電廠出力的變化同樣也將引起系統(tǒng)頻率變化。

系統(tǒng)低頻率運(yùn)行時(shí)電廠中所有的交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，使給水泵、風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等輔助機(jī)械的出力相應(yīng)降低，促使頻率進(jìn)一步下降，引起惡性循環(huán)，甚至可能造成全廠停電的嚴(yán)重事故；同時(shí)，所有用戶(hù)的交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也要降低，產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量將不同程度地降低，例如頻率降到49Hz以下時(shí)，紡織品、紙張將發(fā)生毛疵和厚薄不勻的質(zhì)量問(wèn)題。高頻率運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)本身和用戶(hù)也將產(chǎn)生不利影響，如使系統(tǒng)電壓升高對(duì)絕緣不利，增加用戶(hù)和系統(tǒng)的損耗；對(duì)測(cè)量、控制和計(jì)時(shí)等電子設(shè)備精度和性能也會(huì)產(chǎn)生影響；使感應(yīng)式電能表計(jì)量誤差加大等。

2.電壓質(zhì)量

電力通過(guò)變壓器和線路輸送將產(chǎn)生電壓降，使受電端電壓較送電端電壓低一定數(shù)值。一般情況下，離電源越近，負(fù)荷越小的用戶(hù)，電壓降越小；反之，電壓降越大。用戶(hù)消耗的功率包括有功和無(wú)功，如果用戶(hù)所需無(wú)功經(jīng)變壓器和線路送來(lái)，則會(huì)產(chǎn)生較大的電壓降，使用戶(hù)電壓偏低，用戶(hù)吸收的無(wú)功越大，則用戶(hù)端的電壓越低。用戶(hù)的用電功率因數(shù)將直接影響用戶(hù)本身的電壓質(zhì)量。

用電設(shè)備低電壓運(yùn)行時(shí)，不但使線路損耗增加，而且將使電動(dòng)機(jī)的電流過(guò)大，線圈溫度過(guò)高，甚至使電動(dòng)機(jī)拖不動(dòng)或無(wú)法起動(dòng)，進(jìn)而燒壞電動(dòng)機(jī)。引起變速驅(qū)動(dòng)裝置跳閘、程序邏輯控制器（PLC）損壞、各種數(shù)字式自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失常，數(shù)據(jù)丟失；導(dǎo)致相關(guān)加工生產(chǎn)線停頓，大型場(chǎng)所照明失電等等。另外，在電網(wǎng)樞紐變電所和受電地區(qū)的電壓降低到額定電壓的70%左右時(shí)，將可能發(fā)生電壓崩潰事故，進(jìn)一步造成線路電壓降增加，如此循環(huán)下去，將造成大面積停電。

用電設(shè)備高電壓運(yùn)行可使用戶(hù)設(shè)備絕緣破壞，壽命降低，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，損耗增加，引發(fā)事故。電壓波動(dòng)和閃變會(huì)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻、振動(dòng)、異響，影響產(chǎn)品質(zhì)量；電子計(jì)算機(jī)、監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備等工作不正常。

3.電壓的不對(duì)稱(chēng)性和非正弦性

在現(xiàn)代的用電設(shè)備中，出現(xiàn)了變頻設(shè)備、電弧爐、電氣機(jī)車(chē)、電視機(jī)等非線性負(fù)荷。它們不但引起電壓波動(dòng)而且造成電壓的不對(duì)稱(chēng)性和非正弦性。電壓的不對(duì)稱(chēng)性系指三相電壓間的不對(duì)稱(chēng)。

根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法，不對(duì)稱(chēng)的三相電壓可分解為對(duì)稱(chēng)的正序、負(fù)序和零序分量。三相電壓不平衡將會(huì)引起電機(jī)附加發(fā)熱，并引起二倍頻的附加振動(dòng)力矩使電機(jī)負(fù)載能力降低，并引起以負(fù)序分量為啟動(dòng)元件的多種保護(hù)誤動(dòng)作；換流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流；變壓器負(fù)載能力下降；在低壓配電線路中，引起照明燈的壽命縮短或燒損、中性線過(guò)負(fù)荷等；引起線損及線路電壓損失增大；影響正常通信質(zhì)量。

電壓的非正弦性是指電壓波形的畸變。根據(jù)傅立葉變換。非正弦的電壓可分解為基波電壓和一系列高次諧波電壓?？傊C波電壓是所有高次諧波電壓的均方根值之和。電網(wǎng)諧波將導(dǎo)致電氣設(shè)備及導(dǎo)線過(guò)載運(yùn)行、壽命縮短、網(wǎng)損增加、儀表指示不準(zhǔn)、干擾通信線路；降低斷路器遮斷容量，甚至引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)；使電子設(shè)備工作不正常；使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表誤差加大；降低信號(hào)傳輸質(zhì)量，干擾通信系統(tǒng)；增加電力網(wǎng)中諧振可能性，誘發(fā)過(guò)電壓或過(guò)電流的危害。

三、電能質(zhì)量管理概況

目前國(guó)外內(nèi)的電能質(zhì)量管理主要是使用能源管理系統(tǒng)中的電能管理子系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行管理。電能管理系統(tǒng)通過(guò)大量高端的檢測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集相關(guān)的各種能源參數(shù)，并建立專(zhuān)家?guī)欤么罅啃畔?lái)全面的管理配電系統(tǒng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗，有效地控制和優(yōu)化各種能源的消耗。該類(lèi)型能源管理系統(tǒng)以西門(mén)子、施耐德等國(guó)際企業(yè)為代表。

該系統(tǒng)在進(jìn)行電能質(zhì)量管理的同時(shí)，需要配合大量各種可與該系統(tǒng)進(jìn)行通訊的檢測(cè)設(shè)備，而且需要系統(tǒng)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，則需要配置性能極高的系統(tǒng)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，該類(lèi)型電能質(zhì)量管理雖然功能強(qiáng)大，但并不適合廣泛推廣。

而在工業(yè)領(lǐng)域中，大多數(shù)項(xiàng)目只針對(duì)于目前的主要能源——電能進(jìn)行管理，那么則不必配置能源管理系統(tǒng)，工業(yè)領(lǐng)域中通常會(huì)有低壓配電系統(tǒng)，對(duì)于電能的管理也可以通過(guò)低壓配電系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、節(jié)約成本的目的，因此該方式在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛推廣。

四、低壓配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量管理

1.頻率質(zhì)量管理

頻率本身為低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量之一，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控頻率的變化情況，并將其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成相應(yīng)的歷史曲線及實(shí)時(shí)曲線。可以使用低壓配電系統(tǒng)的越限報(bào)警功能，對(duì)其上下限值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)其發(fā)生越限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將報(bào)警信息存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，便于故障的查詢(xún)分析。

在故障情況，系統(tǒng)頻率下降時(shí)，可以使用低壓配電系統(tǒng)的遙控操作功能，進(jìn)行低頻率減負(fù)荷，自動(dòng)切除部分次要負(fù)荷；當(dāng)頻率升高時(shí)，為了快速減少發(fā)電機(jī)出力，同樣使用遙控或遙調(diào)功能，進(jìn)行高頻率切機(jī)，使系統(tǒng)頻率盡快恢復(fù)在額定值附近。完全滿(mǎn)足頻率質(zhì)量管理的要求。

2.電壓質(zhì)量管理

電壓為低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量，可以對(duì)每個(gè)回路的電壓以及三相電壓不平衡度進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線生成、越限報(bào)警等多種功能。

提高電壓質(zhì)量的措施主要是采取在就地?zé)o功功率補(bǔ)償，主要設(shè)備為無(wú)功補(bǔ)償控制器和有載調(diào)壓變壓器，用低壓配電系統(tǒng)可以方便的遙控?zé)o功補(bǔ)償控制器和有載調(diào)壓變壓器，提高用戶(hù)的功率因數(shù)在0.9以上。

同時(shí)無(wú)功功率、功率因數(shù)、電容器投切狀態(tài)等變量也是低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆答佇Чm時(shí)調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償量的大小，對(duì)電壓質(zhì)量進(jìn)行有效而經(jīng)濟(jì)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.諧波質(zhì)量管理

諧波分量并非低壓配電系統(tǒng)所采集的基本監(jiān)控電量，但也可以使用低壓配電系統(tǒng)對(duì)諧波進(jìn)行采集。但是測(cè)量的諧波次數(shù)一般為第2到第19次，根據(jù)諧波源的特點(diǎn)可以適當(dāng)變動(dòng)諧波次數(shù)測(cè)量的范圍。而對(duì)于負(fù)荷變化快的諧波源(例如：煉鋼電弧爐、電力機(jī)車(chē)等)，一般不少于31次，部分回路要求測(cè)量63次諧波分量。因此，諧波測(cè)量的數(shù)據(jù)量通常很大。

低壓配電系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，如果將每個(gè)回路的所有諧波畸變率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳處理，不但會(huì)大量耗費(fèi)系統(tǒng)資源，而且會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)低壓配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。因此，所以低壓配電系統(tǒng)中的諧波質(zhì)量通常使用重要回路實(shí)時(shí)采集、一般回路分批定時(shí)采集和召喚采集相結(jié)合的方式的進(jìn)行管理。

重要回路（例如：進(jìn)線、變頻回路等）對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量有較大的影響，所以采取實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)關(guān)注諧波信息的方式，因?yàn)樵摲N類(lèi)回路數(shù)量較少，雖然單個(gè)回路數(shù)據(jù)量較多，但進(jìn)行合理分配后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性影響不大。一般回路對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量影響相對(duì)較小，所以采取分批定時(shí)讀取的方式，錯(cuò)開(kāi)系統(tǒng)資源利用高峰，分批定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，定時(shí)時(shí)間可根據(jù)回路性質(zhì)和系統(tǒng)規(guī)模確定，可以提高系統(tǒng)的利用率；同時(shí)對(duì)于發(fā)生了故障的回路，可以進(jìn)行召喚采集，在發(fā)生故障時(shí)實(shí)時(shí)采集其諧波數(shù)據(jù)，有助于分析故障原因。

五、結(jié)束語(yǔ)

電能質(zhì)量涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)和人民生活用電，優(yōu)質(zhì)電力可以提高用電設(shè)備效率，增加使用壽命，減少電能損耗和生產(chǎn)損失，電能質(zhì)量關(guān)系到電力可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體效益，是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會(huì)的必要條件之一?；诘蛪褐悄芘潆娤到y(tǒng)上的占用資源少，靈活性高等特點(diǎn)，對(duì)提高電能質(zhì)量管理效率起到了顯著作用。

參考資料：

[1]江輝,歐亞平,等.基于概率統(tǒng)計(jì)和矢量代數(shù)的電能質(zhì)量歸一量化與評(píng)價(jià).湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003-1.

[2]林海雪.現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問(wèn)題.電網(wǎng)技術(shù),2001-10.

[3]王善祥,李鋼,周劭亮,鄧烽,張何,劉輝.新型保護(hù)測(cè)控及電能質(zhì)量一體化裝置.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005-2.

[4]馬振國(guó),李鵬,楊以涵,李和明.基于小波多分辨率分析法的電能質(zhì)量檢測(cè).華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2003-3.

[5]胡銘,陳珩.電能質(zhì)量及其分析方法綜述.電網(wǎng)技術(shù),2000-2.

[6]趙劍鋒,王潯,潘詩(shī)鋒.大功率電能質(zhì)量信號(hào)發(fā)生裝置設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005-10.

[7]歐陽(yáng)森,宋政湘,等.新型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電工電能新技術(shù),2003-1.

[8]陳祥訓(xùn).采用小波技術(shù)的幾種電能質(zhì)量擾動(dòng)的測(cè)量與分類(lèi)方法.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002-10.

[9]唐志,楊潮,馬維新.串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器主電路設(shè)計(jì)方案.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2002-10.

[10]李鵬,陳志業(yè),等.統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其控制信號(hào)檢測(cè)方法探討. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2002-2.