关键词：谐波在线测量 电能质量分析
1 引言
随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还需要严惩没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速使得公。用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：
（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。
（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。
（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。
为了减少谐波产生上述的危害，一种对谐波的长时间连续的测量，通过分析仪器对采集的测量数据进行分析，从而采取适当的补偿措施的测量方法变得迫切起来。
2 利用ION7550/7650设备实现谐波的在线测量
2.1 基于ION7550/7650分散式电能质量监控装置简介
ION7550/7650分散式电能质量监控装置是加拿大POWER MEASUREMENT公司针对电能质量在线监测需求而研制的多功能分散式在线电能质量监测装置。ION7550/7650强大的I/O功能可应用于谐波在线检测分析、电压上冲下陷记录和波形采样、闪变分析、电压不平衡度测量、事件记录、控制输出、功率因素调整、需量监控、数据集中管理分析等功能。
ION7550/7650可以选择多通信方式，最大配置有5个通信口，其中有1个RS-232/RS485口、1个RS-485口、1个红外通信口、1个全内置以太口、可选1个全内置工业级Modem。由于本装置具有独特的多通信口和多通信协议，ION7550/7650分散式电能质量监控装置可以接入任何厂家的综合自动化系统、电能质量监测系统或电能计量系统，大大提高了本装置的性价比。
2.2 基于ION7550/7650分散式电能质量监控系统结构图2-1 n
由上图我们可以清楚的看到，本谐波在线监测系统的整个信息传输流程。他分为三个层次：供电局下属变电站层、地区供电局层、省电力局层。其原理就是我们将ION7650分别安装在每一个电能质量需要监测的变电站，也就是供电局下属变电站层，通过ION7650采集谐波信号并将其分析归类制图生成专门的文件，然后通过以太网传输到地区供电局层的监测中心，而地区供电局层的监测中心在将其下所属的所有变电站的谐波信息再一次进行比对、分析、总结也生成一个文件给省电力局层的相关职能部门人员查看分析，以便采取适当的谐波抑制措施。为了避免数据传输过程中出现的数据丢失情况，各个安装在基层变电站上的ION7650设备也将他分析处理的谐波数据直接通过以太网或电力、电信电话网直接传输到省局的监测中心，同样的省电力局层的相关职能部门人员也可以对其数据进行查看分析并采取措施。
由于安装在变电站基层的ION7650的采样点是512点/周波，最高1024点/周波，可以捕捉20us 的子周波瞬变，也就实现了谐波的在线监测任务。
2.3 ION7550/7650实现谐波测量的原理
ION系列产品其内部功能逻辑均是采用多种ION模块组成的一体化网状结构，每一种模块都执行某种特定的功能，如同一个常规电力仪表。通过多个ION模块按照不同的逻辑组合连接起来就实现了不同的功能。我们可以不I每个ION看成一个功能箱，如图2-2：图2-2中输入（Input）可以是数据信号、布尔信号、脉冲信号，输出（Output）输出的就是通过转换的数据信号、脉冲信号和事件信号。而功能箱的算法采用的是基于傅立叶变换的谐波测量。基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行2次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，即当式（1）不成立时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数（即频率、幅值和相位）不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。
式中 T0为信号周期；Ts为采样周期；fs为采样频率；f0为信号频率；L为正整数。
利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。文[4]给出了不同窗函数（如矩形窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗–哈里斯窗）的插值算法。在实际测量过程中，选用矩形窗插值算法和海宁窗插值算法能够满足测量精度的要求。
式（2）和（3）为矩形窗插值算法计算复幅值Am和相角jm的公式[5]。
式（4）和（5）为海宁窗插值算法计算复幅值Am和相角jm的公式。
2.4 ION7550/7650分散式电能质量监控装置的使用方法
在每一个基层的变电站可在一条计量回路中安装一个ION7550/7650分散式电能质量监控装置来对谐波进行监测。典型的四线星型连接图如图2-3。
3 典型案例
为了进一步深入、全面、系统的了解和掌握香港电网及各谐波源的特点，分析各个非线性用户对电力系统电能质量产生的污染及危害程度的规律，以便采取针对性的措施实现电网及用户的电能质量监测和综合管理，取得一手电能质量特性数据为今后的综合治理工作提供可靠的保障，香港中华电力公司（CLP）引进使用电能质量在线监测系统。
香港中华电力公司电能质量在线监测系统是目前全亚洲乃至全世界最大的电能质量监测系统，主要由300多台加拿大POWER MEASUREMENT公司生产的ION7550/7650以及ION EEM组成。香港中华电力选择的监测点包括从输电到配电的各个电压等级，包括380V、11kV、132kV和400kV。可以采集电压跌落和电压谐波等电能质量数据，通过SMS消息和Email在10分钟之内发出电能质量事件报警，为关键用户提供方便快捷的在线电能质量监测服务。此外，系统的整合了近190台故障录波器以及160台RTU，将这些第三方的装置的数据全部整合在EEM系统，提供统一的分析平台。
基于电能质量监测中心的网络及其数据管理技术，CLP实现了通过Web的友好界面，对网络内所有地点PQ参数的报表和图形进行在线分析，所有数据库中的数据都能第一时间的查阅，还具有：允许客户进行Web显示设置；能够建立窗口，用于比较各个不同位置数据源的数据；清晰地显示所所安装仪表的位置（变电站名、电压等级等可帮助追溯仪表之间的关系）；用户可方便的添加、删除或重新定位一个PQ装置，管理数据库的变化；支持所有的文本和图形数据输出功能；查询电力系统各种日常报表，特殊报表和PQ指标报表等。如图3-1所示。
ION系电能质量监控装置也大量使用于国外的电力公司，如新加坡电力公司、马来西亚电力公司、泰国电力公司、韩国电力公司等，而对谐波影响要求较高的大型企业如摩托罗拉（Motorola）、惠普公司（Hewlett－Packard）、甲骨文（Oracle）等知名企业也选择了ION电能质量监控装置。
可见，目前针对我贵州电网谐波在线监测这一个重点工作来说，引进ION电能质量在线监控系统具有划时代的意义。
4 结束语
由于谐波的不可避免，为了最大限度的减小谐波对电力系统的损害，我们就要在谐波造成损害之前采取措施消除它。因此，对谐波的在线监测，提供实时可靠的数据，方便了我们决策人员对电能质量的监控，以便制定具体的措施。而基于ION电能质量在线监测系统的构建，也使得了我们的管理部门能在网络上快捷、直观地了解所需的电能质量谐波的数据和信息，强化了电能质量的监督管理工作，为电能质量提供了真实、准确、实时的信息。随着计算机技术的发展和数据库技术的进步，改进的ION电能质量监测和数据处理系统必将使得电能质量管理工作的规范化、智能化、科学化和现代化。
参考文献
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