摘要：为了保证电网安全、稳定运行，提高电能质量，首先要对用电设备电能质量的电压、频率、谐波、三相不平衡度等电能指标进行实时监测和汇总分析，然后针对不同的电能质量问题采用相应的电能质量解决方案，如存在大量谐波采用有源电力滤波器治理。因此，有必要研发一种电能质量监测和控制综合管理系统，实现电能质量检测与控制、监测与电能管理、电气安全监测、能源管理等功能，有效的改善电能质量，最终达到安全和节能的目的。本文对电能质量综合管理系统的研究与应用进行了分析。
关键词：电能质量；有源电力滤波器；谐波电流；功率因数
随着现代电力电子技术的快速发展，电力用户对电能质量的要求日益提高，提高电能质量成为当务之急。针对存在的电能质量问题，设计一种集电能远程监测、数据分析以及控制的电能质量综合管理系统；通过在工程中的现场运行测试，结果表明该系统使电流谐波畸变率抑制在5%以下，功率因数提高到93%以上，很好解决了电能质量问题，达到了安全和节能的目的，值得推广应用。
1电能质量综合管理系统的总体结构
文中设计的电能质量综合管理系统的总体架构如图1所示。该系统平台继承了国内外多种工业现场通信规约，可支持第三方智能化设备或进口设备的接入。冗余的网络结构保证了网络数据传输的可靠性，先进的系统架构支持信息共享和WEB发布，采集的数据可通过Internet传送给市、省及国家级监管中心，实现远程调度监控管理。各种专家报表、谐波数据、电流曲线、报警记录等可自动生成，在很大程度上减轻了值班人员的工作量，提高了电能质量管理的工作效率。
2电能质量综合管理系统的硬件设计
电能质量监测及控制综合管理系统包含两大子系统，即电能质量监测子系统、电能质量控制子系统。其中，电能质量监测子系统是电能质量监测装置对厂区各变压器的电能质量进行实时监测；电能质量控制子系统是电能质量治理设备（有源电力滤波器APF、静止无功发生器SVG）对厂区设备产生的谐波污染及无功问题进行治理。
2.1电能质量监测子系统硬件设计
文中电能质量监测系统硬件框图如图2所示，由电流/电压采样模块、AD信号采样及DSP数据处理模块、研华PC104嵌入式模块、电源模块、键盘输入模块、通讯模块等构成。其中，DSP以TI公司生产的32位TMS320F2812pgfa芯片为数据运算处理核心，具有强大的数据处理能力和逻辑控制能力。
从图2可以看出，三相电压、电流经过精密的电压、电流互感器转换后，经过信号调理电路输出适合AD模块采样的信号。AD模块将采样完成的数字信号送入DSP信号处理模块。然后，DSP信号处理模块采用数字滤波等方法对采样信号进一步处理，可通过快速傅里叶变换FFT等算法进行谐波分析，并将需要的各种电能质量数据送入到PC嵌入式模块进行数据分析并存储。
2.2电能质量控制系统硬件设计
采用有源滤波器APF和静止无功发生器SVG可以很好的解决供电系统电能质量问题。有源滤波器APF主要是解决系统中存在的谐波电流污染的问题，而静止无功发生器SVG主要是解决无功问题。
2.2.1有源电力滤波器硬件设计
有源电力滤波器APF主要包括三相输入电路、辅助电源电路、控制电路、驱动及变换电路等。如图3所示。其中，三相输入板为三相电压输入端连接RLC电路及主功率电路；辅助电源电路是以UC2844芯片为核心的反激多路输出电源，为整个电路中的继电器、运放等提供稳定可靠的5V、15V、24V工作电压；控制电路是以DSP+CPLD为核心芯片，通过检测到的电压、电流信号，实现对功率IGBT的开关控制以及整个电路的保护等功能，其中选用DSP为32位TMS320F2812pgfa，CPLD为altera系列EPM1270T144C5N，IGBT型号为FF150R12RT4；驱动以及变换电路是根据控制信号得到与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流并注入到配电系统中，实现抑制谐波，动态无功补偿。
2.2.2静止无功发生器硬件设计
静止无功发生器SVG系统主要由主电路、控制系统电路、驱动及保护电路组成。如图4所示。其中控制系统电路包括以DSP（TMS320F2812pgfa）为核心芯片的处理电路、电压和电流信号检测和调理电路、脉冲驱动电路等。如图所示，SVG系统通过采集三相电源侧电压和电流信号，逆变侧三相电流信号，直流侧电压信号，并经调理电路后送入DSP的A/D转换模块，DSP对信号进行调理和控制运算，得到输出指令信号，再输出相应的脉冲信号经外部驱动电路将信号放大后，驱动三相桥式变流器，输出可调电压，实现动态无功补偿。
3电能质量综合管理系统软件设计
图5为某卷烟厂设计的电能质量综合管理系统，它不仅能实现实时检测稳态以及暂态电能质量指标，具有强大的数据处理能力，还具有远程控制APF设备和SVG设备的启动功能，以提高电能质量。如图6所示，该系统的人机界面采用三维力控组态软件设计完成，主要分为3个模块，分别为APF设备模块、SVG设备模块、监测设备模块。APF设备和SVG设备可对用电设备电能质量进行治理前后的各种指标实时检测以及数据分析，如图6中的（a）和（b）所示；监测设备是对厂区配电房中的变压器电能质量进行监测，如图（c）所示。
APF设备、SVG设备和监测设备3个模块都具有以下功能：1）监测数据主要是监测基本数据和谐波数据，包括三相电压（电流）的幅值、电压偏差、有功/无功功率、功率因数、频率、电压波动与闪变等电能质量指标。除此外，系统还检测电能质量指标包括三相基波电压、三相基波电流、三相基波的有功无功功率、暂态电压记录（如电压骤升、电压骤降、过电压、欠电压记录等）、短时闪变、长时闪变等。2）数据曲线模块主要是将电能质量数据监测模块收集的数据进行汇总和分析，并生成综合管理图表。包括总电流变化曲线、无功功率变化曲线、有功功率变化曲线等功能。3）报表管理模块主要是对统计的数据进行汇总形成统计报表并导出。其报表内容包括有功/无功功率、功率因数报表，基波电压电流、频率偏差、不平衡度综合报表等。
4结语
文中主要研发一种电能质量监测、控制和管理综合系统，可实时监测厂区变压器以及用电设备的供电电能质量数据，通过监测设备接入以太网交换机、光端机将电能质量数据传输到综合监控屏上，实现对电能质量数据进行统计管理，有效监测设备的电能数据，为电能质量的评估和治理工作提供了技术支撑。除此以外，采用有源电力滤波器、静止无功发生器等治理设备有效治理谐波污染及补偿无功，改善负载设备用电的电能质量。通过电能综合管理系统在淮阴卷烟厂中的应用案例可知，该系统能有效治理厂区配电网中大量谐波和无功缺额问题，降低了配电线路及设备的附加损耗，解决了由谐波和无功引起的电能质量问题，达到了安全和节能的目的，值得广泛推广应用。
参考文献
[1]张逸，林焱，吴丹岳.电能质量监测系统研究现状及发展趋势[J].电力系统保护与控制，2015.
[2]陈鹏，鲁藏.电能质量及主要问题分析[J].科技创新与应用，2013.
[3]万海龙，赵春宇.多通道实时电能质量监测系统[J].仪表技术与传感器，2014.
[4]叶云龙，常青.基于Web的电能质量监控系统的研究与设计[J].电源技术，2014.
[5]彭卉，邹舒，付永生，等.冲击负荷接入电网的电能质量分析与治理方案研究[J].电力系统保护与控制，2014.
[6]房国志，杨超，赵洪.基于FFT和小波包变换的电力系统谐波检测方法[J].电力系统保护与控制，2012.
论文作者:李业峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/6
标签：电能论文; 质量论文; 谐波论文; 电压论文; 电路论文; 设备论文; 模块论文; 《电力设备》2017年第18期论文;