高速公路行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：高速公路行業(yè)機電系統的運行，依靠供配電系統提供的電能支持。隨著(zhù)機電系統建設的逐步完善，高速公路供配電系統已經(jīng)發(fā)展成為電力供電系統的一個(gè)重要分支，因此對高速公路供配電系統的質(zhì)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(chǎn)品以及一些非線(xiàn)性負載在產(chǎn)生諧波的同時(shí)也會(huì )降低功率因數，諧波的產(chǎn)生會(huì )對整個(gè)供電系統產(chǎn)生不利影響，功率因數低會(huì )導致電能的損耗，從而使高速公路的運維面臨很大問(wèn)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(chǎn)生的原因以及電能質(zhì)量需求，并提出來(lái)相應的系統解決方案。

關(guān)鍵詞：高速公路行業(yè)；機電系統；電能質(zhì)量；諧波危害及治理；系統解決方案

0.引言

近年來(lái)，隨著(zhù)高速公路的飛速發(fā)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(chǎn)品和不間斷電源不斷增加)，對這些設備的日常使用、工作壽命和維護更換都提出了更高的要求，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(fā)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(xiàn)性特性，產(chǎn)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(wù)器等都有很大的干擾;低次諧波會(huì )降低變壓器設備和線(xiàn)路的使用壽命，且諧波電流對供電系統產(chǎn)生很大功耗; 并且隧道燈具和機電產(chǎn)品等設備也產(chǎn)生諧波污染；同時(shí)這些負載有一部分屬于感性負載，會(huì )降低功率因數，因此對高速公路供電系統進(jìn)行全面的電能質(zhì)量治理，才能滿(mǎn)足機電設備使用的要求。

1.高速公路行業(yè)負載分類(lèi)和特性

1.1高速公路行業(yè)負載分類(lèi)

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(xiàn)性負載，例如計算機、網(wǎng)絡(luò )設備、收費車(chē)道設備、攝像機、可變情報板、各類(lèi)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(fā)電廠(chǎng)或從附近地區的高壓電網(wǎng)引出10kW或35kW高壓送至高速公路的變電所，用低壓變壓器產(chǎn)生220V或380V的供電電壓，然后再由低壓配電屏及輸電線(xiàn)送至有關(guān)用電設備。當市電停電或出現故障不能正常供電時(shí),則由自備柴油發(fā)電設備發(fā)電供電。

隧道變電所重要負荷一般為應急照明設施、通風(fēng)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(jīng)常面臨著(zhù)停電的風(fēng)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(wù)區變電所重要負荷一般為外場(chǎng)監控、通信系統、生活水泵、消火栓泵、綜合樓照明、場(chǎng)區照明等。

1.2高速公路行業(yè)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(diǎn)偏移，且三相相差不對稱(chēng)。

（2）絕大多數用電設備為非線(xiàn)性負載，一類(lèi)是呈電容性的非線(xiàn)性負荷(含有開(kāi)關(guān)電源的設備)。另一類(lèi)是呈電感性非線(xiàn)性負荷(含電感鎮流器的照明燈具等)。

（3）非線(xiàn)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(wú)功功率增大、功率因數降低。傳統的電容補償技術(shù)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(chǎn)品，其電源供應器的最前面一般大都會(huì )使用橋式整流電路，橋式整流電路會(huì )產(chǎn)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(yè)諧波源分析

2.1變壓器諧波

變壓器具有非線(xiàn)性電感是有它本身的結構決定的，由于變壓器磁路是非線(xiàn)性的，所以其勵磁電流也是非線(xiàn)性的。正常情況下電網(wǎng)電壓可以近似看成正弦電壓，當電網(wǎng)電壓加在變壓器原邊繞組兩端后，產(chǎn)生的勵磁電流會(huì )使鐵芯產(chǎn)生磁通Φ，因為磁路是非線(xiàn)性的，所以當勵磁電流為尖頂波時(shí)，才會(huì )產(chǎn)生正弦磁通，當勵磁電流為正弦波時(shí)，才會(huì )產(chǎn)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(huì )含有奇次諧波，其中的3次諧波含量是最大的。如果磁通為尖頂波，那副邊的相電壓就會(huì )是非正弦的，輸出電壓就會(huì )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(huì )含有諧波。

變壓器的諧波含量除了與本身結構有關(guān)外，還與變壓器的工作狀態(tài)有關(guān)。在額定電壓下正常工作時(shí)，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(shí)候，鐵心就會(huì )在飽和區工作，非正弦勵磁電流會(huì )導致變壓器原邊繞組的漏感產(chǎn)生壓降，這將使得變壓器的感應電動(dòng)勢中含有諧波分量。當變壓器進(jìn)行空載合閘時(shí)，會(huì )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(xiàn)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(zhì)量的手段有限，這類(lèi)負荷就會(huì )產(chǎn)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(xiàn)阻抗和系統阻抗上就會(huì )使電力系統的電壓每一個(gè)半周正弦波的50°發(fā)生凹陷，使電壓產(chǎn)生畸變，這類(lèi)照明燈的功率因數通常只有0.55左右。由于這類(lèi)燈具的諧波含量很大，在隧道燈大量開(kāi)啟時(shí)，會(huì )產(chǎn)生大量的諧波電流，對隧道供電造成影響。單個(gè)燈容量雖然不大，但是數量眾多，所產(chǎn)生的諧波會(huì )對電能質(zhì)量產(chǎn)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次諧波的值最高。

高壓氣體放電燈是利用汞、鈉等金屬鹵化物的汽化來(lái)發(fā)光，在放電時(shí)會(huì )有負電阻特性。高壓氣體放 電燈的發(fā)光強度大，它們產(chǎn)生的諧波以3、5、7次諧波為主，且諧波電流會(huì )隨著(zhù)燈具容量的增大而增大?，F行的利用節能器來(lái)調節高壓氣體放電燈的發(fā)光強度，無(wú)非是使用可控硅、IGBT和GTO等電力電子器件來(lái)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(chǎn)生諧波電流電壓。

LED燈。近幾年，LED 發(fā)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(fā)展前景和 照明優(yōu)勢。LED的照明驅動(dòng)電源電路結構有很多種，常用的主要有三種:無(wú)功率因數校正(簡(jiǎn)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(wú)源功率因數校正(逐流式)。其中無(wú)功率因數校正的電路結構會(huì )使得輸入電流含有非常高的諧波成分，并且會(huì )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(huì )使輸入電流的正弦波形比較理想，諧波含量很低。無(wú)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(gè)校正電路架構會(huì )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(chǎn)生諧波的原理與電視的很相似?？刂葡到y整機運行時(shí)與顯示設備單獨運行時(shí)相比，其3～11次諧波電流畸變率會(huì )稍微下降，而13,15、17次諧波電流畸變率會(huì )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(huì )共同增大諧波電流。當控制系統使用量很大時(shí)，其諧波會(huì )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(huì )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(chǎn)生諧波的主要原因是由于其內部使用整流設備而產(chǎn)生的，其產(chǎn)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(gè)數)有關(guān)，目前的不間斷電源常見(jiàn)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(yè)電能質(zhì)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(wù)區變電所、收費站變電所、沿線(xiàn)箱式變電站、互通樞紐等區域。同時(shí)由于綠色交通的推進(jìn)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(cháng)且位置分散、橋隧比高等特點(diǎn)。也正是由于這些特點(diǎn)，高速公路配電系統面臨了如下痛點(diǎn)：

(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(lèi)多，頻次高；

(4)長(cháng)期處于山區或鄉村存在高風(fēng)險又缺乏專(zhuān)業(yè)人員。

3.2高速公路行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：

（1）國家持續重點(diǎn)建設發(fā)展的行業(yè)，配電管理逐漸智能化、自動(dòng)化，對電能質(zhì)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(guān)注電能質(zhì)量問(wèn)題是無(wú)功補償問(wèn)題，負載設備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小。

（4）補償設備更推薦SVG，SVG補償精度高，能適應高速公司輕載的特性。且SVG自動(dòng)化免維護，壽命長(cháng)，沒(méi)有電容補償故障率高這些問(wèn)題。

4.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案

4.1解決方案

通過(guò)上述對高速公路行業(yè)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(lái)越重要，對配電的電能質(zhì)量要求也越來(lái)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(shí)部分負荷是感性負荷，因此需要一個(gè)系統的解決方案來(lái)提高高速公路行業(yè)電能質(zhì)量的監管和電能的質(zhì)量。安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案可滿(mǎn)足電力監控管理、運維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業(yè)用戶(hù)提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統、服務(wù)等不同方面來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，為用戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

4.2方案特點(diǎn)

（1）電能質(zhì)量監測與治理系統可在終端為用戶(hù)提供電能質(zhì)量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺，為用戶(hù)提供遠程在線(xiàn)服務(wù)；

（2）專(zhuān)業(yè)化的電能質(zhì)量監測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

（3）電能質(zhì)量監測與治理裝置整體設計，通過(guò)上位平臺實(shí)現統一管理和閉環(huán)控制；

（4）根據高速公路行業(yè)特點(diǎn)制定合理電能質(zhì)量治理策略；

（5）電能質(zhì)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(wǎng)的安全可靠保駕護航；

（6)電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監控管理與運維、電能分析與電能質(zhì)量數據共享融通，為企業(yè)電能供給與消費提供控制手段。

4.3方案價(jià)值

(1)全面監測電能質(zhì)量，保障供電可靠性,對供電回路的電氣參數進(jìn)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(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數據信息，支持開(kāi)展故障追蹤與問(wèn)題定位。

(2)完整電能質(zhì)量治理,結合高速公路行業(yè)供配電系統的特點(diǎn)以及配電設備負載的特性，通過(guò)集中治理的模式，更經(jīng)濟和高效的滿(mǎn)足無(wú)功和諧波的治理需求，達到提高高速公路行業(yè)配電系統的電能質(zhì)量，降低設備故障率的目的。

5.安科瑞電能質(zhì)量監測與治理產(chǎn)品選型

由于高速公路行業(yè)負載較為分散，通過(guò)集中治理的方式，對高速公路行業(yè)配電系統所涉及到的UPS、LED燈、機電等設備產(chǎn)生的諧波統一治理，減少諧波對電網(wǎng)側的危害和影響；對非線(xiàn)性負載產(chǎn)生的功率因數問(wèn)題，也在高速公路配電房?jì)妊b設相應的無(wú)功補償裝置，確保無(wú)功功率因數達到國標要求值，避免罰款。同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統進(jìn)行電能質(zhì)量在線(xiàn)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(chǎn)品選型見(jiàn)表2。

表2電能質(zhì)量監測及集中治理產(chǎn)品選型表

6.結論

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國高等級公路得到迅猛發(fā)展。與此同時(shí)，高速公路的擴容與升級對高速公路行業(yè)配電需求也越來(lái)越高，人們對配電的電能質(zhì)量也是越來(lái)越重視。本文通過(guò)分析目前高速公路沿線(xiàn)用電設施的特點(diǎn)和性能、諧波源的特性、治理需求以及痛點(diǎn)，并針對高速公路所面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題，在相應配電系統配置合理的電能質(zhì)量監測與治理系統解決方案，以監測電網(wǎng)電能質(zhì)量數據、實(shí)現補償無(wú)功功率和抑制諧波，減少線(xiàn)路損耗的目的，從而起到提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗的目的。