未来电网电压质量监测外文翻译资料

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未来电网电压质量监测

Michal Regula,Roman Bodnar,Alena Otcenasova,Dominik Szabo

摘要：本文研究了网络中的电压质量监测，以其结构提醒全球智能电网。未来的网格以网格结构连接。使用电力线模型创建具有网格的网络。所有消费者和电能生产者都在这种结构上相互联系。在与测量负载的不同电距离处存在非线性负载和四个不同的耦合点。监测电压质量变化。本文包含对测量数据的评估以及谐波大小的变化以及电压和电流的总谐波失真。测量证实，在连接点的网络短路功率的任何自动或手动操作中，消费者可能会改变。短路功率可能会显着影响电压失真的大小。在该测量中，耦合点变化引起电压谐波大小的增加以及电压的总谐波失真，甚至高于标准STN EN 50160中规定的极限。

关键词：电能质量，智能电网，网格，谐波失真

1介绍

在电力的产生，传输和分配中使用了许多现代技术，这带来了新的实际问题。 作为现代化的结果，过去未观察到的问题发生在电网中。 生产商，经销商和电力消费者越来越关注电能质量（PQ）[1]。 电能质量涉及配电系统中的大量不同类型的故障。 电力系统资源和设备互连，系统元件相互影响。 不正确的设备操作会对网络中运行的其他设备产生严重影响[7]。

电能质量与电力供应商和消费者以及各种电器制造商的经济影响密切相关。 我们经常听到未交付电力的价格或由于电力质量下降导致的运营失败价格。 这种失败可能会严重影响公司的经济。 当然，我们可以说每个问题都与电压，电流或频率的变化有关，这会引起设备的故障或不正确的操作，这是电能质量的问题。 在智能电网[2]中也需要监控保持电压质量的问题。

目前，有很多关于智能电网（SG）的实施的讨论。 在专业社会中，我们遇到了许多最常用的定义[8]，[10]，[14]：

智能电网是一种电力网络，可以智能地整合与其连接的所有用户的行为 - 发电机，消费者和同时使用这两者的行为 - 以便有效地提供可持续，经济和安全的电力供应。

资料来源：欧洲技术平台SmartGrids

智能电网可以自我修复，实现积极参与消费者，弹性抵御攻击和自然灾害，适应所有发电和存储选项，实现新产品，服务和市场的引入，优化资产利用率和高效运营，为数字经济提供电力质量[8]。

资料来源：美国能源部

2与SMART GRID相关的可能问题

今天的输配电系统及其运营商必须应对供应和消费方面的复杂挑战。 这些主要是[9]，[II]：

bull;受化石燃料燃烧影响的环境以及旨在减少排放的努力，

bull;转换为更加生态，但也有更多波动的来源，如风能或太阳能，

bull;电力供应安全和来源多样化，

bull;努力采用智能电能消耗计量，直接控制消费者终端，

bull;消费者方面对小型电力和热源的开发不断增加，可以作为一个独立的电力（可能是热量）生产单位（可以称为“专业消费者”），

bull;保护网络免受控制论攻击和保护消费者隐私。

根据可再生能源（RES）的支持范围，欧盟预计2011 - 2050年路线图2050对能源基础设施的总投资将达到1.5万亿欧元至2.2万亿欧元。 在电力能源消耗上增加可再生能源份额，然后是这些电力来源的装机容量快速增长，这是造成各级电网问题的原因。这些在传输系统中主要是：平衡生产和消耗的问题，网络的过载和非预定的电力流; 在配电系统中：电能质量问题，电力逆流，线路过载以及大量分布式生产的控制。 这些问题今天已经可见。 必须引入令人满意的有效消除技术措施，以进一步发展和提高已安装的RES能力[15]，[18]。

智能计量系统（智能仪表）是最近推出的用于现代化配电系统的另一项技术。 它们旨在促进消费者更好的能源消耗管理，从而减少能源开支; 有助于减少温室气体的产生; 根据最新数据及与电力供应商和生产商的控制单元和系统的交换，减少网络在高峰期的负荷[16]。

目前只有约10％的欧洲家庭配备了智能电表（2008年为3900万），而且并非所有家庭都提供全方位的服务。 根据关于电力和天然气内部市场共同规则的指令2009/72 / EC和2009173 / EC（第三部分[内部能源市场套餐]）到2020年，至少应在80％的欧盟家庭中安装智能电表 [12]，[17]。

术语“智能电表”（SM）传统上与电能测量相关联。今天，它被认为是一种专用于测量各种常用能量流量的装置。智能电表记录能耗（在给定时间内）并将测量数据发送回监控系统，至少每天一次，主要用于开票，但也可用于监控目的。与实际开发的自动抄表系统（AMR）的区别在于它能够在SM和监控系统之间进行双向通信。智能测量系统和监控系统的集成表示为高级计量基础设施（AMI）。 AMI进行能量消耗的测量，采集和分析以及与仪表的主动通信。 AMI包含硬件，软件，通信渠道，客户数据，连接消费者的系统，MDM（Meter Oata Management）软件和业务系统。连接测量设备和业务系统的网络允许向消费者，供应商，能源分配公司和服务提供商获取和分发信息。它使广泛的市场参与者（包括消费者）能够参与电力市场中的买/卖服务[13]，[16]，[19]。

3谐波与全谐波失真（THD）

电压或电流谐波是具有正弦波形的电压或电流，其频率是网络设计运行的基频的整数倍。 在网络中可能不存在具有基频的整数倍的谐波，但是也可能出现频率不是整数倍的谐波。 这些被称为间谐波，并且可以由各种设备生成，例如，静态变频器（逆变器），循环换流器，逆变器级联，感应电动机，弧焊机或电弧炉。 电流谐波的主要负面影响是非正弦电流的RMS值高于其设计设计的基波分量的RMS [1]，[20]，[22]。

谐波的有害影响可分为以下几种：

bull;短期 - 与故障和故障相关或由于不正确的过零检测而降低设备操作质量。

bull;长期 - 基本上是热效应。 这些发生在超过[0分钟]的时间段之后。

谐能在能量学领域最严重的负面影响是[1]，[22]：

bull;控制设备功能不正常。

bull;电容器和旋转机器的额外功率损耗。

bull;遥控信号和其他网络信号设备或保护继电器发生故障。

bull;发生不良共振。

bull;当时的条件受损。

非正弦电压波形的RMS值表示如下[1]：

（1）

同样，当前的RMS值是：

（2）

对于电压和电流质量评估，STN EN 61000-2-4和STN EN 50160规定总谐波失真因数（THD）如下[I]，[3]，[4]，：

（3）

（4）

其中：UI和II分别是非正弦波形的电压和电流基波分量RMS值。

对于h = 2,3,4,hellip;.，Uh和Ih是谐波的RMS值[1]，[3]，[4]。

在标准操作条件下，每个谐波电压的10分钟间隔值的95％必须在一周期间内每次小于或等于表1中规定的值。

此外，电源电压的总谐波失真（THD）（包括高达40阶的所有谐波）必须小于或等于8％[3]，[4]。

表1 符合STN EN 50160的谐波电压的兼容性等级[3]

4分布模型的测量网络

SG中的智能电网和测量在世界范围内广泛实施。 他们的目的是不同的，其中一些是提供研究，另一些是技术测试等。本章是关于使用网格的配电系统中的PQ。 在SG项目中正在考虑网格结构，以便最有效地利用可用电力来实现网络中所有源，消费者和能量存储的互连。

A.三相22 kV电力线模型

电源线由RLC参数表示。 该模型的概念基于基本无源电气元件的实现 - 电阻，电容器和电感器以及它们以重新截面形式的连接，其伴随着电感和电容耦合。 地球回归及其阻力也被计算在内。 它由连接到公共电气接地的三个基本单相重新组合的组合组成，使用接地电阻RO将其分成两半。 电容器标签的索引中的前两个数字表示电容器连接的相位数，第三个数字表示它是连接到前半部分还是第二个。 电阻R1，R2和R3代表相的有效电阻。 M] 2，M 13和M23是相间的互感（图1）。

图l 三相TC截面连接

重新划分线的传输能力主要影响纵向分支中的电阻和横向分支中的电容。 22 kV网络模型以1：100的比例构建。 它由不同的模块组成，使用AIFe 95115电线在混凝土塔上的导体平面布置中表示2.5 km，5 km，10 km的线路长度。 RLC参数的值显示在表II中。

表Ⅱ 电力线的RLC参数

在该电力线模型中进行了完整的分析，并验证了该模型的所有操作和传输特性。 接下来测量了完整的PQ分析，其中监测了下垂传播的依赖性和谐波扩散。 比较了各种谐波来源及其对配电网络中其他消费者的影响。 测量和分析在论文[6]，[7]中有所描述。

B.网格分析（网格结构网格）

从图2中可以清楚地看出，整个SG的概念在于电力市场中所有参与者的相互依赖性。 在一个方向上，它是用于数据传输的互连，另一方面是用于电力传输的互连。 智能电网是非常广泛的术语，但就其意义而言，它是关于有效利用可用电力。 但是，这意味着每个电压等级都有所不同。 例如，ABB公司理解智能电网及其优势如下[8]：

传统网络：

bull;集中发电

bull;单向潮流

bull;生成跟随负载

bull;基于历史经验的运营

bull;新生产商的电网可访问性有限

未来的网格：

bull;集中和分布式发电以及本地和区域生产之间的最佳组合（微电网）

bull;间歇性可再生能源发电

bull;消费者也成为生产者

bull;多向功率流

bull;将适配器加载到生产中

bull;更多基于实时数据的操作

bull;通过网络控制应用程序提高稳定性并减少损失。 伏/ V AR优化和WAMS

bull;资产管理，以改善维护和资产利用

bull;储能，例如 用于峰值，紧急和备用电源

bull;FACTS和HVDC可提高稳定性并降低损耗

图2.从传统网格到未来网格（SMART）[8]

使用网格导致电力网络中分布式生产和消费的当代互连。安装大量具有非正弦电流消耗的设备会降低配电系统的电压质量。各镇区的PQ测量结果证实，电压的总谐波失真目前处于THDu = 3-5％的水平。关于SG，我们考虑在生产方面使用大量可再生资源，我们必须期望在消费方面建立电动汽车。有人谈到在未来几年内创建多达数万个充电站，将会带来大量电力转换器的实施可能导致PQ恶化的原因。另一个问题恰恰出现在系统连接的自动或手动操作上，因此对于个人消费者而言，网络的短路功率将改变。这个因素会影响消费者质量指标刚好低于标准中给出的限值，因为他电气接近耦合点。但是，如果网络的重新配置出于任何原因，可能会发生短路功率降低和定性指标将超过标准中规定的限值。正确的谐波大小取决于耦合阻抗的点，也取决于消费者电气距离与耦合点的非和谐消耗。谐波的衰减受到线路阻抗和PCC短路功率的影响[5]。

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

C.网格分析（带网格结构的网格）

配电网有22kV电力线模型在我们的部门构建用于此问题分析。使用了基于使用块的网格结构配电线路模型。 十六个块与不同的线使用了长度。因此，创建的模式可以构成基础分配系统适用于SG的大部分项目。 在这些测量中，电压质量是在与客户不同距离的客户处进行监控耦合点（PC）。 我们假设电气的变化一些电力的距离和短路功率消费者，如果耦合点在期间发生变化因任何原因在网络中操纵。 硬度网络只是抑制失真的方法之一供电电压，因而谐波大小。 测量方案有四种耦合点和一种变体消费点见图3 [6]，[7]，[21]。

图3.测量电路图

公共耦合点（PCC）依次连接到各个耦合点。 始终同时测量两个点，即从PC 1到PC4的耦合点，第二个点是负载点。 负载由6脉冲整流器和紧凑型荧光灯（CFL）的非正弦消耗组成。 当耦合点改变时，测量的负载和源之间的电距离改变不同。 主要PCC参数不会更改。 在测量过程中，我们专注于监测电流和电压谐波以及总谐波失真。 测量结果的比较在Tab中。III。 对于电压和电流监测和记录，应用了电网分析仪--BK Elcom PNA 560和BK Elcom Dewetron 571。

表III 依赖于不同PC的比较

从测量值我们可以看出TH D]在耦合变化点期间没有显着变化。 然而，由于电力线模型中电流谐振的出现，可以看到耦合点的THD值的增加。

图4. THDT值的比较

另一方面，THDu值发生了显着变化。 源和负载之间的电距离在不同的PC上改变。 比较THDu值如图5所示。

图5. THDu值的比较

PC 1最接近测量载荷，因此THDu值处于最低水平，具体为4.71％，从而达到标准规定的

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