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基于ACR電力質量分析儀的電能質量在線監測方案
0 概述
隨著電力電子技術的蓬勃發展，供電系統中增加了大量的非線性負荷，從低壓小容量的家用電器到大容量的工業交流變換器的廣泛應用，引起了電網電壓、電流波形的畸變，威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行。在國家一些重要項目的建設中電網質量的監測顯得尤為重要，作為目前功能完整，體積較小的ACR230ELH電力質量分析儀對電能質量監測、解決諧波產生的問題有著重要的指導作用，且用電企業有必要建立電能質量監測系統，實現對整個配電電網電能質量的實時監控。
1 系統組成
電能質量在線監測系統主要有現場監測層，通訊傳輸層和數據管理層組成，系統拓撲結構見圖1。組網方式有網線、光纖、無線三種模式。
1.1現場監測層
現場安裝各類電力質量分析儀，要求具有通訊功能。主要產品有ACR330ELH、ACR320ELH、ACR230ELH、ACR220ELH等電力儀表，主要功能見表1.1。
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型號 |
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、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數、電話波形因子、電流K系數、電壓與電流不平衡度計算；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協議 |
88X88 |
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ACR330ELH |
108X108 |
1.2 通訊傳輸層
為了將監測層設備采集的數據傳送到服務器而負責數據通訊傳輸的設備，主要有通訊管理機、串口服務器、網絡交換機等。數據采集終端通過串口與監測層設備通訊，讀取其中數據，并進行初步分析、整理，將數據保存在本地SD卡中，之后將數據傳輸給無線通訊模塊。無線通訊模塊采用射頻技術，在現場組成無線局域網絡，將各點數據采集終端整理的數據收集并傳輸到后臺服務器，也可用網線或光纖的方式傳輸數據。
a) 數據管理層
對采集數據進行存儲、解析及應用的過程，包括服務器架設、各種軟件的應用。
2.1 標準的監測系統具有CAD一次單線圖顯示中、低壓配電網絡的接線情況；龐大的系統具有多畫面切換及畫面導航的功能；分散的配電系統具有空間地理平面的系統主畫面。主畫面可直接顯示各回路的運行狀態，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交互界面并實時刷新。監測系統配電一次圖見圖2。
圖2 監測系統配電一次圖
2.2 用戶管理
可對不同級別的用戶賦予不同權限，從而保證系統在運行過程中的安全性和可靠性。如對某重要回路的合/分閘操作，需操作員級用戶輸入操作口令，還需工程師級用戶輸入確認口令后方可完成操作。
2.3 數據采集處理
通過Acrel-2000型電能質量在線監測系統可實時和定時采集現場設備的各電參量及開關量狀態（包括三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率、諧波、不平衡度、電流K系數、電話波形因子、電壓波峰系數、電能、溫度、開關位置、設備運行狀態等），將采集到的數據或直接顯示、或通過統計計算生成新的直觀的數據信息再顯示（總系統功率、負荷最大值、功率因數上下限等），并對重要信息量進行數據庫存儲。見圖3。
2.4 趨勢曲線分析
系統提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調用相關回路實時曲線界面分析該回路當前的負荷運行狀況。如通過調用某配出回路的實時曲線可分析該回路的電氣設備所引起的信號波動情況。系統的歷史趨勢即系統對所有已存儲數據均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監測的配電網絡進行質量分析。
2.5 報表管理
系統具有標準的電能報表格式并可根據用戶需求設計符合其需要的報表格式，系統可自動設計�？勺詣由筛鞣N類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表，操作記錄報表等，可以查詢和打印系統記錄的所有數據值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據復費率的時段及費率的設定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數可自行設置；系統設計還可根據用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。
典型應用
世博中心是上海世博會園區內首座永久性場館，位于盧浦大橋東側世博園區B區濱江綠地內，東西長約350米，南北寬約140米，總建筑面積約14萬平方米，現已建成并投入試運營。世博中心作為世博永久性場館中最重要的場館之一，在世博會期間，將承擔世博會運營指揮中心、慶典會議中心、新聞中心、論壇活動中心等功能。
上海安科瑞電氣股份有限公司的ACR230ELH電力質量分析儀在該項目中一舉包攬了中心場館5個變電所的所有電力數顯示儀表。以世博中心地下5個變電所中的1#所舉例：這是一個0.4kV低壓配電站系統，由2個受電柜、2個應急進線柜、1個母聯柜、4個補償柜，155個饋出柜組成。饋出柜負載具體可分為：展覽用電、照明用電、空調風機用電、動力用電和消防用電。配電系統中采用了LED等節能光源、大功率變頻中央空調、展覽用電等大量非線性用電設備，雖然降低了實際的功耗，以實現節能的目標，但是這些設備都是電力系統諧波的主要來源；這些設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。這些設備產生的諧波電流注入電力系統中，使系統各處電壓產生諧波分量。這些設備單個容量不大，但基數很大且散布于各處，電力部門又難以治理。假如這些設備的電流諧波含量過大，則會對世博中心場館電力系統造成嚴重影響。
ACR230ELH電力質量分析儀在現場使用之后，用戶除了可以通過該表了解所有常規電參數之外，可以了解世博中心場館現場各種電力設備投運前、后相關系統的電力質量水平及其變化對有關設備的影響，方便電力質量故障診斷和異常的原因測量，為大型公建的穩定運行提供實時數據。
在該項目中主要用到了該產品的以下功能，常規電參數測量、復費率電能計量、電力質量分析、分斷開關的分合狀態指示以及485通訊組網。現場系統網絡結構：現場設備層——網絡通訊層——站控管理層。也即是：先將現場智能設備接入就地的Modbus總線，再將Modbus總線通過串口設備聯網服務器轉換成TCP/IP以太網與監控主機進行數據交換，最終由方便管理人員通過監測系統軟件了解及掌握現場狀況，并進行實時監測。
3.1現場設備層采集所需實時監測的電參量：
現場設備層是數據采集終端，主要是由智能儀表組成(此項目中主要為ACR230ELH電力質量分析儀)，向數據中心上傳存儲的參數。世博中心場管項目中，例如主進線回路的三相電流、三相電壓、有功/無功功率、功率因數及頻率；電容補償回路的功率因數、有功、無功功率；聯絡回路的三相電壓、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網絡通訊層實現數據傳輸：
在現場設備(如ACR230ELH)中采集到的電參量，通過以太網實現系統信息的交換和共享，并將數據提供給總變監控系統。同時，轉達上位機對現場設備的各種控制命令。
3.3站控管理層以最直觀方便的形式反映現場各個運行狀態：
站控管理層針對監測系統的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統的最上層部門。監測系統軟件具有良好的人機交互界面，對采集的現場各類數據信息計算、分析與處理，以報表及圖文方式直觀地體現各種電參量信息及系統運行以來的具有參考價值的歷史數據，如諧波數據、棒圖及曲線，電力能耗的日、月、年報表，日志報表等等。
結束語
隨著社會經濟的發展及電力的廣泛應用，電能質量在線監測系統已成為電網用戶側配電系統建設的必然選擇，本文介紹的電力質量分析儀，可以實現對電能質量的在線監測，實現對采集數據的分析、處理，并生成各種電能質量報表、分析曲線、圖形等，便于電能的分析、研究。該產品及系統在上海世博中心、奧運會臨時配電中心、蘇州金墅國際公寓等項目中運行，取得了較好的社會效益和經濟效益。
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