电能质量分析仪范文
时间：2023-04-10 05:58:32
导语：如何才能写好一篇电能质量分析仪，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
PS4000是由美国SUMMIT公司生产的一种电能质量分析仪，它是为了满足工程师进一步了解电能质量而设计的一种小型、简单且功能强大的分析工具，可以用来分析或监控输入电能质量。
PS4000不仅能够测试电压、电流、功率、功率因数、频率、周期、谐波等电量值，而且能够测试电压或电流的浪涌、跌落、冲击、电压尖峰等瞬态量值，从而为用户快速判定供电质量的优劣，或者为展示产品电源质量提供一个依据。该仪器可以同时适用商用和工业用电源，是现代测试仪器中一款性能优越，携带方便的电能质量仪器。
1 PS4000的主要特点
新型PS4000电能分析仪具有以下优异的测试功能：
可测试并捕捉浪涌、跌落、冲击、尖峰信号；
可分析每一个通道从1次到63次谐波分量的电压／电流幅值和相位?
可同时分析所有通道的电压、电流、功率、功率因数、频率、能量、通断周期、能量高峰期、花费等参数值?
能够连续显示每秒测量值?
具有完全的按键操作和菜单式界面?
可连续工作8～10个小时，使用充电器后可以持续使用。
PS4000可以对三相电路中的三个电压和四个电流同时进行浪涌、跌落、尖峰、谐波、电压、电流、功率、功率因数、频率、周期等参数的分析和监测，测试的数据可以上传到计算机以图形或表格的形式显示。该仪器配有专业的分析控制软件，可以对PS4000进行远端监控，特别适合于对电网质量，大型供电设备，家用电器等电源质量进行分析，是电力专家所钟爱的产品。SUMMIT公司的电能分析仪被世界很多国家的用户使用，美国前电网编辑曾这样描述：“我见过很多的分析仪，但是，这个产品给我留下了真正深刻的印象，PS3000已经是一个很坚固的小型器件，而新型的PS4000则提供了更专业的电能质量分析功能。”与它配套使用的电压、电流探头能够直接和1到15000V电压以及10mA到6000A的电流相接。通过输入调节比与PT和CT的结合，可提供更高、更大的电压电流测试。除了在室内监控外，PS4000还可以安装到Weather－resistant外挂箱上，以便能够在室外进行无人监控。另外，PS4000的“连接检查”特点更便于操作者正确连接电路，而且各种配套的附件不需要另外供电。
PS4000包含前一产品PS3000的全部测试功能，PS3000已经使用了8年，产品遍布7大洲。客户对Powersight分析仪具有很高的评价，特别是在使用简便、性能可靠、可提供及时有效的技术支持等方面。SUMMIT总载曾说：“从上一次我们为一块因跌落而损坏的仪表检修后，到现在已经六年了，它依然完好，据我所知，我的表甚至还在南极考察站使用”。
2 PS4000测试瞬态量
实际上，绝大多数的客户都特别关心PS4000的瞬态测试功能，而这也正是PS4000优于PS3000和PS250之处，因此，笔者希望通过本文使更多的人能够熟悉PS4000的功能，让PS4000给电能分析带来更多方便。
当分析瞬态参数时，PS4000能够随时监测每相浪涌、跌落、冲击和电压尖峰信号，并随时记录信号类型、发生时间、到达峰值、持续时间等，同时可捕捉并存储最坏的一个信号，以及为以后的故障分析和判断提供依据。
2．1 每相电压／电流的浪涌和跌落值测试
在进行电路的浪涌和跌落分析时，PS4000可提供以下三种记录方式：
记录浪涌／跌落事件；
记录浪涌／跌落图形；
记录浪涌／跌落波形。
（1）记录浪涌／跌落事件
如果在信号监测时间段里，浪涌出现一次，PS4000就认为有一个浪涌事件发生，出现两次，PS4000就认为有两个浪涌事件，以此类推……，当有事件发生时，PS4000将记录这一事件的发生日期、发生于哪个相线、属于浪涌还是跌落信号、信号的幅度以及信号持续的时间等信息。
PS4000的显示方式主要有两种：第一种为列表显示，每一行显示一个事件，其显示方式如图1所示；第二种为图形显示，这种方式以时间为横轴，在纵轴上显示信号的幅度和持续时间，其显示方式如图2所示。
（2）记录浪涌／跌落图形
当有浪涌或跌落事件发生时，PS4000将大致地给出浪涌或跌落信号的图形。图形从发生浪涌／跌落的前2个周期开始，持续10个周期，直到检测到下一个1／2周期来临再没有浪涌／跌落发生且持续1秒的时间为止。图形中将显示浪涌／跌落发生的时间以及每半个周期的RMS值。参见图3。由图3可见，图形的上半部将显示关键的信息，如事件的发生时间、持续时间、信号属于三相中的哪一相、信号的幅度大小等。如果发生了电压浪涌，那么和它同相的电流信号也会显示在同一张图中。
（3）记录浪涌／跌落波形
浪涌／跌落波形是对浪涌／跌落事件的一个详细描述，它们开始于事件发生前的两个周期，持续10个周期，如果事件的持续时间超过10个周期，波形中将记录最近的10个周期。如果监测的时间段内不是只有一个事件发生，PS4000将存储最坏的浪涌／跌落波形。这种方式在显示时，在波形的上方将显示事件发生的时间、相线、信号幅度和信号持续时间等。如果发生的是电压浪涌 ／跌落，那么同相线的电流信号也会显示在同一张图中。
2．2 监测高速瞬态信号
高速电压／电流瞬态信号的产生一般与被测线路本身无关，大都是由闪电、突然短路，开关拨动等原因引起的，它们的幅值会在瞬间窜到很高，持续时间也相当短，一旦这样的信号超过了定义的触发门限，PS4000将捕捉到这个信号。触发门限分为 “绝对值门限”和“相对值门限”两种。
当设置为绝对值门限时（比如设到180V），那么，在监测开始以后的任何时候，只要信号的幅值超过了＋180V或－180V，这个信号就会被捕捉并被记录下来。如果设置为相对值门限，比如20V，PS4000将以正常情况下的波形作为参考，在这种情况下，当实际波形幅度高于或低于同一点的正常波形幅度20V以上时，PS4000将捕捉记录这个信号。
在进行瞬态信号监测时，PS4000可提供瞬态事件和瞬态波形两种记录方式。
（1）瞬态事件
在这种记录模式下，PS4000将记录瞬态事件的发生时间、发生相线、峰值大小和持续时间。与浪涌／跌落测试的显示方式一样，瞬态监测的显示也包括表格显示和图形显示两种方式。
（2）瞬态波形
瞬态监测时的瞬态波形可以详细地记录瞬态事件信息，它们将持续50ms，并在事件发生前的一个周期开始记录，同时可在整个监测时间里捕捉最坏的一个信号。
与浪涌／跌落测试波形相似，这种测试波形的上方也将显示信号发生的时间，信号持续时间，信号幅度以及信号的相线等重要信息。图4是一种瞬态波形示意图。
篇2
关键词：电能计量装置；故障；分析方法；异常
1 计量装置故障
1.1 表计故障
电能表是计量电能的核心部分，没有电能表就没法实现电量的计量和直接只管判读。表计故障在各种故障现象中较为常见，表计故障原因繁多，并且导致故障的原因不同故障表现出来的现象也不同。电能表常见故障包括：屏幕故障、计度器故障、硬件故障、电池故障、存储设备故障、通讯模块故障、应用程序出错，以及因电子元件老化或者损坏导致的故障等。
1.2 互感器故障
互感器是大容量用电客户电能计量所必须使用的设备，它扮演整个计量二次回路电源的角色，没有它便无法匹配到合适规格的电能表，以至于无法计量。互感器的故障在各种故障中出现比例相对较少，但是其故障原因却呈显出多样性的特征。一般情况下，互感器比较容易发生的故障包括：电流互感器二次开路、互感器受到天气影响局部放电现象、匝间短路、电压互感器铁磁谐振及串联铁磁谐振等。另外，由于磁场不均匀导致的异常现象、铁芯过饱和导致的异常现象，以及因电压互感器一次熔丝熔断而感应出的瞬间高压引起互感器的内部绝缘破坏等。相对来说，互感器的故障更为复杂和多样，诊断和处理的程序也更为复杂。因此，对互感器故障的诊断和处理工作需要有一定的技术性要求。
1.3 接线盒故障
接线盒的存在是为了方便运行中的表计故障后的更换以及周期校验。计量回路中任何设备、器件的故障都会引发错误计量，而接线盒故障更是占到所有故障的百分之四十左右。一般来说，接线盒故障的产生是由于接线盒内部的接线端的螺丝发生松动，或者短接片紧固螺丝松脱进而导致接线盒的故障。另外，接线盒由于长时间运用，使用寿命缩短，接线盒处于高粉尘、高湿度的环境等也是导致故障的重要原因。如果一次负荷长时间处于重负荷情况下工作时，互感器二次侧的输出电流也接近于额定输出电流，这么大的电流长时间通过接线盒时，由于电线和螺丝的接触点处接触电阻较大，就会造成严重的发热。这些热量不能及时的散发出去就会导致接线盒的金属部件和塑料材料受热变形，进而使得接头逐渐松动，在后续的使用过程中产生火花，导致接线盒发生故障。另外，由于接线盒的使用时间过长，接线盒长时间暴露在空气中，其部分元件逐渐被氧化，导致基本形态发生变化，出现接触不良等问题。最后，人为破坏也是导致接线盒故障的因素，由于工作人员在安装过程中发生失误，例如螺丝没有被拧紧等，接线端子没有真实、稳固地连接，也会导致接线盒发生故障。
1.4 终端故障
终端的设置是为了提高我们的电网智能化，实现计算机自动化后台抄表，减轻一线抄表员的工作压力，同时可以方便我们随时监控用户的用电情况方便我们发现异常情况。但是终端的电流回路是和电能表的电流回路串联在一起的，因此终端的故障也可能会导致电能计量的故障，终端故障可能会造成我们对实际计量准确性的误判。终端容易发生的故障包括电源故障、通讯故障以及抄表故障等。终端故障的判定相对比较简单，但想要却确认原因仍旧需要实地的判定和分析，其分析方法和诊断的准确性高度依赖于工作人员的知识储备和工作经验，所以年轻的工作人员可能不能很好的解决终端故障问题。
2 电能计量装置异常问题研究现状
针对实际生产中所遇到的问题来开发出一种实用的接线分析系统就显得很有必要，令人欣慰的是目前市面上出现了部分厂家开发的专用设备，可以帮助工作人员省时省力的快速解决部分问题。但电能量计异常量的诊断以及电量退补的运算分析仍旧是以理论数据和研究较多，在设备和应用程序上也仍旧处于仿真的阶段，并且集中在以电能计量误差和实际电量的计算以及电量的退补方面。仅有的专门针对电能计量异常接线的系统，也大多仅局限在供电体系内帮助工作人员完成相关的运算。真正能够运用于现场的实际分析和运算的系统仍然极少。电能计量装置异常问题的研究依然是漫长的过程，需要专业人员持续地投入。
3 计量装置异常情况分析方法研究
计量装置的异常虽然类型多样，但最终的诊断和处理都会涉及到电流量和电压量。凡是处于运行状态的计量装置，一旦出现故障或异常就一定会通过电压或电流反映出来。因此，我们此次算法的研究也是主要依据电流和电压的信息进行算法的设计，先对电压电流信息进行采集，然后通过编程的手段将分析法方法固化成优化的解算程序，经过CPU单元的高频运算就可以将计量装置的故障和异常情况以图形化的界面展现出来。
目前异常分析的技术主要有四个特征。一是收集用电客户电能计量点及装置的基本信息。二是依据实际要求，对检测的时空范围进行适当地扩大或缩小变换并进行全面分析。三是将数据分析的信息可进行多层次的配置和累积，交叉引用和综合评测。四是根据情况每个用户的实际情况确定重要的阀值，建立关键的仿真分析系统。
3.1 规律性非连续算法
规律性非连续算法是指在设计的技术方案中，对计量表计的电压向量、电流向量的变化等进行分析。规律性是指在分析信息的过程中，依据数据的密集程度，将保存下来的且持续一段时间的不正常数据与恢复到正常状态后的数据对比，判定出相应结论，并将此结论保存下来。随后，在运行过程中再次出现这类不正常现象，通过与已经保存的数据进行相似性分析一般就可将这种情况确定为用电的异常。
在这种状态持续的过程中，频率和数据等会出现规律性的变化。而非连续性是指，相关的数据在某个时间点或某个较短的时间段内出现突然变化，与之前的规律性有明显不同，并且这种状态大多也能够持续一段时间。非连续性算法的工作过程大致如下：首先获取计量点曲线的数据；然后对曲线数据进行智能分析和研究，发现其中的异常曲线同时将获取的数据保存到数据库中；最后，将计量点的异常数据图形化输出。
3.2 分类连续差值算法
分类连续差值算法包括两个部分。第一是对电压量值进行研究的部分，对表计电压信息进行分类。通常是指依据不同的参考对象，对不同的数据项进行分析和研究。差值是指在确定电压分类的情况下对电压数值的判断，当实际采集到的数值与既定数值的差值超过规定的范围时，认为属于异常现象。或者虽然获取的信息值在电压曲线上，但信息的异常连续点数超过了既定的阀值，也可将其判定为异常现象。第二是技术方案的电流向量分析研究部分。当采集到的电流数据在某个判定个条件下其电流的两个最值超出了某个阀值范围，甚至多个阀值范围，则可判定为异常现象。或者当某些我们追踪的电流数据虽然依然落在电流曲线上，但数据持续异常的点数超过阀值时，也将其判定为异常。另外，在非平衡电流的状态下，想要准确的判断是否异常还需要借助用户的生产性质对及生产规律其进行判定。
4 结束语
导致电能计量装置接线出现异常的因素较多，出现的异常类型也比较多。但故障和异常的出现对整个系统都有着重要的影响，甚至影响到人身安全和财产安全等。因此，对其诊断和分析方法进行探讨，强调其科学性和准确性，促进分析效率的提升，进而获得更为精准的分析数据，以便于及时修复，保证电能计量装置的正常使用。
参考文献
[1]范洁，陈霄，周玉.基于用电信息采集系统的电能计量装置异常智能分析方法研究[J].电测与仪表，2013，11：4-9.
篇3
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51377001）
作者简介：张晓虎（1978-），男，山东莱芜人，湖南大学博士研究生
通讯联系人，Email：
摘要：针对目前国内外并没有大功率整流系统的各部件损耗及效率的实时监测仪器或平台的现状，提出了一种基于光纤以太网通信的大功率整流系统能效测试新方法，并与传统的能效测试方法的同步测量机理、能效分析方法进行了综合比较.给出了一种直流大电流间接反演算法，并通过仿真和实验验证了算法的正确性和工程实用性.最后结合工程实践，对能效测试新方法的具体实施过程进行了详细的阐述.工程实例表明该能效测试方法可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，并为提高其装备效率及系统节能提供必要的依据.
关键词：系统节能；能效监测；光纤以太网；多通道数据同步采集；直流大电流间接反演
中图分类号：TM930.1 文献标识码：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
目前大功率整流机组在电化学、冶金及轨道交通等领域取得了广泛应用，随着社会对节能减排和清洁能源呼声的日益高涨，这些高能耗领域的企业对整流机组的效率和电能质量也更加关切，加上考虑到经济运行，企业对整流机组及各部件的损耗及效率和电能质量测试需求也日趋强烈[1-3].但是，目前国内外并没有大功率整流系统的各部件损耗实时监测平台.传统的大功率整流系统能效测试方法通常采用多台电能质量分析仪对整流机组进行一段时间的数据录波，并通过复杂的人工计算获得能效测试结果，因此该方法易产生人为误差且不能实现大功率整流系统的实时在线监测与能效分析.本文针对以上问题，提出了一种基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统能效测试新方法，并结合工程实例对能效测试方法的监测原理及实施过程进行了详细的阐述.结果表明该能效分析系统可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，实现整流变压器及整流器的损耗与效率研究，从而为提高装备效率及系统节能提供必要的依据.
1大功率工业整流系统拓扑
新型12脉波整流系统拓扑结构如图1所示，主要由3部分构成[4-6]：含有载调压的新型整流变压器及其配套全调谐感应滤波装置、三相全波晶闸管可控整流器、具有低电压大电流特性的直流工业负荷.与常规整流系统相比，其添加了一个滤波绕组及其感应滤波装置，可在接近谐波源处进行谐波抑制与无功功率补偿，对于测量方案本身没有本质区别.阀侧接线如图2所示，采用同相逆并联的阀侧绕组在整流柜输入处一分为二，通过12根铜排分别与4个整流桥相连接，每根母排流过全波电流.能效测试系统通过对交流网侧、滤波侧、低压阀侧及直流侧4个测量点进行数据监测，计算整流系统各部件的损耗及效率.图1中标出了各测量点的位置，图2中标出了阀侧采集终端的配置方案.
2算法分析
2.1直流大电流间接反演与计算新方法
在化工、冶金等行业中应用的变流系统容量越来越大，其中直流电流也在不断增大，直流大电流的准确测量一直以来都是尚未有效解决的技术难题[7]；目前测量直流大电流采用最多的为霍尔互感器，工作原理是将电流信号转化为磁场测量，进而测量磁密或磁通、磁势等方法来测量电流，但整流环境具有强腐蚀性和电磁干扰、谐波污染严重以及直流电流大等特点，其测量精度一般不能满足要求[8-10].针对上述直流测量方案的缺陷，本文提出了一种基于阀侧电流叠加反推算法的直流大电流间接反演与计算新方法，该方法已经申请并获得了国家发明专利“一种基于交流检测的直流大电流间接测量的方法及装置”（专利号：ZL201010578601.2）.该反推算法的原理可简单描述如下：
忽略换相过程和直流侧电流脉动情况可推导交流侧电流及其基波和各次谐波与直流电流的关系表达式如下：
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）表征了换流器直流电流与交流电流的变换关系.以上的分析可体现两方面的特征：①交流信号经过换流器非线性调制后转化为具有一定谐波频率的直流电流；②直流信号及谐波信号势必引起交流侧产生基波及谐波电流.
忽略了换向过程、直流侧脉动及晶闸管阻容等条件，是为了减小换流器直流电流与交流电流的变换关系推导的复杂性，这肯定会在一定程度上影响其变换关系推导的准确性；但该部分推导的主要目的只是为了表征交直流电流之间具有较为严格的对应关系，为后面给出的基于阀侧交流电流叠加反推直流电流算法的设想提供理论支持与依据，而并不作为交流反推直流的直接公式；本文将以此为理论分析基础，来阐述直流大电流间接反演算法的原理.
反演算法的原理是通过高精度交流电流互感器和测量终端对阀侧三相正半波多路电流信号进行同步采样处理，通过阀侧正半波电流的叠加处理即可实现直流电流的反演与推算，图3给出了交流电流到直流电流的反演示意图.阀侧叠加反演直流电流算法过程如下.
1）利用图2所示测量终端同步采集阀侧绕组接出的所有交流电流信号，形成n个具有s个采样点的电流序列[i1[s]i2[s]…in[s]] （n为阀侧绕组接出的电流信号个数，其数值与阀侧绕组的接线方式有关；s为采样点个数），然后对in[s]数值进行判断，若in[s]0，则保持in[s]数值不变.
2）对步骤（1）重新获得的电流序列in[s]进行叠加计算，求得推算的直流电流序列id[s]：
id[s]=∑12n=1in[s]. （2）
2.2大功率工业整流系统能效分析算法
本节以图2所示低压阀侧绕接线方式的12脉波整流系统为例来介绍能效分析算法.
2.2.1整流系统各测量点有功功率的计算
对于交流网侧和滤波侧，采用的是三相四线制测量方法，引入的电压信号为相电压，根据式（3）可得交流网侧和滤波侧有功功率PG和PF.US和IS分别为相电压和电流采样序列.
P=1M∑M-1S=0USIS. （3）
对于低压阀侧，采用的是三相三线制测量方法，引入的电压信号为线电压，需进行线电压到相电压的转换，根据式（4）可计算其4个桥的三相总有功功率PV1，PV2，PV3和PV4，则阀侧总功率PV=PV1+PV2+PV3+PV4. U12S，U23S和U31S为线电压采样序列.
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种方式计算直流侧平均功率：一种方式为根据直流霍尔互感器实际测量的直流电流计算直流侧平均功率Pd，kW；另一种方式为根据本文第2.1节给出的基于阀侧交流电流叠加反推直流电流算法计算直流电流平均值来计算直流侧平均功率Ptd，kW.两种计算方式下最终获得的能效分析结果将在本文第5.4节能效测试结果分析中给出.
2.2.2整流系统各部件损耗的计算
整流机组总损耗即系统总损耗，主要包括：变压器损耗PT和整流器损耗PR，分别为：
PT=PG-（PV1+PV2+PV3+PV4）-PF，
PR=（PV1+PV2+PV3+PV4）-Ptd，
PZ=PT+PR.（5）
式中：PG为交流网侧输入有功功率；PF为滤波侧有功功率；Ptd为直流侧输入有功功率；PZ为系统总损耗.
2.2.3整流系统各部件效率的计算
整流系统各部件效率主要包括：变压器效率ηT，整流器效率ηR以及整流机组总效率η.计算表达式为：
ηT=PG-PTPG×100%，
ηR=Ptd（PV1+PV2+PV3+PV4）×100%；（6）
η=PG-PT-PRPG×100%. （7）
整流系统在实际工况下的运行效率，可按照下式推算其额定效率：
ηt=11+（1η-1）UdIdnUdnItd. （8）
式中：ηt为整流系统在额定工况下的推算效率，%；η为整流系统在实际工况下的运行效率，%；Ud为整流系统测定运行效率时的实际输出电压，V；Itd为整流系统测定运行效率时的实际输出电流，kA；Udn为整流系统的额定输出电压，V；Idn为整流系统的额定输出电流，kA.
能效分析平台可以从数据库中查询任一时间段内的网侧输入电能WG及直流侧输出电能Wd：
WG=∑ns=0PGsΔt，
Wd=∑ns=0PdsΔt.（9）
式中：PGs，Pds分别为数据库中存储的网侧和直流侧有功功率记录，kW；Δt为相邻两个有功功率数据记录存入数据库的时间间隔.
任一时间段内的系统电能效率ηq为：
ηq=WdWG×100%=∑ns=0PGs∑ns=0Pds×100%. （10）
3传统能效测试方法
根据12脉波工程实际安装及运行情况，介绍一种基于电能质量分析仪的工程现场能效测试方案，该方案能效测试系统拓扑结构如图4所示，采用6台日本HIOKI公司的电能质量分析仪（HIOKI3198）对交流网侧、滤波侧、低压阀侧及直流侧4个测量点进行同步数据采集.表1给出了现场测试配置表，包括测试仪器、互感器等.
其中，阀侧绕组接线方式与图2相同，图2中阀侧终端1～4为4台电能质量分析仪（HIOKI3198）.电能质量分析仪（HIOKI3198）具备三相电压及电流6个交流通道和1个直流通道，如图4所示，直流侧直流电压及电流信号的采集分别由阀侧的2台电能质量分析仪的直流通道完成.
1）同步数据采集方法.将6台仪器对时后，设定所有仪器在同一时间采样，定时事件触发电能质量分析仪同步录波一段时间（分钟、小时、天，可选）；电能质量分析仪采样的数据可以保存为CSV文件，供能效分析算法调用.
2）能效分析方法.将6台电能质量分析仪（HIOKI3198）同步采集的数据全部保存为CSV数据文件，然后将数据代入第2节能效分析算法中，计算大功率整流系统各部件损耗及效率.
4基于光纤以太网的能效测试新方法
图5给出了基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统能效测试系统拓扑结构图.系统采用3层B/S模型，分为终端设备层、光纤以太网通信层和主站监测层3个部分.终端设备层分别在交流网侧、低压阀侧、滤波侧、直流侧4个测量点安装自主设计的数据采集终端，实现各个测量点的数据同步采集及上传；通信前置机实现终端设备层与主站监测层的数据交互，并将采集的数据进行算法分析后存入数据库服务器，供大功率工业整流系统能效分析平台分析调用，Web服务器则完成数据库服务器与监测计算机的交互.
4.1同步数据采集机理
如图5所示，监测系统设置网测采集终端为主采集终端，其他均为从采集终端，同步测量机理可简单描述如下：首先通信前置机向主采集终端发送同步采集命令，主采集终端收到命令后向所有从采集终端发送同步脉冲（低脉冲），同步脉冲的下降沿触发各采集终端外部中断进行同步数据采集；采样固定周期数据后，采样数据依次通过串口转光纤电路、光纤转串口电路以及串口转TCP/IP转换器（即光纤以太网通信线路），最后经由以太网交换机上传到通信前置机；通信前置机对采样数据算法分析后存入数据库服务器，供上位机能效分析平台分析调用；接着通信前置机再次向主采集终端发送采集命令，重复以上过程.各采集终端利用光纤发射器HFBR1414和光纤接收器HFBR2412设计了串行口的TXD发送端和RXD接收端的TTL电平与光纤信号转换电路以及光纤信号转串口电路，无需购置市场上的串口转光纤设备；既提高了采集终端的集成度，又减小了系统的硬件成本；且对于采集终端而言其通信使用的是串行口通信，而对于后台PC机则使用的是TCP/IP通信，既减轻了采集终端的通信电路复杂度，又提高了与后台PC机间的通信稳定性.
4.2能效分析方法
基于光纤以太网通信的大功率工业整流系统能效分析方法的功能实现主要由通信前置机软件和大功率整流系统能效分析平台软件实现，可简单描述如下：
1）首先由通信前置机软件实现对所有测量点同步采样数据的能效分析计算，计算结果保存到数据库中.
2）然后进入大功率整流系统能效分析平台，选择要监测的整流机组，在能效分析平台界面上实现该整流机组的能效测试结果的图表显示及分析.
4.3能效测试方法比较
1）同步采集方法比较.传统方法：采用所有仪器对时后，定时触发同步数据采集.由于无法实现准确对时，同步性能较差.
新方法：采用光纤同步触发信号，触发各采集终端外部中断进行同步采集，同步性能较好.
2）能效分析方法比较.传统方法：所有仪器均产生CSV文件，需要对逐个文件进行能效算法处理后，再综合到一起才能获得最终能效测试结果.整个过程处理复杂且均需人工操作，容易产生人为失误且费时费力.更值得注意的是该方法只能实现某段时间的能效分析，不能实时在线监测.
新方法：由通信前置机软件实现各测量点数据的同步采集及能效算法分析，并将计算结果存入数据库中，最后由大功率整流系统能效分析平台调用图表显示分析.整个过程从数据采集到分析处理完全由监测系统软件自动完成，并且监测系统可以实现大功率整流系统的长期实时在线监测.
5工程验证
某电解锰整流系统实际项目，其额定直流输出600 V，17.5 kA.系统电气接线如图6所示，单机组为等效12脉波（Y和Δ绕组共铁心），采用同相逆并联的结构形式，阀侧输出4个联结组，通过12根铜排分别与4个整流桥相连接，每套机组均配置了11次和13次单调谐滤波器，以作功补和滤波.图6中标出了3，4号整流机组能效分析系统测量点.
5.1基于光纤以太网的能效测试系统施工方案
本文主要介绍低压阀侧及直流侧施工过程，如图7所示，在整流柜侧面安放电气屏蔽柜1个，内装阀侧采集终端4台，直流侧采集终端1台.
阀侧信号引入.1）电压：在阀侧12个铜排上安装金属钩直接引线将电压信号接入采集柜接线端子排（铜排间线电压引入终端调理电路）.2）电流：阀侧铜排上套装12个刚性开口罗氏线圈互感器，其积分器输出信号接入采集柜接线端子排.
直流侧信号引入.1）电压：直接从直流铜排引线接入采集柜接线端子排.2）电流：直流铜排装有直流霍尔互感器（变比为20 kA∶5 V），其积分器输出接入采集柜接线端子排.
5.2新方法同步性能测试与分析
采样通道间延时是衡量系统同步性能的重要指标[11].通道间延时可通过以下公式计算：
Ti0=θi2πf0， 0≤θi
Tj0=θj2πf0， 0≤θj
式中：θi和θj分别为2个不同的采集通道i和j对应的初始时刻Ti0和Tj0各自的初始相位.则两个通道间的通道延时Tij为：
Tij=Ti0-Tj0=θi-θj2πf0.（12）
考虑不同通道数据计算的信号频率差异，取频率为两者均值，则式（12）变为：
Tij=Ti0-Tj0=θi-θjπfi0+πfj0. （13）
为了测试同步采集系统的同步性能，测试实验为所有采集板的三相电压及电流通道引入相同的交流标准源信号进行同步性能测试，表2给出了网侧电压及电流通道1与滤波侧所有电压及电流通道的同步性能测试结果，结果表明该同步采集方法完全符合能效分析系统的同步性能要求.
5.3直流大电流间接反演仿真验证
本文针对该电解锰整流系统建立了仿真模型.图8给出了相应的直流电流仿真波形及由阀侧交流电流叠加推算的直流电流波形.由图8可见，阀侧电流的正半波进行叠加推算出的直流电流波形与实际直流脉动波形基本重合.
表3给出了本方法推算值与仿真值对比，由表3可见，直流电流推算值与仿真值十分接近，误差为0.053%～0.086%.
为了保证阀测交流电流数据采集的精度，选择了高精度刚性开口罗氏线圈互感器（型号：TLGK），其出厂在国家高电压计量站进行了校准，其中出厂编号为1301022的互感器（校准证书编号：201310083）校准检定结果如表4所示.
5.4能效测试结果分析
表5给出了3，4号整流机组的能效测量结果，从表5中可以看出：
1） 3号和4号整流机组的实测直流电流值与利用阀侧交流电流叠加反推算法求得的直流电流大小差值分别为67.36 A和62.67 A，进一步证明了阀侧交流电流叠加反推算法的可靠性及准确性，考虑到直流霍尔互感器的测量精度较低，实际测量值一般偏低，只能作为参考，这里主要以推算的直流电流计算的直流功率来计算整流系统各部件的损耗及效率；
2） 两套机组的变压器效率均在98%以上，实测整流器效率及推算整流器效率也均在99%以上，作为参考的实测整流机组总效率也在97%以上，根据推算直流电流算得的整流机组总效率更是在98%以上，有效地证明了该新型直流供电系统的高效性.
6结论
1）给出了大功率工业整流系统的拓扑结构、能效测试内容以及能效分析算法；
2）给出了一种基于阀侧交流电流叠加反推直流电流的直流大电流间接反演与计算方法，并通过仿真验证了此方法的正确性；
3）介绍了基于电能质量分析仪的传统能效测试方法以及基于光纤以太网通信的能效测试新方法，并对2种能效测试方法进行了综合比较；
4）结合工程实践，对基于光纤以太网的大功率工业整流系统能效测试新方法的监测机理、整体设计方案以及具体施工方法进行了详细的阐述.结果表明该能效测试新方法可以有效实现工业整流系统各供电装备与系统的效率核算，实现整流变压器及整流器的损耗与效率研究，从而为提高装备效率及系统节能提供必要的依据.
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篇4
关键词：电能质量；检测系统；实时监控
中图分类号：R363.1+24文献标识码：A 文章编号：
0 引言
随着我国智能电网建设逐步深入，电能质量问题越来越受关注，电能质量在线监控系统的应用也更加广泛，电能质量在线监控系统的规模已经逐步从变电站级、县/市/地区级的中小型系统，发展到省级、网级的广域分布式大型、超大型系统。电能质量监控系统覆盖区域越来越广泛，监测对象越来越多，有必要对电能质量在线监测系统做更深的了解，已达到更好的实时监控效果。
1 产品特点
电能质量监测系统HDGC3580具有GPRS无线传输功能和以太网远程传输功能，可随时随地得知各个监测点的实时数据，并能通过远程控制技术，做到随时对任意一个监测点进行修改设置和做特殊检测。
可以在任何地方任何时间查看HDGC3580所记录的数据,并在上位机上进行细致深入地分析。
如有异常电力事件发生,HDGC3580能够以最快的速度进行报警提示，并且通过原始资料，可以在电脑上很快查处出现问题的设备号和设备所在地。
公司不断优化监控终端的程序，客户可通过远程下载和安装，轻松实现监控终端程序的更新。内置大容量Flash存储盘，可保证记录时间的长度和记录数据的完整性。
2 产品功能
2.1 电能质量参数监测
可测量三相三线、三相四线的电压、电流、频率，并记录其变化趋势；
可测量三相四线电系统的三相有功功率、视在功率、无功功率、功率因数等，并记录三相有功功率的变化趋势。
可测量三相四线电系统的不平衡度，并记录其变化趋势。
可测量三相四线(三电压、四电流)的1~25次谐波，及其总谐波失真。并记录其中某一次谐波的变化趋势。
可测量电压波动与闪变。
2.2 系统管理：
数据管理
基本测量数据：查看在基本测量功能中保存的结果数据。
谐波数据：查看在谐波测量功能中保存的结果数据。
功率数据：查看在功率测量功能中保存的结果数据。
三相不平衡数据：查看在三相不平衡测量功能中保存的结果数据。
录波事件记录：查看在事件录波功能中保存的结果数据。
2.3 计量校正
零点校正：校正各个通道的零点。
传感器设置：置电流传感器。使用仪表前应先将此处的传感器类型设置成与实际使用的传感器一致。
3 系统组成
3.1系统组成
电能质量在线监测系统主要有现场监测层，通讯传输层和数据管理层组成，组网方式有网线、光纤、无线三种模式。
3.1.1现场监测层
现场安装各类电能及电能质量监测设备，要求具有通讯功能。可以选择安科瑞的ACR330ELH、ACR320ELH、ACR230ELH、ACR220ELH等电力仪表，主要功能： LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO，RS485通讯接口、Modbus协议。
3.1.2 通讯传输层
为了将监测层设备采集的数据传送到服务器而负责数据通讯传输的设备，主要有通讯管理机、串口服务器、网络交换机等。数据采集终端通过串口与监测层设备通讯，读取其中数据，并进行初步分析、整理，将数据保存在本地SD卡中，之后将数据传输给无线通讯模块。无线通讯模块采用射频技术，在现场组成无线局域网络，将各点数据采集终端整理的数据收集并传输到后台服务器，也可用网线或光纤的方式传输数据。
3.1.3 数据管理层
对采集数据进行存储、解析及应用的过程，包括服务器架设、各种软件的应用。
3.2 系统功能
3.2.1 标准的监测系统具有CAD一次单线图显示中、低压配电网络的接线情况；庞大的系统具有多画面切换及画面导航的功能；分散的配电系统具有空间地理平面的系统主画面。主画面可直接显示各回路的运行状态，并具有回路带电、非带电及故障着色的功能。主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。
3.2.2 用户管理
可对不同级别的用户赋予不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性。如对某重要回路的合/分闸操作，需操作员级用户输入操作口令，还需工程师级用户输入确认口令后方可完成操作。
3.2.3 数据采集处理
通过安科瑞Acrel-2000型电力监控系统可实时和定时采集现场设备的各电参量及开关量状态（包括三相电压、电流、功率、功率因数、频率、谐波、不平衡度、电流K系数、电话波形因子、电压波峰系数、电能、温度、开关位置、设备运行状态等），将采集到的数据或直接显示、或通过统计计算生成新的直观的数据信息再显示（总系统功率、负荷最大值、功率因数上下限等），并对重要信息量进行数据库存储。
3.2.4 趋势曲线分析
系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的负荷运行状况。如通过调用某配出回路的实时曲线可分析该回路的电气设备所引起的信号波动情况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，方便工程人员对监测的配电网络进行质量分析。
3.2.5 报表管理
系统具有标准的电能报表格式并可根据用户需求设计符合其需要的报表格式，系统可自动设计。可自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、事件故障及告警记录报表，操作记录报表等，可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，根据复费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置；系统设计还可根据用户需求量身定制满足不同要求的报表输出功能。
4 结束语
随着社会经济的发展及电力的广泛应用，电能质量分析管理已成为电网用户侧配电系统建设的必然选择，以上介绍的电力质量分析仪，可以实现对电能的在线监测，实现对采集数据的分析、处理，并生成各种电能及电能质量报表、分析曲线、图形等，便于电能的分析、研究。
篇5
[关键词] 虚拟仪器 软测量 广域应用性 电力工程测试
1 概述
虚拟仪器(Visual Instructions)技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着智能化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展
电子测试仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数7化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代是模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。第二代是数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代是智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代就是虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。虚拟仪器的概念，是美同国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI)于1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。
总之，工业标准计算机平台(PC、Macintosh、Workstation等)与趋于模块化的硬件结构及丰富的软件相结合，正在迅速地改变着传统仪器仪表和测试系统的概念，从而提出了虚拟仪器的新概念，出现了“软件就是仪器”、“测试设备的未来属于软件”的新思想。近年来，虚拟仪器技术在电子测量领域、过程控制领域以及人们生活中的其它许多领域被推广应用。
软测量技术是依据工业生产过程中过程变量间的关联，通过一些能够检测的过程变量和相应的数字模型，来计算、估计过程中难以用仪表检测的另一些变量的技术。
随着计算机技术的飞速发展，采用虚拟仪器技术和软测量技术相结合的方法，在一个统一的硬件平台上，根据所运行的应用软件，将该硬件平台虚拟成能满足现场需要的不同测试分析仪器，从而柔性地构造出电力工业现场所需的各种特性测试分析仪器。
2 问题的提出
随着计算机技术在发电机组的各种控制过程中的广泛应用，对发电机组的各种电气参数的测量提出了更高的要求，不仅要求测量信号全面、准确、可靠、实时，并且要求能实时记录控制过程中各种参数的变化轨迹，以获得最佳的控制参数。但是目前在电力系统的发电机组特性试验、变压器特性试验、励磁系统特性试验、调速系统特性试验、电力系统稳定器特性试验、发电机转子绕组匝间绝缘状态检测、电能质量分析等方面仍然主要采用传统的由各类独立仪器构造的测试分析系统。目前进行上述设备特性试验的手段和技术方法有两种：(1)采用多种类的独立电磁式表计(如电压表、电流表、功率表、无功表、频率计等)进行测量，人工记录测量数据，然后将记录结果进行人工绘图并整理报告或用计算机绘图整理报告。(2)采用专用数字式智能测试仪器进行测量，自动记录测量数据，自动进行绘图和报告整理。
采用第一种技术方案进行上述设备特性试验分析存在的主要问题如下：
(1)进行每项试验时的测量表计种类很多、接线复杂、工作量大。
(2)由于是人工记录各类表计的测量数据，所以需要多人同时工作，造成测量数据的一致性差，且人工读数误差很大，无法保证测量结果的精度要求。
(3)对测试记录结果，无论是人工绘图并整理报告还是将记录数据输入到计算机中进行绘图及报告整理，都将使测试结果分析费时费力，工作效率低。
采用第二项技术方案进行上述设备特性试验分析存在的主要问题则为：
(1)进行每项试验时采用不同的专用数字测试分析仪器。每一种专用仪器只针对特定的试验项目使用，造成用户的仪器投资大，且仪器利用率不高。各专用仪器使用操作方法区别很大，造成使用操作复杂。
(2)由于普通数字测试分析仪器采用前置单片机先进行数据采集，试验过程结束后，再将由前置单片机记录下来的数据传送到后台计算机进行数据处理分析和录波曲波再现的系统构成方案。所以这类数字测试分析仪器数据显示和曲线还原无实时性，试验人员要等到试验结束后才能看到试验的过程曲线。同时，由于受前置单片机的硬件限制，这类数字测试分析仪器的数据记录容量都不可能很大。
(3)这类专用数字测试分析仪器的功能扩展不易，升级困难，无法很好地满足现场使用中用户提出的某些特殊要求。
本研究的目的是为从根本上解决上述问题，为广大的电力系统用户提供一种全开放、多功能、多用途的综合电力虚拟测试分析仪器，改变目前在发电机组特性试验、变压器特性试验、励磁系统特性试验、调速系统特性试验、电力系统稳定器特性试验、发电机转子绕组匝间绝缘状态检测、电能质量分析、变送器校验、同期装置校验等方面仍然采用一机一用的技术现状，通过一机多用的技术方法，减低用户在测试分析仪器方面的投资成本，提高用户测试分析仪器的利用率，提高电力系统发供电设备的故障检测及实时电量测控领域的技术水平。
3 基本设计原理
在电力系统的生产过程中，需要对大量不同的电力生产设备和生产过程进行各种测试分析工作。这些测试分析工作大致可分为四类，第一类是对多路试验信号进行测量和数据分析，以及图形显示和报告处理等。第二类是产生并输出试验过程所需求的电气信号，为试验设备提供一个稳定可靠的信号源。第三类是产生并输出一种电气信号作用于被测设备，在被测设备上测量另一些相关变量的信号，对输出信号和测量信号进行数据计算和分析、图形显示、报告处理等。第四类是将计算机与外部被测设备共同构成一个实时模拟数字混合仿真系统，由计算机对被测设备的控制对象进行数字仿真，并对被测设备进行特性指标分析等。
构造具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器，其基本的设计原理是，在理论上应用软测量技术和虚拟仪器技术方法，在计算机硬件和软件技术上采用 标准通用模件和图形化软件编程平台以及面向测量对象的软件体系结构。其特征是将公知的计算机硬件资源与设置的输入接口、输出接口、信号转换、通讯接口、打印接口和人机接口模块以及根据若干被测对象电量工作机理编制的应用软件包共同构成一个由计算机操纵的模块化仪器虚拟测试系统，通过运行不同的应用软件包，在同一硬件支持下，完成不同被测电量的测试分析。
首先，按照有关的电力试验规范，根据被测对象其内部各变量之间的相互关联性，通过相应的数学模型，对不易于用常规仪表或方法进行测量的变量进行估算，并且其估计值应具有实际过程所允许的精度，设计能满足不同的电力设备试验及测试要求的多个测试分析软件组件。其次，采用基于PC机的直接由专用插入式数据采集(DAQ)和数据输出板卡建立统一的硬件支持平台的系统构成方案，并深入到WIN－DOWS的内核中编写一系列的属于系统级的虚拟设备驱动程序(VXD)，可完成对操作系统的各项底层操作，以满足本测试分析系统的各项测试分析功能软件对数据采集、仿真计算、信号输出的快速性和实时性的要求。最后，对每一项测试分析仪器功能均采用面向对象的编程技术(OOP)，使本测试分析系统具有各种符合实际操作习惯的3D图形仿真仪器界面，并将这些组件在一个能提供多种支持和服务的测试分析系统管理软件中集成为一个完整有机的软件包，使其具有能根据不同用户实际使用要求进行多种操作设定的灵活性和柔软性。
整套系统在一个统一的硬件支持平台上运行，将多项电力系统设备的测试分析仪器通过测试功能软件进行虚拟化，使该系统能最大限度地满足现场用户的实际需要，并且具有更高的性能价格比，进而构造出具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器。
4 研究现状
根据前述构造具有广域适应性的新型电力工程测试分析仪器的基本设计原理，我们开发设计了PVI多功能综合电力虚拟测试分析仪。该测试分析仪经过江苏省计量测试技术研究所测试，表明各测量通道精度优于±0.2％，达到了0.2级表计精度，并取得了国家版权局颁发的计算机软件著作权证书和江苏省信息产业厅颁发的计算机软件产品登记证书。该测试分析仪与传统的智能型测试仪器相比，具有功能完善、应用面广、性能稳定、实时性强、延扩性好、操作简便、成本低廉等特点，能完成如发电机特性试验、励磁系统特性试验、调速器特性试验、变压器特性试验等十多种试验的测试分析任务，可广泛应用在电力工业现场，以及其他需要进行高低压电气测试的场合。
PVI多功能综合电力虚拟测试分析仪，已开始在电力工业现场投入使用。实际使用结果表明，该分析仪各项技术性能指标已满足设计要求和现场实际使用的需要，其主要功能及技术特点有：
(1)基于同一计算机硬件平台的十大软件功能模块，用户运行不同的软件模块，可完成不同的电量测试与分析任务(发电机特性测试分析仪、变压器特性测试分析仪、励磁系统特性测试分析仪、低频记忆示波器、信号校验仪、低频逻辑分析仪)；
(2)基于Windows 9x/NT/2000操作平台的全中文仿真仪表3D图形界面，人机交互接口友好，直观清晰操作简易，无需培训即可上岗操作；
(3)软件功能完备，具有实时采集、动态显示、记录保存、追忆回放、逻辑分析、多种优化算法、报告整理、输出打印、网络传输等功能；
(4)连续实时存储信息量大，每次试验最多16通道可连续记录5min：
(5)可提供简捷的软件操作向导Wizard；
(6)各通道具有动态标度变换与非线性补偿功能；
(7)模拟量信号和数字量信号输入／输出通道均具有完善的隔离与保护措施：
(8)具有高精度、高可靠性，抗电磁干扰能力强。
PVI虚拟测试分析系统硬件结构和软件系统示意如图1、2)所示。
5 应用前景
篇6
【关键词】光伏电站；数据采集系统；集成检测系统
随着对于新能源的开发和利用，并在国家相关政策的支持下我国的光伏电站行业的到了迅速的发展。至2013年我国光伏电站已达到了1716万-千瓦的装机总量。因为光伏电站的装设适用与任何能够取得光能的地方决定了光伏发电的随机性和波动性等特征。现在光伏电站实行并网运行，这就给电网的安全运行产生了一定的影响，为保证电网的安全运行必须对光伏电站进行检测评估。经过相关研究一些检测系统被研发，本文将针对光伏电站特有的环境因素采用光伏电站集成检测系统设计进行阐述。
一、集成检测系统的特点和功能
（一）集成检测系统的特点。集成检测系统是以计算机为基础，对现场的运行设备进行监视和控制，通过集成检测系统的检查实现对光伏电站系统的控制和数据的采集。根据国家电网相关规定对光伏电站发电的电能质量、发电功率、低压穿越、防孤岛以及并网后频率的扰动等进行检测。其结构图如下：
图1 光伏电站现场检测系统结构图
此系统主要体现如下特点：1、集成系统对检测过程中检测设备的控制，收集检测到的数据进行存储和分析。2、光伏发电信息实时性较强。因为光伏发电受到自然环境因素的影响较大，且电力系统运行时的参数变化迅速且频繁，所以对于光伏发电实施信息的检查至关重要。3、集成检测系统检测信息的可靠性。检测过程中的信息采集和数据分析以及相应的控制命令的准确可靠直接影响着系统的正常运作。3、整体化设计，此系统在检测的过程中检测和数据分析同时进行，还能够自动生成分析报告。4、整体中又分由选择性的模块化设计，提高整个检测系统的兼容性。
（二）光伏电站集成检测系统的功能。集成检测系统能够对现场设备和环境进行监控，之后把采集的数据分析传输至总网的功能。此外，由于此系统具有模块化设计的特点还能够进行选择性项目测试，例如对于电能质量，功率特性，低电压穿越和孤岛测试正色几个项目根据实际情况由选择的进行测控。同时还具备对检测装置进行调节控制的功能。其系统功能图如下：
图2 集成检测系统功能结构图
二、集成检测系统的设计
系统的整体化结构便于统一管理，节约资源，提升系统的整体性能，下图为基础检测系统设计的整体结构图：
图3 检测系统整体结构图
主工作台主要是接收各个装置检测的数据，再根据这些仪器检测到的的数据进行调整控制并发送控制指令。
（一）主工作台的统一管理。把集成检测系统的整个检测过程中的各个监控装置的融汇到一个统一直观的主界面，建立包含有各项检测数据的各项检测数据的统一平台。其中数据采集系统对整个系统的数据进行统一采集，避免多出数据采集造成资源浪费。项目测试系统的模块化，可根据不同测试项目的要求进行选择性测试。
（二）集成检测系统的数据平台。数据平台的设计要具有对各测试装置的数据的采集，同时还要对收集的数据进行分析和处理。数据平台中的数据库为集成检测系统中的监控功能提供数据，它对各检测装置的数据和参数进行管理和控制，实现各个系统之间数据的传递、交换和整体的数据共享。
（三）系统设计中的增设功能。1、在集成检测系统中加入模拟调度系统，此系统是为了模拟调度中心对电站的输出功率要求，利用此系统能够做到和调度系统同样发送指令的功能。2、孤岛测试自动调节功能。改变之前的手动调节负载的方式，在此系统中事先输入指令，根据指令要其自行完成负载和输送功率的匹配。
（四）对各项目的测试设计。项目测试采用模块化，具有选择性的结构，其内容包含了光伏发电的质量，低电压穿越，传输功率的特性，防孤岛检测功能，频率的波动等。1、检测电能的质量时通过质量分析仪采集电站的电能信息，并通过无线传输把采集到的数据信息传送至集成检测系统，在集成检测系统中进行数据处理。2、对于低压穿越装置的检测，由集成检测系统指令，模拟电网跌落的过程，在此过程中要及时采集相关的信息，通过整理分析之后评估光伏电站的低压穿越能力。3、对电站功率特性的检测，是利用模拟调度功能调节光伏电站的功率，气象装置利用无线电传输把相关数据传送到集成检测系统，之后电站并网的功率信息通过功率分析仪把并网点功率信息传至集成检测系统，经过GPS对时达到数据的同步共享。4、对于防孤岛装置的测试主要检测电站防孤岛的保护能力，是利用自动加载负载功能对模拟RLC负载做出自动调整，同时检测出此过程的参数，来计算防孤岛的保护时间的方式。5、频率波动。通过测控系统下达指令来控制频率扰动装置，在模拟电网频率保护的过程中进行数据采集，整理和分析，对光伏电站频率波动的情况进行评估。
（五）测试结果的处理设计。在测试完成后要进行整理总结做出相关的测试报告，在设计系统自动生成报告程序。按照测试报告内容的相关要求，仍采用模块化设计，利用系统数据库的数据，自动加载相应的检测数据，形成较为完整的数据测试报告，之后打印备用。
（六）对集成检测系统的功能进行验证。对系统功能的验证，系统可根据要求对各检测装置下达指令，同时采集检测过程中的相关数据，并作出整理分析最后出具相应的报告。之后拿实际数据、集成系统检测的数据和在旧方式下测得的数据进行核对。现以低电压穿越的数据值为例验证得出集成检测系统各项设置运行完好，数据准确可靠。
三、结束语
对于光伏电站现场设备和环境的检测是保障电网安全运行的有效措施，本文中的集成检测系统通过各项设置的模块化检测和相关数据的采集以及其中一些设置的自动调节到最后系统数据统一化的管理，通过一体化的平台对光伏电站的各项性能进行监控和调节。这样集成检测系统的运用，提高了对光伏电站的检测效率，节约一定的资源，更是促进光伏电站的快速发展。
参考文献：
[1] 李丹萍，葛强，谈磊.基于DSP光伏发电系统的最大功率跟踪试验[J].扬州大学学报（自然科学版）. 2010（03）.
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【关键词】电梯；能耗；测量；模型
最新的研究资料显示，建筑能耗约占全球总能耗的40%，而电梯的能耗占建筑总能耗的约3%至8%，可以说占据了为数不小的比例。且随着建筑总量的持续增长，有急剧上扬的趋势。随着电梯行业技术的不断发展和我国节能减排政策的不断落实，我国节能电梯产量占电梯总产量的比例不断增大。为配合国家有关建筑物节能政策的实施，各地方政府纷纷出台了相应的政策，对老旧且能耗高的电梯进行大修或改造计划。需更换的电梯，通过更换或技术改造替换成节能电梯。由此可见，国家对电梯的节能非常的重视，不断的降低电梯的能耗使用率，预计未来时间里电梯能效检测的需求也将迅速增长。
1、电梯能耗分析
构成电梯的能耗部分有：驱动主机的能耗、曳引系统的能耗、门机系统的能耗、控制和显示系统的能耗、电梯轿厢内照明和通风系统的能耗以及电梯内其它电气设备的能耗。电梯的能耗主要集中在曳引驱动装置上，占总能耗的70%以上，但是电梯的能耗与普通电动机的能耗存在很大区别。电梯通常配有对重装置，当电梯上行的时候，电梯的能耗随着载荷的增加而增加：当电梯下行的时候，电梯的能耗随着载荷的增加反而减小。电梯的能耗随着行程的增加而变大。
对于具有能量回馈功能的电梯，在电梯轻载上行和重载下行的过程中，可以有效地将电容中储存的直流电能轻易地转换成交流电能并且及时输送电网。可以节省15%～45%的耗电量，且速度越高、载重越大，省电的效果越好。对于特定电梯，具体工况下的能耗主要是由载荷、速度、行程和运行次数等决定。如果隔层服务方式的电梯的可服务搂层的数量为n.那么行程种类的数量可以达到n（n-1）。同时，电梯的载荷也随着乘客的数量而变化，乘客的数量也不确定。电梯能耗测量的难点在于电梯运行过程的多样性和载荷的随机性
2、测量法
根据电梯在具体工况下的运行特点将能耗分为启动能耗、匀速运行能耗、制动能耗，开关门能耗、待机能耗（不包括轿厢内的能耗）和轿厢内的能耗（照明、风扇或空调、显示装置等）。对上述各部分能耗的测量的相加即为电梯的总能耗。
电梯启动能耗、匀速运行能耗和制动能耗主要与载菏、运行方向、开始楼层和目标楼层有关，是动态的一个过程，是电梯能耗测量的难点。为了全面反映电梯的能耗情况，首先建立启动能耗、匀速运行能耗、制动能耗与载荷之间的相关联系，简化载荷的测量的次数。采用均分的原则，将测量的载荷选择为：额定载荷的0%、25%、50%、75%和100%。之后建立启动能耗与开始楼层以及制动能耗与目标楼层的相关联系、开始楼层和目标楼层位置不同和载荷变化量的相关联系.从而简化测量行程的数量。
电梯开关门的能耗主要与开关门的时间长短和次数有关。电梯停靠在某一确定层站，手动操作使电梯门机系完成至少5次开关门动作，并记录动作的时间。为了清晰分辨开关门的动作，相邻2次开关门之间至少间隔8s。
对于某一测量电梯，其休眠状态、待机功率和轿厢内照明装置和通风系统的功率比较稳定。使电梯停靠在某层站，记录10Min左右的能耗数据，即电梯待机和体眠的能耗数据。由于电梯轿厢内照明装置和通风系统是通过单独的电路连接单相交流电源，所以这部分能耗可以进行单独数据测量。
此外，特定测量的电梯的电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率主要与曳引装置的负载大小有关，即与电梯的载荷情况有关。需要分别测量电梯在额定载荷的。0%、25%、50%、75%和100%下，全程上行、全程下行的电流和电压的畸变情况。
现在也可利用新的电能质量分析仪来进行采集测量数据，方便实用，其仪器主要由现场测试仪器和数据处理软件两部分组成，测试仪主要有谐波、波形、功率和电能、告警、截屏、波形捕捉等工作模式，含有 4个电流、5个电压接口，故可测量单相、两相、三相三线、三相四线、三相五线的各相电流电压、启动电流、功率、累计功能、谐波影响等，还可以测量回馈电能的电能质量，如电 压波动、闪变、不平衡度、高达50次谐波等，模式形式的多样性，有利于电梯能量回馈质量与数量的测量。
3、模型法
当测量具体一台电梯设备的能耗时，轿厢按空载、轻载、半载、重载、满载等工况运行，分别测试轿厢运送载荷重量、移动的垂直距离、耗电量。测试所需要的时间比较长，测试的工作情况复杂。比如，对一台 8层的垂直客梯，轿厢分别放0%、25%、50%、75%、100%的额定载荷，测量工况竟多达几百种。所以，从中择优选取几个简单具有代表性的工况，测量其电梯能耗，可简化测试程序。
基于动态测量的电梯能耗模型的原理分析情况如下：
1）曳引和驱动系统的能耗模型，可以从简化测量的电梯动态能耗数据中分析求取，简化了电梯能耗测量的过程和时间。在进行能耗仿真模拟时，根据曳引系统的各个输出参数，确定驱动系统的能耗大小。
2）单次开关门能耗、待机能耗、空调照明通风等能耗特性，根据电梯电路线路连接和工作状况，从动态能耗数据中分离，也可单独测量。能耗仿真时，根据电梯所处任一状态，可确定该部分能耗。这部分能耗和曳引驱动系统的能耗一起构成了电梯系统的总能耗。
3）电梯的运行速度参数可以手动设置，也可以采用理想电梯速度曲线。对实际测量的电梯，可以测量电梯某个行程的速度曲线。该曲线能大致反映出这台电梯的速度控制情况。因而，采用该速度曲线进行能耗仿真测试，其仿真结果可以与实际测量的结果进行比较，验证电梯能耗模型的准确性，进而也可进一步修正曲线和模型。
4）在模型启动运行前，先进行电梯的初始状态的设置，如提升高度，所停楼层、初始载荷等。然后，根据电梯速度曲线参数、楼层参数、客流分布及调度信息，计算电梯某一段时间内的速度、加速度、所在高度等信息。这些数据用来判断电梯的状态，同时将它们参数调入曳引驱动系统的模型中，从而计算测量出曳引机所处的状态。
4、结束语
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绪论
在配电系统中低压设备众多并且在设备运行中常出现电压质量不合格、功率因数低、三相不平衡等情况。为了提高配电系统的安全性、经济性和供电质量，对中低压配电线路进行检测十分必要。查询国内外文献，目前电力检测仪器较多，譬如电能质量分析仪等，但一般仅能测量单路，同时造价较高，附加功能也较多，但针对巡检使用的专用便携低压出线电缆检测及三相负荷记录装置则没有。采用专门针对低压负荷的检测装置，将大大减少巡视人员工作量，提高巡视技术效果，同时能为小区箱变及低压分电箱开放负荷提供精确地数据支撑，并可作为小区增容、改造的依据，针对性进行调整负荷分配，将改变目前仅能通过用户反映进行检查及调整的落后技术手段，对规范管理由于三相不平衡引起的低电压问题具有重要实用意义。
1、低压负荷的特点及负荷不平衡的影响
1.1、低压负荷的特点
近年来，随着人民生活水平的不断提高，低压负荷容量快速增长，但由于以往低压负荷分配规划主要依据运行人员经验而缺乏科学依据，导致低压负荷缺乏监管，且以往的管理模式不能真正的考核低压负荷的真实情况，从而使现有的小区箱变低压出线存在很多问题。低压负荷的主要特点如下：
1）低压负荷容量增长速度快且分布无规律；
2）低压负荷监管难度加大且监管措施落后；
3）小区低压出线三相不平衡超标且无规律。
2、负荷不平衡的影响
三相负荷不平衡会对电网造成多方面的影响，如下所示：
1）对配电变压器的影响
三相负荷不平衡将会增加配变变压器的损耗：变压器的损耗包括负荷损耗和空载损耗。
2）对高压线路的影响
负荷不平衡会引起高压线路开关频繁跳闸，降低其使用寿命：由于电流过大造成的高压线路过流故障占有非常大的比例。负荷不平衡会增加高压线路的损耗。
2）对低压线路和配电屏的影响
三相负荷不平衡会引起线路损耗的增加；三相负荷不平衡严重时会造成烧毁开关设备、烧断线路的严重后果。
3）对供电企业的影响
4）如果发生线路被烧毁、开关设备被烧坏、甚至变压器也被毁坏，而这些设备的修复都需要一定时间，这必将增加停电时间，影响用户的用电需求，给供电企业带来严重影响，无法保证供电可靠性。另外，不平衡带来的损耗也会使供电企业的效益下降。
3、负荷检测终端的硬件设计
3.1、硬件总体结构
该终端采用模块化的设计思想，模块各自独立。由于模块化的设计不仅增强了各个部分的可重用性，也给后期的调试与更换工作带来了很多方便。本终端由8路采集信号板，1个主控板，1个电源板和一个底层连接板构成。信号版主要负责对单路信号的采集整理和传输。主控板主要负责收集8路信号板数据，并将数据保存。底层连接板负责主控板和信号采集板的连接。电源板负责对各个板上芯片及接口电路提供供电电源。系统结构图如 图1 系统总体结构图所示：
3.2信号采集板设计
3.3、主控CPU板设计
4.2、ADE7758程序设计
5、结论
本文成功设计开发出了一种先进的低压负荷检测终端，并通过实际挂网运行，性能可靠、稳定，可以有效地满足电力行业对低压负荷的统计与管理，为实现小区有序用电和电力需求侧管理的目标提供数据支持，有较高的实用性和推广价值。
总结本文的主要工作为以下几点：
1、通过分析低压负荷的特点，确定硬件采用的开发平台和软件开发环境，采用合理的PCB布局和简洁、快速的软件算法实现对负荷的智能数据采集终端。
2、完成了对负荷检测终端的整体硬件电路图的设计。包括主控电量采集模块、数据整体模块、电源模块、通信模块、复位与系统时钟模块、JATG接口及外部存储扩展等方面的设计，并研制成功原理样机，测试结果表明达到的设计要求。
3、完成了对小区多路出线负荷检测的同时测量。本装置可同时测量8路出线，并由于采用模块化设计，具有优良的可扩展性，理论上可以进行256路出线的同时测量。
4、由于测量装置要放置于电磁干扰环境恶劣的小区变电所变压器旁，且装置要同时测量多路出线，致使测量通道的传输线路较长等因素的影响，使得检测装置要具有非常可靠的抗干扰性，设计采用多重抗干扰措施，并通过EMC试验进行验证，确保测量数据的准确性。
参考文献
[1] 崔北京.基于Modbus协议的配变负荷检测仪的设计[D].合肥：合肥工业大学，2009
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[3] 张翼翔等.三相负荷的平衡与损耗[J].《长治学院学报》，2008
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【关键词】谐波消除；电能优化；有源滤波；无源滤波
1 概述
随着电力电子技术的快速发展，使用大功率半导体开关元件以及各类开关电源产品向电网中注入了大量的谐波电流，使供配电网络的电能质量普遍下降。目前，电能质量优化技术正在得到企业的认可，电能质量优化也意味着节能，电能质量优化对企业与用户来说最直接的收益就是节约电费，提高经济效益，增加市场竞争力。
2谐波的定义
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。
3谐波产生的原因
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。
我公司最典型的谐波源负载就是变频器，在氨基酸生产部31和32分厂的动力设备中含有大量大功率变频器（31分厂有250KW变频器2台、160KW变频器4台、90KW变频器1台；32分厂有160KW变频器5台、132KW变频器3台、90KW变频器2台），变频器工作过程中会产生大量5次、7次、11次等高次数谐波电流。这些高频谐波电流同时又作为次级电流源被重新注入到电网。下图是对公司氨基酸生产部32分厂实测的变频器的波形，从中能够看出正弦波电流波形畸变的程度：
谐波使电网中的电气设备产生额外的损耗，即谐波功率。不仅降低了设备的效率，同时也影响设备的正常工作。随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。
4谐波的危害
供电系统的谐波危害主要表现在以下几个方面：
4.1 对输电线路的危害
谐波电流使输电线路的附加损耗增加，在电网的损耗中，变压器和输电线路的损害占大部分，所以谐波能够使电网的网损增大。
4.2对电力电容器的危害
含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。 下图为实测32分厂电容器谐波含量：
4.3 对电力变压器的危害
谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量。
4.4 对电动机的危害
谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。
4.5对弱电系统设备的干扰
对于计算机网络、自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。
4.6影响电力测量的准确性
由于电力计量装置都是按50HZ的标准正弦波设计的，当供电电压或负荷中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。5谐波治理国家标准GB/T 14549―93 《电能质量 公用电网谐波》，该标准规定公用电网谐波电压（相电压）限值：
6现场谐波测量数据及计算方法
6.1 谐波测量数据
采用FLUKE电能质量分析仪对公司氨基酸生产部31分厂和32分厂的谐波量进行了测量，测量结果如下：
31分厂：总电流1471A，总谐波电流畸变率21.8%，总谐波电流313A。五次谐波电流为249A；七次谐波电流为158A。
32分厂：总电流1216A，总谐波电流畸变率26.6%，总谐波电流310A。五次谐波电流为256A；七次谐波电流为165A；11次谐波电流为80A。
6.2 计算方法
根据国家标准GB/T 14549―93 《电能质量 公用电网谐波》，0.38KV系统电压总谐波畸变率不能大于5%。按照0.38KV系统，其基准短路容量为10MVA，5次谐波允许注入谐波电流为62A，7次谐波允许注入谐波电流为44A，11次谐波允许注入谐波电流为28A。31、32分厂实测数据按照国家标准折算后应为：
6.2.131分厂为2000KVA变压器，按电网短路容量为500MVA计算，其变压器低压侧出口短路电流为47KA，短路容量S==1.732*0.4*47=32MVA
则5次谐波允许注入电流Ih=32/10*62=198A；
7次谐波允许注入电流Ih=32/10*44=140A。
6.2.232分厂为2500KVA变压器，按电网短路容量为500MVA计算，其变压器低压侧出口短路电流为59KA，短路容量S==1.732*0.4*47=40MVA
则5次谐波允许注入电流Ih=40/10*62=248A；
7次谐波允许注入电流Ih=40/10*44=176A；
11次谐波允许注入电流Ih=40/10*28=112A。
经过实测和以上分析计算，得出的结论如下：
1）31分厂和32分厂电压谐波总畸变率在国家标准范围之内。
2）31分厂5次谐波电流已经高出国家标准249A-198A=51A,七次谐波电流高出国家标准158A-140A=18A。
3）32分厂5次谐波电流高出国家标准256A-248A=8A,七次谐波电流低于国家标准176A-165A=11A，十一次谐波电流低于国家标准 112A-80A=32A。
7谐波治理及解决方案
目前治理谐波方案有两种：
7.1 采用有源滤波器方式
有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。
7.1.1有源滤波的基本工作原理：根据外部互感器实时采集电流信号，通过内部检测电路分离出其中的谐波部分，通过IGBT逆变出与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流，实现滤除谐波的功能，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。下图为有源滤波器工作原理图和主电路图：
7.1.2 有源滤波器的特性
7.1.2.1优异的动态性能，相应时间小于1ms；
7.1.2.2三相补偿谐波电流，谐波次数可以高达50次；
7.1.2.3低的功率损耗(小于设备额定功率的3%)
7.1.2.4可选择消除谐波模式或既消除谐波又进行无功功率补偿模式。
7.2采用无源滤波的方式
无源滤波主要由滤波电容器和电抗器组合成LC滤波装置，主要包括调谐滤波器、高通滤波器等。
7.2.1无源滤波的原理
如图5所示，使用电抗器与电容器串联，组成一个LC串联谐振电路，把该电路并联在电网中，即构成一个最基本的无源滤波回路。
f――电流频率（Hz）
L――电抗器的电感量（H）
C――电容器的电容量（F）
当2πfL = 1/（2πfC）时，回路的阻抗最小，即串联谐振。
此时，f = 1/（2π√LC ）（1-2）
f称为谐振频率，调整L、C的参数，使f等于要滤除的谐波的频率，就可以使该次谐波电流大部分流过滤波回路，而不会影响电网中的其它设备。
7.2.2无功补偿装置
利用滤波电抗器（L）和滤波电容器（C）和滤波电阻器（R）组成调谐支路，给特征谐波形成公用电网之外的低阻抗通路，使流入公用电网的谐波满足相应要求。
根据31分厂和32分厂的谐波测量和计算的资料，针对每个分厂的谐波进行治理，在31分厂需要配置五次、七次谐波无源滤波器和高通滤波器或一台300A有源滤波器，32分厂需要配置五次、七次、十一次谐波无源滤波器和高通滤波器或一台300A有源滤波器。具体配置方案采用总补偿的方式，在配电变压器低压侧配置无源滤波装置。
8结束语
谐波治理是综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。GB/T 14549-1993《电能质量―公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定，在主网、城网中，谐波治理有明确的规定和要求，而目前许多企业发展迅速，有关谐波的治理并未引起足够的重视，认识还有待提高。因此，在对谐波准确测量的基础上，提出适合的治理方案。这样不仅能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境，减少能耗，提高电能利用率。
[参考文献]
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基金项目：国家自然科学基金资助项目（51077044）；湖南省自然科学基金重点资助项目（12JJ2034）
作者简介：张志文（1963-），男，湖南长沙人，湖南大学教授，博士生导师
通讯联系人，Email：
摘要：针对目前电气化铁道AT或直供系统中普遍存在的负序、谐波和功率因数低等电能质量问题，提出了一种基于YN_接线平衡变压器的电气化铁道电能质量综合治理系统.该系统充分挖掘了YN_型牵引变压器二次侧可带三相系统的潜能，在无需降压变压器的情况下，实现了三相全桥型有源功率调节系统和主牵引变压器的融合.给出了该系统的构成方式，分析了该系统补偿负序、谐波和无功的基本原理，提出了电流检测和控制方法.根据实际变电站参数和实测牵引负荷数据建立了该系统的仿真模型.仿真结果表明所提系统具有良好的负序、谐波和无功补偿性能.
关键词：负序；谐波；平衡变压器；电气化铁道；电能质量治理
中图分类号：TM401 文献标识码：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
铁路运输是国民经济的大动脉，其快速发展将给经济的增长带来强劲动力和可靠保障.随着电气化铁道的建设朝着重载货运和高速客运方向发展，牵引机车的功率不断增大，列车追踪间隔进一步减小，电气化铁道所引起的电能质量问题发生了一些变化.对于韶山型机车和动车组混跑的线路，其负序、谐波和功率因数低仍然是比较严重的问题，而对于高铁专线，其主要问题是负序问题.这些问题给牵引供电系统的进一步发展带来挑战，引起了国内外学者的广泛关注[1-3].
考虑到成本因素，牵引变电所高压侧三相进线采用相序轮换技术是抑制负序最传统的方法[4].但牵引网一旦建成相序无法再变更，缺乏灵活性是其主要缺点.另一种方法是采用平衡变压器.平衡变压器是一种在电气化铁道牵引供电系统中广泛使用的特种变压器，它主要将三相制公共电力系统转变成两相制牵引供电系统，能完全消除一次侧的零序电流，并具有一定的负序抑制能力，但该能力受到牵引负荷波动影响较大，负荷越不平衡其抑制负序的能力越差，故难以完全消除负序对电力系统的影响.对于谐波和无功，则采用LC无源滤波器，兼做无功补偿.
针对上述无源治理方法的缺点，多种有源治理方法弥补了无源治理方法的不足.在众多有源治理方法中，铁路功率调节器（railway power conditioner，RPC）[5-7]无疑是其中最成功的.它通过对两相基波有功负荷进行重新分配，并独立补偿各相的谐波和无功，能成功实现牵引变电站的负序、谐波和无功的综合治理，并被部分牵引变电所采用、投入运行[8-9].但该系统由于采用了背靠背单相全桥型逆变器拓扑结构，其逆变器最高输出电压等于其直流侧电压，且共需8组功率器件，其直流电压利用率有进一步提高的空间，功率器件的数目也可进一步减少.另一些背靠背结构的有源和无源混合型铁路功率调节系统[10]也存在类似的问题.鉴于此，2004年，Sun等[11]提出了有源电能质量补偿器（active power quality compensator，APQC）系统，该系统成功将三相全桥型有源系统应用在电气化铁道的电能质量综合治理中，减少了功率器件的使用，同时也提高了直流电压的利用率，但是该系统需要一台结构复杂的SCOTT变压器将主变和有源系统进行匹配，这将大大增加系统的投资成本，同时也降低了整个系统的可靠性.
为弥补上述各系统存在的不足，本文提出了一种基于YN_接线平衡变压器[12]的电气化铁道负序和谐波综合治理系统. 该系统充分利用了YN_平衡变压器三相变三相的潜能.由于从YN_二次侧a，c，b三抽头引出的电力系统三相对称，故整个系统中三相全桥型有源系统可直接与主变进行连接.与APQC相比，整个有源部分的电压等级可以调节.由于省掉了降压耦合变压器，其投资将有较大降低，可靠性也将得到提高.此外，由于YN_二次侧两相系统完全独立，适用于电气化铁道的AT或直接供电方式.且两相可以做不等容设计，对于两相负载容量长期不同的牵引供电所来说，可以大大降低牵引变电站的运营成本.
1系统构成方式
基于YN_接线平衡变压器的电气化铁道负序和谐波综合治理系统如图1所示.该系统由一台YN_平衡变压器和三相全桥有源功率调节系统组成，其中变压器可作为牵引变电站的主牵引变压器，既可以联接铁道的两相负载，也可以用于牵引变电站内部三相电源的供电.其中三相全桥有源功率调节系统作为治理整个牵引变电站负序、谐波和无功的综合治理装置.主变压器的三相负载端的电压等级可以灵活进行设置，既可以满足三相负载端的要求，也可以达到降低有源系统部分电压等级的要求，从而达到经济性和可靠性的平衡.
2系统补偿原理
2.1YN_平衡变压器基本结构
YN_平衡变压器是一种基于国内外各种平衡变压器而提出来的新型的平衡变压器，此种变压器的综合材料利用率达到90.2%，既可以同时接两相负载又可以同时接三相负载，两相负载还可以做不等容量设计，在整个变压器的设计中需要满足如下绕组关系：
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.
该型变压器满足绕组关系的同时要满足低压侧三角形回路等值阻抗值相等.且两相短路时，从高压侧观测的三相等值阻抗值相等，即满足：
Za3=Zc3=Zb2.（2）
2.2负序、谐波和无功补偿原理
当变压器只接有两相机车负载时，一次侧电流和二次侧电流之间的关系为：
利用基尔霍夫电流定律（KCL）和磁势平衡原理可得电流关系式为：
若利用此变压器作为牵引供电所变压器，对于两相负载侧接入负载，三相负载侧接入三相全桥功率调节装置，利用叠加定理，得
对两相负载侧的电流可以分解为基波有功分量和谐波无功分量，可以表示为：
式中：αp，βp为基波有功分量；*α，*β分别为基波无功分量和谐波分量之和.相量图如图3所示.
则一次侧电流中只含有基波的有功分量，一次侧电流中的谐波和无功分量被完全消除.此时一次侧电流满足：
只需调节三相负载端电流的大小便可以消除一次侧的负序、谐波和无功分量，从而达到治理电气化铁道负序和谐波问题.
3综合控制系统
3.1检测部分
对于两相供电臂电压相位相差90°的谐波、无功和负序电流的检测方法，本文采用文献[13-14]中的检测方法.该方法可以在电压波形畸变的情况下检测到电流中的谐波、无功和负序电流的分量，并将直流侧电容电压的控制输出叠加到检测环节中.当直流侧电容电压没有稳定时，整个有源系统工作于整流状态，对电容进行充电，当直流侧电压稳定时，系统工作于逆变状态.其电流检测原理如图4所示.
α，β相负载电流的傅里叶分解表达式为：式中：Iαp，Iβp为基波的有功分量；Iαq，Iβq为基波的无功分量；∑ωk=2iαk，∑ωk=2iβ k为谐波分量.将式（13）中iα（t），iβ（t）分别乘以电压相位的同步值sinωt，cosωt，再将iα（t）sinωt，iβ（t）cosωt相加，经过低通滤波器之后可以得到α，β相基波电流的平均值：
G=（Iαp+Iβp）. （14）
再将G分别与sinωt，cosωt相乘，即可得到α，β相电流的理想平衡值.此理想值不含有谐波分量和无功分量，并且有效值大小相同，将实际电流值与理想电流值相减，便可以得到所需补偿的电流值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
根据图1给出的系统拓扑结构，并运用基于瞬时无功功率的检测方法来进行谐波、负序和无功电流的检测，并采取动态响应速度快、鲁棒性好的滞环控制进行整个系统的控制.控制框图如图5所示.
4仿真验证
结合某一实际采用YN_接线平衡变压器的牵引供电站的系统参数，本文利用Matlab/simulink仿真软件搭建了该系统的仿真模型.两相负载侧输出电压等级为27.5 kV，三相负载侧输出电压等级为10 kV，负载选用一组实测的负载数据，实测所选用的测量仪器为日置3198电能质量分析仪.
两相负载分别选用重载机车和轻载机车，具体数据如表1所示.表2为系统仿真参数.由表1可知，α相负载机车少，β相负载机车多，整个两相负载功率相差大，主要用于模拟负序电流较为严重的工况.仿真模型在0.1 s时投入三相全桥功率调节器，并在0.6 s切除α相负载.以此来验证整个系统在定负荷及负载波动条件下系统的动态性能.
图6为负载实测波形和仿真波形对比图.图6（a）的上图为实测电压波形，下图为实测电流波形.图6（b）和（c）分别为仿真的电压和电流波形.由图6可知，仿真波形与实测波形较为吻合.图7为仿真波形对比图.
图7（a）给出了牵引变压器一次侧的电流波形，0.1 s前后的电流波形充分说明了，采用三相全桥功率调节器前后，三相负载电流基本对称，一次电流畸变率由7.9%，3.0%，9.3%分别下降为2.0%，1.9%，1.9%.图7（b）给出了系统采用三相全桥功率调节器前后的电流不平衡情况，不平衡度ε由0.63下降为0.01，结果表明电流不平衡度得到有效改善.图7（c）给出了一次侧三相的功率因数λ，一次侧A，B，C三相的功率因数分别0.97，0.89，0.43提升接近为1.图7（d）给出了系统运行过程中直流侧电压的变化情况，结果说明该系统具有良好的动态性能.
5结论
本文针对基于YN_平衡变压器的电气化铁道牵引变电站，提出了一种采用三相全桥功率调节器的电气化铁道电能质量综合治理系统，分析了该系统的构成及综合补偿原理，详细分析了电流检测及控制算法，并结合某牵引变电站实测负荷数据，对整个系统进行了仿真分析，仿真结果表明该系统能有效抑制牵引变电站一次侧的负序和谐波电流，提高其受电端功率因数.
本系统充分挖掘了YN_平衡变压器和三相全桥型功率调节器的潜能，利用YN_平衡变压器二次侧三相系统的对称性实现了三相全桥型变流器与主牵引变压器的结合，并成功对牵引变电站的负序、谐波和无功进行了综合治理.由于该系统的三相全桥功率调节器的端电压可以在设计变压器的时候调节，而主变的阻抗匹配条件又较我国广泛使用的阻抗匹配平衡变压器[15]匹配条件更加具有灵活性，且在获得更高的直流侧电压功利用率的前提下，功率器件的数量也较少，因此，该系统在获得相同治理效果的条件将更具成本优势，运行可靠性高，是一种具有较高综合性能的电气化铁道负序与谐波综合治理系统，工程应用前景广阔.
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