電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

耿 浩，王祥勝，高 參，杜運東

（1.江蘇中煙淮陰卷煙廠 江蘇 淮安223002；2.江蘇灃舜芯科技有限公司 江蘇 南京210038）

電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

耿 浩1，王祥勝2，高 參2，杜運東2

（1.江蘇中煙淮陰卷煙廠 江蘇 淮安223002；2.江蘇灃舜芯科技有限公司 江蘇 南京210038）

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力用戶對電能質(zhì)量的要求日益提高，提高電能質(zhì)量成為當(dāng)務(wù)之急。針對存在的電能質(zhì)量問題，設(shè)計一種集電能遠(yuǎn)程監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析以及控制的電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)；通過在工程中的現(xiàn)場運行測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)使電流諧波畸變率抑制在5%以下，功率因數(shù)提高到93%以上，很好解決了電能質(zhì)量問題，達(dá)到了安全和節(jié)能的目的，值得推廣應(yīng)用。

電能質(zhì)量；有源電力濾波器；諧波電流；功率因數(shù)

現(xiàn)代社會中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度標(biāo)志著一個國家的科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平[1]。然而，隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，供電系統(tǒng)中接入了大量的電力電子設(shè)備，使得電網(wǎng)的運行環(huán)境受到了不同程度的污染。從家用低壓小容量的變流裝置，到工業(yè)上廣泛應(yīng)用的調(diào)速電機(jī)、整流逆變裝置，甚至大規(guī)模的高壓直流輸電設(shè)備，都會向電網(wǎng)注入諧波而產(chǎn)生諧波污染[2-3]。另外，一些用電設(shè)備如電弧爐、軋鋼機(jī)和電力動車等在使用過程中產(chǎn)生沖擊性、波動性負(fù)荷，使得電壓波動、閃變、三相不平衡日趨嚴(yán)重，這些因素不僅會導(dǎo)致用電設(shè)備本身的安全性降低，還會嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行，造成對電網(wǎng)的公害。因此，電能質(zhì)量問題越來越受到關(guān)注。

為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，提高電能質(zhì)量，首先要對用電設(shè)備電能質(zhì)量的電壓、頻率、諧波、三相不平衡度等電能指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測和匯總分析，然后針對不同的電能質(zhì)量問題采用相應(yīng)的電能質(zhì)量解決方案，如存在大量諧波采用有源電力濾波器治理。因此，有必要研發(fā)一種電能質(zhì)量監(jiān)測和控制綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)電能質(zhì)量檢測與控制、監(jiān)測與電能管理、電氣安全監(jiān)測、能源管理等功能，有效的改善電能質(zhì)量，最終達(dá)到安全和節(jié)能的目的。

1 電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計的電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)平臺繼承了國內(nèi)外多種工業(yè)現(xiàn)場通信規(guī)約，可支持第三方智能化設(shè)備或進(jìn)口設(shè)備的接入。冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕冗M(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)支持信息共享和WEB發(fā)布，采集的數(shù)據(jù)可通過Internet傳送給市、省及國家級監(jiān)管中心，實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度監(jiān)控管理。各種專家報表、諧波數(shù)據(jù)、電流曲線、報警記錄等可自動生成，在很大程度上減輕了值班人員的工作量，提高了電能質(zhì)量管理的工作效率[4-5]。

圖1 電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

電能質(zhì)量監(jiān)測及控制綜合管理系統(tǒng)包含兩大子系統(tǒng)，即電能質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)、電能質(zhì)量控制子系統(tǒng)。其中，電能質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)是電能質(zhì)量監(jiān)測裝置對廠區(qū)各變壓器的電能質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測；電能質(zhì)量控制子系統(tǒng)是電能質(zhì)量治理設(shè)備 （有源電力濾波器APF、靜止無功發(fā)生器SVG）對廠區(qū)設(shè)備產(chǎn)生的諧波污染及無功問題進(jìn)行治理。

2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)硬件設(shè)計

文中電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，由電流/電壓采樣模塊、AD信號采樣及DSP數(shù)據(jù)處理模塊、研華PC104嵌入式模塊、電源模塊、鍵盤輸入模塊、通訊模塊等構(gòu)成。其中，DSP以TI公司生產(chǎn)的32位TMS320F2812pgfa芯片為數(shù)據(jù)運算處理核心，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和邏輯控制能力。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)框圖

從圖2可以看出，三相電壓、電流經(jīng)過精密的電壓、電流互感器轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過信號調(diào)理電路輸出適合AD模塊采樣的信號。AD模塊將采樣完成的數(shù)字信號送入DSP信號處理模塊。然后，DSP信號處理模塊采用數(shù)字濾波等方法對采樣信號進(jìn)一步處理，可通過快速傅里葉變換FFT等算法進(jìn)行諧波分析，并將需要的各種電能質(zhì)量數(shù)據(jù)送入到PC嵌入式模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并存儲[6-7]。

2.2 電能質(zhì)量控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用有源濾波器APF和靜止無功發(fā)生器SVG可以很好的解決供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題。有源濾波器APF主要是解決系統(tǒng)中存在的諧波電流污染的問題，而靜止無功發(fā)生器SVG主要是解決無功問題。

2.2.1 有源電力濾波器硬件設(shè)計

有源電力濾波器APF主要包括三相輸入電路、輔助電源電路、控制電路、驅(qū)動及變換電路等。如圖3所示。其中，三相輸入板為三相電壓輸入端連接RLC電路及主功率電路；輔助電源電路是以UC2844芯片為核心的反激多路輸出電源，為整個電路中的繼電器、運放等提供穩(wěn)定可靠的5 V、15 V、24 V工作電壓；控制電路是以DSP+CPLD為核心芯片，通過檢測到的電壓、電流信號，實現(xiàn)對功率IGBT的開關(guān)控制以及整個電路的保護(hù)等功能，其中選用DSP為32 位 TMS320F2812pgfa，CPLD 為 altera 系 列EPM1270T144C5N，IGBT型號為 FF150R12RT4；驅(qū)動以及變換電路是根據(jù)控制信號得到與諧波和無功分量大小相等、方向相反的電流并注入到配電系統(tǒng)中，實現(xiàn)抑制諧波，動態(tài)無功補償[8-10]。

圖3 有源電力濾波器硬件框圖

2.2.2 靜止無功發(fā)生器硬件設(shè)計

靜止無功發(fā)生器SVG系統(tǒng)主要由主電路、控制系統(tǒng)電路、驅(qū)動及保護(hù)電路組成。如圖4所示。其中控制系統(tǒng)電路包括以DSP（TMS320F2812pgfa）為核心芯片的處理電路、電壓和電流信號檢測和調(diào)理電路、脈沖驅(qū)動電路等。如圖所示，SVG系統(tǒng)通過采集三相電源側(cè)電壓和電流信號，逆變側(cè)三相電流信號，直流側(cè)電壓信號，并經(jīng)調(diào)理電路后送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊，DSP對信號進(jìn)行調(diào)理和控制運算，得到輸出指令信號，再輸出相應(yīng)的脈沖信號經(jīng)外部驅(qū)動電路將信號放大后，驅(qū)動三相橋式變流器，輸出可調(diào)電壓，實現(xiàn)動態(tài)無功補償[11-12]。

圖4 靜止無功發(fā)生器硬件框圖

3 電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5為針對第四章應(yīng)用實例中江蘇中煙淮陰卷煙廠設(shè)計的電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)，它不僅能實現(xiàn)實時檢測穩(wěn)態(tài)以及暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，還具有遠(yuǎn)程控制APF設(shè)備和SVG設(shè)備的啟動功能，以提高電能質(zhì)量。如圖6所示，該系統(tǒng)的人機(jī)界面采用三維力控組態(tài)軟件設(shè)計完成，主要分為3個模塊，分別為APF設(shè)備模塊、SVG設(shè)備模塊、監(jiān)測設(shè)備模塊。APF設(shè)備和SVG設(shè)備可對用電設(shè)備電能質(zhì)量進(jìn)行治理前后的各種指標(biāo)實時檢測以及數(shù)據(jù)分析，如圖6中的（a）和（b）所示；監(jiān)測設(shè)備是對廠區(qū)配電房中的變壓器電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，如圖（c）所示。

圖5 電能質(zhì)量綜合管理系統(tǒng)界面

圖6 組態(tài)軟件設(shè)計模塊

APF設(shè)備、SVG設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備3個模塊都具有以下功能：

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)

主要是監(jiān)測基本數(shù)據(jù)和諧波數(shù)據(jù)，包括三相電壓（電流）的幅值、電壓偏差、有功/無功功率、功率因數(shù)、頻率、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量指標(biāo)。除此外，系統(tǒng)還檢測電能質(zhì)量指標(biāo)包括三相基波電壓、三相基波電流、三相基波的有功無功功率、暫態(tài)電壓記錄（如電壓驟升、電壓驟降、過電壓、欠電壓記錄等）、短時閃變、長時閃變等。

2）數(shù)據(jù)曲線模塊

主要是將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，并生成綜合管理圖表。包括總電流變化曲線、無功功率變化曲線、有功功率變化曲線等功能。

3）報表管理模塊

主要是對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總形成統(tǒng)計報表并導(dǎo)出。其報表內(nèi)容包括有功/無功功率、功率因數(shù)報表，基波電壓電流、頻率偏差、不平衡度綜合報表等。

4 應(yīng)用實例

4.1 卷煙廠電能質(zhì)量的分析和治理

卷煙廠的主要生產(chǎn)工藝包括制絲工藝和卷接包工藝。卷煙廠主要設(shè)備有制絲設(shè)備、卷接包設(shè)備、空調(diào)機(jī)組、空壓機(jī)、制冷機(jī)組、水處理等動力部分的公用設(shè)備[13-15]。這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波含量較大，使電網(wǎng)環(huán)境受到污染。為精確了解江蘇淮陰卷煙廠設(shè)備的用電電能質(zhì)量，對廠區(qū)的一些設(shè)備進(jìn)行測試并分析。下面圖7和圖8為干冰線循環(huán)水泵用電電能測試情況；圖9和圖10為空壓機(jī)組電能測試情況。

圖7 循環(huán)水機(jī)電流波形

圖8 循環(huán)水機(jī)諧波電流柱形圖

圖9 空壓機(jī)組電流波形

圖10 空壓機(jī)機(jī)組電流波形

1）干冰線循環(huán)水泵

從圖中可知，干冰線除塵機(jī)組電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，諧波很大，主要以5次、7次為主，電流總諧波畸變率維持在34.5%左右，超出了國家限值規(guī)定。當(dāng)這些大量的諧波進(jìn)入供電網(wǎng)，對于三相四線制供電系統(tǒng)，諧波集中流入中線，使其過熱甚至燒毀。中線若燒斷，則單相負(fù)載和一些設(shè)備不能正常工作或損壞，嚴(yán)重時會危及人身安全，因此，必須安裝有源電力濾波器對諧波電流進(jìn)行治理。

由于廠區(qū)此處的設(shè)備包括循環(huán)水泵1#和循環(huán)水泵2#，考慮在循環(huán)水泵1#、2#公共進(jìn)線端進(jìn)行諧波治理。已知循環(huán)水泵1#和循環(huán)水泵2#的總功率為74 kW。由計算諧波的公式[8]：

式中：ITHD為諧波電流；P為非線性負(fù)載總功率；U為變壓器低壓側(cè)額定電壓；THDi為諧波電流畸變率。代入數(shù)據(jù)可得出：

通過分析計算，考慮到留有足夠的裕量，可選擇一臺容量為75 A，電壓等級為400 V的有源電力濾波器，可以滿足要求。

2）空壓機(jī)組

從上面圖中分析可知，空壓機(jī)組電流波形較好，諧波電流含量較小，但是功率因數(shù)較低，維持在0.86左右，這是由于系統(tǒng)無功功率缺額較大引起的。無功功率不足增加了設(shè)備供電容量，投資增加；增加了設(shè)備及線路損耗，降低系統(tǒng)安全性；增加了線路和變壓器的壓降，導(dǎo)致了電網(wǎng)電壓波動和閃變。因此，需要安裝靜止無功發(fā)生器SVG對無功功率進(jìn)行補償。

已知無功補償前的功率因數(shù)為0.86，選擇目標(biāo)功率因數(shù)為0.97，則所需補償?shù)臒o功功率由通用計算公式[8]：

式中：Q為所需的無功功率；P為對應(yīng)系統(tǒng)總的最大有功功率；l1為補償前功率因數(shù)；l2為補償后功率因數(shù)。由設(shè)備銘牌上可知，空壓機(jī)型號為ZR-400，總的有功功率P為400 kW。代入數(shù)據(jù)可得出：

考慮到留有足夠的裕量，可安裝一臺輸出容量為300 kvar的靜止無功發(fā)生器SVG。

4.2 治理結(jié)果分析

通過分析上述兩種設(shè)備的不同電能質(zhì)量問題并采取相對應(yīng)的治理措施，治理結(jié)果如表1所示。

表1 治理前后諧波電流測試數(shù)據(jù)

從表1中可知，采用有源電力濾波器APF對干冰線循環(huán)水泵產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理，使畸變率從34.5%減小到2.6%，諧波電流抑制效果明顯；采用靜止無功發(fā)生器SVG對空壓機(jī)進(jìn)行無功補償，使功率因數(shù)從0.86提高到0.97，無功補償效果顯著。諧波的消除和無功的補償降低了配電線路和變壓器的額外損耗，提高了設(shè)備的使用壽命，減少了后期的維護(hù)費用，解除了諧波引起的生產(chǎn)安全隱患，達(dá)到了安全和節(jié)能的目的。

5 結(jié)束語

文中主要研發(fā)一種電能質(zhì)量監(jiān)測、控制和管理綜合系統(tǒng)，可實時監(jiān)測廠區(qū)變壓器以及用電設(shè)備的供電電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測設(shè)備接入以太網(wǎng)交換機(jī)、光端機(jī)將電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合監(jiān)控屏上，實現(xiàn)對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計管理，有效監(jiān)測設(shè)備的電能數(shù)據(jù)，為電能質(zhì)量的評估和治理工作提供了技術(shù)支撐。除此以外，采用有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器等治理設(shè)備有效治理諧波污染及補償無功，改善負(fù)載設(shè)備用電的電能質(zhì)量。通過電能綜合管理系統(tǒng)在淮陰卷煙廠中的應(yīng)用案例可知，該系統(tǒng)能有效治理廠區(qū)配電網(wǎng)中大量諧波和無功缺額問題，降低了配電線路及設(shè)備的附加損耗，解決了由諧波和無功引起的電能質(zhì)量問題，達(dá)到了安全和節(jié)能的目的，值得廣泛推廣應(yīng)用。

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Research on power quality comprehensive management system and its application

GENG Hao1，WANG Xiang-sheng2，GAO Can2，DU Yun-dong2
（1.Jiangsu Huaiyin Cigarette factory，Huaian 223002，China；2.Jiangsu Feng Shun Xin Technology Co.Ltd，Nanjing 210038，China）

With the rapid development of modem power electronics，the requirements of power quality become higher.It is urgent to improve power quality.Aiming at the existing power quality，this paper designs a power quality comprehensive management system.The system has the function of power monitoring，data analysis and control.At last，a sample of application in electric engineering is presented.Through field running results prove that the system can inhibit current harmonic distortion rate below 5%and increase power factor to 93%，solve the problem of power quality and achieve safety and energy saving and have promotional values.

power quality；active power filter；harmonic current；power factor

TN-9

：A

：1674－6236（2017）05-0170-05

2016-02-29稿件編號：201602186

耿 浩（1974—），男，江蘇淮安人，工程師。研究方向：機(jī)電一體化。