國網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司 沈主浮 琚潔華 胡海敏 上海服澤能源科技有限公司 周 琪

電力能源是現(xiàn)代科技發(fā)展中必不可少的重要能源，在科技發(fā)展過程中，所有的電子產(chǎn)品、科技產(chǎn)品等設(shè)備或技術(shù)都離不開電力能源的支持。高新科技產(chǎn)業(yè)園在城市規(guī)劃與建設(shè)中是重要的一環(huán)，上海市內(nèi)特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)多達(dá)40個。在產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)相同類型的企業(yè)高度集中，其企業(yè)使用的特種用電設(shè)備也會相應(yīng)集中，在園區(qū)內(nèi)的特種設(shè)備使用比例遠(yuǎn)超其它不同區(qū)域。

特種設(shè)備的使用可能產(chǎn)生無功、諧波等電能質(zhì)量問題，該設(shè)備會將有電能質(zhì)量問題的電能反向傳導(dǎo)至電網(wǎng)，影響區(qū)域內(nèi)供電側(cè)的電能質(zhì)量，有電能質(zhì)量問題的電能同樣會影響用電設(shè)備的使用效率和功能。在企業(yè)類型相似、用電類型也相似的企業(yè)集中產(chǎn)業(yè)園區(qū)，用電設(shè)備與電網(wǎng)之間的相互影響將會進(jìn)一步加大。有研究表明，電能質(zhì)量的降低將會直接導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備的故障率高，影響醫(yī)療設(shè)備使用安全；區(qū)域內(nèi)的三相不平衡、諧波、低壓等問題會影響區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)機(jī)理，同時諧波還能主動或被動的影響電網(wǎng)；規(guī)?；脑O(shè)備在運(yùn)行時會向電網(wǎng)中注入諧波電流，且在啟動過程中會引起電壓暫降，直接影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1 典型地區(qū)用戶電能質(zhì)量情況分析

虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)是一塊商業(yè)集中辦公區(qū)域，區(qū)域內(nèi)包含有多家高新技術(shù)企業(yè)、國家規(guī)劃布局內(nèi)重點(diǎn)軟件企業(yè)、小巨人企業(yè)、創(chuàng)新型企業(yè)等，該區(qū)域主要分為25個地塊，商業(yè)樓宇約100幢左右。虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)相同類型的企業(yè)高度集中，有利于高新技術(shù)、創(chuàng)新型技術(shù)等的高速發(fā)展，而與此同時對區(qū)域內(nèi)供電的電能質(zhì)量也具有較高的要求。在區(qū)域內(nèi)相同企業(yè)類型高度集中時，其對應(yīng)使用的特殊設(shè)備也會高度集中，有概率導(dǎo)致小范圍內(nèi)的電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，并且反饋至電網(wǎng)影響整個園區(qū)，因此對臺區(qū)內(nèi)用戶的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理是非常必要的環(huán)節(jié)。

1.1 區(qū)域內(nèi)用戶電能質(zhì)量情況測量

本次研究的對象為虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)，使用Fluke設(shè)備對區(qū)域內(nèi)用戶的電能質(zhì)量情況進(jìn)行測量，主要的測量內(nèi)容為電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、有功功率、無功功率、諧波電流、功率因素等。通過對虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)的電網(wǎng)及用戶側(cè)調(diào)研，園區(qū)內(nèi)共有用戶站用變共82個，結(jié)合園區(qū)內(nèi)地塊及企業(yè)的特殊性和相關(guān)政企部門意見，抽取其中部分并且具有代表性的用戶進(jìn)行電能質(zhì)量情況測量，所涉及到的低壓變壓器或低壓進(jìn)線共45個。

圖1為用戶側(cè)配電系統(tǒng)一次示意圖及測試點(diǎn)位置圖，使用FLUK435II設(shè)備在測試點(diǎn)位置進(jìn)行測量。電能質(zhì)量測量數(shù)據(jù)錄制時間為5min；采樣間隔為1s；電流采樣比例為1：1；采樣精度為x1。園區(qū)內(nèi)的用戶低壓進(jìn)線側(cè)多為三相四線，在測量時需要對應(yīng)好A、B、C、N線序，框線方向或方式需統(tǒng)一，將測量線鉗安裝在母線上；若用戶側(cè)為三相三線則只需對應(yīng)好A、B、C線序即可。

圖1 配電系統(tǒng)一次示意圖及測試點(diǎn)位置圖

如表1所示，通過對用戶電能質(zhì)量進(jìn)行5min的數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)比對后得到用戶電能質(zhì)量測量結(jié)果。容量指用戶的裝機(jī)容量；系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流數(shù)據(jù)是用戶在測量時間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行情況，可反應(yīng)出用戶的電能消耗情況；功率因素和無功功率反應(yīng)了用戶電氣設(shè)備的運(yùn)行效率；諧波電流反應(yīng)了不同于電網(wǎng)基波電流的大??；電流畸變率反應(yīng)了諧波電路與正常電流的比率；不平衡電流反應(yīng)了負(fù)載分配的不均衡[1]。

表1 用戶電能質(zhì)量測量結(jié)果示例

1.2 用戶電能質(zhì)量情況分析

通過在虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)實(shí)地測量，獲取用戶側(cè)45組低壓變壓器或進(jìn)線數(shù)據(jù)，分別從無功、三相不平衡、諧波情況對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在45組數(shù)據(jù)中，功率因素最小為0.92，未出現(xiàn)低于最低標(biāo)準(zhǔn)的案例。

虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)中45組低壓變壓器或進(jìn)線的三相不平衡情況統(tǒng)計(jì)如下：三相不平衡率小于1%的有2組，占比5%，該部分用戶負(fù)荷分配合理，設(shè)備與線路損耗均在可控范圍內(nèi)；三相不平衡率在大于等于1%小于5%之間的有20組，占比44%，該部分用戶負(fù)荷分配合理，設(shè)備與線路損耗均在可控范圍內(nèi)；三相不平衡率在大于等于5%小于10%之間的有15組，占比33%，該部分用可對負(fù)荷分配進(jìn)行優(yōu)化，減小或預(yù)防三相不平衡率增加；三相不平衡率在大于等于10%小于20%之間的有7組，占比16%，該部分用戶內(nèi)設(shè)備或線路的損耗會有明顯增加，需要及時治理與調(diào)整；三相不平衡率大于等于20%的有1組，占比2%，該部分用戶的三相不平衡問題已經(jīng)影響電氣設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性，需要及時排查問題做出優(yōu)化調(diào)整。

虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)中45組低壓變壓器或進(jìn)線的電流諧波總畸變率統(tǒng)計(jì)如下：電流總畸變率小于10%的有9組，占比20%；電流總畸變率大于等于10%小于20%之間的有18組，占比40%；電流總畸變率大于等于20%小于30%之間的有13組，占比29%；電流總畸變率大于等于30%的有5組，占比11%。用戶的諧波電流不僅會影響用戶內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行，還會將諧波反向傳輸至電網(wǎng)，一般建議諧波電流總畸變率超過10%的用戶治理諧波，避免諧波影響范圍擴(kuò)大。

1.3 小結(jié)

本章主要對抽樣用戶中的功率因素、三相不平衡、諧波進(jìn)行分析，其中功率因素表現(xiàn)良好，樣本中未發(fā)現(xiàn)不符合電力標(biāo)準(zhǔn)的案例；三相不平衡率表現(xiàn)相對較好，區(qū)域內(nèi)樓宇的入住率會對三相不平衡率有影響，一般情況下會從設(shè)計(jì)層面下考慮到三相負(fù)載均衡的問題，但區(qū)該域內(nèi)存在部分樓宇入住率較低，會導(dǎo)致三相不平衡率偏高，提高入住率后三相不平衡率會相應(yīng)優(yōu)化；諧波為該區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致電能質(zhì)量問題的主要因素，諧波電流總畸變率超過10%的用戶占比80%，待該區(qū)域內(nèi)的入住率提高后，諧波電流總畸變率將進(jìn)一步增大。

2 區(qū)域型電力綠色質(zhì)量綜合方案

2.1 區(qū)域型電能質(zhì)量治理情況需求分析

電能質(zhì)量異常主要包含無功功率、三相不平衡、諧波三種類型的問題。結(jié)合前文對用戶電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析情況可知，該區(qū)域內(nèi)的主要電能質(zhì)量問題表現(xiàn)為諧波電流畸變率較高。由于經(jīng)濟(jì)園區(qū)為工業(yè)或商業(yè)辦公集中區(qū)，因特種設(shè)備或原因所產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題將會集中放大，為達(dá)到區(qū)域型電力綠色質(zhì)量的要求，無功功率、三相不平衡等因素也需要電能質(zhì)量問題治理的考慮范圍內(nèi)。在區(qū)域型的電能質(zhì)量治理過程中，需要滿足無功補(bǔ)償、調(diào)節(jié)三相負(fù)載、諧波治理。

經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)的電能質(zhì)量問題會隨著季節(jié)、氣候、生產(chǎn)計(jì)劃等多方面因素的變化而變化。如：冬季、夏季的空調(diào)使用高峰期區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)負(fù)載比平時高，在負(fù)載高峰期使三相負(fù)載均衡將會提高區(qū)域內(nèi)的負(fù)載能力，滿足更多的用電需求；功率因素在電力系統(tǒng)中對用戶有硬性指標(biāo)要求，用戶在建設(shè)內(nèi)部電網(wǎng)時一般有無功補(bǔ)償設(shè)備，滿足基本需求，但在特殊時期存仍會發(fā)生不滿足功率因素標(biāo)準(zhǔn)的情況，該情況發(fā)生概率較小。

綜上，在虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)電能質(zhì)量治理過程中，以治理諧波為主，在特殊時期需補(bǔ)償無功功率和調(diào)節(jié)三相負(fù)載不平衡。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，區(qū)域型的電能質(zhì)量治理需在用戶從按容量安裝電能質(zhì)量綜合治理裝置，該裝置能同時治理無功、三相不平衡、諧波等問題，并能在容量范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，以應(yīng)對不同時期的電能質(zhì)量治理需求。

2.2 區(qū)域型電能質(zhì)量治理總體設(shè)計(jì)方案

如圖2，通過在用戶電網(wǎng)處安裝電流互感器可以獲取用戶電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波電流等電能數(shù)據(jù)；電能質(zhì)量綜合治理裝置在獲取用戶電能后可以在容量范圍內(nèi)對用戶進(jìn)行無功補(bǔ)償、調(diào)節(jié)負(fù)載、濾波等作用；用戶的電能數(shù)據(jù)可以通過有線或無線等方式上傳至采集控制集中器，采集控制集中器可同時采集多個電能質(zhì)量綜合治理裝置的數(shù)據(jù)，并可對指定設(shè)備發(fā)送命令，控制調(diào)節(jié)電能質(zhì)量綜合治理裝的運(yùn)行策略；采集控制集中器通過物聯(lián)網(wǎng)通信模塊將實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接入后經(jīng)過業(yè)務(wù)邏輯處理、服務(wù)器，將數(shù)據(jù)在前端顯示；工作人員可遠(yuǎn)程查看用戶電網(wǎng)、電能質(zhì)量綜合治理裝置的運(yùn)行狀態(tài)，并可根據(jù)數(shù)據(jù)情況做運(yùn)行策略的調(diào)整[2]。

圖2 區(qū)域型電能質(zhì)量治理總體設(shè)計(jì)方案圖

2.3 電能質(zhì)量綜合治理裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3，三電平結(jié)構(gòu)具有容量大、輸出電壓高、電流諧波小等特點(diǎn)。在電能質(zhì)量綜合治理裝置中，采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過主控板控制器實(shí)現(xiàn)對電路中的高性能IGBT進(jìn)行制動，控制電路中的電流通量；結(jié)合靜止無功發(fā)生器模塊、有源濾波模塊、三相不平衡調(diào)節(jié)模塊，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償無功、諧波治理、三相負(fù)載均衡調(diào)節(jié)等功能。

圖3 電能質(zhì)量綜合治理裝置三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.4 小結(jié)

本章主要對虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)的電能質(zhì)量現(xiàn)狀情況進(jìn)行了分析，隨著氣候、季節(jié)、生產(chǎn)計(jì)劃的改變，影響電能質(zhì)量的主要問題的比重也會有所變化，因此需要在不同時期采取不同的應(yīng)對措施，采用更合理的電能質(zhì)量治理方案。本章提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域型電能質(zhì)量治理方案，該方案需要在用戶處安裝電能綜合質(zhì)量治理裝置，通過采集控制集中器，將所有用戶數(shù)據(jù)匯總在遠(yuǎn)程顯示，工作人員可遠(yuǎn)程監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，及時調(diào)整運(yùn)行策略。

3 結(jié)語

本文以虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)為研究對象，研究區(qū)域型的電能綠色質(zhì)量治理方案。利用FLUK 435 II設(shè)備在虹橋臨空經(jīng)濟(jì)園區(qū)內(nèi)實(shí)地采集電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出區(qū)域內(nèi)的電能質(zhì)量現(xiàn)狀存在的主要問題。結(jié)合園區(qū)的特性，對區(qū)域型的電能質(zhì)量治理需求進(jìn)行了分析，并給出區(qū)域型的電力綠色質(zhì)量治理方案。該方案可對區(qū)域內(nèi)的用戶電能質(zhì)量問題進(jìn)行集中監(jiān)控與治理，以達(dá)到區(qū)域內(nèi)電力綠色質(zhì)量的目的，保障區(qū)域內(nèi)用戶的電力設(shè)備始終處于高效運(yùn)行的狀態(tài)，減少線路及設(shè)備的電能損耗，提高能源利用效率。