10KV配电网中电能质量监测方法初探及研究

10KV配电网中电能质量监测方法初探及研究

毛晓飞

珠海市道路照明技术有限公司 广东省 珠海市  519000

摘要：针对10KV配电网，本文提出了一种基于物联网技术的电能质量监测方法，通过传感器技术、云计算等现代信息技术，实现了对电能质量的全面监测和预警。该方法采用先进的传感器技术、云计算等现代信息技术，有效地监测电力系统电能质量的异常波动情况，并提供及时的预警信息，为电力系统的稳定运行提供了有力的保障。

关键词：电能质量监测；物联网技术；传感器技术；云计算；异常波动；预警信息

Study and preliminary analysis of power quality monitoring method in 10KV distribution network

Mao Xiao-fei

(Zhuhai Road Lighting Technology Co., Ltd, Zhuhai, Guangdong, 519000)

0引言

当前供电系统中，电网供电负荷包含冲击性、非线性与波动性等干扰性因素，易于诱发供电网产生波形畸变（谐波）、电压波动或闪变、三相不平衡等问题，严重影响电网的电能质量[1]。同时，随着基于微机处理技术的精密电子仪器在电力工业中大量使用，各类用电终端客户对电网电能质量的敏感度不断增高，从而使得电能质量监测问题及其解决措施，逐渐成为研究的热点。

1、10KV配电网络是电能质量监测的重中之重

10KV配电网作为最终电力用户的配电网络，分布最广、网架结构和负荷变化最为复杂，由于直接连接着供电负荷，其电能质量最易受到影响。从配电网承上启下的供电作用看，优化10kV配电网的电能质量，直接决定着上游电网和下游用户的电能质量，影响着整个电网电能质量水平。配电网电能质量不高，可能会严重损害敏感负载和电网设备，导致设备故障，供电可靠性下降[图1]，工厂停电时间增加，势必造成社会经济运行的巨大损失。

（a）                              (b)

图1：(a)10 kV线路单相短路起始处相对地电压（故障开始时刻（0.05 秒后）可以看到明显的相移和不平衡）(b) 10 kV 电源线换相（合闸）引起的相对地电压瞬变（0.05 s 后）

据美国电力研究所统计，美国每年因谐波等电能质量问题造成的损失约为300亿美元，同样在我国因电能质量问题也造成了难以计数的巨量经济损失。因此，10KV配电网系统电能质量管理的首要任务，就在于全面建成10KV配电网的电能质量在线监测量系统[2]。抓住这个关键，就意味着需要对整个10KV配电网进行动态实时的监测，这种监测是分散的，是多点分布监测的。不仅如此，随着物联网技术的不断发展，电力企业更加要求监控具有多点成面的效果，能够构成全网的实时监测与全网监测信息的共享。在此情况下，引进了分布式的概念，从而使得电能质量的监测也具有分布式的效果，完全符合电力企业的要求。在本文中，我们将探讨10KV配电系统中电能质量尤其是高压侧的监测和分析的一些最新技术和工具。

2、 10KV高压电能质量在线监测装置的基本功能及分类

10 KV 高压电能质量的在线监测装置，主要运用信息化软件来实施在线的电能质量全面监控，从而给出各时间段的电能质量变化动态，便于相关部门据此制定优化电网管理的决策[3]。对于在线监测 10 KV 高压电能质量的实践操作而言，现阶段的在线监测装置可以划分为电磁型、高计型、可带电安装型、分压型与LPCT型等，其性能对比见表 1。其中，可带电安装的在线监测装置可无需停电进行安装，具有简化安装操作流程以及节省安装成本的效果。

性能指标           电磁型       可带电安装型       LPCT型      分压型

电网安全性能          一般            良好            良好         良好              

电能传输的抗干扰性    良好            良好            良好         良好

电能测量的精准程度    一般            良好            良好         良好

电能监测动态范围    比较狭窄          一般           比较宽        很宽

表1在线监测装置主要类型性能对比

3、10 KV高压电能质量在线监测装置研究现状

目前，国内该技术还未完全成熟，仅限于制作生产分压型、开口电流型与高压电容型几种典型互感器产品。国内外该领域技术研究整体现状如下：

3.1 在线监测装置的成型产品。

（1）高压智能表。

目前具备高压在线监测功能的成型技术产品主要是高压电能表。早在 20 世纪末，国内已有学者专门针对实施在线电能监测的相关技术方案开始尝试进行研发，并且归纳出基础性的电能表在线监测相关原理。然而在 21 世纪初的时间段内，国内尚未达到工业化与批量化制造高压电能表、在线监测电能装置与光纤电流互感装置的水平。目前国内相关企业正在逐步尝试挂网运行高压电能计量的成套装置，主要涉及电容分压器与 LPCT 类型的两元件结构电能监测设备。但该领域国内产品尚未具备优良的可靠性，并且亟待优化现有的产品监测功能，包括长期运行计量、通迅可靠性、多功能性、智能性等方面。系统低压侧主要涉及信号处理保护电路的实时监测，对于系统高压侧，重点是针对信号采样变送电路实施监测。基于光纤设备，在线监测装置可以同时监控系统的高压侧与低压侧，确保被测的高压线始终处于运行监控的状态中。国内东方威思顿是工信部推荐的国内首款0.2S级高压直接计量式智能电能表，解决我国高压电能无法直接计量、误差无法整体校验、高能耗等难题，多项技术国际领先。

当前国外主流的高压智能电表，可提供测量和记录电压、电流、功率、频率和电能质量等电气参数，并可通过无线或有线网络将这些数据传递给公用事业公司或客户，从而实现对电能质量的实时或近实时监控和分析，另外还支持需求响应、负载管理、停电检测和故障定位，可捕获电能质量的长短期的变化和趋势，实现远程和自动化数据收集、处理和报告等功能。允许客户通过在家庭显示器或门户网站上显示电能质量信息，提醒客户电能质量事件或违规行为。此外，它们促进了分布式能源的整合，从而影响或改善电能质量。

（2）电能质量分析仪

电能质量分析仪是测量和分析电能质量参数和事件的仪器，比智能电表更详细和准确。便携式或固定式，它们可以连接到配电系统中的各个点，如变压器，馈线，变电站或关键负载。电能质量分析仪可以测量和记录电压、电流、功率、频率、功率因数、谐波、闪烁、瞬变、下垂、膨胀、中断等电能质量现象。此外，他们可以使用图形和数值工具执行波形分析，谐波分析，闪烁分析，瞬态分析和事件分析。最后，他们可以将数据存储并传输到计算机或云平台，以便进一步分析和报告。

3.2在线监测装置的核心元件。

在线监测装置若要保证监测数值的精确性，需要依赖核心元件提供支撑。例如，开口电流互感器的研发重点在于改进罗氏线圈的功能，以及选择合适的材质制作开口的铁芯线圈部件。对于电容分压以及电阻分压两种典型的电压互感器，目前技术人员正在探索优化核心元件，以使分压器的在线监测设施有更好的温度特性与设备稳定性。对短时测量专用的在线监测设备进行改进时，可尝试采用新型材料取代开口铁芯材料，以增强开口部位绝缘性能并保证监测电流数据精确度，确保在线监测装置能始终平稳、安全地运行。

3.3电能质量监测技术发展趋向

（1）研发可带电安装的 10 KV 电能质量在线监测系统。

可带电安装的在线监测电能质量系统具备良好的在线监测性能，技术人员可以运用物联网远程监控的方式来操作电能监测系统，并且可以保持较长时间平稳运行，实现精确度更高的电能测量目标[4]，电能质量在线监测数据存储在云端服务器，并可实现在移动设备端查看、预先报警等功能。另外，可带电安装的电能质量在线监测系统能够抵御多种外界干扰。电能质量在线监测系统软件是在计算机或云平台上运行的应用程序，一般提供电能质量监测和分析的高级功能。它们可以接收来自智能电表、电能质量分析仪、SCADA系统、DFR或PMU的数据。电能质量软件可以提供一些功能，比如通过仪表板、图表、地图、表格、报告和警报来可视化和分析数据，可以执行统计分析、趋势分析、相关性分析以及电能质量问题和事件的根本原因分析，可以模拟和优化电能质量改善的解决方案，如滤波器、电容器、稳压器、定制电源设备或分布式发电，还可以与其他系统和利益相关者(如EMS、DMS、GIS或客户)集成和共享电能质量数据等。

（2）确保在线监测核心元件的运行可靠性。

在线监测元件的运行状态，决定了整个在线监测电能装置的工作实效性。现阶段的研发重点是引进新型设备制作材料，例如，推广运用稳定性更好的线圈材料。对于二次信号采集电路以及温度采集回路，应确保线路结构的坚固性，以保证信号采集电路能够长时间稳定运行，并保证数据采集的精确性。

（3）增强在线监测系统适应特殊运行环境的能力。在外界气候比较恶劣的情况下，某些在线监测系统很容易受到外界环境干扰，很难保持平稳的监测运行状态[5]。研究人员应重视在线监测电能质量系统的适应性，全面优化监测部件的性能，以保证在线监测系统能适应恶劣的外界气候以及其他特殊环境。

4、结论

在可预见的未来，智能电网通信网络分为三个主要覆盖区域：广域网（WAN）、邻域网（NAN）和家庭域网（HAN），显而易见，电能质量监控是 WAN 应用，应通过降低来自端节点的数据速率，降低对ICT要求而避免信道拥塞。电能质量监测目标和总体策略将由人类选择，但人工智能算法将处理剩余的任务——确定所需数量、监控位置和优先级，反馈信号以及各种信息流将用于决策。信息和通信技术（ICT）是将传统电力系统转变为智能系统的一个重要的层面。一方面，ICT将解决许多问题并增加新的功能，另一方面也会带来新的挑战。随着信息通信技术的进步，必须考虑新的电能质量监测分配策略，需要考虑现有在用的变电站中的光纤可用性、参考信号接收功率（用于蜂窝通信）或信号传播的其他方面、EMC 限制和健康规范有关。此外，还需要基础设施、带宽许可证和通信服务费用等。然而，从我们的角度来看，远程电能质量监控会遇到通信问题。如果电能质量监测系统与继电保护和自动化集成，则必须引入最严格的数据安全要求，以确保电网正确运行，防止网络攻击。

文献参考：

[1] 訾士才,田鹏,李旭等.高压电容型电气设备介质损耗在线监测系统研究[J]. 吉林电力，2018,46（1）: 35-37, 53

[2] 张涛, 浅谈高压输电线路外绝缘性能的影响因素及在线监测方法[J]. 科技资讯，2017，15（32）: 51-52.

[3] 热孜完姑丽·吾布力，艾力·阿布都热合曼.FPGA状态下变压器介质损耗的在线监测系统研究[J].科技创新导报，2017,14（11）: 60, 62.

[4] 邓建峰.高速铁路牵引变电所220kV干式电流互感器介质损耗值在线监测研究[J].电力系统保护与控制，2017，44（12）：125-129.

[5] 周洪，蒋燕.应用于智能电网在线监测设备供电的磁共振无线供能装置[J].中国电力，2017,49（5）：111-115.