区域型电力绿色质量治理方案与应用配置研究

国网上海市电力公司市区供电公司 沈主浮 琚洁华 胡海敏 上海服泽能源科技有限公司 周 琪

电力能源是现代科技发展中必不可少的重要能源，在科技发展过程中，所有的电子产品、科技产品等设备或技术都离不开电力能源的支持。高新科技产业园在城市规划与建设中是重要的一环，上海市内特色产业园区多达40个。在产业园区内相同类型的企业高度集中，其企业使用的特种用电设备也会相应集中，在园区内的特种设备使用比例远超其它不同区域。

特种设备的使用可能产生无功、谐波等电能质量问题，该设备会将有电能质量问题的电能反向传导至电网，影响区域内供电侧的电能质量，有电能质量问题的电能同样会影响用电设备的使用效率和功能。在企业类型相似、用电类型也相似的企业集中产业园区，用电设备与电网之间的相互影响将会进一步加大。有研究表明，电能质量的降低将会直接导致医疗设备的故障率高，影响医疗设备使用安全；区域内的三相不平衡、谐波、低压等问题会影响区域内的生产机理，同时谐波还能主动或被动的影响电网；规模化的设备在运行时会向电网中注入谐波电流，且在启动过程中会引起电压暂降，直接影响配电网的电能质量。

1 典型地区用户电能质量情况分析

虹桥临空经济园区是一块商业集中办公区域，区域内包含有多家高新技术企业、国家规划布局内重点软件企业、小巨人企业、创新型企业等，该区域主要分为25个地块，商业楼宇约100幢左右。虹桥临空经济园区内相同类型的企业高度集中，有利于高新技术、创新型技术等的高速发展，而与此同时对区域内供电的电能质量也具有较高的要求。在区域内相同企业类型高度集中时，其对应使用的特殊设备也会高度集中，有概率导致小范围内的电能质量不达标，并且反馈至电网影响整个园区，因此对台区内用户的电能质量监测与治理是非常必要的环节。

1.1 区域内用户电能质量情况测量

本次研究的对象为虹桥临空经济园区，使用Fluke设备对区域内用户的电能质量情况进行测量，主要的测量内容为电网系统电压、系统电流、有功功率、无功功率、谐波电流、功率因素等。通过对虹桥临空经济园区的电网及用户侧调研，园区内共有用户站用变共82个，结合园区内地块及企业的特殊性和相关政企部门意见，抽取其中部分并且具有代表性的用户进行电能质量情况测量，所涉及到的低压变压器或低压进线共45个。

图1为用户侧配电系统一次示意图及测试点位置图，使用FLUK435II设备在测试点位置进行测量。电能质量测量数据录制时间为5min；采样间隔为1s；电流采样比例为1：1；采样精度为x1。园区内的用户低压进线侧多为三相四线，在测量时需要对应好A、B、C、N线序，框线方向或方式需统一，将测量线钳安装在母线上；若用户侧为三相三线则只需对应好A、B、C线序即可。

图1 配电系统一次示意图及测试点位置图

如表1所示，通过对用户电能质量进行5min的数据采样，数据比对后得到用户电能质量测量结果。容量指用户的装机容量；系统电压和系统电流数据是用户在测量时间内的实际运行情况，可反应出用户的电能消耗情况；功率因素和无功功率反应了用户电气设备的运行效率；谐波电流反应了不同于电网基波电流的大小；电流畸变率反应了谐波电路与正常电流的比率；不平衡电流反应了负载分配的不均衡[1]。

表1 用户电能质量测量结果示例

1.2 用户电能质量情况分析

通过在虹桥临空经济园区实地测量，获取用户侧45组低压变压器或进线数据，分别从无功、三相不平衡、谐波情况对数据进行统计分析。在45组数据中，功率因素最小为0.92，未出现低于最低标准的案例。

虹桥临空经济园区中45组低压变压器或进线的三相不平衡情况统计如下：三相不平衡率小于1%的有2组，占比5%，该部分用户负荷分配合理，设备与线路损耗均在可控范围内；三相不平衡率在大于等于1%小于5%之间的有20组，占比44%，该部分用户负荷分配合理，设备与线路损耗均在可控范围内；三相不平衡率在大于等于5%小于10%之间的有15组，占比33%，该部分用可对负荷分配进行优化，减小或预防三相不平衡率增加；三相不平衡率在大于等于10%小于20%之间的有7组，占比16%，该部分用户内设备或线路的损耗会有明显增加，需要及时治理与调整；三相不平衡率大于等于20%的有1组，占比2%，该部分用户的三相不平衡问题已经影响电气设备的运行效率和安全性，需要及时排查问题做出优化调整。

虹桥临空经济园区中45组低压变压器或进线的电流谐波总畸变率统计如下：电流总畸变率小于10%的有9组，占比20%；电流总畸变率大于等于10%小于20%之间的有18组，占比40%；电流总畸变率大于等于20%小于30%之间的有13组，占比29%；电流总畸变率大于等于30%的有5组，占比11%。用户的谐波电流不仅会影响用户内的设备运行，还会将谐波反向传输至电网，一般建议谐波电流总畸变率超过10%的用户治理谐波，避免谐波影响范围扩大。

1.3 小结

本章主要对抽样用户中的功率因素、三相不平衡、谐波进行分析，其中功率因素表现良好，样本中未发现不符合电力标准的案例；三相不平衡率表现相对较好，区域内楼宇的入住率会对三相不平衡率有影响，一般情况下会从设计层面下考虑到三相负载均衡的问题，但区该域内存在部分楼宇入住率较低，会导致三相不平衡率偏高，提高入住率后三相不平衡率会相应优化；谐波为该区域内导致电能质量问题的主要因素，谐波电流总畸变率超过10%的用户占比80%，待该区域内的入住率提高后，谐波电流总畸变率将进一步增大。

2 区域型电力绿色质量综合方案

2.1 区域型电能质量治理情况需求分析

电能质量异常主要包含无功功率、三相不平衡、谐波三种类型的问题。结合前文对用户电能质量数据分析情况可知，该区域内的主要电能质量问题表现为谐波电流畸变率较高。由于经济园区为工业或商业办公集中区，因特种设备或原因所产生的电能质量问题将会集中放大，为达到区域型电力绿色质量的要求，无功功率、三相不平衡等因素也需要电能质量问题治理的考虑范围内。在区域型的电能质量治理过程中，需要满足无功补偿、调节三相负载、谐波治理。

经济园区内的电能质量问题会随着季节、气候、生产计划等多方面因素的变化而变化。如：冬季、夏季的空调使用高峰期区域内的电网负载比平时高，在负载高峰期使三相负载均衡将会提高区域内的负载能力，满足更多的用电需求；功率因素在电力系统中对用户有硬性指标要求，用户在建设内部电网时一般有无功补偿设备，满足基本需求，但在特殊时期存仍会发生不满足功率因素标准的情况，该情况发生概率较小。

综上，在虹桥临空经济园区电能质量治理过程中，以治理谐波为主，在特殊时期需补偿无功功率和调节三相负载不平衡。从经济性角度分析，区域型的电能质量治理需在用户从按容量安装电能质量综合治理装置，该装置能同时治理无功、三相不平衡、谐波等问题，并能在容量范围内自由调节，以应对不同时期的电能质量治理需求。

2.2 区域型电能质量治理总体设计方案

如图2，通过在用户电网处安装电流互感器可以获取用户电压、电流、有功功率、无功功率、谐波电流等电能数据；电能质量综合治理装置在获取用户电能后可以在容量范围内对用户进行无功补偿、调节负载、滤波等作用；用户的电能数据可以通过有线或无线等方式上传至采集控制集中器，采集控制集中器可同时采集多个电能质量综合治理装置的数据，并可对指定设备发送命令，控制调节电能质量综合治理装的运行策略；采集控制集中器通过物联网通信模块将实施数据传输至远程；远程数据接入后经过业务逻辑处理、服务器，将数据在前端显示；工作人员可远程查看用户电网、电能质量综合治理装置的运行状态，并可根据数据情况做运行策略的调整[2]。

图2 区域型电能质量治理总体设计方案图

2.3 电能质量综合治理装置硬件结构设计

如图3，三电平结构具有容量大、输出电压高、电流谐波小等特点。在电能质量综合治理装置中，采用三电平拓扑结构设计，通过主控板控制器实现对电路中的高性能IGBT进行制动，控制电路中的电流通量；结合静止无功发生器模块、有源滤波模块、三相不平衡调节模块，可实现动态补偿无功、谐波治理、三相负载均衡调节等功能。

图3 电能质量综合治理装置三电平拓扑结构设计图

2.4 小结

本章主要对虹桥临空经济园区内的电能质量现状情况进行了分析，随着气候、季节、生产计划的改变，影响电能质量的主要问题的比重也会有所变化，因此需要在不同时期采取不同的应对措施，采用更合理的电能质量治理方案。本章提出了一种基于物联网的区域型电能质量治理方案，该方案需要在用户处安装电能综合质量治理装置，通过采集控制集中器，将所有用户数据汇总在远程显示，工作人员可远程监测区域内的电能质量数据，及时调整运行策略。

3 结语

本文以虹桥临空经济园区为研究对象，研究区域型的电能绿色质量治理方案。利用FLUK 435 II设备在虹桥临空经济园区内实地采集电能质量数据，并对数据进行统计分析，得出区域内的电能质量现状存在的主要问题。结合园区的特性，对区域型的电能质量治理需求进行了分析，并给出区域型的电力绿色质量治理方案。该方案可对区域内的用户电能质量问题进行集中监控与治理，以达到区域内电力绿色质量的目的，保障区域内用户的电力设备始终处于高效运行的状态，减少线路及设备的电能损耗，提高能源利用效率。