电力质量在配电系统中的监测与控制技术

郭冰珂，周 鑫

（国网陕西省电力有限公司蒲城县供电分公司，陕西 渭南 715500）

1 监测技术

1.1 电力质量参数

电力质量参数是评估电力系统供电质量的重要指标，对用户设备正常运行和电网可靠性有直接影响。常见电力质量参数包括电压波动、电流谐波和频率偏差等。它们承载不同的电力质量问题并产生不同的影响。电压波动指电压在短时间内的快速变化，如瞬时中断、电压降低和闪变。这些波动会干扰用电设备，导致灯光闪烁、计算机死机等问题，甚至损坏设备。电流谐波是非线性负载引起的含有非基波成分的电流[1-2]。谐波电流会引起电压失真，影响供电质量和电能计量准确性，同时会导致出现设备过热、电机振动和电容器过电压等问题，危及设备寿命和安全运行。频率偏差指电压频率偏离标准频率（通常为50 Hz或60 Hz）的程度，会导致电力系统出现电动机速度波动、计时设备计时不准确等问题。

1.2 监测设备

电力质量监测设备是实现电力质量参数监测的关键工具，能够采集电力系统中的电压、电流等数据，为电力质量监测与控制提供支持。这些设备主要包括传感器和数据采集单元2部分。传感器是电力质量监测设备的重要组成部分，用于将电力信号转换为相应的电信号，实现电力参数的测量和采集。数据采集单元是电力质量监测设备的核心控制单元，负责处理、存储和传输传感器采集的电力质量参数。常见的组成部分包括模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）、微处理器、存储器和通信接口。利用传感器实时监测与采集电压、电流等参数，利用数据采集单元高效准确地处理和分析数据，可以帮助运营人员及时发现电力质量问题，并采取相应的控制措施。

1.3 大数据分析

电力质量监测产生的海量数据需要通过大数据分析技术来挖掘有价值的信息，其中数据预处理是首要步骤。它的目的是处理原始数据中的噪声、缺失值和异常值，确保分析结果的准确与可靠。在电力质量数据中可能存在各种干扰和异常，如传感器误差、通信故障等。平滑处理、插值填充和异常值检测与处理等方法，可保证数据的完整性和可用性。数据预处理后进行特征提取，可以从数据中抽取有用信息。对电力质量数据而言，通过信号处理和时频分析等技术提取关键特征，如电压波形频谱、电流谐波含量和频率偏差，可以用于描述电力系统运行状态和供电质量水平。借助大数据分析技术如机器学习算法、数据挖掘和人工智能，深入分析提取的特征，能识别出潜在的电力质量问题和问题的发展趋势[3]。

2 控制技术

2.1 电力质量问题识别

电力质量问题识别是保障电力系统稳定运行的重要环节。自动识别算法与技术的应用可以及时发现电力质量问题。在电力质量监测过程中，电力系统产生的海量数据需要经过智能处理和分析，以区分正常工作状态和异常情况[4]。其中，波形识别是一种常用的电力质量问题识别算法。通过对电压、电流等信号波形进行特征提取和比较，识别出不同类型的波形异常，如电压骤降、电流谐波等。该算法可以帮助运维人员迅速定位问题，快速响应和解决电力质量异常情况。异常检测则是另一种重要的电力质量问题识别技术。它利用统计学和机器学习等方法，对电力质量数据进行异常值检测和分析[5]。当出现异常情况时，系统能够自动发出警报，通知相关人员及时处理。

2.2 控制策略设计

当设计电力质量问题的控制策略时，有源滤波器控制是一种有效的技术。该技术是一种利用电力电子元件实时控制的高级电力补偿设备，工作原理是基于对电力系统中谐波电流的补偿和动态无功功率的提供。通过控制有源滤波器的输出电流，使其与电力系统中产生的谐波电流相位相反，并以等幅度进行补偿。这样有源滤波器能够抵消谐波电流，从而有效降低谐波含量，改善电力质量。工作过程中，有源滤波器先监测电流波形和相位，特别是谐波电流，然后根据监测结果，通过控制输出电流进行谐波补偿。它还能动态调节输出电流，提供无功功率补偿，保持电力系统的平衡。另外，有源滤波器具有快速响应能力，能够迅速适应谐波和无功功率的变化，确保电力系统的稳定运行。

2.3 控制系统实施

在实施控制系统前，工作人员需要全面评估和分析配电系统的电力质量问题，包括谐波、电压波动和无功功率等问题。根据评估结果选择合适的有源滤波器设备，并合理部署这些设备。工作人员还需要配置控制算法的参数。为验证控制系统的实施效果，工作人员应在控制系统实施后评估其效果。评估标准包括谐波抑制率、电压稳定性、无功功率平衡、控制系统响应时间和经济效益。其中，谐波抑制率评估衡量有源滤波器对谐波问题的解决程度，电压稳定性评估衡量电压波动的改善效果，无功功率平衡评估确保无功功率补偿的准确性，控制系统响应时间评估衡量系统对电力质量问题的响应速度，经济效益评估则综合考虑投资和运维成本。

3 实验验证

3.1 实验设计

为验证控制系统在配电系统中对谐波电流的抑制效果，文章选择了一个中等规模的配电系统，包括10个电力负荷和5个供电设备。实验中选取了一台额定电流为100 A的有源滤波器，具有高控制精度和快速响应能力。系统监测电力系统中1～15次谐波电流的含量，并记录其幅值和相位，同时记录电压总谐波畸变率，以评估电压波形的畸变情况。控制算法配置中，文章设置了有源滤波器的谐波补偿算法，并将响应时间限定为不超过1 ms，以确保快速准确地对谐波电流进行补偿。此外，为了验证实验结果的可靠性，文章同时设置了对照组，在相同的配电系统中采用传统控制方式，不使用有源滤波器，并记录相关实验参数数据。通过比较实验组与对照组的数据，将得出有源滤波器控制策略的有效性和优势，为实际应用中的电力质量控制提供技术参考和决策支持。

3.2 数据采集与处理

为了验证有源滤波器控制策略对谐波电流的抑制效果，文章进行了数据采集与处理。首先，通过传感器和数据采集单元实时监测电流和电压波形，采集关键参数，如电流谐波含量、电压总谐波畸变率和谐波电流相位等。为确保数据的准确性和及时性，使用高精度和快速采样率的数据采集系统，并处理采集的原始数据，确保采集的数据与实际电力质量参数相符合。

3.3 结果分析

通过图表和数据分析展示实验结果，文章验证了有源滤波器控制策略在配电系统中对谐波电流的抑制效果，并客观评估了技术的实际应用效果。实验结果如表1和表2所示。

表1 实验组与对照组的谐波电流抑制效果对比

表2 实验组电压总谐波畸变率和无功功率平衡改善情况 单位：%

表1和表2的实验结果表明，在实验组中，有源滤波器控制策略成功抑制了谐波电流，各谐波次数的电流抑制率均在50%以上，最高达到57.9%。实验组的电压总谐波畸变率显著降低，改善率达到63.2%。无功功率平衡也有所提升，改善率为9.3%。而对照组未应用有源滤波器控制策略，谐波电流含量较高，电压总谐波畸变率和无功功率平衡相应较差。

4 结 论

通过对电力质量在配电系统中的监测与控制技术的研究，重点探讨有源滤波器控制策略在谐波电流抑制方面的应用。通过实验验证和数据分析，得出有源滤波器控制策略在谐波电流抑制、电压稳定性和无功功率平衡等方面的显著优势。文章为电力系统的运行效率提升和用户用电体验的改善提供新的解决方案和技术支持。在未来的实际应用中，这些技术成果将为电力质量监测与控制领域提供重要参考，为电力系统的稳定运行和可持续发展做出贡献。