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)濟運行具有重要意義。
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)標準。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)量進行監(jiān)測并自動記錄的智能化數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓及電流波形進行實時監(jiān)測、分析，并自動生成所需圖形報表，相關(guān)技術(shù)人員即可以通過Web方式隨時查詢電網(wǎng)的實時電能質(zhì)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對電能質(zhì)量擾動做出科學(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、存儲以及與主站之間的通訊連接和數(shù)據(jù)傳輸，形成圖形報表。監(jiān)測終端還具有LCD圖形顯示、多參數(shù)綜合測量、參數(shù)報警值設(shè)定、實時定點報警等功能。終端運行VRTX實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以及時響應(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信號預(yù)處理、DSP數(shù)據(jù)處理器、并行通訊ISA總線并行擴展、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TA/TV轉(zhuǎn)化為AD的輸入信號，然后進行同步采樣，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進行相應(yīng)的處理。上位計算機對接收到的數(shù)據(jù)，通過管理軟件對數(shù)據(jù)進行分類、儲存、共享，運行和管理人員可隨時查詢，并可選取需要的數(shù)據(jù)進行報表輸出和曲線打印分析。
1.2主站及遠程監(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—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)，進行統(tǒng)計分析，形成文件、報表及曲線，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)。它可以管理多臺電能質(zhì)量監(jiān)測終端，對收集到的數(shù)據(jù)進行分析與處理，可以對某一時段或某一事件過程時段的電能質(zhì)量進行分析、形成報表，自動形成日、月和年報表，自動找出諧波含有率超標的時段與線路，計算電壓合格率與供電可靠性。遠程監(jiān)測軟件主要完成數(shù)據(jù)的處理、計算、統(tǒng)計及圖顯，提供報警等信息。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)國家標準。在電子技術(shù)越來越發(fā)達的今天,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)對運行中的供配電系統(tǒng)進行實時連續(xù)監(jiān)測，可根據(jù)使用部門的要求進行相關(guān)指標合格區(qū)域等參數(shù)的設(shè)定、統(tǒng)計出電網(wǎng)各指標的數(shù)據(jù)，自動生成所需圖形報表，并進行數(shù)據(jù)儲存。同時系統(tǒng)對設(shè)定的電能質(zhì)量指標值有越限報警功能，可輕松判斷指標超標與否，提醒人們對供、用電設(shè)備的運行狀態(tài)及時進行調(diào)整，確保電網(wǎng)的電能質(zhì)量符合國家有關(guān)標準。
2.2供配電系統(tǒng)及工業(yè)用電設(shè)備運行監(jiān)測
電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對供配電系統(tǒng)運行中電壓、電流全波形的實時監(jiān)測，并實時分析電網(wǎng)中電壓、電流的諧波狀況，為運行和檢修人員提供可靠的電網(wǎng)運行相關(guān)參數(shù)，隨時隨地掌握電網(wǎng)的運行狀況，這樣就能在供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備運行出現(xiàn)故障前，掌握到其早期的故障信息，及時做好預(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)備運行進行監(jiān)測，特別是容量相對較大的非線性負載用戶設(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，同時提高設(shè)備使用壽命。同時用戶還可通過監(jiān)測系統(tǒng)在線無功補償，提高功率因數(shù)，滿足供電企業(yè)考核指標，同時減少線路損耗，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)測點哪些指標是主要的矛盾所在，其概率水平及時間分布規(guī)律如何，從而以合理的投資、較好的技術(shù)方案、適度余量的容量進行解決。
2.5合理引導(dǎo)用戶錯峰用電提供依據(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)計出本地區(qū)峰、平、谷用電負荷情況，據(jù)此電力管理部門可制定合理的錯峰用電方案，合理分布電能使用時間，削峰填谷，減少因為拉閘限電給企業(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)中的無功補償和諧波治理問題，適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的無功補償、諧波及綜合治理等，可根據(jù)不同行業(yè)類型和負載類型的電能質(zhì)量問題提供合適的設(shè)計解決方案，以達到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的目的。
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：實驗室、機房設(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中線安防保護器、ANHPD諧波保護器、ANSVC低壓無功功率補償裝置、ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置、ANSVG-S-A混合動態(tài)消諧補償裝置、ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置等。
4產(chǎn)品選型
4.1 諧波治理產(chǎn)品選型
|
種類 區(qū)別 |
ANAPF 有源電力濾波器 |
ANSNP 中線安防保護器 |
ANHPD 諧波保護器 |
|
組成 |
電力電子元器件 |
電力電子元器件 |
高通濾波模塊 |
|
功能 |
諧波治理、無功補償、 平衡三相電流 |
諧波治理、無功補償、 平衡三相電流 |
治理高次諧波，防止高頻干擾 |
|
濾波范圍 |
2-51次 |
2-51次 |
3kHz~10MHz |
|
應(yīng)用 |
應(yīng)用范圍較廣，可無功補償和平衡三相電流，與傳統(tǒng)無源濾波器相比節(jié)省空間，有較強的補償性能、適應(yīng)場合多。 |
適用于商場、劇院、體育中心、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等3N次諧波較大場合，能夠的治理過大的零線電流。 |
通常應(yīng)用于醫(yī)院、機房、工廠、實驗室等易受高頻諧波干擾場合。 |
4.2、無功補償產(chǎn)品快速選型
|
種類 區(qū)別 |
ANSVC 低壓無功功率補償裝置 |
ANSVG 靜止無功發(fā)生器 |
ANSVG-S-G 智慧型動態(tài)無功補償裝置 |
ANSVG-S-A 無功諧波混合補償裝置 |
ANSVG-G-A 混合動態(tài)濾波補償裝置 |
|
組成 |
分立元件（電容、電抗、投切開關(guān)）或智能電容 |
SVG模塊 |
ANSVG-S-G模塊+分立元件 |
APF模塊+分立元件 |
ANSVG-G-A模塊（輸出無功和諧波） |
|
無功補償 范圍 |
容性無功 |
容性無功 感性無功 |
容性無功 部分感性無功 |
容性無功 部分感性無功 |
容性無功 感性無功 |
|
無功補償 精度 |
一般 （寬范圍無功補償） |
高 （精細無功補償） |
很高 （寬+精細無功補償 ） |
一般 （寬范圍無功補償） |
高 （精細無功補償） |
|
諧波治理 |
5,7,11,13次 |
5,7,11,13次 |
2-50次 |
2-50次 |
|
|
動態(tài)響應(yīng) |
≥100ms |
≤5ms |
≤5ms |
≤5ms |
≤5ms |
|
應(yīng)用 |
功率因數(shù)較低，負荷波動不能太快，主要以無功補償為主的場所。 |
功率因數(shù)低，負荷快速變化，兼顧無功補償和低次諧波治理。例如： 點焊機；汽車行業(yè)，分布式光伏，碼頭提升裝置；鋼廠 |
功率因數(shù)低，負荷快速變化，以無功補償為主，低次諧波治理為輔。如： 點焊機； 負荷較平穩(wěn)的場所，例如：工廠、省網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)等 |
功率因數(shù)低，負荷變化穩(wěn)定，諧波電流嚴重畸變的場所。 例如： 變頻器 |
適用于無功量大，負載頻繁變化，電流嚴重畸變，且現(xiàn)場柜體安裝空間有限制的場所。如：汽車行業(yè)，鋼鐵冶金行業(yè)，光伏行業(yè)，單（多）晶爐行業(yè)等。 |
|
單柜容量 （800*800*2200）柜體尺寸可定制 |
300Kvar |
500Kvar |
300Kvar |
200Kvar無功+100A諧波 |
500Kvar無功+250A諧波 |
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，負載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統(tǒng)中，通過實時檢測電路將負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)注入補償電流，該補償電流與負荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實現(xiàn)濾除諧波的功能，保證流入電網(wǎng)電流是正弦波。
5.2 ANSNP中線安防保護器
ANSNP中線安防保護器通過電流檢測環(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序進行快速和連續(xù)的補償，其應(yīng)用可克服LC補償器等傳統(tǒng)的無功補償器響應(yīng)速度慢、補償效果不能控制、容易與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振和投切震蕩等缺點。
ANSVC 低壓無功功率補償裝置適用于頻率 50Hz 電壓 0.4kV 電網(wǎng)的無功功率自動補償；它集無功補償、電網(wǎng)監(jiān)測于一體，不但可以通過投切電容器組來補償電網(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)的負載能力和供電質(zhì)量；同時還能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的三相電壓、電流、功率因數(shù)等電量參數(shù)。
AZC系列智能電力電容補償裝置是應(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)量的新一代無功補償設(shè)備。AZC由智能測控單元，投切開關(guān)，線路保護單元，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)無功補償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式。具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價格更廉，節(jié)約成本更多，使用更加靈活，維護更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點。
5.5 ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置
ANSVG-G-A混合動態(tài)濾波補償裝置在補償無功的同時可兼治理系統(tǒng)的諧波，該設(shè)備以并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)的電流分量，通過控制計算及邏輯變化，計算出系統(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時產(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，實現(xiàn)智能補償，兼諧波治理。
5.6 ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補償裝置
ANSVG-S-A系列混合動態(tài)消諧補償裝置應(yīng)用新技術(shù)，以SVC的經(jīng)濟性和APF濾波的性等特點為基礎(chǔ)，將兩者技術(shù)相結(jié)合，提高傳統(tǒng)無功補償技術(shù)，在降低成本的同時，實現(xiàn)諧波治理與無功補償。
5.7 ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置
ANSVG-S-G智慧型動態(tài)無功補償裝置是一種用于補償無功，提高功率因數(shù)，實現(xiàn)補償效果的新型電力電子裝置；智能控制系統(tǒng)主動根據(jù)系統(tǒng)的線性動態(tài)需求，自動調(diào)節(jié)有源及無源模塊的輸出配比；ANSVG-S-G整機主要是由ANSVG-S-G模塊、無源補償電容器（TSC）、液晶顯示器組成。
6應(yīng)用案例
6.1 概述
某工廠負載為空壓機、注塑機一類的變頻設(shè)備，是典型的諧波發(fā)生源，客戶要求針對諧波電流進行治理，改造前/后實測數(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
|
變壓器 |
電流 |
電流畸變率 |
諧波電流 |
電壓畸變率 |
3次諧波 |
5次諧波 |
7次諧波 |
11次諧波 |
|
治理前A相 |
493.0 |
32.39% |
159.7 |
5.4% |
5.5 |
138.5 |
49.7 |
29.3 |
|
治理后A相 |
458.5 |
10.42% |
47.8 |
2.97% |
0.7 |
39.9 |
21.8 |
4.7 |
|
治理前B相 |
483.2 |
32.67% |
157.8 |
5.48% |
6.4 |
138.8 |
44.1 |
29.3 |
|
治理后B相 |
455.0 |
10.56% |
48.0 |
3.01% |
6.0 |
40.8 |
19.8 |
7.0 |
|
治理前C相 |
498.8 |
31.82% |
158.8 |
5.51% |
1.9 |
139.4 |
46.7 |
29.3 |
|
治理后C相 |
479.2 |
10.40% |
49.8 |
3.01% |
2.9 |
41.4 |
23.2 |
6.8 |
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%，滿足國標限值電壓畸變率≤5%的要求，各項指標完全符合國家標準，諧波治理。
7典型業(yè)績
|
常州市軌道交通 |
青島國際機場 |
|
武漢體育中心 |
贊比亞城市安全中心 |
|
滬通鐵路 |
哈爾濱某醫(yī)院松北院區(qū) |
|
蘭州某人工智能云計算 |
棋山隧道配電 |
|
中國郵政速遞物流 |
晉江第二體育館中心 |
|
安徽某生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園 |
華電淄博華星項目 |
|
北湖輕軌 |
方莊未來水廠 |
|
利時廣場 |
長沙某智能制造產(chǎn)業(yè)園 |
|
杭州火車南站 |
達州西客站充電站 |
|
高淳人民醫(yī)院 |
上海張江高科產(chǎn)業(yè)園 |
|
深圳某污水處理廠 |
蘭州大學(xué) |
|
堯塘中小學(xué) |
鄭州市民活動中心 |
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。建立實用、先進、可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為及時分析和反映電網(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)濟運行具有重要意義。
參考文獻：
[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)計與應(yīng)用手冊2022.05版.
作者簡介：
龔永波，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電，Email: 28801392115@qq.com手機：18702101301 QQ:2881392115