周大俊, 梁曉亮, 王 翼

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063;2.上海寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司, 上海 201900]

0 引 言

目前,交通工具越來越便利,城市軌道運(yùn)行負(fù)荷逐日增長,各企業(yè)對能源信息化越來越重視。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法依靠人工統(tǒng)計(jì),整個(gè)流程效率低,不能滿足大范圍的數(shù)據(jù)采集分析需求[1-2]。為提高城市軌道低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行綜合質(zhì)量,通過多維度數(shù)據(jù)(如電壓幅值、電流幅值、電壓總畸變率、總諧波電流含量、各次諧波電壓畸變率等數(shù)據(jù))分析比較,可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備電能質(zhì)量等問題,便于早治理,對于綠色節(jié)能和電能成本控制起到了關(guān)鍵作用,因此采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度非常重要。

1 監(jiān)測系統(tǒng)搭建

為了便于提高城市軌道配電系統(tǒng)運(yùn)行效用,本文為某城市建立了城市軌道配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 本地化監(jiān)控系統(tǒng)部署

監(jiān)測單元由各種智能表計(jì)、工控機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)組成,工控機(jī)和以太網(wǎng)交換機(jī)單獨(dú)組屏,采用開口式電流互感器。工控機(jī)與智能表計(jì)的接口采用現(xiàn)場總線方式,并預(yù)留其他智能單元通信接口,智能電表每2～6臺(tái)通過485總線方式按照柜子的屏位布置方式串成一串,接入到工控機(jī)。監(jiān)測單元需配合數(shù)據(jù)中心進(jìn)行電能采集系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)線與系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)連接,與通信機(jī)房的服務(wù)器連接。根據(jù)能耗數(shù)據(jù)中心的要求,各站進(jìn)線表需要采集諧波數(shù)據(jù),因此安裝含諧波采集功能的多功能表計(jì),并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上傳。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 實(shí)施方案

該項(xiàng)目4個(gè)區(qū)域中,地鐵站、維修基地涉及到400 V低壓柜表計(jì)安裝,變電站為20 kV高壓開關(guān)柜表計(jì)安裝,維修基地變電站則在20 kV和400 V側(cè)都需要安裝表計(jì)。維修基地變電站監(jiān)測的12條回路如表1所示。采集主要參數(shù)包括有功電能、無功電能、有功功率、無功功率、三相電流基波有效值、三相電壓基波有效值、功率因數(shù)、系統(tǒng)頻率。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)解析

線上監(jiān)控平臺(tái)采集數(shù)據(jù)間隔為1 s,傳輸間隔為5 min。線下驗(yàn)證階段采集數(shù)據(jù)間隔為單周波256個(gè)點(diǎn),分析數(shù)據(jù)間隔為單周波分析。

2.1 數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象

監(jiān)測時(shí)間6個(gè)月,在維修基地變電站20 kV回路處發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常(見表1中序號(hào)9、序號(hào)10)。監(jiān)測點(diǎn)1:110 kV進(jìn)線關(guān)口側(cè);監(jiān)測點(diǎn)2:20 kV進(jìn)線開關(guān)柜與監(jiān)控;監(jiān)測3:20 kV計(jì)量柜。故障點(diǎn)回路>圖如圖2所示,其中20 kVⅡ回路監(jiān)控與Ⅰ段一致。

表1 維修基地變電站監(jiān)測的12條回路

圖2 故障點(diǎn)回路圖

系統(tǒng)采集到的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2所示。正常情況下,測試點(diǎn)2和測試點(diǎn)3數(shù)據(jù)應(yīng)該接近或基本一致,但是近6個(gè)月使用情況統(tǒng)計(jì),監(jiān)測點(diǎn)3與其他監(jiān)測點(diǎn)電量數(shù)值差異較大。

表2 系統(tǒng)采集到的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)

對比監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2和監(jiān)測點(diǎn)3的現(xiàn)場測試值。監(jiān)測點(diǎn)1的累計(jì)電量為170 788.8 kWh,監(jiān)測點(diǎn)2的累計(jì)電量為167 875.2 kWh,監(jiān)測點(diǎn)3的累計(jì)電量為180 451.1 kWh。相對于監(jiān)測點(diǎn)2,監(jiān)測點(diǎn)1的累計(jì)電量高1.7%左右,監(jiān)測點(diǎn)3的累計(jì)電量高7%左右。其他時(shí)間用電量也是相同情況。

基波視在功率、基波有功功率各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值如表3所示?；o功功率、總視在功率各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值如表4所示。

由表3、表4可知,監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2、監(jiān)測點(diǎn)3的視在功率基本一致,而導(dǎo)致有功功率偏差的主要原因?yàn)楣β室驍?shù)角的差異較大。

表3 基波視在功率、基波有功功率各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值

表4 基波無功功率、總視在功率各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)值

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

(1)

其中X、Y分別為x、y的測量值等級。

參照表3,X為功率因數(shù),Y為電量;X1=0.98,X2=0.98,X3=0.70,X4=0.93,Y1=44 594.4,Y2=42 391.2,Y3=47 193.6,Y4=4 6 272。斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)為

(2)

其中di=xi-yi,i=1,2,…,N(N為次數(shù)),取N=4;R取值范圍在(-1,1)之間;R絕對值愈大,變量間等級相關(guān)程度愈大[3]。當(dāng)R=-1時(shí),說明功率因數(shù)與電量偏差相關(guān)程度很大。

計(jì)算出其他變量R,其絕對值均在-1和1,說明也與電量偏差相關(guān)程度很大。相關(guān)性分析如圖3所示。

圖3 相關(guān)性分析

由此可見,有功功率計(jì)算主要取決于電壓幅值、電流幅值、電壓相位角以及電流相位角。

大數(shù)據(jù)分析流程圖如圖4所示。

電能質(zhì)量設(shè)備檢測發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2與監(jiān)測點(diǎn)3數(shù)據(jù)差異較大,先建立數(shù)學(xué)模型,得出有功功率影響的參數(shù)有電壓、電流的幅值和相位角。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,分析主要原因,隨后進(jìn)行線下驗(yàn)證,找出影響問題的原因所在,最后對此提出建議整改方案。

圖4 大數(shù)據(jù)分析流程圖

2.3 數(shù)據(jù)分析

比較20 kVⅠ段開關(guān)柜(監(jiān)測點(diǎn)2)與20 kVⅠ段計(jì)量柜(監(jiān)測點(diǎn)3)波形數(shù)據(jù),查找異常數(shù)據(jù)。

20 kVⅠ段計(jì)量柜和開關(guān)柜電壓信號(hào)如圖5所示。由圖5可知,計(jì)量柜和開關(guān)柜電壓的幅值和相位角基本相同,說明有功功率數(shù)據(jù)異常與這兩項(xiàng)參數(shù)無關(guān)。

圖5 20 kVⅠ段計(jì)量柜和開關(guān)柜電壓波形

20 kVⅠ段計(jì)量柜和開關(guān)柜電流波形如圖6所示。

圖6 20 kVⅠ段計(jì)量柜和開關(guān)柜電流波形

由圖6可見,計(jì)量柜和開關(guān)柜的電流幅值基本相同,相位角偏差明顯,因此造成偏差的原因出現(xiàn)在電流相角上。

2.4 深入分析

進(jìn)一步查看各監(jiān)測點(diǎn)的功率因數(shù)變化趨勢。隨機(jī)調(diào)取一段5.5 h的變化趨勢圖進(jìn)行分析。監(jiān)測點(diǎn)1～監(jiān)測點(diǎn)3基波功率因數(shù)變化趨勢如圖7～圖9所示。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)1基波功率因數(shù)變化趨勢

圖8 監(jiān)測點(diǎn)2基波功率因數(shù)變化趨勢

由圖7～圖9可知,20 kVⅠ段進(jìn)線計(jì)量柜(監(jiān)測點(diǎn)3)與20 kVⅠ段開關(guān)柜(監(jiān)測點(diǎn)2)功率因數(shù)角在任一時(shí)間段始終存在7°～10°的差異。在監(jiān)測數(shù)據(jù)中,其他數(shù)據(jù)段基波功率因數(shù)變化趨勢相同。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)3基波功率因數(shù)變化趨勢

2.5 線下驗(yàn)證

20 kV開關(guān)柜連接的單芯電纜在流入電流互感器前已將金屬屏蔽層接地,即流入20 kV進(jìn)線電流互感器僅為銅芯電纜電流,而流入監(jiān)測點(diǎn)3的電流為銅芯電纜電流與金屬屏蔽層電流的矢量和,導(dǎo)致監(jiān)測點(diǎn)3有功測量數(shù)據(jù)的偏差。對比了多段時(shí)間的有屏蔽層電纜與無屏蔽層電纜的電流和功率因數(shù)數(shù)據(jù),電流相位差趨勢如圖10所示。

圖10 電流相位差趨勢

當(dāng)單芯電纜流過電流時(shí),金屬屏蔽層切割磁力線產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流,感應(yīng)電流的大小與電纜的長度和流過導(dǎo)體的電流成正比[4],感應(yīng)電流經(jīng)由變壓器20 kV出口側(cè)與柜內(nèi)兩點(diǎn)直接接地形成環(huán)流。

由于兩組電流互感器安裝位置的差異,流過20 kV開關(guān)柜電流互感器的電流為銅芯電纜電流I1,而流過20 kV計(jì)量柜電流互感器的電流為電纜銅芯電纜與金屬屏蔽層感應(yīng)電流的矢量和,導(dǎo)致有屏蔽層處與無屏蔽層處測得兩者電流相位始終有8.5°～10.5°的偏差。電流互感器安裝位置示意圖如圖11所示。

圖11 電流互感器安裝位置示意圖

根據(jù)6個(gè)月測得的功率因數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)測試功率因數(shù)角滯后實(shí)際功率因數(shù)角7°時(shí),其有功計(jì)量偏差的大小與實(shí)際功率因數(shù)角有很大的關(guān)系。功率因數(shù)變化趨勢如圖12所示。由圖12可見,當(dāng)功率因數(shù)角越大(功率因數(shù)越低)時(shí),固定偏差對有功數(shù)值精準(zhǔn)度的影響越大。

圖12 功率因數(shù)變化趨勢

2.6 改進(jìn)措施

可將單芯電纜金屬護(hù)套的接地方式更換為單點(diǎn)接地,且不接地的一端裝設(shè)護(hù)套過電壓保護(hù)器。該接地方式優(yōu)點(diǎn)是護(hù)套環(huán)流幾乎為0。接地點(diǎn)與不接地點(diǎn)之間的距離不能太長,須按護(hù)套感應(yīng)電壓的允許值設(shè)置接地點(diǎn)。這從根本上消除流過金屬屏蔽層的感應(yīng)電流。

3 結(jié) 語

通過此次改進(jìn)后,消除了20 kVⅠ段進(jìn)線計(jì)量柜與20 kVⅠ段開關(guān)柜功率因數(shù)角差異,110 kV進(jìn)線、20 kV進(jìn)線開關(guān)柜與20 kV計(jì)量柜有功數(shù)值接近,與電力公司電費(fèi)單所統(tǒng)計(jì)的有功數(shù)據(jù)基本一致,提高了軌道監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)值的精準(zhǔn)度,使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。城市軌道要樹立節(jié)能環(huán)保規(guī)劃發(fā)展意識(shí),需要在監(jiān)測大數(shù)據(jù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析,通過應(yīng)用有效的監(jiān)測設(shè)備,提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度,才能在后續(xù)使用中針對有效數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)問題并加以解決,確保城市軌道低壓配電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定。