電網電能質量的監測與分析
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【關鍵詞】分析,監測,質量,電壓,電能,電網,
隨著經濟的快速發展，電網中非線性負荷用戶的比例不斷提高，由此而產生的供電電能質量嚴重下降，表現得越來越突出。電能質量嚴重超標正在大范圍的污染供電環境，危及電網及其供電設備的安全穩定運行，嚴重的影響電力企業及廣大用戶的經濟效益。
這種現象在北京孫河220kV變電站表現十分嚴重，它不但使變電設備的安全運行無法保證，而且影響到當地的企業生產用電和居民生活用電。為此2002年在該站安裝了電能質量監測系統，對10kV母線的電能質量進行了連續的監測。
1孫河220kV變電站電能質量在線監測系統介紹
為了加強對電能質量的管理和監控，2002年在孫河220kV變電站建立了電能質量在線監測系統，進行實時在線監測。此前，該站經常燒TV保險，曾多次發生過TV爆炸的事故，存在嚴重的諧振現象。
采用電能質量在線監測儀進行實時監測，該裝置主要有以下幾種監測和統計功能：
(1) 三相各次諧波電壓、電流及其諧波含有率；
(2) 三相電壓、電流總諧波畸變率；
(3) 三相有功、無功功率及其方向；
(4) 總的有功功率、無功功率，功率因數及相位移功率因數；
(5) 電網頻率、線電壓、電壓偏差；
(6) 電壓不平衡度、負序電壓、負序電流。
電能質量在線監測單元，安裝在220kV孫河變電站10kVII段母線，服務器安裝在監控中心，是集通訊/數據庫/Web發布于一體的服務器，與變電站監控單元間通過光纖進行通訊傳輸數據，同時監控數據通過Web服務器對MIS系統開放，支持Web瀏覽方式，做到數據共享，公司所有局域網內的微機，均可通過Web瀏覽進行訪問，查看電能質量分析的各種報表和數據，了解監測點的電壓、電流波形、各次電流電壓的諧波分量等電能質量情況。
2變電站概況及監測結果
該變電站有主變壓器2臺，容量均為180MVA，220kV母線、110kV母線、10kV母線均分段并列運行，有并聯補償電容器一組，容量為2700kvar，正常運行方式為2號主變帶全站負荷。負荷主要是周圍一些工廠的工業用電、城市生活用電及周圍農業負荷。工業用電主要集中棉廠、紗廠、變壓器廠、化工廠和木材加工廠等，這些也是該站主要的諧波源。
經過3個月的連續監測，對數據進行了統計，該監測點監測數據的部分統計，見表1～6。
3對電能質量的分析
根據監測數據和結果分析：
(1) 從諧波電壓總畸變率表4可看出，該監測點諧波電壓總畸變率嚴重超標。國家標準為4%，實際情況為三相總畸變依次是：6.89%、6.50%、7.24%。對于并聯無功補償裝置，10kV電容器應進行容量及參數計算，適當改變電容參數，避免產生諧振，防止諧波對電容器造成損壞。對該站以后新增負荷時，應嚴格控制諧波源，以避免諧波分量進一步提高，給電網造成較大的安全隱患。
(2) 從各次諧波電壓含有率水平表1可見：3次諧波含有率較高，A相為6.7%，其次是5、7次諧波，這對并聯無功補償電容器串聯電抗百分數的選擇，有重要的參考價值。
(3) 諧波電流均不超標，主要諧波頻次為：3、5、7、9次，這為諧波治理提供了基礎數據。
(4) 根據上述分析可判斷，該監測點存在嚴重的3次諧波諧振現象，應改變系統運行方式，分析并聯補償電容器對諧波的影響。
(5) 根據無功功率數據大小、方向及功率因數判斷，該站10kV母線安裝的并聯無功補償裝置，其基波無功功率偏大（各種工況下功率因數基本保持1，某些工況下出現少量的無功倒送），因此，整體10kV母線電壓偏高。
(6) 根據基波電壓最大最小值、電壓偏差最大最小值、零序負序電壓最大值、總諧波電壓畸變率最大值、各次諧波電壓、電流含量最大值、閃變最大值等參數判斷，檢測中出現過大的電網沖擊，10kV母線接有大的沖擊性負荷，或出現B相經中間物接地現象（出現過很高的零序、負序電壓）。
(7) 根據電壓偏差可知各相電壓合格率：A相2.69%、B相97.8%、C相94.6%，A相合格率較低，且絕大部分為正偏差。
由以上分析可看出，該變電站存在嚴重的諧波污染，3次諧波存在諧振，并且10kV并聯補償電容器對諧波有放大作用，應調整其運行參數。
4影響電能質量的因素及其對策
影響電能質量的主要因素是各種非線性用電設備、變壓器和各類鐵心電抗器，它們可分為以下幾類：
(1) 電力電子裝置，這是最嚴重的諧波源。這些裝置在整流、逆變、調壓及變頻過程中產生大量的諧波；
(2) 電弧爐，如煉鋼用的交流電弧爐；
(3) 家用電器，如日光燈、電視機、調速風扇、空調、電冰箱等；
(4) 高新技術應用的多種設備，如電子計算機、功率調節器、節能燈等。
對220kV孫河站來說，周圍工廠的大量電力電子設備、各種大容量電動機是其最主要的諧波源，其次是大量城市生活用電設備等。
諧波不但影響用戶設備的正常運行，而且對電網設備和自動化裝置有很大的影響。諧波對電網自動化裝置的影響，要從改進自動化裝置的制作工藝和工作原理入手，加強裝置的抗干擾能力，防止裝置誤動作。但這對改善電網的電能質量并無任何作用，只能是減少電網諧波對自動化裝置影響，因此電能質量的治理，應加強對用戶諧波源的治理和改變電網參數，降低或消除諧波諧振。
(1) 對于電動機控制器產生的諧波，諧波的形狀很分明，可以裝設諧波濾波器來降低諧波電流。
(2) 對于特殊需要的用戶，可裝用隔離變壓器：限制均衡的3次諧波，可以采用一臺D，yn接法的隔離變壓器。
(3) 安裝有源的諧波調節器：在工作時注入一個電流來精確地補償由負荷產生的諧波電流，就會獲得一個理想的正弦波。這種濾波設備，靠數字信號處理(DSP)技術，控制快速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因為設備是與供電系統并聯工作，它只控制諧波電流，基波電流并不流過濾波器。目前有源濾波器正在日益推廣應用。
(4) 對于電網，應優化電網參數，改變運行方式，優化無功補償的安裝地點、方式和容量，消除電網諧振或減小電網對諧波的放大作用。
為了改善220kV站的電能質量狀況，對該站采取了一系列措施：
①在10kV TV、110kV TV的一次側中性點加裝非線性電阻；
②在10kV母線加裝消諧裝置；
③在2號主變110kV側中性點加裝消諧裝置；
④改變10kV并聯補償電容器的參數，消除諧振，減少對諧波的放大作用。
經過治理，現在已很少燒TV保險，也沒有發生TV爆炸事故，而且電能質量狀況較以前有較大的改善。
5結束語
為了保護電網的安全運行和用戶的安全用電，針對目前電網電能質量嚴重超標且正在大范圍的污染供電環境，危及電網及其供電設備的安全穩定運行的問題，對典型變電站電能質量進行了實測和綜合分析，并采取了有效的防范措施，取得了成效，從而限制了污染電網的強干擾源（如諧波源），確保電力系統的安全、可靠、經濟運行，保護電力用戶的合法權益。
隨著經濟的快速發展，電網中非線性負荷用戶的比例不斷提高，由此而產生的供電電能質量嚴重下降，表現得越來越突出。電能質量嚴重超標正在大范圍的污染供電環境，危及電網及其供電設備的安全穩定運行，嚴重的影響電力企業及廣大用戶的經濟效益。
這種現象在北京孫河220kV變電站表現十分嚴重，它不但使變電設備的安全運行無法保證，而且影響到當地的企業生產用電和居民生活用電。為此2002年在該站安裝了電能質量監測系統，對10kV母線的電能質量進行了連續的監測。
1孫河220kV變電站電能質量在線監測系統介紹
為了加強對電能質量的管理和監控，2002年在孫河220kV變電站建立了電能質量在線監測系統，進行實時在線監測。此前，該站經常燒TV保險，曾多次發生過TV爆炸的事故，存在嚴重的諧振現象。
采用電能質量在線監測儀進行實時監測，該裝置主要有以下幾種監測和統計功能：
(1) 三相各次諧波電壓、電流及其諧波含有率；
(2) 三相電壓、電流總諧波畸變率；
(3) 三相有功、無功功率及其方向；
(4) 總的有功功率、無功功率，功率因數及相位移功率因數；
(5) 電網頻率、線電壓、電壓偏差；
(6) 電壓不平衡度、負序電壓、負序電流。
電能質量在線監測單元，安裝在220kV孫河變電站10kVII段母線，服務器安裝在監控中心，是集通訊/數據庫/Web發布于一體的服務器，與變電站監控單元間通過光纖進行通訊傳輸數據，同時監控數據通過Web服務器對MIS系統開放，支持Web瀏覽方式，做到數據共享，公司所有局域網內的微機，均可通過Web瀏覽進行訪問，查看電能質量分析的各種報表和數據，了解監測點的電壓、電流波形、各次電流電壓的諧波分量等電能質量情況。
2變電站概況及監測結果
該變電站有主變壓器2臺，容量均為180MVA，220kV母線、110kV母線、10kV母線均分段并列運行，有并聯補償電容器一組，容量為2700kvar，正常運行方式為2號主變帶全站負荷。負荷主要是周圍一些工廠的工業用電、城市生活用電及周圍農業負荷。工業用電主要集中棉廠、紗廠、變壓器廠、化工廠和木材加工廠等，這些也是該站主要的諧波源。
經過3個月的連續監測，對數據進行了統計，該監測點監測數據的部分統計，見表1～6。
3對電能質量的分析
根據監測數據和結果分析：
(1) 從諧波電壓總畸變率表4可看出，該監測點諧波電壓總畸變率嚴重超標。國家標準為4%，實際情況為三相總畸變依次是：6.89%、6.50%、7.24%。對于并聯無功補償裝置，10kV電容器應進行容量及參數計算，適當改變電容參數，避免產生諧振，防止諧波對電容器造成損壞。對該站以后新增負荷時，應嚴格控制諧波源，以避免諧波分量進一步提高，給電網造成較大的安全隱患。
(2) 從各次諧波電壓含有率水平表1可見：3次諧波含有率較高，A相為6.7%，其次是5、7次諧波，這對并聯無功補償電容器串聯電抗百分數的選擇，有重要的參考價值。
(3) 諧波電流均不超標，主要諧波頻次為：3、5、7、9次，這為諧波治理提供了基礎數據。
(4) 根據上述分析可判斷，該監測點存在嚴重的3次諧波諧振現象，應改變系統運行方式，分析并聯補償電容器對諧波的影響。
(5) 根據無功功率數據大小、方向及功率因數判斷，該站10kV母線安裝的并聯無功補償裝置，其基波無功功率偏大（各種工況下功率因數基本保持1，某些工況下出現少量的無功倒送），因此，整體10kV母線電壓偏高。
(6) 根據基波電壓最大最小值、電壓偏差最大最小值、零序負序電壓最大值、總諧波電壓畸變率最大值、各次諧波電壓、電流含量最大值、閃變最大值等參數判斷，檢測中出現過大的電網沖擊，10kV母線接有大的沖擊性負荷，或出現B相經中間物接地現象（出現過很高的零序、負序電壓）。
(7) 根據電壓偏差可知各相電壓合格率：A相2.69%、B相97.8%、C相94.6%，A相合格率較低，且絕大部分為正偏差。
由以上分析可看出，該變電站存在嚴重的諧波污染，3次諧波存在諧振，并且10kV并聯補償電容器對諧波有放大作用，應調整其運行參數。
4影響電能質量的因素及其對策
影響電能質量的主要因素是各種非線性用電設備、變壓器和各類鐵心電抗器，它們可分為以下幾類：
(1) 電力電子裝置，這是最嚴重的諧波源。這些裝置在整流、逆變、調壓及變頻過程中產生大量的諧波；
(2) 電弧爐，如煉鋼用的交流電弧爐；
(3) 家用電器，如日光燈、電視機、調速風扇、空調、電冰箱等；
(4) 高新技術應用的多種設備，如電子計算機、功率調節器、節能燈等。
對220kV孫河站來說，周圍工廠的大量電力電子設備、各種大容量電動機是其最主要的諧波源，其次是大量城市生活用電設備等。
諧波不但影響用戶設備的正常運行，而且對電網設備和自動化裝置有很大的影響。諧波對電網自動化裝置的影響，要從改進自動化裝置的制作工藝和工作原理入手，加強裝置的抗干擾能力，防止裝置誤動作。但這對改善電網的電能質量并無任何作用，只能是減少電網諧波對自動化裝置影響，因此電能質量的治理，應加強對用戶諧波源的治理和改變電網參數，降低或消除諧波諧振。
(1) 對于電動機控制器產生的諧波，諧波的形狀很分明，可以裝設諧波濾波器來降低諧波電流。
(2) 對于特殊需要的用戶，可裝用隔離變壓器：限制均衡的3次諧波，可以采用一臺D，yn接法的隔離變壓器。
(3) 安裝有源的諧波調節器：在工作時注入一個電流來精確地補償由負荷產生的諧波電流，就會獲得一個理想的正弦波。這種濾波設備，靠數字信號處理(DSP)技術，控制快速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因為設備是與供電系統并聯工作，它只控制諧波電流，基波電流并不流過濾波器。目前有源濾波器正在日益推廣應用。
(4) 對于電網，應優化電網參數，改變運行方式，優化無功補償的安裝地點、方式和容量，消除電網諧振或減小電網對諧波的放大作用。
為了改善220kV站的電能質量狀況，對該站采取了一系列措施：
①在10kV TV、110kV TV的一次側中性點加裝非線性電阻；
②在10kV母線加裝消諧裝置；
③在2號主變110kV側中性點加裝消諧裝置；
④改變10kV并聯補償電容器的參數，消除諧振，減少對諧波的放大作用。
經過治理，現在已很少燒TV保險，也沒有發生TV爆炸事故，而且電能質量狀況較以前有較大的改善。
5結束語
為了保護電網的安全運行和用戶的安全用電，針對目前電網電能質量嚴重超標且正在大范圍的污染供電環境，危及電網及其供電設備的安全穩定運行的問題，對典型變電站電能質量進行了實測和綜合分析，并采取了有效的防范措施，取得了成效，從而限制了污染電網的強干擾源（如諧波源），確保電力系統的安全、可靠、經濟運行，保護電力用戶的合法權益。