電能(néng)質量監測裝置

1.1綜述

      理想的電力系統向用戶提供的應該是一(yī)個恒定工(gōng)頻的正弦波形電壓，而随著(zhe)電力電子技(jì)術的發展，直流輸電、大功率單相(xiàng)整流技(jì)術在工(gōng)業部門和用電設備上(shàng)被廣泛應用，如大功率可控矽器(qì)件(jiàn)、開關電源、變頻調速等，這些典型非線性負荷将從電網吸入或注入諧波電流，從而引起電網電壓畸變，使電網波形受到(dào)污染，供電質量惡化，附加損失增加，傳輸能(néng)力下(xià)降，成爲影響電能(néng)質量的重要因素。

       在電網中，三相(xiàng)負荷不平衡、電力系統諧振接地等會産生(shēng)負序，大功率整流和非線性設備等會産生(shēng)諧波。負序和諧波嚴重影響了供電質量，它們首先影響了電力設備安全運行。諧波可能(néng)引起諧振，諧振高(gāo)壓加在電容器(qì)兩端，因爲高(gāo)次諧波對電容器(qì)阻抗很小(xiǎo)，所以電容器(qì)易過負荷而擊穿；高(gāo)次諧波電流流入變壓器(qì)，鐵芯損耗增加；高(gāo)次諧波電流流入電動機，不僅鐵芯損耗增加，而且使轉子發生(shēng)振動，嚴重影響加工(gōng)質量；高(gāo)次諧波使保護設備誤動作，使系統損失加大；高(gāo)次諧波使電力系統發生(shēng)電壓諧振，在線路(lù)上(shàng)引起過電壓，會擊穿設備絕緣。負序和諧波對發電機不僅有熱效應，産生(shēng)局部發熱，而且會使發電機組産生(shēng)振動，并伴有噪音(yīn)，嚴重威脅機組的安全穩定運行。

       RH-E6000 電能(néng)質量監測裝置采用先進的32位ARM處理器(qì)，是具有高(gāo)速采樣、計算(suàn)、分析、統計、通(tōng)訊和顯示等功能(néng)相(xiàng)結合的電能(néng)質量監測設備。可實時監測電網的高(gāo)達63次的諧波含有率、諧波總畸變率、三相(xiàng)電壓不平衡度、閃變、電壓偏差、電壓波動、頻率、各次諧波有功功率、無功功率、真功率因數、相(xiàng)移功率因數、真有效值、正負序等電能(néng)質量指标。

      支持IEC61850、IEC60870-5-103通(tōng)信規約标準通(tōng)信，實現與變電站(zhàn)自(zì)動化系統和保護信息管理系統接口；提供符合IEC61850要求的設備描述文件(jiàn)（ICD文件(jiàn)），支持IEC61850定義的有關網絡服務。支持MMS層GOOSE功能(néng)，能(néng)夠滿足各種配置的變電站(zhàn)需求。

1.2 電能(néng)質量的内容

      從不同角度看(kàn)，關注或表征電能(néng)質量問題會有不同的觀點。從供電角度看(kàn)，電能(néng)質量是指供應電力的參數符合标準和供電可靠性的程度；從用電設備生(shēng)産商的角度看(kàn)，電能(néng)質量是指對設備所要求的電能(néng)特性；從用戶角度看(kàn)，電能(néng)質量是指一(yī)切會引起用電設備異常運行、故障或停電的供電電壓、電流及頻率的異常擾動，電能(néng)質量用于表征電能(néng)品質的優劣程度，包括電壓質量與頻率質量兩部分。其中，電壓質量又(yòu)分爲幅值與波形質量兩方面，通(tōng)常以電壓偏差、電壓波動與閃變、負序電壓系數（三相(xiàng)電壓不平衡度）等指标來衡量電壓幅值，以電壓正弦波畸變率來衡量波形質量。頻率質量則以頻率偏差來衡量。電壓質量問題又(yòu)可分爲穩态與暫态兩類：穩态擾動包括電壓偏差、三相(xiàng)不平衡、閃變以及諧波問題；暫态擾動包括暫态過電壓、電壓驟降、電壓驟升以及供電瞬時中斷問題。從發生(shēng)的頻度以及對用電設備的危害程度來看(kàn)，現代電能(néng)質量問題主要是電壓驟降、諧波、電壓不平衡以及閃變。

1.3 RH-E6000 電能(néng)質量監測裝置功能(néng)特點

      RH-E6000 電能(néng)質量監測裝置，是我公司在研究總結國内外電能(néng)質量監測裝置特點和實踐經驗基礎上(shàng)，嚴格按照(zhào)國家頒布的相(xiàng)關技(jì)術标準，自(zì)主設計開發的新一(yī)代嵌入式電能(néng)質量在線監測産品。

1.3.1裝置特點

裝置硬件(jiàn)平台具有如下(xià)主要特點：

1） 采用ST 公司32 位ARM 爲核心，具有強大的數據處理能(néng)力和邏輯、控制能(néng)力，核心硬件(jiàn)處于國内先進水(shuǐ)平；

2） 采用國際先進的嵌入式實時操作系統作爲軟件(jiàn)平台，全部軟件(jiàn)采用高(gāo)級語言編程，保證了系統的高(gāo)可靠性和高(gāo)移植性；

3） 數據采集通(tōng)道采用單通(tōng)道單A/D 設計，通(tōng)道獨享一(yī)個16 位并行A/D，完全同步采樣，精度更高(gāo)、速度更快；

4） 采用大多(duō)CPU結構，通(tōng)道獨享一(yī)個32位的ARM,保證電能(néng)質量測量數據的實時性和準确性。

5） 大容量的存儲空間，滿足電能(néng)質量監測裝置對數據存儲的要求，實時數據掉電不丢失；

6） 采用鎖相(xiàng)環技(jì)術，防止了在電力系統頻率變化時對監測指标的影響，防止了頻率”洩漏”；

7） 采用外部GPS 同步采樣技(jì)術，保證了同一(yī)變電站(zhàn)内或不同變電站(zhàn)内監測裝置的同步采樣；（選配）

8） 配置了冗餘的、獨立的雙100M 工(gōng)業以太網，還選配有RS-232/485 通(tōng)訊接口，可選擇多(duō)種通(tōng)訊方式與遠方管理中心交互數據；

9） 采用了四層印刷電路(lù)闆（PCB）和SMT 工(gōng)藝、繼電保護裝置常用的”背插式”結構；

10）支持IEC61850建模功具，減少工(gōng)程調試量；

1.3.2裝置功能(néng)

RH-E6000 電能(néng)質量監測裝置，除具有常規的電能(néng)質量穩态指标的監測外，還對電能(néng)質量的暫态擾動，主要是電壓的驟升、驟降進行監測和記錄，具有較強的實用性。裝置主要具有以下(xià)功能(néng)：

1） 基本測量量

電網頻率；電壓、電流有效值；總的有功、無功功率、功率因數。

2） 基本監測指标

a) 三相(xiàng)基波電壓、電流有效值，基波功率、功率因數、相(xiàng)位等；

b) 電壓偏差；

c) 頻率偏差；

d) 三相(xiàng)電壓不平衡度、三相(xiàng)電流不平衡度、負序電壓、電流；

e) 諧波（2～63次）。包括電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波含有率、幅值、相(xiàng)位；

各次諧波的有功、無功功率等；

3） 高(gāo)級監測指标

a) 間諧波；

b) 電壓波動、閃變；

c) 電壓驟升、驟降、短時中斷；

4） 設置功能(néng)

可對裝置硬件(jiàn)時鍾進行設置，對監測參數進行設置、修改和查看(kàn)，并設有密碼保護。

5） 記錄存儲功能(néng)

可對基本監測指标和高(gāo)級監測指标實時保存，統計時間間隔可設置，3Min數據（保存最大值、最小(xiǎo)值、平均值、95％概率大值中的一(yī)項）在裝置上(shàng)最長保存時間爲 1 年(nián)以上(shàng)，之後按”先進先出”原則更新。

6） 統計功能(néng)

裝置具有對主要監測指标的在線統計功能(néng)，可統計一(yī)個時間段内監測指标的最大值、最小(xiǎo)值、平均值、95％概率大值等。

7） 通(tōng)訊功能(néng)

裝置提供多(duō)種通(tōng)訊接口方式，可實現監測數據的實時傳輸或定時提取存儲記錄，可通(tōng)過工(gōng)業以太網接口與遠方電能(néng)質量管理中心通(tōng)訊，也可通(tōng)過RS232接口，以Modem或GPRS方式與遠方通(tōng)訊。支持IEC61850、IEC60870-5-103通(tōng)信規約标準通(tōng)信(訂貨時聲明通(tōng)訊方式)。

8） GPS 對時功能(néng)

裝置具有GPS硬對時接口，可以接受IRIG-B碼對時或者秒(miǎo)脈沖對時信号，保持與遠方管理中心的時鍾一(yī)緻。（選配功能(néng)）

9） 事(shì)件(jiàn)觸發錄波功能(néng)

可根據客戶要求設定事(shì)件(jiàn)觸發條件(jiàn)（手動或自(zì)動），記錄事(shì)件(jiàn)觸發前、後實時數據并保存，并保存有事(shì)件(jiàn)日志(zhì)以供查詢。

1.4 系統應用方案

1.4.1 配置當地監測管理層方案

如圖1 所示。該方案适用于分散式電能(néng)質量監測儀和需要當地顯示的監測的變電站(zhàn)，整個系統構架與現有成熟的變電站(zhàn)自(zì)動化系統的構架完全相(xiàng)同，整個網絡分爲采集單元、數據處理單元兩個部分。數據處理單元收集采集單元數據，通(tōng)過以太網将數據傳送至當地監控系統。用戶可通(tōng)過上(shàng)級監測層和當地監控系統進行管理。

第二章主要技(jì)術指标

2.1工(gōng)作電源

交流：220V±10%；50Hz±0.5Hz；諧波畸變率不大于15％

直流：220V±10%，紋波系數不大于5%

2.2電流信号輸入

輸入方式：電流互感器(qì)輸入；

額定值In：5A/1A；

測量範圍：AC 200mA～5A或AC 50mA～1A；

功率消耗：不大于0.5VA/路(lù)；

過載能(néng)力：1.2In 連續工(gōng)作；

           2In 允許1s。

2.3電壓信号輸入

輸入方式：電壓互感器(qì)輸入；

額定值Un：57.7V/100V；(400V電壓需訂貨時說明)

測量範圍：AC 0.5V～120V；  

功率消耗：不大于0.5VA/路(lù)；

過載能(néng)力：1.3Un 連續工(gōng)作；

           1.4 Un 允許1s。

輸入阻抗：大于100kΩ。

2.4開關量輸入

工(gōng)作電壓：AC220V/DC30V；

輸入方式：空接點或有源接點；

隔離方式：光(guāng)電隔離，隔離電壓2500V。

2.5 監測指标精度

1） 電壓、電流：0.2%；

2） 功率、功率因數：0.5%；

3） 頻率偏差：0.01Hz；

4） 電壓偏差：0.2%；

5） 三相(xiàng)電壓不平衡：0.2%；

6） 三相(xiàng)電流不平衡：0.1%；

7） 諧波：符合GB/T 14549-1993 中附錄D 中的A 級要求；

8） 間諧波：參照(zhào)/T 14549-1993 附錄D 中對諧波要求的A 級；

9） 閃變：5％；

10） 電壓波動：5％。

2.6 通(tōng)訊接口

1） 以太網

接口速率：10/100M 自(zì)适應；

接口類型：100Base—T；

支持TCP/IP。

2） RS232接口

接口速率：RS232——300～115200bps，帶隔離。

2.7 GPS 對時接口

裝置接口：GPS硬對時，IRIG-B碼對時或者秒(miǎo)脈沖對時信号。（訂貨時請聲明）

2.8 執行标準

Ø  《GB/T 15945-2008電能(néng)質量 電力系統頻率允許偏差》

Ø  《GB 12325-2008電能(néng)質量 供電電壓允許偏差》

Ø  《GB/T 15543-2008電能(néng)質量 三相(xiàng)電壓允許不平衡度》

Ø  《GB/T 18481-2001電能(néng)質量 暫時過電壓和瞬态過電壓》

Ø  《GB/T 14549-93電能(néng)質量 公用電網諧波》

Ø  《GB 12326-2008電能(néng)質量 電壓波動與閃變》

Ø  《GB 24337-2009電能(néng)質量公用電網間諧波》

Ø  《電能(néng)質量測試分析儀檢定規程》

Ø  《GB/T 19862-2005電能(néng)質量監測設備通(tōng)用要求》

【注】如上(shàng)述相(xiàng)關标準修訂或修改，産品将執行現行最新标準

2.9 環境

正常工(gōng)作溫度：-10℃～+40℃；

相(xiàng)對濕度:5％～95％；

大氣壓力：86kPa～106kPa；

海拔：可達3000 米；

防護等級：IP50。

第三章機械結構及電氣安裝

3.1電氣設備開孔尺寸圖 

外形及尺寸：寬*高(gāo)*深（281*180*242）單位：mm

第四章裝置功能(néng)

4.1數據采集

32位高(gāo)速ARM負責數據采集，采樣率爲25.6KHz，即每周波采樣512點。核心器(qì)件(jiàn)A/D轉換芯片采用16位、同步采樣A/D轉換器(qì)件(jiàn)，具有轉換精度高(gāo)，轉換速度快，同步采樣等優點。同時，爲防止由于頻率偏離額定值時造成測量誤差，裝置采用硬件(jiàn)鎖相(xiàng)環技(jì)術，頻率自(zì)動跟蹤，實時調整采樣間隔，以防止頻率“洩漏”。

4.2電壓偏差

電壓偏差的定義（GB/T12325－2008）

産品精度

        電壓測量誤差：±0.2％；

電壓偏差誤差：±0.2%。

4.3頻率偏差

頻率偏差的定義（GB/T15945－2008）

指标精度

頻率測量誤差：±0.01Hz。

4.4電壓、電流不平衡度

電壓、電流不平衡度的定義

指标精度

電壓不平衡度誤差：±0.2%；

電流不平衡度誤差：±1%。

4.5諧波監測

諧波定義

諧波（Harmonic）即對周期性的變化量進行傅裏葉級數分解，得到(dào)頻率爲大于1的整數倍基波頻率的分量，它是由電網中非線性負荷而産生(shēng)的。

裝置對電壓、電流采樣值進行FFT分解，可以得到(dào)各次諧波分量，由于采取了頻率自(zì)動跟蹤補償，消除了頻率“洩漏”，防止了基波頻率偏離額定值情況下(xià)造成的測量誤差。

采樣窗(chuāng)口等的要求應滿足IEC 61000-4-30 :2003的要求，每次采樣窗(chuāng)口爲不重疊的10個周波，以3秒(miǎo)爲一(yī)個基本記錄周期，測量結果即分析數據爲3秒(miǎo)内6組等間隔采樣的均方根值

諧波準确度：A級

級别	被測量	條件(jiàn)	最大允許誤差	相(xiàng)角誤差
A	電壓	Uh≥1%UN	5%Uh	≤±5° 或h×±1
		Uh＜1%UN	0.05%UN
	電流	Ih≥3％IN	5%Ih	≤±5° 或h×±1
		Ih＜3％IN	0.15%IN

表中1．Un爲标稱電壓，Uh爲諧波電壓測量量；In爲額定電流，Ih爲諧波電流測量量。

2．A級儀器(qì)頻率測量範圍爲0～2500Hz，用于較精确的測量，儀器(qì)的相(xiàng)角測量誤差小(xiǎo)于等于±5°或±1×h°

4.6間諧波監測

間諧波的定義

間諧波是指非整數倍基波頻率的諧波，這類諧波可以是離散頻譜的或連續頻譜的。

——間諧波的監測取值方法仍依據GB/T 14549-93針對諧波的取值方法進行，即一(yī)個基本記錄周期爲3秒(miǎo)鍾；

諧波準确度：A級

4.7電壓波動和閃變

電力系統的電壓波動和閃變主要是由具有沖擊性功率的負荷引起的, 如變頻調速裝置、煉鋼電弧爐、電氣化鐵路(lù)和軋鋼機等。這些非線性、不平衡沖擊性負荷在生(shēng)産過程中有功和無功功率随機或周期性的大幅度變動, 當其波動電流流過供電線路(lù)阻抗時産生(shēng)變動的壓降, 導緻同一(yī)電網上(shàng)其它用戶電壓以相(xiàng)同的頻率波動。這種電壓幅值在一(yī)定範圍内(通(tōng)常爲額定值的90%～110%) 有規律或随機地變化, 稱爲電壓波動。

電壓波動通(tōng)常會引起許多(duō)電工(gōng)設備不能(néng)正常工(gōng)作, 如影響電視畫面質量、使電動機轉速脈動、使電子儀器(qì)工(gōng)作失常、使白(bái)熾燈光(guāng)發生(shēng)閃爍等等。由于一(yī)般用電設備對電壓波動的敏感度遠低(dī)于白(bái)熾燈, 爲此, 選擇人對白(bái)熾燈照(zhào)度波動的主觀視感, 即“閃變”, 作爲衡量電壓波動危害程度的評價指标。

①   閃變覺察律F(％)

“閃變”作爲電壓波動引起的人眼對燈閃的主觀感受，不僅與電壓波動的大小(xiǎo)有關，還與波動的頻率、波形、燈具的性能(néng)和人的視感等因素有關。 爲描述閃變對人視覺的影響程度，IEC推薦采用不同波形、頻度、幅值的調幅波及工(gōng)頻電壓作爲載波向工(gōng)頻230V、60W白(bái)熾燈供電照(zhào)明。經觀察者抽樣(>500人)調查，閃變覺察律F(％)的統計公式爲：

    F=(C+D)/(A+B+C+D)×l00％                               (4-2)

    式中A ——沒有覺察的人數；

        B——略有覺察的人數；

        C——有明顯覺察的人數；

        D——不能(néng)忍受的人數

②   瞬時視感度st

電壓波動引起照(zhào)度波動對人的主觀視覺反應稱爲瞬時閃變視感度st。通(tōng)常以閃變覺察率爲50%，作爲瞬時閃變視感度的衡量單位，即定義爲st＝1覺察單位。與st＝1覺察單位相(xiàng)對應的各頻率電壓波動值％，是研究閃變的實驗依據。

③   視感度系數Kf

人腦神經對照(zhào)度變化需要有最低(dī)的記憶時間，高(gāo)于某一(yī)頻率的照(zhào)度波動普通(tōng)人便覺察不到(dào)，閃變是經過燈一(yī)眼一(yī)腦環節反映人對照(zhào)度的主觀視感，引入視感度系數Kf可以更爲本質地描述燈一(yī)眼一(yī)腦環節的頻率特性。

IEC推薦的視感度系數是：

Kf＝産生(shēng)同樣視感度的8.8Hz正弦電壓波動／産生(shēng)同樣視感度的f Hz正弦電壓波動

④   短時間閃變嚴重度和長時間閃變嚴重度

對于電弧爐等随機變化負荷的電壓波動，不僅要檢查其最大電壓波動，還要在足夠長時間觀察電壓波動的統計特件(jiàn)。（統計時間爲10min）是描述短時間閃變的統計值，（統計時間爲2h）爲描述長時間閃變的統計值。

按國标要求，短時閃變的一(yī)個記錄周期爲10分鍾，長時閃變爲2小(xiǎo)時。

指标精度

電壓波動測量誤差： ±5%；

閃變測量誤差： ±5%。

4.8暫态擾動的監測

暫态擾動包括暫态過電壓、電壓驟降、瞬态過電壓以及電壓短時中斷問題。

電壓驟降是指工(gōng)頻條件(jiàn)下(xià)電壓均方根值減小(xiǎo)到(dào)到(dào) 10％至 90％，持續時間爲10ms至1 min的短時間電壓波動現象。

電壓暫升 在電力系統某一(yī)點的電壓突然驟然到(dào)1.1～1.8p.u，持續時間通(tōng)常在10ms～1min。

電壓短時中段是指供電電壓消失一(yī)段時間(電壓降到(dào)0.1p.u.以下(xià))，一(yī)般不超過幾分鍾。短時中斷可以認爲是100%幅值的電壓暫降。

對上(shàng)述電能(néng)質量暫态擾動，裝置可以實現如下(xià)功能(néng)：

實時監測電壓瞬時值，在發生(shēng)擾動時，經過特定的檢測算(suàn)法，判斷出擾動，并給出擾動發生(shēng)的時刻，擾動的幅度，擾動的相(xiàng)位變化，擾動持續時間等信息；

判斷出擾動後，立即啓動波形捕捉功能(néng)，即錄波功能(néng)，波形記錄應包括事(shì)件(jiàn)觸發前、後的波形，錄波格式可整定；錄波長度可整定，觸發前不少于5個周波，觸發後不少于5個周波。

4.9諧波源檢測

造成系統電壓正弦波形的畸變，産生(shēng)高(gāo)次諧波的設備和負荷，稱爲諧波源。一(yī)切非線性的設備和負荷都是諧波源。當前諧波源主要有三大類：

1） 鐵磁飽和型：如變壓器(qì)、電抗器(qì)等鐵芯設備的激磁電流，主要諧波爲3、5、7次。

2） 電子開關型：如整流器(qì)、逆變器(qì)等各種電力電子設備，其交流側電流波形呈開關切合和換相(xiàng)特性，特征諧波和與脈動數p有關，h＝kp±1，k=1,2,3…，Ih/I1≤1/h。

3） 電弧型：如電弧爐，其諧波電流具有很大的随機性，主要諧波爲2、3、4、5、7次。

諧波源檢測的主要目标是确定諧波源是來自(zì)用戶側還是系統側。諧波源檢測是非常有實用意義的一(yī)個應用，但也是一(yī)件(jiàn)比較困難的工(gōng)作，現有的很多(duō)方法或方案都存在諸多(duō)問題，如理論上(shàng)有缺陷、無法實用化等。本裝置綜合已有檢測方法的優缺點，采取了新的算(suàn)法，對諧波源的檢測進行了有益的探索，該方案還有待于在實踐中進一(yī)步檢驗。