電力質(zhì)量在配電系統(tǒng)中的監(jiān)測與控制技術(shù)

郭冰珂，周 鑫

（國網(wǎng)陜西省電力有限公司蒲城縣供電分公司，陜西 渭南 715500）

1 監(jiān)測技術(shù)

1.1 電力質(zhì)量參數(shù)

電力質(zhì)量參數(shù)是評(píng)估電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)用戶設(shè)備正常運(yùn)行和電網(wǎng)可靠性有直接影響。常見電力質(zhì)量參數(shù)包括電壓波動(dòng)、電流諧波和頻率偏差等。它們承載不同的電力質(zhì)量問題并產(chǎn)生不同的影響。電壓波動(dòng)指電壓在短時(shí)間內(nèi)的快速變化，如瞬時(shí)中斷、電壓降低和閃變。這些波動(dòng)會(huì)干擾用電設(shè)備，導(dǎo)致燈光閃爍、計(jì)算機(jī)死機(jī)等問題，甚至損壞設(shè)備。電流諧波是非線性負(fù)載引起的含有非基波成分的電流[1-2]。諧波電流會(huì)引起電壓失真，影響供電質(zhì)量和電能計(jì)量準(zhǔn)確性，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)備過熱、電機(jī)振動(dòng)和電容器過電壓等問題，危及設(shè)備壽命和安全運(yùn)行。頻率偏差指電壓頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率（通常為50 Hz或60 Hz）的程度，會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)速度波動(dòng)、計(jì)時(shí)設(shè)備計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確等問題。

1.2 監(jiān)測設(shè)備

電力質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備是實(shí)現(xiàn)電力質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測的關(guān)鍵工具，能夠采集電力系統(tǒng)中的電壓、電流等數(shù)據(jù)，為電力質(zhì)量監(jiān)測與控制提供支持。這些設(shè)備主要包括傳感器和數(shù)據(jù)采集單元2部分。傳感器是電力質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的重要組成部分，用于將電力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的測量和采集。數(shù)據(jù)采集單元是電力質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的核心控制單元，負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)和傳輸傳感器采集的電力質(zhì)量參數(shù)。常見的組成部分包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）、微處理器、存儲(chǔ)器和通信接口。利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測與采集電壓、電流等參數(shù)，利用數(shù)據(jù)采集單元高效準(zhǔn)確地處理和分析數(shù)據(jù)，可以幫助運(yùn)營人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力質(zhì)量問題，并采取相應(yīng)的控制措施。

1.3 大數(shù)據(jù)分析

電力質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來挖掘有價(jià)值的信息，其中數(shù)據(jù)預(yù)處理是首要步驟。它的目的是處理原始數(shù)據(jù)中的噪聲、缺失值和異常值，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠。在電力質(zhì)量數(shù)據(jù)中可能存在各種干擾和異常，如傳感器誤差、通信故障等。平滑處理、插值填充和異常值檢測與處理等方法，可保證數(shù)據(jù)的完整性和可用性。數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行特征提取，可以從數(shù)據(jù)中抽取有用信息。對(duì)電力質(zhì)量數(shù)據(jù)而言，通過信號(hào)處理和時(shí)頻分析等技術(shù)提取關(guān)鍵特征，如電壓波形頻譜、電流諧波含量和頻率偏差，可以用于描述電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和供電質(zhì)量水平。借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)如機(jī)器學(xué)習(xí)算法、數(shù)據(jù)挖掘和人工智能，深入分析提取的特征，能識(shí)別出潛在的電力質(zhì)量問題和問題的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

2 控制技術(shù)

2.1 電力質(zhì)量問題識(shí)別

電力質(zhì)量問題識(shí)別是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。自動(dòng)識(shí)別算法與技術(shù)的應(yīng)用可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力質(zhì)量問題。在電力質(zhì)量監(jiān)測過程中，電力系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要經(jīng)過智能處理和分析，以區(qū)分正常工作狀態(tài)和異常情況[4]。其中，波形識(shí)別是一種常用的電力質(zhì)量問題識(shí)別算法。通過對(duì)電壓、電流等信號(hào)波形進(jìn)行特征提取和比較，識(shí)別出不同類型的波形異常，如電壓驟降、電流諧波等。該算法可以幫助運(yùn)維人員迅速定位問題，快速響應(yīng)和解決電力質(zhì)量異常情況。異常檢測則是另一種重要的電力質(zhì)量問題識(shí)別技術(shù)。它利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對(duì)電力質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值檢測和分析[5]。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，通知相關(guān)人員及時(shí)處理。

2.2 控制策略設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)計(jì)電力質(zhì)量問題的控制策略時(shí)，有源濾波器控制是一種有效的技術(shù)。該技術(shù)是一種利用電力電子元件實(shí)時(shí)控制的高級(jí)電力補(bǔ)償設(shè)備，工作原理是基于對(duì)電力系統(tǒng)中諧波電流的補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)無功功率的提供。通過控制有源濾波器的輸出電流，使其與電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流相位相反，并以等幅度進(jìn)行補(bǔ)償。這樣有源濾波器能夠抵消諧波電流，從而有效降低諧波含量，改善電力質(zhì)量。工作過程中，有源濾波器先監(jiān)測電流波形和相位，特別是諧波電流，然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，通過控制輸出電流進(jìn)行諧波補(bǔ)償。它還能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電流，提供無功功率補(bǔ)償，保持電力系統(tǒng)的平衡。另外，有源濾波器具有快速響應(yīng)能力，能夠迅速適應(yīng)諧波和無功功率的變化，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 控制系統(tǒng)實(shí)施

在實(shí)施控制系統(tǒng)前，工作人員需要全面評(píng)估和分析配電系統(tǒng)的電力質(zhì)量問題，包括諧波、電壓波動(dòng)和無功功率等問題。根據(jù)評(píng)估結(jié)果選擇合適的有源濾波器設(shè)備，并合理部署這些設(shè)備。工作人員還需要配置控制算法的參數(shù)。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的實(shí)施效果，工作人員應(yīng)在控制系統(tǒng)實(shí)施后評(píng)估其效果。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)包括諧波抑制率、電壓穩(wěn)定性、無功功率平衡、控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效益。其中，諧波抑制率評(píng)估衡量有源濾波器對(duì)諧波問題的解決程度，電壓穩(wěn)定性評(píng)估衡量電壓波動(dòng)的改善效果，無功功率平衡評(píng)估確保無功功率補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間評(píng)估衡量系統(tǒng)對(duì)電力質(zhì)量問題的響應(yīng)速度，經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估則綜合考慮投資和運(yùn)維成本。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)在配電系統(tǒng)中對(duì)諧波電流的抑制效果，文章選擇了一個(gè)中等規(guī)模的配電系統(tǒng)，包括10個(gè)電力負(fù)荷和5個(gè)供電設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中選取了一臺(tái)額定電流為100 A的有源濾波器，具有高控制精度和快速響應(yīng)能力。系統(tǒng)監(jiān)測電力系統(tǒng)中1～15次諧波電流的含量，并記錄其幅值和相位，同時(shí)記錄電壓總諧波畸變率，以評(píng)估電壓波形的畸變情況?？刂扑惴ㄅ渲弥?，文章設(shè)置了有源濾波器的諧波補(bǔ)償算法，并將響應(yīng)時(shí)間限定為不超過1 ms，以確?？焖贉?zhǔn)確地對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。此外，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，文章同時(shí)設(shè)置了對(duì)照組，在相同的配電系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)控制方式，不使用有源濾波器，并記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)。通過比較實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的數(shù)據(jù)，將得出有源濾波器控制策略的有效性和優(yōu)勢(shì)，為實(shí)際應(yīng)用中的電力質(zhì)量控制提供技術(shù)參考和決策支持。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

為了驗(yàn)證有源濾波器控制策略對(duì)諧波電流的抑制效果，文章進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與處理。首先，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)監(jiān)測電流和電壓波形，采集關(guān)鍵參數(shù)，如電流諧波含量、電壓總諧波畸變率和諧波電流相位等。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，使用高精度和快速采樣率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并處理采集的原始數(shù)據(jù)，確保采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際電力質(zhì)量參數(shù)相符合。

3.3 結(jié)果分析

通過圖表和數(shù)據(jù)分析展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文章驗(yàn)證了有源濾波器控制策略在配電系統(tǒng)中對(duì)諧波電流的抑制效果，并客觀評(píng)估了技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的諧波電流抑制效果對(duì)比

表2 實(shí)驗(yàn)組電壓總諧波畸變率和無功功率平衡改善情況 單位：%

表1和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)組中，有源濾波器控制策略成功抑制了諧波電流，各諧波次數(shù)的電流抑制率均在50%以上，最高達(dá)到57.9%。實(shí)驗(yàn)組的電壓總諧波畸變率顯著降低，改善率達(dá)到63.2%。無功功率平衡也有所提升，改善率為9.3%。而對(duì)照組未應(yīng)用有源濾波器控制策略，諧波電流含量較高，電壓總諧波畸變率和無功功率平衡相應(yīng)較差。

4 結(jié) 論

通過對(duì)電力質(zhì)量在配電系統(tǒng)中的監(jiān)測與控制技術(shù)的研究，重點(diǎn)探討有源濾波器控制策略在諧波電流抑制方面的應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，得出有源濾波器控制策略在諧波電流抑制、電壓穩(wěn)定性和無功功率平衡等方面的顯著優(yōu)勢(shì)。文章為電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率提升和用戶用電體驗(yàn)的改善提供新的解決方案和技術(shù)支持。在未來的實(shí)際應(yīng)用中，這些技術(shù)成果將為電力質(zhì)量監(jiān)測與控制領(lǐng)域提供重要參考，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。