电能质量在线监测系统立项报告解析

计量电能质量产品检测系统立项报告上海电气自动化设计研究所有限公司1、立项根据2、立题拟采用的法规和标准3、科研项目4、技术路线5、关键技术6、项目进度7、费用估算8、市场前景9、经济分析10、团队建设1、 立项背景和依据电力供应是现代化社会赖以生存的重要支柱。电能质量历来是发、供、 用电部门十分关心并且刻意完善的重要指标。过去，电能质量通常是指供 电的可靠性、稳定性以及供电电压的幅值、频率、波形等参数与规定值的 偏差。近十多年来，随着高新技术尤其是信息技术的发展，众多基于计算 机、微处理器、电力电子装置控制或管理的现代化工业与民用用电设备， 对电能质量更加敏感，受电能质量影响所造成的经济和社会损失问题日趋 突出，因而对电能质量提出了新的更高的要求，同时也使电力系统面对着 空前广泛的谐波、闪变、不对称的污染。不同于一般商品的是，电能是由供、用电双方共同保证质量的特殊产 品。在某些质量问题的起因上，电能质量的下降更多的是受到使用者的影 响，而不在于电力生产者。因此要保证电能质量，必须由电力部门和广大 用户共同维护。再则，由于电能质量问题的特殊性，电力系统的电能质量 始终是处在动态变化之中，即不同时刻、不同公共连接点，电能质量现象 和指标往往是不同的。且电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响。 因此，要想加强对电能质量的管理，必须建立一个实时在线的监测系统。进入20世纪90年代以来、随着半导体、计算机产业迅速发展，一批 高新技术企业应运而生，出现大量的微机控制装置和生产线，从而对电能 质量提出了新的要求。在这样的背景下，电能质量的各种仪器和装置的研 发迫切需要一些新技术来推动，通过这些新技术的应用，从而使电能质量 从检测、分析和监控等方面得到提高。随着电能质量逐步列入电网安全运 行考核指标，市场上出现不同型号、原理的电能质量检测终端（分析仪）， 对于这类产品目前主要用6100系列仪器，用标准源法测试，且测试精度相 对与直接比较法有不足之处，且适用于实验室使用。鉴于上述状况，用类似6100系列产品在生产线上使用，已不能满足 用户要求，更不能满足市场要求，本科目就是立足上述状况而立项研究。本科研项目的计量体系按直接比较法设计。2、 立题拟采用的法规和标准GB/T11150-2001电能表检定装置JJG307-2006机电交流电能表GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波GB/T12326-2000电能质量电压波动和闪变GB/T 15543-1995电能质量三相电压不平衡GB/T18481-2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压GB/T15945-1995电力系统频率允许偏差GB/T 19862-2005电能质量监测设备通用要求3、 科研项目3.1 基本技术和原理3. 1. 1基本原理电能质量的基本概念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。围绕电能质量的含义从不同角度理解通常包括：电压质量、电流质量、 供电质量、用电质量。电能质量的影响电能质量主要是受到大容量非线性负荷及冲击负荷的影响。凡是具有 非线性阻抗特性的电器设备都是电能质量的污染源，包括各种电力电子设 备的用电负荷、炼钢电弧炉负荷、电力机车负荷等，使电网中产生电压波 动与闪变、产生高次谐波电压、造成系统电压不平衡等，从而引起电压正 弦波形畸变。见图1谐波 (Harmonic distortions)中断(Interruptions)WVW XeS)八AA/vx新升U V (Swells)瞬时(Transients)A-电压波动A/VWVWVA Wtage fluctuations)八八A A八*偏差 V V V W V (Frequency deviations)图1畸变波形电压偏差A、用电设备：用电设备是按照额定电压进行设计和制造 的。当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性能恶化，可能会因过 电压或过电流而损坏。白炽灯设备（通光量、寿命）、电炉等电热设备（发 热量、效率、寿命）、异步电动机（电磁转矩、效率、寿命）、家用电器（效 率、寿命）。B、电网：电压和频率稳定、缘问题、铁心饱和、谐振、损耗、 经济运行。频率偏差：A、对用电负荷的影响：产品质量没有保障、降低劳动 生产率，使电子设备不能正常工作，甚至停止运行。B、对系统的影响降低 发电机组效率，严重时可能引发系统频率崩溃或电压崩溃。汽轮机在低频 下运行时容易产生叶片共振，造成叶片疲劳损伤和断裂。处于低频率系统 中的异步电动机和变压器其主磁通会增加，励磁电流也就随之加大，系统 所需无功功率大为增加，导致系统电压水平降低，给系统电压调整带来困 难。无功补偿用电容器的补偿容量与频率成正比。频率偏差大使感应式电 能表的计量误差加大。研究表明：频率改变1%,感应式电能表的计量误 差约增大0.1%。频率加大，感应式电能表将少计电量。波形畸变：A、直流偏磁在照明系统中采用的半波整流器电流，会 使交流变压器偏磁，以至于发生磁饱和，引起变压器铁芯附加发热，缩短 使用寿命。直流分量还会引起接地极和其他电气连接设备的电解腐蚀。B、 谐波降低设备的利用率，缩短使用寿命；干扰继电保护、自动装置和计算 机系统；使测量和计量误差加大；降低信号传输质量，干扰通信系统；引 起谐波谐振，诱发过电压或过电流的危害；增加损耗。C、间谐波对电力载 波信号有影响，对显示设备如CRT等有感应视觉闪变干扰。D、噪声可以对 电子设备如微机、可编程控制器等的正常安全工作造成危害。采用滤波器、 隔离变压器和电力线调节器等措施能够减缓噪声的影响。电压波动和闪变：电压波动会引起部分电气设备不能正常工作，但 由于实际运行中出现的电压波动值往往小于电气设备对其敏感度门槛值， 可以说由于电压波动使得负荷设备运行出现问题甚至损坏的情况并不多 见。白炽灯的光功率与电源电压的平方成正比，所以受电压波动影响最大。 当白炽灯电源的电压波动在10%左右，并且当重复变动频率在515Hz时, 就可能造成令人烦恼的灯光闪烁，严重时会刺激人的视感神经，使人们难 以忍受而情绪烦躁，从而干扰了人的正常工作和生活。三相不平衡：系统处于三相不平衡运行时，其电压、电流中含大量 负序分量。由于负序分量的存在，三相不平衡对电气设备产生不良影响。A、 感应电动机负序电压产生制动转矩，使感应电动机的最大转矩和输出功率 下降，还可能引起电动机振动。由于电动机的负序电抗很小（只有正序电 抗的1/51/7）,所以负序电压产生的负序电流很大，使电动机的铜损增 加。铜损的加大不仅使电动机效率降低，同时使电动机过热，导致绝缘老 化过程加快。B、变压器处于不平衡负载下运行时，如果其中一相电流已经 先达到变压器额定电流，则其余两相电流只能低于额定电流。此时，变压 器容量得不到充分利用。例如三相变压器供电给单相线电压负载时，变压 器的利用率约为57.7%；如果供电给单相相电压负载，则变压器的利用率 仅为33.3%。如果处于不平衡负载下运行时仍要维持额定容量，将会造成 变压器局部过热。研究表明，变压器工作在额定负载下，当电流不平衡度 为10%时.，变压器绝缘寿命约缩短16%。电压暂降：严重的电压暂降，可使用电设备停止工作，或引起产品 质量下降。一般而言，工业过程设备对电压暂降特别敏感，因为设备内任 何一个元件由于电源出现问题都会使整个流程停止运转。这些工业过程涉 及塑料、石化、纺织、造纸、半导体以及橡胶等领域。例如，在许多用电 装置中广泛采用的电子芯片检测器，在电压发生暂降之后，其重新启动通 常需要30min或更长时间，从而影响装置的正常运行。图2i 052 reAiUED iK-rttAir sos s*iWAcr(Mt4 RCOTUTW MBRE .nUS：M)rtw WMIFCRMUO 1(0) 1KQ Kl%Un 0. 2%UhUhl%Un 0.2%Un谐波电流：Ih25%In 0. 2%IhIh5%In 0.2%Ih3. 1.2. 13闪变检测：测量范围：0-50%(V, I)测量分辨率：(0. 001%)占容H测量范围(距测波)：0. 01%99. 99%效率测量范围：0. 001Hz40Hz测量准确度:0. 2%Pst准确度:0. 1%3. 1.2. 14骤升骤降检测：持续时间测量范围：0. 5ms准确度: 5%In 10%In 50%In。0. 1A 6A表1谐波电压、谐波电流允许误差限级另IJ被测量条件允许误差A谐波电压Uhl%UnUhl%Unl%Uh0. 01%Un谐波电压In3%InIh3%Inl%Ih0. 05%In注：Un为基波电压，Uh为谐波电压，Ih为谐波电流表2谐波有功功率允许误差限级别被测量条件允许误差A谐波功率PhloOWPhDSP系统嵌入式系统数据存储D笈蠹接口电源系统图一、电压、电流传感器、信号调理电路3路电压3路电流、AD采样24bits, 6 路、8 路？、DSP系统3.、4. 一体、嵌入式系统平台 Windows CE,应用 EVC、数据存储微型硬盘、Flash RAM?、LCD及键盘液晶+触摸屏、液晶+键盘菜单操作、接口RS232、RS485、10M/100Mbps 以太网、USB、电源系统5V 12V6、项目进度周、月、季、年计划进度时间工作内容目标完成人2011.7市场调研市场规模、市场潜力、可能的 市场接受度2011.9算法研究和比较广义坐标变换与FFT算法的 权衡2011. 11原理图设计布线前信号完整性仿真 布线前电磁兼容性仿真2012. 4PCB布局、布线、制版、焊接布线后信号完整性仿真布线后电磁兼容性分析布线后热辐射分析可靠性预测分析2012. 8总体测试功能、性能测试EMC测试环境测试2012. 10工艺总结内部评审2013. 1中试生产2013. 4取证测试2013. 6评审通过设计结束7、费用估算研制部件名称使用数量预算费用 （单位：万元）高精度交流工作电源210高精度电压变送器157.5高精度电流变送器157.5高速宽增益放大模块1512高速高分辨率模数转换 模块65高速高精度数字算法硬 件模块36嵌入式硬件系统31.5嵌入式系统软件12.5部分算法软件设计15结构件设计制作215差旅调研费用5试验费用3测试检测费用15产品鉴定会务费5总计1008、市场前景本科研项目涉及到二大领域，系统内容得到国家计测权威单位认可和合 作。随着十二五规划的实施，一些单位将陆续开展相关的计量项目。但考 虑到经济合理性，功能完备性，现有设备难以达到项目提出的要求。本项 目贯穿功能上相近，技术上相通，具有较高的性能价格比，为规模生产和 维护有独特的长处，且是填补国内空白。根据目前市场预测：省级、国家级技术监督局系统估算：50套电力系统估算：250套（包括电力公司三产）电能表生产企业估算：200套35KV以上变电站：5000套国防科工委系统估算：100套估算总计：5600套该类产品市场价为15万元/套成本价为4万元/套市场运作费3万元/套预计市场竞争较为激烈，按照占有市场份额的25%计算，共计:产值二5600套X15万元/套X 25%=2. 1亿元利润二5600套X8万元/套X25%=1.12亿元9、经济分析9. 1本科研项目的经济效益十分可贵，包括：产品本身具有相当丰厚的经 济效益，系统产品的成本（研发费用按20套折算）毛利为8万元左右，产 业链所创造的财富，五年累计不少于1亿元人民币。9. 2本科研项目的社会效益。本科研项目解决了写拨指标量传，且准确度高，适用范围广，特别对 三相多功能表增加写拨和谐波功率的检定，电能质量检测终端的批量生产, 提供了计量器具和方法，同时该类技术不再依赖进口产品，可出口。电能质量检测信息分析管理系统的研究意义一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦波，按规定的电压水平 对用户供电。但在实际情况下，由于电能在输送过程中受到各种因数的影 响，到达用户的电能会偏离正弦波形而发生畸变。特别是当前不对称负荷、 冲击负荷的容量上、数量上日益增大，使干扰成分不断增加，电能质量日 益恶化。电能质量不仅取决于发电、输电和供电系统本身，而且伴随着现代化 的迅速发展，接入公用电网的半导体和非线性负荷也明显干扰或降低配电 网中的电能质量。由于谐波是电能质量中一个重要的问题，因此过去的电 能质量研究主要集中在与谐波相关的稳态电能质量问题上，主要包括元件 建模、谐波潮流分析、谐波抑制等问题。比如，在电力系统，电力电子、 电机、供用电等专业以及所有涉及电力电子的工业部门中，都把谐波干扰 及其分析处理作为重要技术课题。U前供电部门电能质量的主要监测手段一般是利用便携式测试仪不 定期地对某些线路和变电所进行测试，或对发现有电能质量问题的电厂或 用户进行测试分析，然后通过硬盘将数据上报到省电力试验研究所，经过 其汇总、统计分析，对全省电网的电能质量水平进行评估，提出电网目前 存在的问题，供电力公司领导决策参考。这样的运行方式工作量大、数据 采集不系统、不全面、时间的延续性短、监测功能较少、实时性较差、监 测效率低、统计分析功能欠缺。另一方面，现实中，供、用电双方对电能 质量现象或事件发生的原因与责任上往往存在许多分歧和争论，只有对电 能质量问题进行实时监测，直接地获得电能质量信息，才能使双方共同协 商解决问题。因此，必须对电能质量进行长久持续、全面广泛的监测。目前国内对电能质量监测方式主要可分为非在线监测和在线监测两 种方式：对于干扰强度较小、危害程度不太大，不是持续产生干扰的普通干扰 源通常选择传统的监测方式。这种方式虽然也可以提供所需的电能质量数 据，对故障进行分析和判断，但它无法满足供用电双方对电能质量监测更 高的要求。这主要表现在以下儿个方面：实时性差：监测周期长、监测点分散，无法及时了解电网电能质量 水平；监测指标少：由于监测装置的局限性，同一台仪器无法同时监测多 项电能质量指标；工作量大：需要花费很多的人力和物力去测量、统计、分析；测量误差大：在实际测量中往往不能达到理想的测量环境，数据的 偶然性很大，甚至还有漏抄、虚抄的现象；效率低：从发现电能质量的问题到解决该问题，往往需要很长时间;缺乏判断依据：数据量不足，且无法对监测点进行跟踪测试，从而 难以深入分析造成电能质量的成因，也难进一步提出改善电能质量的措施 点。对重要大型用户的电能质量监测和整个电网的电能质量状况进行全 面监测通常采用在线监测。近年来网络技术和信息技术发展为电能质量监 测信息分析管理系统提供了有力的技术保证，提供电网电能质量测量的全 面解决方案，即网络通信技术，构建基于网络平台的电网电能质量在线监 测网络，实时在线监测和发布电能质量信息，实现电能质量监测的自动化 和现代化，大大降低劳动强度，提高工作效率，为提高电能质量综合治理 提供保障。所以要想加强电能质量管理，必须建立在线实时电能质量监测信息分 析管理系统，行内人士对此基本达成共识。单位名称：上海电气自动化设计研究所有限公司 地址：上海蒙自路360号