電力質量在配電系統中的監測與控制技術

郭冰珂，周 鑫

（國網陜西省電力有限公司蒲城縣供電分公司，陜西 渭南 715500）

1 監測技術

1.1 電力質量參數

電力質量參數是評估電力系統供電質量的重要指標，對用戶設備正常運行和電網可靠性有直接影響。常見電力質量參數包括電壓波動、電流諧波和頻率偏差等。它們承載不同的電力質量問題并產生不同的影響。電壓波動指電壓在短時間內的快速變化，如瞬時中斷、電壓降低和閃變。這些波動會干擾用電設備，導致燈光閃爍、計算機死機等問題，甚至損壞設備。電流諧波是非線性負載引起的含有非基波成分的電流[1-2]。諧波電流會引起電壓失真，影響供電質量和電能計量準確性，同時會導致出現設備過熱、電機振動和電容器過電壓等問題，危及設備壽命和安全運行。頻率偏差指電壓頻率偏離標準頻率（通常為50 Hz或60 Hz）的程度，會導致電力系統出現電動機速度波動、計時設備計時不準確等問題。

1.2 監測設備

電力質量監測設備是實現電力質量參數監測的關鍵工具，能夠采集電力系統中的電壓、電流等數據，為電力質量監測與控制提供支持。這些設備主要包括傳感器和數據采集單元2部分。傳感器是電力質量監測設備的重要組成部分，用于將電力信號轉換為相應的電信號，實現電力參數的測量和采集。數據采集單元是電力質量監測設備的核心控制單元，負責處理、存儲和傳輸傳感器采集的電力質量參數。常見的組成部分包括模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）、微處理器、存儲器和通信接口。利用傳感器實時監測與采集電壓、電流等參數，利用數據采集單元高效準確地處理和分析數據，可以幫助運營人員及時發現電力質量問題，并采取相應的控制措施。

1.3 大數據分析

電力質量監測產生的海量數據需要通過大數據分析技術來挖掘有價值的信息，其中數據預處理是首要步驟。它的目的是處理原始數據中的噪聲、缺失值和異常值，確保分析結果的準確與可靠。在電力質量數據中可能存在各種干擾和異常，如傳感器誤差、通信故障等。平滑處理、插值填充和異常值檢測與處理等方法，可保證數據的完整性和可用性。數據預處理后進行特征提取，可以從數據中抽取有用信息。對電力質量數據而言，通過信號處理和時頻分析等技術提取關鍵特征，如電壓波形頻譜、電流諧波含量和頻率偏差，可以用于描述電力系統運行狀態和供電質量水平。借助大數據分析技術如機器學習算法、數據挖掘和人工智能，深入分析提取的特征，能識別出潛在的電力質量問題和問題的發展趨勢[3]。

2 控制技術

2.1 電力質量問題識別

電力質量問題識別是保障電力系統穩定運行的重要環節。自動識別算法與技術的應用可以及時發現電力質量問題。在電力質量監測過程中，電力系統產生的海量數據需要經過智能處理和分析，以區分正常工作狀態和異常情況[4]。其中，波形識別是一種常用的電力質量問題識別算法。通過對電壓、電流等信號波形進行特征提取和比較，識別出不同類型的波形異常，如電壓驟降、電流諧波等。該算法可以幫助運維人員迅速定位問題，快速響應和解決電力質量異常情況。異常檢測則是另一種重要的電力質量問題識別技術。它利用統計學和機器學習等方法，對電力質量數據進行異常值檢測和分析[5]。當出現異常情況時，系統能夠自動發出警報，通知相關人員及時處理。

2.2 控制策略設計

當設計電力質量問題的控制策略時，有源濾波器控制是一種有效的技術。該技術是一種利用電力電子元件實時控制的高級電力補償設備，工作原理是基于對電力系統中諧波電流的補償和動態無功功率的提供。通過控制有源濾波器的輸出電流，使其與電力系統中產生的諧波電流相位相反，并以等幅度進行補償。這樣有源濾波器能夠抵消諧波電流，從而有效降低諧波含量，改善電力質量。工作過程中，有源濾波器先監測電流波形和相位，特別是諧波電流，然后根據監測結果，通過控制輸出電流進行諧波補償。它還能動態調節輸出電流，提供無功功率補償，保持電力系統的平衡。另外，有源濾波器具有快速響應能力，能夠迅速適應諧波和無功功率的變化，確保電力系統的穩定運行。

2.3 控制系統實施

在實施控制系統前，工作人員需要全面評估和分析配電系統的電力質量問題，包括諧波、電壓波動和無功功率等問題。根據評估結果選擇合適的有源濾波器設備，并合理部署這些設備。工作人員還需要配置控制算法的參數。為驗證控制系統的實施效果，工作人員應在控制系統實施后評估其效果。評估標準包括諧波抑制率、電壓穩定性、無功功率平衡、控制系統響應時間和經濟效益。其中，諧波抑制率評估衡量有源濾波器對諧波問題的解決程度，電壓穩定性評估衡量電壓波動的改善效果，無功功率平衡評估確保無功功率補償的準確性，控制系統響應時間評估衡量系統對電力質量問題的響應速度，經濟效益評估則綜合考慮投資和運維成本。

3 實驗驗證

3.1 實驗設計

為驗證控制系統在配電系統中對諧波電流的抑制效果，文章選擇了一個中等規模的配電系統，包括10個電力負荷和5個供電設備。實驗中選取了一臺額定電流為100 A的有源濾波器，具有高控制精度和快速響應能力。系統監測電力系統中1～15次諧波電流的含量，并記錄其幅值和相位，同時記錄電壓總諧波畸變率，以評估電壓波形的畸變情況?？刂扑惴ㄅ渲弥?，文章設置了有源濾波器的諧波補償算法，并將響應時間限定為不超過1 ms，以確?？焖贉蚀_地對諧波電流進行補償。此外，為了驗證實驗結果的可靠性，文章同時設置了對照組，在相同的配電系統中采用傳統控制方式，不使用有源濾波器，并記錄相關實驗參數數據。通過比較實驗組與對照組的數據，將得出有源濾波器控制策略的有效性和優勢，為實際應用中的電力質量控制提供技術參考和決策支持。

3.2 數據采集與處理

為了驗證有源濾波器控制策略對諧波電流的抑制效果，文章進行了數據采集與處理。首先，通過傳感器和數據采集單元實時監測電流和電壓波形，采集關鍵參數，如電流諧波含量、電壓總諧波畸變率和諧波電流相位等。為確保數據的準確性和及時性，使用高精度和快速采樣率的數據采集系統，并處理采集的原始數據，確保采集的數據與實際電力質量參數相符合。

3.3 結果分析

通過圖表和數據分析展示實驗結果，文章驗證了有源濾波器控制策略在配電系統中對諧波電流的抑制效果，并客觀評估了技術的實際應用效果。實驗結果如表1和表2所示。

表1 實驗組與對照組的諧波電流抑制效果對比

表2 實驗組電壓總諧波畸變率和無功功率平衡改善情況 單位：%

表1和表2的實驗結果表明，在實驗組中，有源濾波器控制策略成功抑制了諧波電流，各諧波次數的電流抑制率均在50%以上，最高達到57.9%。實驗組的電壓總諧波畸變率顯著降低，改善率達到63.2%。無功功率平衡也有所提升，改善率為9.3%。而對照組未應用有源濾波器控制策略，諧波電流含量較高，電壓總諧波畸變率和無功功率平衡相應較差。

4 結 論

通過對電力質量在配電系統中的監測與控制技術的研究，重點探討有源濾波器控制策略在諧波電流抑制方面的應用。通過實驗驗證和數據分析，得出有源濾波器控制策略在諧波電流抑制、電壓穩定性和無功功率平衡等方面的顯著優勢。文章為電力系統的運行效率提升和用戶用電體驗的改善提供新的解決方案和技術支持。在未來的實際應用中，這些技術成果將為電力質量監測與控制領域提供重要參考，為電力系統的穩定運行和可持續發展做出貢獻。