电能质量在线监测系统在供配电网的应用

张达洄

（广东电网公司梅州供电局，广东 梅州 514021）

随着能源系统的快速发展，各种新型负荷（如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路等）不断涌现。由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，这些负荷所带来的电能质量问题日趋严重，已经影响电力系统的安全运行；另一方面，许多高新技术的设备和装置（如精密的芯片生产线等）都带有基于计算机的控制器和功率电子器件等，这些新型设备对供电质量非常敏感，电能质量的瞬间微小变化都有可能带来巨大的经济损失。

因此，为保障电力系统的安全运行和用户用电的可靠性，电力公司和用户更加需要有效的电能质量监测管理解决方案来应对上述变化所带来的挑战，以实现输配电系统的可靠、高效、低耗的运行。目前，只有实行长时间电能质量在线监测，才能实现对整个供电网络的电能质量状况和大型用电客户的电能质量状况的全面跟踪和了解。通过建立完善的电能质量在线监测网络，对电力系统的关键节点进行电能质量监测，可长期分析电能质量情况、排除电能质量故障，并可有针对性的进行预防/预测性维护。

1 供配电系统现状及电能质量监测系统方案确定

该大型冶炼企业供配电系统由24 个110kV 以上的变电站、自备热电厂和大量的6～10kV 配电站构成。该系统内的电弧炉设备、高速线材生产线及大量新型高压大功率变频设备的使用，致使供配电系统高次谐波和电压波动问题严重，影响了系统的安全运行，且各自电能质量问题引起的事故频发也使整个系统的经济运行水平不高。为解决上述问题，使该冶炼企业供配电系统安全可靠、优质高效运行，预计在该供配电系统新增一套电能质量监测系统，实现对系统内的电能质量情况进行实时监测。通过实时监测，能够实时掌握系统运行状况，确保供电连续性和可靠性；监测电能质量各项指标，确保设备的安全可靠运行，减少故障风险；发现设备隐患并根据监测情况提供解决方案；提高管理效率，降低运行成本。

结合该供配电系统的电网结构信息及电能质量问题现状，在电能质量问题最为严重的11#、31#、42#110kV 变电站新增电能质量监测装置，对站内给电弧炉、轧钢等车间供电的多条出线的电能质量情况进行实时监测。各电能质量监测装置通过GPS 时钟实现统一对时，其实时数据通过光纤网络实时上送到主控室的电能质量在线监测系统。该方案的组网框图如图1所示。

图1 系统组网框图

2 电能质量在线监测系统实施方案

2.1 系统功能

本方案中的电能质量监测装置选用深圳双合电气股份有限公司的SHDFR_PQ 电能质量监测装置。该装置主要完成以下功能：

1）电能质量：满足国标规定的电能质量稳态指标监测、暂态事件记录等要求。

2）自动报警：通过设定限值来触发电能质量事件报警和标记等功能。

3）通信口：支持使用不同的通信口和通信协议来采集和传输信息。

SHDFR_PQ 电能质量监测装置的稳态电能质量指标监测功能包括：频率监测、电压监测、谐波/间谐波监测、功率监测、三相不平衡监测、电压波动监测、闪变监测、稳态事件记录、合格率统计等；暂态电能质量事件监测功能包括：电压暂升录波、电压暂降录波、电压短时中断录波、暂态事件记录等；综合分析和统计功能包括：电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波、间谐波、功率、电压波动、电压闪变等监测数据进行合格率统计及监测数据的综合分析与统计。

本方案中的电能质量监测系统选用与监测装置配套的 SHPQMS 管理系统，系统软件对接入的SHDFR_PQ 电能质量在线监测装置进行统一管理。系统软件的功能示意图如图2所示。

图2 软件功能示意图

2.2 数据监测

电能质量在线监测系统由通信管理机、应用服务器、数据库服务器及GPS 同步时钟组成。根据系统的负荷情况，应用服务器可以和数据库服务器共用一台计算机。

GPS 同步时钟给通信服务器、应用服务器、数据库服务器提供统一时间源。

数据库服务器用来存储电能质量相关的实时及历史数据。

电能质量在线监测系统可以实现电能质量监测装置采集的数据的集中管理。装置实时采集各监测线路的电能质量数据，并将实时的电能质量测量数据上传到监测系统。管理人员可以实时观测到电网中各监测点的运行数据和状态，实时监测电网电能质量，第一时间获取电网故障数据，及时准确地进行故障分析，合理制定电能质量治理方案，迅速排除电网故障。同时，可以浏览查看一个月，甚至半年内任一天任一监测点的电能质量数据，通过这种方式长期监测电能质量状况，并分析电能质量变化规律，为相关技术人员制定电能质量治理方案提供科学依据。

2.3 通信方式

该冶炼企业供配电系统现场的110kV 变电所与中心控制室都具备了光纤通信能力，因此电能质量监测装置与中心控制室实时通信服务器的通信方式与现场原有继电保护装置组网的方式是一致的，在变电所和中心控制室配置协议转换器，实现不同通信链路上的光纤数据和以太网数据的协议转换。

3 电能质量在线监测系统实施成果

以11#变电站的电能质量监测装置的数据为例，分析SHPQMS 电能质量实时在线系统的运行情况。

图3是2012年3月12日装置记录的一次电能质量电压暂降事件波形。通过波形波形分析可得出以下结论：本次电压暂降事件是由一次三相短路故障引起，暂降时间持续3.5 周波左右，由继电保护装置切除故障。根据现场情况，此次故障是由于雷电导致的过电压击穿的绝缘故障。

图3 电压暂降事件波形

图4是11#变电站某10kV 出线的复合电流波形，由图4可以看出，大量谐波电流的存在使电流波形严重畸变，实际电流波形接近方波，通过谐波电流频谱分析（图6），可以看出，负荷电流中3 次、5 次、7 次、11、13 次等谐波分量较为严重，谐波分量传递到整个供配电系统的各段母线和线路上，且大量谐波分量的存在已影响系统的安全运行，谐波损耗也影响系统的经济运行。根据监测结果，根据10kV 系统谐波阻抗和谐波电流分量设计合理的滤波器，滤除主要的谐波电流。同时，实时在线监测的电能质量数据还可以评估新增滤波装置的成效并根据实时监测结果对治理方案及时调整。

图4 谐波畸变的负荷电流波形

图5 谐波电流频谱分析图

4 结论

通过SHPQMS 电能质量在线监测系统在该大型冶炼企业供配电系统的选点建设及顺利实施，通过实时监测，实时掌握系统运行状况，同时应用系统对供配电网近期电能质量进行全面分析，确保供电连续性和可靠性；监测电能质量各项指标，确保设备的安全可靠运行，减少故障风险；发现设备隐患并根据监测情况提供解决方案；提高管理效率，降低运行成本。

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