电能质量的监测方法2011(赛尔论文-滕磊乐商鉴).doc

电能质量的监测方法 沈阳万宸建筑规划设计公司 王忠言沈阳建筑大学材料学院 刘阳摘 要 文中介绍电能质量是电力工业产品的重要指标，对电网电能质量实行技术监督已势在必行，阐述电能质量的监测则是电能质量技术监督的重要手段关键词 电源质量 监测 综合补偿近年来，随着非线性负荷及冲击性负荷的增加，电能质量间题日益突出，由于电能质量方面引起的用户投诉也越来越多。许多新型带微处理器和电力电子器件的负荷设备对电能质量要求较高，有些企业在签订用电协议时，要求供电局提供优质高价的电能。随着电力系统创一流工作的深入和我国即将加入WTO组织，电能质量的标准也将与国际标准接轨。电能质量的监测手段及其局限性。目前国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能；而谐波和电压波动闪变的测量则用便携式测试仪器，分别对变电所的各级母线电压主变压器各侧的谐波电流电容器组的谐波电流进行测量对允中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网进行测量。根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。这种电能质量监测手段和管理模式存在着明显的局限性：实时性差：监测周期协监测点分散，无法及时了解电网电能质量水平；监测指标少：由于监测装置的局限性，同一台仪器无法同时监测多项电能质量指标；工作量大：需要花费很多的人力和物力去测量统休分析；测量误差大：在实际测量中往往不能达到理想的测量环境，数据的偶然性很大，甚至还有漏抄虚抄的现象；效率低：从发现电能质量的间题到解决该间题，往往需要很长时间；缺乏判断依据：数据量不足，且无法对监测点进行跟踪测试，从而难以深入分析造成电能质量的成因，也难进一步提出改善电能质量的措施点。基于这种现状，建立一个电能质量在线监测网，及一套统一开放的监控和管理平台，能够及时分析和反映电网的电能质量水平，以便找出电网中影响电网质量的原因，并采取相应的整改措施，改善现有供电系统的供电质量降低电能损耗保证电网的安全可靠、经济运行是很有意义的。同时也为电网的进一步建设完善和事故分析提供准确的历史数据和基础数据。国外自70 年代起就开始进行电能质量的测试分析和治理工作，目前各供电连接点（包括部分用户终端）均已装设电能质量监测仪器。国内外相关标准及发展趋势。由于人们对电能质量的技术含义存在着不同的认知，看间题的角度也不尽相同。例如，电力部门把电能质量主要定义为电压与频率的合格率，并且用统计数字来说明电力系统999 是安全可靠的；电力用户则把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电。国际电工委员会（IEC）没有电能质量的术语，而是提出电磁兼容（EMC）术语，指出和强调设备之间的相互作用和影响，以及电源及设备之间的相互作用和影响，IEC制定了电磁兼容的一系列标准。另外还有许多国外先进的标准，如1995 年欧共沐颁布的电能质量标准，称为公用配电系统供申特性，作为对中、低压电能质量的穿一标准，该标准分5大类，共有13个指标。世界各国都十分重视电能质量的监测和治理，我国正在积极采用国际标准和国外先进标准，特别是IEC制定的EMC标准。我国现行的关于电能质量方面的国家标准有五个，其中电能质量电压允许波动和闪变（GB 12326-2000）是新标准。另已报批的国标还有暂时过电压和瞬态过电压，涉及电压跌落和短时供电中断的间题也在立项中。电能质量监测网的实施。1、确定监测的指标内容。从技术上看，影响电能质量的因素主要有三方面： 自然现象，例如：雷击线路； 电力设备及装置的正常使用和自动保护，例如倒闸操作； 用户终端的非线性负称冲击性负荷等。电能质量低下的危害有以下一些表现：电压偏差超标会使用电设备的损耗增力压寿命缩短工作不正常，会破坏电力系统同步运行的稳定性电压的稳定性以及电网的经济运行。电压的波动和闪变主要由波动性负荷（如电弧炉）引起，其超标会危害与其连接在公共供电点的其他用户的设备，如使照明灯闪烁电机转速不均匀和计算机及电子设备工作不正常等。谐波由谐波源（非线性设备和负荷）注入系统，会损坏系统设备（如电容器电缆电动机电压互感器等），威胁系统的安全运行（如继电保护及自动装置误动），增加系统的功率损耗（如线损），增大测量仪表的误差（如电能表），干扰通信等。三相不平衡会使发电机工作不正常，增加变压器的附加损耗造成其局部过热，继电保护及自动装置误动，变流器产生非特征谐波，增加中性线电流产生电噪声干扰，增加输电线损耗，干扰通信等。电力系统稳定运行时，全系统有相同的频率。在允许的频率偏差范围内，主要是引起设备的效率间题；当偏差超过范围，则会危及设备的安全，严重时甚至造成系统瓦解崩溃。暂时过电压和瞬态过电压以及电压跌落和短时供电中断的间题，一般由系统或用户内部的短路故障引起，会直接影响甚至中断用户正常的用电，造成严重的经济损失。这是用户最关心的间题。综合IEC和国际上关于电能质量方面的内容，考虑实际情况，确定要监测的重点。电压频率合格率一向比较被电力系统重视，基本上符合国家标准，所以我们认为电能质量上要研究的是电压骤降、瞬态过电压、谐波畸变和闪变四种现象。其中前两种属于短期暂态现象，后二种属于持久性事件。测量点的选择。测量点的正确选择直接关系到测量的准确度。结合绍兴电网的谐波普测工作，发现有很多影响谐波测量准确度的因素，部分变电所由于其他因素引起谐波升高，并不是系统谐波的真实反映。例如：（l）在一些变电所中为避免由于谐振而导致电压互感器的损坏，往往在互感器的中性点通过消谐装置接地，使三次谐波含量畸变很严重。例如， 10kv 母线电压总谐波畸变率为88 % , 而10kv 母线电压总谐波畸变率高达251 % ；而把消谐装置短接，使互感器的中性点直接接地时，10kv 电压总谐波畸变率仅为25 。（2）一些变电所的进线侧母线电压总谐波畸变率超过20 % ，如35kv主要为三次谐波。这是三相不平衡造成的，应从电源电压线路阻坑负荷特性等找出三相不平衡的原因，加以消除。另外还有一些测量点由于变电所二次回路没有中性点引入，实际测量的谐波电压为线电压，所以不能有效地反映电压谐波畸变率。监测仪器的选型。随着数字信号处理（DSP）技术和网络技术的不断发展，在线监测技术的不断提高，国内相关厂商正在积极研制开发在线监测装置；国外对电能质量的监测和治理工作进行的较早，具有一些较成熟的监测装置。一般而言，电能质量监测仪应采用DSP 技术，这样才能保证信号的同时采样和高速采集使用现场条件恶劣，易受干扰，必须有较高的共模抑制比。一般安装在变电所10kv 母线的监测仪器，除了必须满足电能质量国家标准中关于测量仪器的要求和规定外，还应能有效监测电能质量国报标准的所有指标（电网频率电压偏差、三相不平衡度谐波电压波动和闪变），以及具备暂时过电压和瞬态过电压（已报批电能质量国标）、短时供电中断（正在立项中）的测量功能，其他指标最好能和国际标准接轨。而安装在低压配电网和用户的监测仪器，则可以适当减少电能质量考核指标数量，如只有电压合格率简单的谐波测量功率测量等一些功能；也可根据用户对电能质量的具体要求，选择相应的监测仪，以便降低成本。软件。软件应达到的主要功能：监测中心可对现场监测点参数进行远程设定，可调用任何实时数据；监测的各项指标数据可以记录、统休存盘；监测中心分析软件对监测的数据具有数据库管理功能；数据具有图形或表格形式显示功能，能生成任意时间段的变化趋势曲线，并具有局部放允缩小等功能，满足分析的要求；不同时间段下载的数据可合并；软件操作界面友好易于维护。网络结构。目前通信技术发展很快，变电所实现光纤通信也很普遍，这就给电能质量监测网的组成提供了良好的网络通信基础。可以通过Web技术，分层、分级、分权限对电网电能质量进行分析和管理。各监测点通过定时或召唤的方式将数据上传到Web服务器，通过设定不同的权限，从而使不同的人员可以访间不同的数据，了解目前的电网电能质量指标。甚至可以把某些指标上Internet网，向社会公开。主要经济效益和社会效益。（l）加强公用电网电能质量的监督管理，保证电网的安全运行；（2）分析监测数据，并进行电能质量的治理，提高供电质量，减少设备故障停电时间，降低能耗；（3）为电网优化和事故分析提供可靠数据；（4）可替代目前使用的部分相关表计，节省人员和时间；（5）是面向开放的电力市场适应竞争机制的强有力手段；（6）进一步保障各级用户的正常用电秩序，为其提供优质的电能商品；（7）根据不同用户对供电质量的不同要求，试行和用户签订各级收费标准（依据签订的各级供电合同和质量协议）。电能质量监测方式及内容。1、连续监测：对重要的变电站的公共供电点的电能质量实行连续监测，监测的主要技术指标有：供电频率、电压偏差、三相电压不平衡度、负序电流、有功功率、电网谐波、功率因数。控制内容：供电频率控制已由电力调度中心承担，电能质量控制主要指当电压偏差、三相电压不平衡度、电网谐波等指标越限时，发出报警或控制指令。连续监测任务主要由安装在变电站内的电能质量监测仪完成。2、定时巡回检测：主要适用于需要掌握供电电能质量而不需要连续检测或不具备连续检测条件而采用的检测方式。居民、商业及小工厂供电系统公共供电点的供电质量检测。根据重要程度一般一个月或一季度检测一次即可，巡回检测任务主要由便携式电能质量分析仪或手持式谐波分析仪完成。电压波动和闪变指标是不需要在线连续监测的。若在供电范围内，负荷变化不大， 一般半年或一年检测一次即可。电压波动和闪变的测量可由闪变仪或便携式电能质量分析仪完成。3、专项检测：主要适用于干扰源设备接入电网 或容量变化前后的检测方式，用以确定电网电能质量指标的背景状况和干扰发生的实际量或验证技术措施效果。此项监测项任务一般由便携式电能质量分析仪完成。 电能质量监测点的设置。电能质量监测点的设置，应综合考虑下列因素:1、应覆盖主网及全部供电电压等级，并在电力网内（地域和线路首末）呈均匀分布。2、满足电能质量指标调整与控制的要求。 3、满足特殊用户和订有电能质量指标条款合同的用户的要求。各类检测方式检测点的具体设置，根据电能质量不同指标的特点不同，并应按照有关国家标准，导则结合本电网实际而确定。 电能质量信息传输与处理。电能质量信息传输与处理是电能质量监督管理的核心内容，电能质量信息传输与处理基本要求是要规范、科学、简单、易行。电能质量实行分层管理。电力系统不断发展，规模越来越大，地域越来越，运行也日益复杂，因此，现代电力系统都是分层管理。分层管理的实质是将一个大的系统按照功能或结构将全系统的监控功能分属于不同级别（或层次）去完成，各级完成分配给它的功能，并将有关信息报送上一级，接受上一级的管理。综合管理控制功能由最高一级决策执行，各级工作相互协调，力求整个系统的管理控制达到最佳效果。一般地，电能质量的定义：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。这个定义简单明晰，概括了电能质量问题的成因和后果。随着基于计算机系统的控制设备与电子装置的广泛应用，电力系统中用电负荷结构发生改变，即变频装置、电弧炉炼钢、电气化铁道等非线性、冲击性负荷造成对电能质量的污染与破坏，而电能作为商品，人们会对电能质量提出更高的要求，电能质量已逐渐成为全社会共同关注的问题，有关电能质量的问题已经成为电工领域的前沿性课题，有必要对其相关指标与改善措施作讨论和分析。电能质量指标。电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义，参考IEC标准、从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如下：(1)低频传导现象：谐波、间谐波、电压波动、电压与电流不平衡，电压暂降与短时断电，电网频率变化，低频感应电压，交流网络中的直流；(2)低频辐射现象：磁场、电场；(3)高频传导现象：感应连续波电压与电流，单向瞬态、振荡瞬态；(4)高频辐射现象：磁场、电场、电磁场(连续波、瞬态)；(5)静电放电现象。对于以上电力系统中的电磁现象，稳态现象可以利用幅值、频率、频谱、调制、缺口深度和面积来描述，非稳态现象可利用上升率、幅值、相位移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度等描述。保障电能质量既是电力企业的责任，供电企业应保证供给用户的供电质量符合国家标准；同时也是用户(拥有干扰性负荷)应尽的义务，即用户用电不得危害供电；安全用电；对各种电能质量问题应采取有效的措施加以抑制。电能质量指标国内外大多取95概率值作为衡量依据，并需指明监测点，这些指标特点也对用电设备性能提出了相应的要求。即电气设备不仅应能在规定的标准值之内正常运行，而且应具备承受短时超标运行的能力。电能质量标准。综合新颁布的电磁兼容国家标准和发达国家的相关标准，中低压电能质量标准分5大类13个指标。(1)频率偏差：包括在互联电网和孤立电网中的两种；(2)电压幅值：慢速电压变化(即电压偏差)；快速电压变化(电压波动和闪变)；电压暂降(是由于系统故障或干扰造成用户电压短时间(10mslmin)内下降到90的额定值以下，然后又恢复到正常水平，会使用户的次品率增大或生产停顿)；短时断电(又称电压中断，是由于系统故障跳闸后造成用户电压完全丧失(3min，电压中断使用户生产停顿，甚至混乱)；长时断电；暂时工频过电压；瞬态过电压；(3)电压不平衡；(4)电压波形：谐波电压；间谐波电压；(由较大的波动或冲击性非线性负荷引起，如大功率的交一交变频，间谐波的频率不是工频的整数倍，但其危害等同于整数次谐波)。(5)信号电压(在电力传输线上的高频信号，用于通信和控制)我国迄今为止已颁布了6项电能质量指标的国标，概述如下： 1 电压允许偏差。用电设备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异，电压偏差计算式如下：电压偏差()(实际电压一额定电压)额定电压X100 (1)电能质量供电电压允许偏差(GBl2325-1990)规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：(1)35kY及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的正负偏差绝对值之和不超过10；(2)10kV及以下高压供电和低压三相用户为额定电压的+7-7；(3)220V低压单相用户为额定电压的+7-10。衡量点为供用电产权分界处或电能计量点。为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设备规定了如上的允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供了依据。在工业企业中，改善电压偏差的主要措施有三：(1)就地进行无功功率补偿，及时调整补偿量，无功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压偏差，它是产生电压偏差的源，因此，就地进行无功功率补偿，及时调整补偿量，从源上解决问题，是最有效的措施。(2)调整同步电动机的励磁电流。在铭牌规定值的范围内适当调整同步电动机的励磁电流，使其超前或滞后运行，就能产生超前或滞后的无功功率，从而达到改善网络负荷的功率因数和调整电压偏差的目的。(3)采用有载调压变压器。从总体上考虑无功负荷只宜补偿到功率因数为090095，仍然有一部分变化无功负荷要电网供给而产生电压偏差，这就需要分区采用一些有效的办法来解决，采用有载调压变压器就是有效而经济的办法之一。2 公用电网谐波。谐波即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于1的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。电能质量公用电网谐波(GBT14529-1993)中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流(225次)注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。3 电压波动和闪变。电压波动即电压方均根值一系列的变动或连续的改变；闪变即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。电能质量电压波动和闪变)(GBl2326-2000)是在原来标准GBl2326-1990的基础上，参考了IEC电磁兼容(EMC)标准IECTl00-3-7等修订而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值。4 三相电压不平衡 。电能质量三相电压允许不平衡度(GBT15543-1995)适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的PCC连接点的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2，短时不得超过4，每个用户不得超过13。而且该标准还解释：不平衡度允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产(运行)周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平衡指标时，该标准规定用95概率值作为衡量值。即正常运行方式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和实际测量的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较大的场合，应和实际测量的95的概率值对比；以判断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。5 电网频率。电能质量电力系统频率允许偏差(GBT15945-1995)中规定：电力系统频率偏差允许值为o2Hz，当系统容量较大时，偏差值可放宽到+05Hz-05Hz，标准中并没有说明系统容量大小的界限，而在全国供用电规则中有规定：供电局供电频率的允许偏差：电网容量在3GW及以下者为02Hz；电网容量在3GW以上者为05Hz。实际运行中，我国务跨省电力系统频率都保持在+01Hz-01Hz的范围内，这点在电网质量中最有保障。6 暂时过电压和瞬态过电压。由于开关操作或雷击等原因引起，暂时过电压与瞬态过电压是直接危及电力设备安全运行的重要原因之一，以往只是对电器设备的耐压水平进行考核，而对电网中实际产生的过电压水平则无限制。电网的过电压水平也是电能质量的一个重要指标。电能质量暂时过电压和瞬态过电压GBT18481-2001标准主要根据GB3111，按过电压的波形特点分为两大类，因为是过电压波形，幅值和持续时间决定了对设备绝缘和保护装置的影响。暂时过电压是指其频率为工频或某谐波频率，且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压；瞬态过电压为振荡的或非振荡的，通常衰减很快，持续时间只有几毫秒且为缓波前的(例如一些操作过电压)或几十个微秒且为快波前的(如雷电过电压)的过电压。虽然操作过电压，雷电过电压通常分别由操作(或故障)及雷电放电所引起，但其波形特征未必总是如此。例如：当变压器一侧有雷电波作用时，经绕组间耦合的电感性传递过电压，会有接近于操作过电压的缓波前；而当单相接地时，依照相间的电磁耦合，可在正常相上产生接近于雷电过电压的的快波前。因此，本标准中所谓的操作、雷电过电压是指可分别用缓波前的操作冲击和快波前的雷电冲击来代表的过电压。我国电