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基于ACR電力質(zhì)量分析儀的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)方案
0 概述
隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)荷，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業(yè)交流變換器的廣泛應(yīng)用，引起了電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變，威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在國(guó)家一些重要項(xiàng)目的建設(shè)中電網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，作為目前功能完整，體積較小的ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用，且用電企業(yè)有必要建立電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 系統(tǒng)組成
電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層，通訊傳輸層和數(shù)據(jù)管理層組成，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。組網(wǎng)方式有網(wǎng)線、光纖、無線三種模式。
1.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)層
現(xiàn)場(chǎng)安裝各類電力質(zhì)量分析儀，要求具有通訊功能。主要產(chǎn)品有ACR330ELH、ACR320ELH、ACR230ELH、ACR220ELH等電力儀表，主要功能見表1.1。
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型號(hào) |
主要功能 |
開孔尺寸（mm） |
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ACR220ELH |
三相I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cosΦ；THDu、THDi、2-31次各次諧波分量；四象限電能、RS485/Modbus、LCD顯示 |
88X88 |
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ACR320ELH |
108X108 |
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ACR230ELH |
LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數(shù)、電話波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電流不平衡度計(jì)算；電網(wǎng)電壓電流正、負(fù)、零序分量（含負(fù)序電流）測(cè)量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報(bào)警）；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議 |
88X88 |
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ACR330ELH |
108X108 |
1.2 通訊傳輸層
為了將監(jiān)測(cè)層設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器而負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通訊傳輸?shù)脑O(shè)備，主要有通訊管理機(jī)、串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。數(shù)據(jù)采集終端通過串口與監(jiān)測(cè)層設(shè)備通訊，讀取其中數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步分析、整理，將數(shù)據(jù)保存在本地SD卡中，之后將數(shù)據(jù)傳輸給無線通訊模塊。無線通訊模塊采用射頻技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)組成無線局域網(wǎng)絡(luò)，將各點(diǎn)數(shù)據(jù)采集終端整理的數(shù)據(jù)收集并傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器，也可用網(wǎng)線或光纖的方式傳輸數(shù)據(jù)。
a) 數(shù)據(jù)管理層
對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、解析及應(yīng)用的過程，包括服務(wù)器架設(shè)、各種軟件的應(yīng)用。
2.1 標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接線情況；龐大的系統(tǒng)具有多畫面切換及畫面導(dǎo)航的功能；分散的配電系統(tǒng)具有空間地理平面的系統(tǒng)主畫面。主畫面可直接顯示各回路的運(yùn)行狀態(tài)，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機(jī)交互界面并實(shí)時(shí)刷新。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配電一次圖見圖2。
圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配電一次圖
2.2 用戶管理
可對(duì)不同級(jí)別的用戶賦予不同權(quán)限，從而保證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的安全性和可靠性。如對(duì)某重要回路的合/分閘操作，需操作員級(jí)用戶輸入操作口令，還需工程師級(jí)用戶輸入確認(rèn)口令后方可完成操作。
2.3 數(shù)據(jù)采集處理
通過Acrel-2000型電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)和定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各電參量及開關(guān)量狀態(tài)（包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、不平衡度、電流K系數(shù)、電話波形因子、電壓波峰系數(shù)、電能、溫度、開關(guān)位置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等），將采集到的數(shù)據(jù)或直接顯示、或通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算生成新的直觀的數(shù)據(jù)信息再顯示（總系統(tǒng)功率、負(fù)荷最大值、功率因數(shù)上下限等），并對(duì)重要信息量進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。見圖3。
2.4 趨勢(shì)曲線分析
系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)兩種曲線分析界面，通過調(diào)用相關(guān)回路實(shí)時(shí)曲線界面分析該回路當(dāng)前的負(fù)荷運(yùn)行狀況。如通過調(diào)用某配出回路的實(shí)時(shí)曲線可分析該回路的電氣設(shè)備所引起的信號(hào)波動(dòng)情況。系統(tǒng)的歷史趨勢(shì)即系統(tǒng)對(duì)所有已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)均可查看其歷史趨勢(shì)，方便工程人員對(duì)監(jiān)測(cè)的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行質(zhì)量分析。
2.5 報(bào)表管理
系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的電能報(bào)表格式并可根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)符合其需要的報(bào)表格式，系統(tǒng)可自動(dòng)設(shè)計(jì)。可自動(dòng)生成各種類型的實(shí)時(shí)運(yùn)行報(bào)表、歷史報(bào)表、事件故障及告警記錄報(bào)表，操作記錄報(bào)表等，可以查詢和打印系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)值，自動(dòng)生成電能的日、月、季、年度報(bào)表，根據(jù)復(fù)費(fèi)率的時(shí)段及費(fèi)率的設(shè)定值生成電能的費(fèi)率報(bào)表，查詢打印的起點(diǎn)、間隔等參數(shù)可自行設(shè)置；系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可根據(jù)用戶需求量身定制滿足不同要求的報(bào)表輸出功能。
典型應(yīng)用
世博中心是上海世博會(huì)園區(qū)內(nèi)首座永久性場(chǎng)館，位于盧浦大橋東側(cè)世博園區(qū)B區(qū)濱江綠地內(nèi)，東西長(zhǎng)約350米，南北寬約140米，總建筑面積約14萬平方米，現(xiàn)已建成并投入試運(yùn)營(yíng)。世博中心作為世博永久性場(chǎng)館中最重要的場(chǎng)館之一，在世博會(huì)期間，將承擔(dān)世博會(huì)運(yùn)營(yíng)指揮中心、慶典會(huì)議中心、新聞中心、論壇活動(dòng)中心等功能。
上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀在該項(xiàng)目中一舉包攬了中心場(chǎng)館5個(gè)變電所的所有電力數(shù)顯示儀表。以世博中心地下5個(gè)變電所中的1#所舉例：這是一個(gè)0.4kV低壓配電站系統(tǒng)，由2個(gè)受電柜、2個(gè)應(yīng)急進(jìn)線柜、1個(gè)母聯(lián)柜、4個(gè)補(bǔ)償柜，155個(gè)饋出柜組成。饋出柜負(fù)載具體可分為：展覽用電、照明用電、空調(diào)風(fēng)機(jī)用電、動(dòng)力用電和消防用電。配電系統(tǒng)中采用了LED等節(jié)能光源、大功率變頻中央空調(diào)、展覽用電等大量非線性用電設(shè)備，雖然降低了實(shí)際的功耗，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，但是這些設(shè)備都是電力系統(tǒng)諧波的主要來源；這些設(shè)備即使供給它們理想的正弦波電壓，取用的電流也是非線性的，即有諧波電流存在。這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流注入電力系統(tǒng)中，使系統(tǒng)各處電壓產(chǎn)生諧波分量。這些設(shè)備單個(gè)容量不大，但基數(shù)很大且散布于各處，電力部門又難以治理。假如這些設(shè)備的電流諧波含量過大，則會(huì)對(duì)世博中心場(chǎng)館電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。
ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀在現(xiàn)場(chǎng)使用之后，用戶除了可以通過該表了解所有常規(guī)電參數(shù)之外，可以了解世博中心場(chǎng)館現(xiàn)場(chǎng)各種電力設(shè)備投運(yùn)前、后相關(guān)系統(tǒng)的電力質(zhì)量水平及其變化對(duì)有關(guān)設(shè)備的影響，方便電力質(zhì)量故障診斷和異常的原因測(cè)量，為大型公建的穩(wěn)定運(yùn)行提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
在該項(xiàng)目中主要用到了該產(chǎn)品的以下功能，常規(guī)電參數(shù)測(cè)量、復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、電力質(zhì)量分析、分?jǐn)嚅_關(guān)的分合狀態(tài)指示以及485通訊組網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層——網(wǎng)絡(luò)通訊層——站控管理層。也即是：先將現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備接入就地的Modbus總線，再將Modbus總線通過串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器轉(zhuǎn)換成TCP/IP以太網(wǎng)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最終由方便管理人員通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件了解及掌握現(xiàn)場(chǎng)狀況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
3.1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采集所需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電參量：
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要是由智能儀表組成(此項(xiàng)目中主要為ACR230ELH電力質(zhì)量分析儀)，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲(chǔ)的參數(shù)。世博中心場(chǎng)管項(xiàng)目中，例如主進(jìn)線回路的三相電流、三相電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)及頻率；電容補(bǔ)償回路的功率因數(shù)、有功、無功功率；聯(lián)絡(luò)回路的三相電壓、電流；普通低壓出線回路的三相電流、功率；重要低壓出線回路的三相電流、有功、無功功率、電壓和電流的2－31次諧波、諧波畸變率（THDi、THDu）等電參量；
3.2網(wǎng)絡(luò)通訊層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸：
在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如ACR230ELH)中采集到的電參量，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的交換和共享，并將數(shù)據(jù)提供給總變監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制命令。
3.3站控管理層以最直觀方便的形式反映現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)：
站控管理層針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理人員，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的最上層部門。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息計(jì)算、分析與處理，以報(bào)表及圖文方式直觀地體現(xiàn)各種電參量信息及系統(tǒng)運(yùn)行以來的具有參考價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)，如諧波數(shù)據(jù)、棒圖及曲線，電力能耗的日、月、年報(bào)表，日志報(bào)表等等。
結(jié)束語
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及電力的廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為電網(wǎng)用戶側(cè)配電系統(tǒng)建設(shè)的必然選擇，本文介紹的電力質(zhì)量分析儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析、處理，并生成各種電能質(zhì)量報(bào)表、分析曲線、圖形等，便于電能的分析、研究。該產(chǎn)品及系統(tǒng)在上海世博中心、奧運(yùn)會(huì)臨時(shí)配電中心、蘇州金墅國(guó)際公寓等項(xiàng)目中運(yùn)行，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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