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中國電科院牽頭的《智能電網(wǎng)電能質量監(jiān)測與控制關鍵技術》項目面向電力電子化特征電網(wǎng)電能質量監(jiān)測與治理的共性需求，構建了集監(jiān)控系統(tǒng)、治理方法與設備、技術標準為一體的電能質量監(jiān)測與治理技術體系。該項目日前榮獲國際電氣和電子工程師協(xié)會信息物理系統(tǒng)技術委員會“2018工業(yè)技術杰出貢獻獎”。
日前，由中國電科院牽頭的《智能電網(wǎng)電能質量監(jiān)測與控制關鍵技術》項目榮獲國際電氣和電子工程師協(xié)會信息物理系統(tǒng)技術委員會(IEEE TCCPS)“2018工業(yè)技術杰出貢獻獎”，是該獎項唯一獲獎項目。IEEE首次設立了該獎項,旨在獎勵對信息物理系統(tǒng)領域做出突出貢獻的項目及團隊。
中國電科院及其聯(lián)合研發(fā)項目團隊(以下簡稱項目團隊)在國家科技支撐計劃及國家電網(wǎng)公司重大科技項目的有力支持下，協(xié)同攻關，創(chuàng)新研發(fā)，面向電力電子化特征電網(wǎng)電能質量監(jiān)測與治理的共性需求，構建了集監(jiān)控系統(tǒng)、治理方法與設備、技術標準為一體的電能質量監(jiān)測與治理技術體系，在低壓負荷在線換相、電能質量決策支持、諧波量值準確傳遞以及廣域動態(tài)諧波監(jiān)測治理等四大關鍵技術領域實現(xiàn)重大突破，對保障電網(wǎng)安全、促進經(jīng)濟社會健康發(fā)展發(fā)揮了重要作用。
1.亟需開展智能電網(wǎng)電能質量監(jiān)測與治理
電能質量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質，其優(yōu)劣直接關乎國計民生與社會公共安全，是衡量電力企業(yè)優(yōu)質供電服務的重要指標。從嚴格意義上講，衡量電能質量的主要指標有電壓、頻率和波形;從普遍意義上講就是指優(yōu)質供電。在電力系統(tǒng)中，電能質量通常以諧波、供電電壓偏差等數(shù)據(jù)指標進行綜合量化分析與評價。
諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻(50赫茲)相同的分量，高次諧波的干擾是當前智能電網(wǎng)中影響電能質量的一大“公害”。諧波的存在會導致電機、變壓器、電容器等電氣設備損耗增加，絕緣老化加速，使用壽命縮短，發(fā)電、輸電及用電設備的效率降低，還易使電網(wǎng)的各類保護及自動裝置產生誤動或拒動，對通信系統(tǒng)產生干擾，嚴重時將威脅電網(wǎng)運行、設備及人身安全等。
供電電壓偏差是指實際供電電壓對系統(tǒng)標稱電壓的偏差，相對值以百分數(shù)表示，《GB/T 12325-2008電能質量供電電壓偏差》明確規(guī)定了各電壓等級電網(wǎng)供電電壓允許偏差的限值。對電網(wǎng)來說，當系統(tǒng)運行電壓偏低時，線路損耗增加，輸配電極限容量降低，甚至導致系統(tǒng)崩潰，帶來重大損失;對配用電設備來說，當供電電壓偏離額定電壓較大時，設備的運行性能惡化，運行效率降低，甚至導致部分電器無法啟動或者不能正常運行，自身發(fā)熱嚴重,使用壽命縮短。
隨著電力電子技術的發(fā)展，電能使用范圍擴大，例如整流設備、變頻設備、大功率電機、家用電器等大量非線性、沖擊性以及不平衡負荷接入，電網(wǎng)負荷特性發(fā)生重大改變，對電網(wǎng)電能質量造成了嚴重影響。長期以來，我國電能質量治理手段缺乏，相關系統(tǒng)與裝置功能單一，無法實現(xiàn)綜合性全面治理，因此亟需開展智能電網(wǎng)電能質量監(jiān)測與治理。
智能電網(wǎng)電能質量監(jiān)測是指通過與電網(wǎng)已有自動化系統(tǒng)和電能質量相關監(jiān)測裝置進行通信接口設計，統(tǒng)一采集分析電能質量相關實時、準實時和歷史數(shù)據(jù)，以可視化動態(tài)圖形對電能質量重要指標越限情況監(jiān)控并及時告警，實現(xiàn)對區(qū)域電網(wǎng)變電站、中壓線路、配電臺區(qū)和用戶等各個層面電壓、電流及其諧波分量的準確掌控，解決依靠運行管理人員定期或不定期現(xiàn)場監(jiān)測對電能質量情況掌握的不及時、不全面等問題。
智能電網(wǎng)電能質量治理是指借助自動化系統(tǒng)平臺準確分析電網(wǎng)電能質量現(xiàn)狀，準確定位電能質量存在問題，并針對性采取單點治理和協(xié)調治理等手段，通過在線仿真功能確定可行的電能質量治理決策方案，解決電能質量治理缺乏決策工具、憑經(jīng)驗判斷、存在盲目性等突出問題。
隨著大規(guī)模分布式電源、柔性負荷、電動汽車充電裝置等接入電網(wǎng)，具有明顯電力電子化特征電網(wǎng)的電能質量監(jiān)測與治理面臨以下突出問題：
一、我國低壓配電網(wǎng)三相負荷不平衡現(xiàn)象較為普遍，由此引起的低電壓問題突出，此前主要通過管理手段，按照季節(jié)性用電特點，依靠停電人工進行負荷換相調整，實時性和準確性較差，且極大影響了電力企業(yè)供電安全性和可靠性，缺乏較為有效的在線治理方法與配套設備。
二、傳統(tǒng)電能質量治理分別針對電壓、諧波、無功等單一指標，每項指標均有對應的監(jiān)測系統(tǒng)和治理裝置，設備與信息資源孤立，未考慮指標間相互影響，缺乏綜合協(xié)調控制策略和在線評估與治理仿真手段，治理無序且具有盲目性，治理的科學性與準確性不足。
三、在諧波量值傳遞方面，常規(guī)的諧波信號發(fā)生方法難以滿足高峰值系數(shù)信號高保真穩(wěn)定輸出的需要，同時諧波檢定裝置設計和制造技術被國外企業(yè)壟斷，價格居高不下。
四、因諧波監(jiān)測設備的測量頻率范圍普遍低于2.5千赫茲，無法滿足高頻監(jiān)測要求，信息兼容性差，實時同步監(jiān)測和準確分析困難;諧波治理裝置檢測控制算法易造成各次諧波相移不一致，補償誤差大;寬頻帶諧波測量時，測量信號誤差較大，嚴重影響測量精度。
2.攻克電能質量監(jiān)測與治理關鍵技術
項目團隊通過理論分析、關鍵技術研究及實驗驗證，在低壓負荷在線換相、電能質量治理決策支持、諧波量值準確傳遞和廣域動態(tài)諧波監(jiān)測治理方面取得重要突破，取得了系列電能質量監(jiān)測與治理關鍵技術研發(fā)成果。構建的集監(jiān)控系統(tǒng)、治理方法與設備、技術標準為一體的電能質量監(jiān)測與治理技術體系，極大促進了我國智能電網(wǎng)電能質量的有效提升。
一、低壓負荷在線智能換相技術
項目團隊發(fā)明了可以自動實施低壓負荷在線調相的操作方法和智能型低壓負荷在線換相裝置，該裝置充分融合了機械開關和電力電子器件的優(yōu)良性能，滿足可控性、實時性、在線性、無沖擊性和無損性等功能需求，實現(xiàn)了低壓負荷在線相序自動調整，解決了依靠人工調整負荷不安全、不及時、不準確等問題。
團隊研制的廣義電能質量控制終端，集無功補償、有載調壓、有載調容等功能于一體，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號處理及實時協(xié)調控制，有效解決了配電臺區(qū)多種因素引起的低電壓問題。
二、電能質量監(jiān)控與治理決策支持技術
項目團隊提出了集多功能控制操作的電能質量監(jiān)控方法，綜合解決配電臺區(qū)配電變壓器空載損耗大、功率因數(shù)低、電壓越限和三相負荷不平衡等問題，提升低壓配電網(wǎng)經(jīng)濟運行水平，提高管理效率，改善供電質量，實現(xiàn)了電能質量綜合控制。
團隊研發(fā)的電能質量監(jiān)控與輔助管理決策支持平臺系統(tǒng)，通過電能質量在線仿真與決策，實現(xiàn)對電能質量的現(xiàn)狀分析、單點治理、協(xié)調治理、仿真查詢和輔助管理決策支持功能，有效解決了監(jiān)測系統(tǒng)功能單一、信息孤立以及電能質量綜合治理決策工具缺乏等問題，提高了電能質量綜合治理的準確性和有效性。
三、諧波量值準確傳遞技術
項目團隊提出的一種諧波信號發(fā)生方法，實現(xiàn)了100次以內標準信號發(fā)生，研制出達到與國外同類產品相當?shù)募夹g指標的諧波功率源及諧波標準表，解決了諧波檢定裝置高準確度與低成本控制的矛盾。
團隊提出的多重平均自適應諧波分析算法，提高了諧波分析準確度，達到國際計量局(BIPM)頒布的各國最高諧波校準測量能力(CMC)世界前列;研制的電能表檢定裝置可準確計算出計量誤差，解決了標準諧波信號準確發(fā)生、計量及監(jiān)測設備準確賦值等問題。
四、廣域動態(tài)諧波監(jiān)測治理技術
項目團隊提出的分頻段采樣同步控制方法，實現(xiàn)了多諧波源復雜工況下的準確監(jiān)測與評估;提出的基于快速傅里葉變換的諧波電流補償方法，能夠保證諧波電流補償精度。
團隊研制了0.4千伏～35千伏系列諧波治理裝置，構建了首套廣域同步諧波監(jiān)測系統(tǒng)，解決了諧波快速跟蹤與精確補償?shù)碾y題。
3.項目應用，成效顯著
項目研發(fā)的裝置和系統(tǒng)已得到推廣，用于電力、質監(jiān)系統(tǒng)的34家省級以上計量技術機構，覆蓋27個省、747座電氣化鐵路牽引站、27座換流站以及新能源發(fā)電場、配電網(wǎng)，監(jiān)測點達10897個，發(fā)現(xiàn)140座電氣化鐵路牽引站存在諧波超標現(xiàn)象，解決敏感用電設備不能正常運行問題30余起，解決2203.7萬戶低電壓問題。
項目成果的應用有效改善了電網(wǎng)和廣大用戶的電能質量，為集成電路、精密制造、紡織等行業(yè)提供優(yōu)質電源，提高了企業(yè)生產效率和產品合格率，降低了電能質量問題造成的經(jīng)濟損失，取得了良好的社會效益。
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