基于低壓用戶側的電能質量監測研究

2019-11-03 10:00:49

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供稿：網友

王賓1, 潘貞存1, 宋潔2

1 山東大學電氣工程學院, 濟南 250061;

2 山東煙臺發電廠, 煙臺 264000

　　摘要:現代社會的快速發展，使越來越多的低壓用戶開始關注電能質量問題。而到目前為止，實際應用中的電能質量監測主要是基于系統側來考慮的，監測節點主要選在變電站以及關鍵用戶接入點處。本文分析了與低壓用戶密切相關的各項電能質量指標，指出從墻上電源插座采集電壓信號，對低壓用戶而言，就可以完全掌握其電能質量狀況，在此基礎上提出了基于低壓用戶側的電能質量監測的思路，探討了相關的網絡結構和關鍵技術方法。

　　關鍵詞: 電能質量; 電能質量監測; 以太網; 低壓用戶

　　1引言 

　　電力系統中，電能質量問題同時存在于輸電系統與配電系統，輸電系統可靠性高，發生故障的概率比較低，大部分的故障、異常現象出現在配電系統。電能質量問題與用戶設備密切相關，IEEE技術協調委員會給出的“power quality”的技術定義為：“合格的電能質量是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統適合該設備正常工作”［1］。因此，實際供電系統中，電能質量危害主要體現在與用戶密切相關的配電系統以及低壓網絡（400V）中，如電壓跌落問題引起的設備誤跳閘；短時斷電現象造成計算機服務器數據丟失；諧波問題引起用戶設備不正常發熱等。

　　以前，關注電能質量問題的主要是系統工程師以及相關的技術人員，電能質量監測主要是基于系統側來考慮的［2］［3］，分布于各個變電站和關鍵用戶接入點處的電能質量監測單元通過通信網絡連接成一個有機的整體，共同完成整個電網的電能質量分析。電力部門可以為其本身及其關鍵用戶提供監測數據，這對于整個電網電能質量水平的監測分析，諧波污染源的定位，電壓質量的持續監測都有很大的益處。

　　然而隨著社會的快速發展和電力市場機制的不斷完善，越來越多的低壓用戶開始關注電能質量問題，比如：IT行業公司關心其計算機系統能否正常工作（若電壓幅值下降大于10%，持續時間大于0.1s，其系統有可能紊亂）［4］。因此有必要從低壓用戶的角度，來重新認識電能質量監測的相關技術。本文在分析了與低壓用戶密切相關的各項電能質量指標的基礎上，探討了基于低壓用戶側的電能質量監測的技術方法和網絡結構。

　　2基于低壓用戶側的電能質量監測技術分析

　　2.1低壓用戶監測指標分析

　　電能質量問題可分為電壓質量和電流質量兩部分。實際供電過程中，系統可以控制的僅為用戶電壓，無法控制用戶汲取的電流量。因此與用戶密切相關的電能質量指標主要為電壓指標，如：電壓波動，閃變，電壓跌落，驟升，短時斷電等。電流質量問題主要為諧波問題，它在一定程度上也可以在電壓諧波中得到反映。因此對于低壓用戶而言，從墻上電源插座（單相或三相）引入輸入量，僅僅采集相關的電壓信號，就可以完整的描敘實際電能質量狀況。對單相兩芯插座，三相電能質量問題如：三相不平衡和三相諧波等問題，得不到很好的監測。但是對普通低壓用戶而言，它面向的主要為單相電力系統，三相電能質量問題對其影響不大。而針對三相電動機等三相負荷，墻上三相電源插座可以很好的提供三相相電壓信號輸入。下面詳細的分析與低壓用戶相關的電壓質量指標和監測方法。

　　2.1.1電壓諧波分析

　　采樣信號經快速傅立葉變換（FFT），可以得到各次諧波分量的實部Ur(k)、虛部Ui(k)，然后利用公式（1）、（2）、（3），就可以得到各次諧波電壓幅值Uk、相角θk以及總諧波畸變率THD

　　2.1.2電壓波動和閃變的測量

　　由2000年國標修訂版《電能質量電壓波動和閃變》（GB123262000），電壓波動可以采用以下指標來衡量：

　　式中，Umax、Umin為工頻電壓調幅波的相鄰兩個極值電壓（均方根值）。

　　閃變不僅與電壓波動的大小有關，而且與波動頻度、波形、照明燈具的形式和參數（電壓、功率等）有關，此外還和人的視感靈敏性有關。由于人的視感有一定的記憶效應，對于閃變影響的評定必須取足夠長的時間，因此2000年國標修訂版參考國際電工委員會（IEC）標準，規定了短時間閃變值Pst（10分鐘統計）和長時間閃變值Plt（2小時統計）兩項指標，這與1990年版國標采用的10Hz等效閃變值（ΔV10）有較大的不同，具體的定義如下：

　　式中，P0.1、P1、P3、P10、P50分別為10min內瞬時閃變視感度S(t)超過0.1%、1%、3%、10%、50%時間的覺察單位值。

　　式中，n為Plt測量時間段內所包含的Pst個數，在2小時期間內，每隔10分鐘測一次，可得n=12。

　　2.1.3頻率的精確測量

　　在采樣速率較高的前提下，經過相鄰兩個采樣點的正弦曲線，可以用線性關系近似表示，因此頻率的測量可以采用以下的方法［5］：

　　采樣數值經過去噪處理以后，通過一個45Hz-55Hz的窄帶數字濾波器，保證采樣數值過零點的唯一性，然后通過插值求波形過零點的時刻來求得采樣信號的周期值。

　　如圖1,A0、A1；An、An+1分別為兩個相鄰負斜率過零點前后的采樣值，TS為一個采樣周期。T0、T1；Tn、Tn+1分別為A0、A1；An、An+1采樣時刻距自身相鄰過零點時刻的時間。當采樣周期足夠短時，A0和A1間的正弦曲線可近似為直線，則

　　觀察圖1，兩個正斜率過零點間共有N次采樣，則該信號的頻率為

　　2.1.4暫態電壓指標測量

　　暫態電壓指標測量主要包括：電壓跌落，電壓驟升，短時斷電以及暫態過電壓的統計分析等。

　　對于短時斷電，只需精確統計電壓幅值為零（或低于某一極小值）的持續時間（ΔT）即可。根據電壓跌落、電壓驟升的特點，通過計算電壓幅值偏移、持續時間和可能相伴出現的相位跳變，最能反映其危害程度。

　　由文獻［6］，以單相電源為參考電壓構造一個虛擬的三相系統，以A相為例，首先將Ua延時60°得Uc，由Ub=Ua-Uc算出Ub。

　　然后將三相電壓變換到dq軸：

　　將變換后d，q分量電壓中的直流成分Uda和Uqa提取出來，則可得

　　當計算跌落電壓幅值時，可以采用整周期監測；當檢測凹陷起止時刻時，為了提高精度，應當采用半周期檢測。

　　對于暫態過電壓的測量，根據國家新頒布的電能質量國標《電能質量暫時過電壓和瞬態過電壓》（GB/T18481-2001）的要求，應當提供短時錄波功能，并且測量暫態波形過電壓峰值Umax。

　　2.1.5供電可靠性的統計

　　本系統是針對低壓用戶側的電能質量監測，同時它也可以統計用戶的斷電時間（ΔT），完成對供電可靠性的監測。

　　2.1.6三相不平衡度的監測計算

　　三相不平衡度的監測以計算系統中的負序分量與正序分量的比值來表示。對交流采樣后得到的數據進行數字處理得到各相基波電壓，然后根據對稱分量法分別求出負序、正序基波電壓

，即可求得ε。

　　2.2電能質量監測網絡結構分析

　　在實際應用中，對低壓用戶而言，客戶端電能質量監測單元可以假想為一個黑匣子，如圖2所示，它具有的僅僅是一端輸入和一端輸出。輸入可以直接從墻上的低壓電源插座采集電壓信號，輸出為一個以太網接口和(或)一個RS232接口，這樣對用戶而言，只需插上電源插座，然后就可以通過以太網查看監測數據和分析結果，或者通過RS232串口總線實現點對點的本地監測。

　　2.2.1點對點監測方式

　　點對點監測包括兩種方式：采用RS232串口總線實現點對點的本地數據傳輸；基于以太網通信的遠程點對點監測。

　　采用RS232串口總線實現點對點數據監測，適合現場的數據觀察。它成本低，僅僅需要一臺筆記本電腦或PC機與監測單元相連，就可以實現數據的監測分析，而且靈活方便，只要墻上有電源的地方就可以監測。數據的分析統計由安裝在筆記本電腦或PC機的上層軟件包完成，它可以完成對本監測點實時、歷史數據的存儲和處理，但是缺乏不同監測點間數據的橫向分析。

　　基于以太網通信的遠程點對點監測，與基于RS232串口數據通信的點對點監測類似，它們的數據處理方式相同，只不過是數據傳輸的方式不同。基于以太網通信的點對點監測更適合于遠方數據監測，但是這種方式對網絡的依賴性比較高，在以太網未普及的地方，這種方式的成本將大大的增加。

　　2.2.2分布式以太網監測系統

　　利用現有以太網（因特網）的豐富資源，組建以太網分布式監測系統是一種低成本、高可靠性、快捷的技術方案。基于客戶/服務器模式的分布式以太網監測系統，不僅可以實現遠方數據監測，而且可以借助電能質量分析服務器和數據庫服務器，實現較高層次的數據分析和存儲。系統拓撲圖如圖3所示。

　　在以太網監測系統方式下，客戶端監測單元軟件主要響應遠程服務器的命令，將帶有時間標簽的采樣數據進行壓縮后上載到遠程服務器端。

　　服務器系統包括主站控制服務器、數據庫服務器和運算分析服務器。主站控制服務器提供WWW方式的頁面瀏覽服務，可進行用戶實時數據顯示、用戶信息查詢以及反饋分析結果給用戶。實時數據、歷史數據存放在數據庫服務器。各種計算軟件包在運算分析服務器中運行，它通過訪問數據庫服務器獲得設計數據和運行數據，并將計算結果反饋給主站控制服務器。

　　2.3電能質量監測上層軟件設計分析

　　基于低壓用戶側的電能質量監測系統上層軟件包，不僅要完成大量的數據計算和統計，同時還應具有友好的人機交互能力。具體來講，它應當具有以下四部分功能：

　　(1)實時顯示功能

　　實時顯示電壓波形、信號頻譜圖，以及諧波幅值（Uk）、諧波總畸變率（THD）、頻率（f）、電壓波動值（Ui）、短期閃變值（Pst）、長期閃變值（Plt）、暫態過電壓峰值等指數。

　　(2)數據統計分析

　　計算指定時段的報表數據，如：諧波的復平均值、諧波最大值等；統計分析相關數據的概率分布曲線和參數，如：電壓跌落和供電可靠性的統計指數值等。

　　表征電壓跌落(驟升)的指標主要是統計電壓有效值低于門檻電壓x的概率統計指數SARFIx（System Average RMS Variation Frequency Index），以及在SARFIx指數基礎上派生出來的SIARFIx、SMARFIx、STARFIx等系數［7］。

　　式中：NT為研究區域內的用戶總數；NIi、NMi、NTi、Ni分別為第i次測量過程中，針對門檻電壓x經歷即時，瞬時，暫時電壓跌落的用戶數以及經歷電壓跌落的用戶總數。

　　衡量供電可靠性的系數主要有：SAIFI（Syste-m Averages Interruption Frequency Index）和SAIDI（System Averages Interruption Duration Index）等。

　　NA、ND分別為統計過程中，停電的用戶總數以及用戶的停電總時間。

　　(3)波形辨識功能（分析功能）

　　對監測數據，利用小波分析，二次變換，傅立葉變換，有效值檢測以及人工智能等技術，完成擾動的智能辨識分類，諧波源的檢測與定位等功能，給用戶電能質量指標惡化提供合理的解釋和指導。

　　(4)數據存儲功能

　　完成不同時段監測數據的管理分類，提供故障錄波功能，以及歷史數據的查詢功能。

　　3結論

　　隨著現代工業的快速發展，越來越多的低壓用戶關注著電能質量問題。而到目前為止，實際應用中的電能質量監測主要是基于系統側來考慮的，監測節點主要選在變電站以及關鍵用戶接入點處。本文分析了與低壓用戶密切相關的電能質量指標，指出從墻上的普通電源插座采集電壓信號，就可以完全掌握用戶的電能質量狀況。在此基礎上提出了基于低壓用戶側的電能質量監測的思路，其監測單元對用戶來講為一個黑匣子，輸入為普通的墻上電源接口，而輸出為一個RS232串口總線接口和（或）一個以太網接口。這種監測方式靈活，采用以太網方式組成的監測網是一種完全分布式的監測系統，它適應現代電能質量監測發展的新方向。但是這種監測系統的使用和普及將會受到相關電力政策的影響，比如電力市場的發展水平以及社會和電力系統對電能質量監測地認可等。

　　參考文獻

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摘自《電力系統及其自動化學報》

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