數(shù)字技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、數(shù)字技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用摘要：電能質(zhì)量關(guān)系著電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的保障，對(duì)降低能耗及人類生活環(huán)境等產(chǎn)生重要影響。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力負(fù)荷的種類越來(lái)越多，特別是非線性、沖擊性負(fù)荷在容量上、數(shù)量上日益增大，使公用電網(wǎng)中的各種干擾成分不斷增加，電能質(zhì)量日益惡化。如何有效的提高電能質(zhì)量迫在眉睫。本文介紹了電能質(zhì)量及其指標(biāo)，并列舉了國(guó)內(nèi)電能質(zhì)量的解決方案。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中圖分類號(hào)： tm711文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： a文章編號(hào)：1007-9416(2012)08-0090-021、電能質(zhì)量定義電能質(zhì)量 (power quality)，從嚴(yán)格意思上講，衡量電能質(zhì)

2、量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量四個(gè)方面的相關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念。2、電能質(zhì)量指標(biāo)電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有：電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、公用電網(wǎng)諧波和公用電網(wǎng)間諧波等。電壓不平衡是指三相電壓的幅值或相位不對(duì)稱。不平衡的程度用不平衡度（電壓負(fù)序分量和正序分量的均方根值百分比）來(lái)表示，典型的三相不平衡是指不平衡度超過(guò)2%，短時(shí)超過(guò) 4%。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)致三相電壓的不平衡。過(guò)電壓是指持續(xù)時(shí)間大于 1 分鐘，幅值大于標(biāo)稱值的電壓。 典型的過(guò)電壓值為 1.1 1.2 倍標(biāo)稱值。過(guò)

3、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，變壓器分接頭的不正確設(shè)置也是產(chǎn)生過(guò)電壓的原因。欠電壓是指持續(xù)時(shí)間大于 1 分鐘，幅值小于標(biāo)稱值的電壓。 典型的欠電壓值為 0.8 0.9 倍標(biāo)稱值。其產(chǎn)生的原因一般是由于負(fù)載的投入和無(wú)功補(bǔ)償電容器組的切除等過(guò)程。另外，變壓器分接頭的錯(cuò)誤設(shè)置也是欠電壓產(chǎn)生的原因。電壓驟降是指在工頻下， 電壓的有效值短時(shí)間內(nèi)下降。 典型的電壓驟降值為 0.1 0.9 倍標(biāo)稱值，持續(xù)時(shí)間為 0.5 個(gè)周期到 1 分鐘。電壓驟降產(chǎn)生的原因主要有電力系統(tǒng)發(fā)生故障，如系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障；大容量電機(jī)的啟動(dòng)和負(fù)載突增也會(huì)導(dǎo)致電壓驟降。電壓驟升是指在工頻下，

4、電壓的有效值短時(shí)間內(nèi)上升。 典型的電壓驟升值為 1.1 1.8 倍標(biāo)稱值，持續(xù)時(shí)間為 0.5 個(gè)周期到 1 分鐘。電壓驟升產(chǎn)生的原因主要有電力系統(tǒng)發(fā)生故障，如系統(tǒng)發(fā)生單相接地等故障；大容量電機(jī)的停止和負(fù)載突降也是電壓驟升的重要原因。供電中斷是指在一段時(shí)間內(nèi)， 系統(tǒng)的一相或多相電壓低于 0.1 倍標(biāo)稱值。瞬時(shí)中斷定義為持續(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 360 秒之間，而持久停電的持續(xù)時(shí)間大于 60 秒。電壓瞬變又稱為瞬時(shí)脈沖或突波， 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。電壓瞬變按照電壓波形的不同分為兩類：一是電壓瞬時(shí)脈沖，是指疊加

5、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)生的開關(guān)瞬變。電壓切痕是一種持續(xù)時(shí)間小于 10ms的周期性電壓擾動(dòng)。它是由于電力電子裝置換相造成的，它使電壓波形在一個(gè)周期內(nèi)有超過(guò)兩個(gè)的過(guò)零點(diǎn)。由于其頻率非常高，用常規(guī)的諧波分析設(shè)備無(wú)法測(cè)出，因此以前一直末把此項(xiàng)作為電壓質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。我國(guó)還對(duì)應(yīng)頒布了六項(xiàng)的電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別是：(1)gb/t 12325-2008電能質(zhì)量供電電壓偏差；(2)gb/t 15945-2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差；(3)gb/t

6、 15543-2008電能質(zhì)量三相電壓不平衡度；(4)gb/t 12326-2008電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變；(5)gb/t 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波；(6)gb/t 24337-2009電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波。3、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)既然電能質(zhì)量有如此多的指標(biāo)， 應(yīng)如何了解并掌握電能質(zhì)量是否滿足各項(xiàng)指標(biāo)，就需要專用的儀器對(duì)電能進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)。那么什么是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)呢？電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是指采用符合規(guī)范的測(cè)試儀器或設(shè)備對(duì)電網(wǎng)中所關(guān)心節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量并與限值對(duì)比分析的過(guò)程。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展：第一個(gè)階段 : 電能質(zhì)量初步探討時(shí)期。對(duì)于電力系統(tǒng)諧波”污染”的認(rèn)識(shí)始于 19

7、20-1930 年，問(wèn)題出自于德國(guó)對(duì)當(dāng)時(shí)的靜態(tài)整流器產(chǎn)生的波形畸變的探討，到本世紀(jì)五、六十年代，隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，西方工業(yè)化國(guó)家對(duì)此進(jìn)行了全面而深入的研究，但是直到七十年代以來(lái)出現(xiàn)的兩種情況才促使了世界各國(guó)對(duì)諧波問(wèn)題的廣泛重視，并引起了諧波理論方面的重大發(fā)展。第二個(gè)階段 : 電能質(zhì)量在國(guó)內(nèi)初步發(fā)展。隨著web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，并且各方人士開始積極探索和應(yīng)用如何通過(guò)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)對(duì)電力設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)提供一些有用的建議等等，在這個(gè)時(shí)期國(guó)內(nèi)的廠家技術(shù)發(fā)展日新月異，隨著數(shù)字信號(hào)處理dsp 芯片的應(yīng)用迅速發(fā)展，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品系列完善，web技術(shù)在電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，

8、實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、存數(shù)、分析、共享。第三個(gè)階段 : 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的高級(jí)應(yīng)用。電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的應(yīng)用將為未來(lái)的專家系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。未來(lái)的專家系統(tǒng)綜合了國(guó)內(nèi)外諧波界知名專家的研究成果，采用智能模糊分析方法，對(duì)自動(dòng)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出污染源、發(fā)現(xiàn)諧振點(diǎn)，并對(duì)電網(wǎng)整體電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，仿真分析，提出整治建議，使得日后的治理工作更有針對(duì)性和有效性，對(duì)節(jié)省治理投資有重大的現(xiàn)實(shí)意義。目前，發(fā)展成熟的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為依托，結(jié)合電網(wǎng)中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)建成一個(gè)完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析。整個(gè)系統(tǒng)軟件從功能

9、上可以分為監(jiān)測(cè)單元、通信服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)與分析平臺(tái)等多個(gè)子系統(tǒng)。(1) 終端監(jiān)測(cè)單元：由電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀完成。(2) 通信服務(wù)系統(tǒng)：主要由監(jiān)測(cè)儀通信系統(tǒng)、通信服務(wù)器以及通信模塊組成，其中監(jiān)測(cè)通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收通信服務(wù)器指令、 解析指令、查找打包所需數(shù)據(jù)并通過(guò)通信模塊上傳到通信服務(wù)器；通信服務(wù)器負(fù)責(zé)所有與電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信，并支持以太網(wǎng)接口、usb 接口等通信方式。(3) 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)系統(tǒng)：主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部處理程序以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊組成，數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)中各項(xiàng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)同時(shí)還為系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)與分析平臺(tái)提供數(shù)據(jù)檢索等數(shù)據(jù)服務(wù)支持。數(shù)據(jù)庫(kù)支持m

10、ssql 和oracle 等大型數(shù)據(jù)庫(kù)。(4) 監(jiān)測(cè)與分析平臺(tái)：主要由在線監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析與參數(shù)設(shè)置管理組成。在線監(jiān)測(cè)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新紀(jì)錄，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求每3 秒鐘刷新一次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；電能質(zhì)量分析主要負(fù)責(zé)對(duì)統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值表、曲線分析以及報(bào)表打印處理等操作；參數(shù)設(shè)置管理主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的各種參數(shù)以及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和管理。4、國(guó)內(nèi)電能質(zhì)量解決方案有了先進(jìn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)又是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓調(diào)整、頻率調(diào)節(jié)、諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償、閃變控制、瞬態(tài)電壓事件的控制呢。我國(guó)常用的技術(shù)手段有配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置 (svg) 、有源電力濾波器 (

11、apf) ，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器 (dvr) 。4.1 配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置 (svg)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是一種很傳統(tǒng)的電力技術(shù)，它代表了一個(gè)國(guó)家電力水平的高低，無(wú)功補(bǔ)償通俗的講就是將低壓變壓器傳輸過(guò)來(lái)的無(wú)用功轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉?。配電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置(svg) 具有以下特點(diǎn) ;(1) 補(bǔ)償方式 :svg 采用的是電源模塊進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償后的功率因素一般在 0.98 以上。(2) 補(bǔ)償時(shí)間 : 無(wú)功補(bǔ)償需要在瞬時(shí)完成， 如果補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成該要無(wú)功的時(shí)候沒(méi)有，不該要無(wú)功的時(shí)候反而來(lái)了的不良狀況；svg 在 5-20 毫秒的時(shí)間就可以完成一次補(bǔ)償。(3) 有級(jí)無(wú)極 :svg 可以從 0.1 千法開始進(jìn)行無(wú)極補(bǔ)

12、償，完全實(shí)現(xiàn)了精確補(bǔ)償；(4) 諧波濾除 :svg 不產(chǎn)生諧波更不會(huì)放大諧波，并且可以濾除50%以上的諧波；(5) 使用壽命 :svg 使用壽命在十年以上，自身?yè)p耗極小且基本上不要維護(hù)。4.2 有源電力濾波器 (apf)電力有源濾波器是運(yùn)用瞬時(shí)濾波形成技術(shù)，對(duì)包含諧波和無(wú)功分量的非正弦波進(jìn)行“矯正” ，這與基于穩(wěn)態(tài)頻譜的“濾波”概念已有很大的不同，而類似于自適應(yīng)濾波技術(shù)中的“干擾抵消器”。因此，電力有源濾波器有很快的響應(yīng)速度，對(duì)變化的諧波和無(wú)功功率都能實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并且其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較小。apf 可分為單相 apf 、三相三線制 apf 、三相四線制 apf 及有源線路調(diào)節(jié)器 (

13、aplc) 等。三相四線制 apf 主要是為了補(bǔ)償電源中線上的電流諧波、無(wú)功功率及三相之間的不平衡問(wèn)題。當(dāng)功率額定值較小時(shí)，其主電路可直接采用三相逆變器，而將直流側(cè)電容中點(diǎn)聯(lián)接到電源中點(diǎn)上。當(dāng)負(fù)載功率較大時(shí)可用四橋臂的逆變器，將第四橋臂單獨(dú)用于補(bǔ)償中線；為了實(shí)現(xiàn)三相獨(dú)立調(diào)節(jié)，還可使用更復(fù)雜的三個(gè)單相橋式逆變器進(jìn)行分別補(bǔ)償。有源線路調(diào)節(jié)器是向電網(wǎng)中的某個(gè)( 或幾個(gè) ) 優(yōu)選節(jié)點(diǎn)注入消諧波補(bǔ)償電流，以達(dá)到在一定范圍內(nèi)電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合治理。目前更高層次的電力有源濾波技術(shù)在國(guó)外尚處于研究階段。有源電力濾波器 (apf) 具有以下特點(diǎn)： (1) 不僅能補(bǔ)償各次諧波， 還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能

14、的特點(diǎn)， 在性價(jià)比上較為合理；(2) 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)； (3) 不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價(jià)比上較為合理； (4) 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。4.3 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器 (dvr)dvr 則是目前保證對(duì)敏感負(fù)荷供電質(zhì)量非常有效的串聯(lián)補(bǔ)償裝置，因?yàn)樗ㄟ^(guò)自身的儲(chǔ)能單元，能在ms級(jí)內(nèi)將電壓跌落補(bǔ)償至正常值，因此是抑制動(dòng)態(tài)電壓干擾的有效補(bǔ)償裝置，它主要由儲(chǔ)能單元、dc/ac 逆變器模塊、連接變壓器等部分組成，儲(chǔ)能容量可根據(jù)用戶電壓跌落統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定，逆變器的模塊一般采用由igb 構(gòu)成三相全橋結(jié)構(gòu)，采用 pwm調(diào)制方式，這種結(jié)構(gòu)控制靈活，便于分相補(bǔ)償。因而 dvr 與消除電壓跌落，提高大型綜合性敏感工業(yè)負(fù)荷的供電質(zhì)量方面有顯著的效果。5