第七章电能质量监测与控制-监测与控制

电力系统

电能质量分析与控制

第七章电能质量监测与控制电能质量监测的作用电能质量监测是收集、分析并将原始测量数据解释为有用信息的过程。其作用概括为：系统安全、可靠、经济运行的督察作用优质高效供应电力的技术保证电力市场交易的基础数据有序的商业化运作与文明社会的标志电能质量的6个显著特点对监测的要求

特点

要求电能质量指标的动态性概率统计方法（通常取95％概率大值）电能质量扰动的潜在性和传播性监测记录时间长短、监测设点等电能质量影响的相关性设立同步监测点，综合评估电能质量责任的特殊性功率方向、谐波潮流等，对特定用户及发生源等的重点监测记录电能质量评估的复杂性质量评估方法、兼容性评价、CBEMA曲线与智能化分析电能质量控制的整体性事故诊断、监测预警、指导缓和抑制补偿措施，监测监控电能质量监测目标监测目标简要描述描绘系统性能

通过了解系统的电能质量，供电方可以迅速发现问题，并能向用户提供信息以将敏感设备特性与实际的电能质量特性协调起来。描绘特定问题

通过对特定用户现场或有问题的负荷进行短期监测来解决问题。可以用于识别设备不兼容的原因等。电能质量评估提供不同等级的电能质量以满足特定用户的需要，建立等级服务的标准，检验是否达到合同约定的电能质量水平。诊断与设备维护提供与特定设备特性有关的信息。及时维护设备，避免灾难性故障，防止电能质量扰动最终影响整个电能质量性能。

电能质量监测位置的选择监测位置特点用户的供电入口包含供电降压变压器的影响；收集的数据还可用来描述用户负荷电流变化和谐波畸变水平；能指示扰动源（在测量仪表的系统侧或用户侧），可以降低变换器成本。受影响的设备附近可观测到与敏感设备所觉察的相同变化。对高频暂态过程，减小由隔离产生的监测仪和受影响设备之间的差别。变电站和选定的用户供电入口作为公共连接点，变电站对由其供电的馈电线故障期间其它馈电线上的用户经受的电压暂降，由谐波注入造成的背景谐波电压都能感受到。供电入口位置可以反映用户设备敏感性。基本检测技术

常规电压质量检测技术

电压波动与闪变检测技术

畸变波形分析与检测技术

动态电压检测技术

连续性与事件性质量问题检测特点

（我国电能质量检测技术的发展历程是一个引进试验、消化吸收和再创新的过程。）仪器的类别功能配线和接地试验装置绝缘接地和中性点接地连接的检测；接地阻抗和中线阻抗测量；地线、中线或火线开路的检测；火线/中线颠倒或者中线/地线颠倒的检测；三相测试仪还测试相位旋转和相对相电压。万用表进行设施内部电压和/或电流水平的快速检查；电路的过负荷问题、欠电压与过电压问题和线路之间的不平衡问题。数字相机现场测量时记录：变压器、电动机等的铭牌；仪器的配置；变换器和探针连接；仪器显示的关键波形；变电站、开关设备布置、避雷器位置等；关键电气元件的尺寸；等等。示波器观察电压和电流波形，可以得到有关所发生事情的很多信息；可以得到电压和电流幅值，寻找明显的波形畸变，并检测信号中的任何主要变化。扰动分析仪典型地都可以测量从极短时间的暂态电压到长期停电或欠电压的广泛的各种扰动现象。可以设置阈值并且仪器可在无人照看的情况下在一段时间内自动记录扰动。谐波分析仪和频谱分析仪同时测量电压和电流以便获得谐波潮流信息；同时测量各个谐波成分的幅值和相角（也是潮流计算需要的）；同步和足以准确测量至少37次谐波成分的快速采样率；表征谐波畸变水平统计特性（谐波水平随着负荷状况和系统条件的变化而变化）。扰动与谐波综合分析仪将谐波采样和能量检测功能与完全扰动监测功能组合到一起。闪变测量仪用精确的调谐滤波器和统计分析来评估电压闪变水平。智能型电能质量监测仪收集数据，将其转化为有用的信息并传播给用户。可以及时地提示工程师采取必要或者适当的措施。电能质量检测设备一览电能质量监测技术的发展趋势

监测电能质量是电力公司了解其电力系统性能并使之能满足用户需求的必要手段，是分析和解决电能质量问题的第一步，是在电力市场交易中建立电能质量等级服务标准和检验供电部门是否能达到合同约定的电能质量水平的技术和数据基础，为对电能质量进行综合性评估提供切实的依据。电能质量监测技术正朝着网络化、信息化、标准化、智能化的方向发展。监测系统网络化

实现同一供电系统不同地点的电能质量监测，实现多个局域系统的集中监测，对全系统电能质量可进行多层分析和评估，进而有助于针对存在的电能质量问题提出合理的治理方案。

数据层Web浏览器客户层客户端服务层应用服务器web服务器数据库监测系统网络化

由于监测的数据量庞大，数据要求共享，并进行多角度观测，原始的局域网可能不满足需求，未来的发展一定会依靠宽带通信和光纤网络为技术支撑，网络的拓扑结构也直接反映了电能质量监测系统的总体水平。监测体系信息化

信息化的目标：全面采集，实时传输；可存储记录;准确识别信息;科学合理控制。建立实时、可靠、高速，并集成语音、数据、图像等各类业务信息为一体的综合性网络。变电站远程用户PSTN

调制解调器其它监测点、监测网或用户

终端用户或其它服务功能发电厂

发电厂数据服务中心服务器数据库变电站数据服务中心服务器数据库数据库服务器电力信息管理或调度中心电力信息网或Internet是信息电力与信息社会发展的需要

满足信息完整、全面、多方位共享与决策的需求，满足电力市场的建立、电力调度与控制的需求及整体技术的发展。具体要求：信息采集的全面性信息传输的实时性信息记录的可存储性信息识别的准确性信息控制的合理性监测数据标准化

电能质量监测实时数据量相当庞大，而且要求数据可以共享并能进行多角度观察，数据格式要求标准化。使用基于网络技术的数据发布系统，有利于全面、高效地管理和使用现场数据。

IEEE标准委员会提出了一种通用的数据文件格式作为通用的平台——PQDIF（powerqualitydatainterchangeformat），通过标记元素结构将数据的物理属性和逻辑属性分离，具有良好的扩展性和压缩性，解决了数据量庞大的问题，也实现了电能质量物理属性的多角度观察，已经成为先进国家电能质量数据标准化的趋势。通道定义索引信息包记录

数据源记录1监测设置记录1观测数据记录1观测数据记录2监测设置记录n数据源记录n通道定义通道例程观测数据记录nPQDIF的逻辑结构简图显示界面标准化

格式内容丰富,可根据需要自动填充报表信息；可任意展示实时记录数据、生成统计报表、合格率报表；人机界面更具亲和力，所示内容简单明了；显示界面标准化可提高信息共享的效率，工作人员很容易地就可以找到图示的具体含义，便于各级主管部门和用户进行综合查询和交流比较。监测评估智能化

利用先进的数学方法和工具对电能质量现象和实测数据进行挖掘、分析和整理。对电能质量扰动影响做出科学的评价和综合评估，为电力部门改善电能质量提供决策依据。“预见维护型”是电能质量监测技术的发展方向!

例如，当电气系统不稳定时，电压波动的速度和强度会大大增加。优点：可以在问题出现之前就采取措施避免不必要的设备更换有利于系统的动态补偿充分有效地利用已有的维护手段3、在我国网络化电能质量监测系统逐渐建立，

已形成相关软硬件产业及需求数据中心地图数据文件WebServerApplicationServerClient数据采集与计算PQESSQLServerPQDAPQDMPQViewMonitorMonitorPQDIF……MonitorMonitorPQDIF电能质量监测网其他应用系统SCADA系统故障录波系统……远程用户通过VPN访问本地用户局域网访问动态电压监测与评估的意义动态电压质量的监测不同于诸如电压偏差等电气量的检测记录，其中最大的区别是要对这种随机性的动态事件做出科学的统计评估，以发现和找出内在规律，这对控制电能质量问题是至关重要的。是全面了解已知电网或规划电网各公共连接点电压暂降严重程度、特征参量及其分布特点（凹陷域）的必要手段。对于电力企业、高新技术电力用户、设备制造商以及政府招商引资有重要的现实意义。动态电压事件记录仪的研发

硬件结构图分析结果基于GPRS＆WEB技术的电压暂降监测和分析系统电压暂降监测和分析平台—

多样化表现形式事件分布与ITIC曲线评估实例分析通过随机预估，可以得到具有较高置信度的电压暂降特征量的密度分布和概率分布。

(a)密度分布(b）概率分布评估实例分析根据年配电网故障次数，可以评估因该电网引起的年电压暂降次数(SARFIX)。例如，假设系统年故障次数（含单相接地）约每年30-60次，则电压暂降的年事件次数为3-6次，这与向用户调查的年事件次数的范围基本一致。仿真线电压暂降事件在ITIC曲线的分布评估实例分析－电压凹陷域

专家预言，在未来系统运行分析中，电压凹陷域的仿真评估就如同潮流计算等一样成为必要的基本分析内容。交易平台交易平台建立健全质量标准评估体系的必要性电监局供电公司电力用户电费电能干扰电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护供用电双方合法权益的法律依据。电能质量控制概念电能质量控制除了直接的改善、抑制、补偿、缓解、防御、容忍度的技术手段外，还应包含标准指标的制定、运行状态和过程的监管、供需双方的交易的技术支撑等方面。电力电子技术及装置的广泛应用，其非线性特性使电力系统中的电能质量问题更加严重和复杂。有趣的是，“解铃还需系铃人”。电力电子技术及装置仍然是治理谐波污染、抑制电压快速跌落、提供无功补偿等电能质量控制最有效的手段之一。真所谓“以其人之道，还治其人之身”。电能质量控制技术的发展随着电力电子技术的进步，在电力系统逐渐形成了两项新技术

输电系统FACTS技术

配电系统CUSTOMPOWER技术FACTS装置是借助电力电子技术构成的具有优越电气性能的替代传统设备（如串并联电容器、移相变压器、调相机等）的等效装置，用来进行电压和功率潮流的控制。CUSTOMPOWER设备是新一代应用于配电系统的为重要电力用户提供多模式（电源，供电网，形态）高品质电能的电力电子控制器。有专家建议用“定质(制、置)电力”一词，以表示按照用户对供电可靠性和电能质量的特定要求设置的电力供应。定制电力技术的需求来源电力市场机制先进工业生产定制电力增加电力商品的选择确保敏感负荷供电质量社会的进步电能质量备受关注定制电力技术（CustomPower）电能质量控制技术的发展关于CUSTOMPOWER的种种说法与解释在名词上的不统一：定制电力；D-FACTS技术；柔性化供电技术；FRIENDS(FlexibleReliabilityIntelligentENergyDistributionSystem).FACTS装置基本是由基于电力电子器件的补偿器组成。Cus-Pow装置包括功率电子开关（固态开关），实现系统故障电流的快速中断或限止。或者快速实现系统重构。决定电能质量控制的相关因素◆决定电能质量监测与控制方式的几个因素安全性（从对用户电力供应和系统运行需要两方面考虑）经济性（技术与经济的协调）可靠性（电能质量指标计入可靠性的讨论，No.of9s）质量协议的保证（根据用户的不同质量要求，采取不同的控制手段）◆谈到电能质量控制，快速准确的检测算法、控制手段与策略、质量依据与判断是不可分割的三个组成部分。电能质量控制内容与策略控制内容：谐波电压和谐波电流基波电压，电压标称值无功功率补偿，短时间有功功率补偿三相不平衡功率因数与波形校正故障限流与双回线快速切换对重要用户的配电（电源）网络重构供用双方的控制策略是与经济核算相联系的事实上，大多数用电方愿意让供电方提供保证电能质量的解决措施，愿意将此费用包含在电力定单里，而不愿安装低效、高成本（安装空间和维护费用等）、难维护的自用设备（如UPS等）。电能质量控制技术的发展电力电子技术在输配电系统的应用主要表现在三个方面：1）固态转换开关（SSTS---SolidStateTransferSwitch）2）瞬时改变系统（线路）等效阻抗（感性、容性和阻性）3）动态输出任意频率、任意幅值/相位、任意波形。满足电力系统（发电、输电和配电）和用电负荷（设备）高效、稳定可靠、经济和高品质运行的需要。目前在电能质量控制技术中，电力电子装置以其快速可控的特性越来越发挥着重要作用。电能质量控制器种类简介1晶闸管开关型阻抗补偿控制器晶闸管投切电容器TSC（ThyristorSwitchedCapacitor)晶闸管控制电抗器TCR(ThyristorControlledReactor)晶闸管控制串联电容器TCSC(ThyristorControlledSeriesCompensation)PWM开关型无功功率发生器并联型无功功率发生器ASVG(AdvancedStaticVarGenerator)并联型有源电力滤波器PAPF(ParallelTypeActivePowerFilter)串联型有源电力滤波器SAPF(SeriesTypeActivePowerFilter)电能质量控制器种类简介2瞬时电压补偿抑制器动态电压限制器DVL（DynamicVoltageLimiter）动态电压恢复器DVR（DynamicVoltageRestorer）高功率因数低谐波校正器PFC（PowerFactorCorrector）超导储能系统SMES（Super-conductingMagneticEnergyStorage）统一电能质量调节器UPQC（UnifiedPowerQualityConditioner）轻型直流输电HVDC_Light(HighVoltageDirectCurrent_Light)能利用控制信号从关断变为导通状态吗可控阀器件能利用控制信号从导通变为关断状态吗

导通可控阀器件导通状态闭锁阀器件反向截止晶闸管SCR整流二极管D反向导通晶闸管三端双向晶闸管TRIACGTOGTR，MOSFET，IGBT，IGCT反向导通GTO不可控阀器件非导通状态闭锁阀器件控制信号解除后还保持导通状态吗

导通关断可控阀器件电力电子阀器件的发展NNYYNY电流驱动型电压驱动型功率集成器件PID智能模块IPM，功率集成电路PIC灵活交流输电技术（FACTS）研究及应用FACTS分类框图固态转换开关—SSTS

用于切换备用电源，将断电时间限制在一个周波以内，以提高供电可靠性。（UPS，SMES）38PowerSystemResponsetoHarmonicsandInterharmonicsDistributedresonanceSeriesresonanceParallelresonance39PowerSystemResponsetoHarmonicsandInterharmonicsParallelResonace40PowerSystemResponsetoHarmonicsandInterharmonicsSeriesResonance41SolutionstoHarmonicsandInterharmonicsRemedialmethods-PassiveFilters-PhaseMultiplication-SpecialDesignedTransformer(e.g.zig-zag)-ActiveFiltersPreventivemethod-HarmonicStandards*IEEE519-1992*IEC61000-3-642RemedialMethodsSeriesfilter–characterizedasaparallelresonantandblockingtypewithahighimpedanceatitstunedfrequencyParallelfilter–characterizedasaseriesresonantandtraptypewithalowimpedanceatitstunedfrequencyParallelfilterSeriesfilter43RemedialMethodsPassivefilter电力谐波与无功补偿的实用方法110kV1500MVA典型的和最常用的抑制与补偿方法是加装并联无源滤波器。滤波器类型通常为：1）L-C单调谐特征滤波2）高通滤波3）非特征滤波优点：经济，实用，制造简单，维护方便。存在的缺点：谐波放大；系统谐振；滤波效果受元件参数影响。11kV260MVAT允许少量谐波流入系统M整流装置注入的总谐波电流5th7thHP无源滤波器直流电机·····45RemedialMethodsPhaseMultiplication46RemedialMethodsPhaseMultiplication47RemedialMethodsSpecialDesignedTransformer48RemedialMethods上海宝山钢铁公司投运SVC项目概况电弧炉电能质量测试评估注入220kVPCC谐波电流评估（95%大值）切除SVC:IH=19.5A投入SVC:IH=9.0ASVC对谐波电流总含量改善系数:KH=0.46注入220kVPCC谐波电压评估（95%大值）切除SVC:THDU=0.25投入SVC:THDU=0.16限值:0.2SVC对谐波电压总畸变率改善系数:KH=0.64电弧炉电能质量测试评估工程应用实例图甘肃成碧200494.5MvarTCSC

四川洪沟2006120MvarSVC

广西平果2002（350+50）*2MvarTCSC/FC

越南越池100MvarSVC

依敏-冯屯288（544）MvarTCSC/FC

重庆陈家桥2006120MvarSVC

重庆万县2006180MvarSVC

越南EVN96MvarFC

广西河池2002760*2MvarFC广西百色2005670+520MvarFC

鞍山红一变2003100MvarSVC

上海2006±50MvarSTATCOM

江苏三堡2006529MvarFC湖北荆州200650*3MvarMCR

山西忻州200650*3MvarCSR

河北大房2000372*2MvarFC

河北丰万顺2004（445+226）*2MvarFC

四川奉节2006600*2MvarFC

广西河池760*2MvarFC

摘自2006中国电科院报告国产化SVC等电力电子装置已成燎原之势，彻底打破了国外产品与技术的垄断地位！54RemedialMethodsActivefilter55RemedialMethodsActivefilter控制器线性负荷利用电力电子技术的有源电力补偿方法现代的先进电力谐波抑制方法采用瞬时补偿原理。由电力电子装置构成畸变波形发生器，动态跟踪系统非正弦波形的变化，将非线性负荷中除了基波分量之外的其它成分抵消掉，从而保证系统电源的纯洁性。T系统电源非线性负荷有源（主动）电力滤波器（APF）M并联型混合（有源+无源）补偿器实验主电路混合（有源+无源）电力补偿器

（电能质量调节器）

研制成功国内第一台全数字控制的三相三线制

50kVA/80A/380V混合型电能质量调节器样机。作为国家电力公司重点科技项目，2002年4月初通过国电公司专家组验收。该实验样机如图片所示。

HybridPQC实验测试结果—3补偿前后电流波形（12A/格）谐波电流总畸变率约由补偿前的42%下降到补偿后的约4.5%，补偿效果达89%。混合有源补偿技术

—3个突出技术特点装置容量为被补偿负荷容量的7%左右（常规APF为25%左右），设备成本大大降低。直流电压只需调节到0.35~0.9倍相电压峰值（常规APF为3~4.5倍），开关频率明显减少。仿真和实验结果证明，对非正弦畸变分量有效抑制，谐波补偿率达70-80%以上。注：总补偿电流=380V/120A—混合电力滤波与

无功补偿装置图片

STATCOM与SVC的比较Slow

VARs1stGenerationMechanicallySwitchedDevicesThyristorControlledComponents2ndGenerationVSCTechnologyGTO,IGBT,IGCT3rdGenerationFastVARs

开关延时

2-3周波

1周波以内

响应时间

应用较为成熟，目前应用较多

自身产生较大谐波，需无源滤波器配合

响应速度慢（2～3个周期）

对快速的冲击负荷补偿效果较差

TCR只提供感性无功，容性无功需FC或TSC电容器组提供；占地大基于可控器件的VSC技术谐波性能好，不需无源滤波器响应速度快（20ms以内）

对快速的冲击负荷补偿效果好可提供双向无功，占地较小输出无功电流与系统电压无关UCUSUcUsULUC>US时,

I为容性ItUCUStUSUCULUC

<

US时，I为感性

ULIUSUCULIUCUS逆变器输出电压与系统电压同步且同相位，则流过连接线的电流仅为纯无功电流，它滞后电抗器压降90度。因此，相对于系统电压可发出容性或感性无功功率。STATCOM基本工作原理

50MvarSTATCOM主电路多重化变流器三电平变流器器件直接串联谐波较大dv/dt大绝缘要求高变压器隔离链式逆变器变压器占地大，成本高无冗余运行能力磁非线性导致过电压和过电流绝缘由变压器承担具有冗余运行能力各逆变单元可共用直流电容变压器较复杂绝缘由变压器承担链式结构逆变器无多重化连接变压器，减小了占地面积，降低了装置成本在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用采用冗余功率模块，提高了装置可靠性避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁及饱和非线性化导致的装置过电压和过电流U+-输出电压+U-U0U+U+U+3U2UU0-U-2U-3U输出电压三个逆变单元的单相链式逆变器50MvarSTATCOM构成基于IGCT的50Mvar链式逆变器主电路50MvarSTATCOM是国际上首台采用IGCT器件的MVA级链式STATCOM装置分层分布式监控系统的主界面

50Mvar链式STATCOM实物500kV/35kV,200MvarSTATCOM国家科技支撑电力电子重点项目之一，近期将投入广东东莞示范工程。这将是世界最大容量的STATCOM.基于电力电子装置的有源电压补偿方法～（（（（（（（（（（（（＋－···Vs动态电压恢复器（DynamicVoltageRestorer）中三相换流器在电网电压发生突变（如凹陷、凸起、波动与闪变等）偏离额定正弦电压波形瞬时值时，控制换流器的通断状态，产生所需填补的瞬时电压波形，并串联加入电网，使负荷侧近似保持为正弦波形额定电压。将上述串并联两种方式相结合，可构成电压和电流同时补偿的统一电能质量调节器UPQC。

电网电压系统电源用电负荷DVR换流器串补变压器否凹陷发生不补偿启动补偿并校正是否是电压均方根值计算利用与给出补偿信号给出全补偿信号3-2变换LPFLPF幅值相位计算超出补偿能力构造三相电压暂降缓解检测原理图动态电压恢复器（DVR）实验记录与图片图5所示为电源电压出现30%左右凹陷时的补偿效果。由于补偿前向通道采用了