电能质量监测

1 电能质量监测简介

电能质量监测英文名称为power quality monitoring ，其意义就是采用符合规范的测试仪器或设备对电网中所关心节点的电能质量相关指标进行测量并与限值对比分析的过程。 普遍应用于电力（一级学科），电力系统（二级学科） 。

2 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、对大、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：
　　
①实时性差：监测周期长、监测点分散，无法及时了解电网电能质量水平；　　
②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 ；　　
③工作量大：需要花费很多的人力和物力去测量、统计、分析；　　
④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；　　
⑤效率低：从发现电能质量的问题到解决该问题，往往需要很长时间；　　
⑥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。

3 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，看问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99．9%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年欧共体颁布的电能质量标准，称为《公用配电系统供电特性》，作为对中、低压电能质量的统一标准，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》（GB12326－2000）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问题也在立项中。

4 电能质量监测网的实施
　　
4.1 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：①自然现象，例如：雷击线路；②电力设备及装置的正常使用和自动保护，例如倒闸操作；③用户终端的非线性负荷、冲击性负荷等。
　　
电能质量低下的危害有以下一些表现：
　　
①电压偏差超标会使用电设备的损耗增加、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。
　　
②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。　　

③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。
　　
④三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。　　

⑤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问题；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。
　　
⑥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问题，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。这是用户最关心的问题。
　　
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（voltagedip）、瞬态过电压（transient over－voltage）、谐波畸变（harmonic distortion）和闪变（flicker）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。
 

　　
4.2 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：
　　
（1）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，110kV杨汛变10 kV母线电压总谐波畸变率为8．8%，而35 kV三江变10 kV母线电压总谐波畸变率高达25．%；而把消谐装置短接，使互感器的中性点直接接地时，10 kV电压总谐波畸变率仅为2．5%。
　　
（2）一些变电所的进线侧母线电压总谐波畸变率超过20%，如35 kV三都变、35 kV璜山变，主要为三次谐波。这是三相不平衡造成的，应从电源电压、线路阻抗、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。
　　
4.3 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。其中瑞士莱姆集团生产的电能质量检测系列产品在全球有广泛的应用。
　　
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10 kV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家标准的所有指标（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。
　　
4.4 软件
　　
软件应达到的主要功能：
　　
①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；　　
②监测的各项指标数据可以记录、统计、存盘；　　
③监测中心分析软件对监测的数据具有数据库管理功能；　　
④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，并具有局部放大、缩小等功能，满足分析的要求；　　
⑤不同时间段下载的数据可合并；
⑥软件操作界面友好、易于维护。

4.5 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问不同的数据，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。

5 主要经济效益和社会效益

（1）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）。