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安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：高速公路行業機電系統的運行，依靠供配電系統提供的電能支持。隨著機電系統建設的逐步完善，高速公路供配電系統已經發展成為電力供電系統的一個重要分支，因此對高速公路供配電系統的質量檢測顯得尤為重要。高速公路機電系統中的變壓器、照明燈具、不間斷電源等機電產品以及一些非線性負載在產生諧波的同時也會降低功率因數，諧波的產生會對整個供電系統產生不利影響，功率因數低會導致電能的損耗，從而使高速公路的運維面臨很大問題。本文根據高速公路的現狀，分析高速公路負載的特性、諧波產生的原因以及電能質量需求，并提出來相應的系統解決方案。
關鍵詞：高速公路行業；電能質量監測；電能質量治理；系統解決方案
1、行業概述
1.1背景
據交通運輸部統計，2015-2019年，我國高速公路建設投資額持續提升，2019年，全國高速公路建設完成投資11504億元，按照可比口徑，同比增長14.5%。2020年全國高速公路完成13479億元，增長17.2%。2020年，中國高速公路里程16.44萬公里，增加1.14萬公里；高速公路車道里程72.31萬公里，增加5.36萬公里。國家高速公路里程11.30萬公里，增加0.44萬公里。
1.2 負載分析
高速公路用電設備除少數電阻性負載外，有一部分用電設備屬于感性用電負載，例如高壓鈉燈、變壓器等設備。其余大部分設備為非線性負載，例如計算機、網絡設備、收費車道設備、攝像機、可變情報板、各類檢測器以及 LED 照明燈等。
高速公路供配電系統是采用集中或相對集中供電所用電源從發電廠或從附近地區的高壓電網引出10kW或35kW高壓送至高速公路的變電所，用低壓變壓器產生220V或380V的供電電壓，然后再由低壓配電屏及輸電線送至有關用電設備。當市電停電或出現故障不能正常供電時,則由自備柴油發電設備發電供電。
l 隧道變電所重要負荷一般為應急照明設施、通風及照明控制設施、緊急呼叫設施以及部分消防設備等。隧道都處在比較偏遠的地段，采用鄉電比較多，由于鄉電本身就不穩定，經常面臨著停電的風險，一般采用EPS應急電源。如所帶負載有設備對電壓要求高的可由UPS供電。
l 收費站變電所重要負荷一般為通信系統、收費系統、監控系統等。常設有UPS為操作機構、監控設備、測控單元及ATS供電。
l 服務區變電所重要負荷一般為外場監控、通信系統、生活水泵、消火栓泵、綜合樓照明、場區照明等。
高速公路供配電系統負荷分布較為分散，負荷一般都是日常用電的輕負荷，配電變壓器一般都為是小容量變壓器，譬如200kVA、300kVA、500kVA等。補償容量一般都比較小。對于有UPS的配電系統，也會適當增加有源濾波裝置。另外，隨著新能源汽車的增加，服務區充電樁數量也在增加，也會對整個供配電系統的電能質量產生影響。
2、高速公路諧波源分析
變壓器具有非線性電感是有它本身的結構決定的，由于變壓器磁路是非線性的，所以 其勵磁電流也是非線性的。正常情況下電網電壓可以近似看成正弦電壓，當電網電壓加在變壓器原邊繞組兩端后，產生的勵磁電流
會使鐵芯產生磁通Φ，因為磁路是非線性的，所以當勵磁電流為尖頂波時，才會產生正弦磁通，當勵磁電流為正弦波時，才會產生平頂波的磁通。但勵磁電流不論是平頂波還是尖頂波，都會含有奇次諧波，其中的3次諧波含量是最大的。如果磁通為尖頂波，那副邊的相電壓就會是非正弦的，輸出電壓就會含有諧波量。如果勵磁電流為尖頂波，那受電端的變壓器原邊電流就會含有諧波。
變壓器的諧波含量除了與本身結構有關外，還與變壓器的工作狀態有關。在額定電壓下正常工作時，鐵芯的諧波含量是很小的。在額定的負載情況下，電流含有的勵磁電流只有5%左右，其波形近似正弦波。而在變壓器輕載或者空載的時候，鐵心就會在飽和區工作，非正弦勵磁電流會導致變壓器原邊繞組的漏感產生壓降，這將使得變壓器的感應電動勢中含有諧波分量。當變壓器進行空載合閘時，會有很大的勵磁電流出現，此勵磁電流的大小是由剩磁大小、合閘初相角和鐵心材料三者決定的。
①節能燈是非線性的照明燈，它內部帶有電容濾波的電子鎮流器，由于低成本，所以燈具內部采取的改善電能質量的手段有限，這類負荷就會產生含量的奇次諧波電流，其中 3次和其倍數的諧波電流作用在中性線阻抗和系統阻抗上就會使電力系統的電壓每一個半周正弦波的50°發生凹陷，使電壓產生畸變，這類照明燈的功率因數通常只有0.55左右。由于這類燈具的諧波含量很大，在隧道燈大量開啟時，會產生大量的諧波電流，對隧道供電造成影響。單個燈容量雖然不大，但是數量眾多，所產生的諧波會對電能質量產生影響。節能燈諧波電流畸變率非常大。它們的諧波電流都是以奇次諧波為主，3 次諧波的值最高。
②高壓氣體放電燈是利用汞、鈉等金屬鹵化物的汽化來發光，在放電時會有負電阻特性。高壓氣體放電燈的發光強度大，它們產生的諧波以 3、5、7 次諧波為主，且諧波電流會隨著燈具容量的增大而增大。現行的利用節能器來調節高壓氣體放電燈的發光強度，無非是使用可控硅、IGBT和GTO等電力電子器件來 切斷一部分正弦電流或者降低工作電壓等方法，所以該電路也產生諧波電流電壓。
③LED燈。近幾年，LED 發展迅速，在高速公路隧道照明系統中的使用量猛增，良好發展前景和照明優勢。LED 的照明驅動電源電路結構有很多種，常用的主要有三種: 無功率因數校正(簡易型)、有源2017年4期(總第148期) 297功率因數校正(如BOOST式的) 和無源功率因數校正(逐流式)。其中無功率因數校正的電路結構會使得輸入電流含有非常高的諧波成分，并且會使得輸入電壓畸變率變高。有源功率因數校正的電路結構對功率因數的校正，會使輸入電流的正弦波形比較理想，諧波含量很低。無源功率因數校正的電路結構特性處于前兩者之間，它的輸入電流波形較為理想，諧波成分含量較低，并且它成本低，所以采用這個校正電路架構會比較多。
現在的高速公路中的機電設備使用量非常大，大量的顯示用設備( 如監控控制系統和可變標志顯示系統等) ，其產生諧波的原理與電視的很相似。控制系統整機運行時與顯示設備單獨運行時相比，3~11次諧波電流畸變率會稍微下降，而13、15、17次諧波電流畸變率會稍微上升。因為控制系統的諧波畸變率較高，并且其諧波電流與顯示設備 諧波電流相位重合，這會共同增大諧波電流。當控制系統使用量很大時，其諧波會與正在使用的其他電氣設備的諧波疊加，控制系統的諧波影響就會迅速擴大。
不間斷電源主要由整流電路、逆變電路、控制電路、充電電路、電池組、旁路系統 組成。其中不間斷電源產生諧波的主要原因是由于其內部使用整流設備而產生的，其產生的諧波與整流設備的脈沖數(也就是可控硅、IGBT或者GTO的個數)有關，目前的不間斷電源常見的脈沖數是六脈沖和十二脈沖，對于六脈沖的不間斷電源其主要的諧波以5、7 次諧波為主，對于十二脈沖的不間斷電源其主要的諧波階次為11、13次。
高速公路變電所包括隧道變電所、服務區變電所、收費站變電所、沿線箱式變電站、互通樞紐等區域。同時由于綠色交通的推進以及擴容調整，目前高速公路變電所呈現帶狀分布供配電所數量多、距離長且位置分散、橋隧比高等特點。也正是由于這些特點，高速公路配電系統面臨了如下痛點：
l 供電可靠性要求高；
l 供電范圍大造成運維管理困難；
l 隧道內控制設備種類多，頻次高；
l 長期處于山區或鄉村存在高風險又缺乏專業人員。
l 國家持續重點建設發展的行業，配電管理逐漸智能化、自動化，對電能質量要求高，對配電設備穩定性和可靠性要求高；
l 變壓器容量小，負荷輕；
l 主要關注電能質量問題是無功補償問題，負載設備中主要諧波源為UPS，但諧波含量較小；
l 補償設備更推薦SVG，SVG補償精度高，能適應高速公司輕載的特性。且SVG自動化免維護，壽命長，沒有電容補償故障率高這些問題。
4、高速公路行業電能質量監測與治理系統解決方案
對高速公路行業各方面的分析得出配電穩定性可靠性對于高速公路配電系統越來越重要，對配電的電能質量要求也越來越高。但是高速公路供配電系統負荷分布較為分散，負荷一般都是日常用電的輕負荷，同時部分負荷是感性負荷，因此需要一個系統的解決方案來提高高速公路行業電能質量的監管和電能的質量。安科瑞電氣提出的電能質量監測與治理系統解決方案可滿足電力監控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為高速公路行業用戶提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創造價值。
GB/T 14549-1993 《電能質量：公用電網諧波》
GB/T 15543-2008 《電能質量：三相電壓允許不平衡度》
GB/T 12325-2008 《電能質量：供電電壓允許偏差》
GB/T 12326-2008 《電能質量：電壓波動和閃變》
GB/T 18481-2001 《電能質量：暫時過電壓和瞬態過電壓》
GB/T 15945-2008 《電能質量：電力系統頻率允許偏差》
GB 17625.1-2012 《電磁兼容 限值 諧波電流發射限值》
GB/T 15576-2020 《低壓成套無功功率補償裝置》
JB/T 11067-2011 《低壓有源電力濾波裝置》
GB/T 3859.2-2013 《半導體變流器應用導則》
GB/T 24337-2009 《電能質量公用電網間諧波》
GB/T 19862-2016 《電能質量監測設備通用要求》
GB 51348-2019 《民用建筑電氣設計標準》
GB/Z17625.6-2003 《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設備在低壓供電系統中產生的諧波電流的限制》
GB/Z 18039.5-2003 《電磁兼容環境公用供電系統低頻傳導騷擾及信號傳輸的電磁環境》
GB/T 7251.8-2020 《低壓成套開關設備和控制設備第8部分:智能型成套設備通用技術要求》
l 電能質量監測與治理系統可在終端為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-HIW高速公路綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；
l 專業化的電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；
l 電能質量監測與治理裝置整體設計，通過上位平臺實現統一管理和閉環控制；
l 根據高速公路行業特點制定合理電能質量治理策略；
l 電能質量有源治理設備采用DSP+FPGA的控制架構、模組式高功率IGBT的輸出方式，為電網的安全可靠保駕護航。
l 全面監測電能質量，保障供電可靠性
對供電回路的電氣參數進行全面監測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發生時全部數據信息，支持開展故障追蹤與問題定位。
l 完整電能質量治理
結合高速公路行業供配電系統的特點以及配電設備負載的特性，通過集中治理的模式，更經濟和高效的滿足無功和諧波的治理需求，達到提高高速公路行業配電系統的電能質量，降低設備故障率的目的。
5、電能質量監測與治理產品選型
| 位置 | 序號 | 規格型號 | 功能實現 | 數量 |
|
高 速 公 路 |
1 |
智能電容 AZC（L） | (1) 現電壓過零投入、電流過零切除、投切涌流小、微功耗、無拉弧、無諧波注入，大大提高了設備的耐電壓，電流沖擊的能力，減少了常規電容器柜內能耗。 (2) 實現單相分別補償，解決三相負荷不平衡狀況；對無功缺額較大的任一相進行單獨補償，優化了補償效果。 (3) 溫度超限保護、缺相保護、過欠壓保護、諧波超限保護。
| 若干 |
|
2 |
ANSVG-S-G模塊 | 智慧型動態無功補償裝置的基本原理是加入了智能控制器來控制 SVG 模塊和 LC 模塊投切，用 SVG 模塊的快速響應、精確補償的特性來彌補 LC 模塊響應速慢、分級補償的缺點；SVG 模塊補償原理如圖 2-10 所示：檢測 補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，然后通過控制器控制 SVG 模塊先行投入補償，隨后投入 LC 模塊，最后調節 SVG 模塊輸出電流以滿足無功需求使功率因數達到設定值。 | 若干 | |
|
3 |
APQC綜合控制器 | APQC電能質量綜合治理控制器基于APF，SVG及電容電抗的統一控制解決方案，可支持控制20路電容電抗，2路下行RS485通信，2路上行RS485通信，可支持DL842通訊協議。本產品解決了SVG和電容電抗統一監測，統一控制，實時監測用電系統負載變化情況,當系統和設備運行出現異常時，控制器能夠及時切除電容電抗，控制SVG停止工作，及時發出預警信號，并在控制屏上予以展示，提示管理人員對報警點予以重視或采取必要措施。 | 若干 |
| 變壓器容量(kVA) | 型號及補償容量 |
| 160 | ANSVG 100（有源無功補償100KVar） |
| 200 | ANSVG 100（有源無功補償100Kvar） |
| 250 | ANSVG 100（有源無功補償100Kvar） |
| 315 | ANSVG-S-G 60-50/G （智能電容30Kvar*2組，有源無功補償50Kvar ） |
| 400 | ANSVG-S-G 80-100/G （智能電容40Kvar*2組，有源無功補償50Kvar ） |
| 500 | ANSVG-S-G 120-100/G （智能電容30Kvar*4組，有源無功補償50Kvar ） |
| 630 | ANSVG-S-G 150-100/G （智能電容30Kvar*5組，有源無功補償50Kvar ） |
| 800 | ANSVG-S-G 180-100/G（智能電容30KVar*6組，有源無功補償50KVar ） |
| 1000 | ANSVG-S-G 280-100/G（智能電容40KVar*7組，有源無功補償50KVar ） |
| 1250 | ANSVG-S-G 320-100/G（智能電容40KVar*8組，有源無功補償100KVar ） |
| 1600 | ANSVG-S-G 240-50/G（智能電容30KVar*8組，有源無功補償100KVar ）（2臺） |
| 2000 | ANSVG-S-G 280-100/G（智能電容40KVar*7組，有源無功補償100KVar ）（2臺） |
| 2500 | ANSVG-S-G 320-100/G（智能電容40KVar*8組，有源無功補償100KVar ）（2臺） |
| 3150 | ANSVG-S-G 320-100/G（智能電容40KVar*8組，有源無功補償100KVar ）（3臺） |
6、結論
自改革開放以來，我國高等級公路得到迅猛發展。與此同時，高速公路的擴容與升級對高速公路行業配電需求也越來越高，人們對配電的電能質量也是越來越重視。本文通過分析目前高速公路沿線用電設施的特點和性能、諧波源的特性、治理需求以及痛點，并針對高速公路所面臨的電能質量問題，在相應配電系統配置合理的電能質量監測與治理系統解決方案，以監測電網電能質量數據、實現補償無功功率和抑制諧波，減少線路損耗的目的，從而起到提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗的目的。
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