科技创新促进智能电网电能质量提升

核心提示中国电科院牵头的《智能电网电能质量监测与控制关键技术》项目面向电力电子化特征电网电能质量监测与治理的共性需求，构建了集监控系统、治理方法与设备、技术标准为一体的电能质量监测与治理技术体系。该项目日前荣获国际电气和电子工程师协会信息物理系统技术委员会“2018工业技术杰出贡献奖”。

日前，由中国电科院牵头的《智能电网电能质量监测与控制关键技术》项目荣获国际电气和电子工程师协会信息物理系统技术委员会（IEEETCCPS）“2018工业技术杰出贡献奖”，是该奖项唯一获奖项目。IEEE首次设立了该奖项，旨在奖励对信息物理系统领域做出突出贡献的项目及团队。

中国电科院及其联合研发项目团队（以下简称项目团队）在国家科技支撑计划及国家电网公司重大科技项目的有力支持下，协同攻关，创新研发，面向电力电子化特征电网电能质量监测与治理的共性需求，构建了集监控系统、治理方法与设备、技术标准为一体的电能质量监测与治理技术体系，在低压负荷在线换相、电能质量决策支持、谐波量值准确传递以及广域动态谐波监测治理等四大关键技术领域实现重大突破，对保障电网安全、促进经济社会健康发展发挥了重要作用。

1 亟需开展智能电网电能质量监测与治理

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质，其优劣直接关乎国计民生与社会公共安全，是衡量电力企业优质供电服务的重要指标。从严格意义上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形；从普遍意义上讲就是指优质供电。在电力系统中，电能质量通常以谐波、供电电压偏差等数据指标进行综合量化分析与评价。

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频（50赫兹）相同的分量，高次谐波的干扰是当前智能电网中影响电能质量的一大“公害”。谐波的存在会导致电机、变压器、电容器等电气设备损耗增加，绝缘老化加速，使用寿命缩短，发电、输电及用电设备的效率降低，还易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，对通信系统产生干扰，严重时将威胁电网运行、设备及人身安全等。

供电电压偏差是指实际供电电压对系统标称电压的偏差，相对值以百分数表示，《GB／T12325－2008电能质量供电电压偏差》明确规定了各电压等级电网供电电压允许偏差的限值。对电网来说，当系统运行电压偏低时，线路损耗增加，输配电极限容量降低，甚至导致系统崩溃，带来重大损失；对配用电设备来说，当供电电压偏离额定电压较大时，设备的运行性能恶化，运行效率降低，甚至导致部分电器无法启动或者不能正常运行，自身发热严重，使用寿命缩短。

随着电力电子技术的发展，电能使用范围扩大，例如整流设备、变频设备、大功率电机、家用电器等大量非线性、冲击性以及不平衡负荷接入，电网负荷特性发生重大改变，对电网电能质量造成了严重影响。长期以来，我国电能质量治理手段缺乏，相关系统与装置功能单一，无法实现综合性全面治理，因此亟需开展智能电网电能质量监测与治理。

智能电网电能质量监测是指通过与电网已有自动化系统和电能质量相关监测装置进行通信接口设计，统一采集分析电能质量相关实时、准实时和历史数据，以可视化动态图形对电能质量重要指标越限情况监控并及时告警，实现对区域电网变电站、中压线路、配电台区和用户等各个层面电压、电流及其谐波分量的准确掌控，解决依靠运行管理人员定期或不定期现场监测对电能质量情况掌握的不及时、不全面等问题。

智能电网电能质量治理是指借助自动化系统平台准确分析电网电能质量现状，准确定位电能质量存在问题，并针对性采取单点治理和协调治理等手段，通过在线仿真功能确定可行的电能质量治理决策方案，解决电能质量治理缺乏决策工具、凭经验判断、存在盲目性等突出问题。

随着大规模分布式电源、柔性负荷、电动汽车充电装置等接入电网，具有明显电力电子化特征电网的电能质量监测与治理面临以下突出问题：

一、我国低压配电网三相负荷不平衡现象较为普遍，由此引起的低电压问题突出，此前主要通过管理手段，按照季节性用电特点，依靠停电人工进行负荷换相调整，实时性和准确性较差，且极大影响了电力企业供电安全性和可靠性，缺乏较为有效的在线治理方法与配套设备。

二、传统电能质量治理分别针对电压、谐波、无功等单一指标，每项指标均有对应的监测系统和治理装置，设备与信息资源孤立，未考虑指标间相互影响，缺乏综合协调控制策略和在线评估与治理仿真手段，治理无序且具有盲目性，治理的科学性与准确性不足。

三、在谐波量值传递方面，常规的谐波信号发生方法难以满足高峰值系数信号高保真稳定输出的需要，同时谐波检定装置设计和制造技术被国外企业垄断，价格居高不下。

四、因谐波监测设备的测量频率范围普遍低于2．5千赫兹，无法满足高频监测要求，信息兼容性差，实时同步监测和准确分析困难；谐波治理装置检测控制算法易造成各次谐波相移不一致，补偿误差大；宽频带谐波测量时，测量信号误差较大，严重影响测量精度。

2 攻克电能质量监测与治理关键技术

项目团队通过理论分析、关键技术研究及实验验证，在低压负荷在线换相、电能质量治理决策支持、谐波量值准确传递和广域动态谐波监测治理方面取得重要突破，取得了系列电能质量监测与治理关键技术研发成果。构建的集监控系统、治理方法与设备、技术标准为一体的电能质量监测与治理技术体系，极大促进了我国智能电网电能质量的有效提升。

一、低压负荷在线智能换相技术

项目团队发明了可以自动实施低压负荷在线调相的操作方法和智能型低压负荷在线换相装置，该装置充分融合了机械开关和电力电子器件的优良性能，满足可控性、实时性、在线性、无冲击性和无损性等功能需求，实现了低压负荷在线相序自动调整，解决了依靠人工调整负荷不安全、不及时、不准确等问题。

团队研制的广义电能质量控制终端，集无功补偿、有载调压、有载调容等功能于一体，可实现数据采集、信号处理及实时协调控制，有效解决了配电台区多种因素引起的低电压问题。

二、电能质量监控与治理决策支持技术

项目团队提出了集多功能控制操作的电能质量监控方法，综合解决配电台区配电变压器空载损耗大、功率因数低、电压越限和三相负荷不平衡等问题，提升低压配电网经济运行水平，提高管理效率，改善供电质量，实现了电能质量综合控制。

团队研发的电能质量监控与辅助管理决策支持平台系统，通过电能质量在线仿真与决策，实现对电能质量的现状分析、单点治理、协调治理、仿真查询和辅助管理决策支持功能，有效解决了监测系统功能单一、信息孤立以及电能质量综合治理决策工具缺乏等问题，提高了电能质量综合治理的准确性和有效性。

三、谐波量值准确传递技术

项目团队提出的一种谐波信号发生方法，实现了100次以内标准信号发生，研制出达到与国外同类产品相当的技术指标的谐波功率源及谐波标准表，解决了谐波检定装置高准确度与低成本控制的矛盾。

团队提出的多重平均自适应谐波分析算法，提高了谐波分析准确度，达到国际计量局（BIPM）颁布的各国最高谐波校准测量能力（CMC）世界前列；研制的电能表检定装置可准确计算出计量误差，解决了标准谐波信号准确发生、计量及监测设备准确赋值等问题。

四、广域动态谐波监测治理技术

项目团队提出的分频段采样同步控制方法，实现了多谐波源复杂工况下的准确监测与评估；提出的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，能够保证谐波电流补偿精度。

团队研制了0．4千伏～35千伏系列谐波治理装置，构建了首套广域同步谐波监测系统，解决了谐波快速跟踪与精确补偿的难题。

3 项目应用

成效显著

提供智能电网电能质量监控与治理决策支持

系统硬件架构图

项目研发的装置和系统已得到推广，用于电力、质监系统的34家省级以上计量技术机构，覆盖27个省、747座电气化铁路牵引站、27座换流站以及新能源发电场、配电网，监测点达10897个，发现140座电气化铁路牵引站存在谐波超标现象，解决敏感用电设备不能正常运行问题30余起，解决2203．7万户低电压问题。

项目成果的应用有效改善了电网和广大用户的电能质量，为集成电路、精密制造、纺织等行业提供优质电源，提高了企业生产效率和产品合格率，降低了电能质量问题造成的经济损失，取得了良好的社会效益。