（电气工程专业论文）沧州电网电能质量谐波监测系统的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 沧州电网处于河北南网的末端，系统相对较小，承受干扰性负荷的能力 较差。本文首先研究了沧州电网对电能质量的要求，并分析了谐波与负序对 沧州电网的影响。第二，建立输电线、变压器、并联补偿电容器等电力系统 元件在不对称情况下的谐波模型，可以计算电力系统元件在不同频率时的等 值电路参数。在上述基础上，系统地、定量地对沧州地区电网上的谐波分量 进行分析、计算，为电网谐波治理提供准确可靠数据。根据计算结果，对沧 州电网电能质量谐波监测系统进行研究，分析了运行中对电网产生的作用， 为沧州电网进行谐波全面治理打下了基础。 关键词：沧州电网，供电质量，扰动性负荷，谐波监测 a b s t r a c t i h ec a n g z h o ue l e c t r i c a ln e t w o r ki si ns o u t ho fh e b e in e tt e r m i n a l t h es y s t e mi s r e l a t i v e l ys m a l la n dt h ew i t h s t a n d i n gd i s t u r b a n c el o a d sa b i l i t yi sb a d i nt h i sp a p e r ， f i r s t l y ，i ts t u d i e st h ec a n g z h o ue l e c t r i c a ln e t w o r kt ot h ee l e c t r i c a le n e r g yq u a l i t y r e q u e s t ，a n dt h e ni ta n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h eh a r m o n i ca n dt h en e g a t i v es e q u e n c e t ot h ec a n g z h o ue l e c t r i c a ln e t w o r k s e c o n d l y ，i te s t a b l i s h e st h eh a r m o n i co ft h e e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mp a r t sa st h et r a n s m i s s i o nl i o n s ，t r a n s f o r m e r s ，c a p a c i t o r sa n d o t h e rc o m p e n s a t i o np a r a l l e lp o w e rs y s t e mc o m p o n e n t si na s y m m e t r i cc i r c u m s t a n c e s ， a n dt h ep o w e rs y s t e mc a nb ec a l c u l a t e di nd i f 佗r e n t f r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h e e q u i v a i e n t c i r c u i tp a r a m e t e r s o nt h a tb a s i s ，t h ep a p e ra n a l y s i st h eh a r m o n i c s c o m p o n e n ts y s t e m a t i c l y a n dq u a n t i t a t i v e l yi nc a n g z h o up o w e rn e t w o r k ，a l s oi t p r o v i d e sa c c u r a t ea n d r e l i a b l ed a t at ot h eh a r m o n i c sg r i dm a n a g e m e n t a c c o r d i n gt o t h er e s u l t s ，i tr e s e a r c h e st h ep o w e rq u a l i t yh a r m o n i c sm o n i t o r i n gs y s t e mo fc a n g z h o u a n da n a l y s i st h ef u n c t i o nw h i c hp r o d u c e st ot h ee l e c t r i c a ln e t w o r k ，s ot h a tc a r r i e do n t h eh a r m o n i c sc o m p r e h e n s i v eg o v e m m e n tf o rt h ec a n g z h o ue l e c t r i c a ln e t w o r kt o b u i l dt h ef o u n d a t i o n y a n gj u n s h e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s h ix i n c h u n k e yw o r d s ： c a n g z h o up o w e rg r i d ，p o w e rs u p p l yq u a l i t y p e n u r b a t i o nl o a d ， h a r m o n i c sm o n i t o r i n g 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 沧州电网处于河北南网的末端，系统相对较小，承受干扰性负荷的能力 较差。本文首先研究了沧州电网对电能质量的要求，并分析了谐波与负序对 沧州电网的影响。第二，建立输电线、变压器、并联补偿电容器等电力系统 元件在不对称情况下的谐波模型，可以计算电力系统元件在不同频率时的等 值电路参数。在上述基础上，系统地、定量地对沧州地区电网上的谐波分量 进行分析、计算，为电网谐波治理提供准确可靠数据。根据计算结果，对沧 州电网电能质量谐波监测系统进行研究，分析了运行中对电网产生的作用， 为沧州电网进行谐波全面治理打下了基础。 关键词：沧州电网，供电质量，扰动性负荷，谐波监测 a b s t r a c t i h ec a n g z h o ue l e c t r i c a ln e t w o r ki si ns o u t ho fh e b e in e tt e r m i n a l t h es y s t e mi s r e l a t i v e l ys m a l la n dt h ew i t h s t a n d i n gd i s t u r b a n c el o a d sa b i l i t yi sb a d i nt h i sp a p e r ， f i r s t l y ，i ts t u d i e st h ec a n g z h o ue l e c t r j c a ln e t w o r kt ot h ee l e c t r i c a le n e r g yq u a l i t y r e q u e s t ，a n dt h e ni ta n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h eh a r m o n i ca n d t h en e g a t i v es e q u e n c e t ot h ec a n g z h o ue l e c t r i c a ln e t w o r k s e c o n d l y ，i te s t a b l i s h e st h eh a r m o n i co ft h e e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mp a r t sa st h et r a n s m i s s i o nl i o n s ，t r a n s f o r m e r s ，c a p a c i t o r sa n d o t h e rc o m p e n s a t i o np a r a l l e lp o w e rs y s t e mc o m p o n e n t si na s y m m e t r i cc i r c u m s t a n c e s ， a n dt h ep o w e rs y s t e mc a nb ec a l c u l a t e di nd i f 佗r e n tf r e q u e n c yc o m p o n e n t so ft h e e q u i v a l e n t c i r c u i tp a r a m e t e r s o nt h a t b a s i s ， t h ep a p e ra n a l y s i st h eh a r m o n i c s c o m p o n e n ts y s t e m a t i c l y a n dq u a n t i t a t i v e l yi nc a n g z h o up o w e rn e t w o r k ，a l s oi t p r o v i d e sa c c u r a t ea n dr e l i a b l ed a t at ot h eh a r m o n i c sg r i dm a n a g e m e n t a c c o r d i n gt o t h er e s u l t s ，i tr e s e a r c h e st h ep o w e rq u a l i t yh a r m o n i c sm o n i t o r i n gs y s t e mo fc a n g z h o u a n da n a l y s i st h ef u n c t i o nw h i c hp r o d u c e st ot h ee l e c t r i c a ln e t w o r k ，s ot h a tc a r r i e do n t h eh a r m o n i c sc o m p r e h e n s i v eg o v e m m e n tf o rt h ec a n g z h o ue l e c t r i c a ln e t w o r kt o b u i l dt h ef o u n d a t i o n y a n gj u n s h e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s h ix i n c h u n k e yw o r d s ： c a n g z h o up o w e rg r i d ，p o w e rs u p p l yq u a l i t y p e n u r b a t i o nl o a d ， h a r m o n i c sm o n i t o r i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文沧州电网电能质量谐波监测系统的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盖鱼至丝 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：粕至蜒 日 期：3 监：l 导师签名： 日 期： 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的提出 随着电力电子技术的发展，大量非线性负荷接入电力系统，造成电力系统谐波 污染。炼钢厂、电气化铁路、电弧炉、变频调速装置等用电负载都是非线性负载， 是严重的谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电 网电源的波形畸变，增加谐波成份，危害电网的安全运行。 沧州电网位于河北南部电网东部末端，系统相对较小，承受干扰性负荷的能力 较差。最高电压等级为5 0 0 k v ，最大网供负荷1 8 0 0 m w 。5 0 0 k v 线路4 回，5 0 0 k v 降压 变电站2 座，5 0 0 k v 主变3 台，容量为2 2 5 0 m v a 。2 2 0 k v 线路3 9 回，2 2 0 k v 降压变电 站1 4 座，2 2 0 k v 主变2 8 台，容量为3 9 6 0 m v a 。1 1 0 k v 变电站7 2 座( 公司属1 1 0 k v 变电站5 3 座) ，1 1 0 k v 主变1 4 6 台，总容量为4 4 8 0 1 m v a 。电厂2 座，8 台发电机装 机容量为：6 0 0 + 9 8 m w 。四个企业自备小火电7 台发电机，总装机容量为：3 9 8 m w 。 沧州地区境内有多条电气化铁路通过，有5 座牵引变电站，牵引变总容量达 2 1 2 m v a 。沧州又有觉道庄钢厂、东山钢厂等几座较大型炼钢企业。这些用电负载 都会产生大量谐波，造成电力网谐波污染，影响电能质量。谐波源已对沧州电网安 全构成很大威胁，为了有效地治理谐波，必须进行谐波监测，弄清电网中的谐波源 分布和谐波状态。正确地定位谐波源，并定量估计综合负荷中线性和非线性部分所 占比重，找到电能质量扰动的扰动源，才能准确地分析谐波在电网中的分布和扩散， 并设计安装相应的滤波装置来治理谐波，从而降低谐波污染。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国内谐波工作的发展及现状 大量谐波源向电网注入高次谐波电流并引起电压畸变，其对电力系统的安全运 行和经济运行影响很大。许多国家和国际组织都制定相应的谐波标准来限制注入系 统的谐波电流，保证电网电压波形在规定的畸变值内。谐波”污染”是目前电力系统 存在的最普遍、影响最大的电能质量指标。对于电力系统谐波”污染”的认识始于 1 9 2 0 1 9 3 0 年，问题出自于德国对当时的静态整流器产生的波形畸变的探讨。到本 世纪五、六十年代，随着高压直流输电技术的发展，西方工业化国家对此进行了全 面而深入的研究，但是直到七十年代以来出现的两种情况才促使了世界各国对谐波 问题的广泛重视，并引起了谐波理论方面的重大发展：一是大功率可控硅整流装置 及新型的电力电子器件的开发与实际应用使公用电网的波形产生严重畸变，影响到 华北电力大学工程硕士学位论文 电网的安全可靠运行；二是公用供电系统的谐波引起工业生产电子控制装置的失灵， 使重要的生产过程中断，经济损失巨大。于是人们提出在用电设备投运前以及在制 定电网扩建计划时就考虑谐波的因素并采取必要的措施，但是由于没有足够的电网 背景谐波原始数据使得这一提议很难实现。目前国际电工委员会( i e c ) 和国际电 气与电子工程师协会( i e e e ) 都成立了相关的机构。i e e e 每两年召开一次电力谐 波国际学术会议( i c h p s ) ，1 9 9 6 年在第七次会议上又将其更名为电力谐波与电能 质量学术会( i c h q p ) 。 在国内，八十年代初，石太电气化铁道的运行以及葛州坝一上海5 0 0 k v 直流 输电工程的实施，掀开了中国电力谐波研究的新篇章，并制定了相关的法规条例； 1 9 8 4 年，原水利电力部颁发了s d l 2 6 8 4 谐波管理暂行办法，该条例在当时得到了 强有力的执行；1 9 9 3 年国家技术监督局正式颁发了电能质量公用电网谐波国 家标准，使得谐波综合治理工作走向法规化道路。 随着大规模电力电子技术的应用以及工业非线性负荷的迅速增加，谐波问题的 研究表现的更加重要。“九五期间谐波问题的研究被列入国家自然科学的资助项 目。2 0 0 0 年3 月，国家自然科学基金委员会在西安交通大学组织召开了“电力电子 技术及电力谐波问题研讨会”；2 0 0 1 年4 月中国电力企业联合会在北京怀柔举办 现代电力电子技术应用及电能质量研讨会”。2 0 0 2 年北京电力情报网将谐波列为首 要课题进行研究，现代电能质量问题已经并逐步成为电力系统运行过程中的一个突 出问题。 1 2 2 国外发达国家谐波研究进展 早在1 9 9 3 年至1 9 9 5 年，美国电力研究院e p r i ( t h ee 1 e c t r i cp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e ) 做了一个课题，针对全美2 4 种不同供电企业的2 7 7 个监测点进行了数据 和统计分析，研究系统性能如何监测，特殊的电能质量问题如何监测、为提高供电 的服务质量如何监测等等，这个研究成果成为美国开展电能质量监测的指导方针， 随后，e p r j 又针对不同的数据采集源研究制定电能质量数据交换格式p q d i f ，该 格式被i e e e 采纳并将其作为标准来制定，目前，某些制造厂家已采用了这种p q d i f 标准格式，据介绍，基于w e b 网络技术的在线监测系统有成功的实例( 例如应用 于美国著名的电力公司t v a - t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r l t y 的s i g n a t u r es y s t e m t m ) ，并 且各方人士开始积极探索和应用如何通过电能质量的在线监测对电力设备的预防性 维护提供一些有用的建议等等，换句话说，就是要建立更高一级的在线监测应用系 统，目前美国的e l e c t r o t e kc o n c e p t s 公司正在这方面进行尝试。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 相对于国外而言，国内的电能质量网络化工作尚数起步阶段，为适应未来网络 化监控的需求，电能质量监测网络的实施势在必行。 1 3 本文主要工作 针对沧州电网运行的模式，结合本地区谐波源的特点，实现对电网谐波污 染的有效监测，为电网电能质量谐波综合治理提供可靠的数据。本文主要工作 如下： ( 1 ) 根据沧州地区电网谐波的特点和危害制定电网电能质量谐波监测系统 的整体功能，制定课题方案。 ( 2 ) 进行各方面调研，查阅相关资料，了解沧州供电系统谐波的特点，建 立谐波源模型： ( 3 ) 建立输电线、变压器、并联补偿电容器等电力系统元件的三相谐波模型， 使之适应不对称谐波计算的需要； ( 4 ) 对沧州电网谐波监测系统进行论述、分析。 ( 5 ) 对沧州电网谐波监测系统的运行效果进行分析。 第二章沧州电网电能质量要求 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 沧州电网电能质量管理内容 按照安全生产为主，预防和治理相结合的原则，加强电能质量监督管理工 作，按照电能质量的标准，严格控制新建和扩建的谐波源注入电网的谐波和负 序分量，并对原有超标的污染源，要求用户限期采取措施，以使其符合电能质 量国家标准。 2 1 1 现有非线性、不对称、冲击性负荷用户的管理 对现有非线性、不对称、冲击性负荷用户要建立用户谐波技术档案，装设 谐波在线监测装置进行监测。对短时内谐波超过标准的用户，应安装谐波保护； 对长时间谐波超过标准的用户，在安装谐波保护的同时，还应安装滤波装置。 用户谐波技术档案应包括以下内容： ( 1 ) 非线性负荷的用户： 设备型式、容量； 设备接线方式、控制方式和脉冲数； 该设备由理论( 或经验公式) 计算产生的各次( 2 一1 9 次) 谐波电流的最大 有效值； 是否安装电容器组或滤波器，安装地点和参数。 ( 2 ) 不对称负荷用户： 设备型式、容量； 设备产生的基波负序最大电流； 对兼有非线性性质的负荷同时要提供产生各次( 2 一1 9 次) 谐波电流的最大 有效值； 解决不对称的措施和限制谐波的措施及参数。 ( 3 ) 冲击性负荷的用户： 设备型式、容量； 冲击电流最大值，持续时间及两次之间的时间间隔； 根据设备接入点电网的短路容量，计算所造成的电压波动和闪变； 对冲击电流持续时间大于2 秒，两次冲击时间小于3 0 秒的设备要提供各次 ( 2 1 9 次) 谐波电流的最大值； 对所要安装的电容器组、滤波器或静补装置，要提供具体参数和运行方式。 2 1 2 新报装非线性、不对称、冲击性负荷的管理 4 华北电力大学工程硕士学位论文 对新报装用户从报装起就要进行谐波、负序、闪变的管理，用户必须向监 测中心( 站) 提供2 1 1 中( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 所要求的资料。新报装用户必须向 供电部门提出谐波电压电流、电压闪变、负序等计算( 包括滤波器及治理负序 和闪变的设计) 结果，并经监测中心( 站) 按有关标准核算认可作为提出供电 方案的条件之一，对超过标准的用户在设计中必须增加滤波器等治理方案的设 计( 并应由监测中心( 站) 审查认可) ，否则不能提出供电方案。在预测计算中 不超标的用户，接电后要进行测试，超标者要限期采取措施。对预测计算中超 标或接近超标的用户要安装电能质量在线监测和保护装置。 2 2 电网测试数据及分析的基本要求 2 2 1 测试数据整理汇总后一般应提供 ( 1 ) 各监测点2 1 9 次谐波电压( 包括总畸变率) 9 5 概率值( 选取总畸变率 最大的一相值，下同) 。 ( 2 ) 各监测点负序分量的最大值和9 5 概率值、不对称的9 5 概率值。 ( 3 ) 大谐波源用户主要谐波电流的9 5 概率值。 ( 4 ) 谐波、负序、闪变超标一览表。 ( 5 ) 谐波电流超标一览表。 2 2 2 谐波分析报告应包括的主要内容 ( 1 ) 电网概况及总谐波水平评价。 ( 2 ) 主要谐波源情况及近期发展。 ( 3 ) 无功补偿装置( 或滤波器组) 及对谐波的影响。 ( 4 ) 谐波异常或事故的分析。 ( 5 ) 电网中的谐振因素。 ( 6 ) 新的谐波源设备投入后谐波水平的预测。 ( 7 ) 建议和对策。 2 2 3 负序谐波分析报告应包括的主要内容 ( 1 ) 电网概况及总谐波水平评价。 ( 2 ) 主要不对称负荷情况及近期规划中的不对称负荷。 ( 3 ) 负荷谐波异常及事故的分析。 ( 4 ) 电网中造成负序的各种不同因素。 ( 5 ) 新的负序源投入后对电网造成的影响。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 6 ) 建议和对策。 2 3 沧州电网电能质量管理引用的标准 ( 1 ) 中华人民共和国电力法 ( 2 ) 供电营业规则 ( 3 ) 供用电监督管理办法 ( 4 ) 电网电能质量技术监督管理规定 ( 5 ) 电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ( 6 ) 电能质量电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 ) ( 7 ) 电能质量供电电压允许偏差( g b l 2 3 2 5 9 0 ) ( 8 ) 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 6 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章电力系统元件的三相谐波模型 3 1 输电线模型 建立输电线路模型要考虑线路的长度和谐波次数，本文介绍最适合沧州电 网输电线路性质的三相型集中参数的等值电路，如图3 1 所示。 a b o 5 c r 越k 图3 1输电线三相型集中参数等值电路 图中r 。表示a 相电阻，l 。表示a 相电感，l 。表示a 、b 相耦合电感，c 。表 示a 、b 相耦合电容，c 。表示a 相对地电容，图中其它参数意义类似。 如果用阻抗矩阵和导纳矩阵来表示图3 1 中的参数，则输电线的等值电路也可 以表示成图3 2 的形式。可见，输电线的三相等值电路在形式上和单相是一样的， 只不过这时候的阻抗和导纳不是单个元素，而是3 x 3 阶矩阵的形式。 在谐波情况下，输电线电感不发生变化，因而其谐波电抗与谐波次数成正 比，而输电线谐波电阻则由于集肤效应的存在与谐波次数成某种特定关系。工 程中输电线的单位长度谐波阻抗按下式计算n 1 乙l = 如l + 风l = ( o 2 8 8 曷+ o 1 3 8 厢) + 心 ( 3 1 ) 式中 乙l 一一输电线每公里办次谐波阻抗； 心l 一一输电线每公里办次谐波电阻； 托l 一输电线每公里历次谐波阻抗； 置一一输电线每公里基波电阻； 五一一输电线每公里基波电抗。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 输电线每公里的基波电阻和基波电抗可以根据输电线的导线型号从有关手 册中查到。 图3 2三相输电线矩阵形式等值电路 上面介绍的三相兀型集中参数的等值电路适用于输电线路的实际长度与谐 波次数的乘积小于3 0 0 公里，当输电线路的实际长度与谐波次数的乘积大于3 0 0 公里时，则必须考虑输电线的分布参数特性，以避免过大的误差或谐波传输特 性的改变。考虑输电线的分布参数特性有两种方法，一种是采用双曲函数计算 分布参数，另一种是采用输电线分段的方法，使分段后的输电线实际长度与谐 波次数的乘积不大于3 0 0 公里。第一种方法比较精确，但对于三相输电线，需 要采用模量分析法计算矩阵指数，计算量比较大。第二种方法比较简单，计算 精度一般也能够满足工程计算的需要，为此，本文采用了第二种方法。 由于输电线分布电容的影响，在谐波情况下，当输电线的距离较长时，其 阻抗频率特性与短距离输电线有明显的不同。例如，图3 3 为一条2 5 公里长的 2 2 0 k v 输电线( 水平架设) 的阻抗频率特性，其特点是频率越高，输电线阻抗越 大，而且三相阻抗在中低频段几乎完全一样，只是在高频段有不大的差别，说 明输电线分布电容的影响较小。图3 4 为一条8 0 公里长的2 2 0 k v 输电线( 水平 架设) 的阻抗频率特性，其特点是输电线阻抗与频率呈现周期性的关系，而且 8 华北电力大学工程硕士学位论文 在中频段以后，b 相阻抗与a 、c 相阻抗有明显的差别，说明输电线分布电容的 影响较比较大，而且三相输电线几何上的不对称引起的参数差别也表现出来了。 阻 抗 幅 值 阻 抗 幅 疽 输电线阻抗频率特性曲线 2 5 。4 s o6 5 08 s 0 l 咖1 2 5 0l 蜘1 6 s 01 衢02 0 5 0 忆 图3 3短距离输电线阻抗频率特性曲线 输电线阻抗频率特性曲线 tl 5 02 5 04 5 0 6 5 08 s 0l o s 01 2 5 01 4 5 01 6 5 01 8 5 02 0 5 0 h z 图3 4长距离输电线阻抗频率特性曲线 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 变压器模型 变压器模型于谐波次数有关，当谐波次数不是很高时，比如小于5 0 次，变 压器的匝问电容和对地电容可以忽略，如果再忽略变压器的励磁支路，则变压 器每相的谐波等值电路可以用r x 串联支路来表示。其中变压器电抗的处理与 输电线一样，而变压器绕组电阻的处理则与输电线不同。一般变压器的谐波阻 抗可按下式计算 z 豫= 月南+ x = 办局+ 鹏l ( 3 2 ) 式中 砀一一变压器 次谐波阻抗； 一一变压器办次谐波电阻； 如一一变压器厅次谐波电抗； 岛1 一一变压器基波电阻； 坼，一一变压基波电抗。 变压器的基波电阻和基波电抗可以按常规方法，根据其短路损耗和短路电 压计算出来。 当计算电网三相的谐波潮流时，变压器的三相谐波等值参数根据其正、负、 零三序参数计算。如果用下标“1 表示变压器原边，下标“2 表示变压器副 边，并用下标“( 1 ) 表示正序，下标“( 2 ) 表示负序、下标“( o ) ”表示零序， 并把变压器看成一个二端口网络，则变压器的以导纳形式表示的变压器三相诣 波参数如下： 1 ) oo 五l2 r l 暑 m 苫y ，：。，| 丁- 1 k 2 = r m 喜n y - ；扪 m三。，丁-l 匕，= y 等。蒜2 ，量。， 丁1 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 砭2 ：丁y 苔n y 三：， 三 丁一。 l oo j ，2 2 ( o ) j ( 3 6 ) 式中t 一一对称分量变换矩阵。 可见，变压器的三相等值参数可由其三序等值参数决定。对于不同联接组 别和中性点接地方式的变压器，它们的三序参数有所不同，则变压器的三相参 数也就有所区别。例如，对于y y 接线的变压器，不存在零序通路，其零序互 阻抗为无穷大或零序互导纳为o ，则只要令( 3 4 ) 和( 3 5 ) 中的m 2 ( o ) 和沈l ( o ) 为 0 即可。 对于三绕组变压器，其三相等值模型中参数的求取方法与双绕组变压器类 似。从三绕组变压器的序网络来看，可以有星形和三角形两种等值电路，与此 相应，三绕组变压器的三相等值模型也有两种。为了减少系统的节点数，本文 采用的是三角形等值电路。 3 3 并联补偿电容器( 滤波器) 、负荷与系统等值 3 3 1并联补偿电容器 为提高功率因数和维持电压，电力系统中安装了大量并联补偿电容器，由 于电容器的阻抗频率特性与电感正好相反，必须充分考虑它们对系统阻抗的影 响。另外，电力系统中的并联补偿电容器一般都串联电抗器，一方面抑制电容 器合闸时的涌流，另一方面也可以近似组成某一次谐波的滤波器，从而起到滤 除系统部分谐波的功能。并联补偿电容器结构如图3 4 所示。 系统 图3 4并联补偿电容器结构示意图 华北电力大学工程硕士学位论文 电容器的大小一般用容量来表示，如果三相补偿容量为q 。，电容器的额定 电压为u 。n ，则谐波情况下电容器容抗为 置= 去= 鲁 ( 3 7 ) 并联补偿电容器所串联电抗的大小一般以电抗器电抗与电容器容抗的比值 百分数，即电抗率来表示。如果电抗率用x l 表示，则在谐波情况下，电抗器的 电抗为 邑= t 托= 丝皆 由于电容器的容抗与电抗器电抗相反，则并联补偿电容器的阻抗为 ( 3 8 ) x 啦一以= 学一鬻 仔9 ， 由于电容器与电抗器频率特性的差异，使得并联补偿电容器阻抗频率特性变 得在某一频率下可以呈现很低的阻抗。 3 3 2 负荷 负荷的谐波阻抗要根据实际情况确定，电网的结构不同，负荷的谐波阻抗也 不同，要想精确模拟负荷的谐波阻非常困难，但由于一般来说负荷的谐波阻抗 比线路谐波阻抗和系统谐波阻抗要大得多，谐波源的谐波电流主要是在电网内 流通，只有一部分谐波电流被负荷吸收。所以，采用粗略的负荷模拟是可行的， 它不会从根本上影响谐波的计算结果。 本文采用电阻、电抗并联支路来模拟负荷，如图3 6 所示。图中r 卟为负荷 的谐波电阻，x 为负荷的谐波电抗，它们按下列公式计算 ；譬 ( 3 - 1 0 ) 如硼苦 ( 3 _ 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 x l h 图3 6负荷谐波等值电路 式中u 一一负荷节点电压； 户一一负荷有功功率； q 一一负荷无功功率。 当负荷中含有并联补偿电容时，由于电容与电感的谐波阻抗特性相反，应 把电容器支路单独并联在负荷节点。另外，对于三相谐波潮流计算，每一相负 荷均可按上述方法处理。 3 3 3 系统等值 计算电网谐波时，要对系统进行等值处理，一般可按串联谐波阻抗对系统 进行等值，如图3 7 所示 氏 电网 图3 7电力系统等值电路 系统等值谐波电阻和电抗有三种确定方法： 。 ( 1 ) 通过实测确定； ( 2 ) 通过对系统进行谐波阻抗计算确定； ( 3 ) 根据短路容量确定。 一般来说，通过实测或对系统进行谐波阻抗计算可以获得较为准确的系统 等值谐波阻抗，但受条件限制有时难以获得。根据短路容量进行计算简单易行， 是电网谐波计算较常采用的方法，本文也采用这种方法。 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章沧州电网谐波监测系统的研究 4 1 沧州电网谐波监测系统设计总体思路 4 1 1 设计目标 经过对沧州供电公司电能质量管理和部分谐波监测生产厂家长时间的调 研，并对沧州电网进行系统分析研究，确定了沧州电网谐波监测系统要实现的 总体目标。 ( 1 ) 系统目标 以实用性、先进性、可靠性和可扩充性为原则，沧州电网谐波监测系统应 是一套具有管理先进、技术超前的电能质量实时监测系统，它的具体内容包括： 将电能质量的在线监测与电能质量的技术监督有机结合起来，及时发现和 消除电网中的薄弱环节，并给电力营销提供管理依据，加强电网电能质量的管 理与监控，进而使全市的电网电能质量的监测与管理功能在统一的计算机网络 程序中规范运转。整个应用范围涵盖从市局到各个变电站及相关用户等。 建立电能质量数据中心，向社会提供电网电能质量指标，客户可以随时查 询某地区、某电压等级的电能质量指标、发展趋势等。 在沧州市范围内建立联网( i n t r a n e t ) ，在电能质量数据中心的基础上，建立 面向管理层的综合信息查询系统。同时建立全市范围内的电能质量报表自动报 送和汇总系统，提高工作效率。 建立供电企业内部的查询系统，通过因特网查询各种数据和报表，了解电 网的运行状况。 ( 2 ) 系统拟完成以下主要功能： 数据采集功能 针对不同的监测点，采用统一的电能质量存储格式，使管理系统建立在统 一的数据平台上。 可实现定时传输或召唤传输功能，可远方设置监测参数及其限制。 可灵活增加电能质量相关指标( 仪器升级时考虑) ，电能质量监测点，可手 工录入数据。 综合查询功能 在全市构建电能质量数据中心，并在此基础上建立面向管理层的综合信息 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 查询系统，建立全市范围内的电能质量自动报送系统，提高工作效率。通过因 特网向社会提供电能质量相关咨讯( 需连接i n t e r n e t ，远期目标) ，提高人们 对电能质量的认识，树立企业形象，向供电企业内部提供电能质量各种数据和 报表，使有关人员了解电网的运行状况。 采用i e 浏览器模式的查询界面，各级电能质量人员可以很容易地进入与他 们相关的监测点查看电能质量数据。 数据分析功能 近期目标：建立监测网络数据库以及基于国标的规则库，根据不同的电能 质量指标进行相应的统计分析，每种分析结果可形成报表或图形，可打印。包 括对每个监测点不同时段内电能指标进行统计分析、趋势分析等。 远期目标：逐步建立知识库，形成专家系统，输出电能质量评估报告，可 给电力部门签订供用电协议时提供电能质量方面的参考资料，可给状态检修系 统提供相关运行数据，为运行设备的诊断和维修提供更全面的资讯。在知识库 有一定的积累后，通过专家系统进行对象的全局仿真分析，对电能质量可能造 成的危害及其影响范围和影响程度、提出相应的策略，进而实现从电能质量发 生危害而采取应急措施的被动模式，到预测电能质量危害而采取积极措施的主 动模式的转变。 维护子系统功能 用户管理员可以方便的对用户进行授权和其他安全控制，提供标准格式的 报表，相关工作人员可以根据需要定制各种报表。 ( 3 ) 电能指标运行合格率 运行合格率计算办法按电力工业部颁发的电网电能质量技术监督管理规 定执行，应满足下列标准： 连续运行统计期( 年、季、月) 内电网频率合格率应不低于9 9 5 。 连续运行统计期( 年、季、月) 内电网电压合格率应不低于下列值： 专线和1 0 k v 及以上用户受端电压的电压合格率：9 8 。 3 8 0 ( 2 2 0 ) v 用户受电端电压合格率应不低于9 5 。 电压波动与闪变合格率应不低于：9 9 。 三相电压不平衡度合格率不低于：9 8 。 电压正弦波畸变合格率不低于9 8 。 ( 4 ) 监测点分布规划 华北电力大学工程硕士学位论文 监测点的选择分布依据遵循电网的发展趋势，分布实施。 试点：选择一些典型的变电所布置监测点，积累运行经验。( 主要考虑计算 机网络条件和电网污染程度等) 近期：为电网、机组、设备的安全运行提供更多资讯，从这个观点出发， 选择一些枢纽变电站进行监测。同时，可为状态检修系统提供一些运行参数， 有助于其对设备运行问题的分析研究。相应的，电网中的正常操作对设备的影 响可做一些相关的分析。 远期：各供电点布置监测，为电力营销系统及特殊用户的供用电协议签订 提供依据。 4 1 2 系统概述 随着人们对电能质量的进一步认识，国内、国际上也在进一步研究更便于 数据分析管理的网络型监测模式。网络技术的发展也使这种模式成为可能，而 采用i e 浏览器作为用户终端，则使用户界面更加友好，便于用户操作管理，更 加人性化，是未来电能质量监测系统的首选模式。国际、国内也有一些科研机 构及电能质量开发公司着手进行此项研究。 沧州电网谐波监测系统放眼国际先进管理模式，采用典型的三级分布式网 络结构，利用现有局域网实现数据共享。所有局域网内的用户均可根据自己的 权限查看数据。系统还提供专职人员学习、交流的场所。 4 1 3 系统特点 ( 1 ) 体现b s 架构的优势 以前，电能质量监测一般都是c s 模式，在这种模式下，每一台监测的计算机必 须要安装客户端应用软件，这在目前谐波监测范围不断扩大、监测水平不断提高、 数据来源越来越广的今天，显然是不适用的。而对于基于w e b 的m i s 系统则没有这 些麻烦。有关人员可以在本电力系统的内任意可联网的地方对仪器进行监控，无需 安装软件，只使用浏览器，就好像在自己的办公室上网一样。这样，数据监测的范 围从原先有限的办公室空间扩展到无限的m i s 网活动空间，如果将产品部署到 i n t e r n e t 上，采用先进的v p n ( 虚拟专用通道) 技术更是可以延申到无限的空间中。 ( 2 ) 三层结构的简单描述及优点 三层体系结构，即用户层、应用层和数据库服务器。用户层主要指用户界面， 它要求尽可能的简单，使最终用户不需要进行任何培训就能方便地访问信息；第二 层就是应用服务器，也就是常说的中间件，所有的应用系统、应用逻辑、控制都在 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 这一层，系统的复杂性也主要体现在应用层；最后的数据库服务器存储大量的数据 信息和数据逻辑，所有与数据有关的安全、完整性控制、数据的一致性、并发操作 等都是在第三层完成。 ( 3 ) 安全的权限设置 利用权限指派，可以避免系统中的数据错误操作或丢失。例如，一般人员只能 查看各站点仪器的参数设定，而不能修改设定；而拥有系统设备管理权限的管理员 可以查看和修改仪器的参数设定；对于领导，则可以对整个网络的运行有一个整体 的掌握。 ( 4 ) 升级便利 同时，对现有传统m i s 系统的更新和升级是非常麻烦的。随着网络规模的扩大， 不可避免地需要更多更先进的功能，如果希望对已经使用的m i s 系统升级，又是一 笔开支，导致分布在不同位置的用户不能及时获得最新的功能。利用基于w e b 的谐 波监测系统，只需在网络上一次升级，即可实现对所有用户的升级，达到功能扩展 的目的。 4 2 沧州电网谐波监测系统结构设计 4 2 1 系统组成 本系统由数据服务器、w e b 服务器和监测仪器组成，配合强大的数据分析软件。 系统最大程度地实现信息的集成和资源的共享，通过本系统的实施，能自动采集各 监测点的电能质量历史数据和实时数据，通过w e b 服务器，本系统内的各工作站可 以查看各监测点的历史数据和实时数据，并可以对历史数据进行分析，实现各监测 点的统一管理、统一调度。 数据服务器采用w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 操作系统，数据库使用s q ls e r v e r2 0 0 0 简体中文企业版。数据服务器是电能质量监测系统的核心部分之一，它负责每天定 时采集各监测点的历史数据和实时数据，并将采集来的数据保存在数据库中以供分 析。数据服务器采用双硬盘配置并互为镜像，将采集的数据同时存入两个数据库， 更有效地防止数据丢失。 w e b 服务器w e b 服务器提供局域网的各用户对w e b 服务器的访问，实时查看 各站点数据、波形、频谱，并且提供对数据服务器的历史数据进行统计分析、对各 站点的管理以及网站的管理。 站点仪器( 电能质量监测仪) 仪器采用全工控设计，测量功能强大，测量精确， 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 适于长期挂网运行。该仪器同时具备r j 4 5 网络接口和r s 2 3 2 、4 8 5 接口，可根据现 场通讯情况方便地选择局域网络或电话网进行数据远传，从而最大限度地利用现有 资源，减少过度阶段的设备投资。 中间件的设置，中间件处于三层体系结构的第二层，就是应用服务器，也就是 常说的中间件，所有的应用系统、应用逻辑、控制都在这一层，系统的复杂性也主 要体现在应用层；中间件的应用使系统在扩充多服务器时达到数据流量的平衡均载， 更高效发挥系统的性能。 软件部分由下列模块组成： d z 一3 数据通讯软件 数据分析软件 电能质量报表软件 越限图表软件 文件发送、接收软件 4 2 2 系统功能 4 2 2 1 系统硬件功能： 可测量三相电压、三相电流的谐波、序分量、电压变动和闪变、电压偏差、 功率因数、有功、无功、频率。并满足( g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波； g b t1 5 5 4 3 9 5 电能质量三相电压不平衡度；g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压允许 波动和闪变；g b t1 5 9 4 5 9 5 电能质量电力系统频率偏差；g b l 2 3 2 5 9 0 电能质 量供电电压允许偏差。) 标准精度要求。 所有监测内容均可由现场监测装置液晶屏上显示读出。 实时