（电气工程专业论文）电能质量在线监测网技术的研究.pdf

屯能质量在线监测嘲技术的研究 v7 2 2 8 5 5 斗- 浙江夫学硕十学位论文 摘要 本论文从屯能质最监督管理的要求出发结合生产实际，构建了一个省级的电能质量在 线监测冈。在理论上总结归纳出本系统使用的电能质量评价体系：提出了省级电能质量在线 监测网所应具有的功能井对其软、硬件的实现进行了分析描述。在系统中引入了国际通用 的电能质量数据格式p q d i f 。 第一章是问题的提出：第二章简单介绍了电能质量在线监洲网的历史和现状：第三章、 第四章阐述了建立电能质龄在线监测网的必要性和可行性；第五章从电能质量问题出发，介 绍了电能质量的术语及定义、标准、评价指标，电能质鼍指标的检测理论和方法、测量统计 等，形成本系统使用的电能质鼋评价体系：第六章提出电能质量监督的二层管理模式：第七 章构造了电能质餐在线监测网的整体功能结构，并提出各子系统的功能需求，用u m l 语言 对其进行了用例分析：第八章提出系统实现方案，包括硬件架构和软件体系结构，并着重对 监洲终端的技术要求和系统传输问题进行了探讨，引入丁p q d i f 数据格式。 关键词】电能质量在线监测架构 皇壁垦墨鱼垫堕型堕垫查些型茎一一塑坚盔差堡立兰篁! ! 翌 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n s t r u c t8p r o v i n c i a lp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mt om e e lt h e d e m a n do fp o w e rq u a l i t ys u p e r v i s i o n ，a c c o r d i n gt o t h ep r a c t i c eo fe l e c t r i cp o w e r p r o d u c t i o n a n dap o w e rq u a l i t ya s s e s s m e n ts y s t e mf o rp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gi s s u m m a r i z e d t h i sp a p e rp r e s e n tt h en e c e s s a r yf u n c t i o no ft h ep r o v i n c i a lp o w e rq u a l i t y n m n i t o r i n gs y s t e m t h es c h e m e o f s o f t w a r em a dh a r d w a r da r ed e s c r i b e da n da n a l y z e d i nd e t a i l p o w e rq u a l i t yi n t e r n a t i o n a lt r a n s f o r mp q d i fi sa p p l i e di nt h i sm o n i t o r i n g s y s t e m t h ep o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gp r o b l e mi s p r o p o s e d i nt h e c h a p t e ro n e t h e c h a p t e rt w oi n t r o d u c eb r i e f l yt h eh i s t o r ya n d t h ep r e s e n to f p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g s y s t e m t h en e c e s s i t y a n dp o s s i b i l i t yo fc o n s t r u c t i n gt h em o n i t o r i n gs y s t e ma r e e x p l a i n e di nt h ec h a p t e r t h r e ea n dc h a p t e rf o u r i nt h ec h a p t e rf i v e ，t h i sp a p e rp r o p o s e t h ep o w e r q u a l i t ya s s e s s m e n ts y s t e mf o rm o n i t o r i n gs y s t e mb yd e s c r i b i n gt h ep o w e r q u a l i t yt e r m s ，d e f i n i t i o n ，a s s e s s m e n ti n d e x a n dt h e p o w e rq u a l i t yi n d e xd e t e c tt h e o r y a n dm e t h o d s ，m e a s u r e m e n ta n dn m n e r i c a js t a t e m e n ta n ds oo n t h et h r e et i e r s m a n a g e m e n tm o d e lo fp o w e rq u a l i t ys u p e r v i s i o ni sp r e s e n t e di nt h ec h a p t e rs i x t h e o u t l i n eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m sf i m c t i o ni sd e s c r i b e di nt h e c h a p t e rs e v e n ，t h e f u n c t i o no fs u b s y s t e m sb yu m l l a n g u a g ei sa l s op r e s e n t e di nt h i sc h a p t e r i nt h e c h a p t e re i g h t ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es c h e m ea r ep r e s e n t e dt oa c h i e v et h eg o a lo f t h em o n i t o r i n gs y s t e m t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to f m o n i t o r i n gt e r m i n a l sa n dt h ed a t at r a n s m i s s i o na r e a l s od i s c u s s e dh e r e a tl a s t ，t h ep o w e rq u a l i t yi n t e r n a t i o n a lt r a n s f o r mp q d i fi s a p p l i e d k e yw o r d s p o w e r q u a l i t y ，m o n i t o r i n g ，c o n s t r u c t i o n 垫堡堕兰垄璧些型翌! i 查塑婴塑 塑坚查兰堡兰堡! 竺生 第一章问题的提出 “i fw ec o u t df i r s tk n o ww h e r ew ea r e ，a n dw h i t h e rw ea r et e n d i n g ，w ec o u l db e t t e rj u d g e w h a t t od o a n d h o w t od o i t ”a b r a h a ml i n c l o n ，1 6 1 u n e1 8 5 8 这也许就是我们今天讨论屯能质量监测系统的出发点。 随着我国加入w t o ，电力市场的运作规则也将与国际惯例接轨，供电电能质龟日豁重 要，为了随时了解电能质量情况并且实施一整套管理，同时更好地服务于蚪j 户，建立一个电 能质量监测网己显得非常必要。 随着国民经济的快速发展，各行备业对电力系统供电质量的要求也越来越高。同时， 电力系统的污染也日趋严重，特别是干扰性负荷，随着电力电子技术的广泛应用和发展，供 电系统中增加了大量的非线性负载，如静j t 变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量t 的工业交直流变换装置都有应用，由于静止变流是以开关方式工作的，会引起电网电流、电 压波形发生畸变，导致电网的谐波污染。冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电 力机车等运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严 重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干 扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”。另一方面，机场、银行、高精密的技术和装各 对高质量电能的需求日益增加。正是由丁电网中越来越多的暂态电能质量问题的出现，有必 要建立全网的在线电能质量监测管理系统，用以积累大量电能质量数据，分析全网屯能质量 水平、分析由于电能质量问题引起的电网故障以便更好地服务电力客户，进一步完善电力 市场，为以后可能的“分质分价”奠定基础：同肘导向电力投资，优化电网投资真正实现 可靠供电、优质供电。 皇壁堕至垄些鉴型堕垫查塑堕塞 塑查兰! 竖堡! 竺l 第二章电能质量在线监测的历史与现状 本章简单介绍了历史上对电能质量在线监测技术的探索和目前国内外实施电能质量在线监测的现状。 2 1 电能质量在线监测的历史 电能质量在线监测柏开始应该追溯到二十世纪二十年代，侉踅着通阁电气公司的蓄击记 录仪的出现，可以定性地提供冲击的振幅，定量地提供时间和日期，就是晟初的屯能质量在 线监测。 二十世纪六十年代，m a r t z l o f f 应用了一个更聪明的组合，用一台照相机和一台高持续 性的、类似示波仪的仪器来定量地记录电能质量信息：雷击电压波形，并能智能地分析数据， 但相当地缺少艺术性。从技术报告上可以很明显地看出该装置的局限性。至少两个局限性是 很明显的：触发机制和预置频率响应。但在当时，不失为一个刨举。 也是在二十世纪六十年代中h 我们看到屯能质最监测仪第一次广泛地被片= | 来收集统 计数据。但它还是相当地简单：一个机电的计数器和一个s c r 触发电路，所有的东西都安 置在一个小小的塑料盒子里。今天的工程师们可以从这个盒子的设计里学到两点：敏感的高 频部分放在一条铜水管中以求屏敝，示意图贴在盒薷的内面。从这儿我们看到最早的智能的 屯能质量监测系统：分布在各处的监测仪，粗糙的事件记忆，在个中一l 处进行数据分析。 直到二十世纪八十年代，我们有了全幽像电能质量记录仪用来捕捉波形和信号，并通 过电话线传输。电压和电流根据特定的规则呈现，你可以在手册的帮助下读懂这些规则，从 而明白记录下米的是什么样的波形，但是还得由人来解释这些波形的含义，而且数据传输也 局限于点对点。在这个领域，多对一数据传输在二十世纪九十年代出现了，在e p r i 的配网 电能质量项目中。经过几年，上亿的数据从几百个监测点收集起来，为调奁研究各种感兴趣 的、与传输大量敏感数据相关的问题( 技术上的，政治上的，经济上的，实践中的) 提供了 可能性。这个时候，电能质量数据库为许多标准和分析提供了统计基础也为实验上的波形 分析程序提供了有价值的原始数据。 世纪性的突破，网络使得多对一数据传输变得非常简单，现代的系统方便地传输数据 和信息到任何需要的地方，并应用算法提取有用的信息给不确定的用户。用户可以运用信息 进行决策，这其实也是监测的最终目的。 在这里，我们也提提以前的科学家们进行过的其它一些电能质量监测方法，虽然天折 2 电能质量在线精删同技术的研究 浙江火学硕士学位论文 了但也许未来的1 二程师们可能避免使用他们，或者可能新技术和新思路的山现可以重新启 _ 日j 它们，毕竟有些呈现了很好的思路。 二十世纪八十年代，曾有一些非常昂贵的电能质量监测仪被开发出来过，这是商业上 的失败，专门经营这些监测仪的公司都倒闭了。这些监测仪都亮着些指示灯，而且持续地 亮着，当一些典型的干扰，如下陷，冲击，噪声，频率变化等发生时，它可以记录下来，却 没有任何方法利用从这台装置得到的信息进行决策。 还有些尝试去整合一个电能质量传感器到个敏感的装置，比如一台彤印机。这是 个技术上的成功，商业上的失败。说明技术上的准确并不意味着商业上的成功。 几年前还尝试过将电能质量监测仪微缩到块芯片，并整台芯片和它的传感部分到电 源插座里。同样地，这是个技术上先进的想法，但要做得好。同样的问题，怎么去处理得 到的信息。这个问题实际上包含两个方面：首先，收集到的信息只存在在插摩里并必须传输 到剐的什么地方，然后，怎么处理这些信息还不明确。 这些部是历史上对屯能质量在线监测的一些尝试，包括装置上的、组网技术上的。 2 2 电能质量在线监测的现状 我国的屯能质量在线监洲一般都以某一厂家的监测仪器为核心，建立小范围的数据中 心，通讯方式有基于m o d e m 的，有基于以太网的等等，这类方式存在着明显的问题：第 一，各监测仪器之间的数据j i 能相互变换，无法实现数据的共享，第二。不同洲点考察的电 能质量指标不同，而且指标也在不断增加，那些小范围的数据中心灵活性不够，数据维护困 难，i g - - ，目前数据的分析仍停留在汇总、统计上，没有更进一步的专家分析系统。目前我 国还没有省级也能质量在线监测网。本论文将对此作探讨。 国外早在1 9 9 3 年至1 9 9 5 年，美国电力研究院e p r i 做了个课题，针对全袭2 4 种不 同供电企业的2 7 7 个监测点进行了数据收集和统计分析研究系统性能如何监测、特殊的电 能质量问题如何监测、为提高供电的服务质量如何监铡等等，这个研究成果成为美国开展电 能质量监测的指导方针。随后，e p r j 又针对不同的数据采集源研究制定电能质量数据交换 格式p q d l f ，该格式被i e e e 采纳并将其作为标准来制定，目前，某些制造厂家已采用了这 种p q d i f 标准格式。据介绍，近年来，基丁w e b 网络技术，采月 p q d i f 标准格式的在线 监测系统有成功的应用实例( 如应用于美国著名的电力公司t v a 。t e n n e s s e e j 印a u f h 删砷 的s i g “a t u ”s y s t e m ) ，并且各方人士开始积极探索和应用如何通过电能质量的在线监测对电 电能质量枉线监测网技术的研究浙江人学硕士学位论文 力澄稀的预防性维护提供一些有用的建 义等等，换句话说，就是要建立更高一级的在线监测 应用系统，目前美国的e l e c l y o l e kc o n c e p t s 公司正在这方面进行尝试。 皇堕堕垦! ：垡堕型塑茎查塑里塞 一一! 堑垩奎兰竺兰童兰! ! ! 蔓 第三章建立电能质量在线监测网的必要性 从并种相关法律法规规定出发，从电气化铁道对电能质量的影响、大电嘲带来的屯能质量问题、电力 市场的要求、电力投资咨询的要求、我省电能质量现状及存在的问题等几个方面柬啊述建立屯能质量在线 监测网的必要忖。 3 1 相关法律法规及规定 3 1l电力t 业部关于颁发电网电能质量技术监督管理规定的通知中写到：“电网供电 电能质量是电力1 = 业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面投资者、经营者的权益，优良 的电能质量对保证电网和广人用户的电气设备希j 各种用电器具的安全经济运行、保降国民经 济各行各业的正常生产和产品质量以及提高人民生活质量具有重要意义。同时，电能质量有 些指标受某些用电负荷干扰影响较大。全面保障电能质量是电力企业利用户共同的责任和义 务。国家在电力法中已作了相应的要求，冈此，各级电网经营企业都要重视不断提高电能质 量，结合本网实际，认真贯彻执行该规定。” 3 1 2 电业生产事故调查规程中规定： 3 1 2 1 电网电能质量降低，造成f 列后果之一为一般电网事故： 1 ) 频率偏差超出以f 数值： 装机容量在3 0 0 0 m w 及以上电网频率偏差超出5 0 4 ：0 2 h z ，且延续时间3 0 r a i n 以上； 或偏差超出5 0 ：k - 0 5 h z ，且延续时间1 5 m l n 以上； 装机容量在3 0 0 0 m w 以下电网，频率偏差超出5 0 - 05 h z ，且延续时间3 0 r a i n 以上；或 偏荠超出5 啦! h 2 ，且持续时间超过1 5 r a i n 以上。 2 ) 电压监测控制点电压偏差超出电劂调度规定的电压曲线值士5 ，且延续时间超过2 h ；或 偏差超出41 0 且延续时间超过l b 。 3 】，2 2 电网电能质量降低，造成下列后果之一为电网类障碍： 1 ) 频率偏整超出以下数值： 装机容量在3 0 0 0 m w 及以上电网，频率偏差超出5 0 士0 2 h z ，且延续时间2 0 m i n 以上： 或偏差超出5 0 4 0 5 h z ，且延续时间1 0 m i n 以上； 装机容量在3 0 0 0 m w 以下电网，频率偏差超出5 0 0 5 h z ，且延续时间2 0 m i n 以上：或 偏筹超出5 0 l h z ，且持续时间超过l o m i n 以上。 皇壁堕量垄丝些型塑整查塑竺窒 一一j 墅三苎兰堕主兰! ! ! ：墅 2 ) 电压监测控制点屯压偏差超出电网调度规定的电压曲线值5 ，且延续时间超过l h ；或 偏差超出士1 0 ，且延续时间超过3 0 m i n 。 3 1 31 9 9 6 年4 月1 日开始实行的中华人民共和国电力法第二十八条规定：供电企业 应当保证供给用户的供电质量符合国家标准。对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及 时处理。用户对供电质量有特殊要求的，供电企业应当根据其必要性和电网的可能提供相 应的电力。而怍沁细则的 第十九条规定崽户受电端的供电质量应当符 台国家标准或者电力行业标准。而这里所谓的电能质最国家标准主要是指国家技术监督局发 布的中华人民共车 l 国电能质量五项标准。 要满足这些电能质量指标管理的要求，势必要建立一个有效的、切合实际需耍的电能 质晕在线监测网。 3 2 电力市场的要求 3 2 1 电力是种商品，商品就有质量。在线监测可以了解和保证用户的用电质量。 随着屯力市场的逐步成熟完善，兼顾不同层次用户对电力的需求不同，有些国家针对特 定的一些削户提出了分质分价电力的概念，如美国在屯能工业实践中，已着手建立优质电力 同i y ( p r e m i u mp o w e rp a r k ) 。p p p 上程是由美国电力科学研究院( e p 黜) 会同d e l a w a r e 所在的 荧固电力公司( a m e r i c a ne l e c t r i cp o w e r , a e p ) 和西门子电力输配电部( s i e m e n sp o w e rt & d 即 原w e s t i n g h o u s e ) 共同进行开发的。p p p 选在2 0 世纪6 0 年代建成的d e l a w a r e 工业矧区。p p p 建成后将满足电力用户获得其所需质量的电力和更高的电力服务质量，当然用户为此需支付 较高的电费c 而要实行分质分价，也就势必要有一个在线监洲浆萱米保证用户使用的电力顾 价相符，同时也避免日后的用电纠纷。 电力作为一种商品的概念更深入人心了，既然是商品，就有质量。用户需要了解质量， 供应商需要控制质量，而电力市场与其它行业市场有其共同之处，即电力也是商品，标明商 品价格，符合商品质量标准，具有一定的交换场所( 即电网市场) ，买卖双方通过市场进行 交易n 但又与其它行业的商品有很大的不同之处，那就是电力商品不能储存，产品产、供、 销同时完成商品流通过程瞬间实现，其影响是系统性的，一个环节发生问题将有可能影响 全局【4 】。故需要随时监控质量，保证为用户提供合格的电能。 3 2 2 随着电力市场的形成，电力企业将面f i 自更大的竞争，必须通过提高供电水平和 电能质量来占领市场。 6 电能质量在线监测网技术的研究 浙江大学硕士学位论文 同步谐振问题弱电源带长线的谐振过电压问题( 电网事故处理期间可能出现的运行方式) 等 等，以保证高屯压设各和电网的安全运行。对大机组而言，一方面，在电网的某些特殊运行 方式下，有可能使机组产生远人于机端山口多相短路时的电磁与机械应力，如由于串联电容 补偿线路与机组间产生的次同步谐振等，可能一次就耗尽了机纽轴系的疲劳寿命；另一方面， 在电网正常操作时，可能引起发电机有功功率发生瞬间突变，也会造成轴的扭搌，虽然每次 操作造成的疲劳损耗很小，但经长时间的积累可能达到可观的数值。对变压器而言有的超 高压大容量变压器的故障是由于其局部绕组发生谐振过电压造成的，这个问题在国外有较多 的研究，如美国、加拿大等，国内对变压器故障没有从谐派过电压方面分析，因些尚术有 这方面的报道。总之，对大电网而言，正常的i 耋行操作及故障处理期间可能的特殊运行方式 都有可能出现安全隐患，因此从国外的事故中吸取经验教训，加强电网的监测力度是必要的。 在人电网的条什下，电能质量问题已成为电网事故和散障的一太原因。随着系统的日 益复杂，电网事故的此牵彼动，必将会实行电网状态检修，建立电能质量监测网是实行电网 状态检修的前提。 3 4 电气化铁道对电能质量的影响 电铁机车是单相大功率整流负荷，其崩屯会产生大量的谐波与负序，如不能在电铁牵 引变电站得到及时治理，将注入电力系统，影响全网波及用户。由于电铁机车沿铁路移动 用电，其产生的危害性远比其它任何谐波源设备更为严重，更为广泛。据不完全统计，自电 气化铁路机车投运三十多年以米，因电铁谐波与负序屯流已引发过2 0 0 , m w 发屯机跳闸，山 西、河南、贵州等电嘲人面积停电或系统解别电网产生局部谐振，发电机转子损坏，继电 保护非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏，小火电厂不能就近并网等系列的危 害，使社会、屯力部门和崩户蒙受了巨大的经济损失。我省的电气化铁道( 浙赣线) 正在规划 中，为使我省电网避免受其害，应尽早尽快提出监测和治理对策。 3 s 电力投资咨询的要求 应该说，目前和以往的电力投资更多地考虑用电的需求和设各更新健康的需要，但随 着电网的完善，用电需求基本得到满足以后，将更多地考虑用户对电能质量的要求，从电阿 安全和电价合理的角度对电能质量进行控制。合理的电力投资，才能有台理的回报率，而合 8 皇堑堕呈垄些堕型堕垫查竺堕窒 塑坚墨兰耍主主焦i ! 墨 理的同报率必须有合理的电价作基础。运用现代系统观点和决策原理，建立科学的、民主的、 有序的投资决策系统，使投资活动真正进入高级经营的科学轨道，将对于实现企业的持续、 稳定、协调发展具有重要意义。此时电网的投资考虑到电能质量闭素时，屯能质量在线监测 网就可以为电力投资决策提供相关依据。 3 6 用户的要求 电能质量的下降严重影响用户的正常生产及居民的正常生活，例如电压波动引起照明 设备闲变，上海华虹n b c 企业( 生产硅品片) 每遇次超标的电压波动其损失在1 0 0 万美 金等等。 3 7 电力企业经济效益的要求 电能质量指标的r 降严重影响电力企业的经济效益，例如电力事故损失、停产损火、设 备损坏损失、谐波在电网流动产生的网损、谐波源负荷造成电力计量误差等。 3 8 我省电能质量现状及存在的问题 3 8 1 我省谐波黹；9 1 | l 情况 在电能质量的多项指标中，由于谐波问题较为普遍，较早被人关注。我省在八十年代 斤划从舟山直流输电= 程开始关注谐波问题，早期的便携式监洳装置( 德国产的n o w a ，l ， 国产的g x f - 9 0 8 ) 只能测量谐波指标，对电能质量的分忻研究也主要围绕谐波展开。从2 0 0 3 年中试所汇总的谐波普测数据看来，各地区电网都存在不同程度的谐波污染，有些地区谐波 污染相当严重，己到了非治理不可的阶段，须加强管理，综合治理。 以丽水为例，丽水近年来涌现了大量的铸钢厂，在某种释度上这行业成了些县的 经济支柱，在为当地经济带来转机的同时，这些厂也给电力系统注入了火量的谐波污染。由 于丽水电网短路霹量小，谐波污染就显得尤其严重，给电网安全经济运行和用户优质用电带 来了极大的危害。 近年来，丽水电力系统也非常重视电能质量问题，曾在一个1l o k v 变电所很好地实旋了 谐波综合治理，一些铸钢用户也根据电力部门的要求实行了一些减少谐波注入电网的措施。 q 生堂壁量鱼丝些型塑垫查竺竺茎 塑垩查兰堡主兰篁笙壅 同时，屯力工业放松管制及电力零售商的出现打破了电力企业垄断经营的地位与葶 断经营时期相比，在剧烈的电力市场中，电力企业将面临： 新的国际标准( 例商le n 5 0 1 6 0 ) 已明确将电力定义为产品，作为产品就有质量保证问题。 为了占领电力市场，吸引电力用户，电力企业不但要有一定的供电可靠性外还要根据 用户的需要保证一定的屯能质量，必要时与电力用户签定电能质量合同。 要避免由于电能质量问题引起的法律纠纷。在美国、英国、巴西已出现电力企业面对用 户提出由于电能质量问题需要经济补偿的法律纠纷事件。 必要时安装电能质量监视系统以便使电力企业与电力零售商、电力用户划清电能质量问 题的界面，从而加强电力企业的自我保护。对于电力用户则可以通过监视电能质最来找 出电能质量问题，改善和控制屯能质量。 特别是发电市场、输电市场、配电市场和电力零售市场的出现，电力企业必须通过提 高供电服务水平和电能质量来占领市场【3 】。 3 2 3 在电力市场条件f ，由于交易模式的不同和不可预测情况的存在，可能会出现新 的运行问题，故需要强有力的在线分析软件去发现隐患。 在电力市场条件下，用户可任意选择供电者以双边交易的形式确定发电和用屯的模式， 因此系统潮流可能与预测的很不一样。新的运行问题由此产生，并可能导致输电阻塞、电压 崩溃及不稳定等问题，关键在于要有强有力的在线分析软彳牛去发现隐患。此时，首先要重视 进行中长期电源和电网的优化规划，并通过经济杠杆引导电源布局和网络布局尽量靠近这些 目标。其次要制定科学合理的可靠性准则，便之成为实时监控的主要依据。 3 3 大电硒安全运行的要求 电能质量指标下降对电网安全运行构成严重威胁，例如谐波引起电网谐振，负序电流 及谐波的负序效应引起发电机负序保护误动，三相不平衡引起地线容性电流过火等等，同时， 电能质量指标的下降严重影响电器设备的可靠运行。例如谐波引起电机类设备发热、震动， 引起电容器过负荷等等。 对电网安全运行的最大威胁是运行稳定性的破坏。电力系统稳定按性质可分为三种： 功角稳定、电压稳定和频率稳定a 其中功角稳定又分为暂态稳定和系统低频振荡。我国电力 系统己进入高电压、大电网、火机组的新阶段，有很多新问题要从电网有关的各方面技术以 及组成电网的各种元件的协调与配合中进行研究，如变压器的谐振过电压问题，大机组的次 电能质量在线监测网技术的研究 浙江大学硕士学位论文 同步谐振问题弱电源带长线的谐振过电压问题( 电网事故处理期间可能出现的运行方式) 等 等，以保证高屯压设各和电网的安全运行。对大机组而言，一方面，在电网的某些特殊运行 方式下，有可能使机组产生远人于机端山口多相短路时的电磁与机械应力，如由于串联电容 补偿线路与机组间产生的次同步谐振等，可能一次就耗尽了机纽轴系的疲劳寿命；另一方面， 在电网正常操作时，可能引起发电机有功功率发生瞬间突变，也会造成轴的扭搌，虽然每次 操作造成的疲劳损耗很小，但经长时间的积累可能达到可观的数值。对变压器而言有的超 高压大容量变压器的故障是由于其局部绕组发生谐振过电压造成的，这个问题在国外有较多 的研究，如美国、加拿大等，国内对变压器故障没有从谐派过电压方面分析，因些尚术有 这方面的报道。总之，对大电网而言，正常的i 耋行操作及故障处理期间可能的特殊运行方式 都有可能出现安全隐患，因此从国外的事故中吸取经验教训，加强电网的监测力度是必要的。 在人电网的条什下，电能质量问题已成为电网事故和散障的一太原因。随着系统的日 益复杂，电网事故的此牵彼动，必将会实行电网状态检修，建立电能质量监测网是实行电网 状态检修的前提。 3 4 电气化铁道对电能质量的影响 电铁机车是单相大功率整流负荷，其崩屯会产生大量的谐波与负序，如不能在电铁牵 引变电站得到及时治理，将注入电力系统，影响全网波及用户。由于电铁机车沿铁路移动 用电，其产生的危害性远比其它任何谐波源设备更为严重，更为广泛。据不完全统计，自电 气化铁路机车投运三十多年以米，因电铁谐波与负序屯流已引发过2 0 0 , m w 发屯机跳闸，山 西、河南、贵州等电嘲人面积停电或系统解别电网产生局部谐振，发电机转子损坏，继电 保护非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏，小火电厂不能就近并网等系列的危 害，使社会、屯力部门和崩户蒙受了巨大的经济损失。我省的电气化铁道( 浙赣线) 正在规划 中，为使我省电网避免受其害，应尽早尽快提出监测和治理对策。 3 s 电力投资咨询的要求 应该说，目前和以往的电力投资更多地考虑用电的需求和设各更新健康的需要，但随 着电网的完善，用电需求基本得到满足以后，将更多地考虑用户对电能质量的要求，从电阿 安全和电价合理的角度对电能质量进行控制。合理的电力投资，才能有台理的回报率，而合 8 皇堑堕呈垄些堕型堕垫查竺堕窒 塑坚墨兰耍主主焦i ! 墨 理的同报率必须有合理的电价作基础。运用现代系统观点和决策原理，建立科学的、民主的、 有序的投资决策系统，使投资活动真正进入高级经营的科学轨道，将对于实现企业的持续、 稳定、协调发展具有重要意义。此时电网的投资考虑到电能质量闭素时，屯能质量在线监测 网就可以为电力投资决策提供相关依据。 3 6 用户的要求 电能质量的下降严重影响用户的正常生产及居民的正常生活，例如电压波动引起照明 设备闲变，上海华虹n b c 企业( 生产硅品片) 每遇次超标的电压波动其损失在1 0 0 万美 金等等。 3 7 电力企业经济效益的要求 电能质量指标的r 降严重影响电力企业的经济效益，例如电力事故损失、停产损火、设 备损坏损失、谐波在电网流动产生的网损、谐波源负荷造成电力计量误差等。 3 8 我省电能质量现状及存在的问题 3 8 1 我省谐波黹；9 1 | l 情况 在电能质量的多项指标中，由于谐波问题较为普遍，较早被人关注。我省在八十年代 斤划从舟山直流输电= 程开始关注谐波问题，早期的便携式监洳装置( 德国产的n o w a ，l ， 国产的g x f - 9 0 8 ) 只能测量谐波指标，对电能质量的分忻研究也主要围绕谐波展开。从2 0 0 3 年中试所汇总的谐波普测数据看来，各地区电网都存在不同程度的谐波污染，有些地区谐波 污染相当严重，己到了非治理不可的阶段，须加强管理，综合治理。 以丽水为例，丽水近年来涌现了大量的铸钢厂，在某种释度上这行业成了些县的 经济支柱，在为当地经济带来转机的同时，这些厂也给电力系统注入了火量的谐波污染。由 于丽水电网短路霹量小，谐波污染就显得尤其严重，给电网安全经济运行和用户优质用电带 来了极大的危害。 近年来，丽水电力系统也非常重视电能质量问题，曾在一个1l o k v 变电所很好地实旋了 谐波综合治理，一些铸钢用户也根据电力部门的要求实行了一些减少谐波注入电网的措施。 q 皇壁垦墨垄些堕型囹苎查盟竺壅 塑垩查兰堡主堂堡堡苎 表3 - i 丽水地区部分变电所母线电压主要谐波含有率及总谐波畸变率 电压等级3 次5 次 7 次1 1 次总畸变率 变电所 ( ) ( k v )( ) ( )( )( ) 1 1 0o4锄 17o 2蕾3 壶镇变3 50 4鲞且2 尊1 29 h 1 00 5蛸30 4雪津 3 5o32 4i 6o 23 缙云变 1 00 。5 酮 1 80 2 或萝 陶滩变l o幽淳07 l 通蒋 0鞠编04i 9 基衢 金溪变 “ 3 5 瀚 黼1 30 6 6 落 3 507妫黝 1 1l 瞄 云和变 1 0】 躐翰 04必 刚水地区喈波情况较为严重，超标情况普遍并数值较大。 最近，我省5 0 0 k v 主网的电能质量发现一些新问题。杭州的乔司变、瓶窑变、金华的 双龙变、嘉* 的王店变等5 0 0 k v 电压等级变压器多次发生异常声响，持续时间从儿分钟到 小时不等，其中双龙变持续时间最长达6 0 分钟左右，据了解，乔司变在所发生的十次异常 声响中有八次与泰山核电站空冲主变有关，后经测试发现，确实存在着一定的关联性至于 这种扰动对变压器的影响究竟有多大，造成的危害程度有多深，专业人员正进行这方面的研 究，据有关专业人士分析，若多次艮时闻发生变压器声音异常可能会引起变压器铁芯、绕组、 结构件的松动，将影响变压器寿命。 另外，某变电所有一条2 2 0 k v 线直供某钢铁厂8 0 吨直流电弧炉，该线路的零序电压 经常动作发讯，并且与其在同一母线上其它线路的高频保护也经常启动发信，而线路并未发 生故障，这种现象与该钢厂产生的大量谐波电流有多少关联，需进步分析研究。 近年，某地区发生大批量的电子式电能表烧损而停运故障( 属于2 2 0 v 低压) ，数量约6 0 0 0 只左右，经检查发现，由不同厂家生产的电能表在损坏的部位及其元件均类似一阻容降压 同路电阻、电容器烧坏，经测试该地区的电压总畸变率高达1 6 己大大超出一般的电子 设备谐波抗扰水平8 ，在这种情况下，成批的电能表烧损就不可避免。 总之，从低压，到高压，再到超高压均存在着电能质量问题，如何及时发现、分析和解 决这些问题是目前的当务之急，利用日盏发展的信息技术和电网已有的发达的通信网络建立 l o 电能质量在线监测删技术的移f 究 浙江大学硕j 学位论史 起一个电能质量实时监测系统变得非常必要。 3 8 2 目前电能质量管理模式及存在的问题 目前各地医电业局一般利用便携式测试仪不定期地对某些变电所进行测试，或对发现有 电能质量问题的变电所、电厂或用户进行测试分析，然后通过软盘将数据上报到背电力试验 研究所，经过其汇总、统计分析，对浙江省电网的电能质量水平进行评估，提出电网目前存 在的问题，供电力公司领导决策参考。管理模式示意图如下： l 竺兰竺磊赢i 、 一釜 磊世= 竺 弋竺今7 图3 - i 浙江省电能质量管理模式示意图 当前电能质颦监测手段和管理模式存在着明显的局限性： 实时性不强：由于监洲手段落后、监洲周期长、监测点分散，造成数据时效性差，上级 部门无法及时了解各地区各电压等级的电能质量水平，从而无法及时采取相应措施改善 电能质量。 监测指标少：受监测装置的影响，无法同时提供多项电能质量指标，如电压跌薄、短时 断电、电压波动和闪变等等。 缺乏决策判断的依据：由于监铡手段的落后，无法对监测点进行跟踪测试，从而难以深 入分析造成电能质量的成因，也难进一步提出改善电能质量的敏感点。 工作量大：一方面，需要花费很多的人力和物力去收集数据，另一方面，还要对收集的 薯备 电能质量私线监测网技术的研究 浙江大学硕十学位论文 数据进行大量的统计分析。 效率低：从发现电能质量的问题到解决该问题，往往需要很k 时间，不利于管理上作的 开展，无法形成一个高效率的电能质量监督管理体系。 基于这种现状，开展实质性的电能质量综合治理上作势在必行，其起步工作在于建立广 泛的电能质鼍监控信息网络通过高度智能化的工业监控单元的实时在线检测，不仅能够使 我们掌握全网的电能质量水平与状况，了解运行负荷引起电能质量指标下降的内在规律，发 现污染源负荷的动态n , t l 司分布特性探索不同污染渡负荷在不同运行工况及负荷水平f 对电 网的污染程度，同时能够使我们取得大量的、详实的、不同运行工况的现场数据，采用统计 规律依照国家标准进行在线评估，从而使电能质量指标参数不仅只有专业人员能够分析了 解同时能够被广大电力工作者、用户、特别是我们的决策领导层进行分析应用，从而指导 电力安全生产并实现电能质量的综合治理。所以，建立这样一个电能质量在线监测网，及 一套统一的和开放的监控和管理平台，能够及时分析和反映电网的电能质量水平，以便尽快 找出电刚中影响电能质量的原因，并采取相应的整改措施，这对电网的安全、经济运行足有 积极意义的。 皇墼曼墨壅堡些型墅垫查堕里塞 塑坚盔兰耍兰兰竺竺苎 第四章建立电能质量在线监测网的可行性 从电能质量监测理论、方法、手段、软硬件基础等方面柬阐述建立电能质量在线髓测呵的可行性。 电能质量问题受到越来越多国内外人士的关注，相应的标准也在不断建立和完善，电 能质量的监删和分析技术也都在积极探索和实践中。据前介绍，国外已经在大范闱的区域内 成功地建构了电能质量在线监测网的经验。我国也已在小范围内进行了探索。 目前电能质最监洲的理论和方法已基本齐备。 信号处理技术大量涌现并日臻成熟。新的高性能d s p 不断涌现及其价格迅速下降：d s p 技术在电力系统中得越来越多的成功应用。此时大量高性能电能质量在线监测设备的出现 也为电能质量在线监测网的构建提供了条件，如国外的f l u k e 公司、l e m 公司，国内的安 徽振兴等公司，都已对电能质量在线监测设备进行了经年的开发与研究，在一些新技术的支 持下，产品已比较成熟。 计算机网络技术的飞速发展，也使在线监测技术的实现成为可能。 目前，省公司及其下属的地区局，电网的计算机网络发展较快，三级数据网的光纤已 摹本铺设到位，这为电能质爱数据的传输提供了通信基础，如金华电力局，目前该局东西两 片光缆环网基本建成，共建有光缆线路4 4 5 千米，光通信站3 9 个，已建微波_ t 线4 条、微 波站】2 个a 金华市郊的一点多址微波通信系统，覆盖金华县和婺城区全部3 5 千伏变电所和 部分11 0 千伏变电所。l 9 9 9 年底启动建设的金华电力信息网络，是金华电网信息化建设的基 础性t 程。绍兴建成了以光纤为主干的1 0 0 m 快速城域网和以s d h 与数字微波为基础的广 域同，实现与省局、省属各县( 市) 局、2 2 0 k v 及以上变电所( 操作站) 及供电营、皿所的远 程网络连接c 宁波电业局已拥有连接全网所有2 2 0 k v 及以上变电所、主要1 1 0 k v 变电所和 各县( 市) 供电局的通信光缆5 0 0 公里，通信站5 1 个，建成了宁波市区、慈溪、镇海北仑 地区二个s d h 光通讯环路，鄞县、宁海和象山、余姚三个s p d h 光通讯环路。局属9 个县 ( 市) 区供电局，已全部接入光缆环网。 据省局信息中心介绍，目前我省电网有为调度提供的专用数据通讯网和为m i s 管理系 统、o a 办公系统等信息提供勺信息通讯网；本系统的通讯通过信息通讯网；另外，国内外 生产的用于在线监测的电能质量监测装置基本都已考虑了网络传输功能，配备了多种通讯接 口及相戍协议，总之，实现电能质量的在线监测已具有了较好的硬件基础。 电能质量f 1 ：线瓶测阏技术的研究 浙江人学硕i 学位论文 第五章电能质量评价理论 奉章从电能质量问题h 发介绍了电能质量的术语及定义、各回电能质量标准以及我国目前沙及的评价 指标，介绍，当前比较流行的电能质量指标的榆测理论和方法，最后介绍了电能质量的测量、分析、统计， 并以此一并内容作为本系统使用的电能质量评价理论。 电能质量评价理论拦进行电能质量监测的理论基础一电能质量评价理论包括如何定义 电能质量，如何科学建立电能质量评价指标体系，以及并评价指标参数的检测理论和方法。 早期的电能质量评价主要局限于频率偏移和电压偏移两个方面，电能质量评价涉及的理论 主要是频率和电压检测的理论和方法在相当一段时间内，被认为电能质量评价的理论问 题已经解决，圉此研究的侧重点放在如何对频率偏移和电压偏移进行控制方面。2 0 世纪8 0 年代以后，新兴负荷的出现提高了对电能质量的要求：同时，以电力电子装置为代表的新 型电力设备在电网广泛应用，使得电网特性复杂化出现许多新问题，如波形畸变、三相 不对称等。旧有的电能质量评价方法已不适应新形势，迫使人”j 去研究如何评价电网复杂 化后的电能质量，近年来，电能质量评价理论研究掀起了一个小高潮。目前电能质量评 价指标，已从过去的2 个增加到了6 个，即频率偏移、长时电压偏移、短时电压偏移、屯 磁暂态、三相不对称、波形畸变。但是，新的6 项电能质量指标是否非常科学是否还需 要发展t 还应进行理论探索和实践检验。新的电能质量评价体系涉及诸多理论，如功率理论、 谐波理论、电力系统暂态分析理论，等等。由于复杂电网电能质量评价研究时问不长，还 需要做深入的研究。 本论文在这一章对目前国内外在此领域的研究作一归纳总结，初步形成席用于这个监测 系统的电能质量评价理论体系 5 1 简介电能质量问题 从文献上看，到目前为止，电能质量这个技术术语还没有一个绩一的定义。i e e e 技术 协调委员会电能质鼋( p o w e r q u a l i f f ) 的定义为：合格电能质量的概念娃指，给敏感设备提 供的电力和设置的接地系统都适合于该设备的正常工作。1 e cf1 0 0 0 2 2 4 ) 标准将电能质量 定义为：供电装置正常情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。这二个定义都是定性 的，我们可以认为电能质量问题是任何由于电压、电流或频率发生偏离造成用户设各故障或 1 4 皇壁堕墨垄些堕型旦垫查堕型窒 塑坚奎兰堡主兰垡堡鉴 误动作的现象， 造成电能质量问题原因有二，可由电力系统本身造成，例如电力系统故障、电力设备 操作、接线方式和接地不良等造成：也可由用户造成，如非线性负荷、突变负荷、用户的电 气设备操作、接线方式和接地存在问题造成。 电能质量问题产生的影响： 影响电力系统设备正常运行：保护误动、设备发热： 影响电力设备的寿命： 增加输配电过程中的屯能损耗： 影响以电力作为动力的其它工业产品的质量： 目前我国对电能质最的研究、分析和监测和控制，主要集中在五个方面：供电电压允 许偏差( g b f r l 2 3 5 2 - 1 9 9 0 ) 、电力系统频率允许偏差( 6