低压智能配电系统中的电能质量管理

2012-03-29丹东华通测控有限公司王伟曲娓

电气技术与经济 2012年3期

丹东华通测控有限公司王伟曲娓

引言

在目前我国的工业领域中，电力系统存在着大量非线性、冲击性和波动性负荷，这些负荷造成了电网发生波形畸变、电压波动、闪变、三相不平衡、非对称性，使得电网电能质量的严重降低。同时，基于计算机，微处理器控制的精密电子仪器在国民经济企业中大量使用，对供电质量的敏感程度越来越高，对电能质量提出了更高的要求，从而使电能质量问题及其解决措施逐渐成为研究的热点。要对电网的电能质量进行改善，首先要对电能质量做出精确的检测和分析，测量电网的电能质量水平，并分析和判断造成各种电能质量问题的原因，为电能质量的改善提供依据。

一、电能质量

电能质量(Power Quality)：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

电能质量是衡量电网是否造成污染的指标体系，它直接影响着供、用电双方的安全性、可靠性和经济性。在工业领域的电力系统当中，常见的电能质量问题主要有以下几种：

1.频率偏差

系统频率的实际值与标称值之差大于0.2HZ时称为系统的频率偏差，其产生的根本原因是由系统有功功率不平衡。

2.电压波动与闪变

又称为电压瞬变或突波，是指两个连续的稳态之间的电压值发生快速的变化，其持续时间很短。按照电压波形的不同分为两类：一是电压瞬时脉冲，是指叠加在稳态电压上的任一单方向变动的电压非工频分量；二是电压瞬时振荡，是指叠加在稳态电压的同时包括两个方向变动的电压非工频分量。电压瞬变可能是由闪电引起的，也可能是由于投切电容器组等操作产生的开关瞬变。

3.三相不平衡

在电力系统中，各种不平衡工业负荷以及各种接地短路故障都会导致三相电压的幅值或相位不对称，不平衡的程度通常用不平衡度来表示。

4.过电压

通常持续时间大于1分钟，幅值大于标称值的电压被称为暂时过电压，而持续时间为数毫秒或更短，带有强阻尼振荡或非振荡的过电压称为瞬态过电压，瞬态过电压可叠加于暂时过电压之上。过电压主要是由于负载的切除和无功补偿电容器组的投入等过程引起，另外，变压器分接头的错误设置也是过电压产生的原因。

5.波形畸变

是指稳定状态偏离了理想的工频正弦波形(主要由偏离的频谱量表征)。主要有：谐波、间谐波、陷波、直流偏置和噪声五种基本形式。在工业领域中，最主要的为谐波形式。而谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。

6.电压暂降及暂升

电压暂降（暂升）是指在工频下，电压的有效值短时间内下降（上升）。电压暂降及暂升产生的原因主要有电力系统发生故障，如系统发生接地短路、单相接地等故障；大容量电机的启动、停止和负载突增、突降也会导致的重要原因。

7.电压中断

在一段时间内，系统的一相或多相电压低于0.1倍标称值。分为瞬时中断、短时中断和持久停电三种。瞬时中断为持续时间在0.5个周期到3秒之间的供电中断，短时中断的持续时间在3~60 秒之间，而持久停电的持续时间大于60秒。

此外，还有欠电压、电压切痕等其它一些情况，也会对电能质量产生相应的影响。

二、电能质量标准

电能质量的好坏主要表现为频率的偏差、电压的变化以及谐波分量的大小。所以电能的质量标准也有频率、电压以及电压的不对称性和非正弦性标准。

1.频率质量

频率是整个电力系统统一的运行参数，一个电力系统只有一个频率。我国电力系统的额定频率为50Hz。在电力系统内，发电机发出的功率与用电设备及送电设备消耗的功能不平衡，将引起电力系统频率变化。当系统负荷超过或低于发电厂的出力时，系统频率就要降低或升高，发电厂出力的变化同样也将引起系统频率变化。

系统低频率运行时电厂中所有的交流电动机的转速相应降低，使给水泵、风机、磨煤机等辅助机械的出力相应降低，促使频率进一步下降，引起恶性循环，甚至可能造成全厂停电的严重事故；同时，所有用户的交流电动机的转速也要降低，产品的产量和质量将不同程度地降低，例如频率降到49Hz以下时，纺织品、纸张将发生毛疵和厚薄不匀的质量问题。高频率运行对系统本身和用户也将产生不利影响，如使系统电压升高对绝缘不利，增加用户和系统的损耗；对测量、控制和计时等电子设备精度和性能也会产生影响；使感应式电能表计量误差加大等。

2.电压质量

电力通过变压器和线路输送将产生电压降，使受电端电压较送电端电压低一定数值。一般情况下，离电源越近，负荷越小的用户，电压降越小；反之，电压降越大。用户消耗的功率包括有功和无功，如果用户所需无功经变压器和线路送来，则会产生较大的电压降，使用户电压偏低，用户吸收的无功越大，则用户端的电压越低。用户的用电功率因数将直接影响用户本身的电压质量。

用电设备低电压运行时，不但使线路损耗增加，而且将使电动机的电流过大，线圈温度过高，甚至使电动机拖不动或无法起动，进而烧坏电动机。引起变速驱动装置跳闸、程序逻辑控制器（PLC）损坏、各种数字式自动控制装置误动、计算机系统失常，数据丢失；导致相关加工生产线停顿，大型场所照明失电等等。另外，在电网枢纽变电所和受电地区的电压降低到额定电压的70%左右时，将可能发生电压崩溃事故，进一步造成线路电压降增加，如此循环下去，将造成大面积停电。

用电设备高电压运行可使用户设备绝缘破坏，寿命降低，电动机发热，损耗增加，引发事故。电压波动和闪变会造成电动机转速不均匀、振动、异响，影响产品质量；电子计算机、监测和控制设备等工作不正常。

3.电压的不对称性和非正弦性

在现代的用电设备中，出现了变频设备、电弧炉、电气机车、电视机等非线性负荷。它们不但引起电压波动而且造成电压的不对称性和非正弦性。电压的不对称性系指三相电压间的不对称。

根据对称分量法，不对称的三相电压可分解为对称的正序、负序和零序分量。三相电压不平衡将会引起电机附加发热，并引起二倍频的附加振动力矩使电机负载能力降低，并引起以负序分量为启动元件的多种保护误动作；换流设备产生附加的谐波电流；变压器负载能力下降；在低压配电线路中，引起照明灯的寿命缩短或烧损、中性线过负荷等；引起线损及线路电压损失增大；影响正常通信质量。

电压的非正弦性是指电压波形的畸变。根据傅立叶变换。非正弦的电压可分解为基波电压和一系列高次谐波电压。总谐波电压是所有高次谐波电压的均方根值之和。电网谐波将导致电气设备及导线过载运行、寿命缩短、网损增加、仪表指示不准、干扰通信线路；降低断路器遮断容量，甚至引起继电保护和自动装置误动；使电子设备工作不正常；使测量和计量仪器、仪表误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统；增加电力网中谐振可能性，诱发过电压或过电流的危害。

三、电能质量管理概况

目前国外内的电能质量管理主要是使用能源管理系统中的电能管理子系统来进行管理。电能管理系统通过大量高端的检测设备，实时采集相关的各种能源参数，并建立专家库，用大量信息来全面的管理配电系统每一个节点的能耗，有效地控制和优化各种能源的消耗。该类型能源管理系统以西门子、施耐德等国际企业为代表。

该系统在进行电能质量管理的同时，需要配合大量各种可与该系统进行通讯的检测设备，而且需要系统进行大量的数据处理，则需要配置性能极高的系统配置来实现。所以，该类型电能质量管理虽然功能强大，但并不适合广泛推广。

而在工业领域中，大多数项目只针对于目前的主要能源——电能进行管理，那么则不必配置能源管理系统，工业领域中通常会有低压配电系统，对于电能的管理也可以通过低压配电系统来实现，从而达到简化系统构成、节约成本的目的，因此该方式在工业领域内得到了广泛推广。

四、低压配电系统中的电能质量管理

1.频率质量管理

频率本身为低压配电系统所采集的基本监控电量之一，可以实时监控频率的变化情况，并将其数据存储在历史数据库中，形成相应的历史曲线及实时曲线。可以使用低压配电系统的越限报警功能，对其上下限值进行设定，当其发生越限时发出声光报警信号，同时将报警信息存入历史数据库，便于故障的查询分析。

在故障情况，系统频率下降时，可以使用低压配电系统的遥控操作功能，进行低频率减负荷，自动切除部分次要负荷；当频率升高时，为了快速减少发电机出力，同样使用遥控或遥调功能，进行高频率切机，使系统频率尽快恢复在额定值附近。完全满足频率质量管理的要求。

2.电压质量管理

电压为低压配电系统所采集的基本监控电量，可以对每个回路的电压以及三相电压不平衡度进行数据测量、数据存储、曲线生成、越限报警等多种功能。

提高电压质量的措施主要是采取在就地无功功率补偿，主要设备为无功补偿控制器和有载调压变压器，用低压配电系统可以方便的遥控无功补偿控制器和有载调压变压器，提高用户的功率因数在0.9以上。

同时无功功率、功率因数、电容器投切状态等变量也是低压配电系统所采集的基本监控电量，可以实时检测无功补偿的反馈效果，适时调整无功补偿量的大小，对电压质量进行有效而经济的实时调整。

3.谐波质量管理

谐波分量并非低压配电系统所采集的基本监控电量，但也可以使用低压配电系统对谐波进行采集。但是测量的谐波次数一般为第2到第19次，根据谐波源的特点可以适当变动谐波次数测量的范围。而对于负荷变化快的谐波源(例如：炼钢电弧炉、电力机车等)，一般不少于31次，部分回路要求测量63次谐波分量。因此，谐波测量的数据量通常很大。

低压配电系统对系统的实时性要求很高，如果将每个回路的所有谐波畸变率数据实时上传处理，不但会大量耗费系统资源，而且会严重影响整个低压配电系统的数据实时性。因此，所以低压配电系统中的谐波质量通常使用重要回路实时采集、一般回路分批定时采集和召唤采集相结合的方式的进行管理。

重要回路（例如：进线、变频回路等）对于整个系统的电能质量有较大的影响，所以采取实时采集，实时关注谐波信息的方式，因为该种类回路数量较少，虽然单个回路数据量较多，但进行合理分配后，对整个系统的实时性影响不大。一般回路对于整个系统的电能质量影响相对较小，所以采取分批定时读取的方式，错开系统资源利用高峰，分批定时进行数据读取，定时时间可根据回路性质和系统规模确定，可以提高系统的利用率；同时对于发生了故障的回路，可以进行召唤采集，在发生故障时实时采集其谐波数据，有助于分析故障原因。