高速公路行業電能質量監測與治理系統解決方案

張培

安科瑞電氣股份有限公司

上海嘉定

201801

摘要：

電力供應與分配系統是高速公路機電系統的重要組成部分。隨著我國機電一體化的不斷髮展，高速公路供、配電網已逐漸發展為一個重要的分支，對其進行質量檢驗就顯得十分必要。電力電子裝置，如變壓器、照明燈具、

UPS等，以及某些非線性負荷，都會引起電網的諧波，並對電力系統的執行造成一定的負面影響。針對目前高速公路的實際情況，對高速鐵路的負載特性、諧波產生的原因、對電力品質的要求進行了分析，提出了相應的解決辦法。

關鍵詞：

高速公路行業；機電系統；電能質量；諧波危害及治理；系統解決方案

0.引言

近幾年，隨著我國高速公路的迅速發展，高速公路的機電裝置（變壓器、隧道燈具、機電產品、

UPS等）越來越多，對其日常使用、使用壽命和維修的需求越來越大，因此對電力系統的需求也越來越大。UPS、 EPS等為機電裝置提供高可靠的電力供應，但其具有非線性，容易造成諧波汙染，而高次諧波會嚴重影響到電力系統的通訊、通訊、伺服器等；低次諧波將導致變壓器的裝置及線路壽命縮短，同時對電力系統造成較大的諧波損耗；而且，諸如隧道燈、電子電器等的裝置也會造成諧波的汙染；同時，由於部分負荷是感性負荷，會導致電力系統的功率因數下降，所以必須對電力系統進行綜合的電力品質管理，以達到電力系統的執行需求。

1.高速公路行業負載分類和特性

1。1高速公路工業負荷等級劃分

在高速公路上，除了極少數的電阻負荷，還有一些裝置是感性的，比如高壓鈉燈、變壓器等。其他的裝置大多是非線性的，比如電腦，網路裝置，收費車道裝置，攝像機，可變情報板，各種檢測器，

LED燈等等。

高速公路供、配電網是指將

10 kW或35 kW的高壓電力從發電站或鄰近區域的高壓電網輸送到高速公路上的變電站，利用低壓變壓器輸出220 V或380 V的電力，然後透過低壓配電板和輸電線輸送給相關的電力裝置。在電源斷電或因故障而無法正常提供電力的情況下，採用自備柴油發電機發電。

隧道變電站的主要負載包括應急照明設施、通風照明控制設施、應急呼叫設施和一些消防設施。這些隧道位於偏僻地區，使用的電力也是最多的，因為電力不穩定，很容易出現停電的情況，所以一般都是使用

EPS作為應急電源。如果所帶的負荷有高電壓，可以用 UPS提供電源。

收費站變電站的主要負載是通訊、收費、監控等。通常配有

UPS作為操作機構，監控裝置，測控單元和 ATS。

服務區變電站的主要負載有外場監控，通訊系統，生活水泵，消火栓泵，綜合樓照明，場區照明。

1。2工業道路的負荷特徵

（1）多相裝置，單相電源易導致三相負荷不均衡，三相電流不均勻，三相電流不均勻。

（2）電力消耗裝置中絕大部分是非線性負荷，以及具有電容的非線性負荷（包括切換式供電的裝置）。二是具有含電感鎮流器的電感非線性負載。

（3）由於大量的非線性負荷，使電流的諧波失真率增加，使無功功率增加，功率因數下降。傳統的電容器補償技術無法改善系統的效能。

（4）在所有采用直流電壓的電器中，通常在供電裝置前端採用橋型整流，這種整流電路會產生大量的奇次諧波，從而損壞整個電路。

2.高速公路行業諧波源分析

2。1變壓器諧波

變壓器的非線性電感是由其自身的結構所決定的，因為其磁路是非線性的，因而其勵磁電流也是非線性的。一般情況下，電網電壓可以大致地看作是正弦波，當電網電壓施加到變壓器的原邊線圈上後，勵磁電流就會引起線圈的磁通量

Φ，由於磁路是非線性的，因此在勵磁電流為尖峰時，就會出現正弦波，而在勵磁電流為正弦波時，則會出現平頂波。但是，不管是平頂波，還是尖頂波，都存在著奇次諧波，而三次諧波的分量最大。若磁通是尖峰，則副邊的相位電壓將不是正弦形，而輸出的電壓也包含了諧波。當勵磁電流是尖峰時，在受電端的原邊值將包含諧波。

變壓器的諧波成分不僅與其自身的結構有關，而且還與其執行狀況密切相關。在正常工作的情況下，鐵心的諧波成分非常低。在額定負荷條件下，勵磁電流約為

5%，其波形接近於正弦波。而當變壓器無負載或無負載時，鐵芯將處於飽和區，不正常的勵磁電流會引起原側線圈的漏感電壓下降，從而使感應電位中包含了諧波成分。在無負載合閘時，會產生較大的勵磁電流，這種勵磁電流的大小取決於剩磁大小、合閘初相角和鐵芯材質。

2。2 燈具諧波

節能燈是一種非線性照明裝置，它的內部裝有電子鎮流器，因為價格低廉，因此照明裝置的供電方式也受到了限制，這種負載會產生大量的奇次諧波，當三次諧波電流加到中性線和系統阻抗上時，就會造成

50度的電壓下降，造成電壓失真，這種燈的功率係數一般為0。55。這種型別的電燈由於具有較高的諧波成分，當大量的開路時，會引起較多的諧波，從而影響到隧道的供電。雖然每個燈泡的功率都很小，但它的功率太大了，它的諧波會影響到電能的品質。節能燈的諧波電流失真率很高。所有的諧波均以奇次諧波為主要特徵，3次諧波的數值最大。

高壓氣體放電燈是利用金屬鹵化物如汞和鈉的蒸發而產生的光，在放電過程中會產生負阻。高壓氣體放電燈具有較強的發光強度，其諧波頻率主要是

3，5，7次，並且隨著照明裝置的功率增加，諧波電流也會增加。目前採用節能器調整高壓氣體放電燈的發光功率，主要是透過採用閘流體、 IGBT、 GTO等功率電子裝置來切斷部分正弦電流，或減小工作電壓。

LED。近年來， LED技術得到了快速發展，在隧道照明中的應用也得到了迅猛的發展，並顯示出了很好的應用前景。LED照明驅動電源的結構有多種，目前最常見的有三種：無功因子修正（簡單型）、2017年第4期（總第148期）297 （BOOST型）、以及被動功率因子修正（逐流型）。在這種情況下，不進行功率因數修正的電路將導致輸入電流具有很高的諧波分量，從而導致輸入電壓失真率較高。採用有源 PFC的結構可以有效地改善 PFC的功率因數，從而可以得到較為理想的輸入電流正弦波，同時也能降低諧波的含量。由於該方法具有較好的輸入電流波形、較小的諧波分量、較低的成本，因此可以使用這種補償電路。

2。3 機電裝置諧波

目前，在高速公路上，電子裝置的應用十分廣泛，許多顯示裝置（例如：監視、控制、可變標識等），其產生諧波的原理與電視機十分類似。與單獨使用時相比，整個控制系統的

3~11次諧波電流畸變率略有降低，13，15，17的畸變率略有增加。由於控制系統的諧波失真率高，諧波電流與顯示裝置的諧波電流相一致，從而使諧波電流增加。由於控制系統的大量使用，它的諧波會和其它電力裝置產生的諧波相互重疊，從而導致電網的諧波效應急劇增大。

2。4 不間斷電源諧波

UPS系統包括：整流電路，逆變電路，控制電路，充電電路，電池組，旁路系統。其中， UPS的諧波主要是因為它的內部採用了一個整流裝置，它所產生的諧波與整流裝置的脈衝數量（即閘流體、 IGBT、 GTO的數量）相關，當前 UPS常用的脈衝數量為6、12個脈衝，6脈寬的不間斷電源的主要諧波頻率是5，7次，12次，12次。

3.高速公路行業電能質量治理需求分析及主要特徵

3。1需求分析

高速公路變電站由隧道變電站、服務區變電站、收費站變電站、沿線箱式變電站、互通樞紐等組成。同時，隨著綠色交通的發展和規模的調整，目前的高速公路變電站已呈現出多個帶狀分佈、距離長、位置分散、橋隧比高的特徵。因此，在高速公路配電系統中，存在著以下幾個難點：

（1）需要高的電源可靠性；

（2）由於電力供應的規模過大，導致維護和管理的難度；

（3）在隧道中，有多種控制裝置，頻率較高；

（4）長期居住在山區或農村地區，有很高的危險，而且缺少專門的工作人員。

3。2高速公路行業電能質量主要特徵：

（1）我國將繼續大力發展和大力發展的電力系統，電力系統的執行管理逐漸智慧化、自動化，對電力系統的電力品質、電力系統的穩定、可靠性提出了更高的要求。

（2）低負載、低容量的變壓器。

（3）電力系統的主要問題是電力系統的無功補償問題，在負荷裝置中， UPS是主要的諧波源，但是其諧波含量很低。

（4）採用 SVG作為補償裝置， SVG具有較高的精度，能夠滿足高速企業的低負荷特點。並且 SVG無維修、使用壽命長、無電容補償、故障率高等問題。

4.高速公路行業電能質量監測與治理系統解決方案

4。1解決方案

從以上幾個方面的分析可以看出，在高速公路配電網中，配電系統的穩定可靠度日益受到重視，同時也對電力品質提出了更高的要求。然而，由於電力供應與分配系統的負載分佈比較分散，其負載往往只是日常用電中的一小部分，而且有一部分是感性負載，所以必須要有一套系統性的方法來加強對電力質量的監控，從而達到改善電力品質的目的。安科瑞電力公司所開發的電能質量監控與管理系統，能夠很好地滿足電力系統的監控管理、運維和電能品質管理等方面的要求。

4。2方案特點

（1）電能質量監控與治理系統除了可以為使用者提供電能質量監測、治理和裝置維護等功能，還可以透過AcrelEMS-HIW高速公路的綜合能源效率管理平臺，實現對使用者的遠端線上服務；

（2）電力品質的專業化監控：電力品質的實時線上監控，精度高，測量精度高，滿足IEC61000-4-30要求；

（3）電力品質監控及治理裝置的總體設計，採用上層平臺進行統一的管理和閉環的控制；

（4）針對高速公路產業的特徵，制訂合理的電力品質管理對策；

（5）採用 DSP+ FPGA控制結構，模組式高功率 IGBT輸出模式，保障電力系統的安全、可靠；

（6）電力管理業務的一體化協作：電力排程管理與運維、電能分析與電能質量資訊的共享與協調，為電力供應和消費提供了有效的控制。

4。3方案價值

（1）對電力系統進行綜合監控，保證電力系統的可靠執行，全面監控電力系統的執行狀態，保證電力系統的執行安全。微秒級的故障錄波和 SOE報警可以實時地將所有的資料資訊記錄下來，從而為故障的跟蹤和定位提供了有力的支撐。

（2）全面的電力品質管理，針對高速公路供電、配電系統的特點，採用集中管理的方式，實現對電網無功、諧波治理的更經濟、更有效的管理，從而達到改善電力系統供電品質、減少裝置故障率的目標。

5.安科瑞電能質量監測與治理產品選型

由於高等級公路工業負荷分佈比較分散，因此採用集中管理的辦法，將

UPS、 LED燈、機電裝置等裝置的諧波進行統一處理，以降低諧波對電網的危害和影響；針對電力系統中的非線性負荷所引起的功率因數問題，還在高速公路配電房安裝了相應的無功補償裝置，以保證其無功功率因數符合國家標準，從而避免了處罰。該系統包括諧波分析，波形取樣，電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，並對其進行了集中處理。

6.結論

改革開放後，我國高速鐵路建設迅速。同時，隨著高速公路規模的不斷擴大和提升，對電力系統的供電品質要求也在不斷提高。文章從電力系統的特點、效能、諧波源特性、治理需求、難點等方面進行了分析，提出了一套適合於電力質量的監控和治理的方案，為電力系統的電能質量提供了有效的監控和治理方案。

作者介紹：

張培，男，現任職於安科瑞電氣股份有限公司。

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