电网特殊负荷的电能质量管理

2011-06-06郑伟周喜超安哲刘颖英周胜军智勇杨勇

电力建设 2011年11期

郑伟，周喜超，安哲，刘颖英，周胜军，智勇，杨勇

(1.甘肃电力科学研究院，兰州市，730050;2.中国电力科学研究院，北京市，100192)

0 引言

随着国民经济和现代工业的高速发展，电力系统中的负荷日趋复杂化和多样化。电气化铁路、冶金等电网中大功率非线性、冲击性及波动性特殊负荷的大量应用，使得电网产生谐波、三相不平衡、电压波动与闪变等电能质量问题。特殊负荷对区域性电网甚至整个电力系统的影响已表现得十分明显与突出。加强对全网特殊负荷电能质量的技术监督和管理，提高人们对电能质量危害的认识，积极采取防范措施以保证电网电能质量是刻不容缓的。

目前，随着电能质量领域研究的开展和深入，越来越多的人们开始关注特殊负荷的电能质量问题。文献［1-3］介绍了特殊负荷的用电特性及其对公用电网电能质量的影响和危害，并提出了分析特殊负荷时所采取的数学模型及其处理方式。文献［4-6］针对特殊负荷电能质量的监测管理现状进行分析，特殊负荷电能质量的综合治理也是一个研究的热点问题。文献［7-12］详细介绍了目前比较成熟且普遍采用的治理方案。通过这些研究成果，可以掌握特殊负荷的电能质量特性。针对特殊负荷的电能质量问题，电网公司如何对这些负荷进行有效的监督与管理，以减小其对电网的影响也是值得研究的。文献［13-15］指出了我国电能质量管理方面存在的问题，提出了一些关于体制改革、标准改进和技术提高的建议，但没有从管理的角度就电能质量的管理方式及流程环节进行系统研究。

本文首先对特殊负荷的含义及其电能质量特性进行了介绍，然后从电网公司的角度出发，对特殊负荷管理中应包含的关键要素进行了分析与探讨，给出了关键环节详细的管理流程，并对特殊负荷电能质量管理中的核心内容，即特殊负荷的监测、评估与治理，进行了分析，可为电网特殊负荷电能质量管理提供参考。

1 特殊负荷的含义及其电能质量特性

特殊负荷，是指可能对电网电能质量产生严重影响的负荷，具有非线性、冲击性、波动性、不平衡等特点。典型的特殊负荷主要包括:功率可控硅整流装置，如电气化铁路、电解装置、直流输电的换流阀和相控电抗器型无功补偿装置;工业冶炼负荷，如交流炼钢电弧炉、轧机、高频感应加热炉等;大型变压器、电抗器等铁心设备;分布式电源，如风电场、光伏电站及电动汽车充电站等［16］。

特殊负荷的电能质量特性一般表现为因非线性特性而产生大量谐波污染。所有的特殊负荷都不同程度地会产生谐波，冲击性负荷特别是电弧炉几乎产生连续频谱的谐波电流，甚至产生大量的分数次谐波;功率快速变化和冲击性使其引起电网电压波动及闪变问题;单相负荷或不平衡负荷使其产生负序电流注入电网，使电网三相电压不平衡等。典型特殊负荷及其所属行业和电能特性见表1。

表1 典型特殊负荷Tab.1 Typical special loads

2 特殊负荷电能质量管理的关键要素

2.1 关键要素

特殊负荷电能质量的管理应本着“安全第一、预防为主、超前防范”的方针进行全过程的监督与管理。从管理的目标及特殊负荷接入电网的过程角度考虑，特殊负荷电能质量管理应包含以下2个方面的关键要素:

(1)从管理制度上保证管理工作落实到位。以往的管理规定往往仅从技术角度做出规定，缺乏具体的职责与分工，使电能质量管理工作中存在互相推诿的现象。因此，有必要对各环节工作的职责与分工做出明确的规定，真正推进管理工作的进行。

(2)从管理流程上保证特殊负荷电能质量管理，明确新建、扩建或改建负荷以及新接入负荷的管理流程。特殊负荷的电能质量管理是一项系统的工程，不确定的管理流程将使工作中存在漏洞，并影响后续工作的顺利开展，使管理工作存在隐患。因此，有必要详细规定管理工作的流程，使特殊负荷电能质量管理工作有章可循。

从管理内容的角度考虑，一项特殊负荷电能质量管理规定应至少包括:管理的方针与原则;相关部门职责与分工;特殊负荷管理工作流程;电能质量评估工作流程;电能质量监测与治理方案等。通过建立1套完整的特殊负荷接入运行、监测、评估、治理管理办法，规范特殊负荷电能质量管理，使电网电能质量指标符合国家标准，从而保证电网安全稳定、优质、经济、可靠运行。

2.2 组织管理制度的保证

应按照“依法监督、分级管理”的原则，结合电网公司具体的职能设置，制定适合于本电网公司的组织管理制度、设备运行管理和技术培训管理等措施，明确各级部门的责任和权利，以及各部门和各级人员的电能质量管理的岗位职责，并制定相应的各种管理规定和考核办法，把电能质量的各项指标纳入各级部门和相关人员的培训计划和经济考核中，达到电能质量监督所要求的规划、设计、基建、运行、用电全过程监督和管理。

2.3 管理流程的保证

对于新建、扩建或改建的特殊负荷项目，电网公司在用户用电工程设计时应使用户明确电能质量的重要性及影响，使用户在进行设计的同时考虑改善电能质量的措施，如:抑制谐波、改善三相不平衡、电压波动和闪变等抑制措施;用户完成用电方案设计并进行接入系统申请后，电网公司相关部门应组织特殊负荷用电方案设计的审查工作，同时对用户提交的电能质量评估结果进行审核，审核通过后方可与用户签署供电协议，并通知用户开展后续工程;当电能质量评估结果不满足要求时，电网公司则需及时通知客户进行相关整改，提交改善的电能质量污染抑制或治理设计方案。供电协议作为明确电网公司和用户双方权利与义务的法律条文，应将涉及电能质量方面的内容纳入其中，从而实现对特殊负荷用户设备的有效管理。

特殊负荷客户受电工程竣工后，电网公司应严格把关，对特殊负荷接入系统后的电能质量情况进行实测验收。新建、扩建或改建负荷的电能质量管理流程如图1所示。

图1 新建、扩建或改建特殊负荷的电能质量管理流程Fig.1 Newly built，expanded and rebuilt power quality management procedure for special loads

对于现有的特殊负荷客户，电网公司应加强其电能质量常态监督管理，对特殊负荷客户进行电能质量在线监测，并定期跟踪检查用户电能质量治理设备的投运情况，建立健全特殊负荷客户基础资料、电能质量事故及分析处理档案，为特殊负荷类似的电能质量问题处理奠定基础。对与在监测与评估过程中发现电能质量污染水平超过规定限值的用户，电网公司应督促其制定治理措施并限期整改，在其重新投运时应进行电能质量验收，从而加强电能质量指标超标的已入网用电客户的电能质量的技术监督和管理。已入网特殊负荷的电能质量管理流程如图2所示。

3 特殊负荷的电能质量管理中的核心内容

3.1 特殊负荷的电能质量监测

解决特殊负荷电能质量问题，首先需要对其电能质量状况实施有效的监测。电能质量监测是评估数据的直接来源，是质量评估中的重要前提。因此，应重点监测特殊负荷电能质量情况。特殊负荷电能质量监测分为在线监测、不定期检测和专项测试3种方式。

图2 已入网特殊负荷的电能质量管理流程Fig.2 Power quality management procedure of special loads accessing power grid

电能质量在线监测装置，通过局域和广域网，逐步建立形成分布式、智能化电能质量监测、分析、评估与管理系统，实现电能质量监测的实时分层分级管理，从而对特殊负荷的用电情况和电能质量进行实时在线监测，充分发挥电能质量监测的作用。

针对特殊负荷用户，应根据其危害程度和产生电能质量问题的严重程度采取不定期检测方式。

专项测试主要用于特殊负荷设备接入电网，或反映电能质量出现异常，需要对比前后变化情况的场合，以确定电网电能质量指标的背景状况和负荷变动与干扰发生的实际参量，或验证技术措施效果等。

对监测过程中发现的、存在电能质量指标严重超标的用电设备，电网公司应及时跟踪监测记录电能质量变化情况，并采取相关措施，为治理提供依据。同时对于电能质量监测设备应进行入网检验，保证性能和精度符合国家标准和当前电网的要求。

3.2 特殊负荷的电能质量评估

特殊负荷电能质量评估是电能质量监督管理的关键环节，是明确电能质量治理责任、保证电力系统良好供电质量的必要手段，有助于改变供用电双方互相推卸责任、无人治理的被动局面。

根据“堵新治旧”的原则，在新建、扩建及改建特殊负荷用户接入系统前，要对其进行科学、正确的电能质量评估，即入网前根据新报装特殊负荷用户设备相关电气参数特点，进行电能质量评估，实现对入网用户的检查以及对污染源和污染程度的预测和分析，对下一步监测和治理污染提供依据。对已入网的特殊负荷用户，则采取将实际测量数据与评估指标限值比较的方式，对各项电能质量指标进行评估，并采取相应的治理措施，以保证电网的安全运行。

电能质量的评估涉及国标、导则、系统方面知识以及相应的计算、分析和经验推算法则，这些在特殊负荷电能质量管理和技术监督中起着重要作用。

3.3 特殊负荷的电能质量治理

特殊负荷电能质量治理应从用户侧和电网侧综合考虑。

对于用户侧治理，可采取静止无功补偿器、静止无功发生器、滤波器等技术措施和装备减小用户注入电网的谐波和负序电流，抑制用户侧功率波动所引起的电网电压波动与闪变。电网公司各级电能质量监督管理机构应参与到治理方案的设计审定、设备的招标和制造、安装调试、竣工验收的全过程。因特殊负荷用户接入及运行造成的电能质量污染，用户应负责其防治和治理工程的管理，并承担投资所发生的费用，最终技术装备的产权归用户所有。当用户接入系统电压等级较高(110 kV及以上)或容量较大时(电气化铁路负荷、大型钢厂等)的电网时，其治理装备可考虑与电网公司协商接于电网侧(系统变电站内)。此时，防止和治理工程的管理可由电网公司负责，技术装备归电网公司所有，所发生的费用由用户和电网公司共同承担，有时也可采取费用由电网公司承担，用户通过高电价在后期对费用进行补偿的方法。

对于电网侧治理，电网公司应根据各级电网电能质量污染源用户的电能质量情况，调整有关运行方式和采取相应防范对策，保证电能质量指标符合有关规定的要求。例如:采用△/Y0接线的变压器取代Y/Y0接线的变压器，以降低配电向高一级电压等级电网的谐波传递;在系统变电站加装静止无功补偿器、静止无功发生器、滤波器等技术装备对电能质量问题进行治理。此时，电网公司应承担项目的工程管理和投资管理，产权归电网公司所有。

4 结语

特殊负荷对电网的电能质量污染日益严重，应加强对全网特殊负荷电能质量的管理监督，维护电网广大电力用户的安全运行。建立完善的管理体系是改善供电品质的重要手段。应从管理制度及管理流程2个方面保证和推进特殊负荷电能质量工作的顺利开展。特殊负荷电能质量管理中的核心内容包括监测、评估与治理，应分别对其内容制定详细的规定。

［1］林永，劳伟筹.风电场对电网的电能质量影响研究［J］.电气应用，2009，21(4):42-45.

［2］Brenna M，Foiadelli F，Zaninelli D.Electromagnetic model of high speed railway lines for power quality studies［J］.IEEE transactions on power system，2010，25(3):1301-1308.

［3］石新春，付超，马巍巍，等.基于实测数据的电弧炉实时数字仿真模型及其实现［J］.电工技术学报，2009，24(7):177-182.

［4］王葵，李建超，潘贞存.电气化铁路电能质量监测平台设计［J］.电力自动化设备，2008，28(7):94-97.

［5］刘兵，李群湛.电能质量监测装置的优化配置［J］.电力系统及其自动化学报，2009，21(6):69-73.

［6］彭明智，刘永强，赵富强.风电电能质量监测系统的设计与应用［J］.低压电器，2010(7):45-48.

［7］于坤山，周胜军，王同勋，等.电气化铁路供电与电能质量［M］.北京:中国电力出版社，2010.

［8］肖湘宁.电能质量分析与控制［M］.北京:中国电力出版社，2010.

［9］邱大强，李群湛，周福林，等.基于背靠背SVG的电气化铁路电能质量综合治理［J］.电力自动化设备，2010，30(6):36-44.

［10］荣飞，罗安，范卿.应用于不平衡系统的STATCOM电压控制新方法［J］.电工技术学报，2010，25(3):138-143.

［11］刘观起，郑倩.基于STATCOM的电弧炉负荷治理研究［J］.电力科学与工程，2010，26(2):18-21.

［12］张定华，桂卫华，王卫安，等.基于无功控制的电铁电能质量治理装置及应用［J］.高电压技术，2009，26(2):420-424.

［13］刘铁，吕梁.浅说现代电能质量控制及管理技术［J］.变频器世界，2009，4:28，30-32.

［17］金广厚，李庚银，周明.国内外电能质量控制水平及管理策略［J］.电力自动化设备，2005，25(1):1-6.