高速公路行業電能質量監測與治理監測係統解決方案

簡婷

韦德1946网址   上海嘉定 201801

摘要：高速公路行業(ye) 機電係統的運行，依靠供配電係統提供的電能支持。隨著機電係統建設的逐步完善，高速公路供配電係統已經發展成為(wei) 電力供電係統的一個(ge) 重要分支，因此對高速公路供配電係統的質量檢測顯得尤為(wei) 重要。高速公路機電係統中的變壓器、照明燈具、不間斷電源等機電產(chan) 品以及一些非線性負載在產(chan) 生諧波的同時也會(hui) 降低功率因數，諧波的產(chan) 生會(hui) 對整個(ge) 供電係統產(chan) 生不利影響，功率因數低會(hui) 導致電能的損耗，從(cong) 而使高速公路的運維麵臨(lin) 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(chan) 生的原因以及電能質量需求，並提出來相應的係統解決(jue) 方案。

關(guan) 鍵詞：高速公路行業(ye) ；電能質量監測；電能質量治理；係統解決(jue) 方案

1、行業(ye) 概述

1.1背景

 據交通運輸部統計，2015-2019年，我國高速公路建設投資額持續提升，2019年，全國高速公路建設完成投資11504億(yi) 元，按照可比口徑，同比增長14.5%。2020年全國高速公路完成13479億(yi) 元，增長17.2%。2020年，中國高速公路裏程16.44萬(wan) 公裏，增加1.14萬(wan) 公裏；高速公路車道裏程72.31萬(wan) 公裏，增加5.36萬(wan) 公裏。國家高速公路裏程11.30萬(wan) 公裏，增加0.44萬(wan) 公裏。

1.2 負載分析

 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於(yu) 感性用電負載，例如高壓鈉燈、變壓器等設備。其餘(yu) 大部分設備為(wei) 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。

 高速公路供配電係統是采用集中或相對集中供電所用電源從(cong) 發電廠或從(cong) 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(chan) 生220V或380V的供電電壓，然後再由低壓配電屏及輸電線送至有關(guan) 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(wei) 應急照明設施、通風及照明控製設施、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(xiang) 電比較多，由於(yu) 鄉(xiang) 電本身就不穩定，經常麵臨(lin) 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(wei) 通信係統、收費係統、監控係統等。常設有UPS為(wei) 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(wei) 外場監控、通信係統、生活水泵、消火栓泵、綜合樓照明、場區照明等。

 高速公路供配電係統負荷分布較為(wei) 分散，負荷一般都是日常用電的輕負荷，配電變壓器一般都為(wei) 是小容量變壓器，譬如200kVA、300kVA、500kVA等。補償(chang) 容量一般都比較小。對於(yu) 有UPS的配電係統，也會(hui) 適當增加有源濾波裝置。另外，隨著新能源汽車的增加，服務區充電樁數量也在增加，也會(hui) 對整個(ge) 供配電係統的電能質量產(chan) 生影響。

2、高速公路諧波源分析

2.1變壓器

 變壓器具有非線性電感是有它本身的結構決(jue) 定的，由於(yu) 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(liang) 端後，產(chan) 生的勵磁電流會(hui) 使鐵芯產(chan) 生磁通Φ，因為(wei) 磁路是非線性的，所以當勵磁電流為(wei) 尖頂波時，才會(hui) 產(chan) 生正弦磁通，當勵磁電流為(wei) 正弦波時，才會(hui) 產(chan) 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(hui) 含有奇次諧波，其中的3次諧波含量是大的。如果磁通為(wei) 尖頂波，那副邊的相電壓就會(hui) 是非正弦的，輸出電壓就會(hui) 含有諧波量。如果勵磁電流為(wei) 尖頂波，那受電端的變壓器原邊電流就會(hui) 含有諧波。

變壓器的諧波含量除了與(yu) 本身結構有關(guan) 外，還與(yu) 變壓器的工作狀態有關(guan) 。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隻有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(hui) 在飽和區工作，非正弦勵磁電流會(hui) 導致變壓器原邊繞組的漏感產(chan) 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(hui) 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(jue) 定的。

2.2照明燈具

 ①節能燈是非線性的照明燈，它內(nei) 部帶有電容濾波的電子鎮流器，由於(yu) 低成本，所以燈具內(nei) 部采取的改善電能質量的手段有限，這類負荷就會(hui) 產(chan) 生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係統阻抗上就會(hui) 使電力係統的電壓每一個(ge) 半周正弦波的50°發生凹陷，使電壓產(chan) 生畸變，這類照明燈的功率因數通常隻有0.55左右。由於(yu) 這類燈具的諧波含量很大，在隧道燈大量開啟時，會(hui) 產(chan) 生大量的諧波電流，對隧道供電造成影響。單個(ge) 燈容量雖然不大，但是數量眾(zhong) 多，所產(chan) 生的諧波會(hui) 對電能質量產(chan) 生影響。節能燈諧波電流畸變率非常大。它們(men) 的諧波電流都是以奇次諧波為(wei) 主，3 次諧波的值高。

 ②高壓氣體(ti) 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(hui) 有負電阻特性。高壓氣體(ti) 放電燈的發光強度大，它們(men) 產(chan) 生的諧波以 3、5、7 次諧波為(wei) 主，且諧波電流會(hui) 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(ti) 放電燈的發光強度，無非是使用可控矽、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(chan) 生諧波電流電壓。

 ③LED燈。近幾年，LED 發展迅速，在高速公路隧道照明係統中的使用量猛增，良好發展前景和照明優(you) 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(hui) 使得輸入電流含有非常高的諧波成分，並且會(hui) 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(hui) 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於(yu) 前兩(liang) 者之間，它的輸入電流波形較為(wei) 理想，諧波成分含量較低，並且它成本低，所以采用這個(ge) 校正電路架構會(hui) 比較多。

2.3機電設備

 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( 如監控控製係統和可變標誌顯示係統等) ，其產(chan) 生諧波的原理與(yu) 電視的很相似。控製係統整機運行時與(yu) 顯示設備單獨運行時相比，3~11次諧波電流畸變率會(hui) 稍微下降，而13、15、17次諧波電流畸變率會(hui) 稍微上升。因為(wei) 控製係統的諧波畸變率較高，並且其諧波電流與(yu) 顯示設備 諧波電流相位重合，這會(hui) 共同增大諧波電流。當控製係統使用量很大時，其諧波會(hui) 與(yu) 正在使用的其他電氣設備的諧波疊加，控製係統的諧波影響就會(hui) 迅速擴大。

2.4 UPS等不間斷電源

 不間斷電源主要由整流電路、逆變電路、控製電路、充電電路、電池組、旁路係統 組成。其中不間斷電源產(chan) 生諧波的主要原因是由於(yu) 其內(nei) 部使用整流設備而產(chan) 生的，其產(chan) 生的諧波與(yu) 整流設備的脈衝(chong) 數(也就是可控矽、IGBT或者GTO的個(ge) 數)有關(guan) ，目前的不間斷電源常見的脈衝(chong) 數是六脈衝(chong) 和十二脈衝(chong) ，對於(yu) 六脈衝(chong) 的不間斷電源其主要的諧波以5、7 次諧波為(wei) 主，對於(yu) 十二脈衝(chong) 的不間斷電源其主要的諧波階次為(wei) 11、13次。

3、高速公路行業(ye) 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。同時由於(yu) 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。也正是由於(yu) 這些特點，高速公路配電係統麵臨(lin) 了如下痛點：

 供電可靠性要求高；

 供電範圍大造成運維管理困難；

 隧道內(nei) 控製設備種類多，頻次高；

 長期處於(yu) 山區或鄉(xiang) 村存在高風險又缺乏專(zhuan) 業(ye) 人員。

3.2主要特征

 國家持續重點建設發展的行業(ye) ，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；

 變壓器容量小，負荷輕；

 主要關(guan) 注電能質量問題是無功補償(chang) 問題，負載設備中主要諧波源為(wei) UPS，但諧波含量較小；

 補償(chang) 設備更SVG，SVG補償(chang) 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(chang) 故障率高這些問題。

4、高速公路行業(ye) 電能質量監測與(yu) 治理係統解決(jue) 方案

4.1解決(jue) 方案

 對高速公路行業(ye) 各方麵的分析得出配電穩定性可靠性對於(yu) 高速公路配電係統越來越重要，對配電的電能質量要求也越來越高。但是高速公路供配電係統負荷分布較為(wei) 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(ge) 係統的解決(jue) 方案來提高高速公路行業(ye) 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(yu) 治理係統解決(jue) 方案可滿足電力監控管理、運維與(yu) 電能質量治理等方麵的需求，致力於(yu) 為(wei) 高速公路行業(ye) 用戶提供一站式的整體(ti) 解決(jue) 方案，從(cong) 產(chan) 品、係統、服務等不同方麵來滿足用戶的需要，為(wei) 用戶創造價(jia) 值。

4.2參考標準

GB/T 14549-1993 《電能質量：公用電網諧波》

GB/T 15543-2008 《電能質量：三相電壓允許不平衡度》

GB/T 12325-2008 《電能質量：供電電壓允許偏差》

GB/T 12326-2008 《電能質量：電壓波動和閃變》

GB/T 18481-2001 《電能質量：暫時過電壓和瞬態過電壓》

GB/T 15945-2008 《電能質量：電力係統頻率允許偏差》

GB 17625.1-2012 《電磁兼容 限值 諧波電流發射限值》

GB/T 15576-2020 《低壓成套無功功率補償(chang) 裝置》

JB/T 11067-2011  《低壓有源電力濾波裝置》

GB/T 3859.2-2013 《半導體(ti) 變流器應用導則》

GB/T 24337-2009  《電能質量公用電網間諧波》

GB/T 19862-2016  《電能質量監測設備通用要求》

GB 51348-2019    《民用建築電氣設計標準》

GB/Z17625.6-2003 《電磁兼容限值對額定電流大於(yu) 16A的設備在低壓供電係統中產(chan) 生的諧波電流的限製》

GB/Z 18039.5-2003 《電磁兼容環境公用供電係統低頻傳(chuan) 導騷擾及信號傳(chuan) 輸的電磁環境》

GB/T 7251.8-2020  《低壓成套開關(guan) 設備和控製設備第8部分:智能型成套設備通用技術要求》

4.3方案特點

 電能質量監測與(yu) 治理係統可在終端為(wei) 用戶提供電能質量監測、治理與(yu) 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台，為(wei) 用戶提供遠程在線服務；

 專(zhuan) 業(ye) 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；

 電能質量監測與(yu) 治理裝置整體(ti) 設計，通過上位平台實現統一管理和閉環控製；

 根據高速公路行業(ye) 特點製定合理電能質量治理策略；

 電能質量有源治理設備采用DSP+FPGA的控製架構、模組式高功率IGBT的輸出方式，為(wei) 電網的安全可靠保駕護航。

4.4方案價(jia) 值

 全麵監測電能質量，保障供電可靠性

 對供電回路的電氣參數進行全麵監測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與(yu) 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(yu) 問題定位。

 完整電能質量治理

 結合高速公路行業(ye) 供配電係統的特點以及配電設備負載的特性，通過集中治理的模式，更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(ye) 配電係統的電能質量，降低設備故障率的目的。

5、電能質量監測與(yu) 治理產(chan) 品選型

5.1電能質量產(chan) 品配置圖

5.2電能質量產(chan) 品配置表

5.2方案選型

6、結論

 自改革開放以來，我國高等級公路得到迅猛發展。與(yu) 此同時，高速公路的擴容與(yu) 升級對高速公路行業(ye) 配電需求也越來越高，人們(men) 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，並針對高速公路所麵臨(lin) 的電能質量問題，在相應配電係統配置合理的電能質量監測與(yu) 治理係統解決(jue) 方案，以監測電網電能質量數據、實現補償(chang) 無功功率和抑製諧波，減少線路損耗的目的，從(cong) 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。

作者簡介：簡婷，女，本科，現就職於(yu) 韦德1946网址，主要研究方向為(wei) 電能質量監測與(yu) 治理監測係統。