中國電科院牽頭的《智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與控制關(guān)鍵技術(shù)》項目，面向電力電子化特征電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理的共性需求，構(gòu)建了集監(jiān)控系統(tǒng)、治理方法與設(shè)備、技術(shù)標準為一體的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理技術(shù)體系。該項目日前榮獲國際電氣和電子工程師協(xié)會信息物理系統(tǒng)技術(shù)委員會“2018工業(yè)技術(shù)杰出貢獻獎”。
日前，由中國電科院牽頭的《智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與控制關(guān)鍵技術(shù)》項目榮獲國際電氣和電子工程師協(xié)會信息物理系統(tǒng)技術(shù)委員會(IEEE TCCPS)“2018工業(yè)技術(shù)杰出貢獻獎”，是該獎項唯一獲獎項目。IEEE首次設(shè)立了該獎項,旨在獎勵對信息物理系統(tǒng)領(lǐng)域做出突出貢獻的項目及團隊。
中國電科院及其聯(lián)合研發(fā)項目團隊(以下簡稱項目團隊)在國家科技支撐計劃及國家電網(wǎng)公司重大科技項目的有力支持下，協(xié)同攻關(guān)，創(chuàng)新研發(fā)，面向電力電子化特征電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理的共性需求，構(gòu)建了集監(jiān)控系統(tǒng)、治理方法與設(shè)備、技術(shù)標準為一體的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理技術(shù)體系，在低壓負荷在線換相、電能質(zhì)量決策支持、諧波量值準確傳遞以及廣域動態(tài)諧波監(jiān)測治理等四大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，對保障電網(wǎng)安全、促進經(jīng)濟社會健康發(fā)展發(fā)揮了重要作用。
1.亟需開展智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理
電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)，其優(yōu)劣直接關(guān)乎國計民生與社會公共安全，是衡量電力企業(yè)優(yōu)質(zhì)供電服務(wù)的重要指標。從嚴格意義上講，衡量電能質(zhì)量的主要指標有電壓、頻率和波形;從普遍意義上講就是指優(yōu)質(zhì)供電。在電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量通常以諧波、供電電壓偏差等數(shù)據(jù)指標進行綜合量化分析與評價。
諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻(50赫茲)相同的分量，高次諧波的干擾是當前智能電網(wǎng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”。諧波的存在會導(dǎo)致電機、變壓器、電容器等電氣設(shè)備損耗增加，絕緣老化加速，使用壽命縮短，發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率降低，還易使電網(wǎng)的各類保護及自動裝置產(chǎn)生誤動或拒動，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴重時將威脅電網(wǎng)運行、設(shè)備及人身安全等。
供電電壓偏差是指實際供電電壓對系統(tǒng)標稱電壓的偏差，相對值以百分數(shù)表示，《GB/T 12325-2008電能質(zhì)量供電電壓偏差》明確規(guī)定了各電壓等級電網(wǎng)供電電壓允許偏差的限值。對電網(wǎng)來說，當系統(tǒng)運行電壓偏低時，線路損耗增加，輸配電極限容量降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，帶來重大損失;對配用電設(shè)備來說，當供電電壓偏離額定電壓較大時，設(shè)備的運行性能惡化，運行效率降低，甚至導(dǎo)致部分電器無法啟動或者不能正常運行，自身發(fā)熱嚴重,使用壽命縮短。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電能使用范圍擴大，例如整流設(shè)備、變頻設(shè)備、大功率電機、家用電器等大量非線性、沖擊性以及不平衡負荷接入，電網(wǎng)負荷特性發(fā)生重大改變，對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成了嚴重影響。長期以來，我國電能質(zhì)量治理手段缺乏，相關(guān)系統(tǒng)與裝置功能單一，無法實現(xiàn)綜合性全面治理，因此亟需開展智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理。
智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測是指通過與電網(wǎng)已有自動化系統(tǒng)和電能質(zhì)量相關(guān)監(jiān)測裝置進行通信接口設(shè)計，統(tǒng)一采集分析電能質(zhì)量相關(guān)實時、準實時和歷史數(shù)據(jù)，以可視化動態(tài)圖形對電能質(zhì)量重要指標越限情況監(jiān)控并及時告警，實現(xiàn)對區(qū)域電網(wǎng)變電站、中壓線路、配電臺區(qū)和用戶等各個層面電壓、電流及其諧波分量的準確掌控，解決依靠運行管理人員定期或不定期現(xiàn)場監(jiān)測對電能質(zhì)量情況掌握的不及時、不全面等問題。
智能電網(wǎng)電能質(zhì)量治理是指借助自動化系統(tǒng)平臺準確分析電網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)狀，準確定位電能質(zhì)量存在問題，并針對性采取單點治理和協(xié)調(diào)治理等手段，通過在線仿真功能確定可行的電能質(zhì)量治理決策方案，解決電能質(zhì)量治理缺乏決策工具、憑經(jīng)驗判斷、存在盲目性等突出問題。
隨著大規(guī)模分布式電源、柔性負荷、電動汽車充電裝置等接入電網(wǎng)，具有明顯電力電子化特征電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理面臨以下突出問題：
一、我國低壓配電網(wǎng)三相負荷不平衡現(xiàn)象較為普遍，由此引起的低電壓問題突出，此前主要通過管理手段，按照季節(jié)性用電特點，依靠停電人工進行負荷換相調(diào)整，實時性和準確性較差，且極大影響了電力企業(yè)供電安全性和可靠性，缺乏較為有效的在線治理方法與配套設(shè)備。
二、傳統(tǒng)電能質(zhì)量治理分別針對電壓、諧波、無功等單一指標，每項指標均有對應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)和治理裝置，設(shè)備與信息資源孤立，未考慮指標間相互影響，缺乏綜合協(xié)調(diào)控制策略和在線評估與治理仿真手段，治理無序且具有盲目性，治理的科學(xué)性與準確性不足。
三、在諧波量值傳遞方面，常規(guī)的諧波信號發(fā)生方法難以滿足高峰值系數(shù)信號高保真穩(wěn)定輸出的需要，同時諧波檢定裝置設(shè)計和制造技術(shù)被國外企業(yè)壟斷，價格居高不下。
四、因諧波監(jiān)測設(shè)備的測量頻率范圍普遍低于2.5千赫茲，無法滿足高頻監(jiān)測要求，信息兼容性差，實時同步監(jiān)測和準確分析困難;諧波治理裝置檢測控制算法易造成各次諧波相移不一致，補償誤差大;寬頻帶諧波測量時，測量信號誤差較大，嚴重影響測量精度。
2.攻克電能質(zhì)量監(jiān)測與治理關(guān)鍵技術(shù)
項目團隊通過理論分析、關(guān)鍵技術(shù)研究及實驗驗證，在低壓負荷在線換相、電能質(zhì)量治理決策支持、諧波量值準確傳遞和廣域動態(tài)諧波監(jiān)測治理方面取得重要突破，取得了系列電能質(zhì)量監(jiān)測與治理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)成果。構(gòu)建的集監(jiān)控系統(tǒng)、治理方法與設(shè)備、技術(shù)標準為一體的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理技術(shù)體系，極大促進了我國智能電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效提升。
一、低壓負荷在線智能換相技術(shù)
項目團隊發(fā)明了可以自動實施低壓負荷在線調(diào)相的操作方法和智能型低壓負荷在線換相裝置，該裝置充分融合了機械開關(guān)和電力電子器件的優(yōu)良性能，滿足可控性、實時性、在線性、無沖擊性和無損性等功能需求，實現(xiàn)了低壓負荷在線相序自動調(diào)整，解決了依靠人工調(diào)整負荷不安全、不及時、不準確等問題。
團隊研制的廣義電能質(zhì)量控制終端，集無功補償、有載調(diào)壓、有載調(diào)容等功能于一體，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號處理及實時協(xié)調(diào)控制，有效解決了配電臺區(qū)多種因素引起的低電壓問題。
二、電能質(zhì)量監(jiān)控與治理決策支持技術(shù)
項目團隊提出了集多功能控制操作的電能質(zhì)量監(jiān)控方法，綜合解決配電臺區(qū)配電變壓器空載損耗大、功率因數(shù)低、電壓越限和三相負荷不平衡等問題，提升低壓配電網(wǎng)經(jīng)濟運行水平，提高管理效率，改善供電質(zhì)量，實現(xiàn)了電能質(zhì)量綜合控制。
團隊研發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)控與輔助管理決策支持平臺系統(tǒng)，通過電能質(zhì)量在線仿真與決策，實現(xiàn)對電能質(zhì)量的現(xiàn)狀分析、單點治理、協(xié)調(diào)治理、仿真查詢和輔助管理決策支持功能，有效解決了監(jiān)測系統(tǒng)功能單一、信息孤立以及電能質(zhì)量綜合治理決策工具缺乏等問題，提高了電能質(zhì)量綜合治理的準確性和有效性。
三、諧波量值準確傳遞技術(shù)
項目團隊提出的一種諧波信號發(fā)生方法，實現(xiàn)了100次以內(nèi)標準信號發(fā)生，研制出達到與國外同類產(chǎn)品相當?shù)募夹g(shù)指標的諧波功率源及諧波標準表，解決了諧波檢定裝置高準確度與低成本控制的矛盾。
團隊提出的多重平均自適應(yīng)諧波分析算法，提高了諧波分析準確度，達到國際計量局(BIPM)頒布的各國最高諧波校準測量能力(CMC)世界前列;研制的電能表檢定裝置可準確計算出計量誤差，解決了標準諧波信號準確發(fā)生、計量及監(jiān)測設(shè)備準確賦值等問題。
四、廣域動態(tài)諧波監(jiān)測治理技術(shù)
項目團隊提出的分頻段采樣同步控制方法，實現(xiàn)了多諧波源復(fù)雜工況下的準確監(jiān)測與評估;提出的基于快速傅里葉變換的諧波電流補償方法，能夠保證諧波電流補償精度。
團隊研制了0.4千伏～35千伏系列諧波治理裝置，構(gòu)建了首套廣域同步諧波監(jiān)測系統(tǒng)，解決了諧波快速跟蹤與精確補償?shù)碾y題。
3.項目應(yīng)用，成效顯著
項目研發(fā)的裝置和系統(tǒng)已得到推廣，用于電力、質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)的34家省級以上計量技術(shù)機構(gòu)，覆蓋27個省、747座電氣化鐵路牽引站、27座換流站以及新能源發(fā)電場、配電網(wǎng)，監(jiān)測點達10897個，發(fā)現(xiàn)140座電氣化鐵路牽引站存在諧波超標現(xiàn)象，解決敏感用電設(shè)備不能正常運行問題30余起，解決2203.7萬戶低電壓問題。
項目成果的應(yīng)用有效改善了電網(wǎng)和廣大用戶的電能質(zhì)量，為集成電路、精密制造、紡織等行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)電源，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，降低了電能質(zhì)量問題造成的經(jīng)濟損失，取得了良好的社會效益。
