電能質量監測與治理系統在高速公路行業的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：高速公路行業機電系統的運行，依靠供配電系統提供的電能支持。隨著機電系統建設的逐步完善，高速公路供配電系統已經發展成為電力供電系統的一個重要分支，因此對高速公路供配電系統的質量檢測顯得尤為重要。高速公路機電系統中的變壓器、照明燈具、不間斷電源等機電產品以及一些非線性負載在產生諧波的同時也會降低功率因數，諧波的產生會對整個供電系統產生不利影響，功率因數低會導致電能的損耗，從而使高速公路的運維面臨很大問題。本文根據高速公路的現狀，分析高速公路負載的特性、諧波產生的原因以及電能質量需求，并提出來相應的系統解決方案。
關鍵詞：高速公路行業；機電系統；電能質量；諧波危害及治理；系統解決方案
0.引言
近年來，隨著高速公路的飛速發展，高速公路機電設備也日益增加(如變壓器、隧道燈具，機電產品和不間斷電源不斷增加)，對這些設備的日常使用、工作壽命和維護換都提出了高的要求，這樣對他們的供電系統也提出了要求，而供電系統主要由變壓器(典型配置為10kV/400V型的降壓變壓器)、柴油發電機和不間斷電源組成。其中不間斷電源(包括UPS、EPS)為機電設備提供了供電的高可靠性，但由于其非線性特性，產生諧波污染，其中高次諧波對機電設備中的通信傳輸設備和高性能服務器等都有很大的干擾;低次諧波會降低變壓器設備和線路的使用壽命，且諧波電流對供電系統產生很大功耗; 并且隧道燈具和機電產品等設備也產生諧波污染；同時這些負載有一部分屬于感性負載，會降低功率因數，因此對高速公路供電系統進行全面的電能質量治理，才能滿足機電設備使用的要求。
1.高速公路行業負載分類和特性
1.1高速公路行業負載分類
高速公路用電設備除少數電阻性負載外，有一部分用電設備屬于感性用電負載，例如高壓鈉燈、變壓器等設備。其余大部分設備為非線性負載，例如計算機、網絡設備、收費車道設備、攝像機、可變情報板、各類檢測器以及LED照明燈等。
高速公路供配電系統是采用集中或相對集中供電所用電源從發電廠或從附近地區的高壓電網引出10kW或35kW高壓送至高速公路的變電所，用低壓變壓器產生220V或380V的供電電壓，然后再由低壓配電屏及輸電線送至有關用電設備。當市電停電或出現故障不能正常供電時,則由自備柴油發電設備發電供電。
隧道變電所重要負荷一般為應急照明設施、通風及照明控制設施、緊急呼叫設施以及部分消防設備等。隧道都處在比較偏遠的地段，采用鄉電比較多，由于鄉電本身就不穩定，經常面臨著停電的風險，一般采用EPS應急電源。如所帶負載有設備對電壓要求高的可由UPS供電。
收費站變電所重要負荷一般為通信系統、收費系統、監控系統等。常設有UPS為操作機構、監控設備、測控單元及ATS供電。
服務區變電所重要負荷一般為外場監控、通信系統、生活水泵、消火栓泵、綜合樓照明、場區照明等。
1.2高速公路行業負載特性
（1）單相設備多，采用單相供電容易造成三相負載不平衡，中性點偏移，且三相相差不對稱。
（2）絕大多數用電設備為非線性負載，一類是呈電容性的非線性負荷(含有開關電源的設備)。另一類是呈電感性非線性負荷(含電感鎮流器的照明燈具等)。
（3）非線性負載的大量存在直接導致電流諧波畸變率增大，從而造成無功功率增大、功率因數降低。傳統的電容補償技術不能有效地提高功率因數。
（4）所有使用到直流電壓的電氣產品，其電源供應器的前面一般大都會使用橋式整流電路，橋式整流電路會產生大量的奇次諧波，對電路系統的元器件造成損傷。
2.高速公路行業諧波源分析
2.1變壓器諧波
變壓器具有非線性電感是有它本身的結構決定的，由于變壓器磁路是非線性的，所以其勵磁電流也是非線性的。正常情況下電網電壓可以近似看成正弦電壓，當電網電壓加在變壓器原邊繞組兩端后，產生的勵磁電流會使鐵芯產生磁通Φ，因為磁路是非線性的，所以當勵磁電流為尖頂波時，才會產生正弦磁通，當勵磁電流為正弦波時，才會產生平頂波的磁通。但勵磁電流不論是平頂波還是尖頂波，都會含有奇次諧波，其中的3次諧波含量是大的。如果磁通為尖頂波，那副邊的相電壓就會是非正弦的，輸出電壓就會含有諧波量。如果勵磁電流為尖頂波，那受電端的變壓器原邊電流就會含有諧波。
變壓器的諧波含量除了與本身結構有關外，還與變壓器的工作狀態有關。在額定電壓下正常工作時，鐵芯的諧波含量是很小的。在額定的負載情況下，電流含有的勵磁電流只有5%左右，其波形近似正弦波。而在變壓器輕載或者空載的時候，鐵心就會在飽和區工作，非正弦勵磁電流會導致變壓器原邊繞組的漏感產生壓降，這將使得變壓器的感應電動勢中含有諧波分量。當變壓器進行空載合閘時，會有很大的勵磁電流出現，此勵磁電流的大小是由剩磁大小、合閘初相角和鐵心材料三者決定的。
2.2 燈具諧波
節能燈是非線性的照明燈，它內部帶有電容濾波的電子鎮流器，由于低成本，所以燈具內部采取的改善電能質量的手段有限，這類負荷就會產生很高含量的奇次諧波電流，其中3次和其倍數的諧波電流作用在中性線阻抗和系統阻抗上就會使電力系統的電壓每一個半周正弦波的50°發生凹陷，使電壓產生畸變，這類照明燈的功率因數通常只有0.55左右。由于這類燈具的諧波含量很大，在隧道燈大量開啟時，會產生大量的諧波電流，對隧道供電造成影響。單個燈容量雖然不大，但是數量眾多，所產生的諧波會對電能質量產生影響。節能燈諧波電流畸變率非常大。它們的諧波電流都是以奇次諧波為主，3次諧波的值高。
高壓氣體放電燈是利用汞、鈉等金屬鹵化物的汽化來發光，在放電時會有負電阻特性。高壓氣體放 電燈的發光強度大，它們產生的諧波以3、5、7次諧波為主，且諧波電流會隨著燈具容量的增大而增大。現行的利用節能器來調節高壓氣體放電燈的發光強度，無非是使用可控硅、IGBT和GTO等電力電子器件來切斷一部分正弦電流或者降低工作電壓等方法，所以該電路也產生諧波電流電壓。
LED燈。近幾年，LED 發展迅速，在高速公路隧道照明系統中的使用量猛增，具有良好發展前景和 照明優勢。LED的照明驅動電源電路結構有很多種，常用的主要有三種:無功率因數校正(簡易型)、有源2017年4期(總第148期)297功率因數校正(如BOOST式的)和無源功率因數校正(逐流式)。其中無功率因數校正的電路結構會使得輸入電流含有非常高的諧波成分，并且會使得輸入電壓畸變率變高。有源功率因數校正的電路結構對功率因數的校正,會使輸入電流的正弦波形比較理想，諧波含量很低。無源功率因數校正的電路結構特性處于前兩者之間，它的輸入電流波形較為理想，諧波成分含量較低，并且它成本低，所以采用這個校正電路架構會比較多。
2.3 機電設備諧波
現在的高速公路中的機電設備使用量非常大，大量的顯示用設備(如監控控制系統和可變標志顯示系統等)，其產生諧波的原理與電視的很相似。控制系統整機運行時與顯示設備單獨運行時相比，其3～11次諧波電流畸變率會稍微下降，而13,15、17次諧波電流畸變率會稍微上升。因為控制系統的諧波畸變率較高，并且其諧波電流與顯示設備 諧波電流相位重合，這會共同增大諧波電流。當控制系統使用量很大時，其諧波會與正在使用的其他電氣 設備的諧波疊加，控制系統的諧波影響就會迅速擴大。
2.4 不間斷電源諧波
不間斷電源主要由整流電路、逆變電路、控制電路、充電電路、電池組、旁路系統組成。其中不間斷電源產生諧波的主要原因是由于其內部使用整流設備而產生的，其產生的諧波與整流設備的脈沖數(也就是可控硅、IGBT或者GTO的個數)有關，目前的不間斷電源常見的脈沖數是六脈沖和十二脈沖，對于六脈沖的不間斷電源其主要的諧波以5,7次諧波為主，對于十二脈沖的不間斷電源其主要的諧波階次為11、13次。
3.高速公路行業電能質量治理需求分析及主要特征
3.1需求分析
高速公路變電所包括隧道變電所、服務區變電所、收費站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐等區域。同時由于綠色交通的推進以及擴容調整，目前高速公路變電所呈現帶狀分布供配電所數量多、距離長且位置分散、橋隧比高等特點。也正是由于這些特點，高速公路配電系統面臨了如下痛點：
(1)供電可靠性要求高；
(2)供電范圍大造成運維管理困難；
(3)隧道內控制設備種類多，頻次高；
(4)長期處于山區或鄉村存在高風險又缺乏專業人員。
3.2高速公路行業電能質量主要特征：
（1）國家持續重點建設發展的行業，配電管理逐漸智能化、自動化，對電能質量要求高，對配電設備穩定性和可靠性要求高。
（2）變壓器容量小，負荷輕。
（3）主要關注電能質量問題是無功補償問題，負載設備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小。
（4）補償設備推薦SVG，SVG補償精度高，能適應高速公司輕載的特性。且SVG自動化免維護，壽命長，沒有電容補償故障率高這些問題。
4.高速公路行業電能質量監測與治理系統解決方案
4.1解決方案
通過上述對高速公路行業各方面的分析得出配電穩定性可靠性對于高速公路配電系統越來越重要，對配電的電能質量要求也越來越高。但是高速公路供配電系統負荷分布較為分散，負荷一般都是日常用電的輕負荷，同時部分負荷是感性負荷，因此需要一個系統的解決方案來提高高速公路行業電能質量的監管和電能的質量。安科瑞電氣提出的電能質量監測與治理系統解決方案可滿足電力監控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業用戶提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創造價值。
4.2方案特點
（1）電能質量監測與治理系統可在終端為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；
（2）專業化的電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；
（3）電能質量監測與治理裝置整體設計，通過上位平臺實現統一管理和閉環控制；
（4）根據高速公路行業特點制定合理電能質量治理策略；
（5）電能質量有源治理設備采用DSP+FPGA的控制架構、模組式高功率IGBT的輸出方式，為電網的安全可靠保駕護航；
（6)電能管理務業務綜合協同：配電監控管理與運維、電能分析與電能質量數據共享融通，為企業電能供給與消費提供控制手段。
4.3方案價值
(1)全面監測電能質量，保障供電可靠性,對供電回路的電氣參數進行全面監測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發生時全部數據信息，支持開展故障追蹤與問題定位。
(2)完整電能質量治理,結合高速公路行業供配電系統的特點以及配電設備負載的特性，通過集中治理的模式，經濟和高效的滿足無功和諧波的治理需求，達到提高高速公路行業配電系統的電能質量，降低設備故障率的目的。
5.安科瑞電能質量監測與治理產品選型
由于高速公路行業負載較為分散，通過集中治理的方式，對高速公路行業配電系統所涉及到的UPS、LED燈、機電等設備產生的諧波統一治理，減少諧波對電網側的危害和影響；對非線性負載產生的功率因數問題，也在高速公路配電房內裝設相應的無功補償裝置，確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款。同時也可對整個低壓供配電系統進行電能質量在線監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，其集中治理的產品選型見表2。
表2電能質量監測及集中治理產品選型表
6.結論
自改革開放以來，我國高等級公路得到迅猛發展。與此同時，高速公路的擴容與升級對高速公路行業配電需求也越來越高，人們對配電的電能質量也是越來越重視。本文通過分析目前高速公路沿線用電設施的特點和性能、諧波源的特性、治理需求以及痛點，并針對高速公路所面臨的電能質量問題，在相應配電系統配置合理的電能質量監測與治理系統解決方案，以監測電網電能質量數據、實現補償無功功率和抑制諧波，減少線路損耗的目的，從而起到提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗的目的。
