（电气工程专业论文）奥运电能质量在线监测系统的建设与应用.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文奥运电能质量在线监测 系统的建设与应用，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，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：e l 期：塑丝：! ! ! ! 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) 导师签名： 摘要 对电能质量监测系统技术进行了研究与论证，对比分析了现有电能质量监测方 法的不足和在线监测方法的先进性。从电能质量在线监测系统的系统结构、数据结 构、监测内容、分析平台等多方面进行了全面的解析。针对奥运重要电力用户和供 电变电站，建立具有网络化、信息化和标准化特点的电网电能质量监测系统，建立 统一的、开放的监控和管理基础平台，实现对电网电能质量指标的全天候监控，形 成一个高效率的电能质量管理体系。通过电能质量在线监测系统的应用，展望其带 来的生产效益和社会经济效益。 关键词：电能质量；在线监测 a b s t r a c t t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o rs y s t e mt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d ；t h ee x i s t i n gp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g m e t h o da n dt h eo nl i n em o n i t o r i n gm e t h o da r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e d t h es y s t e ms t r u c t u r e ，d a t a s t r u c t u r e ，m o n i t o r i n gc o n t e n t sa n da n a l y z i n gp l a t f o r me t e o ft h ep o w e rq u a l i t yo nl i n em o n i t o r s y s t e ma r e f u l l ya n a l y z e d f o rt h eo l y m p i ci m p o r t a n tp o w e rc u s t o m e ra n ds u b s t a t i o n s ，o n e n e t w o r k i n g ，i n f o r m a t i o n ，a n ds t a n d a r dg r i dp o w e rq u a l i t ym o n i t o rs y s t e mi sb u i l t ，w h i c hh a su n i f o r m a n do p e n i n gm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tp l a t f o r m t h es y s t e mi sah i g he f f i c i e n c yp o w e rq u a l i t y m a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c hc a na l l - w h e t h e rm o n i t o rt h eg r i dp o w e rq u a l i t yi n d i c a t o r t h ea p p l i c a t i o n o fp o w e rq u a l i t yo nl i n em o n i t o rs y s t e mc a nb r i n gm a n u f a c t u r eb e n e f i ta n ds o c i a le c o n o m i cb e n e f i t g u iy a hf e n g ( p o w e rs y s t e m s a u t o m a t i o n ) k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ：o nl i n em o n i t o r d i r e c t e db yp r o f y a n gj i n g y a n 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 1 第一章概述1 1 1 建立奥运电能质量在线监测系统目的和意义1 1 2 电能质量是生产生活中非常重要的指标1 1 3 研究内容及思路2 第二章电能质量综述4 2 1 电能质量的指标和标准4 2 2 电能质量测试数据4 2 3 电能质量的干扰性负荷7 2 4 电能质量敏感性负荷7 2 5 电能质量污染对电力系统的危害和影响8 2 6 电能质量的测量及监测9 2 6 1 测量方法9 2 6 2 安全事项1 0 2 7 电能质量的检测和监测1 0 2 7 1 定期巡检1 0 2 7 2 专项检测1 0 2 7 3 在线监测1 0 2 8 监测点的设置方法1 1 2 9 电能质量的现状1 l 第三章电网电能质量问题的产生13 3 1 发电源质量不高产生问题1 3 3 2 输配电系统产生问题1 3 3 3 用电设备产生的问题1 3 3 4 低压电网的电能质量问题1 4 3 5 电能质量问题对电力系统的危害1 4 3 5 1 对供配电线路的危害1 4 3 5 2 对电力设备的危害1 4 3 5 3 对用电设备的危害1 4 3 6 电能质量的控制与治理1 5 3 7 重要活动保电中电能质量控制策略1 7 第四章电能质量在线监测系统研究内容2 0 4 1 电能质量问题是奥运供电系统的重点2 0 4 2 传统电能质量监测方法的不足2 l 4 3 在线监测系统的特点2 1 4 4 基于w e b 的电能质量监测与诊断分析系统2 2 4 4 1 系统总体结构2 2 4 4 2 硬件体系结构2 3 4 4 3 软件体系结构2 4 4 4 4 系统的数据发布与显示2 4 4 4 5p q d if 实现的设计2 4 4 4 6 电能质量的综合评估2 5 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 4 7 电压暂降现象记录及监测数据评估2 5 4 5 系统实施方案2 5 4 5 1 系统组成2 5 4 5 2 系统监测内容2 6 4 5 3 系统建设与实施2 7 4 5 4 系统功能规范2 7 4 5 5 系统兼容性2 8 4 5 6 系统遵循的标准2 8 第五章奥运电能质量在线监测系统建立与应用3 0 5 1 系统总体结构3 0 5 2 数据交换格式3 1 5 3 安装与通讯3 2 5 4 监测系统功能3 2 5 4 1 监测终端功能3 2 5 4 2 管理平台功能3 3 5 5 电能质量在线监测系统的实现与应用3 6 5 5 1 监测数据的测量方法3 6 5 5 2 监测数据的取值和精度3 8 5 5 3 系统应用3 8 5 6 奥运电能质量在线监测系统同常维护4 1 5 6 1 主站硬件工作要求4 1 5 6 2 数据存储、备份和恢复要求4 1 5 6 3 管理终端的维护要求4 1 5 6 4 变电站现场电能质量监测装置工作要求4 1 5 6 5 通讯设备工作要求4 1 第六章结论4 2 第一章概述 1 1 建立奥运电能质量在线监测系统目的和意义 二十世纪9 0 年代以来，国内外电力部门和电力用户对电能质量的关心程度与 日俱增。电能质量理论的研究、电能质量现象的分析、电能质量的测量、电能质量 的改善与控制等许多问题，近些年成为国际电工界关心的热点问题。电力系统中各 种扰动引起的电能质量问题又可分稳态和暂态两大类。稳念电能质量问题以波形畸 变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等；暂态电能质量问题通常 是以频谱和持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类，表现为瞬时电压上 升下降，出现瞬时谐波、振荡。 第2 9 届夏季奥林匹克运动会( 以下简称“奥运会”) 和第1 3 届夏季残疾人奥 林匹克运动会于2 0 0 8 年在北京举办。作为奥运会筹备工作和赛时保障的重要组成 部分，高可靠性、高质量的电力供应成为确保2 0 0 8 年奥运会成功举办的必要条件。 2 0 0 8 年奥运会正式比赛项目共设2 8 个大项，其中在北京举办2 6 项，共使用3 1 个 比赛场馆、4 5 个训练场馆。2 0 0 8 年残奥会正式比赛项目共设2 0 个大项，其中在北 京举办1 8 项，使用1 6 个奥运会场馆。除上述场馆以外，还有为数众多的签约饭店、 定点医疗单位，新闻媒体、电视转播、会议、交通、物流等直接为奥运会提供服务 的重要设施，这些数以百计的奥运相关重要场所分布在北京市的各个区县，确保这 些重要客户的安全供电是奥运电力保障的核心内容。奥运场馆、奥运转播机构以及 其他重要的奥运服务机构集信息化、网络化、高科技化为一体，对供电质量提出了 高要求。 1 2 电能质量是生产生活中非常重要的指标 电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。供电的可靠性对于工业生产 具有重大意义，比如一年中长于8 s 的停电对于美国硅谷的高新技术企业都是致命 打击，1 6 0 s 的停电造成的电压跌落会使处于生产周期中的硅芯片报废，l s 的停电 会造成电子商务上百万美元的损失心1 。电网谐波含量超标会影响电机的转速、力矩 和发热，使其寿命缩短、加大网损、增加系统发生谐波谐振的可能性从而使并联电 容器不能正常运行，同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表 指示和电能计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题。三相电压不平衡会引 起电机附加振动力矩和发热。额定转矩的电动机，如负序电压含量为4 ，由于附加 发热，其绝缘寿命缩短约一半。一些保护会因负序的干扰而发生非故障性动作，使 电网和用户均受重大损失旧1 。 电能质量工业园区对优质电能的需求尤其强烈。随着以计算机技术为代表的高 新技术的飞速发展，众多基于计算机、微处理器、电力电子元件的现代用电设备， 在普通的电能面前显得十分脆弱，对于电能质量的要求和敏感程度比一般的电力设 备要高得多。所以现代化生产设备高度密集的高新技术企业迫切需要提供优质的电 能。在已有的或拟建的高新科技产业密集区建设电能质量工业园则成了当务之急， 在用户与供电方订立供电合同的基础上，供电方确保园区内的电能质量达到用户要 求，用户则付以相应特殊的电费，电能质量工业园区能够在全电网电能质量污染得 不到迅速改善的情况下，满足高科技企业或其它对电能有特殊要求的用户对电能的 需求，又避免了为改善全电网电能质量而导致的大规模的资金和设备投入，针对性 强，并且便于对此类用户的电能质量集中治理，避免在分散治理过程中出现重复建 设，形成规模效益，同时后续管理和技术升级的成本也较低。对于现代化生产设备 ( 如数控机床、精密仪器、计算机控制系统和以微处理器、电力电子器件等为核心 的仪器、机械) 大量使用的高科技工业，由于电能质量因素可能导致其设备损坏， 生产成本增加，生产效率低下，产品质量缺陷或不合格，从而造成巨大的经济损失 和恶劣的社会影响。这就要求工业园区的供电方提供优质的电能。以下是电能质量 污染对一些在高科技领域中大量使用的敏感设备的影响：计算机当电压低于6 0 、 持续时间超过2 4 0 m s 时，计算工作受到影响，会造成数据丢设等情况，当供电中断 超过l o m s 就有可能引起计算机内部5 v p g 信号消失，从而导致运行程序破坏。可 编程控制器( p l c ) 当电压低于8 1 时，p l c 即停止工作。精密机械工具由机器人控 制对金属部件进行钻、切割等精密加工，为保证产品质量和安全，工作电压门槛值 一般设为9 0 ，当电压低于此值、持续时间超过2 个至3 个周期时，设备就会跳闸。 可以看出电能质量控制对工业园区能否正常运作起决定性作用h 1 。 1 3 研究内容及思路 针对奥运重要电力用户和供电变电站，建立具有网络化、信息化和标准化特点 的电网电能质量监测系统，建立统一的、开放的监控和管理基础平台，实现对电网 电能质量指标的全天候监控，形成一个高效率的电能质量管理体系。在奥运重要用 户和重点供电变电站安装电能质量在线监测仪，实时监测供电质量，包括电压、电 流、功率因数、谐波、闪变、三相电压不平衡、电压跌落及瞬态等。对监测点进行 高性能、高自动化的电能质量实时监控。建立统一数据管理和分析平台，建立定点、 定时、定量分析，分析处理监测数据，对监测的电能质量进行区域性评估以及超限 报警、事故记录和干扰源记录等，根据监测数据进行电能质量变化趋势分析。基于 统计监测数据，按国标以及相关标准制作电能质量评估报告和电能质量运行报告， 根据不同部门的要求，向不同部门领导发送报告。根据奥运重点电力用户电能质量 2 监测情况，为奥运电力用户提高其用电质量提供指导性建议，针对不同电能质量问 题和不同负荷对电力的需求，通过加装相应的电力电子装置，满足用户定制优质电 能质量的需求。 本文主要工作 1 ) 电能质量测试数据分析 将实际工作中测试得到的数据进行分类、分析，从中得出一些比较典型的负荷 类型曲线，能够反映典型负荷的电能质量特点，在一定程度上总结了规律。 2 ) 电能质量在线监测方法的评估 分析目前电能质量监测方面存在的不足，传统电能质量监测方法与在线监测方 法进行比较，得出电能质量在线监测方法的特点，对奥运电力系统中的电能质量问 题进行了分析研究。 3 ) 基于w e b 的电能质量监测与诊断分析系统的研究 分别从系统总体结构，硬件体系结构，软件体系结构，系统的数据发布与显示， p o d i f 实现的设计等几方面对基于w e b 的电能质量监测与诊断分析系统进行研究， 认清该系统的工作原理，部分组成，了解我们需要进行的工作，需要达到的目标。 4 ) 奥运电能质量监测系统的研究 在进行了大量的基础准备工作后，我们开始了奥运电能质量监测系统的分析研 究，在系统建立方面，分析了系统的总体结构，数据交换格式，系统的通讯方式， 系统的终端功能和管理平台功能。在系统的实现和应用方面，研究了监测数据的测 量方法，监测数据的取值精度，监测系统的日常应用。在系统的日常维护方面，总 结了主站硬件工作要求，数据储存、备份和恢复的要求，管理终端的维护要求，变 电站现场电能质量监测装置工作要求等。并在施工建设和运行维护中对研究的结果 进行验证补充和改进。 第二章电能质量综述 2 1 电能质量的指标和标准 为了确保电网的安全经济运行，并为广大客户提供合格的电能质量，国家及有 关主管部门相继颁发了一系列有关的标准和规定。目前，我国对电能质量制定的国 家标准有以下： 电能质量供电电压允许偏差 g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 8 电能质量电压波动和闪变g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 8 电能质量公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量三相电压允许不平衡度g b t 1 5 5 4 3 2 0 0 8 电能质量电力系统频率允许偏差g b t 1 5 9 4 5 2 0 0 8 电能质量暂时过电压和瞬态过电压 g b t 1 8 4 8 卜2 0 0 1 电能质量监测设备通用要求g b t 1 9 8 6 2 - - 2 0 0 5 2 2 电能质量测试数据 以下数据都是在实际工作中测试得到的，一些比较典型的负荷类型，测试环境 不能尽如人意，如果1 0 k v 侧不具备测试条件，就只能在0 4 k v 侧进行测试，这些 数据与l o k v 侧数据还是有一定的偏差的，特别是变压器通常为d y n l l 接线，三次 及其整数倍谐波在角型接线绕组中形成环流，而不能传递到l o k v 侧。用户的负荷 随时间、工作任务而变化，谐波电流大小也随之改变，不同的用户谐波源设备的比 例也是不相同的，这些都应该在谐波评估工作中予以考虑。表格中的谐波含有率是 实测谐波电流95 概率值与当时的总电流有效值之比。 1 ) 商业和写字楼：测试在l o k v 侧进行，主要谐波设备有电梯、空调、荧光灯、 u p s 、计算机等。商业区、写字楼主要谐波电流为5 、7 次，5 次谐波电流在总电流 中占5 左右，7 次谐波电流占3 左右，主要谐波设备空调水泵、电梯变频器、计算 机、服务器、荧光灯、u p s 。这些负荷在总负荷中占比例较小，并存在冬夏负荷大， 春秋负荷小，白天负荷大，晚上负荷小等规律。 表2 - 1商业和写字楼谐波电流含有率 谐波次数谐波电流含有率 33 6 5 4 2 7 2 4 l l1 6 2 ) 电信行业：在0 4 千伏侧测试，主要谐波设备是u p s 、开关电源、通信交换 4 机、空调等。电信负荷中5 、7 次谐波设备比例增加，开关电源等负荷产生6 k 1 或1 2k 1 次谐波电流。 表2 - 2 电信行业谐波电流含有率 谐波次数谐波电流含有率 3o 7 5 1 0 3 7 3 8 l l 2 9 3 ) 电气化铁路：测试在1 l o k v 侧进行，三相不平衡度较大，9 5 概率值4 6 9 。 电气化铁路产生3 、5 、7 次谐波，由于其两相用电的特性，因此三相不平衡度数值 很大，对周边同母线用户影响严重。目前的新型机车采用先进技术，电能质量情况 已经大有好转。 表2 - 3电气化铁路谐波电流含有率 谐波次数谐波电流含有率 34 5 55 6 7 1 5 l l o 6 4 ) 片网焊机：测试在0 4 k v 侧进行。 表2 4 片网焊机谐波电流含有率 谐波次数谐波电流含有率 38 4 53 3 6 7 8 1 ll 5 3 5 ) 中频炉：测试在l o k v 侧进行。 表2 - 5 中频炉谐波电流含有率 谐波次数谐波电流含有率 3o 5 53 4 8 71 9 7 1 11 1 7 1 38 4 6 ) 变频调速装置：测试在0 4 k v 侧进行，工业用户对电网的谐波污染比较严重， 工业生产中要用到大量的谐波源设备，如中频炉、焊机、轧机、变频调速的风机等 等，这些负荷不仅产生的谐波电流比例大，而且容量也较大，因此工业用户产生的 5 次谐波电流含有率为3 0 一5 0 ，7 次谐波电流含有率1 0 一2 0 ，还产生3 、1 1 、1 3 次谐波，是必需要严格控制的。 表2 - 6变频调速装置谐波电流含有率 谐波次数谐波电流含有率 31 1 1 54 8 9 72 3 3 1 34 7 谐波的危害巨大，当电网存在谐波时，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸，导致变 压器噪声增大，增加电动机的附加损耗，降低效率，电子型的断路器，因谐波产生 误动作，电能表产生计量混乱。目前负荷增长越来越快，入网用户迅速增加，变频、 整流设备比例逐渐增大，工业用户蓬勃发展，社会进步很快，谐波源增长的更加迅 猛，变频速度控制确实可以节省大量电能，如果能与谐波抑制设备同时投运，则既 可以约电能，又可以减少污染，所以应该从根本上来治理谐波，在设备出厂的时候 加装消谐装置。 电能质量问题包括稳态电能质量和暂态电能质量两个方面，传统的电能质量都 是基于系统稳态而言的，如三相电压不平衡、高次谐波以及长期的电压过高或过低 等。经过多年的努力，稳态电能质量问题有了相当的提高。暂态电能质量问题主要 包括电压暂降、瞬时断电、电压突升、瞬时脉冲或突波、电压波动、电压缺口等。 其中电压暂降、瞬时断电等暂态电能质量问题已成为威胁现代社会各用电设备正 常、安全工作的主要干扰，并且成为威胁信息化社会供电质量不可忽视的因素。如 几个周期的暂降或瞬时断电都将影响一些设备的正常运行，造成产品质量下降，甚 至使生产线程序紊乱或中断，且暂降或瞬时断电后的无序启动比计划断电后的有序 恢复造成的危害及损失大得多。 电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量，影响电能质量的因素主 6 要包括三个方面，a 自然现象的因素，如雷击、风暴、雨雪等；b 电力设备及装置 的自动保护及正常运行的因素，如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及 重合使额定电压暂时降低、产生波动与闪变等；c 电力用户的非线性负荷、冲击性 负荷等大量投运的因素，如炼钢电弧炉、电气化机车运行等对电能质量的影响，产 生大量谐波、电压扰动、闪变等啼1 。电能质量主要是受到大容量非线性负荷及冲击 性负荷的影响，凡是具有非线性阻抗特性的电气设备都是电能质量的污染源，包括 各种电力电子设备的用电负荷、炼钢电弧炉、电力机车等，使电网中产生电压波动 与闪变、高次谐波、电压不平衡等。 2 3 电能质量的干扰性负荷 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化，电力电子技术的快速发展， 基于电力电子技术的用电设备得到了广泛的应用，这些设备的非线性特性引起了电 网电压、电流波形的严重畸变；此外，电弧炉、大型轧钢机、大型吊车、电力机车 等大容量冲击性、波动性、非对称性负荷的运行，不仅给电网注入了大量的谐波， 而且还会产生严重的电压波动、电压闪变和三相不平衡等电能质量问题，恶化供电 环境。 1 ) 铁芯设备主要是各种变压器和铁芯电抗器，由于铁芯磁路的饱和特性，使电 源侧的激磁电流波形产生畸变，产生谐波。 2 ) 交直流换流设备在电力系统中广泛应用，它分为整流器( 交流转换成直流) 和逆变器( 直流转换成交流) 两种，两者同具有电子开关型非线性特性，产生谐波。 3 ) 电力机车是波动性很大的大功率单相整流负荷，对三相对称的电力系统来 说，电气铁路牵引负荷具有非线性、不对称和波动性的特点，将产生三相不平衡的 谐波电流和基波负序电流注入系统，并使电力系统的电压波动。 4 ) 交流电弧炉产生的电弧电流为高度非线性的电弧，使电流波形产生不规则的 畸变，且三相电流大而不平衡，呈冲击性。三相电流的剧烈波动会造成供电母线电 压的波动和闪变。 5 ) 日用电器包括计算机、空调、变频泵和风机、电视、节能照明、调光照明等， 其使用的电子电路多种多样，谐波含量很大，特征谐波为全部奇次谐波阳1 。 2 4 电能质量敏感性负荷 随着现代科学技术的发展和工业规模的扩大，尤其是以信息技术为先导的知识 经济时代的到来，社会对电能需求同益增加的同时，基于计算机、微处理器的设备 ( 如变频调速设备、机器人、高精度测量仪器、可编程逻辑控制器、精密数控机床、 各种自动化生产线等) 以及各种电力电子装置对供电质量和供电可靠性提出了更高 的要求；另外，半导体制造、精密机械加工以及电信、医疗、军事等行业对电网中 7 的谐波、过电压、短时中断、电压暂降等干扰十分敏感，任何电能质量问题都可能 会造成产品质量下降或管理秩序的紊乱，造成重大的经济损失和不良的社会影响， 因此对电能质量提出极高的要求。 高新技术固有的精密性和敏感性对电能质量的要求越来越严格。如对广泛应用 于配电网的调速电机，当电压低于7 0 ，持续时间超过6 个周波时，电机将被迫切 除，而对于一些精细加工中的电机，当电压低于9 0 、持续时间超过3 个周波时， 电机就会跳闸而退出运行口1 。电能质量问题可使计时、计分等精密计量仪表误差增 大、甚至产生错误；电压突然跌落或短时中断使得计算机内存错误、甚至重新启动， 破坏信息资料；电压波动可引起场馆照明系统工作异常( 照明灯一般为镝灯，需冷 启动约1 0 余分钟) ；谐波影响可启动按负序整定的保护和自动装置，引起元件误动， 造成停机停电事故；对通讯网络的干扰则可能导致重要活动的延误，影响媒体的转 播报道等。 2 5 电能质量污染对电力系统的危害和影响 传统的电能质量问题如谐波、三相不平衡等继续存在，而且严重性正在增加。 目前，随着供电可靠性的不断提高，供电公司和电力用户己逐步将注意力转向新的 动态电能质量问题。如持续时问为毫秒级的动态电压升高、脉冲、电压跌落和瞬时 供电中断等。 常见的电能质量问题的性质、产生原因及一般解决方法见表2 - 7 。 表2 - 7常见的电能质量问题的性质、产生原冈及一般解决方法 类型扰动性质特征指标产生原冈影响解决方法 设备过热、 电压、电流继电保护误有源、无源 谐波稳态非线性负载 畸变率动、设备绝滤波器 缘破坏 设备过热、 继电保护误静止无功补 三相不平衡 稳态 不平衡度不对称负载 动、通信干偿 扰 持续时间、 计时器计时 陷波稳态调速驱动器错误、通信 电容器、隔 幅值 离电感器 干扰 波动幅值、电弧炉、电伺服电机运 静止无功补 电压闪变稳态 出现频率、机启动行不正常偿 8 调制频率 波形、峰值、 线路、负载设备绝缘破 谐振暂态 暂态和电容器组坏、损坏电 滤波器、隔 持续时间离变压器 的投切力电子设备 上升时间、 雷击、感性设备绝缘损 避雷器脉冲暂态暂态峰值、持续 电路开合 坏 时间 幅值、持续 远端发生故设备停运、 不间断电 瞬时电压上 暂态时间、瞬时 障、电机启敏感负荷不源、动态电 升、下降 值时间动能运行压恢复器 电能质量的污染影响到电力系统、电力用户、通信系统及其它相关行业。电能 质量指标恶化并造成的危害不仅影响电力系统和相关领域的正常运行，而且对正常 的安全可靠用电也造成了一定的威胁。因此，认识电能质量污染的影响并采取相应 的防范措施，确保高品质的供电质量，是优质供电服务的一项重要内容阳，。 2 6 电能质量的测量及监测 电能质量的分析和计算涉及到对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要相应 的检测仪器、分析软件和工程方法对各种电能质量问题进行系统的分析和计算，才 能对电能质量存在的问题作出准确的判断，为解决和改善电能质量问题提供有效的 依据。做为大型政治活动和社会活动筹备工作和保障工作的重要组成部分，高可靠 性、高质量的电力供应必不可少。要保障电网和用电设备的安全经济运行，就必须 及时地对电网的电能质量进行定量的分析，以便采取适当的措施，加以限制和管理。 2 6 1 测量方法 1 ) 测试时间：监测整个活动过程中的电能质量情况。 2 ) 测试项目：三相电流电压有效值、各次谐波电流含有量、各次谐波电压含有 率、总谐波电压含有率、总谐波电流含有率、三相不平衡度、频率偏差、短时闪变、 长时闪变、电压跌落等。 3 ) 测试场所及要求：变电站、开闭站、用户配电室、重要设备进线处。要 求测试的负荷正常稳态运行，可以采集到三相电压、电流信号，如果测试电压超过 o 4 千伏，应具备相应的p t 、c t 方可进行测试。现场应具备2 2 0 v 电源。 4 ) 所需仪器：符合g b1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波要求的a 类仪 器，且能够捕捉电压跌落波形、计算电压跌落时间阳1 。 5 ) 人员配备：不少于三人。 9 6 ) 需记录用户典型敏感设备及参数。 2 6 2 安全事项 1 ) 典型现场危险点：现场情况核验不全面，工作任务不清，临进带电部位，误 入带电间隔。人身触电、电源短路，电流互感器二次开路，电压回路短路、接地， 低压带电工作，校验仪表错接线，取错保险，钳型表使用不当，造成人员伤害n 引。 2 ) 安全措施：仔细检查工作范围及安全措施，开工前向全体工作人员交代带电 部位、工作任务、危险点及控制措施。仔细检查原电流接线是否牢固可靠，时刻注 意不要将原电流接线拔出。仔细检查各相电压端子间的距离、对地距离，在保险后 端测试。复杂仪表接线工作，应由另一个人进行复查，防止错接线烧坏设备和仪表。 需要断丌表计、p t 保险时，应由值班员取保险或在值班员监护下取保险。并用电压 表计测量确认无电。 3 ) 技术措施：拆接电源使用安全工具，复查接线后方可通电校验。注意与运行 设备的安全距离，工作时应站在绝缘挚上。低压带电工作时用绝缘工具，脚踩绝缘 垫，并一只手进行操作，所使用工具和所拆表尾应用绝缘包好。盘前、后要配合好， 传达j 下确口号，复查接线后方可通电校验。使用钳型表应戴绝缘手套或绝缘鞋，或 站在绝缘垫上。测量中不得触及其它设备的任何部分，严禁用导线从钳型电流表另 接表记测量。 2 7 电能质量的检测和监测 2 7 1 定期巡检 适用于需要掌握电能质量又不需连续检测或不具备连续在线监测条件的场合。 如负荷变化不大的供电电网、配电系统的电能质量检测。北京电网以三年为一个周 期完成全网的电能质量检测。 2 7 2 专项检测 用于负荷容量变化大或有干扰源设备接入电网，或临时有反映电能质量异常情 况，需要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等。 2 7 3 在线监测 对重要变电站或重要电力用户配电点可实行电能质量在线连续监测。在线监测 监测项目包括：供电频率、电压、电流、功率、三相电压不平衡度、谐波、闪变、 暂态录波等。可实现数据显示功能、数据存储功能、数据远传功能以及对监测数据 1 0 的分析和越限报警等功能。通过计算机网络可监测实时数据、历史变化曲线和远方 控制【1 1 】。 2 8 监测点的设置方法 重要活动中或重要用户的用电设备对电能质量的要求严格和敏感，而电能质量 问题尤其是动态电能质量问题与供电系统、用户及其用电设备特性都有关，无论 是供电部门、用户还是设备厂商都无法独自解决【1 2 】。因此，为了更好的改善电能质 量，需要建立系统的、合理的电能质量评估系统，量化评估系统电能质量性能水平， 提供广泛意义上的供电可靠性报告，发现并鉴别电能质量问题的类别，确定治理手 段。 电能质量监测点的设置应考虑以下因素： 1 ) 覆盖系统主网及各供电电压等级； 2 ) 对供电质量有特殊要求的负荷供电点； 3 ) 对供电可靠性要求很高的负荷供电点。 4 ) 有可能造成电能质量污染的负荷系统接入点； 2 9 电能质量的现状 随着经济的发展，科技的提高，整流、变频等非线性用电设备所占的比例越来 越高，一方面确实为用户提供了实惠，比如说省电，但另一方面却引起了电能的污 染，并把污染排向了电网，这种污染对用户自身、对相邻用户、对电网都产生了危 害，而这种危害是大于得到的效益的，不仅增加了线损，供电可靠性等各种指标都 将被影响，如果只靠供电部门治理的话，几乎是不可能完成的。那么该如何对待这种 矛盾呢，其实只要在使用非线性设备的同时，加装治理设备，就可以既得到效益又 减少污染，从而达到双赢的目的n 引。供电方在用户报装的时候必须严格把关，这样 就可以把电能污染控制在允许的水平，达到优质供电。 目前执行的标准是同时满足以下两个条件的用户需要作谐波评估 1 ) 使用非线性设备的容量是报装总容量1 5 。 2 ) 非线性设备总容量不小于1 0 0 千伏安。 表2 - 8 常见的电能质量问题的性质、产生原冈及一般解决方法 类型名称所属行业 整地铁及城铁整流器、电力机车 交通 有轨、无轨电车 流 电解槽化t u p s 、开关电源、逆变电源通讯等 型 直流电弧炉冶金、机械 单晶炉冶金 节能灯、彩电、微波炉、电磁炉等生活用电 商业、市政等 设备 计算机、激光打印机等商业、写字楼等 中频炉冶金、机械 变 变频电机公用事业等 频 变频水泵公用事业等 型 变频空调、大型电梯商业、写字楼等 电 交流电弧炉冶金、机械 弧 电焊机机械等 型 其他轧机、电铲、绞车等机械等 从本质上讲，电能质量包括电压质量、电流质量、频率质量三个方面，从现有 的统计和研究结果来看，破坏程度较为严重的是电压辐值质量问题，影响电能质量 的因素主要有四个方面：a 自然现象和灾难，如雷击；b 电力设备及装置故障或保 护误动作；c 终端用户非线性、冲击性污染型负荷的大量使用d 人为事故n 4 | 。 电能质量问题从时间尺度上主要可分周期稳态和暂态两大类，稳态以波形畸变 为特征主要包括谐波、间谐波、波形裂痕等，暂态以频谱和暂态持续时间为特征， 可分脉冲暂态和震荡暂态两大类。各种电能质量并不是严格区分、物理独立的，调 查统计和理论仿真均表明发生某些电能质量现象往往或必定伴随着其它电能质量 问题出现，电能质量在时间和空间上是随机分布，处于动态变化之中，即便是同一 扰动源引发的问题，在不同的点，观察到的现象和具体的指标往往有一定的差异。 1 2 第三章电网电能质量问题的产生 3 1 发电源质量不高产生问题 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一 致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 3 2 输配电系统产生问题 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线 的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段 上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构 形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远， 谐波电流也就越大，其中3 次谐波电流可达额定电流的0 5 。 3 3 用电设备产生的问题 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电 源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶 闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的j 下弦波，从而给电网留下的也 是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在 留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含 有奇次谐波电流，其中3 次谐波的含量可达基波的3 0 ；接容性负载时则含有奇次 谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6 脉整 流器，变压器原边及供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流；如果是1 2 脉冲整流 器，也还有1 1 次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所 有谐波的近4 0 ，这是最大的谐波源。 变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份 很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随 着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不 稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电 网。其中主要是27 次的谐波，平均可达基波的8 2 0 ，最大可达4 5 引。 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析 与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性， 它们会给电网造成奇次谐波电流。 电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会 产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电 流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的 l3 主要来源之一。 3 4 低压电网的电能质量问题 由低压电网供给电源的各种电器设备，在市政生活和企事业单位应用十分广 泛，在这些家用电器中，有不少家用电器含有非线性元件，会产生谐波电流，主要 有电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、计算机、激光打印机、 充电器、各种医疗和科研用的仪器和设备、调速驱动，例如空调用压缩机、高层建 筑用的大型电梯等，它们大都是用晶闸管、小功率的整流装置等电力电子元件，有 的电器带小容量变压器6 】。其励磁电流所占比例较大，虽然其单个容量小数十瓦到 数千瓦，但数量较多且分布很广，它们产生的高次谐波也会对电力系统造成影响， 加重电力网的谐波污染。 3 5 电能质量问题对电力系统的危害 3 5 1 对供配电线路的危害 1 ) 影响线路的稳定运行一供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电 磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，它们容易受谐波影响， 产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 2 ) 影响电网的质量一电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变， 从而降低电网电压，浪费电网的容量。 3 5 2 对电力设备的危害 1 ) 对电力电容器的危害一当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通 过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加，使电容器异常发热，在电场 和温度的作用下绝缘介质会加速老化。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、 击穿或爆炸。 2 ) 对电力变压器的危害一谐波使变压器的铜耗增大，谐波还使变压器的铁耗增 大。由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量。除此之外， 谐波还导致变压器噪声增大，有时还发出金属声n7 | 。 3 ) 对电力电缆的危害一由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大 趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。 3 5 3 对用电设备的危害 1 ) 对电动机的危害一谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损 耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁 1 4 场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。 2 ) 对低压开关设备的危害一全电磁型的断路器；热磁型的断路器；电子型的断 路器，都可能因谐波产生误动作。 3 ) 对弱电系统设备的干扰 4 ) 影响电力测量的准确性一特别是电能表( 多采用感应型) ，当谐波较大时将 产生计量混乱，测量不准确。 5 ) 谐波对人体有影响一从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会 在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接 近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。 3 6 电能质量的控制与治理 传统的电能质量控制与治理措施包括利用有载调压变压器调整电压、利用并联 电容器补偿系统无功功率、利用无源滤波器抑制谐波、利用备用发电机和快速机械 双电源切换装置对重要用户实现连续供电。现在，在越来越多的工程实践中，传统 的装置已无法有效地抑制电能质量的下降。现代电能质量的控制与治理，基于用户 电力技术，将电力电子、计算机和控制等高新技术运用于中低压配用电系统，形成 一系列电能质量补偿控制设备，有效地解决了谐波影响、电压波动与闪变、三相电 压不对称、电压暂降等问题，满足了对电压敏感而严格用户的用电需求。目前已开 发出来的用于配电网电能质量调节装置主要包括静止无功补偿装置( s v c ) 、动态电 压恢复器( d v r ) 、固态切换开关( s t s ) 、静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 、超导储能系 统( s m e s ) 、有源滤波器( a p f ) 等n 引。这些装置使用的原理就是通过检测电能质量的 相关参数，控制快速的电子开关( 动作时间在m s 级) 进行相应的补偿，这些参数 既包括电能质量的稳态特性指标，也包括暂态特性指标。 1 ) 静止无功补偿装置s v c 可实现电网无功平滑动态补偿，抑制电压波动和闪 变、提高功率因数。s v c 包括晶闸管投切电容器t s c 和晶闸管控制电抗器t c r 。晶 闸管投切电容器t s c 与普通电容器的不同之处在于用晶闸管代替了断路器作电容器 组的投切，电容器接入是在晶闸管两端电压过零瞬间完成的，电容器切断是由晶闸 管在电流过零时完成的。因此，在投切过程中没有冲击电流和过电压。晶闸管控制 电抗器t c r 调节晶闸管导通角度以改变电抗器电流，t c r 总与电容器并联使用，当 系统需要较多电容时，t c r 使电抗电流减小，若系统需求电容电流下降，t c r 则使 电抗电流加大。t c r 本身产生谐波，因此往往用滤波器代替部分并联电容器组。 2 ) 动态电压恢复器( d v r ) 由直流储能电路、变换器和级次串联在供电线路中 的变压器