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北極星電力軟件網(wǎng)訊:電能質(zhì)量與國民經(jīng)濟的各個部門和人民日常生活有著密切的關(guān)系和重要意義。電能作為一種商品，具有它本身的特殊性，電能的生產(chǎn)和消費必須同時進行，且電能的生產(chǎn)、傳輸和使用設(shè)備必須緊密地連接在同一電網(wǎng)上。因此，作為電力部門的產(chǎn)品——電能的質(zhì)量，不僅與電力部門有關(guān)，而且與成千上萬的電力用戶有關(guān)。
電能的質(zhì)量，通常以供電電壓的頻率、偏移、波動、閃變、間斷、塌陷、尖峰、諧波畸變、三相不平衡度和高頻干擾等項指標(biāo)來表征。電能的質(zhì)量，不僅取決于發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng)本身，現(xiàn)代工業(yè)化的迅速發(fā)展，接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷，也會明顯地干擾或降低配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。要保證公用電網(wǎng)中電能的質(zhì)量，必須由電力生產(chǎn)部門和接入電網(wǎng)中的廣大電力用戶來共同努力。為了保障供用電雙方的合法權(quán)益，保證電網(wǎng)的安全運行，維護電氣安全使用環(huán)境，必須加強電能質(zhì)量的監(jiān)測管理。
連續(xù)收集、記錄、存儲電能質(zhì)量的信息，可以幫助供電公司在規(guī)劃中正確地改善供用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及合理地擴大系統(tǒng)的容量和確定投資水平。
供電公司和工業(yè)用戶都已建立起相當(dāng)規(guī)模的供用電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和設(shè)施，當(dāng)供用電系統(tǒng)發(fā)生故障或被損壞，需要更換的情況下，無論供電公司或工業(yè)用戶都要承擔(dān)巨大的經(jīng)濟損失。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量監(jiān)測的新技術(shù)——全過程監(jiān)測的出現(xiàn)，使電能質(zhì)量監(jiān)測的意義賦予了新的內(nèi)容。通過全部時間內(nèi)連續(xù)的跟蹤監(jiān)測，建立起表征電能質(zhì)量的，真正有用的數(shù)據(jù)庫，在供配電系統(tǒng)和用電設(shè)備運行失效之前，捕獲到其早期的故障信息，以便在毀滅性打擊之前，提醒人們對供、用電設(shè)備的運行狀態(tài)進行調(diào)整和預(yù)防檢修。
1全過程監(jiān)測
1.1全過程監(jiān)測的必要性
已有的電能質(zhì)量監(jiān)測儀品種雖然較多，但所記錄的數(shù)據(jù)只能是局部和片面的，真正有用的信息往往難于捕獲到。例如，1997年7月2日夜，天津某公司大型電弧爐配套用的靜態(tài)無功補償裝置(下稱靜補)發(fā)生TCR電抗器閃絡(luò)和三次濾波器燒毀個別電容器的故障。7月20日晨，該套靜補裝置又發(fā)生了更大的故障，該公司被迫停產(chǎn)，停產(chǎn)期間產(chǎn)值損失達4億5百萬元。事故后華北電力科學(xué)研究院迅速派員參與研究分析，提出了靜補裝置在修復(fù)期間保證電弧爐能迅速恢復(fù)生產(chǎn)的具體措施。經(jīng)過3個月的運行，證明所采取的措施正確有效。靜補裝置雖已恢復(fù)正常運行，但在事故中毀壞嚴(yán)重，事故原因至今不明。如果進行電能質(zhì)量全過程監(jiān)測，把有用的信息記錄下來，經(jīng)過綜合、對比和分析，在這些配用電設(shè)備運行失效之前，捕獲到其早期的故障信息，及時調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)和提前檢修，有可能避免這兩次事故的發(fā)生。
要把監(jiān)測電能質(zhì)量的各種儀器同時安裝在一起使用，不僅費用昂貴，而且在時間和空間上也是有困難的。本文提出的全過程監(jiān)測新技術(shù)，可以解決這一問題。全過程監(jiān)測儀能夠提供電能質(zhì)量全方位各種參數(shù)的綜合測量，與以往各種形式的監(jiān)測儀相比，所需費用較低。另外，全過程監(jiān)測儀能不斷自行調(diào)節(jié)門檻閾值電平，以便使記錄事件的捕獲速率與存儲器容量相匹配，實現(xiàn)全過程監(jiān)測和記錄。
1.2全過程監(jiān)測儀的主要特征
1.2.1測量寬度
全過程監(jiān)測儀具有測量電能質(zhì)量全面指標(biāo)的能力，其中包括，電壓和電流有效值、阻抗，與電力消耗有關(guān)的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、位移因數(shù)、最大需量、電能以及電壓偏移、電壓頻率。對于暫態(tài)干擾能夠監(jiān)測下列3種事件：
Ⅰ類事件：在0.5 ms～10 ms之間的電壓瞬變;Ⅱ類事件：在10 ms～2 s之間的電壓干擾; Ⅲ類事件：大于2 s的有效值電壓事件，如下陷、隆起和中斷等。
全過程監(jiān)測儀還能監(jiān)測三相電壓不平衡、電壓波動和閃變，系統(tǒng)中接地回路電流、母線電壓和線路電流的各次諧波分量幅值和相位，總諧波畸變率(THD)和諧波功率流向。
1.2.2測量深度
全過程監(jiān)測儀采用高速數(shù)字信號處理器，在每一個基波周期中可以測量各種有效值以及基于同一周期的其他各項參數(shù)，逐周期地測量，連續(xù)記錄存儲，不丟失數(shù)據(jù)。對于電壓和電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、最大需求功率、真功率因數(shù)、位移功率因數(shù)、總失真度，三相不平衡度、頻率、波動和閃變等參數(shù)，可獲得長時間累積圖。所記錄的數(shù)據(jù)，主要以電子文件方式輸出(包括文本形式和圖象形式)，故而提供了以各種有效途徑交流信息的機會。全過程監(jiān)測儀可方便地以電力容差曲線為背景作出各種事件的記錄。工作人員可以快速而且容易地按事件發(fā)生的時間或性質(zhì)，在已記錄的圖象中找出所要的事件。全過程監(jiān)測儀具有監(jiān)測參數(shù)閾值的自適應(yīng)功能，門檻電平可根據(jù)事件活動出現(xiàn)的幾率不斷地自行調(diào)整，無需工作人員干預(yù)，即可保證監(jiān)測儀在監(jiān)測期間能捕捉到最需要的事件。數(shù)據(jù)的收集和分析，報告的編寫可以由全過程監(jiān)測儀的輪詢軟件等來完成。
全過程監(jiān)測儀所獲得的數(shù)據(jù)，可以形成各種參數(shù)指標(biāo)的、完整的數(shù)據(jù)庫。通過將過去的數(shù)據(jù)與現(xiàn)在的數(shù)據(jù)進行比較，可預(yù)見事故可能發(fā)生的時間，對已變質(zhì)的供用電設(shè)備狀況預(yù)先報警，在設(shè)備損壞之前，進行調(diào)整和檢修，即預(yù)防檢修。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在已有的配電站設(shè)計中，用于開關(guān)柜的安裝式儀表傳統(tǒng)設(shè)計只提供電能消耗和有效值的參數(shù)，沒有表征電能質(zhì)量或諧波的表計�，F(xiàn)有的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀，雖然測量儀器與計算機的外圍設(shè)備(如鍵盤、磁盤驅(qū)動器和CRT等)結(jié)合起來了，但沒能成功地利用目前遍布于國家機關(guān)、企事業(yè)單位、金融和商業(yè)系統(tǒng)的個人計算機(PC)網(wǎng)的特點，來簡化數(shù)據(jù)的傳輸、整理、分析，以及報告的編寫。電能質(zhì)量全過程監(jiān)測儀能綜合監(jiān)測電能質(zhì)量的各方面指標(biāo)，而且緊密地與個人計算機相連接，充分利用現(xiàn)有計算機網(wǎng)的作用，可以經(jīng)濟方便地安裝在供電公司的變電站或者用戶配電站中。用以太網(wǎng)能夠連接安裝在供電區(qū)和用戶基地上的關(guān)鍵位置的各臺監(jiān)測儀。如果監(jiān)測儀安裝在較遠的現(xiàn)場，可以通過電話線和調(diào)制解調(diào)器來通訊聯(lián)系。全過程監(jiān)測儀的原理方框圖如圖1所示。
每臺監(jiān)測儀具有4個電壓測量通道和5個電流測量通道。4個電壓通道可以監(jiān)測母線三相電壓和中性點電壓;5個電流通道可以監(jiān)測線路三相電流、中線及地線的電流。如圖1中所示，被測信號被衰減后，經(jīng)濾波器分離為高于3.4 kHz的高頻分量和低于3.4 kHz的低頻分量。在低頻信號通道中，為保證每個周期中正好提供128個采樣點，使用一個同步脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生采樣同步脈沖，以6.4 kHz的頻率，送至各個通道中的采樣—保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器。被測信號經(jīng)采樣—保持后進行14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)。數(shù)字化的被測信號被送進數(shù)字信號處理器(DSP)進行快速付立葉變換(FFT)，在100μs中計算出63次諧波分量的幅值和相位。每一個基波周期中反復(fù)進行這個過程，低頻信號通道最高能測信號峰值1 000V，具有90 mV的分辨率。其他的參數(shù)，例如電壓和電流的有效值、有功功率、視在功率、無功功率、真功率因數(shù)、位移功率因數(shù)、總畸變率等，均在每一個周期中同時算出。被記錄的這些參數(shù)以一個周期的分辨率提供了長時間的累積圖。按周期累積起來的數(shù)據(jù)可以清楚地顯示出一個周期的最大值和最小值，以及該時間段中的平均值。同時還可算出三相不平衡度、電壓偏差率、電壓波動和閃變。在高頻分量的通道中，被測信號進入一個10位、4 MHz的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該通道主要用于瞬變高速脈沖的捕獲，可測量的最大信號電壓峰值為8.4 kV，分辨率為12 V。
該監(jiān)測儀主板上使用一個386微處理器和一個387協(xié)處理器，帶有4 MBRAM。另外內(nèi)置一個540 MB硬盤驅(qū)動器，用于存儲記錄下來的數(shù)據(jù)。監(jiān)測儀備有一個并行口和一個串行口，所存儲的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過以太網(wǎng)或電話線下載到個人計算機。在監(jiān)測儀中，所記錄存儲的各類數(shù)據(jù)，已經(jīng)作了各種必要的整理，因此下載的時間短�；赪indows應(yīng)用軟件駐留在個人計算機中，可以隨時控制數(shù)據(jù)下載。通過操作軟件鍵，工作人員可方便地觀察所記錄的事件波形，諧波頻譜，對于電壓和電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、最大需求量、功率因數(shù)以及總失真度、三相不平衡度、系統(tǒng)頻率和閃變等，可以觀察其長時間(一日、一周或一月)的累積圖。
監(jiān)測儀記錄存儲的電能質(zhì)量事件的詳細內(nèi)容取決于采樣和A/D轉(zhuǎn)換的速率。對于供配電系統(tǒng)中功率因數(shù)補償電容器的合閘和開斷瞬變過程的記錄，低頻分量通道中6.4 kHz的采樣速率較為合適。對于發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部的由電機和其他負(fù)載的投入和切斷所引起的高速脈沖，可采用高頻分量通道中具有4 MHz的高速采樣速率，捕獲低于250 ns寬度脈沖的具體形狀，可以幫助用戶診斷脈沖產(chǎn)生的原因，從而選擇適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。
