电能质量监测系统的应用价值

电能质量监测系统的应用价值近年来，电能质量在线监测系统在一些供电公司相继建立并投入使用。

其系统结构类似于电力系统广泛应用的SCADA系统。

针对这样的新的信息系统，为什么要建立，应如何进行实施，有什么样的作用与应用价值等，均是我们值得回答的问题。

只有理清了这些思路，才能使电能质量在线监测系统的建立与应用步入良性发展的轨道。

1、电能质量监测技术的发展回顾
在我国，电能质量监测技术已经经历了二十多年的发展历程。

从监测设备本身而言，经历了下述几个过程：
便携式
面向过程的在线式，即由便携式改进的多通道、集中式在线
监测装置，以工控机为主要器件
面向对象的单元式，主要为DSP技术的应用
从监测设备的功能而言，已经实现了由单一功能向多功能监测的过渡，发展过程如下：
电压监测仪
谐波监测设备
闪变仪
稳态电能质量监测
稳态、暂态电能质量监测
从数据处理方式上而言，其发展过程主要表现在：
人工分析测量数据
监测数据导入计算机后进行简单的统计分析
数据以文本方式保存，用专用分析软件统计分析
基于数据库管理的、网络化的、多用户统计分析从评估方法而言，主要从下述角度进行分析：
统计最大、最小、平均、95％概率大值
给出指标变化曲线
判断是否超标
2、电能质量监测的认识误区及电能质量监测系统存在的问题
应该明白，电能质量的监测有两个主要目的：其一在于从技术层面
上保证电网的安全、稳定、经济运行，及早发现电网存在的潜在隐患，同时对已发生的电力事故进行更有效的分析，从而采取措施，予以防范；其二在于从电能作为商品意义上而言，应该本着对用户负责的态度，全程监视这一特殊商品的产、供、配、用环节，针对不同的用户需求提供不同的电能质量，当然用户需支付与此相应的电价。

偏离了这两个目的，其监测是没有意义的。

目前，电能质量监测系统的建立存在如下问题及及认识误区：
1）没有统一规划，选择监测点无目的性或针对性。

2）不知道如何应用，或不能较好地应用
3）过分强调设备，忽视后台分析，导致监测无用的现象
例如对于监测设备，过分追求采样率。

有的在监测电压跌落、骤升等暂态电能质量指标时，甚至提出兆级的采样速度，实际上这都是没有必要的。

IEC 61000-4-30 CDV指出，“the basic measurement of a voltage dip and swell shall be U rms(1/2) on each measurement channel”，U rms(1/2) is defined in IEC 61000-4-30 CDV as “the value of the rms voltage measured over one cycle and refreshed each half cycle.”；IEEE1564针对电压跌落的采样指出：“For every event, voltage samples are obtained with a certain sampling rate (samples per second) and with a certain resolution determined by the number of bits used to store one voltage sample. Typical values in use are 128 samples per cycle and 256 samples per cycle”，可见，电压跌落等此类暂态电能质量参数的测量并非需要非常高的采样率，每周波128点或256点均可，分辨率一般大于14位即可，典型可取16位。

由于过分注重设备，因而轻视了监测数据的应用分析功能。

实际上，再好的设备对监测数据不能很好地分析也是枉然。

面对一大堆数据，不能分析出指导电力生产地结论又有什么用呢。

因此，合理的需求在于在设备满足要测量的指标要求的基础上，更重要的要配置、开发相应的分析应用软件。

4）电力部门对电能质量的相关知识了解过于简单或者片面
一般表现在，以为监测了什么问题都解决了，缺少与相关专业相适应的应用性引导，因而监测系统无法与电力生产的实际相结合。

5）只考虑监测本身，忽略了电网在这一整体目标中的作用。

电能质量指标只是“源”作用于对象（即电网）的一种响应结果。

要分析这一结果，必须考虑源特性、响应特性、测试结果三个要素，才能分析出其本质。

纯粹的数据分析有时是没有意义的。

例如谐波数据，到底是电网参数配置不当而发生谐波放大呢，还是谐波源本身就是这样的水平呢。

3、电能质量监测系统的应用所在
电能质量监测系统应注重其应用，不能为监测而监测，只能是为应用而监测。

纯粹的判断超标与否属于最简单、最基本的应用。

应用电能质量在线监测系统的基本原则在于：能够通过对某指标或多个指标的在线监测数据分析，给电力工作者提供可供参考、应用的结论性意见及建议，这个建议可以属于定性的，也可以是定量的。

3．1在设计方面的应用
一个变电站的设计不是孤立的，它必然与其它变电站实现电气连接，此时所连接变电站的背景电能质量参数将作为新建变电站的设计依据。

在此过程中，谐波背景参数可能是主要考虑的目标之一。

有必要以背景谐波电压作为电压源，考虑新建变电站变压器、电容补偿装置等电气参数进行谐波分析，预测是否发生谐振或谐波放大现象，以确定所选参数的合理与否。

同时，应考虑新建站将来的负荷结构，如果有大容量的非线性负荷接入的话，也要依据以往此类负荷的特征测量值，进行进一步核算。

一般来说，真空断路器切合谐波较大的电流重燃率高于断路器；谐波电流较大的场合应依据谐波电流水平评估是否选用K级变压器或建议变压器降容运行；电容补偿回路的串接电抗百分率除考虑涌流因素之外，应依据实际的谐波频谱及水平选择，不能随意配置；电容器的额定电压应考虑谐波电压水平进行选择。

3．2在事故分析方面的应用
电力系统诸多事故可以通过电能质量监测数据进行详尽的事故原因分析。

该系统可以将事故前后及事故期间的实时波形进行全面记录。

下图是2003年美加大停电事故中，某地点安装的电能质量在线监测装置记录的部分事故过程。

图1为事故发展初期，表现为一个电压跌落事件，而且不很严重，类似一个短暂的过负荷现象；3秒钟后，事故进入发展期（图2），发生了50％深度的跌落事件，实际上，此时电网已经基本崩溃，随后的4秒钟电压有一个轻微的恢复期，紧接着伴随一个小幅度的电压跌落，此时电网实际上已经与事故区解裂，事故区外电压开始恢复；之后经过一段时间的调整，事故区外电网进入一个稳定状态（图3示）。

从更详尽的监测数据及波形可以方便的评估事故过程中电网的表现，分析无功补偿装置的作用，评估保护的设置，分析电压稳定装置的一系列反应及作用等。

这些分析对于评价电网的稳定水平、研判相应的稳定机制及措施等均具有不可替代的作用。

在谐波引起的设备事故中，70％左右是对电力电容器的危害，利用电能质量在线监测装置的监测数据，结合网络的拓扑结构，能够方便的分析该事故是否由谐波的原因造成的（图4所示）并依据所监测到的频谱特征及谐波水平采取合理的措施予以解决；利用图4曲线，还可以在电容补偿装置投运前分析评估其接入电网后是否会因为谐波原因而损坏，会发生过压、过流、过负荷等哪类事故；若发生谐振或谐波放大现象，利用该曲线还可以分析出装置是否能够正常运行等。

3．3在保护配置及定值整定方面的应用
应该说，各类保护装置抵抗谐波的威胁均有相应的抗扰度，在谐
波“污染”水平严重的场合，保护类型的选择及其整定值应该考虑谐波的影响，同时应评估谐波的“负序效应”威胁。

关于谐波引起保护误动及拒动的事件在国内经常发生。

应用电能质量在线监测系统，我们可以获取某节点谐波水平的最大、最小、平均、95％概率大值，从而判断保护配置中是否需要考虑谐波因素，保护定值计算中，是否应该考虑谐波水平等。

3．4在电网经济运行方面的应用
电力系统运行的一个主要方面在于电网的经济运行。

网损属于经济运行的主要衡量指标。

随着电力市场的不断深入，经济性指标将是各电力公司不断追求的目标。

电网损耗不仅包括基波损耗，同时还应该包括谐波损耗，三相不平衡度指标的恶化，将会进一步加剧网损的增加。

特别在区域性电网中，由于负荷结构的差别，例如电气化铁道负荷、电弧炉负荷等，这种表现将更加突出。

谐波损耗与基波损耗的主要区别还在于肌肤效应的影响，1安培的不同频谱的谐波电流在电阻性元件中引起的损耗差异较大，当这种谐波水平大幅提高的时候，其损耗可能急剧增加。

因此电能质量监测的一个主要目标在于评价电网区域性谐波污染的程度，考虑可能的谐波损耗惩罚性措施，并根据监测数据，依据经济性目标评判是否有必要投资解决谐
波损耗，或责令污染源用户采取措施解决。

3．5在责任区分方面的应用
谐波作为电能质量的主要指标之一，其污染的责任区分是一件比较关心的问题。

污染性电网供电给非线性负荷时，到底谁是责任的主要一方，谁应该为此采取恰当的措施予以解决将是电力企业与用户面临的问题之一。

到底应该采取谐波有功功率方向法、还是谐波无功功率方向法，或其它的谐波源辨识方法，是电能质量在线监测系统应该回答的一个问题。

必须有一个理论上可信的、便于监测系统应用的方法来回答这个问题，从而实现以监测数据划分责任大小，实现谐波污染的综合治理。

3．6在负荷模型分析方面的应用
负荷模型历来是电力系统专业人士研究的一个问题。

特别在系统稳定分析过程中，负荷模型的差异将大大影响分析结果的结论。

实际上一个放之四海而皆准的负荷模型是不存在的，这主要是负荷结构的差异性所决定的。

因此，应该根据各电网公司的实际情况，构造尽可能接近实际的负荷模型。

在这个问题上，电能质量在线监测系统可以提供相应的帮助。

概括而言，负荷建模的方法分为“统计综合法”和“总体辨测法”。

应用电能质量实时在线监测系统，可以研究不同类型电气设备在不同系统电压、频率下的电气特性，结合“统计综合法”建立较准确的数学模型；同样，应用“总体辨测法”，可以以电能质量实时监测数据库为基础，针对一个合适的负荷数学模型结构，分析实测数据辨识出模型中所含的参数值。

3．7在用户咨询方面的应用
随着精细工业及高薪技术产业的不断发展，用户对电能质量的需求呈现了不同的层次。

电能质量指标的恶化引起IT企业生产停止的事故屡有发生。

浦东新区上海索广映像有限公司（生产等离子电视机）显象管生产线中PLC的电压要求不低于85％额定电压持续0.01s；英特尔中国有限公司（芯片封装厂）对电源提出零停电要求，电压降不低于87％额定电压持续时间0.12s；华虹NEC（芯片生产厂）同样提出零停电要求，电压不低于90％额定电压持续时间0.01s。

在此背景下，新用户建厂前将会向电力公司索要电网背景电能质量指标，以判断供电质量对生产工艺过程
的影响程度。

此时电力公司可以依据电能质量在线监测数据的分析，向相关用户提供必要的技术支持。

事实上，电力技术支持也属于电力市场中一个主要的辅助环节。

3．8在电能质量抑制措施方面的应用
电能质量监测不是问题的最终目的，监测的目的在于最终实现电能质量的综合治理。

但是要实现这一目标，监测是必要的前提。

通过电能质量在线监测系统，可以评判该监测点哪些指标是主要的矛盾所在，其概率水平及最大水平如何、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。

4、电能质量在线监测的选点原则
电能质量在线监测应根据各电力公司所辖电网的实际情况、负荷结构、应用目标制定统一规划。

在此规划基础上，实现分阶段实施。

一般来说，对220kV及以上电网进行稳态电能质量监测的意义不是很大。

主要应针对电网安全、稳定运行进行暂态电能质量指标的在线监测，即依据设定的门限扑捉特定的干扰或事件。

110kV及以下供电网应该既监测稳态电能质量指标，也监测暂态电能质量指标特别是电压跌落、骤升、短时中断等，因为这些电压等级的电能质量是用户能直接感受到的。

变电站监测点的配置应依据其正常运行方式合理配置。

图5、图6为110kV变电站监测点的配置示例。

在图5中，正常方式下各母联均在运行状态，因此，3台监测装置即可对该站电能质量的主要指标实现全方位长期监测；对于图6，由于正常方式下10kV、35kV母联均处于断开状态，因此至少需要5台在线单元才能实现较全面的监测。

当然，对于谐波指标较关注的时候还可以根据上述配置，在运行后若发现谐波水平较高，再增加对相关出线的谐波电流监测。

5、结束
应该以合理的硬件需求实现电能质量的在线监测；电能质量的监测应该以应用为主要目标；多层次、专业化的分析软件的嵌入是电能质量在线监测系统的焦点。