电能质量综合管理系统的研究与应用

耿 浩，王祥胜，高 参，杜运东

（1.江苏中烟淮阴卷烟厂 江苏 淮安223002；2.江苏沣舜芯科技有限公司 江苏 南京210038）

电能质量综合管理系统的研究与应用

耿 浩1，王祥胜2，高 参2，杜运东2

（1.江苏中烟淮阴卷烟厂 江苏 淮安223002；2.江苏沣舜芯科技有限公司 江苏 南京210038）

随着现代电力电子技术的快速发展，电力用户对电能质量的要求日益提高，提高电能质量成为当务之急。针对存在的电能质量问题，设计一种集电能远程监测、数据分析以及控制的电能质量综合管理系统；通过在工程中的现场运行测试，结果表明该系统使电流谐波畸变率抑制在5%以下，功率因数提高到93%以上，很好解决了电能质量问题，达到了安全和节能的目的，值得推广应用。

电能质量；有源电力滤波器；谐波电流；功率因数

现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度标志着一个国家的科学技术和国民经济的发展水平[1]。然而，随着电力电子技术的广泛应用和发展，供电系统中接入了大量的电力电子设备，使得电网的运行环境受到了不同程度的污染。从家用低压小容量的变流装置，到工业上广泛应用的调速电机、整流逆变装置，甚至大规模的高压直流输电设备，都会向电网注入谐波而产生谐波污染[2-3]。另外，一些用电设备如电弧炉、轧钢机和电力动车等在使用过程中产生冲击性、波动性负荷，使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这些因素不仅会导致用电设备本身的安全性降低，还会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的公害。因此，电能质量问题越来越受到关注。

为了保证电网安全、稳定运行，提高电能质量，首先要对用电设备电能质量的电压、频率、谐波、三相不平衡度等电能指标进行实时监测和汇总分析，然后针对不同的电能质量问题采用相应的电能质量解决方案，如存在大量谐波采用有源电力滤波器治理。因此，有必要研发一种电能质量监测和控制综合管理系统，实现电能质量检测与控制、监测与电能管理、电气安全监测、能源管理等功能，有效的改善电能质量，最终达到安全和节能的目的。

1 电能质量综合管理系统的总体结构

文中设计的电能质量综合管理系统的总体架构如图1所示。该系统平台继承了国内外多种工业现场通信规约，可支持第三方智能化设备或进口设备的接入。冗余的网络结构保证了网络数据传输的可靠性，先进的系统架构支持信息共享和WEB发布，采集的数据可通过Internet传送给市、省及国家级监管中心，实现远程调度监控管理。各种专家报表、谐波数据、电流曲线、报警记录等可自动生成，在很大程度上减轻了值班人员的工作量，提高了电能质量管理的工作效率[4-5]。

图1 电能质量综合管理系统结构

2 电能质量综合管理系统的硬件设计

电能质量监测及控制综合管理系统包含两大子系统，即电能质量监测子系统、电能质量控制子系统。其中，电能质量监测子系统是电能质量监测装置对厂区各变压器的电能质量进行实时监测；电能质量控制子系统是电能质量治理设备 （有源电力滤波器APF、静止无功发生器SVG）对厂区设备产生的谐波污染及无功问题进行治理。

2.1 电能质量监测子系统硬件设计

文中电能质量监测系统硬件框图如图2所示，由电流/电压采样模块、AD信号采样及DSP数据处理模块、研华PC104嵌入式模块、电源模块、键盘输入模块、通讯模块等构成。其中，DSP以TI公司生产的32位TMS320F2812pgfa芯片为数据运算处理核心，具有强大的数据处理能力和逻辑控制能力。

图2 电能质量监测系统框图

从图2可以看出，三相电压、电流经过精密的电压、电流互感器转换后，经过信号调理电路输出适合AD模块采样的信号。AD模块将采样完成的数字信号送入DSP信号处理模块。然后，DSP信号处理模块采用数字滤波等方法对采样信号进一步处理，可通过快速傅里叶变换FFT等算法进行谐波分析，并将需要的各种电能质量数据送入到PC嵌入式模块进行数据分析并存储[6-7]。

2.2 电能质量控制系统硬件设计

采用有源滤波器APF和静止无功发生器SVG可以很好的解决供电系统电能质量问题。有源滤波器APF主要是解决系统中存在的谐波电流污染的问题，而静止无功发生器SVG主要是解决无功问题。

2.2.1 有源电力滤波器硬件设计

有源电力滤波器APF主要包括三相输入电路、辅助电源电路、控制电路、驱动及变换电路等。如图3所示。其中，三相输入板为三相电压输入端连接RLC电路及主功率电路；辅助电源电路是以UC2844芯片为核心的反激多路输出电源，为整个电路中的继电器、运放等提供稳定可靠的5 V、15 V、24 V工作电压；控制电路是以DSP+CPLD为核心芯片，通过检测到的电压、电流信号，实现对功率IGBT的开关控制以及整个电路的保护等功能，其中选用DSP为32 位 TMS320F2812pgfa，CPLD 为 altera 系 列EPM1270T144C5N，IGBT型号为 FF150R12RT4；驱动以及变换电路是根据控制信号得到与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流并注入到配电系统中，实现抑制谐波，动态无功补偿[8-10]。

图3 有源电力滤波器硬件框图

2.2.2 静止无功发生器硬件设计

静止无功发生器SVG系统主要由主电路、控制系统电路、驱动及保护电路组成。如图4所示。其中控制系统电路包括以DSP（TMS320F2812pgfa）为核心芯片的处理电路、电压和电流信号检测和调理电路、脉冲驱动电路等。如图所示，SVG系统通过采集三相电源侧电压和电流信号，逆变侧三相电流信号，直流侧电压信号，并经调理电路后送入DSP的A/D转换模块，DSP对信号进行调理和控制运算，得到输出指令信号，再输出相应的脉冲信号经外部驱动电路将信号放大后，驱动三相桥式变流器，输出可调电压，实现动态无功补偿[11-12]。

图4 静止无功发生器硬件框图

3 电能质量综合管理系统软件设计

图5为针对第四章应用实例中江苏中烟淮阴卷烟厂设计的电能质量综合管理系统，它不仅能实现实时检测稳态以及暂态电能质量指标，具有强大的数据处理能力，还具有远程控制APF设备和SVG设备的启动功能，以提高电能质量。如图6所示，该系统的人机界面采用三维力控组态软件设计完成，主要分为3个模块，分别为APF设备模块、SVG设备模块、监测设备模块。APF设备和SVG设备可对用电设备电能质量进行治理前后的各种指标实时检测以及数据分析，如图6中的（a）和（b）所示；监测设备是对厂区配电房中的变压器电能质量进行监测，如图（c）所示。

图5 电能质量综合管理系统界面

图6 组态软件设计模块

APF设备、SVG设备和监测设备3个模块都具有以下功能：

1）监测数据

主要是监测基本数据和谐波数据，包括三相电压（电流）的幅值、电压偏差、有功/无功功率、功率因数、频率、电压波动与闪变等电能质量指标。除此外，系统还检测电能质量指标包括三相基波电压、三相基波电流、三相基波的有功无功功率、暂态电压记录（如电压骤升、电压骤降、过电压、欠电压记录等）、短时闪变、长时闪变等。

2）数据曲线模块

主要是将电能质量数据监测模块收集的数据进行汇总和分析，并生成综合管理图表。包括总电流变化曲线、无功功率变化曲线、有功功率变化曲线等功能。

3）报表管理模块

主要是对统计的数据进行汇总形成统计报表并导出。其报表内容包括有功/无功功率、功率因数报表，基波电压电流、频率偏差、不平衡度综合报表等。

4 应用实例

4.1 卷烟厂电能质量的分析和治理

卷烟厂的主要生产工艺包括制丝工艺和卷接包工艺。卷烟厂主要设备有制丝设备、卷接包设备、空调机组、空压机、制冷机组、水处理等动力部分的公用设备[13-15]。这些设备产生的谐波含量较大，使电网环境受到污染。为精确了解江苏淮阴卷烟厂设备的用电电能质量，对厂区的一些设备进行测试并分析。下面图7和图8为干冰线循环水泵用电电能测试情况；图9和图10为空压机组电能测试情况。

图7 循环水机电流波形

图8 循环水机谐波电流柱形图

图9 空压机组电流波形

图10 空压机机组电流波形

1）干冰线循环水泵

从图中可知，干冰线除尘机组电流发生严重畸变，谐波很大，主要以5次、7次为主，电流总谐波畸变率维持在34.5%左右，超出了国家限值规定。当这些大量的谐波进入供电网，对于三相四线制供电系统，谐波集中流入中线，使其过热甚至烧毁。中线若烧断，则单相负载和一些设备不能正常工作或损坏，严重时会危及人身安全，因此，必须安装有源电力滤波器对谐波电流进行治理。

由于厂区此处的设备包括循环水泵1#和循环水泵2#，考虑在循环水泵1#、2#公共进线端进行谐波治理。已知循环水泵1#和循环水泵2#的总功率为74 kW。由计算谐波的公式[8]：

式中：ITHD为谐波电流；P为非线性负载总功率；U为变压器低压侧额定电压；THDi为谐波电流畸变率。代入数据可得出：

通过分析计算，考虑到留有足够的裕量，可选择一台容量为75 A，电压等级为400 V的有源电力滤波器，可以满足要求。

2）空压机组

从上面图中分析可知，空压机组电流波形较好，谐波电流含量较小，但是功率因数较低，维持在0.86左右，这是由于系统无功功率缺额较大引起的。无功功率不足增加了设备供电容量，投资增加；增加了设备及线路损耗，降低系统安全性；增加了线路和变压器的压降，导致了电网电压波动和闪变。因此，需要安装静止无功发生器SVG对无功功率进行补偿。

已知无功补偿前的功率因数为0.86，选择目标功率因数为0.97，则所需补偿的无功功率由通用计算公式[8]：

式中：Q为所需的无功功率；P为对应系统总的最大有功功率；l1为补偿前功率因数；l2为补偿后功率因数。由设备铭牌上可知，空压机型号为ZR-400，总的有功功率P为400 kW。代入数据可得出：

考虑到留有足够的裕量，可安装一台输出容量为300 kvar的静止无功发生器SVG。

4.2 治理结果分析

通过分析上述两种设备的不同电能质量问题并采取相对应的治理措施，治理结果如表1所示。

表1 治理前后谐波电流测试数据

从表1中可知，采用有源电力滤波器APF对干冰线循环水泵产生的谐波进行治理，使畸变率从34.5%减小到2.6%，谐波电流抑制效果明显；采用静止无功发生器SVG对空压机进行无功补偿，使功率因数从0.86提高到0.97，无功补偿效果显著。谐波的消除和无功的补偿降低了配电线路和变压器的额外损耗，提高了设备的使用寿命，减少了后期的维护费用，解除了谐波引起的生产安全隐患，达到了安全和节能的目的。

5 结束语

文中主要研发一种电能质量监测、控制和管理综合系统，可实时监测厂区变压器以及用电设备的供电电能质量数据，通过监测设备接入以太网交换机、光端机将电能质量数据传输到综合监控屏上，实现对电能质量数据进行统计管理，有效监测设备的电能数据，为电能质量的评估和治理工作提供了技术支撑。除此以外，采用有源电力滤波器、静止无功发生器等治理设备有效治理谐波污染及补偿无功，改善负载设备用电的电能质量。通过电能综合管理系统在淮阴卷烟厂中的应用案例可知，该系统能有效治理厂区配电网中大量谐波和无功缺额问题，降低了配电线路及设备的附加损耗，解决了由谐波和无功引起的电能质量问题，达到了安全和节能的目的，值得广泛推广应用。

[1]张逸，林焱，吴丹岳.电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J].电力系统保护与控制，2015，43（2）:138-147.

[2]陈鹏，鲁藏.电能质量及主要问题分析[J].科技创新与应用，2013（17）:156-156.

[3]万海龙，赵春宇.多通道实时电能质量监测系统[J].仪表技术与传感器，2014（10）:87-89.

[4]叶云龙，常青.基于Web的电能质量监控系统的研究与设计[J].电源技术，2014，38（2）:369-370.

[5]彭卉，邹舒，付永生，等.冲击负荷接入电网的电能质量分析与治理方案研究[J].电力系统保护与控制，2014，42（1）:54-61.

[6]房国志，杨超，赵洪.基于FFT和小波包变换的电力系统谐波检测方法[J].电力系统保护与控制，2012，40（5）:75-79.

[7]王金丽，盛万兴，宋祺鹏，等.配电网电能质量智能监控与治理仿真[J].电网技术，2014，38（2）:515-519.

[8]王永琴，李秀玲.基于TMS320F2812芯片的并联有源滤波器研究[J].电源技术，2012，36（4）:575-577.

[9]曾正，邵伟华，赵伟芳，等.多功能并网逆变器与并网微电网电能质量的分摊控制[J].中国电机工程学报，2015，35（19）:4947-4955.

[10]王平，高阳，王林泓，等.基于DSP与FPGA的实时电能质量监测终端系统[J].电力系统保护与控制，2012，40（12）:125-129.

[11]孟良，段晓波，孟令明，等.微电网中电能质量问题及解决策略[J].电源学报，2015，13（5）:62-68.

[12]黄德华，余涛，张水平.配网电能质量监测与高级分析软件平台的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2013，41（3）:128-133.

[13]魏学良，程婷.谐波治理设备在供电系统中的应用[J].国外电子测量技术，2015（3）:73-76.

[14]王海涛，王同花，王建.卷烟厂谐波治理方案及效益分析[J].电气技术，2014，15（12）:138-140.

[15]谢伟.基于DSP的稳态电能质量监测及谐波治理的研究[D].南昌：华东交通大学，2012.

Research on power quality comprehensive management system and its application

GENG Hao1，WANG Xiang-sheng2，GAO Can2，DU Yun-dong2
（1.Jiangsu Huaiyin Cigarette factory，Huaian 223002，China；2.Jiangsu Feng Shun Xin Technology Co.Ltd，Nanjing 210038，China）

With the rapid development of modem power electronics，the requirements of power quality become higher.It is urgent to improve power quality.Aiming at the existing power quality，this paper designs a power quality comprehensive management system.The system has the function of power monitoring，data analysis and control.At last，a sample of application in electric engineering is presented.Through field running results prove that the system can inhibit current harmonic distortion rate below 5%and increase power factor to 93%，solve the problem of power quality and achieve safety and energy saving and have promotional values.

power quality；active power filter；harmonic current；power factor

TN-9

：A

：1674－6236（2017）05-0170-05

2016-02-29稿件编号：201602186

耿 浩（1974—），男，江苏淮安人，工程师。研究方向：机电一体化。