高速公路行业电能质量监测与治理系统解决方案

摘要：高速公路行业机电系统的运行，依靠供配电系统提供的电能支持。随着机电系统建设的逐步完善，高速公路供配电系统已经发展成为电力供电系统的一个重要分支，因此对高速公路供配电系统的质量检测显得尤为重要。高速公路机电系统中的变压器、照明灯具、不间断电源等机电产品以及一些非线性负载在产生谐波的同时也会降低功率因数，谐波的产生会对整个供电系统产生不利影响，功率因数低会导致电能的损耗，从而使高速公路的运维面临很大问题。本文根据高速公路的现状，分析高速公路负载的特性、谐波产生的原因以及电能质量需求，并提出来相应的系统解决方案。

关键词：高速公路行业；机电系统；电能质量；谐波危害及治理；系统解决方案

0.引言

近年来，随着高速公路的飞速发展，高速公路机电设备也日益增加(如变压器、隧道灯具，机电产品和不间断电源不断增加)，对这些设备的日常使用、工作寿命和维护更换都提出了更高的要求，这样对他们的供电系统也提出了要求，而供电系统主要由变压器(典型配置为10kV/400V型的降压变压器)、柴油发电机和不间断电源组成。其中不间断电源(包括UPS、EPS)为机电设备提供了供电的高可靠性，但由于其非线性特性，产生谐波污染，其中高次谐波对机电设备中的通信传输设备和高性能服务器等都有很大的干扰;低次谐波会降低变压器设备和线路的使用寿命，且谐波电流对供电系统产生很大功耗; 并且隧道灯具和机电产品等设备也产生谐波污染；同时这些负载有一部分属于感性负载，会降低功率因数，因此对高速公路供电系统进行全面的电能质量治理，才能满足机电设备使用的要求。

1.高速公路行业负载分类和特性

1.1高速公路行业负载分类

高速公路用电设备除少数电阻性负载外，有一部分用电设备属于感性用电负载，例如高压钠灯、变压器等设备。其余大部分设备为非线性负载，例如计算机、网络设备、收费车道设备、摄像机、可变情报板、各类检测器以及LED照明灯等。

高速公路供配电系统是采用集中或相对集中供电所用电源从发电厂或从附近地区的高压电网引出10kW或35kW高压送至高速公路的变电所，用低压变压器产生220V或380V的供电电压，然后再由低压配电屏及输电线送至有关用电设备。当市电停电或出现故障不能正常供电时,则由自备柴油发电设备发电供电。

隧道变电所重要负荷一般为应急照明设施、通风及照明控制设施、紧急呼叫设施以及部分消防设备等。隧道都处在比较偏远的地段，采用乡电比较多，由于乡电本身就不稳定，经常面临着停电的风险，一般采用EPS应急电源。如所带负载有设备对电压要求高的可由UPS供电。

收费站变电所重要负荷一般为通信系统、收费系统、监控系统等。常设有UPS为操作机构、监控设备、测控单元及ATS供电。

服务区变电所重要负荷一般为外场监控、通信系统、生活水泵、消火栓泵、综合楼照明、场区照明等。1.2高速公路行业负载特性  （1）单相设备多，采用单相供电容易造成三相负载不平衡，中性点偏移，且三相相差不对称。  （2）绝大多数用电设备为非线性负载，一类是呈电容性的非线性负荷(含有开关电源的设备)。另一类是呈电感性非线性负荷(含电感镇流器的照明灯具等)。  （3）非线性负载的大量存在直接导致电流谐波畸变率增大，从而造成无功功率增大、功率因数降低。传统的电容补偿技术不能有效地提高功率因数。  （4）所有使用到直流电压的电气产品，其电源供应器的最前面一般大都会使用桥式整流电路，桥式整流电路会产生大量的奇次谐波，对电路系统的元器件造成损伤。

2.高速公路行业谐波源分析2.1变压器谐波  变压器具有非线性电感是有它本身的结构决定的，由于变压器磁路是非线性的，所以其励磁电流也是非线性的。正常情况下电网电压可以近似看成正弦电压，当电网电压加在变压器原边绕组两端后，产生的励磁电流会使铁芯产生磁通Φ，因为磁路是非线性的，所以当励磁电流为尖顶波时，才会产生正弦磁通，当励磁电流为正弦波时，才会产生平顶波的磁通。但励磁电流不论是平顶波还是尖顶波，都会含有奇次谐波，其中的3次谐波含量是最大的。如果磁通为尖顶波，那副边的相电压就会是非正弦的，输出电压就会含有谐波量。如果励磁电流为尖顶波，那受电端的变压器原边电流就会含有谐波。  

变压器的谐波含量除了与本身结构有关外，还与变压器的工作状态有关。在额定电压下正常工作时，铁芯的谐波含量是很小的。在额定的负载情况下，电流含有的励磁电流只有5%左右，其波形近似正弦波。而在变压器轻载或者空载的时候，铁心就会在饱和区工作，非正弦励磁电流会导致变压器原边绕组的漏感产生压降，这将使得变压器的感应电动势中含有谐波分量。当变压器进行空载合闸时，会有很大的励磁电流出现，此励磁电流的大小是由剩磁大小、合闸初相角和铁心材料三者决定的。2.2 灯具谐波  

节能灯是非线性的照明灯，它内部带有电容滤波的电子镇流器，由于低成本，所以灯具内部采取的改善电能质量的手段有限，这类负荷就会产生很高含量的奇次谐波电流，其中3次和其倍数的谐波电流作用在中性线阻抗和系统阻抗上就会使电力系统的电压每一个半周正弦波的50°发生凹陷，使电压产生畸变，这类照明灯的功率因数通常只有0.55左右。由于这类灯具的谐波含量很大，在隧道灯大量开启时，会产生大量的谐波电流，对隧道供电造成影响。单个灯容量虽然不大，但是数量众多，所产生的谐波会对电能质量产生影响。节能灯谐波电流畸变率非常大。它们的谐波电流都是以奇次谐波为主，3次谐波的值最高。  

高压气体放电灯是利用汞、钠等金属卤化物的汽化来发光，在放电时会有负电阻特性。高压气体放 电灯的发光强度大，它们产生的谐波以3、5、7次谐波为主，且谐波电流会随着灯具容量的增大而增大。现行的利用节能器来调节高压气体放电灯的发光强度，无非是使用可控硅、IGBT和GTO等电力电子器件来切断一部分正弦电流或者降低工作电压等方法，所以该电路也产生谐波电流电压。  

LED灯。近几年，LED 发展迅速，在高速公路隧道照明系统中的使用量猛增，具有良好发展前景和 照明优势。LED的照明驱动电源电路结构有很多种，常用的主要有三种:无功率因数校正(简易型)、有源2017年4期(总第148期)297功率因数校正(如BOOST式的)和无源功率因数校正(逐流式)。其中无功率因数校正的电路结构会使得输入电流含有非常高的谐波成分，并且会使得输入电压畸变率变高。有源功率因数校正的电路结构对功率因数的校正效果最好,会使输入电流的正弦波形比较理想，谐波含量很低。无源功率因数校正的电路结构特性处于前两者之间，它的输入电流波形较为理想，谐波成分含量较低，并且它成本低，所以采用这个校正电路架构会比较多。2.3 机电设备谐波  

现在的高速公路中的机电设备使用量非常大，大量的显示用设备(如监控控制系统和可变标志显示系统等)，其产生谐波的原理与电视的很相似。控制系统整机运行时与显示设备单独运行时相比，其3～11次谐波电流畸变率会稍微下降，而13,15、17次谐波电流畸变率会稍微上升。因为控制系统的谐波畸变率较高，并且其谐波电流与显示设备 谐波电流相位重合，这会共同增大谐波电流。当控制系统使用量很大时，其谐波会与正在使用的其他电气 设备的谐波叠加，控制系统的谐波影响就会迅速扩大。2.4 不间断电源谐波  

不间断电源主要由整流电路、逆变电路、控制电路、充电电路、电池组、旁路系统组成。其中不间断电源产生谐波的主要原因是由于其内部使用整流设备而产生的，其产生的谐波与整流设备的脉冲数(也就是可控硅、IGBT或者GTO的个数)有关，目前的不间断电源常见的脉冲数是六脉冲和十二脉冲，对于六脉冲的不间断电源其主要的谐波以5,7次谐波为主，对于十二脉冲的不间断电源其主要的谐波阶次为11、13次。

3.高速公路行业电能质量治理需求分析及主要特征

3.1需求分析  

高速公路变电所包括隧道变电所、服务区变电所、收费站变电所、沿线箱式变电站、互通枢纽等区域。同时由于绿色交通的推进以及扩容调整，目前高速公路变电所呈现带状分布供配电所数量多、距离长且位置分散、桥隧比高等特点。也正是由于这些特点，高速公路配电系统面临了如下痛点：  

(1)供电可靠性要求高；  (2)供电范围大造成运维管理困难；  (3)隧道内控制设备种类多，频次高；  (4)长期处于山区或乡村存在高风险又缺乏专业人员。3.2高速公路行业电能质量主要特征：  （1）国家持续重点建设发展的行业，配电管理逐渐智能化、自动化，对电能质量要求高，对配电设备稳定性和可靠性要求高。  （2）变压器容量小，负荷轻。  （3）主要关注电能质量问题是无功补偿问题，负载设备中主要谐波源为UPS，但谐波含量较小。  （4）补偿设备更推荐SVG，SVG补偿精度高，能适应高速公司轻载的特性。且SVG自动化免维护，寿命长，没有电容补偿故障率高这些问题。

4.高速公路行业电能质量监测与治理系统解决方案

4.1解决方案

通过上述对高速公路行业各方面的分析得出配电稳定性可靠性对于高速公路配电系统越来越重要，对配电的电能质量要求也越来越高。但是高速公路供配电系统负荷分布较为分散，负荷一般都是日常用电的轻负荷，同时部分负荷是感性负荷，因此需要一个系统的解决方案来提高高速公路行业电能质量的监管和电能的质量。安科瑞电气提出的电能质量监测与治理系统解决方案可满足电力监控管理、运维与电能质量治理等方面的需求，致力于为高速公路行业用户提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。

4.2方案特点

（1）电能质量监测与治理系统可在终端为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS-HIW高速公路综合能效管理平台，为用户提供远程在线服务；  （2）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；  （3）电能质量监测与治理装置整体设计，通过上位平台实现统一管理和闭环控制；  （4）根据高速公路行业特点制定合理电能质量治理策略；  （5）电能质量有源治理设备采用DSP+FPGA的控制架构、模组式高功率IGBT的输出方式，为电网的安全可靠保驾护航；  （6)电能管理务业务综合协同：配电监控管理与运维、电能分析与电能质量数据共享融通，为企业电能供给与消费提供控制手段。

4.3方案价值  (1)全面监测电能质量，保障供电可靠性,对供电回路的电气参数进行全面监测，确保设备用电符合标准要求。微秒级故障录波与SOE告警能够及时记录故障发生时全部数据信息，支持开展故障追踪与问题定位。  (2)完整电能质量治理,结合高速公路行业供配电系统的特点以及配电设备负载的特性，通过集中治理的模式，更经济和高效的满足无功和谐波的治理需求，达到提高高速公路行业配电系统的电能质量，降低设备故障率的目的。

5.安科瑞电能质量监测与治理产品选型  由于高速公路行业负载较为分散，通过集中治理的方式，对高速公路行业配电系统所涉及到的UPS、LED灯、机电等设备产生的谐波统一治理，减少谐波对电网侧的危害和影响；对非线性负载产生的功率因数问题，也在高速公路配电房内装设相应的无功补偿装置，确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款。同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表2。 表2电能质量监测及集中治理产品选型表

6.结论

自改革开放以来，我国高等级公路得到迅猛发展。与此同时，高速公路的扩容与升级对高速公路行业配电需求也越来越高，人们对配电的电能质量也是越来越重视。本文通过分析目前高速公路沿线用电设施的特点和性能、谐波源的特性、治理需求以及痛点，并针对高速公路所面临的电能质量问题，在相应配电系统配置合理的电能质量监测与治理系统解决方案，以监测电网电能质量数据、实现补偿无功功率和抑制谐波，减少线路损耗的目的，从而起到提高电网的安全和经济运行，保障设备的性能以及降低能耗的目的。

审核编辑黄昊宇