电能质量的全过程监测和预防检修

　　电能质量与国民经济的各个部门和人民日常生活有着密切的关系和重要意义。电能作为一种商品，具有它本身的特殊性，电能的生产和消费必须同时进行，且电能的生产、传输和使用设备必须紧密地连接在同一电网上。因此，作为电力部门的产品——电能的质量，不仅与电力部门有关，而且与成千上万的电力用户有关。
电能的质量，通常以供电电压的频率、偏移、波动、闪变、间断、塌陷、尖峰、谐波?洹⑷?嗖黄胶舛群透咂蹈扇诺认钪副昀幢碚鳌５缒艿闹柿浚?唤鋈【鲇诜⒌纭⑹涞绾凸┑缦低潮旧恚?执?ひ祷?难杆俜⒄梗?尤牍?玫缤?陌氲继寤涣髌骱头窍咝愿汉桑?不崦飨缘馗扇呕蚪档团涞缤?械牡缒苤柿俊Ｒ?Ｖす?玫缤?械缒艿闹柿浚?匦胗傻缌ι??棵藕徒尤氲缤?械墓愦蟮缌τ没Ю垂餐??ΑＮ?吮Ｕ瞎┯玫缢?降暮戏ㄈㄒ妫?Ｖさ缤?陌踩?诵校??さ缙?踩?褂没肪常?匦爰忧康缒苤柿康募嗖夤芾怼?BR>连续收集、记录、存储电能质量的信息，可以帮助供电公司在规划中正确地改善供用电系统的基础结构，提高系统运行的稳定性以及合理地扩大系统的容量和确定投资水平。
供电公司和工业用户都已建立起相当规模的供用电基础结构和设施，当供用电系统发生故障或被损坏，需要更换的情况下，无论供电公司或工业用户都要承担巨大的经济损失。
随着现代科学技术的发展，电能质量监测的新技术——全过程监测的出现，使电能质量监测的意义赋予了新的内容。通过全部时间内连续的跟踪监测，建立起表征电能质量的，真正有用的数据库，在供配电系统和用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，以便在毁灭性打击之前，提醒人们对供、用电设备的运行状态进行调整和预防检修。

1　全过程监测

1.1　全过程监测的必要性
已有的电能质量监测仪品种虽然较多，但所记录的数据只能是局部和片面的，真正有用的信息往往难于捕获到。例如，1997年7月2日夜，天津某公司大型电弧炉配套用的静态无功补偿装置(下称静补)发生TCR电抗器闪络和三次滤波器烧毁个别电容器的故障。7月20日晨，该套静补装置又发生了更大的故障，该公司被迫停产，停产期间产值损失达4亿5百万元。事故后华北电力科学研究院迅速派员参与研究分析，提出了静补装置在修复期间保证电弧炉能迅速恢复生产的具体措施。经过3个月的运行，证明所采取的措施正确有效。静补装置虽已恢复正常运行，但在事故中毁坏严重，事故原因至今不明。如果进行电能质量全过程监测，把有用的信息记录下来，经过综合、对比和分析，在这些配用电设备运行失效之前，捕获到其早期的故障信息，及时调整系统的运行状态和提前检修，有可能避免这两次事故的发生。
要把监测电能质量的各种仪器同时安装在一起使用，不仅费用昂贵，而且在时间和空间上也是有困难的。本文提出的全过程监测新技术，可以解决这一问题。全过程监测仪能够提供电能质量全方位各种参数的综合测量，与以往各种形式的监测仪相比，所需费用较低。另外，全过程监测仪能不断自行调节门槛阈值电平，以便使记录事件的捕获速率与存储器容量相匹配，实现全过程监测和记录。
1.2　全过程监测仪的主要特征
1.2.1　测量宽度
全过程监测仪具有测量电能质量全面指标的能力，其中包括，电压和电流有效值、阻抗，与电力消耗有关的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、位移因数、最大需量、电能以及电压偏移、电压频率。对于暂态干扰能够监测下列3种事件：
Ⅰ 类事件：在0.5 ms～10 ms之间的电压瞬变；
Ⅱ 类事件：在10 ms～2 s之间的电压干扰；
Ⅲ 类事件：大于2 s的有效值电压事件，如下陷、隆起和中断等。
全过程监测仪还能监测三相电压不平衡、电压波动和闪变，系统中接地回路电流、母线电压和线路电流的各次谐波分量幅值和相位，总谐波畸变率(THD)和谐波功率流向。
1.2.2　测量深度
全过程监测仪采用高速数字信号处理器，在每一个基波周期中可以测量各种有效值以及基于同一周期的其他各项参数，逐周期地测量，连续记录存储，不丢失数据。对于电压和电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、最大需求功率、真功率因数、位移功率因数、总失真度，三相不平衡度、频率、波动和闪变等参数，可获得长时间累积图。所记录的数据，主要以电子文件方式输出(包括文本形式和图象形式)，故而提供了以各种有效途径交流信息的机会。全过程监测仪可方便地以电力容差曲线为背景作出各种事件的记录。工作人员可以快速而且容易地按事件发生的时间或性质，在已记录的图象中找出所要的事件。全过程监测仪具有监测参数阈值的自适应功能，门槛电平可根据事件活动出现的几率不断地自行调整，无需工作人员干预，即可保证监测仪在监测期间能捕捉到最需要的事件。数据的收集和分析，报告的编写可以由全过程监测仪的轮询软件等来完成。
全过程监测仪所获得的数据，可以形成各种参数指标的、完整的数据库。通过将过去的数据与现在的数据进行比较，可预见事故可能发生的时间，对已变质的供用电设备状况预先报警，在设备损坏之前，进行调整和检修，即预防检修。

2　系统结构

　　在已有的配电站设计中，用于开关柜的安装式仪表传统设计只提供电能消耗和有效值的参数，没有表征电能质量或谐波的表计。现有的便携式电能质量监测仪，虽然测量仪器与计算机的外围设备(如键盘、磁盘驱动器和CRT等)结合起来了，但没能成功地利用目前遍布于国家机关、企事业单位、金融和商业系统的个人计算机(PC)网的特点，来简化数据的传输、整理、分析，以及报告的编写。电能质量全过程监测仪能综合监测电能质量的各方面指标，而且紧密地与个人计算机相连接，充分利用现有计算机网的作用，可以经济方便地安装在供电公司的变电站或者用户配电站中。用以太网能够连接安装在供电区和用户基地上的关键位置的各台监测仪。如果监测仪安装在较远的现场，可以通过电话线和调制解调器来通讯联系。全过程监测仪的原理方框图如图1所示。

　　每台监测仪具有4个电压测量通道和5个电流测量通道。4个电压通道可以监测母线三相电压和中性点电压；5个电流通道可以监测线路三相电流、中线及地线的电流。如图1中所示，被测信号被衰减后，经滤波器分离为高于3.4 kHz的高频分量和低于3.4 kHz的低频分量。在低频信号通道中，为保证每个周期中正好提供128个采样点，使用一个同步脉冲发生电路产生采样同步脉冲，以6.4 kHz的频率，送至各个通道中的采样—保持电路和A／D转换器。被测信号经采样—保持后进行14位的模数转换(ADC)。数字化的被测信号被送进数字信号处理器(DSP)进行快速付立叶变换(FFT)，在100 μs中计算出63次谐波分量的幅值和相位。每一个基波周期中反复进行这个过程，低频信号通道最高能测信号峰值1 000 V，具有90 mV的分辨率。其他的参数，例如电压和电流的有效值、有功功率、视在功率、无功功率、真功率因数、位移功率因数、总畸变率等，均在每一个周期中同时算出。被记录的这些参数以一个周期的分辨率提供了长时间的累积图。按周期累积起来的数据可以清楚地显示出一个周期的最大值和最小值，以及该时间段中的平均值。同时还可算出三相不平衡度、电压偏差率、电压波动和闪变。在高频分量的通道中，被测信号进入一个10位、4 MHz的高速模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。该通道主要用于瞬变高速脉冲的捕获，可测量的最大信号电压峰值为8.4 kV，分辨率为12 V。
该监测仪主板上使用一个386微处理器和一个387协处理器，带有4 MB RAM。另外内置一个540 MB硬盘驱动器，用于存储记录下来的数据。监测仪备有一个并行口和一个串行口，所存储的数据可以经过以太网或电话线下载到个人计算机。在监测仪中，所记录存储的各类数据，已经作了各种必要的整理，因此下载的时间短。基于Windows应用软件驻留在个人计算机中，可以随时控制数据下载。通过操作软件键，工作人员可方便地观察所记录的事件波形，谐波频谱，对于电压和电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、最大需求量、功率因数以及总失真度、三相不平衡度、系统频率和闪变等，可以观察其长时间(一日、一周或一月)的累积图。
监测仪记录存储的电能质量事件的详细内容取决于采样和A／D转换的速率。对于供配电系统中功率因数补偿电容器的合闸和开断瞬变过程的记录，低频分量通道中6.4 kHz的采样速率较为合适。对于发生在设备内部的由电机和其他负载的投入和切断所引起的高速脉冲，可采用高频分量通道中具有4 MHz的高速采样速率，捕获低于250 ns宽度脉冲的具体形状，可以帮助用户诊断脉冲产生的原因，从而选择适当的解决方法。

3　自适应门槛阈值

　　已往的监测仪，通常要求设置一个门槛电平来捕获那些突发性的事件。能否捕捉到事件的累积量以及电能质量信息的细节，取决于门槛阈值的设置。如果门槛设置得太低，监测仪将因超出存储容量或记录纸用完而停止监测。如果门槛设置得太高，监测仪不能捕获到有用的数据而失去作用。为正确处理这个问题，IEEE标准 P1159中提出了如何合理确定门槛的问题：首先记录起初的20个事件，或者用30 min的时间来观察事件的活动。通过重新设置门槛阈值，使监测仪达到在每30 min中有一个事件被捕获的速率。这种方法存在的问题是，操作人员必须在现场观察事件的活动，通过人工干预，使得监测仪有限的存储容量能捕获到有用的数据；当操作人员离开现场时，环境条件发生变化，其设置的门槛电平可能不适用，而记录不到有用的数据。全过程监测仪具有自适应门槛阈值的功能，其软件可以探测事故捕获的速率，然后根据监测周期的长短而自行调节门槛阈值。全过程监测仪是通过逐个周期地记录真有效值来捕获事件，操作人员不用预置门槛，由软件自行设置一个初始值，如果在两个完整基波周期中真有效值变化超过初始设置值时，监测仪记录下全部的采样点，一直到在两个基波整周期以上真有效值变化稳定地低于初始设置值时，监测仪才逐周期地连续记录每一周期的有效值。在两次瞬变之间的稳态事件，有一个有效值幅度(垂直轴)和时间宽度(水平轴)，这两个量值可以在以电力容差曲线为背景的画面中表示出来，如图2所示。
　　在瞬变过程中所采集的全部采样点(构成了交流波形的资料)与在稳态过程中所记录的每一周期的有效值，由软件安排连接在一起，可以提供处在两个瞬变事件中间的稳态事件的图象。为便于观察，瞬变事件的记录波形可以进一步细化，在时间轴上可以扩展，
　　全过程监测仪通过软件可在电力容差曲线的背景中，直接画出各种事件的图形。由于监测仪必须始终跟踪稳态和瞬变两种事件，因此，监测仪具有可程控的门槛阈值，根据瞬变事件的活动速率，不断修正或自行调整门槛电平。该监测仪每个通道可以启动记录1 500个捕获的事件，对于三相电压信号和电流信号，以及中线和地线，总计有13 500个事件的数据或图象被存储。如果进入门槛的事件活动速率上升，在监测时间尚未结束之前，会引起存储器溢出，这时，软件将会把门槛电平提高0.125 V增量；如果事件活动速率下降，软件将会把门槛电平下降0.125 V增量。在整个监测期间，监测仪会不断地自行调整捕获事件的速率，以便与存储器的容量相匹配。自适应门槛阈值的功能，可以防止监测仪处于高灵敏活动状态，避免在噪声驱动下动作；可以保证监测仪在其监测周期中完成最有用数据和最严重事件的捕获。在整个监测期间不需要人工干预，消除了人工设置门槛带来的问题。

4　预防检修

　　信息技术工业委员会(ITIC)已经提出一种新的电力容差曲线，这种曲线描述了一些电力、电子设备，如计算机、照明系统、配电设备、机器人和半导体换流设备等对安全运行的供电要求。以电力容差曲线为背景，全面绘出所记录的稳态事件和瞬变事件的图象，提供了一种能快速方便地检查电力系统或电子设备是否处于所希望的容限之内的方法。全过程监测可以提供系统中初期出现问题的信息，容许采取预防的措施——预防检修。用于电力系统的变电站、配电系统，重要数据中心和用电部门，将能保证系统运行的稳定性和可靠性。对于一座工厂或一座变电站，可以在关键的位置上装设全过程监测仪，监测一周或一个月。当监测周期完成时，数据下载并存储起来，监测仪被复位，并进行另一次为期一周或一个月的监测。每一次完整的电能质量监测数据以文本方式被存入档案，经过一年收集的数据库，可以给工程技术人员提供变电站或工厂连续运行的详细历史资料，为他们进行电气结构的维修、改进、升级和增容等提供正确的依据。预防检修建立在连续运行的基础上，监测仪连续跟随监测，并将其收集到的数据库周期性地进行比较。通过连续跟踪电力状况的变化，可以发现一些新的或恶化了的情况。周与周或月与月的比较所记录的事件和数据库，能得到事故初期的信息，如某些事件活动速率增加、事件的幅度超常或出现新型的事件记录，由此可指出系统潜在的问题。

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北京地区某变电站，于1985年9月18日和1987年10月5日，先后2次发生10 kV母线过电压造成对地短路，瓷瓶爆炸，引线烧断，刀闸毁坏，该路最长一次停电8 h的事故。为了弄清事故原因，先后对该站供电的全部用户进行调研，并在该站开展了电能质量监测工作。经测试发现：
(1) 发生事故的母线电压三相不平衡，其PT二次电压最低相为55 V，最高相为62 V；
(2) 各相电压谐波含量很高，其中三次谐波含量达到(19～22)%；
(3) 该母线所带各负荷进线的电流谐波含量并不高，仅为(1.1～1.5)%。
经分析和验证，确定该事故为10 kV母线上的PT中性点所接的消谐元件失效或接地不良所致。排除故障后，三相电压恢复平衡，电压谐波降至正常值的(0.8～1.1)%，恢复正常。从1988年至今，该站未再发生此类事故。近年来，在北京地区相继开展了电能质量的监测，其中存在上述3种情况的变电站为数不少，根据其历史记录和数据，我们协助供电局及时地检查和更换了PT一次中性点的消谐元件，使变电站的运行恢复正常，避免了上述事故的再次发生。
全过程监测仪能捕获谐波，电压下陷、上冲、高频振荡等所有电能质量的动态事件，在连续记录的基础上，为系统和设备的预防检修提供正确的数据。对于以往采用人工门槛阈值的仪器，由于其设置的门槛阈值是固定的，且比全过程监测仪的门槛值高，在低于人工门槛的“死区”中，无信息记录，也不可能建立起全过程的基线条件，直到事件的幅值超过门槛阈值之后才动作，这时，往往低于门槛的、潜在的早期事件已经丢失，因此，不能正确具体地描述系统和设备的真实状况，也不能预测需要调整或检修的内容，而只能进行恶性事件的事后分析。
全过程监测仪可根据不同的用户或设备，赋予供电质量的各种电力容差曲线，可变化的自适应门槛阈值，全面地记录了系统运行全过程，根据完整的检测数据，用自动编写报告的软件，在几分钟之内，就可以自动生成报告，以提供分析和决策。

5　通信和轮询软件

　　全过程监测仪上收集到的信息下载到个人计算机，传统的办法是采用RS232串行口，典型的数据传输速率是10 kbit～20 kbit／s；如采用并行口通信，典型的数据传输速率为40～100 kbit／s。当前较多地采用以太网，其典型传输速率为10～100 Mbit／s。如果监测仪到计算机之间的距离很长，可以考虑采用中继站或光纤器件。对个别的监测仪，可采用普通电话线和一组调制解调器来完成；对一组监测仪，可用一台个人计算机(远方PC)采用以太网连接到每一台监测仪，再用一组调制解调器连接到控端计算机(控方PC)。这种方法的优点是控端PC成为远方PC的一个键盘，在这两个PC之间，仅仅需要传送少量的数据。远方PC被连接到多个监测仪并下载捕获到的数据。在远方PC中经编辑形成的数据库，可以传送到控端PC，以便进行分析。记录的原始数据保留在远方PC和监测仪中，直到用户删除它之前，以便在需要时随时可以恢复数据，保证数据的安全性。为节约占用电话线的时间，远方PC在传送数据之前，要先把数据文件压缩。
如果从每个监测仪中下载数据必须由人工操作，那么，从诸多监测仪中收集数据将变得非常繁琐。在每个监测周期中，一组监测仪可能会记录下几十至几百兆字节的数据，工作人员也需要查询其中某一台监测仪某些感兴趣的记录，如果采用人工操作，费时费力，而采用一种新的软件技术——轮询软件，就可以解决这些问题。轮询软件主要有4个功能：
(1) 帮助工作人员组建和控制远方监测仪，随时可以起动和停止监测，改变监测的参数及范围，选择数据量和可恢复数据的类型。
(2) 能够在预定的时刻列表下载，从远方监测仪中取回数据。
(3) 在工作人员控端PC机可显示来自远方监测仪的数据，可以选择显示来自任何一台监测仪的个别事件或累积事件的图像，或显示所有下载事件记录的全幅滚动画面，以及一个跟随通信活动的轮询记录。这些事件记录和轮询记录都用文本文件方式保存，以便于处理和打印。
(4) 当监测仪所记录的事件幅度超过电力容差曲线时，轮询软件发出报警。典型的报警方法是送一个信息到页面器，或打印机，或PC机屏幕，或拨号电话(并播放记录下的信息)，或发出声光指示。也可以设置报警种类的选型：Ⅰ型为脉冲尖锋；Ⅱ型为波形事故；Ⅲ型为真有效值下陷或上冲。
实际应用的3组监测仪，分别位于用户、配电站和监测站办公室，每组监测仪被连接到一个本地以太网和一台IBM兼容个人微机。监测站办公室的PC机运行着轮询软件，可根据监理员的选择，与每个监测仪通信，轮询其是否已经记录了某些干扰电能质量的信息，如果监测仪已经记录了一个或几个事件，那么，PC机就把这些记录下载，然后转移到另一个监测仪。为了完成不同的任务，轮询软件可以有不同的安排。

　　在本地以太网中，对每台监测仪的轮询仅需要几秒种，对于各组仪器之间的联系，必须使用电话线和调制解调器来连接。由于监测的目标不同，不同的监测仪可以被预置成记录不同的测量项目，需要轮询的内容也可以不同。

6　结论

　　全过程电能质量监测仪，能够同时监测供电质量的全部指标。该监测仪本身具有高速数字信号处理器、PC芯片和大容量的存储能力，能够在每一基波周期中计算出电力消耗有效值、谐波等各种参数。所记录的数据存储在数据库中并下载到个人计算机，应用轮询软件可以方便地自行轮询、积累数据和超限报警。该仪器可以做成便携式，也可做成安装式，用于连续监测用户或供电公司的供电线路。用软件把捕获到的干扰电能质量的信息和系统的电力容差曲线综合起来比较分析，可以保证初期报警的准确性。
全过程电能质量监测仪的最大优点是全过程地捕获与电能质量有关的各方面事件，并自动记录重要的事件，自行管理存储容量与事件活动速率的匹配。记录全方位和全过程的电力状态参数，且不断地生成文本文件，进行存储。经过一定的积累，能建立起系统正常运行时电力状态的基线条件，并提供一周或一个月中电能质量有关事件活动的重要趋势。把现时的监测结果与以往历史记录相比较，可以在配电系统或设备运行失效之前获得故障早期的信息，为预防检修提供可靠的依据。■