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電鐵綜合諧波治理設計思路探索

 摘 要:從電鐵諧波源數學模型入手,采用Carson定理,從牽引網導線-地,軌道-地兩個地回路,推導出牽引網的等效諧波輸出阻抗,以解決電鐵諧波治理的理論計算問題。并從無源濾波器與有源濾波器的歷史淵源、濾源原理、優劣利弊進行分析比較,提出以“無源”為主,“有源”為輔的混合濾波器來綜合治理電鐵諧波的經濟實用方案。
    關鍵詞:電鐵諧波;等效諧波輸出阻抗;無源濾波器;有源濾波器;混合濾波器 (上接第3期)


4 “無源”與“有源”的原理比較
4.1 “無源”與“有源”濾波器的歷史淵源
  所謂“濾波器濾去電力諧波”的概念,源于“富氏變換”的數學手段,而非其物理本質,其物理本質是解決1927年首先提出的電壓波形“畸變”問題——工頻正弦波的扭曲畸變。這樣,濾波器的目的或功能即在于對畸變的正弦波進行“濾除”或“整形”使其恢復原貌——標準工頻正弦波。前者即20世紀30年代發展起來的傳統的“無源”濾波器(PPF,本文簡稱PF),將畸變的工頻正弦波按富氏級數分解成基波(50Hz),及100 Hz、150 Hz、250 Hz……等各次諧波成份,然后采用LC串聯諧振的原理將諧波成分“濾除”;而后者即20世紀80年代以來,隨著動力電子學及元件(GTR,GTO,IGBT等)的發展而推出的“有源”濾波器(APF,本文簡稱AF),1971年日本學者SaSaKa首先提出了直接用電力電子設備產生一個整形矯正波將畸變了的工頻正弦的畸變部分抵消掉的濾波新概念,1976年由美國西屋公司L·Gyugyi率先研制出800kVA的AF(美國每年因諧波、負序等公害的損失超過200億美元,故對諧波等公害的治理特別重視),由于AF的造價太高,且建立在日本赤木學者的瞬時虛無功功率新概念基礎上的檢測控制技術,雖然大大促進了有源AF的發展,但在實際應用中尚存在不少問題,因而限制了它的發展,被迫走出了一條以“無源”PF為主,“有源”AF為輔的組合式濾波器(HAPF)的設計思路,并于1986年首次將一套6 600 kvar無源PF加900 kvar有源AF的組合濾波器(HAPF)用于軋機整流拖動系統,兩年后的1988年,Peng等學者又提出了串聯有源AF加并聯無源PF的混合型式,并于1991年在日本首次將20 Mvar無源PF加20 Mvar有源AF用于電弧爐煉鋼進行諧波及閃變抑制。20世紀末,又進一步提出了IGBT+SPWM逆變技術的有源濾波器,并利用“多重化技術”將“有源”AF從低電壓擴張到中電壓領域,但進入21世紀后,仍因為AF的某些技術難點尚未完全攻克,加之每kvar的造價大大高于“無源”PF,所以目前鋼鐵、冶金、石油、化工、礦山、機械、地鐵、電鐵、原子能、磁懸浮列車等工業領域的諧波治理仍以無源PF為主,PF+AF的組合濾波器(HAPF)也逐步發展起來。
  國內有源AF的研制始于20世紀80年代中期,清華、浙大、西交大、哈工大、華北電力大學等高校相繼開展理論研究、仿真試驗。1987年華北電力科學研究院正式立項研制,1989年該院與北京供電局、冶金部自動化所合作研制AF,于1990年研制出20 kVA樣機,1991年12月中國第一臺400 V50 kVA有源濾波器AF在北京某中心變電站投入運行,于1992年通過了能源部冶金部鑒定,填補了國內空白,達到20世紀80年代末國際水平,1994年榮獲電力部科技進步二等獎。進入21世紀,華北電力科學研究院AF科研組(國家電力科研項目組),又將AF的容量提高到10 kV480 kVA。本文即在采用以“無源”為主,“有源”為輔的組合濾波方式這一基本設計思路的指導下為綜合治理電鐵諧波而撰寫的。
4.2 無源PF與有源AF的濾波原理及比較
4.2.1 無源濾波(PF)的濾波原理
  采用電工理論的LC串聯諧振原理,即當2πhf1 L=1/2πhf1 C時,LC串聯阻抗為0,而對hf1頻率即h次諧波呈現低阻通道而濾除,這是其物理本質,而在數學形式上可分為一階,二階,三階濾波器;從接線方式上,可分為單調諧,雙調諧,高通濾波器,關于品質因素q,失諧度δ,諧波放大,近頻諧振等概念可參考有關文獻,本文著重分析有源濾波原理。
4.2.2 有源濾波器(AF)的濾波原理
  對于畸變了的工頻正弦波,有源AF的濾波思路是將畸變部分整形(或整容),在正弦波的基本上,將凸出的部分削掉,將凹進去的部分填補;在數學表達上是將畸變波形分解成正弦分量和畸變分量,利用GTO、IGBT+PWN控制技術,逆變產生一個與畸變分量大小相等,方向相反的補償分量將其抵消,從而只剩下標準的正弦波分量,F用與正弦波相差甚遠的方波為例,說明有源AF的濾波原理及與無源PF的濾波原理的根本區別,可用邏輯分析圖對有源AF濾波原理的進行分析論證,并希望從中再探索一些有源濾波原理的新概念、新思路。因為整形、分解、倒相、移位,再合成的這些邏輯功能是可以通過電力電子線路來實現的,現對此進行邏輯分析。
  從數學表達式來分析有源AF的濾波原理:方波負荷電流(畸變):Isqu經過整形、分解、倒相、5上移“+1”,得畸變分量:Idis→經AF產生一個逆變分量IAF=-Idis,再合成:畸變負荷Isqu+Iaf=Isin。
  證明:方波經整形、分解成:Isqu=Isin+Idis-Idis=Isin,標準工頻正弦波,再經倒相、上移、倒相由AF逆變器IAF=-Adis,再經過合成在共用母線上合成:Isqu+IAF=Isin+Idis-Idis=Isin。
  啟示:從上面方波、整形、分解、倒相、上移、倒相、合成的過程中,還可精煉一些步驟。從分解將整形后的方波、分解、剝離后,可直接將分離出的畸變分量Idis(1+2+3曲線),下移“-1”就直接得到倒相AF逆變產生的濾波電流IAF=-Idis。
  證明:從邏輯數學原理,從倒相、上移“+1”,再倒相等于不倒相,直接下移“-1”即可。
  新思路:可否利用電力電子邏輯電路實現整形、分解后再直接下移“-1”得到倒相Iaf?不防一試!
  從上述有源AF的濾波原理邏輯分析可以歸納出二個聯立方程:
  牽引供電臂上畸變負荷電流(方波):Isqu=Isin+Idis(14)牽引供電臂上無源AF逆變電流:Iaf=-Idis(15)
  顯然,只要簡單地進行數學處理:(14)+(15)式得
Isqu+IAF=Isin+Idis-Idis=Isin(16)
即可達到濾波目的,抵消掉畸變負荷電流Isqu中的畸變分量Idis,而得到標準正弦波,而且并不存在從27.5kV供電臂到110 kV電力系統的分流問題,也不存在無源PF設備的LC支路與110 kV電力系統諧波放大甚至諧振的威脅問題,還具有可節省大量L、C、R等有效材料,占地面積少等優點,但是有源AF濾波原理的核心所在是首先要將畸變負荷電流進行分解,得到畸變分量Idis,并“立即”(強調立即)跟蹤逆變產生一個-Idis=IAF,然后與原畸變負荷電源Isqu相加得到標準正弦波,但問題正在這里,“立即跟蹤”并立即逆變出Idis的“立即”是很難做到的,而供電臂上負荷畸變電流是隨時隨地的變化著,有時還是十分快速的變化,這就是要求極快的采樣、檢測、控制技術及大功率電力電子開關,GTO或IGBT,前者提高濾波效果,后者增加濾波容量,而恰恰就是在這兩方面,有源AF的相關技術還不很成熟,高電壓,大容量還做不上去,這就限制了有源AF的發展,有待進一步完善,提高。此外,在邏輯分析的分解過程中,也提出了一些有挑戰性的問題,值得大家去思考去探索。
4.3 無源濾波與有源濾波的技術性能及成本的比較
  由上節可知,PF和AF的濾波原理是極不相同的,前者是屬于傳統電工技術領域(LC串聯諧振原理),而后者屬高新電力電子技術領域(GTO或IGBT+PWM控制技術逆變原理),當然,傳統的技術實踐的時間較長(70多年),技術成熟、應用廣泛,而“高新”的技術時間較短(才20余年),技術還不太成熟,應用也不太廣泛。
  就目前工業應用而言,PF以其投資少、效率高、原理單一、結構簡單、運行可靠、維護方便等優點而在鋼鐵、冶金、石油、化工、礦山、機械、地鐵、電鐵、原子能、磁懸浮列車等領域獲得了廣泛應用,但缺點是其濾波特性受電力系統參數的影響較大,而且難免諧波放大,甚至與系統發生諧振危及電網安全,而且只能濾掉幾個特定的主諧波,有時濾波要求與無功補償,電壓調節難以協調,單獨PF難以避免無功倒送,電壓升高,諧波放大,針對某一諧波源的PF投入運行后,隨著公用電網背景諧波的增大,可引起該PF的過載,甚至燒毀。此外,PF濾波器,R、L、C消耗大量有效材料,體積大,占地多,針對PF這些缺點,于20世紀80年代才發展起來的有源AF,雖然能夠逐步克服它們,尤其是AF的濾波效果與電力系統諧波阻抗無關,即AF可利用不同的漏磁通,在電力系統與諧波源之間形成一道隔離防線(對工頻呈低阻抗,對諧波呈高阻抗),從而還克服了與系統諧波放大甚至諧振的危險。但目前無論是采樣、檢測技術(提取基波分量法,FFT數字化分析法,瞬時空間矢量法)還是PWM控制技術(滯環比較控制、三角載波線性控制、無差拍控制)在工程實踐上,都還不太十分成熟,有待進一步改進、完善,再加上其成本太高,每kvar造價是無源PF的6至10倍,而且運行、維護遠比無源PF復雜,尤其高電壓大容量的有源AF要受到GTO、IGBT等電子開關頻率的限制更難制作。國外20世紀90年代初AF只作到6.6 kV,2 000 kvar,以后又提高到66 kV,上萬kvar,國內單臺AF容量只能做到低壓500 kvar,必須通過變壓器才能接到6~10 kV高壓,而隨著工業大量電力電子非線性負荷的投入,諧波超標越來越嚴重,要求濾波的容量越來越大,這是目前“有源”AF難以滿足的,為此,國外在20世紀80年代中期就提出了以無源為主有源為輔的組合濾波方式,并用于軋機與電弧爐系統。值得重視的是,20世紀90年代中期,中國紀延昭、黃瀚等學者提出了一種新型非跟蹤檢測型有源濾波器——廣義有源濾波器,它通過改變逆變器輸出波形的頻譜分布,使其接近于正弦波,從而達到濾波的目的,因為采用了非跟蹤控制,所以其控制系統比較簡單,是一種構思較新穎實用的有源濾波器,但目前尚處于仿真、試驗、推出小樣機的階段,離投入工業運行還有待進一步改進與完善。
5 綜合治理電鐵諧波的方案
  由于電鐵牽引負荷的“四非”特性——非線性(大功率整流設備)、非正弦性(波形畸變)、非對稱性(單相大功率負荷)、非連續性(有功、無功沖擊嚴重、電壓波動大),其諧波、負序等電力公害不僅危及共用電網其它用戶的安全生產,還會危及電鐵系統自身的安全與可靠運行。因此,英、美、法、德、日等發達國家,甚至澳大利亞、南非都加大了對電鐵諧波、負序等公害治理的力度,廣泛采用了SVC(TCR+PF)或SVC(TCR+PF+AF)的綜合治理方案,獲得了不少實踐經驗。此外,根據國際“電磁兼容”的要求,法國就在8K電力機車上安裝了數千kvar的PF濾波器,以減少機車大功率整流設備產生的諧波,克服對電子通訊及共用電網其它用戶的干擾,欲達到同一電網供電,彼此互不干擾、“電磁兼容”的目的,但效果并不理想。
    國內雖在20世紀80年代就開始研究電鐵諧波的治理,20世紀90年代還舉行過幾次專家論證,也就電鐵諧波治理達到一定的共識,但由于某些客觀和主觀的因素影響到至今尚未正式開展綜合治理,自1984年以來,導致北京、張家口、駐馬店、信陽、晉東南、遵義大面積停電,設備燒毀等惡性事故,這個教訓是值得深刻檢討的,但就在“電鐵公害”難以治理的情況下,華北電力科學院、河南電力試驗研究所、西北電力試驗研究院、鐵道研究院、西南交大等也相繼提出了云南永豐營、河南湯陰、江西威舍、廣西百色、河北柳新莊等電鐵牽引站治理方案,有的還付諸實踐進行了治理,如清華大學與河南電力試驗研究所為穩定河南電網電壓,合作開發了±20 Mvar新型靜止無功發生器(SVG,也稱STATCOM),采用四重化共48只GTO的電壓型逆變器以消除12K±1(K=1、2、3……)以上的特征諧波,并支撐、穩定河南電網電壓,免受河南電鐵的間隙性無功沖擊的電壓波動影響,于1999年4月投入運行,成為中國SVG技術應用的先驅。此外,四川省電力局與四川大學合作,提出了成昆電鐵涼山段電能質量綜合治理的可行性研究報告,為一攬子解決10個牽引站的一個220 kV變電站的諧波、負序等公害問題,為下一步AVG系統工程設計打下了基礎。
  就專門進行諧波負序綜合治理的企業而言,東北榮信公司在20世紀90年代末就完成了西北某電鐵牽引站無源濾波器的設計制造,投入運行后,又于2001年與陜西銀河中試測量公司合作,承擔了陜西神朔兩個電鐵牽引站共7.6萬kvar的SVC(TCR+PF)工程的設計制造任務,已于2002年7月底調試投運成功,8月10日移交正式運行,從而揭開了大容量SVC綜合治理電鐵諧波的序幕。
  筆者在20世紀80年代初留歐期間引進BBC(現ABB)公司的SVC(TCR+FC)成套工程設計制造技術,填補了國內在該技術領域的空白(1992年獲國家機電部科技進步一等獎及國務院突出貢獻特貼專家榮譽),并結合國內外SVC工程實踐經驗,考慮模糊相關及加權處理的四參數補償容量QW的精密算法。在對某工程的實測中,QW算法的預測結果與實測結果的接近程度優于國際先進國家的預測計算水平。20多年來對銅川鋁廠、楚雄鐵合金廠、耀縣水泥廠、長江電機廠軋機、宣威磷化工廠以及電弧爐、電熱爐、中頻爐等諧波、負序綜合治理的檢測、設計或安裝調試、運行中探索到一些經驗,并收集了不少電鐵牽引站諧波、負序電能指標的實測數據。

配電網是電力系統發電、輸電和配電(有時也稱供電和用電)三大系統之一。電力公司通過配電網實現產品銷售--向廣大電力用戶提供電能。隨著經濟的發展,觀念的變化,電力公司正經歷著一場深刻的變革:電力市場自由化。這場變革使電力公司面臨新的挑戰,不得不采取新的策略,新的技術和管理措施,轉變經營理念,增強市場競爭實力。

  一、配電自動化簡介

  配電自動化指:利用現代電子技術、通信技術、計算機及網絡技術與電力設備相結合,將配電網在正常及事故情況下的監測、保護、控制、計量和供電部門的工作管理有機地融合在一起,改進供電質量,與用戶建立更密切更負責的關系,以合理的價格滿足用戶要求的多樣性,力求供電經濟性最好,企業管理更為有效。

  配電自動化是一個龐大復雜的、綜合性很高的系統性工程,包含電力企業中與配電系統有關的全部功能數據流和控制。從保證對用戶的供電質量,提高服務水平,減少運行費用的觀點來看,配電自動化是一個統一的整體。

  配電自動化包含以下4個方面:

   饋線自動化。饋線自動化完成饋電線路的監測、控制、故障診斷、故障隔離和網絡重構。其主要功能有:運行狀態監測、遠方控制和就地自主控制、故障區隔離、負荷轉移及恢復供電、無功補償和調壓等。

 變電站自動化。變電站自動化指應用自動控制技術和信息處理與傳輸技術,通過計算機硬軟件系統或自動裝置代替人工對變電站進行監控、測量和運行操作的一種自動化系統。變電站自動化以信號數字化和計算機通信技術為標志,進入傳統的變電站二次設備領域,使變電站運行和監控發生了巨大的變化,取得顯著的效益。

  變電站自動化的基本功能有:數據采集、數據計算和處理、越限和狀態監視、開關操作控制和閉鎖、與繼電保護交換信息、自動控制的協調和配合、與變電站其他自動化裝置交換信息和與調度控制中心或集控中心通信等項功能。

  變電站自動化技術是配電自動化的重點之一。

  配電管理系統。配電管理系統(DMS)是指用現代計算機、信息處理及通信等技術和相關設備對配電網的運行進行監視、管理和控制。它是配電自動化系統的神經中樞,整個配電自動化系統的監視、控制和管理中心。主要功能有:數據采集和監控(SCADA)、配電網運行管理、用戶管理和控制、自動繪圖/設備管理/地理信息系統(AM/FM/GIS)等。

  需求側管理。通過一系列經濟政策和技術措施,由供需雙方共同參與的供用電管理。包含負荷管理、用電管理及需方發電管理等。需求側管理的幾個內容涉及電力供需雙方,甚至與電力管理體制有關,必須通過立法和制訂相應的規則,并最終由電力市場來調節?梢钥吹,電力的供需雙方不僅僅是一種電力買賣關系,也是以雙方利益為紐帶的合作伙伴關系,在電力市場環境下,需求側管理必將被重視。

  上述4個方面的內容可以相互獨立運行,它們之間的聯系十分密切,特別是信息的采集、傳遞、存儲、利用以及這些信息經過處理作出的決策和控制相互影響。因而,信息的管理十分重要。

  二、配電自動化發展新動向

  1配電網自動化功能框架奠定,且得到充實和完善

  國際供電會議(CIGRED)特設工作小組在1995年5月提出的專題報告中,按照以下原則:   1)把電網功能和用戶功能區別開來;

  2)把在線功能和計劃功能區別開來;

  3)把運行工作和維修工作區別開來。

  將配電自動化功能劃分為4組:電網運行、運行計劃及其優化、維修管理、用戶聯系和控制。

  在上述主功能組的基礎上,再分成若干功能,奠定了配電自動化系統的主功能框架。需要強調的是:

  (1)這4個功能組并不是各行其事,而是有著十分緊密的聯系,經常交換信息,這樣既可做到數據共享,更可保證控制和管理的一致性。

  (2)數據管理的重要性。數據管理本身并不是配電自動化的功能,但是,所有的功能都包含在數據管理內,要實現龐大復雜的眾多功能必須依靠數據管理來完成,這些功能所交換和共享的數據引起了功能間的聯系。數據管理可確定所掌握的數據是需要相關管理的、連續不斷更新的還是由若干系統共享的數據。數據管理建立了能滿足配電自動化要求的新的機制和管理方法,是配電自動化不可缺少的組成部分。

  IEC TC57/WG14工作組提出了配電管理系統接口規范。該規范不僅將上述配電自動化功能按照商業應用的要求作了分類,規定了每類的具體功能要求,而且將配電自動化系統與能量管理系統(EMS)、氣象信息、雇員信息及用戶信息系統的接口考慮進去,充實和完善了配電自動化功能框架。

  2配電網優化運行

  電力市場的不斷完善迫使電力企業以效益為目標,把工作中心轉移到效率管理、降低成本和為用戶提供優質服務上。這使得供電企業必須不斷地分析電網的運行性能、制定電網優化運行的方案。

  配電網的優化運行主要包括:無功補償、提高供電質量、降低線損、設備運行和維護。

  供電質量包括安全性、電壓合格率、頻率合格率、供電可靠性和用戶對停電、收費及服務的意見。

  提高供電可靠性的主要技術措施有:

  (1)縮短故障停電時間

  故障自動報警;

  快速故障定位;

  自動/人工遙控隔離故障,非故障區段恢復供電。

  (2)降低事故隱患和影響

  這重點在于對設備狀態和電網參數進行經常性監測,力求在故障發生前檢測出潛在的事故隱患。

  變電站自動化的發展,使供電可靠性有了很大的提高,但是,要進一步縮短故障停電時間,很大一部分取決于饋線自動化的發展。必須在饋電線路上裝設電動開關,配置饋線終端設備FTU,對一些分支線路,還應裝設故障指示器,并利用通信系統,向系統提供饋線運行數據和狀態,執行系統下達的饋線開關遙控操作命令。

  非線性負載、電動機直接起動、不平衡負載、焊接設備以及家用電器設備增多,降低了電壓質量。電壓質量對現代電子設備及計算機系統影響極大。為此,提出系統應對電壓進行連續測量和質量分析,噪聲越限告警。同時,要根據實際需要選擇不同的無功補償方式。

  3集成化、智能化和綜合化是一發展趨勢

  早期配電自動化的實施采用發展獨立的、單項自動化系統來解決問題,如直接的負荷控制、大用戶的遠程抄表等,由于配電自動化的功能之間存在著不同程度的關聯,其中大部分要求很難滿足,且還無法克服在擴大應用規模時確認所需投資的合理性所遇到的困難。這種按"功能定向"的方法,已造成綜合化水平非常低并帶來若干反面影響,如功能重疊、數據的重復、靈活性很差和維修費用高等。

  另外,配電自動化系統作為一個龐大復雜的、綜合性很高的系統性工程,包含眾多的設備和子系統,各功能、子系統之間存在著不同程度的關聯,其本身及其所用技術又處于不斷發展之中,對任一家制造商而言,根本不可能包攬一切。

  這就要求配電自動化系統采用全面解決的方案,走系統集成之路,使得各種應用之間可共享投資和運行費用,最大限度保護用戶原有的投資。

  在饋線自動化方面,現有饋線終端設備不僅具有常規的遙測、遙信和遙控功能,且還集成了自動重合閘、饋線故障檢測和電能質量的一些參數的檢測功能,甚至集成了斷路器的監視功能,且有進一步與斷路器、開關相結合,機電一體化,發展成為智能化開關的趨勢。顯著地降低了建設、運行和維護的綜合成本,為提高供電可靠性,創造了有利的條件。

  故障定位和自動恢復送電可以明顯地縮短停電時間。有效地解決這一問題,必須以數字式繼電保護、饋線自動化和DMS系統為基礎。對于故障定位,國外有人提出使用三種技術綜合處理:故障距離計算法、線路故障指示器法以及不同線路區間故障概率統計法,這些信息結合在一起進行模糊邏輯處理。

  在電壓無功控制方面,天津大學楊爭林、孫雅明首次提出基于人工神經元網絡的無功預測和優化決策相結合的變電站電壓無功控制策略,該策略以無功變化趨勢為指導,充分發揮了電容器的經濟技術效益,能在無功基本平衡和保證電壓合格的前提下,使變壓器分接頭的調節次數降至最小,消除了盲目調節,降低了變壓器故障幾率和減少了維護量。

  4電力線載波技術取得重大突破

  1997年10月英國聯合電力公司的子公司Norweb通信公司與加拿大Notel公司聯合聲稱:取得了電力線載波技術重大突破,利用新開發的數字配電線載波技術(Digital Power Line DPL)可有效地保護配電線上傳輸的信號不受干擾,使得電力公司可以通過現成的配電線路為用戶提供高速、可靠而費用低廉的因特網、多媒體以及其他信息服務。目前,該技術可為家庭和中小型用戶提供速度最快的通信方式。

  DPL技術是針對能夠加強本地、區域性以至全球范圍的家庭和中小型公司的數據訪問性能和響應性能,采用改進的因特網規約(IP)以及復雜的專用電子裝置來沿低壓配電電纜網絡傳輸MHz級的數字高頻信號,同時監視導致信息失真的脈沖信號以及其他形式的電干擾,從而實現了利用配電網絡為家庭和中小公司提供數字電話、傳真及因特網通信服務的手段。

  該項技術的優越性體現在:

 對于電力公司來說,配電網絡是現成的,因而應用DPL技術的投資遠小于其他寬帶通信系統;

由于配電系統連至千家萬戶,通過該網絡可為用戶提供極方便的因特網服務;

  該技術使得由調制的低壓網絡傳送的因特網和數據訪問的速度比目前最快的綜合數字服務網絡ISDN的速度提高了10倍,比與普通電話線連接的高速調制解調器快20倍;

  服務容量極易擴展;

 對電力公司來說,提供了開拓新市場的機會;

 這些信息服務的提供,可為電力公司提高效率、增強電力市場中競爭力,加深與用戶的關系方面起到重要作用。

  但目前推廣應用DPL技術存在一些因難:

 將變電站轉化為與因特網相連的網關,還需要在變電站中安裝開關以及異端高速回饋光纖網絡以承載變電站和因特網之間的數據傳輸;

 DPL這項技術,還需要進一步發展和證實,而其他技術,如低能無線(low-power radio)、電纜調制解調器或不對稱數字電話用戶線(asymmetric digital subscriber line)等高速通信系統都已商業化或即將商業化,因而至少在最近兩年內,DPL技術是一項相對比較貴的選擇方案。

5用戶電力技術的應用

  用戶電力(Custom Power)技術是Narain G.Hingorani任職于美國電力科學研究院(EPRI)時和柔性輸電(FACTS)技術一起提出的。其核心內容是電力電子設備的應用。該項技術可以解決電壓突升、突降和瞬時斷電等配電系統擾動所引起的種種問題,可補償電壓下降及短時斷電,對諧波進行有效濾波,補償相電流的不平衡,改進功率因素。其對提高供電質量方面,有廣闊的前景,值得研究。

  用固態斷路器(Solid-State Transfer Switch SSTS)(動作非?斓碾娮娱_關)控制雙電源饋線向重要用戶供電時,固態斷路器可在1/4Hz內完成備用饋電線切換,向用戶提供不間斷電源。除此之外,與靜態電容器配合起來使用時,可提供優質電力,同限流電抗器或電阻器組合在一起,可在配電系統中迅速插入限流裝置以防止來自大短路容量的過大故障電流。

  靜態電容器(Static Condenser STATCOM)或靜態補償器(Static Compensator STATCOM)是快速響應的固態電力控制器,它能向4.16~69kV配電饋線連接處提供靈活的電壓控制以改進電力質量;同時也是一個交流同期電壓源,通過一個聯絡電抗和配電系統相關聯,并能用改變電壓源的幅值和相角的方法和配電系統交換無功和有功功率,其結果就可通過以STATCOM和配電線之間的聯絡電抗來控制電流。這樣可調節無功電流和抑制電壓波動。STATCOM是通過一個先進電力半導體裝置組成的固態的直流到交流的變流器來實現的。它能有效地替代配電系統采用常規電壓和無功控制元件、有載分接開關、電壓調整器和自動投切電容器。一臺多功能的STATCOM包括的功能有電壓控制、動態濾波、低損控制無功和有功功率。

  動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer DVR)有一個變壓器、一個換流器和一個儲能裝置,只不過變壓器是串接在母線上向敏感負荷供電。補償是雙向的,既能升高已下跌的電壓,也能降低過高的電壓,其響應時間只需幾個毫秒。當電源側電壓質量明顯不符合敏感負荷要求時,DVR通過串接的注入變壓器向饋線注入可控幅值、相角和頻率(諧波)的電壓,來校正負荷側電壓波形的畸變,包括由于鄰近線路發生故障或負荷時而引起的電壓波動。

  無論是固態補償器STATCOM還是動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer DVR)直流儲能裝置的容量決定了對每次電壓下跌進行調節的持續時間,可以從幾個Hz到幾秒鐘。若應用超導儲能器(Micro Super-conducting Magnetic Energy Storagy-SMES),可適用于短時間大功率的存儲和釋放場所。

  有了用戶電力設施,用電的質量和可靠性仍需供電方和用電方合作解決,所以雙方的信息暢通和工況變化的透明度是十分重要的,這有賴于供電信息化程度的提高。用戶和供電者合作可以共同把擾動減少到幾乎沒有。不論是雷擊、開關切換還是負荷大變動等,都不使其干擾電力用戶的運作。

  6技術和經濟手段綜合利用,改善對用戶的服務

  面對激烈的市場競爭,改進對用戶的服務,是增強電力公司競爭能力的重要手段之一。利用各種技術和經濟手段,改進對用戶的服務,滿足不同用戶的需求,指導用戶合理、經濟用電,鼓勵用戶參與和配合電力企業對供用電進行管理和控制,提供用戶用電選擇權等是當前配電自動化發展值得注意的一個動向。

  意大利ENEL公司在電費上采取以下措施,使負荷曲線更加合理化:

  (1)向所有需量超過或等于400kW的用戶推廣分時電價。

  (2)對增容到25kW使用電爐的食品工業用戶和至少6kW需量的家庭用戶中試行兩時段分時電價。

  (3)對需量大于3000kW,且應電力公司的請求可至少減少負荷1000kW的用戶,實行可停電供電電價。

  (4)帶暫停需量的可停電供電電價。對在同意的月份(冬季最多四個月,夏季可能有一個月)中全國電力系統發生緊急情況的小時內減少需量(至少為一天相應時間內簽約需量的50%)的用戶實行可停電供電電價。

  改革電費系統,使之變得更為靈活,其目的在于更準確反映全部時間內的電力成本,鼓勵用戶將他們的用電負荷需求調整到一條改進過的負荷曲線。此外,改革電費系統,不僅包含電量,還包括與供電質量關聯的新參數,如停電次數和持續時間,使電費更趨于合理,促進效率和生產率以及向用戶提供滿足他們單獨要求的合同條件。

  法國正在進行用戶通信接口計劃的試驗,稱為ICC。其主要功能不但引入了實時讀表、停電控制和遠方管理,并使用戶能了解自己用電的實時電價(全日變動的實時電價對用戶是透明的)。從而能優化自己用電的管理,優化用電是根據電價制度的規定,選擇自己用電設備和時間,停用一部分設備如熱水器,甚至電冰箱或空調機。ICC能使用戶使用幾條簡單的指令控制用電,并和供電人員通信,規劃用戶自己的最佳用電計劃。

  西班牙的Iberdrola電力公司正和法國EDF一起進行OPENMAN (optimal energy management configurable system最優能量管理的可組合系統)的試驗。在西班牙裝設五套,法國也裝設五套。主要制造商為Schlumberger lndustriesOPENMAN的主要目標是家庭能量應用的優化與管理,有兩個部分,一部分是一臺咨詢配置機,可以用來為用戶提出最優配置的咨詢建議。這臺咨詢機設置在電力公司的售電業務室內。另一部分是進行用電時的能量管理系統,有一臺主控器和若干智能插頭。智能插頭的作用是通過PLC(電力線載波)和用戶通信,實現削峰填谷等管理操作,并根據用戶提示的舒適性要求和生活習慣,提供既優化經濟又舒適滿意的用電。

  意大利ENEL公司正在開發家庭用電智能助理,能加到用戶的電視機上以便實現強有力的顯示,確保供電服務信息能方便地表達出來。通過這個窗口,可向用戶通知各種事件,并幫助用戶從事一些節能工作。

  改進對用戶的服務,是增強電力公司競爭能力的重要手段,同時須改進其自己的信息系統。

德國西門子公司推行一種公司信息集成化系統,把配電管理系統(包括SCADA、自動化及MIS)及網絡規劃統一在一起,一體化了,并和地方(市或州)的地理信息系統(GIS,包括電話、水、交通及市政等)也取得一致。這是信息化的大趨勢。


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