中國(guó)電科院牽頭的《智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)》項(xiàng)目，面向電力電子化特征電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)為一體的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)體系。該項(xiàng)目日前榮獲國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)信息物理系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)“2018工業(yè)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。
日前，由中國(guó)電科院牽頭的《智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制關(guān)鍵技術(shù)》項(xiàng)目榮獲國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)信息物理系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)(IEEE TCCPS)“2018工業(yè)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”，是該獎(jiǎng)項(xiàng)唯一獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。IEEE首次設(shè)立了該獎(jiǎng)項(xiàng),旨在獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)信息物理系統(tǒng)領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的項(xiàng)目及團(tuán)隊(duì)。
中國(guó)電科院及其聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)(以下簡(jiǎn)稱項(xiàng)目團(tuán)隊(duì))在國(guó)家科技支撐計(jì)劃及國(guó)家電網(wǎng)公司重大科技項(xiàng)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)為一體的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)體系，在低壓負(fù)荷在線換相、電能質(zhì)量決策支持、諧波量值準(zhǔn)確傳遞以及廣域動(dòng)態(tài)諧波監(jiān)測(cè)治理等四大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，對(duì)保障電網(wǎng)安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(cè)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(guó)計(jì)民生與社會(huì)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(biāo)。從嚴(yán)格意義上講，衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)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(biāo)進(jìn)行綜合量化分析與評(píng)價(jià)。
諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)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(dāng)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(huì)導(dǎo)致電機(jī)、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(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)將威脅電網(wǎng)運(yùn)行、設(shè)備及人身安全等。
供電電壓偏差是指實(shí)際供電電壓對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差，相對(duì)值以百分?jǐn)?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(jí)電網(wǎng)供電電壓允許偏差的限值。對(duì)電網(wǎng)來說，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏低時(shí)，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(duì)配用電設(shè)備來說，當(dāng)供電電壓偏離額定電壓較大時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行性能惡化，運(yùn)行效率降低，甚至導(dǎo)致部分電器無法啟動(dòng)或者不能正常運(yùn)行，自身發(fā)熱嚴(yán)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(kuò)大，例如整流設(shè)備、變頻設(shè)備、大功率電機(jī)、家用電器等大量非線性、沖擊性以及不平衡負(fù)荷接入，電網(wǎng)負(fù)荷特性發(fā)生重大改變，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響。長(zhǎng)期以來，我國(guó)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(shí)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(cè)與治理。
智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是指通過與電網(wǎng)已有自動(dòng)化系統(tǒng)和電能質(zhì)量相關(guān)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行通信接口設(shè)計(jì)，統(tǒng)一采集分析電能質(zhì)量相關(guān)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，以可視化動(dòng)態(tài)圖形對(duì)電能質(zhì)量重要指標(biāo)越限情況監(jiān)控并及時(shí)告警，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)變電站、中壓線路、配電臺(tái)區(qū)和用戶等各個(gè)層面電壓、電流及其諧波分量的準(zhǔn)確掌控，解決依靠運(yùn)行管理人員定期或不定期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)電能質(zhì)量情況掌握的不及時(shí)、不全面等問題。
智能電網(wǎng)電能質(zhì)量治理是指借助自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)準(zhǔn)確分析電網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)狀，準(zhǔn)確定位電能質(zhì)量存在問題，并針對(duì)性采取單點(diǎn)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(yàn)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(fù)荷、電動(dòng)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(cè)與治理面臨以下突出問題：
一、我國(guó)低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象較為普遍，由此引起的低電壓?jiǎn)栴}突出，此前主要通過管理手段，按照季節(jié)性用電特點(diǎn)，依靠停電人工進(jìn)行負(fù)荷換相調(diào)整，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)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(duì)電壓、諧波、無功等單一指標(biāo)，每項(xiàng)指標(biāo)均有對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和治理裝置，設(shè)備與信息資源孤立，未考慮指標(biāo)間相互影響，缺乏綜合協(xié)調(diào)控制策略和在線評(píng)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(zhǔn)確性不足。
三、在諧波量值傳遞方面，常規(guī)的諧波信號(hào)發(fā)生方法難以滿足高峰值系數(shù)信號(hào)高保真穩(wěn)定輸出的需要，同時(shí)諧波檢定裝置設(shè)計(jì)和制造技術(shù)被國(guó)外企業(yè)壟斷，價(jià)格居高不下。
四、因諧波監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量頻率范圍普遍低于2.5千赫茲，無法滿足高頻監(jiān)測(cè)要求，信息兼容性差，實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確分析困難;諧波治理裝置檢測(cè)控制算法易造成各次諧波相移不一致，補(bǔ)償誤差大;寬頻帶諧波測(cè)量時(shí)，測(cè)量信號(hào)誤差較大，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。
2.攻克電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理關(guān)鍵技術(shù)
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過理論分析、關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在低壓負(fù)荷在線換相、電能質(zhì)量治理決策支持、諧波量值準(zhǔn)確傳遞和廣域動(dòng)態(tài)諧波監(jiān)測(cè)治理方面取得重要突破，取得了系列電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)為一體的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)體系，極大促進(jìn)了我國(guó)智能電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效提升。
一、低壓負(fù)荷在線智能換相技術(shù)
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)明了可以自動(dòng)實(shí)施低壓負(fù)荷在線調(diào)相的操作方法和智能型低壓負(fù)荷在線換相裝置，該裝置充分融合了機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的優(yōu)良性能，滿足可控性、實(shí)時(shí)性、在線性、無沖擊性和無損性等功能需求，實(shí)現(xiàn)了低壓負(fù)荷在線相序自動(dòng)調(diào)整，解決了依靠人工調(diào)整負(fù)荷不安全、不及時(shí)、不準(zhǔn)確等問題。
團(tuán)隊(duì)研制的廣義電能質(zhì)量控制終端，集無功補(bǔ)償、有載調(diào)壓、有載調(diào)容等功能于一體，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制，有效解決了配電臺(tái)區(qū)多種因素引起的低電壓?jiǎn)栴}。
二、電能質(zhì)量監(jiān)控與治理決策支持技術(shù)
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(tái)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(fù)荷不平衡等問題，提升低壓配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，提高管理效率，改善供電質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量綜合控制。
團(tuán)隊(duì)研發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)控與輔助管理決策支持平臺(tái)系統(tǒng)，通過電能質(zhì)量在線仿真與決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的現(xiàn)狀分析、單點(diǎn)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(cè)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(zhǔn)確性和有效性。
三、諧波量值準(zhǔn)確傳遞技術(shù)
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出的一種諧波信號(hào)發(fā)生方法，實(shí)現(xiàn)了100次以內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生，研制出達(dá)到與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)?shù)募夹g(shù)指標(biāo)的諧波功率源及諧波標(biāo)準(zhǔn)表，解決了諧波檢定裝置高準(zhǔn)確度與低成本控制的矛盾。
團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)確度，達(dá)到國(guó)際計(jì)量局(BIPM)頒布的各國(guó)最高諧波校準(zhǔn)測(cè)量能力(CMC)世界前列;研制的電能表檢定裝置可準(zhǔn)確計(jì)算出計(jì)量誤差，解決了標(biāo)準(zhǔn)諧波信號(hào)準(zhǔn)確發(fā)生、計(jì)量及監(jiān)測(cè)設(shè)備準(zhǔn)確賦值等問題。
四、廣域動(dòng)態(tài)諧波監(jiān)測(cè)治理技術(shù)
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出的分頻段采樣同步控制方法，實(shí)現(xiàn)了多諧波源復(fù)雜工況下的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與評(píng)估;提出的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，能夠保證諧波電流補(bǔ)償精度。
團(tuán)隊(duì)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(cè)系統(tǒng)，解決了諧波快速跟蹤與精確補(bǔ)償?shù)碾y題。
3.項(xiàng)目應(yīng)用，成效顯著
項(xiàng)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(jí)以上計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，覆蓋27個(gè)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(chǎng)、配電網(wǎng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)10897個(gè)，發(fā)現(xiàn)140座電氣化鐵路牽引站存在諧波超標(biāo)現(xiàn)象，解決敏感用電設(shè)備不能正常運(yùn)行問題30余起，解決2203.7萬戶低電壓?jiǎn)栴}。
項(xiàng)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(jì)損失，取得了良好的社會(huì)效益。
