如果我们把电能也看作是一种产品,我们不难发现这些建设和投资都集中在如何提高我们的产品产出数量上,而如何监控和保障我们电能产品的质量上确没有任何体现。好比建一个工厂,我们只是投资建大量的生产线,生产出大量的产品,而对于产品质量管理体系和品质保障方面没有考虑的话,这样的工厂在市场竞争中是很难有生命力的。并且一个产品的质量提高了,返工、耽搁、失误等就会减少,可以更好地利用原料和时间,这也有助于我们解决国家面临的能源原料短缺问题。
在一个理想的电力系统中,电能是以恒定频率(50Hz或60Hz)和幅值的三相平衡正弦电压向用户供电,在实际的电力系统运行中,由于负荷是变化的,三相电压的幅值、频率及相位差不能保持恒定不变,而且由于负荷的非线性,电压波形不再是单一正弦波。还包含有高次谐波。这些问题在过去还未对电力系统产生十分严重的影响,没有引起电力和用电部门的重视。但是近年来,随着冶金工业,化学工业及电气化铁路的发展,电力系统中的非线性负荷(硅整流设备,电力机车,电解设备)及冲击性负荷(电弧炉,轧钢机)使电力网的非线性(谐波)、非对称性(负序)和波动性日趋严重。电能质量的下降严重地影响了供电设备的安全经济运行,特别是对于敏感负荷,如计算机芯片制造厂、半导体生产厂、造纸厂等,电压下降几十毫秒,就会导致生产设备不能正常工作和出现大量废品,为此已发生有的厂商被迫迁出不能保证其供电质量的所在地区,而寻求更高供电质量地区的现象。
对于普通用户,有问题的电能质量同样会引起许多问题,例如:电脑死机,屏幕频闪,灯光频闪,中线过载,功率因数补偿设备所产生的问题,谐波集肤效应所引起的导线过热,在负载适中情况下的变压器过热现象等。
因此在电网大规模建设和快速发展过程中和现代电力市场模式下,电能质量的内涵越来越丰富,除了从技术角度来理解电能质量概念外,对发、供、用三方更应该站在管理的角度来建立一个客观的、多种指标体现的、综合的电能质量管理体系,对电能质量各项指标进行综合评定,以提高和改善电能质量。一个全面的电能质量的管理系统包括以下三个方面:电能质量的监督制度制定;电能质量分析测试开展;电能质量冶理工作。
电能质量的监督制度是一个分级管理体系:它不仅包含国家在此方面的方针、政策和法规及主管部门颁发的条例、标准,还有各行业和各级单位制定的规程、制度。它是一个树状结构,并且是整个电能质量管理的基础,只有这个架构完整以后,电能质量的管理系统才能良性运转。
在电能质量监督管理制定中最重要一项就是电能质量标准,在IEC中并没有采用Powerquality(电能质量)这一术语,而是提出使用EMC(电磁兼容)术语,指出和强调电源与设备之间和设备与设备之间的相互作用和影响,采用emission(干扰)和immunity(抗干扰)来表现设备产生电磁污染和设备免除电磁污染的能力。电磁兼容术语与国标中的电能质量术语有很大重叠性,在它们中间有许多的同义词。
我国共发布了六项电能质量标准,最新的一项是年发布的《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》,除了这六项电能质量标准外今年还发布的一项与测量仪器有关的《电能质量监测设备通用要求》。本人认为对于电能质量标准制定工作中还有待改进,主要包含以下三个方面内容。
1、标准制定的流程化管理,对于新的《电能质量监测设备通用要求》年颁布以后,走访的大量的供电企业客户,80%的企业客户都表示在规划电能质量监测系统时都不会遵循此标准,可以反应出此标准在立项和实施中,没能进行宽泛的、科学调研和信息收集。为什么会出现这种情况呢?笔者认为根本原因是标准制定的管理流程的缺失。目前标准化工作运作基本靠部分专业人员的经验和一些简单的常识,对流程和制度不重视,标准的制定工作往往取决于部分专业人员的个人经验和惯性以及一些生产厂家的影响。从流程管理的角度,标准化管理应该建立起基本的流程和规范。
2、在参考国际相关标准的基础上,结合我国的实际发展水平和经验,对一些已发布的标准进行修改和补充。例如:现行的《电能质量公用电网谐波》(GB/T--93),对于标准中电网中各级电压的谐波限值如何细化、间谐波限值及其测量的规定、如何进行不同变化状态的谐波测量等方向都可以进行讨论。《电能质量电力系统频率允许偏差》标准中规定电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz,当系统容量较小时,偏差值可放宽到±0.5Hz。但标准中没有说明系统容量大小的界限。《电能质量供电电压允许偏差》标准中,对于数据统计方法没有明确规定。
3、应对当代电能质量新的概念进行立项分析研究,以便制定新的电能质量国家标准。例如电压跌落,电压摇摆,电压波形缺口,信号电压等。在新标准制定过程中,笔者认为不能一味地依靠国外的实验数据和研究成果,必须在国内对不同地区、电网及用户端进行大量的实验监测,收集实验数据进行调查研究。这样制定的新标准才可能符合我国的实际发展状况和水平。图三就是在现场捕捉到的电压跌落的数据。
这项工作也会涉及到两个方面问题一方面是管理问题;另一方面是相关分析测试技术问题。针对电能质量分析测试工作的管理问题,目前国内用户没有一个成熟规范和制度可遵循。例如:电能质量测试仪器生产厂家的产品应该符合何种试验标准,用户已购买的电能质量测试仪器如何校验等等。导致许多用户在实际选配相关仪器时很盲目。
国内外很多研究所和厂商研制生产了各种电能质量分析仪器大体上可分为以下三类:第一种是实时监测仪表,若干安装在现场的仪器通过通讯把数据集中到管理机,此类仪表性能要求比较高,运行要求可靠,适合针对重点监测管理目标进行远程实时监控。目前国外的监测产品比较成熟,如福禄克公司的RPM电能质量监测仪。第二种是手持式仪表,技术人员随身携带,随机测量电能质量一些指标,比较简单实用。代表产品有:FLUKE(福禄克公司)F、FLUKE(福禄克公司)F43B和LEM公司的3P。第三种是便携式电能质量分析仪器,此类仪表特点是智能化、多功能、信息容量大、数据处理功能强、精度高、适合现场电能质量普查、实验时使用及用于电能质量治理。代表产品有:FLUKE(福禄克公司)RPM和LEM公司的TOPAS。
在便携式电能质量分析仪器中,市面上有许多类型价格从几万到十几万不等,用户在选择时难度较大。笔者根据多年的经验并结合不同的电能质量测量目的建议如下:1、检定实际电力系统及用户的电能质量水平是否符合国标的规定,一般的便携式电能质量分析仪都可以满足。2、电能质量故障或异常电能质量现象测量,为了分析各种异常原因及故障的各种测量,这时基本要求是电能质量分析仪采样速度高并且要连续采样(no-gapsampling)。对于非连续采样测量的问题就是信号的非连续和数据的不完整,中间信号的空白处就是实际信号的丢失。如果这时有电网的电能质量异常事件出现,非连续采样就不能捕捉这种电能质量信息。
同时对于波动性负荷电能质量干扰源的测试分析,非连续采样同样有不足。只有连续采样分析,才可以分析到波动性负荷产生的间歇性电能质量干扰。
3、电力设备调试投运时的电能质量测量,为了分析设备投运前和投运后电能质量指标的变化及对电力系统和有关设备的影响等,这时不仅要求电能质量分析仪采样速度高而且能连续采样(nogapsampling),还要仪器具有触发记录功能,在触发设置项中基本要求有波形触发和有效值触发,并且对采样的波形能任意选取一段波形进行电能质量分析。
4、为了分析、研究及工程技术上的需要,进行专题性的特殊试验如:谐波潮流、谐振、谐波源特性等,这时对电能质量分析仪又有不同的要求,如仪器能提供谐波阻抗、谐波电压和电流的相角等。
在分析测试技术问题上用户很关心的一个问题是电能质量测试分析仪器对各项参数测试的准确性。测量仪器本身是一个系统,它的误差从前端信号输入时就应该算起,包含测量的电压互感器、电流传感器(指标:线性度、温度漂移、反映时间、内部电阻、最小测量电流、工作温度等)、抗混叠滤波器(指标:幅频特性和相频特性)、A/D(指标:位数、速度)、算法模型(减小频谱泄漏)等。
同时在测量时还要注意测量方法,现行的《电能质量公用电网谐波》的附录D中规定了一些测量的方法,但对测量点的选择没做具体说明。在实际测量过程中,由于现场测量环境千差万别,往往是同样的仪器,不同的测量方法,其结果可能会大相径庭。例如,附录D中规定高压系统中的CVT由于频响特性的非线性,不能用来谐波电压的测量,目前大都利用CT末屏来精确测量,但这种测量方法由于需要系统停电来接拆线,在实际中受到很大的限制。又如,为防止铁磁谐振,目前不少中压系统PT的一次侧中性点串接一消谐电阻接地,从而使二次测量的零序谐波分量放大。有些PT二次绕组的中性点通过放电间隙接地,真正的接地点通过中性线引入保护柜接地,而实际测量由于精度和防止保护误动的原因,一般在计量回路中进行测量,结果造成3次谐波电压的失真,如果把测量中性点人工接地,会造成PT二次回路两点接地,引发其它的问题。所以笔者认为应尽快制定具体全面的测量方法,使测量方法标准化、规范化。
在我国由于电能质量问题造成的电能浪费和由此而引发的事故所造成的经济损失是惊人的。例如:由于谐波的谐振造成电容器的击穿,谐波、负序及直流分量过大造成电机及变压器的损坏,谐波对通讯的干扰,负序谐波使自动装置误动作等。例如:上海金桥开发区的某电子有限公司,主要生产0.25um~0.5um的硅晶片,对供电电压的下陷十分敏感,由于一次电压跌落80%UN,持续20ms以上,使设备停机,造成直接经济损失万元人民币。某钢厂曾因Kv供电电压下降到89%标称电压,持续时间仅20ms就造成3个轧钢厂机组的供电中断,停产两天,造成数百万的经济损失;
大功率冲击性非线性负荷对电力网的污染所带来的问题同环境污染问题一样可怕,人们对电力污染造成电能质量下降的严重性远不如对环境污染的严重性认识那么深刻。尽管电能质量管理也有国标作依据,但没有像环境污染管理那样严格。电能质量治理从技术角度来说有好多方法如:谐波相消法、滤波、正确设计和正确布置用电设备等,因篇幅有限就不作介绍。以下内容就电能质量治理中的几个问题进行探讨:
1、电能质量治理的前提是做好电能质量的普查工作。电能质量治理是一项极为复杂的系统工程,它包括无功补偿,高次谐波抑制,平衡三相负荷,降低损耗等工作。技术难度大、投资高,要制定科学的电能质量治理方案,提高投资效益,节约资金,必须首先对电力网电能质量进行普查。电能质量普查的内容应包括:背景谐波,在生产周期内的谐波电压、谐波电流、基波电压、基波电流、负序电压、负序电流、功率因数、基波功率、谐波功率、谐波阻抗、谐波流向、电压波动与闪变动态变化趋势及统计数据。数据当然要准确可靠。
2、用户电力(CustomerPower)技术,其基本概念就是供电部门针对不同的用户的需求,通过技术手段提供不同质量和形式的电力供应,是具有高度灵活性、可靠性和智能化的供电技术。目前正在研究和使用的相关产品有:配网静止同步补偿器(DSTATCOM)、动态电压恢复器(DYNAMICVOLTAGERESTORER-DVR)、固态断路器(SOLIDSTATCCIRCUITBREAKER-SSCB)、故障电流限制器(FCL)和有源电力调整器(APLC)等。随着电力电子技术的迅猛发展,核心器件价格的下降,用户电力技术很快就会得到广泛应用和普及。
3、由谁治理:
(1)供电侧解决方案:对配网供电中出现的扰动和波形畸变等电能质量问题进行统一治理,从而提供给每个馈线用户不同质量的合格电能。目前来讲,由于电价单一(还没有优质高价),电价体系不完善,供电部门的投资回报率太低,这种方案还不具备实施条件。
(2)用户侧解决方案:用户根据自身的需求,对自己一侧的电能质量进行治理。这种方案由用户自己投资来改善自身的用电品质,不过多涉及供电部门,比较适合目前的国情。只是供电部门需要对这来用户加强监督管理,以防其对供电系统产生危害。
以上从三个方面对电能质量系统管理进行了探讨,电能质量系统管理的概念提出其实是当代电网建设发展于负荷构成新变化的要求,随着十一五电网建设规划,在西电东送、南北互供、全国联网方针指导下,我国电网将逐步形成全国联网,这就对系统运行稳定性与可靠性提出的更高要求,另外从电力负荷构成角度上看,1、在当代电力负荷中,存在大量的非线性负荷,这些负荷将给电力系统的电能质量带来严重的污染;2、现代用电设备对电能质量的要求较之传统设备更高;3、电力用户已提高了对电能质量的认识,正在掌握如供电间断、电压凹陷等实际问题。并且为高效生产流程的需要,维护用电设备的正常运行,越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求,甚至通过签定供电合同和质量协议加以保证。电力用户的需求正在由原来量的需求向现在优质电能和高可靠性供电的需求转变,因此,无论是电网还是电力用户都必需加强电能质量系统管理概念。电能质量系统管理的概念提出还是电力市场化的必然要求。