一种新型电网电能质量监控系统的设计分析

　非线性负荷特别是煤矿中的大型提升机、工业制造中的机床和家用的空调、电视和电脑等大量非线性负荷向电网中注入了大量的谐波，使各种设备出现故障，如使电机负载加重，产生振荡转矩，转速周期性变化；加重集肤效应，使电机和变压器铜损、铁损增加而过热；使变压器铁心产生磁滞伸缩现象，噪声增加，甚至达到不能容许的程度；产生电压波形畸变，对电机和变压器绝缘游离（局部放电）过程的产生和发展有很大影响，引起绝缘介质强度降低，使用寿命缩短；使电力电缆容量减小，损失增加，老化加剧，泄露电流加大，有时引起单相对地击穿，造成三相短路；对通信设备、自动和远动装置、继电保护、测量设备和仪表等有各种危害。另一方面，由于电力线为扰动提供了最好的传播途径，且传播速度快，电气环境污染及面积大，影响域广，其结果可能会大大降低与其相连接的其他系统或设备的电气性能，甚至使设备遭到损坏，可见劣质的电能的危害与影响具有快速传播性。
　　基于以上情况研制了新型电网电能质量监测系统。系统通过实时监测并分析电网电能质量数据，能够评估电网中的谐波源及其危害大小，判断谐振发生的可能性及谐振电压，为电网的电能质量治理提供指标和决策服务。
　　1 系统架构设计
　　系统整体架构如图1所示。
　　1）位于变电站（所）的电能质量监测终端，用于监测各母线、馈线的电能质量参数，并将监测数据保存于本地数据库。
　　2）监测数据可通过各种无线、有线网络传输至位于主站的服务器。各监测终端可利用GPS进行时间同步。
　　3）主站系统的应用服务器可实时计算各次谐波潮流，控制监测终端上传事项信息。
　　4）管理人员能够通过网页或客户端软件观察谐波功率的流动情况，及各次谐波对母线电压的影响，打印形成各种报表。
　　2 系统服务设计
　　该系统将在全网范围内监测电能质量信息，在线采集电压、电流、供电可靠性等各种电能质量指标，进行谐波潮流计算，在全网范围内查找谐波源，并按照危害程度对谐波源进行排序。帮助运行人员更好地采取提高电能质量的措施，提高电能质量管理水平。
　　充分利用电网“三集五大”体系建设成果，通过运营监测（控）信息支撑系统平台，对电网的电能质量信息和电能质量各项指标开展“全天候、全方位、全流程”即时在线监测，以全面掌握电能质量状况，实现电网运行过程中异动和问题的动态监测及自动预警，为电力决策部署提供辅助支撑，为持续提升管理绩效提供服务支持。
　　主要包括：
　　1）电能质量数据采集：利用变电站电能质量在线监测终端，对监测点进行24小时不间数据采集、记录和上传。
　　2）分布式数据库：主站系统与各变电站监测终端构成分布式数据库，减轻主站数据查询压力，提高分析速度。
　　3）电能质量分析：建设全网电能质量监测网络，结合电网运行监测数据、谐波发射水平、功率预测等算法策略对全网进行多维分析，为确定谐波源提供完整、准确和及时的方案，并通过谐波发射水平给出全网电能质量的综合评估。
　　4）辅助决策：辅助运行管理人员查找配电网隐患，如过电压、欠电压、因谐波电流造成的电网电压薄弱点，确定谐波潮流的大小和流动方向。
　　5）辅助管理：生成各种电能质量报表，查讯电能质量历史数据，参与绩效考核。
　　3 系统具体功能及优势
　　1）就地在线监测装置之间相互独立，单元的任意增加与缩减不影响整个系统的正常运行。
　　2）多功能监测终端，可通过终端图形界面任意配置监测通道，设置物理采集、软采集和函数采集通道。
　　3）数据记录全面。
　　体现在：
　　①测量计算功能：三相电压、电流；三相有功功率、无功功率；谐波含有率，三相电压、电流不平衡度、电压合格率等；
　　②数据统计存储功能：按设定的时间间隔定时记录配电变压器高低压侧各模拟量。记录天数默认为60天（可根据用户要求增加记录天数）；
　　③日统计记录：记录每日的总、尖、峰、平、谷的有功功率，三相电压越下限时间，三相电压越上限时间，总运行时间，变压器日有功损耗电量，日功率因数合格率，日电压合格率，变压器日平均负荷率。记录天数默认为60天（可根据用户要求增加记录天数）；
　　④事件记录：记录配电变压器低压母线三相电压电流越上、下限及复归时间，三相电压、电流总畸变率越上限及复归时间，三相电压、电流不平衡度越上限及复归时间，无功功率反送发生及复归时间，装置停电及来电时间。
　　⑤监测系统能采集变压器、母联及各保护的开关状态，记录其变位时间与变位后的状态。各开关状态的时间应与模拟量时间一致，误差不大于1ms；
　　⑥系统具备良好的人机接口界面，满足自动、手动控制以及参数设定的要求；
　　⑦监测系统能够快速计算并准确跟踪被测试点的三相电压、电流同步信号，精度达到0.5电角度；
　　4）谐波潮流计算和显示。采用GPS同步各站采集的数据，能够得到精确的谐波潮流；
　　5）谐波发射水平和谐波责任计算。能够分析任意谐波源对全网节点电压的影响，辅助确定谐波源的影响范围及影响程度；
　　6）谐波源全网定位。能够在全网范围内按照影响程度和影响范围对各个谐波源排序，并定位影响最大的谐波源；
　　7）超限报警和事件追忆功能，能够帮助运行人员及时找到因谐波问题引起电网中故障的原因，具有录波功能；
　　8）高精度。符合国标A 级仪器要求。对谐波、三相不平衡度、闪变和波动均采用基准算法，无近似计算，采用高精度A/D（12 位），同时采样，采集速率12.5 kHz。电压测量精度0.1级，电流测量精度0.2级，功率电度测量精度0.5级；
　　9）强大的通讯功能。监测单元具有RJ-45、RS-232/458、光纤、GPRS和zigbee等多种通讯方式，通讯距离不受限制。可以灵活的构建电力谐波潮流分散监测系统，同时提供灵活和便捷的数据转发设置功能；
　　10）谐振模态分析。通过判断节点导纳矩阵的奇异性，系统能够分析电网各个节点对应的谐振频率，找到电网隐含的谐振点及相关设备，有效避免各个节点上谐振的发生，降低设备损失，延长设备寿命。
　　4 系统应用前景
　　目前电力管理机构在电能质量监控方面所做的工作还很薄弱，监控点偏少，对监测得到的数据无法进行 系统的统计分析，没有对谐波源的评估和谐波责任的划分。随着今后电力电子等非线性生产设备的大量使用，电能质量问题将日益突出，电力系统对用户电能质量的监管也会提上日程。该产品可与配电自动化系统相配合，提高供电质量，帮助电力系统确定对其他用户影响最大的谐波源，保障电网的安全稳定运行。
　　电力管理部门于2012年编写了《电网电能质量技术监督技术监督规定》，并在部门科技发展规划中特别提出了对电能质量、节能与环保建设规划，其中就包括研究低压电网降损节能技术以及提高电压质量的技术措施。该新型电能质量监控系统的推出和完善，能够成为配电网电能质量管治的一个非常有用的工具，在区域配电网络中具备较好的应用前景，必将产生较好的社会及经济效益。
　　5 结语
　　基于电网非线性设备不算增加并造成电网谐波污染不断加剧的现状，研制了新型电网电能质量监测系统。系统通过实时监测并分析电网电能质量数据，能够评估电网中的谐波源及其危害大小，判断谐振发生的可能性及谐振电压，为电网的电能质量治理提供指标和决策服务，具备较好的实用性和推广前景。
　　【参考文献】
　　[1]GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波[S].
　　[2]GB/T 19862-2005 电能质量电能质量监测设备通用要求[S].
　　[3]孙胜晶.电能质量治理仿真软件的研究[J].华北电力大学，2012.03.01.
　　[4]袁金晶. 区域电网电能质量动态综合评价方法研究[J].华南理工大学，2012-12-01.