淺析電能質量監測系統及應用

摘 要：介紹了電能質量監測系統的構成和基本原理，分析探討了該系統在供配電系統和工廠用電設備監測等方面的應用，其對電網的安全、穩定、經濟運行具有重要意義。

關鍵詞：電能質量；監測系統；供配電系統；應用

0前言

電能質量是衡量電網供給用戶端交流電能的品質標準。電能質量監測系統是對電力系統、工業用戶等電能質量進行監測并自動記錄的智能化數據監測系統。該系統對電網電壓及電流波形進行實時監測、分析，并自動生成所需圖形報表，相關技術人員即可以通過Web方式隨時查詢電網的實時電能質量數據和歷史數據，對電能質量擾動做出科學的評估，為改善電能質量提供決策依據。

1電能質量監測系統的構成和原理

電能質量監測系統由監測終端、主站及遠程監測軟件系統組成。

1.1電能質量監測終端

監測終端主要完成數據的處理、記錄、存儲以及與主站之間的通訊連接和數據傳輸，形成圖形報表。監測終端還具有LCD圖形顯示、多參數綜合測量、參數報警值設定、實時定點報警等功能。終端運行VRTX實時多任務操作系統，可以及時響應用戶的請求，過電壓數據采用中斷方式記錄，保證數據不丟失。

監測終端的硬件由TA/TV及AD信號預處理、DSP數據處理器、并行通訊ISA總線并行擴展、調制解調器、LCD顯示器（VGA單色帶背光）、網絡適配器、電源等構成。電能質量監測終端的硬件構成框圖見圖1。

傳感器將配電網參數的電能信號TA/TV轉化為AD的輸入信號，然后進行同步采樣，轉換后的采樣數據通過同步串口傳入DSP，進行數據處理。DSP數據處理器是監測終端的核心部件之一，它將采集的數據變換格式，采用成熟的FFT（快速傅立葉算法）計算分析處理各種數據。DSP將分析結果送到LCD以圖形方式顯示電壓、電流基波及各次諧波的幅值、相角，電壓、電流的矢量圖，電壓、電流波形，并通過串口將數據送到主站PC進行相應的處理。上位計算機對接收到的數據，通過管理軟件對數據進行分類、儲存、共享，運行和管理人員可隨時查詢，并可選取需要的數據進行報表輸出和曲線打印分析。

1.2主站及遠程監測軟件

主站通過調制解調器或網絡接受監測終端上傳的數據主站為客戶機—服務器方式，數據存放在服務器的數據庫中，可以方便地調用與查詢。主站接受監測終端上傳的數據，進行統計分析，形成文件、報表及曲線，并可顯示數據和圖形(如頻譜圖、波形圖、曲線圖、向量圖等)。它可以管理多臺電能質量監測終端，對收集到的數據進行分析與處理，可以對某一時段或某一事件過程時段的電能質量進行分析、形成報表，自動形成日、月和年報表，自動找出諧波含有率超標的時段與線路，計算電壓合格率與供電可靠性。遠程監測軟件主要完成數據的處理、計算、統計及圖顯，提供報警等信息。監測系統軟件框圖

見圖2。

2電能質量監測系統的應用

從上世紀80年代起,我國電能質量監測技術經歷了20多年的發展歷程，已經實現了由單一功能向多功能監測的發展。目前在電能質量監測技術已在供配電系統和工廠用電設備監測有著廣泛應用。

2.1供配電系統電能質量監測

我國早在90年代開始就陸續推出了關于電能質量方面的一系列相關國家標準。在電子技術越來越發達的今天,現代電子設備對電能質量更為敏感，現代電子設備的大量應用加重了電網電能質量的污染，因此及時了解電能質量的情況對對于供用電雙方都具有十分重要的意義。電能質量監測系統對運行中的供配電系統進行實時連續監測，可根據使用部門的要求進行相關指標合格區域等參數的設定、統計出電網各指標的數據，自動生成所需圖形報表，并進行數據儲存。同時系統對設定的電能質量指標值有越限報警功能，可輕松判斷指標超標與否，提醒人們對供、用電設備的運行狀態及時進行調整，確保電網的電能質量符合國家有關標準。

2.2供配電系統及工業用電設備運行監測

電能質量監測系統對供配電系統運行中電壓、電流全波形的實時監測，并實時分析電網中電壓、電流的諧波狀況，為運行和檢修人員提供可靠的電網運行相關參數，隨時隨地掌握電網的運行狀況，這樣就能在供配電系統和用電設備運行出現故障前，掌握到其早期的故障信息，及時做好預防檢修，提高電力系統供電的安全性、可靠性和經濟性，保證用電設備的正常工作。電能質量監測系統也可對工業用電設備運行進行監測，特別是容量相對較大的非線性負載用戶設備。用戶可通過監測數據，掌握用電設備諧波情況，以制定合適的治理方案，提高用電質量，同時提高設備使用壽命。同時用戶還可通過監測系統在線無功補償，提高功率因數，滿足供電企業考核指標，同時減少線路損耗，節約電能消耗；通過在線監測用戶可以及時清楚了解供電設備狀況，及早發現設備隱患和電能損耗定位，提高供電效率。

2.3供配電系統事故原因分析

電能質量監測系統具有故障錄波功能，能夠記錄發生故障時刻的電網狀態，通過分析，為判斷故障的來源和分析、解決問題提供了詳盡、可靠的數據和依據，這對于解決電力故障糾紛提供了可靠的技術支持。

2.4為供配電網技改提供依據

通過電能質量在線監測系統，可以評判供配電網監測點哪些指標是主要的矛盾所在，其概率水平及時間分布規律如何，從而以合理的投資、較好的技術方案、適度余量的容量進行解決。

2.5合理引導用戶錯峰用電提供依據

近年各地不同程度都出現電力缺口的情況。通過電能質量在線監測系統，可以統計出本地區峰、平、谷用電負荷情況，據此電力管理部門可制定合理的錯峰用電方案，合理分布電能使用時間，削峰填谷，減少因為拉閘限電給企業帶來損失。

3電能質量監測與治理系統

3.1概述

電能質量分析與治理系統主要研究供配電系統中的無功補償和諧波治理問題，適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業與民用及公共建筑內電氣設備的無功補償、諧波及綜合治理等，可根據不同行業類型和負載類型的電能質量問題提供合適的設計解決方案，以達到改善供電質量和確保電力系統安全經濟運行的目的。

3.2典型行業

①商業中心/辦公大樓/醫療/機場/體育館：空調、電梯、LED屏幕、可控硅調光系統、音響系統；

②港口碼頭/造船/造紙/煙草/煤礦：變頻器等；

③光伏/充電樁/化工/冶金：變頻器、整流器等；

④學校/研究院：實驗室、機房設備、數據中心；

⑤工廠：使用大型設備的生產線，高精度數控中心等；

⑥通信/金融/醫療/商業中心：UPS、開關電源等。

3.3系統架構

電能質量分析與治理系統由低壓側電能治理產品組成，主要產品有ANAPF有源電力濾波器、ANSVG靜止無功發生器、ANSNP中線安防保護器、ANHPD諧波保護器、ANSVC低壓無功功率補償裝置、ANSVG-G-A混合動態濾波補償裝置、ANSVG-S-A混合動態消諧補償裝置、ANSVG-S-G智慧型動態無功補償裝置等。

4產品選型

4.1 諧波治理產品選型

種類 區別	ANAPF 有源電力濾波器	ANSNP 中線安防保護器	ANHPD 諧波保護器
組成	電力電子元器件	電力電子元器件	高通濾波模塊
功能	諧波治理、無功補償、 平衡三相電流	諧波治理、無功補償、 平衡三相電流	治理高次諧波，防止高頻干擾
濾波范圍	2-51次	2-51次	3kHz~10MHz
應用	應用范圍較廣，可無功補償和平衡三相電流，與傳統無源濾波器相比節省空間，有較強的補償性能、適應場合多。	適用于商場、劇院、體育中心、數據中心、醫院等3N次諧波較大場合，能夠的治理過大的零線電流。	通常應用于醫院、機房、工廠、實驗室等易受高頻諧波干擾場合。

4.2、無功補償產品快速選型

種類 區別	ANSVC 低壓無功功率補償裝置	ANSVG 靜止無功發生器	ANSVG-S-G 智慧型動態無功補償裝置	ANSVG-S-A 無功諧波混合補償裝置	ANSVG-G-A 混合動態濾波補償裝置
組成	分立元件（電容、電抗、投切開關）或智能電容	SVG模塊	ANSVG-S-G模塊+分立元件	APF模塊+分立元件	ANSVG-G-A模塊（輸出無功和諧波）
無功補償 范圍	容性無功	容性無功 感性無功	容性無功 部分感性無功	容性無功 部分感性無功	容性無功 感性無功
無功補償 精度	一般 （寬范圍無功補償）	高 （精細無功補償）	很高 （寬+精細無功補償 ）	一般 （寬范圍無功補償）	高 （精細無功補償）
諧波治理		5,7,11,13次	5,7,11,13次	2-50次	2-50次
動態響應	≥100ms	≤5ms	≤5ms	≤5ms	≤5ms
應用	功率因數較低，負荷波動不能太快，主要以無功補償為主的場所。	功率因數低，負荷快速變化，兼顧無功補償和低次諧波治理。例如： 點焊機；汽車行業，分布式光伏，碼頭提升裝置；鋼廠	功率因數低，負荷快速變化，以無功補償為主，低次諧波治理為輔。如： 點焊機； 負荷較平穩的場所，例如：工廠、省網、農網等	功率因數低，負荷變化穩定，諧波電流嚴重畸變的場所。 例如： 變頻器	適用于無功量大，負載頻繁變化，電流嚴重畸變，且現場柜體安裝空間有限制的場所。如：汽車行業，鋼鐵冶金行業，光伏行業，單（多）晶爐行業等。
單柜容量 （800*800*2200）柜體尺寸可定制	300Kvar	500Kvar	300Kvar	200Kvar無功+100A諧波	500Kvar無功+250A諧波

5產品功能

5.1 ANAPF有源電力濾波器

 

 

觸摸屏

互感器

ANAPF系列有源電力濾波器并聯在電網上，負載電流通過電流互感器采集到ANAPF的控制系統中，通過實時檢測電路將負載電流中的諧波分量和基波無功分量分離出來，經控制系統快速運算，采用PWM控制IGBT的觸發。通過由大容量IGBT管組成的三相變流器向系統注入補償電流，該補償電流與負荷電流中的諧波電流大小相等，方向相反，互相抵消，實現濾除諧波的功能，保證流入電網電流是正弦波。

5.2 ANSNP中線安防保護器

 

ANSNP中線安防保護器通過電流檢測環節采集系統中性線上各次諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入中性線，從而消除中性線中過大的電流。

5.3 ANSVG靜止無功發生器

ANSVG靜止無功發生器是一種用于補償無功以及不平衡的新型電力電子裝置，它能對大小變化的無功以及負序進行快速和連續的補償，其應用可克服LC補償器等傳統的無功補償器響應速度慢、補償效果不能控制、容易與電網發生并聯諧振和投切震蕩等缺點。

5.4 ANSVC低壓無功功率補償裝置

（1）分立元件方案

ANSVC 低壓無功功率補償裝置適用于頻率 50Hz 電壓 0.4kV 電網的無功功率自動補償；它集無功補償、電網監測于一體，不但可以通過投切電容器組來補償電網中的無功損耗，提高功率因數，降低線損，從而提高電網的負載能力和供電質量；同時還能夠實時監測電網的三相電壓、電流、功率因數等電量參數。

（2）智能電容方案

 

AZC系列智能電力電容補償裝置是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。AZC由智能測控單元，投切開關，線路保護單元，低壓電力電容器等構成，AZCL在AZC的基礎上添加了電抗器，電抗率可選7%/14%，用于主要諧波為5次及以上/3次、5次及以上的電氣環境。改變了傳統無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式。具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價格更廉，節約成本更多，使用更加靈活，維護更方便，使用壽命更長，可靠性更高等特點。

5.5 ANSVG-G-A混合動態濾波補償裝置

ANSVG-G-A混合動態濾波補償裝置在補償無功的同時可兼治理系統的諧波，該設備以并聯方式接入配電系統，實時監測系統的電流分量，通過控制計算及邏輯變化，計算出系統所需的無功分量及諧波分量，然后通過三相全橋換流電路實時產生系統所需要的無功與諧波電流注入到配電系統中，實現智能補償，兼諧波治理。

5.6 ANSVG-S-A系列混合動態消諧補償裝置

 

ANSVG-S-A系列混合動態消諧補償裝置應用新技術，以SVC的經濟性和APF濾波的性等特點為基礎，將兩者技術相結合，提高傳統無功補償技術，在降低成本的同時，實現諧波治理與無功補償。

5.7 ANSVG-S-G智慧型動態無功補償裝置

 

 

ANSVG-S-G智慧型動態無功補償裝置是一種用于補償無功，提高功率因數，實現補償效果的新型電力電子裝置；智能控制系統主動根據系統的線性動態需求，自動調節有源及無源模塊的輸出配比；ANSVG-S-G整機主要是由ANSVG-S-G模塊、無源補償電容器（TSC）、液晶顯示器組成。

6應用案例

6.1 概述

某工廠負載為空壓機、注塑機一類的變頻設備，是典型的諧波發生源，客戶要求針對諧波電流進行治理，改造前/后實測數據如下：

 

治理前數據截圖

治理后數據截圖

現場安裝圖

6.2 測量前/后數據統計

變壓器	電流	電流畸變率	諧波電流	電壓畸變率	3次諧波	5次諧波	7次諧波	11次諧波
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 測量前/后數據分析

從治理前后的測量數據電流波形對比圖中，我們可以較為直觀的看出諧波治理后的電流波形更加平滑，更加趨近于正弦波形。根據數據統計可知，諧波電流主要以5、7、11次為主，治理前的5、7、11次諧波電流均超出國標限值（5次62A、7次44A、11次28A），經過容量200A的ANAPF有源濾波器治理后均降到了限值以下，滿足國標對于各次諧波電流值的要求；治理后諧波電流畸變率（以A相為例）由治理前的32.39%降到了10.42%；治理后諧波電壓畸變率（以A相為例）由治理前的5.4%降到了2.97%，滿足國標限值電壓畸變率≤5%的要求，各項指標完全符合國家標準，諧波治理效果明顯。

7典型業績

常州市軌道交通	青島國際機場
武漢軍運會體育中心	贊比亞城市安全中心
滬通鐵路	哈爾濱某醫院松北院區
蘭州某人工智能云計算	棋山隧道配電
中國郵政速遞物流	晉江第二體育館中心
安徽某生物醫藥產業園	華電淄博華星項目
北湖輕軌	方莊未來水廠
利時廣場	長沙某智能制造產業園
杭州火車南站	達州西客站充電站
高淳人民醫院	上海張江高科產業園
深圳某污水處理廠	蘭州大學
堯塘中小學	鄭州市民活動中心

8結束語

電能質量監測是保證電力系統安全可靠運行的技術支撐，是保證電網和電氣設備安全和可靠的重要手段。建立實用、先進、可靠的電能質量監測網絡，為及時分析和反映電網的電能質量水平，找出電網中影響電能質量的原因，采取相應的措施，對電網的安全、穩定、經濟運行具有重要意義。

參考文獻：

[1] 陸建國.電能質量監測系統及其應用

[2] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.