基于低压用户侧的电能质量监测研究

2019-11-03 10:00:49

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供稿：网友

王宾1, 潘贞存1, 宋洁2

1 山东大学电气工程学院, 济南 250061;

2 山东烟台发电厂, 烟台 264000

　　摘要:现代社会的快速发展，使越来越多的低压用户开始关注电能质量问题。而到目前为止，实际应用中的电能质量监测主要是基于系统侧来考虑的，监测节点主要选在变电站以及关键用户接入点处。本文分析了与低压用户密切相关的各项电能质量指标，指出从墙上电源插座采集电压信号，对低压用户而言，就可以完全掌握其电能质量状况，在此基础上提出了基于低压用户侧的电能质量监测的思路，探讨了相关的网络结构和关键技术方法。

　　关键词: 电能质量; 电能质量监测; 以太网; 低压用户

　　1引言 

　　电力系统中，电能质量问题同时存在于输电系统与配电系统，输电系统可靠性高，发生故障的概率比较低，大部分的故障、异常现象出现在配电系统。电能质量问题与用户设备密切相关，IEEE技术协调委员会给出的“power quality”的技术定义为：“合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统适合该设备正常工作”［1］。因此，实际供电系统中，电能质量危害主要体现在与用户密切相关的配电系统以及低压网络（400V）中，如电压跌落问题引起的设备误跳闸；短时断电现象造成计算机服务器数据丢失；谐波问题引起用户设备不正常发热等。

　　以前，关注电能质量问题的主要是系统工程师以及相关的技术人员，电能质量监测主要是基于系统侧来考虑的［2］［3］，分布于各个变电站和关键用户接入点处的电能质量监测单元通过通信网络连接成一个有机的整体，共同完成整个电网的电能质量分析。电力部门可以为其本身及其关键用户提供监测数据，这对于整个电网电能质量水平的监测分析，谐波污染源的定位，电压质量的持续监测都有很大的益处。

　　然而随着社会的快速发展和电力市场机制的不断完善，越来越多的低压用户开始关注电能质量问题，比如：IT行业公司关心其计算机系统能否正常工作（若电压幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s，其系统有可能紊乱）［4］。因此有必要从低压用户的角度，来重新认识电能质量监测的相关技术。本文在分析了与低压用户密切相关的各项电能质量指标的基础上，探讨了基于低压用户侧的电能质量监测的技术方法和网络结构。

　　2基于低压用户侧的电能质量监测技术分析

　　2.1低压用户监测指标分析

　　电能质量问题可分为电压质量和电流质量两部分。实际供电过程中，系统可以控制的仅为用户电压，无法控制用户汲取的电流量。因此与用户密切相关的电能质量指标主要为电压指标，如：电压波动，闪变，电压跌落，骤升，短时断电等。电流质量问题主要为谐波问题，它在一定程度上也可以在电压谐波中得到反映。因此对于低压用户而言，从墙上电源插座（单相或三相）引入输入量，仅仅采集相关的电压信号，就可以完整的描叙实际电能质量状况。对单相两芯插座，三相电能质量问题如：三相不平衡和三相谐波等问题，得不到很好的监测。但是对普通低压用户而言，它面向的主要为单相电力系统，三相电能质量问题对其影响不大。而针对三相电动机等三相负荷，墙上三相电源插座可以很好的提供三相相电压信号输入。下面详细的分析与低压用户相关的电压质量指标和监测方法。

　　2.1.1电压谐波分析

　　采样信号经快速傅立叶变换（FFT），可以得到各次谐波分量的实部Ur(k)、虚部Ui(k)，然后利用公式（1）、（2）、（3），就可以得到各次谐波电压幅值Uk、相角θk以及总谐波畸变率THD

　　2.1.2电压波动和闪变的测量

　　由2000年国标修订版《电能质量电压波动和闪变》（GB123262000），电压波动可以采用以下指标来衡量：

　　式中，Umax、Umin为工频电压调幅波的相邻两个极值电压（均方根值）。

　　闪变不仅与电压波动的大小有关，而且与波动频度、波形、照明灯具的形式和参数（电压、功率等）有关，此外还和人的视感灵敏性有关。由于人的视感有一定的记忆效应，对于闪变影响的评定必须取足够长的时间，因此2000年国标修订版参考国际电工委员会（IEC）标准，规定了短时间闪变值Pst（10分钟统计）和长时间闪变值Plt（2小时统计）两项指标，这与1990年版国标采用的10Hz等效闪变值（ΔV10）有较大的不同，具体的定义如下：

　　式中，P0.1、P1、P3、P10、P50分别为10min内瞬时闪变视感度S(t)超过0.1%、1%、3%、10%、50%时间的觉察单位值。

　　式中，n为Plt测量时间段内所包含的Pst个数，在2小时期间内，每隔10分钟测一次，可得n=12。

　　2.1.3频率的精确测量

　　在采样速率较高的前提下，经过相邻两个采样点的正弦曲线，可以用线性关系近似表示，因此频率的测量可以采用以下的方法［5］：

　　采样数值经过去噪处理以后，通过一个45Hz-55Hz的窄带数字滤波器，保证采样数值过零点的唯一性，然后通过插值求波形过零点的时刻来求得采样信号的周期值。

　　如图1,A0、A1；An、An+1分别为两个相邻负斜率过零点前后的采样值，TS为一个采样周期。T0、T1；Tn、Tn+1分别为A0、A1；An、An+1采样时刻距自身相邻过零点时刻的时间。当采样周期足够短时，A0和A1间的正弦曲线可近似为直线，则

　　观察图1，两个正斜率过零点间共有N次采样，则该信号的频率为

　　2.1.4暂态电压指标测量

　　暂态电压指标测量主要包括：电压跌落，电压骤升，短时断电以及暂态过电压的统计分析等。

　　对于短时断电，只需精确统计电压幅值为零（或低于某一极小值）的持续时间（ΔT）即可。根据电压跌落、电压骤升的特点，通过计算电压幅值偏移、持续时间和可能相伴出现的相位跳变，最能反映其危害程度。

　　由文献［6］，以单相电源为参考电压构造一个虚拟的三相系统，以A相为例，首先将Ua延时60°得Uc，由Ub=Ua-Uc算出Ub。

　　然后将三相电压变换到dq轴：

　　将变换后d，q分量电压中的直流成分Uda和Uqa提取出来，则可得

　　当计算跌落电压幅值时，可以采用整周期监测；当检测凹陷起止时刻时，为了提高精度，应当采用半周期检测。

　　对于暂态过电压的测量，根据国家新颁布的电能质量国标《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》（GB/T18481-2001）的要求，应当提供短时录波功能，并且测量暂态波形过电压峰值Umax。

　　2.1.5供电可靠性的统计

　　本系统是针对低压用户侧的电能质量监测，同时它也可以统计用户的断电时间（ΔT），完成对供电可靠性的监测。

　　2.1.6三相不平衡度的监测计算

　　三相不平衡度的监测以计算系统中的负序分量与正序分量的比值来表示。对交流采样后得到的数据进行数字处理得到各相基波电压，然后根据对称分量法分别求出负序、正序基波电压

，即可求得ε。

　　2.2电能质量监测网络结构分析

　　在实际应用中，对低压用户而言，客户端电能质量监测单元可以假想为一个黑匣子，如图2所示，它具有的仅仅是一端输入和一端输出。输入可以直接从墙上的低压电源插座采集电压信号，输出为一个以太网接口和(或)一个RS232接口，这样对用户而言，只需插上电源插座，然后就可以通过以太网查看监测数据和分析结果，或者通过RS232串口总线实现点对点的本地监测。

　　2.2.1点对点监测方式

　　点对点监测包括两种方式：采用RS232串口总线实现点对点的本地数据传输；基于以太网通信的远程点对点监测。

　　采用RS232串口总线实现点对点数据监测，适合现场的数据观察。它成本低，仅仅需要一台笔记本电脑或PC机与监测单元相连，就可以实现数据的监测分析，而且灵活方便，只要墙上有电源的地方就可以监测。数据的分析统计由安装在笔记本电脑或PC机的上层软件包完成，它可以完成对本监测点实时、历史数据的存储和处理，但是缺乏不同监测点间数据的横向分析。

　　基于以太网通信的远程点对点监测，与基于RS232串口数据通信的点对点监测类似，它们的数据处理方式相同，只不过是数据传输的方式不同。基于以太网通信的点对点监测更适合于远方数据监测，但是这种方式对网络的依赖性比较高，在以太网未普及的地方，这种方式的成本将大大的增加。

　　2.2.2分布式以太网监测系统

　　利用现有以太网（因特网）的丰富资源，组建以太网分布式监测系统是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。基于客户/服务器模式的分布式以太网监测系统，不仅可以实现远方数据监测，而且可以借助电能质量分析服务器和数据库服务器，实现较高层次的数据分析和存储。系统拓扑图如图3所示。

　　在以太网监测系统方式下，客户端监测单元软件主要响应远程服务器的命令，将带有时间标签的采样数据进行压缩后上载到远程服务器端。

　　服务器系统包括主站控制服务器、数据库服务器和运算分析服务器。主站控制服务器提供WWW方式的页面浏览服务，可进行用户实时数据显示、用户信息查询以及反馈分析结果给用户。实时数据、历史数据存放在数据库服务器。各种计算软件包在运算分析服务器中运行，它通过访问数据库服务器获得设计数据和运行数据，并将计算结果反馈给主站控制服务器。

　　2.3电能质量监测上层软件设计分析

　　基于低压用户侧的电能质量监测系统上层软件包，不仅要完成大量的数据计算和统计，同时还应具有友好的人机交互能力。具体来讲，它应当具有以下四部分功能：

　　(1)实时显示功能

　　实时显示电压波形、信号频谱图，以及谐波幅值（Uk）、谐波总畸变率（THD）、频率（f）、电压波动值（Ui）、短期闪变值（Pst）、长期闪变值（Plt）、暂态过电压峰值等指数。

　　(2)数据统计分析

　　计算指定时段的报表数据，如：谐波的复平均值、谐波最大值等；统计分析相关数据的概率分布曲线和参数，如：电压跌落和供电可靠性的统计指数值等。

　　表征电压跌落(骤升)的指标主要是统计电压有效值低于门槛电压x的概率统计指数SARFIx（System Average RMS Variation Frequency Index），以及在SARFIx指数基础上派生出来的SIARFIx、SMARFIx、STARFIx等系数［7］。

　　式中：NT为研究区域内的用户总数；NIi、NMi、NTi、Ni分别为第i次测量过程中，针对门槛电压x经历即时，瞬时，暂时电压跌落的用户数以及经历电压跌落的用户总数。

　　衡量供电可靠性的系数主要有：SAIFI（Syste-m Averages Interruption Frequency Index）和SAIDI（System Averages Interruption Duration Index）等。

　　NA、ND分别为统计过程中，停电的用户总数以及用户的停电总时间。

　　(3)波形辨识功能（分析功能）

　　对监测数据，利用小波分析，二次变换，傅立叶变换，有效值检测以及人工智能等技术，完成扰动的智能辨识分类，谐波源的检测与定位等功能，给用户电能质量指标恶化提供合理的解释和指导。

　　(4)数据存储功能

　　完成不同时段监测数据的管理分类，提供故障录波功能，以及历史数据的查询功能。

　　3结论

　　随着现代工业的快速发展，越来越多的低压用户关注着电能质量问题。而到目前为止，实际应用中的电能质量监测主要是基于系统侧来考虑的，监测节点主要选在变电站以及关键用户接入点处。本文分析了与低压用户密切相关的电能质量指标，指出从墙上的普通电源插座采集电压信号，就可以完全掌握用户的电能质量状况。在此基础上提出了基于低压用户侧的电能质量监测的思路，其监测单元对用户来讲为一个黑匣子，输入为普通的墙上电源接口，而输出为一个RS232串口总线接口和（或）一个以太网接口。这种监测方式灵活，采用以太网方式组成的监测网是一种完全分布式的监测系统，它适应现代电能质量监测发展的新方向。但是这种监测系统的使用和普及将会受到相关电力政策的影响，比如电力市场的发展水平以及社会和电力系统对电能质量监测地认可等。

　　参考文献

　　1林海雪.现代电能质量的基本问题［J］.电网技术,2001,25(10):5-12

　　2王宾,潘贞存,赵建国.电能质量监测数据的同步处理与装置的设计［J］.电力系统自动化,2002,26(11):45-493R P K Lee,L L Lai,N Tse.A webbased multichannel power quality monitoring system for a large network［A］.IEE Fifth International Conference on Power System Management and Control［C］.London UK:2002

　　4时丽君,赵建国,潘贞存.LabWindows/CVI在电能质量监测装置中的应用［J］.电力系统及其自动化学报,2002,14(1):55-58

　　5D O Koval,M B Hughes.Frequency of voltage sags at industrial and commercial sites in Canada［A］.Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering［C］.University of Calgary,Alberta,Canada,1996，2：671-674

　　6潘贞存,陈青,王慧.电能质量及其检测方法的研究［J］.山东电力技术,1997,(5)（总第97期）:55-58

　　7肖湘宁,徐永海,刘昊.电压凹陷特征量检测算法研究［J］.电力自动化设备,2002,22(1):19-22

　　8D L Brooks,R C Dugan,M Waclawiak,A Sundaram.Indices for assessing utility distribution system RMS variation performance［J］.IEEE Trans.on Power Delivery,1997,13(1):254-259

　　
摘自《电力系统及其自动化学报》

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