電能質量分析儀范文

導語：如何才能寫好一篇電能質量分析儀，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

PS4000是由美國SUMMIT公司生產的一種電能質量分析儀，它是為了滿足工程師進一步了解電能質量而設計的一種小型、簡單且功能強大的分析工具，可以用來分析或監控輸入電能質量。

PS4000不僅能夠測試電壓、電流、功率、功率因數、頻率、周期、諧波等電量值，而且能夠測試電壓或電流的浪涌、跌落、沖擊、電壓尖峰等瞬態量值，從而為用戶快速判定供電質量的優劣，或者為展示產品電源質量提供一個依據。該儀器可以同時適用商用和工業用電源，是現代測試儀器中一款性能優越，攜帶方便的電能質量儀器。

1　PS4000的主要特點

新型PS4000電能分析儀具有以下優異的測試功能：

可測試并捕捉浪涌、跌落、沖擊、尖峰信號；

可分析每一個通道從1次到63次諧波分量的電壓／電流幅值和相位?

可同時分析所有通道的電壓、電流、功率、功率因數、頻率、能量、通斷周期、能量高峰期、花費等參數值?

能夠連續顯示每秒測量值?

具有完全的按鍵操作和菜單式界面?

可連續工作8～10個小時，使用充電器后可以持續使用。

    PS4000可以對三相電路中的三個電壓和四個電流同時進行浪涌、跌落、尖峰、諧波、電壓、電流、功率、功率因數、頻率、周期等參數的分析和監測，測試的數據可以上傳到計算機以圖形或表格的形式顯示。該儀器配有專業的分析控制軟件，可以對PS4000進行遠端監控，特別適合于對電網質量，大型供電設備，家用電器等電源質量進行分析，是電力專家所鐘愛的產品。SUMMIT公司的電能分析儀被世界很多國家的用戶使用，美國前電網編輯曾這樣描述：“我見過很多的分析儀，但是，這個產品給我留下了真正深刻的印象，PS3000已經是一個很堅固的小型器件，而新型的PS4000則提供了更專業的電能質量分析功能?！迸c它配套使用的電壓、電流探頭能夠直接和1到15000V電壓以及10mA到6000A的電流相接。通過輸入調節比與PT和CT的結合，可提供更高、更大的電壓電流測試。除了在室內監控外，PS4000還可以安裝到Weather－resistant外掛箱上，以便能夠在室外進行無人監控。另外，PS4000的“連接檢查”特點更便于操作者正確連接電路，而且各種配套的附件不需要另外供電。

PS4000包含前一產品PS3000的全部測試功能，PS3000已經使用了8年，產品遍布7大洲?？蛻魧owersight分析儀具有很高的評價，特別是在使用簡便、性能可靠、可提供及時有效的技術支持等方面。SUMMIT總載曾說：“從上一次我們為一塊因跌落而損壞的儀表檢修后，到現在已經六年了，它依然完好，據我所知，我的表甚至還在南極考察站使用”。

2　PS4000測試瞬態量

實際上，絕大多數的客戶都特別關心PS4000的瞬態測試功能，而這也正是PS4000優于PS3000和PS250之處，因此，筆者希望通過本文使更多的人能夠熟悉PS4000的功能，讓PS4000給電能分析帶來更多方便。

當分析瞬態參數時，PS4000能夠隨時監測每相浪涌、跌落、沖擊和電壓尖峰信號，并隨時記錄信號類型、發生時間、到達峰值、持續時間等，同時可捕捉并存儲最壞的一個信號，以及為以后的故障分析和判斷提供依據。

2．1 每相電壓／電流的浪涌和跌落值測試

在進行電路的浪涌和跌落分析時，PS4000可提供以下三種記錄方式：

記錄浪涌／跌落事件；

記錄浪涌／跌落圖形；

記錄浪涌／跌落波形。

（1）記錄浪涌／跌落事件

    如果在信號監測時間段里，浪涌出現一次，PS4000就認為有一個浪涌事件發生，出現兩次，PS4000就認為有兩個浪涌事件，以此類推……，當有事件發生時，PS4000將記錄這一事件的發生日期、發生于哪個相線、屬于浪涌還是跌落信號、信號的幅度以及信號持續的時間等信息。

PS4000的顯示方式主要有兩種：第一種為列表顯示，每一行顯示一個事件，其顯示方式如圖1所示；第二種為圖形顯示，這種方式以時間為橫軸，在縱軸上顯示信號的幅度和持續時間，其顯示方式如圖2所示。

（2）記錄浪涌／跌落圖形

當有浪涌或跌落事件發生時，PS4000將大致地給出浪涌或跌落信號的圖形。圖形從發生浪涌／跌落的前2個周期開始，持續10個周期，直到檢測到下一個1／2周期來臨再沒有浪涌／跌落發生且持續1秒的時間為止。圖形中將顯示浪涌／跌落發生的時間以及每半個周期的RMS值。參見圖3。由圖3可見，圖形的上半部將顯示關鍵的信息，如事件的發生時間、持續時間、信號屬于三相中的哪一相、信號的幅度大小等。如果發生了電壓浪涌，那么和它同相的電流信號也會顯示在同一張圖中。

（3）記錄浪涌／跌落波形

浪涌／跌落波形是對浪涌／跌落事件的一個詳細描述，它們開始于事件發生前的兩個周期，持續10個周期，如果事件的持續時間超過10個周期，波形中將記錄最近的10個周期。如果監測的時間段內不是只有一個事件發生，PS4000將存儲最壞的浪涌／跌落波形。這種方式在顯示時，在波形的上方將顯示事件發生的時間、相線、信號幅度和信號持續時間等。如果發生的是電壓浪涌 ／跌落，那么同相線的電流信號也會顯示在同一張圖中。

2．2 監測高速瞬態信號

高速電壓／電流瞬態信號的產生一般與被測線路本身無關，大都是由閃電、突然短路，開關撥動等原因引起的，它們的幅值會在瞬間竄到很高，持續時間也相當短，一旦這樣的信號超過了定義的觸發門限，PS4000將捕捉到這個信號。觸發門限分為 “絕對值門限”和“相對值門限”兩種。

當設置為絕對值門限時（比如設到180V），那么，在監測開始以后的任何時候，只要信號的幅值超過了＋180V或－180V，這個信號就會被捕捉并被記錄下來。如果設置為相對值門限，比如20V，PS4000將以正常情況下的波形作為參考，在這種情況下，當實際波形幅度高于或低于同一點的正常波形幅度20V以上時，PS4000將捕捉記錄這個信號。

在進行瞬態信號監測時，PS4000可提供瞬態事件和瞬態波形兩種記錄方式。

    （1）瞬態事件

在這種記錄模式下，PS4000將記錄瞬態事件的發生時間、發生相線、峰值大小和持續時間。與浪涌／跌落測試的顯示方式一樣，瞬態監測的顯示也包括表格顯示和圖形顯示兩種方式。

（2）瞬態波形

瞬態監測時的瞬態波形可以詳細地記錄瞬態事件信息，它們將持續50ms，并在事件發生前的一個周期開始記錄，同時可在整個監測時間里捕捉最壞的一個信號。

與浪涌／跌落測試波形相似，這種測試波形的上方也將顯示信號發生的時間，信號持續時間，信號幅度以及信號的相線等重要信息。圖4是一種瞬態波形示意圖。

篇2

關鍵詞：電能計量裝置；故障；分析方法；異常

1 計量裝置故障

1.1 表計故障

電能表是計量電能的核心部分，沒有電能表就沒法實現電量的計量和直接只管判讀。表計故障在各種故障現象中較為常見，表計故障原因繁多，并且導致故障的原因不同故障表現出來的現象也不同。電能表常見故障包括：屏幕故障、計度器故障、硬件故障、電池故障、存儲設備故障、通訊模塊故障、應用程序出錯，以及因電子元件老化或者損壞導致的故障等。

1.2 互感器故障

互感器是大容量用電客戶電能計量所必須使用的設備，它扮演整個計量二次回路電源的角色，沒有它便無法匹配到合適規格的電能表，以至于無法計量?；ジ衅鞯墓收显诟鞣N故障中出現比例相對較少，但是其故障原因卻呈顯出多樣性的特征。一般情況下，互感器比較容易發生的故障包括：電流互感器二次開路、互感器受到天氣影響局部放電現象、匝間短路、電壓互感器鐵磁諧振及串聯鐵磁諧振等。另外，由于磁場不均勻導致的異常現象、鐵芯過飽和導致的異?，F象，以及因電壓互感器一次熔絲熔斷而感應出的瞬間高壓引起互感器的內部絕緣破壞等。相對來說，互感器的故障更為復雜和多樣，診斷和處理的程序也更為復雜。因此，對互感器故障的診斷和處理工作需要有一定的技術性要求。

1.3 接線盒故障

接線盒的存在是為了方便運行中的表計故障后的更換以及周期校驗。計量回路中任何設備、器件的故障都會引發錯誤計量，而接線盒故障更是占到所有故障的百分之四十左右。一般來說，接線盒故障的產生是由于接線盒內部的接線端的螺絲發生松動，或者短接片緊固螺絲松脫進而導致接線盒的故障。另外，接線盒由于長時間運用，使用壽命縮短，接線盒處于高粉塵、高濕度的環境等也是導致故障的重要原因。如果一次負荷長時間處于重負荷情況下工作時，互感器二次側的輸出電流也接近于額定輸出電流，這么大的電流長時間通過接線盒時，由于電線和螺絲的接觸點處接觸電阻較大，就會造成嚴重的發熱。這些熱量不能及時的散發出去就會導致接線盒的金屬部件和塑料材料受熱變形，進而使得接頭逐漸松動，在后續的使用過程中產生火花，導致接線盒發生故障。另外，由于接線盒的使用時間過長，接線盒長時間暴露在空氣中，其部分元件逐漸被氧化，導致基本形態發生變化，出現接觸不良等問題。最后，人為破壞也是導致接線盒故障的因素，由于工作人員在安裝過程中發生失誤，例如螺絲沒有被擰緊等，接線端子沒有真實、穩固地連接，也會導致接線盒發生故障。

1.4 終端故障

終端的設置是為了提高我們的電網智能化，實現計算機自動化后臺抄表，減輕一線抄表員的工作壓力，同時可以方便我們隨時監控用戶的用電情況方便我們發現異常情況。但是終端的電流回路是和電能表的電流回路串聯在一起的，因此終端的故障也可能會導致電能計量的故障，終端故障可能會造成我們對實際計量準確性的誤判。終端容易發生的故障包括電源故障、通訊故障以及抄表故障等。終端故障的判定相對比較簡單，但想要卻確認原因仍舊需要實地的判定和分析，其分析方法和診斷的準確性高度依賴于工作人員的知識儲備和工作經驗，所以年輕的工作人員可能不能很好的解決終端故障問題。

2 電能計量裝置異常問題研究現狀

針對實際生產中所遇到的問題來開發出一種實用的接線分析系統就顯得很有必要，令人欣慰的是目前市面上出現了部分廠家開發的專用設備，可以幫助工作人員省時省力的快速解決部分問題。但電能量計異常量的診斷以及電量退補的運算分析仍舊是以理論數據和研究較多，在設備和應用程序上也仍舊處于仿真的階段，并且集中在以電能計量誤差和實際電量的計算以及電量的退補方面。僅有的專門針對電能計量異常接線的系統，也大多僅局限在供電體系內幫助工作人員完成相關的運算。真正能夠運用于現場的實際分析和運算的系統仍然極少。電能計量裝置異常問題的研究依然是漫長的過程，需要專業人員持續地投入。

3 計量裝置異常情況分析方法研究

計量裝置的異常雖然類型多樣，但最終的診斷和處理都會涉及到電流量和電壓量。凡是處于運行狀態的計量裝置，一旦出現故障或異常就一定會通過電壓或電流反映出來。因此，我們此次算法的研究也是主要依據電流和電壓的信息進行算法的設計，先對電壓電流信息進行采集，然后通過編程的手段將分析法方法固化成優化的解算程序，經過CPU單元的高頻運算就可以將計量裝置的故障和異常情況以圖形化的界面展現出來。

目前異常分析的技術主要有四個特征。一是收集用電客戶電能計量點及裝置的基本信息。二是依據實際要求，對檢測的時空范圍進行適當地擴大或縮小變換并進行全面分析。三是將數據分析的信息可進行多層次的配置和累積，交叉引用和綜合評測。四是根據情況每個用戶的實際情況確定重要的閥值，建立關鍵的仿真分析系統。

3.1 規律性非連續算法

規律性非連續算法是指在設計的技術方案中，對計量表計的電壓向量、電流向量的變化等進行分析。規律性是指在分析信息的過程中，依據數據的密集程度，將保存下來的且持續一段時間的不正常數據與恢復到正常狀態后的數據對比，判定出相應結論，并將此結論保存下來。隨后，在運行過程中再次出現這類不正?，F象，通過與已經保存的數據進行相似性分析一般就可將這種情況確定為用電的異常。

在這種狀態持續的過程中，頻率和數據等會出現規律性的變化。而非連續性是指，相關的數據在某個時間點或某個較短的時間段內出現突然變化，與之前的規律性有明顯不同，并且這種狀態大多也能夠持續一段時間。非連續性算法的工作過程大致如下：首先獲取計量點曲線的數據；然后對曲線數據進行智能分析和研究，發現其中的異常曲線同時將獲取的數據保存到數據庫中；最后，將計量點的異常數據圖形化輸出。

3.2 分類連續差值算法

分類連續差值算法包括兩個部分。第一是對電壓量值進行研究的部分，對表計電壓信息進行分類。通常是指依據不同的參考對象，對不同的數據項進行分析和研究。差值是指在確定電壓分類的情況下對電壓數值的判斷，當實際采集到的數值與既定數值的差值超過規定的范圍時，認為屬于異?，F象?；蛘唠m然獲取的信息值在電壓曲線上，但信息的異常連續點數超過了既定的閥值，也可將其判定為異?，F象。第二是技術方案的電流向量分析研究部分。當采集到的電流數據在某個判定個條件下其電流的兩個最值超出了某個閥值范圍，甚至多個閥值范圍，則可判定為異常現象?；蛘弋斈承┪覀冏粉櫟碾娏鲾祿m然依然落在電流曲線上，但數據持續異常的點數超過閥值時，也將其判定為異常。另外，在非平衡電流的狀態下，想要準確的判斷是否異常還需要借助用戶的生產性質對及生產規律其進行判定。

4 結束語

導致電能計量裝置接線出現異常的因素較多，出現的異常類型也比較多。但故障和異常的出現對整個系統都有著重要的影響，甚至影響到人身安全和財產安全等。因此，對其診斷和分析方法進行探討，強調其科學性和準確性，促進分析效率的提升，進而獲得更為精準的分析數據，以便于及時修復，保證電能計量裝置的正常使用。

參考文獻

[1]范潔，陳霄，周玉.基于用電信息采集系統的電能計量裝置異常智能分析方法研究[J].電測與儀表，2013，11：4-9.

篇3

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51377001）

作者簡介：張曉虎（1978-），男，山東萊蕪人，湖南大學博士研究生

通訊聯系人，Email：

摘要：針對目前國內外并沒有大功率整流系統的各部件損耗及效率的實時監測儀器或平臺的現狀，提出了一種基于光纖以太網通信的大功率整流系統能效測試新方法，并與傳統的能效測試方法的同步測量機理、能效分析方法進行了綜合比較.給出了一種直流大電流間接反演算法，并通過仿真和實驗驗證了算法的正確性和工程實用性.最后結合工程實踐，對能效測試新方法的具體實施過程進行了詳細的闡述.工程實例表明該能效測試方法可以有效實現工業整流系統各供電裝備與系統的效率核算，并為提高其裝備效率及系統節能提供必要的依據.

關鍵詞：系統節能；能效監測；光纖以太網；多通道數據同步采集；直流大電流間接反演

中圖分類號：TM930.1 文獻標識碼：A

A New Method of Energy Efficiency Measurement and Engineering

Practice of Large Power Industrial Rectifier System

ZHANG Xiaohu1，2， LUO Longfu 1， LI Yong1， ZHOU Ke1

（1.College of Electrical and Information Engineering，Hunan Univ，Changsha，Hunan410082 ，China；

2. Dept of Electrical Engineering，Hunan Univ of Arts and Science， Changde，Hunan415000，China）

Abstract：Up to now there has been no special monitoring equipment or platform for the energy efficiency measurement of large power rectifier system. For this reason， a new method of energy efficiency measurement of large power rectifier system based on the fiber optic Ethernet communication was presented. In order to prove the advantages of the new method， this paper made a comprehensive and comparative study of the measuring principles， and the analytical method of energy efficiency. The method of indirect inversion of heavy direct current proves to be correct and can be well applied in practical projects through simulation and experiments. Finally， by combining with engineering practice， the specific implementation process of the new analytical method of energy efficiency was described. The project case indicates that the efficiency analytic method can correctly calculate the efficiency of the powersupply system of the industrial rectifier system， and can provide a proof of improving the efficiency of the equipments and saving the energy of the system.

Key words： energy saving； energy efficiency measurement； fiber optic ethernet； multichannel synchronous data acquisition； indirect inversion of heavy direct current

目前大功率整流機組在電化學、冶金及軌道交通等領域取得了廣泛應用，隨著社會對節能減排和清潔能源呼聲的日益高漲，這些高能耗領域的企業對整流機組的效率和電能質量也更加關切，加上考慮到經濟運行，企業對整流機組及各部件的損耗及效率和電能質量測試需求也日趨強烈[1-3].但是，目前國內外并沒有大功率整流系統的各部件損耗實時監測平臺.傳統的大功率整流系統能效測試方法通常采用多臺電能質量分析儀對整流機組進行一段時間的數據錄波，并通過復雜的人工計算獲得能效測試結果，因此該方法易產生人為誤差且不能實現大功率整流系統的實時在線監測與能效分析.本文針對以上問題，提出了一種基于光纖以太網通信的大功率工業整流系統能效測試新方法，并結合工程實例對能效測試方法的監測原理及實施過程進行了詳細的闡述.結果表明該能效分析系統可以有效實現工業整流系統各供電裝備與系統的效率核算，實現整流變壓器及整流器的損耗與效率研究，從而為提高裝備效率及系統節能提供必要的依據.

1大功率工業整流系統拓撲

新型12脈波整流系統拓撲結構如圖1所示，主要由3部分構成[4-6]：含有載調壓的新型整流變壓器及其配套全調諧感應濾波裝置、三相全波晶閘管可控整流器、具有低電壓大電流特性的直流工業負荷.與常規整流系統相比，其添加了一個濾波繞組及其感應濾波裝置，可在接近諧波源處進行諧波抑制與無功功率補償，對于測量方案本身沒有本質區別.閥側接線如圖2所示，采用同相逆并聯的閥側繞組在整流柜輸入處一分為二，通過12根銅排分別與4個整流橋相連接，每根母排流過全波電流.能效測試系統通過對交流網側、濾波側、低壓閥側及直流側4個測量點進行數據監測，計算整流系統各部件的損耗及效率.圖1中標出了各測量點的位置，圖2中標出了閥側采集終端的配置方案.

2算法分析

2.1直流大電流間接反演與計算新方法

在化工、冶金等行業中應用的變流系統容量越來越大，其中直流電流也在不斷增大，直流大電流的準確測量一直以來都是尚未有效解決的技術難題[7]；目前測量直流大電流采用最多的為霍爾互感器，工作原理是將電流信號轉化為磁場測量，進而測量磁密或磁通、磁勢等方法來測量電流，但整流環境具有強腐蝕性和電磁干擾、諧波污染嚴重以及直流電流大等特點，其測量精度一般不能滿足要求[8-10].針對上述直流測量方案的缺陷，本文提出了一種基于閥側電流疊加反推算法的直流大電流間接反演與計算新方法，該方法已經申請并獲得了國家發明專利“一種基于交流檢測的直流大電流間接測量的方法及裝置”（專利號：ZL201010578601.2）.該反推算法的原理可簡單描述如下：

忽略換相過程和直流側電流脈動情況可推導交流側電流及其基波和各次諧波與直流電流的關系表達式如下：

ia=23πId（sin ωt-15sin 5ωt-17sin 7ωt+

111sin 11ωt+113sin 13ωt-…）=

23πIdsin ωt+23πId∑ω（-1）k1nsin nωt=

2I1sin ωt+∑ω（-1）k2Insin nωt.

I1=6πId，

In=6nπId. （n=6k±1，k=1，2，3，…） （1）

式（1）表征了換流器直流電流與交流電流的變換關系.以上的分析可體現兩方面的特征：①交流信號經過換流器非線性調制后轉化為具有一定諧波頻率的直流電流；②直流信號及諧波信號勢必引起交流側產生基波及諧波電流.

忽略了換向過程、直流側脈動及晶閘管阻容等條件，是為了減小換流器直流電流與交流電流的變換關系推導的復雜性，這肯定會在一定程度上影響其變換關系推導的準確性；但該部分推導的主要目的只是為了表征交直流電流之間具有較為嚴格的對應關系，為后面給出的基于閥側交流電流疊加反推直流電流算法的設想提供理論支持與依據，而并不作為交流反推直流的直接公式；本文將以此為理論分析基礎，來闡述直流大電流間接反演算法的原理.

反演算法的原理是通過高精度交流電流互感器和測量終端對閥側三相正半波多路電流信號進行同步采樣處理，通過閥側正半波電流的疊加處理即可實現直流電流的反演與推算，圖3給出了交流電流到直流電流的反演示意圖.閥側疊加反演直流電流算法過程如下.

1）利用圖2所示測量終端同步采集閥側繞組接出的所有交流電流信號，形成n個具有s個采樣點的電流序列[i1[s]i2[s]…in[s]] （n為閥側繞組接出的電流信號個數，其數值與閥側繞組的接線方式有關；s為采樣點個數），然后對in[s]數值進行判斷，若in[s]0，則保持in[s]數值不變.

2）對步驟（1）重新獲得的電流序列in[s]進行疊加計算，求得推算的直流電流序列id[s]：

id[s]=∑12n=1in[s]. （2）

2.2大功率工業整流系統能效分析算法

本節以圖2所示低壓閥側繞接線方式的12脈波整流系統為例來介紹能效分析算法.

2.2.1整流系統各測量點有功功率的計算

對于交流網側和濾波側，采用的是三相四線制測量方法，引入的電壓信號為相電壓，根據式（3）可得交流網側和濾波側有功功率PG和PF.US和IS分別為相電壓和電流采樣序列.

P=1M∑M-1S=0USIS. （3）

對于低壓閥側，采用的是三相三線制測量方法，引入的電壓信號為線電壓，需進行線電壓到相電壓的轉換，根據式（4）可計算其4個橋的三相總有功功率PV1，PV2，PV3和PV4，則閥側總功率PV=PV1+PV2+PV3+PV4. U12S，U23S和U31S為線電壓采樣序列.

P1=1M∑M-1S=0（U12S-U31S3）I1S，

P2=1M∑M-1S=0（U23S-U12S3）I2S，

P3=1M∑M-1S=0（U31S-U23S3）I3S.（4）

本文采用2種方式計算直流側平均功率：一種方式為根據直流霍爾互感器實際測量的直流電流計算直流側平均功率Pd，kW；另一種方式為根據本文第2.1節給出的基于閥側交流電流疊加反推直流電流算法計算直流電流平均值來計算直流側平均功率Ptd，kW.兩種計算方式下最終獲得的能效分析結果將在本文第5.4節能效測試結果分析中給出.

2.2.2整流系統各部件損耗的計算

整流機組總損耗即系統總損耗，主要包括：變壓器損耗PT和整流器損耗PR，分別為：

PT=PG-（PV1+PV2+PV3+PV4）-PF，

PR=（PV1+PV2+PV3+PV4）-Ptd，

PZ=PT+PR.（5）

式中：PG為交流網側輸入有功功率；PF為濾波側有功功率；Ptd為直流側輸入有功功率；PZ為系統總損耗.

2.2.3整流系統各部件效率的計算

整流系統各部件效率主要包括：變壓器效率ηT，整流器效率ηR以及整流機組總效率η.計算表達式為：

ηT=PG-PTPG×100%，

ηR=Ptd（PV1+PV2+PV3+PV4）×100%；（6）

η=PG-PT-PRPG×100%. （7）

整流系統在實際工況下的運行效率，可按照下式推算其額定效率：

ηt=11+（1η-1）UdIdnUdnItd. （8）

式中：ηt為整流系統在額定工況下的推算效率，%；η為整流系統在實際工況下的運行效率，%；Ud為整流系統測定運行效率時的實際輸出電壓，V；Itd為整流系統測定運行效率時的實際輸出電流，kA；Udn為整流系統的額定輸出電壓，V；Idn為整流系統的額定輸出電流，kA.

能效分析平臺可以從數據庫中查詢任一時間段內的網側輸入電能WG及直流側輸出電能Wd：

WG=∑ns=0PGsΔt，

Wd=∑ns=0PdsΔt.（9）

式中：PGs，Pds分別為數據庫中存儲的網側和直流側有功功率記錄，kW；Δt為相鄰兩個有功功率數據記錄存入數據庫的時間間隔.

任一時間段內的系統電能效率ηq為：

ηq=WdWG×100%=∑ns=0PGs∑ns=0Pds×100%. （10）

3傳統能效測試方法

根據12脈波工程實際安裝及運行情況，介紹一種基于電能質量分析儀的工程現場能效測試方案，該方案能效測試系統拓撲結構如圖4所示，采用6臺日本HIOKI公司的電能質量分析儀（HIOKI3198）對交流網側、濾波側、低壓閥側及直流側4個測量點進行同步數據采集.表1給出了現場測試配置表，包括測試儀器、互感器等.

其中，閥側繞組接線方式與圖2相同，圖2中閥側終端1～4為4臺電能質量分析儀（HIOKI3198）.電能質量分析儀（HIOKI3198）具備三相電壓及電流6個交流通道和1個直流通道，如圖4所示，直流側直流電壓及電流信號的采集分別由閥側的2臺電能質量分析儀的直流通道完成.

1）同步數據采集方法.將6臺儀器對時后，設定所有儀器在同一時間采樣，定時事件觸發電能質量分析儀同步錄波一段時間（分鐘、小時、天，可選）；電能質量分析儀采樣的數據可以保存為CSV文件，供能效分析算法調用.

2）能效分析方法.將6臺電能質量分析儀（HIOKI3198）同步采集的數據全部保存為CSV數據文件，然后將數據代入第2節能效分析算法中，計算大功率整流系統各部件損耗及效率.

4基于光纖以太網的能效測試新方法

圖5給出了基于光纖以太網通信的大功率工業整流系統能效測試系統拓撲結構圖.系統采用3層B/S模型，分為終端設備層、光纖以太網通信層和主站監測層3個部分.終端設備層分別在交流網側、低壓閥側、濾波側、直流側4個測量點安裝自主設計的數據采集終端，實現各個測量點的數據同步采集及上傳；通信前置機實現終端設備層與主站監測層的數據交互，并將采集的數據進行算法分析后存入數據庫服務器，供大功率工業整流系統能效分析平臺分析調用，Web服務器則完成數據庫服務器與監測計算機的交互.

4.1同步數據采集機理

如圖5所示，監測系統設置網測采集終端為主采集終端，其他均為從采集終端，同步測量機理可簡單描述如下：首先通信前置機向主采集終端發送同步采集命令，主采集終端收到命令后向所有從采集終端發送同步脈沖（低脈沖），同步脈沖的下降沿觸發各采集終端外部中斷進行同步數據采集；采樣固定周期數據后，采樣數據依次通過串口轉光纖電路、光纖轉串口電路以及串口轉TCP/IP轉換器（即光纖以太網通信線路），最后經由以太網交換機上傳到通信前置機；通信前置機對采樣數據算法分析后存入數據庫服務器，供上位機能效分析平臺分析調用；接著通信前置機再次向主采集終端發送采集命令，重復以上過程.各采集終端利用光纖發射器HFBR1414和光纖接收器HFBR2412設計了串行口的TXD發送端和RXD接收端的TTL電平與光纖信號轉換電路以及光纖信號轉串口電路，無需購置市場上的串口轉光纖設備；既提高了采集終端的集成度，又減小了系統的硬件成本；且對于采集終端而言其通信使用的是串行口通信，而對于后臺PC機則使用的是TCP/IP通信，既減輕了采集終端的通信電路復雜度，又提高了與后臺PC機間的通信穩定性.

4.2能效分析方法

基于光纖以太網通信的大功率工業整流系統能效分析方法的功能實現主要由通信前置機軟件和大功率整流系統能效分析平臺軟件實現，可簡單描述如下：

1）首先由通信前置機軟件實現對所有測量點同步采樣數據的能效分析計算，計算結果保存到數據庫中.

2）然后進入大功率整流系統能效分析平臺，選擇要監測的整流機組，在能效分析平臺界面上實現該整流機組的能效測試結果的圖表顯示及分析.

4.3能效測試方法比較

1）同步采集方法比較.傳統方法：采用所有儀器對時后，定時觸發同步數據采集.由于無法實現準確對時，同步性能較差.

新方法：采用光纖同步觸發信號，觸發各采集終端外部中斷進行同步采集，同步性能較好.

2）能效分析方法比較.傳統方法：所有儀器均產生CSV文件，需要對逐個文件進行能效算法處理后，再綜合到一起才能獲得最終能效測試結果.整個過程處理復雜且均需人工操作，容易產生人為失誤且費時費力.更值得注意的是該方法只能實現某段時間的能效分析，不能實時在線監測.

新方法：由通信前置機軟件實現各測量點數據的同步采集及能效算法分析，并將計算結果存入數據庫中，最后由大功率整流系統能效分析平臺調用圖表顯示分析.整個過程從數據采集到分析處理完全由監測系統軟件自動完成，并且監測系統可以實現大功率整流系統的長期實時在線監測.

5工程驗證

某電解錳整流系統實際項目，其額定直流輸出600 V，17.5 kA.系統電氣接線如圖6所示，單機組為等效12脈波（Y和Δ繞組共鐵心），采用同相逆并聯的結構形式，閥側輸出4個聯結組，通過12根銅排分別與4個整流橋相連接，每套機組均配置了11次和13次單調諧濾波器，以作功補和濾波.圖6中標出了3，4號整流機組能效分析系統測量點.

5.1基于光纖以太網的能效測試系統施工方案

本文主要介紹低壓閥側及直流側施工過程，如圖7所示，在整流柜側面安放電氣屏蔽柜1個，內裝閥側采集終端4臺，直流側采集終端1臺.

閥側信號引入.1）電壓：在閥側12個銅排上安裝金屬鉤直接引線將電壓信號接入采集柜接線端子排（銅排間線電壓引入終端調理電路）.2）電流：閥側銅排上套裝12個剛性開口羅氏線圈互感器，其積分器輸出信號接入采集柜接線端子排.

直流側信號引入.1）電壓：直接從直流銅排引線接入采集柜接線端子排.2）電流：直流銅排裝有直流霍爾互感器（變比為20 kA∶5 V），其積分器輸出接入采集柜接線端子排.

5.2新方法同步性能測試與分析

采樣通道間延時是衡量系統同步性能的重要指標[11].通道間延時可通過以下公式計算：

Ti0=θi2πf0， 0≤θi

Tj0=θj2πf0， 0≤θj

式中：θi和θj分別為2個不同的采集通道i和j對應的初始時刻Ti0和Tj0各自的初始相位.則兩個通道間的通道延時Tij為：

Tij=Ti0-Tj0=θi-θj2πf0.（12）

考慮不同通道數據計算的信號頻率差異，取頻率為兩者均值，則式（12）變為：

Tij=Ti0-Tj0=θi-θjπfi0+πfj0. （13）

為了測試同步采集系統的同步性能，測試實驗為所有采集板的三相電壓及電流通道引入相同的交流標準源信號進行同步性能測試，表2給出了網側電壓及電流通道1與濾波側所有電壓及電流通道的同步性能測試結果，結果表明該同步采集方法完全符合能效分析系統的同步性能要求.

5.3直流大電流間接反演仿真驗證

本文針對該電解錳整流系統建立了仿真模型.圖8給出了相應的直流電流仿真波形及由閥側交流電流疊加推算的直流電流波形.由圖8可見，閥側電流的正半波進行疊加推算出的直流電流波形與實際直流脈動波形基本重合.

表3給出了本方法推算值與仿真值對比，由表3可見，直流電流推算值與仿真值十分接近，誤差為0.053%～0.086%.

為了保證閥測交流電流數據采集的精度，選擇了高精度剛性開口羅氏線圈互感器（型號：TLGK），其出廠在國家高電壓計量站進行了校準，其中出廠編號為1301022的互感器（校準證書編號：201310083）校準檢定結果如表4所示.

5.4能效測試結果分析

表5給出了3，4號整流機組的能效測量結果，從表5中可以看出：

1） 3號和4號整流機組的實測直流電流值與利用閥側交流電流疊加反推算法求得的直流電流大小差值分別為67.36 A和62.67 A，進一步證明了閥側交流電流疊加反推算法的可靠性及準確性，考慮到直流霍爾互感器的測量精度較低，實際測量值一般偏低，只能作為參考，這里主要以推算的直流電流計算的直流功率來計算整流系統各部件的損耗及效率；

2） 兩套機組的變壓器效率均在98%以上，實測整流器效率及推算整流器效率也均在99%以上，作為參考的實測整流機組總效率也在97%以上，根據推算直流電流算得的整流機組總效率更是在98%以上，有效地證明了該新型直流供電系統的高效性.

6結論

1）給出了大功率工業整流系統的拓撲結構、能效測試內容以及能效分析算法；

2）給出了一種基于閥側交流電流疊加反推直流電流的直流大電流間接反演與計算方法，并通過仿真驗證了此方法的正確性；

3）介紹了基于電能質量分析儀的傳統能效測試方法以及基于光纖以太網通信的能效測試新方法，并對2種能效測試方法進行了綜合比較；

4）結合工程實踐，對基于光纖以太網的大功率工業整流系統能效測試新方法的監測機理、整體設計方案以及具體施工方法進行了詳細的闡述.結果表明該能效測試新方法可以有效實現工業整流系統各供電裝備與系統的效率核算，實現整流變壓器及整流器的損耗與效率研究，從而為提高裝備效率及系統節能提供必要的依據.

參考文獻

[1]RODRIGUEZ J R， PONTT J， SILVA C， et al. Large current rectifiers： state of the art and future trends[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52（3）： 738-746.

[2]LUO L F，LI Y，NAKAMURA K，et al. Harmonic characteristics of new hvdc transmission system based on new converter transformer[C]//Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies， 2008： 1868 -1872.

[3]寧志毫，羅隆福，李勇，等.基于感應濾波的大功率整流系統及綜合節能設計[J].電工技術學報，2012，27（2）：223-228.

NING Zhihao， LUO Longfu， LI Yong，et al. Analysis and synthesis energy saving design of large power rectifier systerm based on inductive filtering technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society， 2012，27（2）：223-228.（In Chinese）

[4]寧志毫，羅隆福，李勇，等. 混合型多重化工業整流系統數學模型及動態控制模式研究[J]. 電網技術，2012，36（10）：222-228.

NING Zhihao，LUO Longfu，LI Yong，et al.Study on mathematical model and dynamic control method of hybrid multipulse industrial rectifier system[J]. Power System Technology，2012，36（10）：222-228. （In Chinese）

[5]寧志毫，羅隆福，李勇，等.大功率整流系統諧波功率特性及其對電能計量的影響和節能分析[J]. 電工技術學報，2012，27（11）：248-255.

NING Zhihao，LUO Longfu，LI Yong，et al.Analysis of energy saving and harmonic power characteristics and its effects on electric energy measurement in high power rectifier system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（11）：248-255.（In Chinese）

[6]寧志毫，羅隆福，許加柱，等.變壓器鐵心諧波磁通抑制技術及其在工業整流中的應用[J]. 湖南大學學報：自然科學版，2011，38（12）：34-39.

NING Zhihao，LUO Longfu，XU Jiazhu，et al. Harmonic magnetic flux suppression technology of transformer core and its application in the industrial rectifier system [J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2011， 38（12）：34-39. （In Chinese）

[7]SIEBERT A，TROEDSON A，EBNER S.AC to DC power conversion now and in the future[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（4）：934-940.

[8]趙清姣，張貴新，羅承沐，等.直流電子式電流互感器中的一種諧波測量新方法[J].高電壓技術，2009，35（7）：1776-1779.

ZHAO Qingjiao，ZHANG Guixin，LUO Chengmu，et al.New method for measuring harmonics of ECT for DC [J]. High Voltage Engineerin，2009，35（7）：1776-1779. （In Chinese）

[9]徐雁，朱凱，張艷，等. 直流光電電流互感器運行及分析[J].電力系統自動化，2008，32（13）：97-100.

XU Yan，ZHU Kai，ZHANG Yan， et al.Operation and analysis of direct current opticalelectronic current transformer[J].Automation of Electric Power Systems， 2008，32（13）：97-100. （In Chinese）

[10]張自馳，張國鋼，耿英三，等.磁傳感器陣列測量大電流實驗系統[J].電力系統自動化，2007，31（18）：77-81.

ZHANG Zichi，ZHANG Guogang，DI Yingsan，et al. A high current measurement experimental system using magnetic sensor arrays[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31（18）：77-81. （In Chinese）

篇4

關鍵詞：電能質量；檢測系統；實時監控

中圖分類號：R363.1+24文獻標識碼：A 文章編號：

0 引言

隨著我國智能電網建設逐步深入，電能質量問題越來越受關注，電能質量在線監控系統的應用也更加廣泛，電能質量在線監控系統的規模已經逐步從變電站級、縣/市/地區級的中小型系統，發展到省級、網級的廣域分布式大型、超大型系統。電能質量監控系統覆蓋區域越來越廣泛，監測對象越來越多，有必要對電能質量在線監測系統做更深的了解，已達到更好的實時監控效果。

1 產品特點

電能質量監測系統HDGC3580具有GPRS無線傳輸功能和以太網遠程傳輸功能，可隨時隨地得知各個監測點的實時數據，并能通過遠程控制技術，做到隨時對任意一個監測點進行修改設置和做特殊檢測。

可以在任何地方任何時間查看HDGC3580所記錄的數據,并在上位機上進行細致深入地分析。

如有異常電力事件發生,HDGC3580能夠以最快的速度進行報警提示，并且通過原始資料，可以在電腦上很快查處出現問題的設備號和設備所在地。

公司不斷優化監控終端的程序，客戶可通過遠程下載和安裝，輕松實現監控終端程序的更新。內置大容量Flash存儲盤，可保證記錄時間的長度和記錄數據的完整性。

2 產品功能

2.1 電能質量參數監測

可測量三相三線、三相四線的電壓、電流、頻率，并記錄其變化趨勢；

可測量三相四線電系統的三相有功功率、視在功率、無功功率、功率因數等，并記錄三相有功功率的變化趨勢。

可測量三相四線電系統的不平衡度，并記錄其變化趨勢。

可測量三相四線(三電壓、四電流)的1~25次諧波，及其總諧波失真。并記錄其中某一次諧波的變化趨勢。

可測量電壓波動與閃變。

2.2 系統管理：

數據管理

基本測量數據：查看在基本測量功能中保存的結果數據。

諧波數據：查看在諧波測量功能中保存的結果數據。

功率數據：查看在功率測量功能中保存的結果數據。

三相不平衡數據：查看在三相不平衡測量功能中保存的結果數據。

錄波事件記錄：查看在事件錄波功能中保存的結果數據。

2.3 計量校正

零點校正：校正各個通道的零點。

傳感器設置：置電流傳感器。使用儀表前應先將此處的傳感器類型設置成與實際使用的傳感器一致。

3 系統組成

3.1系統組成

電能質量在線監測系統主要有現場監測層，通訊傳輸層和數據管理層組成，組網方式有網線、光纖、無線三種模式。

3.1.1現場監測層

現場安裝各類電能及電能質量監測設備，要求具有通訊功能?？梢赃x擇安科瑞的ACR330ELH、ACR320ELH、ACR230ELH、ACR220ELH等電力儀表，主要功能： LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數、電話波形因子、電流K系數、電壓與電流不平衡度計算；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量；4DI+3DO，RS485通訊接口、Modbus協議。

3.1.2 通訊傳輸層

為了將監測層設備采集的數據傳送到服務器而負責數據通訊傳輸的設備，主要有通訊管理機、串口服務器、網絡交換機等。數據采集終端通過串口與監測層設備通訊，讀取其中數據，并進行初步分析、整理，將數據保存在本地SD卡中，之后將數據傳輸給無線通訊模塊。無線通訊模塊采用射頻技術，在現場組成無線局域網絡，將各點數據采集終端整理的數據收集并傳輸到后臺服務器，也可用網線或光纖的方式傳輸數據。

3.1.3 數據管理層

對采集數據進行存儲、解析及應用的過程，包括服務器架設、各種軟件的應用。

3.2 系統功能

3.2.1 標準的監測系統具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網絡的接線情況；龐大的系統具有多畫面切換及畫面導航的功能；分散的配電系統具有空間地理平面的系統主畫面。主畫面可直接顯示各回路的運行狀態，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機交互界面并實時刷新。

3.2.2 用戶管理

可對不同級別的用戶賦予不同權限，從而保證系統在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令，還需工程師級用戶輸入確認口令后方可完成操作。

3.2.3 數據采集處理

通過安科瑞Acrel-2000型電力監控系統可實時和定時采集現場設備的各電參量及開關量狀態（包括三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率、諧波、不平衡度、電流K系數、電話波形因子、電壓波峰系數、電能、溫度、開關位置、設備運行狀態等），將采集到的數據或直接顯示、或通過統計計算生成新的直觀的數據信息再顯示（總系統功率、負荷最大值、功率因數上下限等），并對重要信息量進行數據庫存儲。

3.2.4 趨勢曲線分析

系統提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調用相關回路實時曲線界面分析該回路當前的負荷運行狀況。如通過調用某配出回路的實時曲線可分析該回路的電氣設備所引起的信號波動情況。系統的歷史趨勢即系統對所有已存儲數據均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監測的配電網絡進行質量分析。

3.2.5 報表管理

系統具有標準的電能報表格式并可根據用戶需求設計符合其需要的報表格式，系統可自動設計?？勺詣由筛鞣N類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表，操作記錄報表等，可以查詢和打印系統記錄的所有數據值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據復費率的時段及費率的設定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數可自行設置；系統設計還可根據用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。

4 結束語

隨著社會經濟的發展及電力的廣泛應用，電能質量分析管理已成為電網用戶側配電系統建設的必然選擇，以上介紹的電力質量分析儀，可以實現對電能的在線監測，實現對采集數據的分析、處理，并生成各種電能及電能質量報表、分析曲線、圖形等，便于電能的分析、研究。

篇5

[關鍵詞] 虛擬儀器 軟測量 廣域應用性 電力工程測試

1 概述

虛擬儀器(Visual Instructions)技術是現代計算機系統和儀器系統技術相結合的產物，是當今計算機輔助測試(CAT)領域的一項重要技術。它推動著傳統儀器朝著智能化、模塊化、虛擬化、網絡化的方向發展

電子測試儀器發展至今，大體可分為四代：模擬儀器、數7化儀器、智能儀器和虛擬儀器。第一代是模擬儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表等。它們的基本結構是電磁機械式的，借助指針來顯示最終結果。第二代是數字化儀器，這類儀器目前相當普及，如數字電壓表、數字頻率計等。這類儀器將模擬信號的測量轉化為數字信號測量，并以數字方式輸出最終結果，適用于快速響應和較高準確度的測量。第三代是智能儀器，這類儀器內置微處理器，既能進行自動測試又具有一定的數據處理，可取代部分腦力勞動，習慣上稱為智能儀器。它的功能塊全部都是以硬件(或固化的軟件)的形式存在，無論是開發還是應用，都缺乏靈活性。第四代就是虛擬儀器，它是現代計算機技術、通信技術和測量技術相結合的產物，是傳統儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器產業發展一個重要方向。虛擬儀器的概念，是美同國家儀器公司(National Instruments Corp.簡稱NI)于1986年提出的。虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統。與傳統儀器一樣，虛擬儀器也由三大功能塊構成：信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出。

總之，工業標準計算機平臺(PC、Macintosh、Workstation等)與趨于模塊化的硬件結構及豐富的軟件相結合，正在迅速地改變著傳統儀器儀表和測試系統的概念，從而提出了虛擬儀器的新概念，出現了“軟件就是儀器”、“測試設備的未來屬于軟件”的新思想。近年來，虛擬儀器技術在電子測量領域、過程控制領域以及人們生活中的其它許多領域被推廣應用。

軟測量技術是依據工業生產過程中過程變量間的關聯，通過一些能夠檢測的過程變量和相應的數字模型，來計算、估計過程中難以用儀表檢測的另一些變量的技術。

隨著計算機技術的飛速發展，采用虛擬儀器技術和軟測量技術相結合的方法，在一個統一的硬件平臺上，根據所運行的應用軟件，將該硬件平臺虛擬成能滿足現場需要的不同測試分析儀器，從而柔性地構造出電力工業現場所需的各種特性測試分析儀器。

2 問題的提出

隨著計算機技術在發電機組的各種控制過程中的廣泛應用，對發電機組的各種電氣參數的測量提出了更高的要求，不僅要求測量信號全面、準確、可靠、實時，并且要求能實時記錄控制過程中各種參數的變化軌跡，以獲得最佳的控制參數。但是目前在電力系統的發電機組特性試驗、變壓器特性試驗、勵磁系統特性試驗、調速系統特性試驗、電力系統穩定器特性試驗、發電機轉子繞組匝間絕緣狀態檢測、電能質量分析等方面仍然主要采用傳統的由各類獨立儀器構造的測試分析系統。目前進行上述設備特性試驗的手段和技術方法有兩種：(1)采用多種類的獨立電磁式表計(如電壓表、電流表、功率表、無功表、頻率計等)進行測量，人工記錄測量數據，然后將記錄結果進行人工繪圖并整理報告或用計算機繪圖整理報告。(2)采用專用數字式智能測試儀器進行測量，自動記錄測量數據，自動進行繪圖和報告整理。

采用第一種技術方案進行上述設備特性試驗分析存在的主要問題如下：

(1)進行每項試驗時的測量表計種類很多、接線復雜、工作量大。

(2)由于是人工記錄各類表計的測量數據，所以需要多人同時工作，造成測量數據的一致性差，且人工讀數誤差很大，無法保證測量結果的精度要求。

(3)對測試記錄結果，無論是人工繪圖并整理報告還是將記錄數據輸入到計算機中進行繪圖及報告整理，都將使測試結果分析費時費力，工作效率低。

采用第二項技術方案進行上述設備特性試驗分析存在的主要問題則為：

(1)進行每項試驗時采用不同的專用數字測試分析儀器。每一種專用儀器只針對特定的試驗項目使用，造成用戶的儀器投資大，且儀器利用率不高。各專用儀器使用操作方法區別很大，造成使用操作復雜。

(2)由于普通數字測試分析儀器采用前置單片機先進行數據采集，試驗過程結束后，再將由前置單片機記錄下來的數據傳送到后臺計算機進行數據處理分析和錄波曲波再現的系統構成方案。所以這類數字測試分析儀器數據顯示和曲線還原無實時性，試驗人員要等到試驗結束后才能看到試驗的過程曲線。同時，由于受前置單片機的硬件限制，這類數字測試分析儀器的數據記錄容量都不可能很大。

(3)這類專用數字測試分析儀器的功能擴展不易，升級困難，無法很好地滿足現場使用中用戶提出的某些特殊要求。

本研究的目的是為從根本上解決上述問題，為廣大的電力系統用戶提供一種全開放、多功能、多用途的綜合電力虛擬測試分析儀器，改變目前在發電機組特性試驗、變壓器特性試驗、勵磁系統特性試驗、調速系統特性試驗、電力系統穩定器特性試驗、發電機轉子繞組匝間絕緣狀態檢測、電能質量分析、變送器校驗、同期裝置校驗等方面仍然采用一機一用的技術現狀，通過一機多用的技術方法，減低用戶在測試分析儀器方面的投資成本，提高用戶測試分析儀器的利用率，提高電力系統發供電設備的故障檢測及實時電量測控領域的技術水平。

3　基本設計原理

在電力系統的生產過程中，需要對大量不同的電力生產設備和生產過程進行各種測試分析工作。這些測試分析工作大致可分為四類，第一類是對多路試驗信號進行測量和數據分析，以及圖形顯示和報告處理等。第二類是產生并輸出試驗過程所需求的電氣信號，為試驗設備提供一個穩定可靠的信號源。第三類是產生并輸出一種電氣信號作用于被測設備，在被測設備上測量另一些相關變量的信號，對輸出信號和測量信號進行數據計算和分析、圖形顯示、報告處理等。第四類是將計算機與外部被測設備共同構成一個實時模擬數字混合仿真系統，由計算機對被測設備的控制對象進行數字仿真，并對被測設備進行特性指標分析等。

構造具有廣域適應性的新型電力工程測試分析儀器，其基本的設計原理是，在理論上應用軟測量技術和虛擬儀器技術方法，在計算機硬件和軟件技術上采用 標準通用模件和圖形化軟件編程平臺以及面向測量對象的軟件體系結構。其特征是將公知的計算機硬件資源與設置的輸入接口、輸出接口、信號轉換、通訊接口、打印接口和人機接口模塊以及根據若干被測對象電量工作機理編制的應用軟件包共同構成一個由計算機操縱的模塊化儀器虛擬測試系統，通過運行不同的應用軟件包，在同一硬件支持下，完成不同被測電量的測試分析。

首先，按照有關的電力試驗規范，根據被測對象其內部各變量之間的相互關聯性，通過相應的數學模型，對不易于用常規儀表或方法進行測量的變量進行估算，并且其估計值應具有實際過程所允許的精度，設計能滿足不同的電力設備試驗及測試要求的多個測試分析軟件組件。其次，采用基于PC機的直接由專用插入式數據采集(DAQ)和數據輸出板卡建立統一的硬件支持平臺的系統構成方案，并深入到WIN－DOWS的內核中編寫一系列的屬于系統級的虛擬設備驅動程序(VXD)，可完成對操作系統的各項底層操作，以滿足本測試分析系統的各項測試分析功能軟件對數據采集、仿真計算、信號輸出的快速性和實時性的要求。最后，對每一項測試分析儀器功能均采用面向對象的編程技術(OOP)，使本測試分析系統具有各種符合實際操作習慣的3D圖形仿真儀器界面，并將這些組件在一個能提供多種支持和服務的測試分析系統管理軟件中集成為一個完整有機的軟件包，使其具有能根據不同用戶實際使用要求進行多種操作設定的靈活性和柔軟性。

整套系統在一個統一的硬件支持平臺上運行，將多項電力系統設備的測試分析儀器通過測試功能軟件進行虛擬化，使該系統能最大限度地滿足現場用戶的實際需要，并且具有更高的性能價格比，進而構造出具有廣域適應性的新型電力工程測試分析儀器。

4 研究現狀

根據前述構造具有廣域適應性的新型電力工程測試分析儀器的基本設計原理，我們開發設計了PVI多功能綜合電力虛擬測試分析儀。該測試分析儀經過江蘇省計量測試技術研究所測試，表明各測量通道精度優于±0.2％，達到了0.2級表計精度，并取得了國家版權局頒發的計算機軟件著作權證書和江蘇省信息產業廳頒發的計算機軟件產品登記證書。該測試分析儀與傳統的智能型測試儀器相比，具有功能完善、應用面廣、性能穩定、實時性強、延擴性好、操作簡便、成本低廉等特點，能完成如發電機特性試驗、勵磁系統特性試驗、調速器特性試驗、變壓器特性試驗等十多種試驗的測試分析任務，可廣泛應用在電力工業現場，以及其他需要進行高低壓電氣測試的場合。

PVI多功能綜合電力虛擬測試分析儀，已開始在電力工業現場投入使用。實際使用結果表明，該分析儀各項技術性能指標已滿足設計要求和現場實際使用的需要，其主要功能及技術特點有：

(1)基于同一計算機硬件平臺的十大軟件功能模塊，用戶運行不同的軟件模塊，可完成不同的電量測試與分析任務(發電機特性測試分析儀、變壓器特性測試分析儀、勵磁系統特性測試分析儀、低頻記憶示波器、信號校驗儀、低頻邏輯分析儀)；

(2)基于Windows 9x/NT/2000操作平臺的全中文仿真儀表3D圖形界面，人機交互接口友好，直觀清晰操作簡易，無需培訓即可上崗操作；

(3)軟件功能完備，具有實時采集、動態顯示、記錄保存、追憶回放、邏輯分析、多種優化算法、報告整理、輸出打印、網絡傳輸等功能；

(4)連續實時存儲信息量大，每次試驗最多16通道可連續記錄5min：

(5)可提供簡捷的軟件操作向導Wizard；

(6)各通道具有動態標度變換與非線性補償功能；

(7)模擬量信號和數字量信號輸入／輸出通道均具有完善的隔離與保護措施：

(8)具有高精度、高可靠性，抗電磁干擾能力強。

PVI虛擬測試分析系統硬件結構和軟件系統示意如圖1、2)所示。

5 應用前景

篇6

【關鍵詞】光伏電站；數據采集系統；集成檢測系統

隨著對于新能源的開發和利用，并在國家相關政策的支持下我國的光伏電站行業的到了迅速的發展。至2013年我國光伏電站已達到了1716萬-千瓦的裝機總量。因為光伏電站的裝設適用與任何能夠取得光能的地方決定了光伏發電的隨機性和波動性等特征?，F在光伏電站實行并網運行，這就給電網的安全運行產生了一定的影響，為保證電網的安全運行必須對光伏電站進行檢測評估。經過相關研究一些檢測系統被研發，本文將針對光伏電站特有的環境因素采用光伏電站集成檢測系統設計進行闡述。

一、集成檢測系統的特點和功能

（一）集成檢測系統的特點。集成檢測系統是以計算機為基礎，對現場的運行設備進行監視和控制，通過集成檢測系統的檢查實現對光伏電站系統的控制和數據的采集。根據國家電網相關規定對光伏電站發電的電能質量、發電功率、低壓穿越、防孤島以及并網后頻率的擾動等進行檢測。其結構圖如下：

圖1 光伏電站現場檢測系統結構圖

此系統主要體現如下特點：1、集成系統對檢測過程中檢測設備的控制，收集檢測到的數據進行存儲和分析。2、光伏發電信息實時性較強。因為光伏發電受到自然環境因素的影響較大，且電力系統運行時的參數變化迅速且頻繁，所以對于光伏發電實施信息的檢查至關重要。3、集成檢測系統檢測信息的可靠性。檢測過程中的信息采集和數據分析以及相應的控制命令的準確可靠直接影響著系統的正常運作。3、整體化設計，此系統在檢測的過程中檢測和數據分析同時進行，還能夠自動生成分析報告。4、整體中又分由選擇性的模塊化設計，提高整個檢測系統的兼容性。

（二）光伏電站集成檢測系統的功能。集成檢測系統能夠對現場設備和環境進行監控，之后把采集的數據分析傳輸至總網的功能。此外，由于此系統具有模塊化設計的特點還能夠進行選擇性項目測試，例如對于電能質量，功率特性，低電壓穿越和孤島測試正色幾個項目根據實際情況由選擇的進行測控。同時還具備對檢測裝置進行調節控制的功能。其系統功能圖如下：

圖2 集成檢測系統功能結構圖

二、集成檢測系統的設計

系統的整體化結構便于統一管理，節約資源，提升系統的整體性能，下圖為基礎檢測系統設計的整體結構圖：

圖3 檢測系統整體結構圖

主工作臺主要是接收各個裝置檢測的數據，再根據這些儀器檢測到的的數據進行調整控制并發送控制指令。

（一）主工作臺的統一管理。把集成檢測系統的整個檢測過程中的各個監控裝置的融匯到一個統一直觀的主界面，建立包含有各項檢測數據的各項檢測數據的統一平臺。其中數據采集系統對整個系統的數據進行統一采集，避免多出數據采集造成資源浪費。項目測試系統的模塊化，可根據不同測試項目的要求進行選擇性測試。

（二）集成檢測系統的數據平臺。數據平臺的設計要具有對各測試裝置的數據的采集，同時還要對收集的數據進行分析和處理。數據平臺中的數據庫為集成檢測系統中的監控功能提供數據，它對各檢測裝置的數據和參數進行管理和控制，實現各個系統之間數據的傳遞、交換和整體的數據共享。

（三）系統設計中的增設功能。1、在集成檢測系統中加入模擬調度系統，此系統是為了模擬調度中心對電站的輸出功率要求，利用此系統能夠做到和調度系統同樣發送指令的功能。2、孤島測試自動調節功能。改變之前的手動調節負載的方式，在此系統中事先輸入指令，根據指令要其自行完成負載和輸送功率的匹配。

（四）對各項目的測試設計。項目測試采用模塊化，具有選擇性的結構，其內容包含了光伏發電的質量，低電壓穿越，傳輸功率的特性，防孤島檢測功能，頻率的波動等。1、檢測電能的質量時通過質量分析儀采集電站的電能信息，并通過無線傳輸把采集到的數據信息傳送至集成檢測系統，在集成檢測系統中進行數據處理。2、對于低壓穿越裝置的檢測，由集成檢測系統指令，模擬電網跌落的過程，在此過程中要及時采集相關的信息，通過整理分析之后評估光伏電站的低壓穿越能力。3、對電站功率特性的檢測，是利用模擬調度功能調節光伏電站的功率，氣象裝置利用無線電傳輸把相關數據傳送到集成檢測系統，之后電站并網的功率信息通過功率分析儀把并網點功率信息傳至集成檢測系統，經過GPS對時達到數據的同步共享。4、對于防孤島裝置的測試主要檢測電站防孤島的保護能力，是利用自動加載負載功能對模擬RLC負載做出自動調整，同時檢測出此過程的參數，來計算防孤島的保護時間的方式。5、頻率波動。通過測控系統下達指令來控制頻率擾動裝置，在模擬電網頻率保護的過程中進行數據采集，整理和分析，對光伏電站頻率波動的情況進行評估。

（五）測試結果的處理設計。在測試完成后要進行整理總結做出相關的測試報告，在設計系統自動生成報告程序。按照測試報告內容的相關要求，仍采用模塊化設計，利用系統數據庫的數據，自動加載相應的檢測數據，形成較為完整的數據測試報告，之后打印備用。

（六）對集成檢測系統的功能進行驗證。對系統功能的驗證，系統可根據要求對各檢測裝置下達指令，同時采集檢測過程中的相關數據，并作出整理分析最后出具相應的報告。之后拿實際數據、集成系統檢測的數據和在舊方式下測得的數據進行核對。現以低電壓穿越的數據值為例驗證得出集成檢測系統各項設置運行完好，數據準確可靠。

三、結束語

對于光伏電站現場設備和環境的檢測是保障電網安全運行的有效措施，本文中的集成檢測系統通過各項設置的模塊化檢測和相關數據的采集以及其中一些設置的自動調節到最后系統數據統一化的管理，通過一體化的平臺對光伏電站的各項性能進行監控和調節。這樣集成檢測系統的運用，提高了對光伏電站的檢測效率，節約一定的資源，更是促進光伏電站的快速發展。

參考文獻：

[1] 李丹萍，葛強，談磊.基于DSP光伏發電系統的最大功率跟蹤試驗[J].揚州大學學報（自然科學版）. 2010（03）.

篇7

【關鍵詞】電梯；能耗；測量；模型

最新的研究資料顯示，建筑能耗約占全球總能耗的40%，而電梯的能耗占建筑總能耗的約3%至8%，可以說占據了為數不小的比例。且隨著建筑總量的持續增長，有急劇上揚的趨勢。隨著電梯行業技術的不斷發展和我國節能減排政策的不斷落實，我國節能電梯產量占電梯總產量的比例不斷增大。為配合國家有關建筑物節能政策的實施，各地方政府紛紛出臺了相應的政策，對老舊且能耗高的電梯進行大修或改造計劃。需更換的電梯，通過更換或技術改造替換成節能電梯。由此可見，國家對電梯的節能非常的重視，不斷的降低電梯的能耗使用率，預計未來時間里電梯能效檢測的需求也將迅速增長。

1、電梯能耗分析

構成電梯的能耗部分有：驅動主機的能耗、曳引系統的能耗、門機系統的能耗、控制和顯示系統的能耗、電梯轎廂內照明和通風系統的能耗以及電梯內其它電氣設備的能耗。電梯的能耗主要集中在曳引驅動裝置上，占總能耗的70%以上，但是電梯的能耗與普通電動機的能耗存在很大區別。電梯通常配有對重裝置，當電梯上行的時候，電梯的能耗隨著載荷的增加而增加：當電梯下行的時候，電梯的能耗隨著載荷的增加反而減小。電梯的能耗隨著行程的增加而變大。

對于具有能量回饋功能的電梯，在電梯輕載上行和重載下行的過程中，可以有效地將電容中儲存的直流電能輕易地轉換成交流電能并且及時輸送電網。可以節省15%～45%的耗電量，且速度越高、載重越大，省電的效果越好。對于特定電梯，具體工況下的能耗主要是由載荷、速度、行程和運行次數等決定。如果隔層服務方式的電梯的可服務摟層的數量為n.那么行程種類的數量可以達到n（n-1）。同時，電梯的載荷也隨著乘客的數量而變化，乘客的數量也不確定。電梯能耗測量的難點在于電梯運行過程的多樣性和載荷的隨機性

2、測量法

根據電梯在具體工況下的運行特點將能耗分為啟動能耗、勻速運行能耗、制動能耗，開關門能耗、待機能耗（不包括轎廂內的能耗）和轎廂內的能耗（照明、風扇或空調、顯示裝置等）。對上述各部分能耗的測量的相加即為電梯的總能耗。

電梯啟動能耗、勻速運行能耗和制動能耗主要與載菏、運行方向、開始樓層和目標樓層有關，是動態的一個過程，是電梯能耗測量的難點。為了全面反映電梯的能耗情況，首先建立啟動能耗、勻速運行能耗、制動能耗與載荷之間的相關聯系，簡化載荷的測量的次數。采用均分的原則，將測量的載荷選擇為：額定載荷的0%、25%、50%、75%和100%。之后建立啟動能耗與開始樓層以及制動能耗與目標樓層的相關聯系、開始樓層和目標樓層位置不同和載荷變化量的相關聯系.從而簡化測量行程的數量。

電梯開關門的能耗主要與開關門的時間長短和次數有關。電梯?？吭谀骋淮_定層站，手動操作使電梯門機系完成至少5次開關門動作，并記錄動作的時間。為了清晰分辨開關門的動作，相鄰2次開關門之間至少間隔8s。

對于某一測量電梯，其休眠狀態、待機功率和轎廂內照明裝置和通風系統的功率比較穩定。使電梯?？吭谀硨诱?，記錄10Min左右的能耗數據，即電梯待機和體眠的能耗數據。由于電梯轎廂內照明裝置和通風系統是通過單獨的電路連接單相交流電源，所以這部分能耗可以進行單獨數據測量。

此外，特定測量的電梯的電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率主要與曳引裝置的負載大小有關，即與電梯的載荷情況有關。需要分別測量電梯在額定載荷的。0%、25%、50%、75%和100%下，全程上行、全程下行的電流和電壓的畸變情況。

現在也可利用新的電能質量分析儀來進行采集測量數據，方便實用，其儀器主要由現場測試儀器和數據處理軟件兩部分組成，測試儀主要有諧波、波形、功率和電能、告警、截屏、波形捕捉等工作模式，含有 4個電流、5個電壓接口，故可測量單相、兩相、三相三線、三相四線、三相五線的各相電流電壓、啟動電流、功率、累計功能、諧波影響等，還可以測量回饋電能的電能質量，如電 壓波動、閃變、不平衡度、高達50次諧波等，模式形式的多樣性，有利于電梯能量回饋質量與數量的測量。

3、模型法

當測量具體一臺電梯設備的能耗時，轎廂按空載、輕載、半載、重載、滿載等工況運行，分別測試轎廂運送載荷重量、移動的垂直距離、耗電量。測試所需要的時間比較長，測試的工作情況復雜。比如，對一臺 8層的垂直客梯，轎廂分別放0%、25%、50%、75%、100%的額定載荷，測量工況竟多達幾百種。所以，從中擇優選取幾個簡單具有代表性的工況，測量其電梯能耗，可簡化測試程序。

基于動態測量的電梯能耗模型的原理分析情況如下：

1）曳引和驅動系統的能耗模型，可以從簡化測量的電梯動態能耗數據中分析求取，簡化了電梯能耗測量的過程和時間。在進行能耗仿真模擬時，根據曳引系統的各個輸出參數，確定驅動系統的能耗大小。

2）單次開關門能耗、待機能耗、空調照明通風等能耗特性，根據電梯電路線路連接和工作狀況，從動態能耗數據中分離，也可單獨測量。能耗仿真時，根據電梯所處任一狀態，可確定該部分能耗。這部分能耗和曳引驅動系統的能耗一起構成了電梯系統的總能耗。

3）電梯的運行速度參數可以手動設置，也可以采用理想電梯速度曲線。對實際測量的電梯，可以測量電梯某個行程的速度曲線。該曲線能大致反映出這臺電梯的速度控制情況。因而，采用該速度曲線進行能耗仿真測試，其仿真結果可以與實際測量的結果進行比較，驗證電梯能耗模型的準確性，進而也可進一步修正曲線和模型。

4）在模型啟動運行前，先進行電梯的初始狀態的設置，如提升高度，所停樓層、初始載荷等。然后，根據電梯速度曲線參數、樓層參數、客流分布及調度信息，計算電梯某一段時間內的速度、加速度、所在高度等信息。這些數據用來判斷電梯的狀態，同時將它們參數調入曳引驅動系統的模型中，從而計算測量出曳引機所處的狀態。

4、結束語

篇8

緒論

在配電系統中低壓設備眾多并且在設備運行中常出現電壓質量不合格、功率因數低、三相不平衡等情況。為了提高配電系統的安全性、經濟性和供電質量，對中低壓配電線路進行檢測十分必要。查詢國內外文獻，目前電力檢測儀器較多，譬如電能質量分析儀等，但一般僅能測量單路，同時造價較高，附加功能也較多，但針對巡檢使用的專用便攜低壓出線電纜檢測及三相負荷記錄裝置則沒有。采用專門針對低壓負荷的檢測裝置，將大大減少巡視人員工作量，提高巡視技術效果，同時能為小區箱變及低壓分電箱開放負荷提供精確地數據支撐，并可作為小區增容、改造的依據，針對性進行調整負荷分配，將改變目前僅能通過用戶反映進行檢查及調整的落后技術手段，對規范管理由于三相不平衡引起的低電壓問題具有重要實用意義。

1、低壓負荷的特點及負荷不平衡的影響

1.1、低壓負荷的特點

近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，低壓負荷容量快速增長，但由于以往低壓負荷分配規劃主要依據運行人員經驗而缺乏科學依據，導致低壓負荷缺乏監管，且以往的管理模式不能真正的考核低壓負荷的真實情況，從而使現有的小區箱變低壓出線存在很多問題。低壓負荷的主要特點如下：

1）低壓負荷容量增長速度快且分布無規律；

2）低壓負荷監管難度加大且監管措施落后；

3）小區低壓出線三相不平衡超標且無規律。

2、負荷不平衡的影響

三相負荷不平衡會對電網造成多方面的影響，如下所示：

1）對配電變壓器的影響

三相負荷不平衡將會增加配變變壓器的損耗：變壓器的損耗包括負荷損耗和空載損耗。

2）對高壓線路的影響

負荷不平衡會引起高壓線路開關頻繁跳閘，降低其使用壽命：由于電流過大造成的高壓線路過流故障占有非常大的比例。負荷不平衡會增加高壓線路的損耗。

2）對低壓線路和配電屏的影響

三相負荷不平衡會引起線路損耗的增加；三相負荷不平衡嚴重時會造成燒毀開關設備、燒斷線路的嚴重后果。

3）對供電企業的影響

4）如果發生線路被燒毀、開關設備被燒壞、甚至變壓器也被毀壞，而這些設備的修復都需要一定時間，這必將增加停電時間，影響用戶的用電需求，給供電企業帶來嚴重影響，無法保證供電可靠性。另外，不平衡帶來的損耗也會使供電企業的效益下降。

3、負荷檢測終端的硬件設計

3.1、硬件總體結構

該終端采用模塊化的設計思想，模塊各自獨立。由于模塊化的設計不僅增強了各個部分的可重用性，也給后期的調試與更換工作帶來了很多方便。本終端由8路采集信號板，1個主控板，1個電源板和一個底層連接板構成。信號版主要負責對單路信號的采集整理和傳輸。主控板主要負責收集8路信號板數據，并將數據保存。底層連接板負責主控板和信號采集板的連接。電源板負責對各個板上芯片及接口電路提供供電電源。系統結構圖如 圖1 系統總體結構圖所示：

3.2信號采集板設計

3.3、主控CPU板設計

4.2、ADE7758程序設計

5、結論

本文成功設計開發出了一種先進的低壓負荷檢測終端，并通過實際掛網運行，性能可靠、穩定，可以有效地滿足電力行業對低壓負荷的統計與管理，為實現小區有序用電和電力需求側管理的目標提供數據支持，有較高的實用性和推廣價值。

總結本文的主要工作為以下幾點：

1、通過分析低壓負荷的特點，確定硬件采用的開發平臺和軟件開發環境，采用合理的PCB布局和簡潔、快速的軟件算法實現對負荷的智能數據采集終端。

2、完成了對負荷檢測終端的整體硬件電路圖的設計。包括主控電量采集模塊、數據整體模塊、電源模塊、通信模塊、復位與系統時鐘模塊、JATG接口及外部存儲擴展等方面的設計，并研制成功原理樣機，測試結果表明達到的設計要求。

3、完成了對小區多路出線負荷檢測的同時測量。本裝置可同時測量8路出線，并由于采用模塊化設計，具有優良的可擴展性，理論上可以進行256路出線的同時測量。

4、由于測量裝置要放置于電磁干擾環境惡劣的小區變電所變壓器旁，且裝置要同時測量多路出線，致使測量通道的傳輸線路較長等因素的影響，使得檢測裝置要具有非?？煽康目垢蓴_性，設計采用多重抗干擾措施，并通過EMC試驗進行驗證，確保測量數據的準確性。

參考文獻

[1] 崔北京.基于Modbus協議的配變負荷檢測儀的設計[D].合肥：合肥工業大學，2009

[2] 姚鋼.基于GSM的SMS短消息方式通信模塊在電力負荷控制系統中的應用[D].上海大學，2006

[3] 張翼翔等.三相負荷的平衡與損耗[J].《長治學院學報》，2008

[4] 梁峻銘等.對三相負荷不平衡問題的分析[J].《中國科技博覽》，2010 [5] 劉潤.基于單片機和串口的SD卡讀取平臺的設計[J].《現代電子技術》，2010

篇9

【關鍵詞】諧波消除；電能優化；有源濾波；無源濾波

1 概述

隨著電力電子技術的快速發展，使用大功率半導體開關元件以及各類開關電源產品向電網中注入了大量的諧波電流，使供配電網絡的電能質量普遍下降。目前，電能質量優化技術正在得到企業的認可，電能質量優化也意味著節能，電能質量優化對企業與用戶來說最直接的收益就是節約電費，提高經濟效益，增加市場競爭力。

2諧波的定義

供電系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數。

3諧波產生的原因

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致，當電流流經非線性負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。

我公司最典型的諧波源負載就是變頻器，在氨基酸生產部31和32分廠的動力設備中含有大量大功率變頻器（31分廠有250KW變頻器2臺、160KW變頻器4臺、90KW變頻器1臺；32分廠有160KW變頻器5臺、132KW變頻器3臺、90KW變頻器2臺），變頻器工作過程中會產生大量5次、7次、11次等高次數諧波電流。這些高頻諧波電流同時又作為次級電流源被重新注入到電網。下圖是對公司氨基酸生產部32分廠實測的變頻器的波形，從中能夠看出正弦波電流波形畸變的程度：

諧波使電網中的電氣設備產生額外的損耗，即諧波功率。不僅降低了設備的效率，同時也影響設備的正常工作。隨著電力電子設備使用的不斷增加，同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系統中的主要諧波源。

4諧波的危害

供電系統的諧波危害主要表現在以下幾個方面：

4.1 對輸電線路的危害

諧波電流使輸電線路的附加損耗增加，在電網的損耗中，變壓器和輸電線路的損害占大部分，所以諧波能夠使電網的網損增大。

4.2對電力電容器的危害

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網中造成電力諧波諧振，使故障加劇。 下圖為實測32分廠電容器諧波含量：

4.3 對電力變壓器的危害

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。同時由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量。

4.4 對電動機的危害

諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。

4.5對弱電系統設備的干擾

對于計算機網絡、自動化等弱電設備，電力系統中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中，產生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統。

4.6影響電力測量的準確性

由于電力計量裝置都是按50HZ的標準正弦波設計的，當供電電壓或負荷中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。5諧波治理國家標準GB/T 14549―93 《電能質量 公用電網諧波》，該標準規定公用電網諧波電壓（相電壓）限值：

6現場諧波測量數據及計算方法

6.1 諧波測量數據

采用FLUKE電能質量分析儀對公司氨基酸生產部31分廠和32分廠的諧波量進行了測量，測量結果如下：

31分廠：總電流1471A，總諧波電流畸變率21.8%，總諧波電流313A。五次諧波電流為249A；七次諧波電流為158A。

32分廠：總電流1216A，總諧波電流畸變率26.6%，總諧波電流310A。五次諧波電流為256A；七次諧波電流為165A；11次諧波電流為80A。

6.2 計算方法

根據國家標準GB/T 14549―93 《電能質量 公用電網諧波》，0.38KV系統電壓總諧波畸變率不能大于5%。按照0.38KV系統，其基準短路容量為10MVA，5次諧波允許注入諧波電流為62A，7次諧波允許注入諧波電流為44A，11次諧波允許注入諧波電流為28A。31、32分廠實測數據按照國家標準折算后應為：

6.2.131分廠為2000KVA變壓器，按電網短路容量為500MVA計算，其變壓器低壓側出口短路電流為47KA，短路容量S==1.732*0.4*47=32MVA

則5次諧波允許注入電流Ih=32/10*62=198A；

7次諧波允許注入電流Ih=32/10*44=140A。

6.2.232分廠為2500KVA變壓器，按電網短路容量為500MVA計算，其變壓器低壓側出口短路電流為59KA，短路容量S==1.732*0.4*47=40MVA

則5次諧波允許注入電流Ih=40/10*62=248A；

7次諧波允許注入電流Ih=40/10*44=176A；

11次諧波允許注入電流Ih=40/10*28=112A。

經過實測和以上分析計算，得出的結論如下：

1）31分廠和32分廠電壓諧波總畸變率在國家標準范圍之內。

2）31分廠5次諧波電流已經高出國家標準249A-198A=51A,七次諧波電流高出國家標準158A-140A=18A。

3）32分廠5次諧波電流高出國家標準256A-248A=8A,七次諧波電流低于國家標準176A-165A=11A，十一次諧波電流低于國家標準 112A-80A=32A。

7諧波治理及解決方案

目前治理諧波方案有兩種：

7.1 采用有源濾波器方式

有源濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。

7.1.1有源濾波的基本工作原理：根據外部互感器實時采集電流信號，通過內部檢測電路分離出其中的諧波部分，通過IGBT逆變出與系統中的諧波大小相等相位相反的補償電流，實現濾除諧波的功能，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態補償無功功率。下圖為有源濾波器工作原理圖和主電路圖：

7.1.2 有源濾波器的特性

7.1.2.1優異的動態性能，相應時間小于1ms；

7.1.2.2三相補償諧波電流，諧波次數可以高達50次；

7.1.2.3低的功率損耗(小于設備額定功率的3%)

7.1.2.4可選擇消除諧波模式或既消除諧波又進行無功功率補償模式。

7.2采用無源濾波的方式

無源濾波主要由濾波電容器和電抗器組合成LC濾波裝置，主要包括調諧濾波器、高通濾波器等。

7.2.1無源濾波的原理

如圖5所示，使用電抗器與電容器串聯，組成一個LC串聯諧振電路，把該電路并聯在電網中，即構成一個最基本的無源濾波回路。

f――電流頻率（Hz）

L――電抗器的電感量（H）

C――電容器的電容量（F）

當2πfL = 1/（2πfC）時，回路的阻抗最小，即串聯諧振。

此時，f = 1/（2π√LC ）（1-2）

f稱為諧振頻率，調整L、C的參數，使f等于要濾除的諧波的頻率，就可以使該次諧波電流大部分流過濾波回路，而不會影響電網中的其它設備。

7.2.2無功補償裝置

利用濾波電抗器（L）和濾波電容器（C）和濾波電阻器（R）組成調諧支路，給特征諧波形成公用電網之外的低阻抗通路，使流入公用電網的諧波滿足相應要求。

根據31分廠和32分廠的諧波測量和計算的資料，針對每個分廠的諧波進行治理，在31分廠需要配置五次、七次諧波無源濾波器和高通濾波器或一臺300A有源濾波器，32分廠需要配置五次、七次、十一次諧波無源濾波器和高通濾波器或一臺300A有源濾波器。具體配置方案采用總補償的方式，在配電變壓器低壓側配置無源濾波裝置。

8結束語

諧波治理是綜合治理過程，是改善供電品質的重要手段。GB/T 14549-1993《電能質量―公用電網諧波》對電網各級電壓諧波水平進行了量化限制，對用戶注入公用電網的諧波電流也進行了相應的規定，在主網、城網中，諧波治理有明確的規定和要求，而目前許多企業發展迅速，有關諧波的治理并未引起足夠的重視，認識還有待提高。因此，在對諧波準確測量的基礎上，提出適合的治理方案。這樣不僅能夠改善整個網絡的電力品質，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產品質量，降低電磁污染環境，減少能耗，提高電能利用率。

[參考文獻]

[1] 曲濤,任元.GB/T14549-1993.電能質量―公用電網諧波[S].北京:中國標準出版社,1994年2月.

[2] 王兆安,楊君等.諧波抑制和無功功率補償[M]. 北京：機械工業出版社，1998年9月.

[3] 宋文南,劉寶仁.電力系統諧波分析[M] .北京：水利電力出版社，1995年3月.

篇10

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51077044）；湖南省自然科學基金重點資助項目（12JJ2034）

作者簡介：張志文（1963-），男，湖南長沙人，湖南大學教授，博士生導師

通訊聯系人，Email：

摘要：針對目前電氣化鐵道AT或直供系統中普遍存在的負序、諧波和功率因數低等電能質量問題，提出了一種基于YN_接線平衡變壓器的電氣化鐵道電能質量綜合治理系統.該系統充分挖掘了YN_型牽引變壓器二次側可帶三相系統的潛能，在無需降壓變壓器的情況下，實現了三相全橋型有源功率調節系統和主牽引變壓器的融合.給出了該系統的構成方式，分析了該系統補償負序、諧波和無功的基本原理，提出了電流檢測和控制方法.根據實際變電站參數和實測牽引負荷數據建立了該系統的仿真模型.仿真結果表明所提系統具有良好的負序、諧波和無功補償性能.

關鍵詞：負序；諧波；平衡變壓器；電氣化鐵道；電能質量治理

中圖分類號：TM401 文獻標識碼：A

A Comprehensive Improvement System for Electric Railway

Power Quality Based on YN_ Balance Transformer

ZHANG Zhiwen，CHEN Mingfei， XU Jiazhu，HU Sijia，LI Zhiyu，YANG Dan

（College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082，China）

Abstract：A novel power quality conditioning system based on the YN_ balance transformer to improve the power quality， such as negative sequence， harmonic and lower power factor in electric railways with AT or direct power supply， was proposed. The system fully uses the potential of the traction transformer secondary side with threephase system， and it integrates the threephase fullbridge active power regulation system with the main transformer omitting stepdown transformer. The composition method of the system， the principle of the compensation of the negative sequence and harmonic and reactive power were described. The current detection and control methods were also proposed. According to the actual parameter and measured data in a substation， a system simulation model was built. The results indicate that the proposed system has excellent performance in the compensation of the negative sequence， harmonic and reactive power.

Key words：negative sequence； harmonic； balance transformer； electric railway； power quality improvement

鐵路運輸是國民經濟的大動脈，其快速發展將給經濟的增長帶來強勁動力和可靠保障.隨著電氣化鐵道的建設朝著重載貨運和高速客運方向發展，牽引機車的功率不斷增大，列車追蹤間隔進一步減小，電氣化鐵道所引起的電能質量問題發生了一些變化.對于韶山型機車和動車組混跑的線路，其負序、諧波和功率因數低仍然是比較嚴重的問題，而對于高鐵專線，其主要問題是負序問題.這些問題給牽引供電系統的進一步發展帶來挑戰，引起了國內外學者的廣泛關注[1-3].

考慮到成本因素，牽引變電所高壓側三相進線采用相序輪換技術是抑制負序最傳統的方法[4].但牽引網一旦建成相序無法再變更，缺乏靈活性是其主要缺點.另一種方法是采用平衡變壓器.平衡變壓器是一種在電氣化鐵道牽引供電系統中廣泛使用的特種變壓器，它主要將三相制公共電力系統轉變成兩相制牽引供電系統，能完全消除一次側的零序電流，并具有一定的負序抑制能力，但該能力受到牽引負荷波動影響較大，負荷越不平衡其抑制負序的能力越差，故難以完全消除負序對電力系統的影響.對于諧波和無功，則采用LC無源濾波器，兼做無功補償.

針對上述無源治理方法的缺點，多種有源治理方法彌補了無源治理方法的不足.在眾多有源治理方法中，鐵路功率調節器（railway power conditioner，RPC）[5-7]無疑是其中最成功的.它通過對兩相基波有功負荷進行重新分配，并獨立補償各相的諧波和無功，能成功實現牽引變電站的負序、諧波和無功的綜合治理，并被部分牽引變電所采用、投入運行[8-9].但該系統由于采用了背靠背單相全橋型逆變器拓撲結構，其逆變器最高輸出電壓等于其直流側電壓，且共需8組功率器件，其直流電壓利用率有進一步提高的空間，功率器件的數目也可進一步減少.另一些背靠背結構的有源和無源混合型鐵路功率調節系統[10]也存在類似的問題.鑒于此，2004年，Sun等[11]提出了有源電能質量補償器（active power quality compensator，APQC）系統，該系統成功將三相全橋型有源系統應用在電氣化鐵道的電能質量綜合治理中，減少了功率器件的使用，同時也提高了直流電壓的利用率，但是該系統需要一臺結構復雜的SCOTT變壓器將主變和有源系統進行匹配，這將大大增加系統的投資成本，同時也降低了整個系統的可靠性.

為彌補上述各系統存在的不足，本文提出了一種基于YN_接線平衡變壓器[12]的電氣化鐵道負序和諧波綜合治理系統. 該系統充分利用了YN_平衡變壓器三相變三相的潛能.由于從YN_二次側a，c，b三抽頭引出的電力系統三相對稱，故整個系統中三相全橋型有源系統可直接與主變進行連接.與APQC相比，整個有源部分的電壓等級可以調節.由于省掉了降壓耦合變壓器，其投資將有較大降低，可靠性也將得到提高.此外，由于YN_二次側兩相系統完全獨立，適用于電氣化鐵道的AT或直接供電方式.且兩相可以做不等容設計，對于兩相負載容量長期不同的牽引供電所來說，可以大大降低牽引變電站的運營成本.

1系統構成方式

基于YN_接線平衡變壓器的電氣化鐵道負序和諧波綜合治理系統如圖1所示.該系統由一臺YN_平衡變壓器和三相全橋有源功率調節系統組成，其中變壓器可作為牽引變電站的主牽引變壓器，既可以聯接鐵道的兩相負載，也可以用于牽引變電站內部三相電源的供電.其中三相全橋有源功率調節系統作為治理整個牽引變電站負序、諧波和無功的綜合治理裝置.主變壓器的三相負載端的電壓等級可以靈活進行設置，既可以滿足三相負載端的要求，也可以達到降低有源系統部分電壓等級的要求，從而達到經濟性和可靠性的平衡.

2系統補償原理

2.1YN_平衡變壓器基本結構

YN_平衡變壓器是一種基于國內外各種平衡變壓器而提出來的新型的平衡變壓器，此種變壓器的綜合材料利用率達到90.2%，既可以同時接兩相負載又可以同時接三相負載，兩相負載還可以做不等容量設計，在整個變壓器的設計中需要滿足如下繞組關系：

WA/Wa1=Wc/Wc1=K1，

WA/Wa2=Wc/Wc2=K2，

WB/Wb1=K2/2，

WA/Wa3=WB/Wb2=Wc/Wc3=K3.（1）

其中有3/K2+1/（3K3）=1/K1.

該型變壓器滿足繞組關系的同時要滿足低壓側三角形回路等值阻抗值相等.且兩相短路時，從高壓側觀測的三相等值阻抗值相等，即滿足：

Za3=Zc3=Zb2.（2）

2.2負序、諧波和無功補償原理

當變壓器只接有兩相機車負載時，一次側電流和二次側電流之間的關系為：

利用基爾霍夫電流定律（KCL）和磁勢平衡原理可得電流關系式為：

若利用此變壓器作為牽引供電所變壓器，對于兩相負載側接入負載，三相負載側接入三相全橋功率調節裝置，利用疊加定理，得

對兩相負載側的電流可以分解為基波有功分量和諧波無功分量，可以表示為：

式中：αp，βp為基波有功分量；*α，*β分別為基波無功分量和諧波分量之和.相量圖如圖3所示.

則一次側電流中只含有基波的有功分量，一次側電流中的諧波和無功分量被完全消除.此時一次側電流滿足：

只需調節三相負載端電流的大小便可以消除一次側的負序、諧波和無功分量，從而達到治理電氣化鐵道負序和諧波問題.

3綜合控制系統

3.1檢測部分

對于兩相供電臂電壓相位相差90°的諧波、無功和負序電流的檢測方法，本文采用文獻[13-14]中的檢測方法.該方法可以在電壓波形畸變的情況下檢測到電流中的諧波、無功和負序電流的分量，并將直流側電容電壓的控制輸出疊加到檢測環節中.當直流側電容電壓沒有穩定時，整個有源系統工作于整流狀態，對電容進行充電，當直流側電壓穩定時，系統工作于逆變狀態.其電流檢測原理如圖4所示.

α，β相負載電流的傅里葉分解表達式為：式中：Iαp，Iβp為基波的有功分量；Iαq，Iβq為基波的無功分量；∑ωk=2iαk，∑ωk=2iβ k為諧波分量.將式（13）中iα（t），iβ（t）分別乘以電壓相位的同步值sinωt，cosωt，再將iα（t）sinωt，iβ（t）cosωt相加，經過低通濾波器之后可以得到α，β相基波電流的平均值：

G=（Iαp+Iβp）. （14）

再將G分別與sinωt，cosωt相乘，即可得到α，β相電流的理想平衡值.此理想值不含有諧波分量和無功分量，并且有效值大小相同，將實際電流值與理想電流值相減，便可以得到所需補償的電流值i*α（t）和i*β（t）：

i*α=iα（t）-（Iαp+Iβp）sin ωt，

i*β=iβ（t）-（Iαp+Iβp）cos ωt.（15）

3.2控制部分

根據圖1給出的系統拓撲結構，并運用基于瞬時無功功率的檢測方法來進行諧波、負序和無功電流的檢測，并采取動態響應速度快、魯棒性好的滯環控制進行整個系統的控制.控制框圖如圖5所示.

4仿真驗證

結合某一實際采用YN_接線平衡變壓器的牽引供電站的系統參數，本文利用Matlab/simulink仿真軟件搭建了該系統的仿真模型.兩相負載側輸出電壓等級為27.5 kV，三相負載側輸出電壓等級為10 kV，負載選用一組實測的負載數據，實測所選用的測量儀器為日置3198電能質量分析儀.

兩相負載分別選用重載機車和輕載機車，具體數據如表1所示.表2為系統仿真參數.由表1可知，α相負載機車少，β相負載機車多，整個兩相負載功率相差大，主要用于模擬負序電流較為嚴重的工況.仿真模型在0.1 s時投入三相全橋功率調節器，并在0.6 s切除α相負載.以此來驗證整個系統在定負荷及負載波動條件下系統的動態性能.

圖6為負載實測波形和仿真波形對比圖.圖6（a）的上圖為實測電壓波形，下圖為實測電流波形.圖6（b）和（c）分別為仿真的電壓和電流波形.由圖6可知，仿真波形與實測波形較為吻合.圖7為仿真波形對比圖.

圖7（a）給出了牽引變壓器一次側的電流波形，0.1 s前后的電流波形充分說明了，采用三相全橋功率調節器前后，三相負載電流基本對稱，一次電流畸變率由7.9%，3.0%，9.3%分別下降為2.0%，1.9%，1.9%.圖7（b）給出了系統采用三相全橋功率調節器前后的電流不平衡情況，不平衡度ε由0.63下降為0.01，結果表明電流不平衡度得到有效改善.圖7（c）給出了一次側三相的功率因數λ，一次側A，B，C三相的功率因數分別0.97，0.89，0.43提升接近為1.圖7（d）給出了系統運行過程中直流側電壓的變化情況，結果說明該系統具有良好的動態性能.

5結論

本文針對基于YN_平衡變壓器的電氣化鐵道牽引變電站，提出了一種采用三相全橋功率調節器的電氣化鐵道電能質量綜合治理系統，分析了該系統的構成及綜合補償原理，詳細分析了電流檢測及控制算法，并結合某牽引變電站實測負荷數據，對整個系統進行了仿真分析，仿真結果表明該系統能有效抑制牽引變電站一次側的負序和諧波電流，提高其受電端功率因數.

本系統充分挖掘了YN_平衡變壓器和三相全橋型功率調節器的潛能，利用YN_平衡變壓器二次側三相系統的對稱性實現了三相全橋型變流器與主牽引變壓器的結合，并成功對牽引變電站的負序、諧波和無功進行了綜合治理.由于該系統的三相全橋功率調節器的端電壓可以在設計變壓器的時候調節，而主變的阻抗匹配條件又較我國廣泛使用的阻抗匹配平衡變壓器[15]匹配條件更加具有靈活性，且在獲得更高的直流側電壓功利用率的前提下，功率器件的數量也較少，因此，該系統在獲得相同治理效果的條件將更具成本優勢，運行可靠性高，是一種具有較高綜合性能的電氣化鐵道負序與諧波綜合治理系統，工程應用前景廣闊.

參考文獻

[1]李群湛，連級三，高仕斌.高速鐵路電氣化工程[M].成都：西南交通大學出版社，2006：155-165.

LI Qunzhan， LIAN Jisan， GAO Shibin. Electrification engineering of high speed railway[M].Chengdu： Southwest Jiantong University Press， 2006：155-165.（In Chinese）

[2]周勝軍，于坤山，馮滿盈，等.電氣化鐵道供電電能質量測試主要結果分析[J].電網技術，2009，33（13）：54-57.

ZHOU Shenjun，YU Kunshan，FENG Manying，et al.Analysis on main result of power quality test of power supply for electrified railway[J].Power System Technology，2009，33（13）：54-57.（In Chinese）

[3]姚金雄，張濤，林榕，等.牽引供電系統負序電流和諧波電流對電力系統的影響及其補償措施[J]，電網技術，2008，32（9）：61-65.

YAO Jinxiong，ZHANG Tao，LIN Rong，et al.Impacts of negative sequence current and harmonics in traction power supply system for electrified railway on power system and compensation measures[J].Power System Technology，2008，32（9）：61-65.（In Chinese）

[4]張剛毅，李群湛.電氣化鐵道異相供電方式向同向供電方式的轉換[J].電力自動化設備，2012，32（11）：142-145.

ZHANG Gangyi，LI Qunzhan.Transfer from outphase power supply to inphase power supply[J].Electric Power Automation Equipment，2012，32（11）：142-145.（In Chinese）

[5]MOCHINAGA Y，HISAMIZU Y，TAKEDA M，et al.Static power conditioner using GTO converters for ac electric railway[C]//Power Conversion Conference on Power，Energy & Industry Applications.Yokohama ，Japan ，1993.

[6]吳傳平，羅安，徐先勇，等.采用V/v變壓器的高速鐵道牽引供電系統負序和諧波綜合補償方法[J].中國電機工程學報，2010，30（16）：111-117.

WU Chuanping，LUO An，XU Xianyong，et al. Integrative compensation method of negative phase sequence and harmonic for highspeed railway traction supply system with V/v transformer[J].Proceeding of the CSEE，2010，30（16）：111-117.（In Chinese）

[7]UZUKA Tetsuo，IKEDO Shouji，UEDA Keiji.A static voltage fluctuation compensator for AC eleltric railway[C]//IEEE Power Electronics Specilists Conference.Achen，Germany，2004：1869-1873.

[8]SHU Zeliang，XIE Shaofeng，LU Ke， et al.Digital detection，control，and distribution system for cophase traction power supply application[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics，2013，60（5）：1831-1839.

[9]HORITA Y，MORISHIMA N， KAI M，et al.Singlephase statcom for feeding system of tokaido shinkansen[C]//International Power Electronics Conference.TOSHIBA，Japan，2010：2165-2170.

[10]朱紅萍，羅隆福.新型電氣化鐵道電能質量綜合治理裝置[J].電力自動化設備，2011，31（7）：72-76.

ZHU Hongping，LUO Longfu.Power quality improving device for electric railroads[J].Electric Power Automation Equipment，2011，31（7）：72-76.（In Chinese）

[11] SUN Z，JIANG X，ZHU D，et al.A novel active power quality compensator topology for electrified railway[J].IEEE Trans on Power Electronics，2004，9（3）：1036-1042.

[12]周有慶，劉光曄，劉湘濤.一種Y>-接線的新型平衡變壓器的研究[J].中國電機工程學報，1998，18（5）：364-367.

ZHOU Youqing，LIU Guangye，LIU Xiangtao.Study of a new Y>- connected balance transformer[J].Proceeding of the CSEE，1998，18（5）：364-367.（In Chinese）

[13]KIM H，BLAABJERG F，BAKJENSEN B.Spectral analysis of instantaneous powers in singlephase and threephase systems with use of pqr theory[J].IEEE Trans on Power Electronics，2002，17（5）：711-720.

[14]孫卓，姜新建，朱東起.電氣化鐵道中諧波、無功、負序電流的實時檢測新方法[J].電力系統自動化，2003，27（15）：53-57.

SUN Zhuo，JIANG Xinjian，ZHU Dongqi.Detecting methods of reactive power，harmonic and negative sequence current in electrified railway systems[J].Automation of Electric Power Systems，2003，27（15）：53-57.（In Chinese）