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浅析电能质量监测系统及应用

 更新日期:2024-04-17 点击量:76

王兰

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要:介绍了电能质量监测系统的构成和基本原理,分析探讨了该系统在供配电系统和工厂用电设备监测等方面的应用,其对电网的安全、稳定、经济运行具有重要意义。

关键词:电能质量;监测系统;供配电系统;应用

0前言

电能质量是衡量电网供给用户端交流电能的品质标准。电能质量监测系统是对电力系统、工业用户等电能质量进行监测并自动记录的智能化数据监测系统。该系统对电网电压及电流波形进行实时监测、分析,并自动生成所需图形报表,相关技术人员即可以通过Web方式随时查询电网的实时电能质量数据和历史数据,对电能质量扰动做出科学的评估,为改善电能质量提供决策依据。

1电能质量监测系统的构成和原理

电能质量监测系统由监测终端、主站及远程监测软件系统组成。

1.1电能质量监测终端

监测终端主要完成数据的处理、记录、存储以及与主站之间的通讯连接和数据传输,形成图形报表。监测终端还具有LCD图形显示、多参数综合测量、参数报警值设定、实时定点报警等功能。终端运行VRTX实时多任务操作系统,可以及时响应用户的请求,过电压数据采用中断方式记录,保证数据不丢失。

监测终端的硬件由TA/TV及AD信号预处理、DSP数据处理器、并行通讯ISA总线并行扩展、调制解调器、LCD显示器(VGA单色带背光)、网络适配器、电源等构成。电能质量监测终端的硬件构成框图见图1。

传感器将配电网参数的电能信号TA/TV转化为AD的输入信号,然后进行同步采样,转换后的采样数据通过同步串口传入DSP,进行数据处理。DSP数据处理器是监测终端的核心部件之一,它将采集的数据变换格式,采用成熟的FFT(快速傅立叶算法)计算分析处理各种数据。DSP将分析结果送到LCD以图形方式显示电压、电流基波及各次谐波的幅值、相角,电压、电流的矢量图,电压、电流波形,并通过串口将数据送到主站PC进行相应的处理。上位计算机对接收到的数据,通过管理软件对数据进行分类、储存、共享,运行和管理人员可随时查询,并可选取需要的数据进行报表输出和曲线打印分析。

1.2主站及远程监测软件

主站通过调制解调器或网络接受监测终端上传的数据主站为客户机—服务器方式,数据存放在服务器的数据库中,可以方便地调用与查询。主站接受监测终端上传的数据,进行统计分析,形成文件、报表及曲线,并可显示数据和图形(如频谱图、波形图、曲线图、向量图等)。它可以管理多台电能质量监测终端,对收集到的数据进行分析与处理,可以对某一时段或某一事件过程时段的电能质量进行分析、形成报表,自动形成日、月和年报表,自动找出谐波含有率超标的时段与线路,计算电压合格率与供电可靠性。远程监测软件主要完成数据的处理、计算、统计及图显,提供报警等信息。监测系统软件框图

见图2。

2电能质量监测系统的应用

从上世纪80年代起,我国电能质量监测技术经历了20多年的发展历程,已经实现了由单一功能向多功能监测的发展。目前在电能质量监测技术已在供配电系统和工厂用电设备监测有着广泛应用。

2.1供配电系统电能质量监测

我国早在90年代开始就陆续推出了关于电能质量方面的一系列相关国家标准。在电子技术越来越发达的今天,现代电子设备对电能质量更为敏感,现代电子设备的大量应用加重了电网电能质量的污染,因此及时了解电能质量的情况对对于供用电双方都具有十分重要的意义。电能质量监测系统对运行中的供配电系统进行实时连续监测,可根据使用部门的要求进行相关指标合格区域等参数的设定、统计出电网各指标的数据,自动生成所需图形报表,并进行数据储存。同时系统对设定的电能质量指标值有越限报警功能,可轻松判断指标超标与否,提醒人们对供、用电设备的运行状态及时进行调整,确保电网的电能质量符合国家有关标准。

2.2供配电系统及工业用电设备运行监测

电能质量监测系统对供配电系统运行中电压、电流全波形的实时监测,并实时分析电网中电压、电流的谐波状况,为运行和检修人员提供可靠的电网运行相关参数,随时随地掌握电网的运行状况,这样就能在供配电系统和用电设备运行出现故障前,掌握到其早期的故障信息,及时做好预防检修,提高电力系统供电的安全性、可靠性和经济性,保证用电设备的正常工作。电能质量监测系统也可对工业用电设备运行进行监测,特别是容量相对较大的非线性负载用户设备。用户可通过监测数据,掌握用电设备谐波情况,以制定合适的治理方案,提高用电质量,同时提高设备使用寿命。同时用户还可通过监测系统在线无功补偿,提高功率因数,满足供电企业考核指标,同时减少线路损耗,节约电能消耗;通过在线监测用户可以及时清楚了解供电设备状况,及早发现设备隐患和电能损耗定位,提高供电效率。

2.3供配电系统事故原因分析

电能质量监测系统具有故障录波功能,能够记录发生故障时刻的电网状态,通过分析,为判断故障的来源和分析、解决问题提供了详尽、可靠的数据和依据,这对于解决电力故障纠纷提供了可靠的技术支持。

2.4为供配电网技改提供依据

通过电能质量在线监测系统,可以评判供配电网监测点哪些指标是主要的矛盾所在,其概率水平及时间分布规律如何,从而以合理的投资、较好的技术方案、适度余量的容量进行解决。

2.5合理引导用户错峰用电提供依据

近年各地不同程度都出现电力缺口的情况。通过电能质量在线监测系统,可以统计出本地区峰、平、谷用电负荷情况,据此电力管理部门可制定合理的错峰用电方案,合理分布电能使用时间,削峰填谷,减少因为拉闸限电给企业带来损失。

3电能质量监测与治理系统

3.1概述

电能质量分析与治理系统主要研究供配电系统中的无功补偿和谐波治理问题,适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的无功补偿、谐波及综合治理等,可根据不同行业类型和负载类型的电能质量问题提供合适的设计解决方案,以达到改善供电质量和确保电力系统安全经济运行的目的。

3.2典型行业

①商业中心/办公大楼/医疗/机场/体育馆:空调、电梯、LED屏幕、可控硅调光系统、音响系统;

②港口码头/造船/造纸/烟草/煤矿:变频器等;

③光伏/充电桩/化工/冶金:变频器、整流器等;

④学校/研究院:实验室、机房设备、数据中心;

⑤工厂:使用大型设备的生产线,高精度数控中心等;

⑥通信/金融/医疗/商业中心:UPS、开关电源等。

3.3系统架构

电能质量分析与治理系统由低压侧电能治理产品组成,主要产品有ANAPF有源电力滤波器、ANSVG静止无功发生器、ANSNP中线安防保护器、ANHPD谐波保护器、ANSVC低压无功功率补偿装置、ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置、ANSVG-S-A混合动态消谐补偿装置、ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置等。

4产品选型

4.1 谐波治理产品选型

种类

区别

ANAPF

有源电力滤波器

ANSNP

中线安防保护器

ANHPD

谐波保护器

组成

电力电子元器件

电力电子元器件

高通滤波模块

功能

谐波治理、无功补偿、

平衡三相电流

谐波治理、无功补偿、

平衡三相电流

治理高次谐波,防止高频干扰

滤波范围

2-51次

2-51次

3kHz~10MHz

应用

应用范围较广,可无功补偿和平衡三相电流,与传统无源滤波器相比节省空间,有较强的补偿性能、适应场合多。

适用于商场、剧院、体育中心、数据中心、医院等3N次谐波较大场合,能够的治理过大的零线电流。

通常应用于医院、机房、工厂、实验室等易受高频谐波干扰场合。

4.2、无功补偿产品快速选型

种类

区别

ANSVC

低压无功功率补偿装置

ANSVG

静止无功发生器

ANSVG-S-G

智慧型动态无功补偿装置

ANSVG-S-A

无功谐波混合补偿装置

ANSVG-G-A

混合动态滤波补偿装置

组成

分立元件(电容、电抗、投切开关)或智能电容

SVG模块

ANSVG-S-G模块+分立元件

APF模块+分立元件

ANSVG-G-A模块(输出无功和谐波)

无功补偿

范围

容性无功

容性无功

感性无功

容性无功

部分感性无功

容性无功

部分感性无功

容性无功

感性无功

无功补偿

精度

一般

(宽范围无功补偿)

(精细无功补偿)

很高

(宽+精细无功补偿 )

一般

(宽范围无功补偿)

(精细无功补偿)

谐波治理


5,7,11,13次

5,7,11,13次

2-50次

2-50次

动态响应

≥100ms

≤5ms

≤5ms

≤5ms

≤5ms

应用

功率因数较低,负荷波动不能太快,主要以无功补偿为主的场所。

功率因数低,负荷快速变化,兼顾无功补偿和低次谐波治理。例如:

点焊机;汽车行业,分布式光伏,码头提升装置;钢厂

功率因数低,负荷快速变化,以无功补偿为主,低次谐波治理为辅。如:

点焊机;

负荷较平稳的场所,例如:工厂、省网、农网等

功率因数低,负荷变化稳定,谐波电流严重畸变的场所。

例如:

变频器

适用于无功量大,负载频繁变化,电流严重畸变,且现场柜体安装空间有限制的场所。如:汽车行业,钢铁冶金行业,光伏行业,单(多)晶炉行业等。

单柜容量

(800*800*2200)柜体尺寸可定制

300Kvar

500Kvar

300Kvar

200Kvar无功+100A谐波

500Kvar无功+250A谐波

5产品功能

5.1 ANAPF有源电力滤波器

 

 

触摸屏

互感器

ANAPF系列有源电力滤波器并联在电网上,负载电流通过电流互感器采集到ANAPF的控制系统中,通过实时检测电路将负载电流中的谐波分量和基波无功分量分离出来,经控制系统快速运算,采用PWM控制IGBT的触发。通过由大容量IGBT管组成的三相变流器向系统注入补偿电流,该补偿电流与负荷电流中的谐波电流大小相等,方向相反,互相抵消,实现滤除谐波的功能,保证流入电网电流是正弦波。

5.2 ANSNP中线安防保护器

 

ANSNP中线安防保护器通过电流检测环节采集系统中性线上各次谐波电流,经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量,产生谐波电流指令,通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流,并注入中性线,从而消除中性线中过大的电流。

5.3 ANSVG静止无功发生器

ANSVG静止无功发生器是一种用于补偿无功以及不平衡的新型电力电子装置,它能对大小变化的无功以及负序进行快速和连续的补偿,其应用可克服LC补偿器等传统的无功补偿器响应速度慢、补偿效果不能控制、容易与电网发生并联谐振和投切震荡等缺点。

5.4 ANSVC低压无功功率补偿装置

(1)分立元件方案

ANSVC 低压无功功率补偿装置适用于频率 50Hz 电压 0.4kV 电网的无功功率自动补偿;它集无功补偿、电网监测于一体,不但可以通过投切电容器组来补偿电网中的无功损耗,提高功率因数,降低线损,从而提高电网的负载能力和供电质量;同时还能够实时监测电网的三相电压、电流、功率因数等电量参数。

(2)智能电容方案

 

AZC系列智能电力电容补偿装置是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。AZC由智能测控单元,投切开关,线路保护单元,低压电力电容器等构成,AZCL在AZC的基础上添加了电抗器,电抗率可选7%/14%,用于主要谐波为5次及以上/3次、5次及以上的电气环境。改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式。具有补偿效果更好,体积更小,功耗更低,价格更廉,节约成本更多,使用更加灵活,维护更方便,使用寿命更长,可靠性更高等特点。

5.5 ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置

ANSVG-G-A混合动态滤波补偿装置在补偿无功的同时可兼治理系统的谐波,该设备以并联方式接入配电系统,实时监测系统的电流分量,通过控制计算及逻辑变化,计算出系统所需的无功分量及谐波分量,然后通过三相全桥换流电路实时产生系统所需要的无功与谐波电流注入到配电系统中,实现智能补偿,兼谐波治理。

5.6 ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置

 

ANSVG-S-A系列混合动态消谐补偿装置应用新技术,以SVC的经济性和APF滤波的性等特点为基础,将两者技术相结合,提高传统无功补偿技术,在降低成本的同时,实现谐波治理与无功补偿。

5.7 ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置

 

 

ANSVG-S-G智慧型动态无功补偿装置是一种用于补偿无功,提高功率因数,实现补偿效果的新型电力电子装置;智能控制系统主动根据系统的线性动态需求,自动调节有源及无源模块的输出配比;ANSVG-S-G整机主要是由ANSVG-S-G模块、无源补偿电容器(TSC)、液晶显示器组成。

6应用案例

6.1 概述

某工厂负载为空压机、注塑机一类的变频设备,是典型的谐波发生源,客户要求针对谐波电流进行治理,改造前/后实测数据如下:

 

治理前数据截图

治理后数据截图

现场安装图

现场安装图

6.2 测量前/后数据统计

变压器

电流

电流畸变率

谐波电流

电压畸变率

3次谐波

5次谐波

7次谐波

11次谐波

治理前A相

493.0

32.39%

159.7

5.4%

5.5

138.5

49.7

29.3

治理后A相

458.5

10.42%

47.8

2.97%

0.7

39.9

21.8

4.7

治理前B相

483.2

32.67%

157.8

5.48%

6.4

138.8

44.1

29.3

治理后B相

455.0

10.56%

48.0

3.01%

6.0

40.8

19.8

7.0

治理前C相

498.8

31.82%

158.8

5.51%

1.9

139.4

46.7

29.3

治理后C相

479.2

10.40%

49.8

3.01%

2.9

41.4

23.2

6.8

6.3 测量前/后数据分析

从治理前后的测量数据电流波形对比图中,我们可以较为直观的看出谐波治理后的电流波形更加平滑,更加趋近于正弦波形。根据数据统计可知,谐波电流主要以5、7、11次为主,治理前的5、7、11次谐波电流均超出国标限值(5次62A、7次44A、11次28A),经过容量200A的ANAPF有源滤波器治理后均降到了限值以下,满足国标对于各次谐波电流值的要求;治理后谐波电流畸变率(以A相为例)由治理前的32.39%降到了10.42%;治理后谐波电压畸变率(以A相为例)由治理前的5.4%降到了2.97%,满足国标限值电压畸变率≤5%的要求,各项指标符合国家标准,谐波治理效果明显。

7典型业绩

常州市轨道交通

青岛国际机场

武汉军运会体育中心

赞比亚城市安全中心

沪通铁路

哈尔滨某医院松北院区

兰州某人工智能云计算

棋山隧道配电

中国邮政速递物流

晋江第二体育馆中心

安徽某生物医药产业园

华电淄博华星项目

北湖轻轨

方庄未来水厂

利时广场

长沙某智能制造产业园

杭州火车南站

达州西客站充电站

高淳人民医院

上海张江高科产业园

深圳某污水处理厂

兰州大学

尧塘中小学

郑州市民活动中心

8结束语

电能质量监测是保证电力系统安全可靠运行的技术支撑,是保证电网和电气设备安全和可靠的重要手段。建立实用、先进、可靠的电能质量监测网络,为及时分析和反映电网的电能质量水平,找出电网中影响电能质量的原因,采取相应的措施,对电网的安全、稳定、经济运行具有重要意义。

参考文献:

[1] 陆建国.电能质量监测系统及其应用

[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.