近幾年，隨著我國(guó)高速公路的迅速發(fā)展，高速公路的機(jī)電設(shè)備（變壓器、隧道燈具、機(jī)電產(chǎn)品、 UPS等）越來(lái)越多，對(duì)其日常使用、使用壽命和維修的需求越來(lái)越大，因此對(duì)電力系統(tǒng)的需求也越來(lái)越大。UPS、 EPS等為機(jī)電設(shè)備提供高可靠的電力供應(yīng)，但其具有非線性，容易造成諧波污染，而高次諧波會(huì)嚴(yán)重影響到電力系統(tǒng)的通訊、通訊、服務(wù)器等；低次諧波將導(dǎo)致變壓器的設(shè)備及線路壽命縮短，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)造成較大的諧波損耗；而且，諸如隧道燈、電子電器等的裝置也會(huì)造成諧波的污染；同時(shí)，由于部分負(fù)荷是感性負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)下降，所以必須對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行綜合的電力品質(zhì)管理，以達(dá)到電力系統(tǒng)的運(yùn)行需求。
1.高速公路行業(yè)負(fù)載分類(lèi)和特性
1.1高速公路工業(yè)負(fù)荷等級(jí)劃分
在高速公路上，除了極少數(shù)的電阻負(fù)荷，還有一些設(shè)備是感性的，比如高壓鈉燈、變壓器等。其他的設(shè)備大多是非線性的，比如電腦，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，收費(fèi)車(chē)道設(shè)備，攝像機(jī)，可變情報(bào)板，各種檢測(cè)器， LED燈等等。
高速公路供、配電網(wǎng)是指將10 kW或35 kW的高壓電力從發(fā)電站或鄰近區(qū)域的高壓電網(wǎng)輸送到高速公路上的變電站，利用低壓變壓器輸出220 V或380 V的電力，然后通過(guò)低壓配電板和輸電線輸送給相關(guān)的電力設(shè)備。在電源斷電或因故障而無(wú)法正常提供電力的情況下，采用自備柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電。
隧道變電站的主要負(fù)載包括應(yīng)急照明設(shè)施、通風(fēng)照明控制設(shè)施、應(yīng)急呼叫設(shè)施和一些消防設(shè)施。這些隧道位于偏僻地區(qū)，使用的電力也是最多的，因?yàn)殡娏Σ环€(wěn)定，很容易出現(xiàn)停電的情況，所以一般都是使用 EPS作為應(yīng)急電源。如果所帶的負(fù)荷有高電壓，可以用 UPS提供電源。
收費(fèi)站變電站的主要負(fù)載是通信、收費(fèi)、監(jiān)控等。通常配有 UPS作為操作機(jī)構(gòu)，監(jiān)控設(shè)備，測(cè)控單元和 ATS。
服務(wù)區(qū)變電站的主要負(fù)載有外場(chǎng)監(jiān)控，通訊系統(tǒng)，生活水泵，消火栓泵，綜合樓照明，場(chǎng)區(qū)照明。
1.2工業(yè)道路的負(fù)荷特征
(1)多相設(shè)備，單相電源易導(dǎo)致三相負(fù)荷不均衡，三相電流不均勻，三相電流不均勻。
(2)電力消耗裝置中絕大部分是非線性負(fù)荷，以及具有電容的非線性負(fù)荷（包括切換式供電的裝置）。二是具有含電感鎮(zhèn)流器的電感非線性負(fù)載。
(3)由于大量的非線性負(fù)荷，使電流的諧波失真率增加，使無(wú)功功率增加，功率因數(shù)下降。傳統(tǒng)的電容器補(bǔ)償技術(shù)無(wú)法改善系統(tǒng)的性能。
(4)在所有采用直流電壓的電器中，通常在供電設(shè)備前端采用橋型整流，這種整流電路會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波，從而損壞整個(gè)電路。
2.高速公路行業(yè)諧波源分析
2.1變壓器諧波
變壓器的非線性電感是由其自身的結(jié)構(gòu)所決定的，因?yàn)槠浯怕肥欠蔷€性的，因而其勵(lì)磁電流也是非線性的。一般情況下，電網(wǎng)電壓可以大致地看作是正弦波，當(dāng)電網(wǎng)電壓施加到變壓器的原邊線圈上后，勵(lì)磁電流就會(huì)引起線圈的磁通量Φ，由于磁路是非線性的，因此在勵(lì)磁電流為尖峰時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)正弦波，而在勵(lì)磁電流為正弦波時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)平頂波。但是，不管是平頂波，還是尖頂波，都存在著奇次諧波，而三次諧波的分量最大。若磁通是尖峰，則副邊的相位電壓將不是正弦形，而輸出的電壓也包含了諧波。當(dāng)勵(lì)磁電流是尖峰時(shí)，在受電端的原邊值將包含諧波。
變壓器的諧波成分不僅與其自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與其運(yùn)行狀況密切相關(guān)。在正常工作的情況下，鐵心的諧波成分非常低。在額定負(fù)荷條件下，勵(lì)磁電流約為5%，其波形接近于正弦波。而當(dāng)變壓器無(wú)負(fù)載或無(wú)負(fù)載時(shí)，鐵芯將處于飽和區(qū)，不正常的勵(lì)磁電流會(huì)引起原側(cè)線圈的漏感電壓下降，從而使感應(yīng)電位中包含了諧波成分。在無(wú)負(fù)載合閘時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的勵(lì)磁電流，這種勵(lì)磁電流的大小取決于剩磁大小、合閘初相角和鐵芯材質(zhì)。
2.2 燈具諧波
節(jié)能燈是一種非線性照明裝置，它的內(nèi)部裝有電子鎮(zhèn)流器，因?yàn)閮r(jià)格低廉，因此照明裝置的供電方式也受到了限制，這種負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波，當(dāng)三次諧波電流加到中性線和系統(tǒng)阻抗上時(shí)，就會(huì)造成50度的電壓下降，造成電壓失真，這種燈的功率系數(shù)一般為0.55。這種類(lèi)型的電燈由于具有較高的諧波成分，當(dāng)大量的開(kāi)路時(shí)，會(huì)引起較多的諧波，從而影響到隧道的供電。雖然每個(gè)燈泡的功率都很小，但它的功率太大了，它的諧波會(huì)影響到電能的品質(zhì)。節(jié)能燈的諧波電流失真率很高。所有的諧波均以奇次諧波為主要特征，3次諧波的數(shù)值最大。
高壓氣體放電燈是利用金屬鹵化物如汞和鈉的蒸發(fā)而產(chǎn)生的光，在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻。高壓氣體放電燈具有較強(qiáng)的發(fā)光強(qiáng)度，其諧波頻率主要是3,5,7次，并且隨著照明設(shè)備的功率增加，諧波電流也會(huì)增加。目前采用節(jié)能器調(diào)整高壓氣體放電燈的發(fā)光功率，主要是通過(guò)采用晶閘管、 IGBT、 GTO等功率電子設(shè)備來(lái)切斷部分正弦電流，或減小工作電壓。
LED。近年來(lái)， LED技術(shù)得到了快速發(fā)展，在隧道照明中的應(yīng)用也得到了迅猛的發(fā)展，并顯示出了很好的應(yīng)用前景。LED照明驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)有多種，目前最常見(jiàn)的有三種：無(wú)功因子修正（簡(jiǎn)單型）、2017年第4期（總第148期）297 （BOOST型）、以及被動(dòng)功率因子修正（逐流型）。在這種情況下，不進(jìn)行功率因數(shù)修正的電路將導(dǎo)致輸入電流具有很高的諧波分量，從而導(dǎo)致輸入電壓失真率較高。采用有源 PFC的結(jié)構(gòu)可以有效地改善 PFC的功率因數(shù)，從而可以得到較為理想的輸入電流正弦波，同時(shí)也能降低諧波的含量。由于該方法具有較好的輸入電流波形、較小的諧波分量、較低的成本，因此可以使用這種補(bǔ)償電路。
2.3 機(jī)電設(shè)備諧波
目前，在高速公路上，電子設(shè)備的應(yīng)用十分廣泛，許多顯示裝置（例如：監(jiān)視、控制、可變標(biāo)識(shí)等），其產(chǎn)生諧波的原理與電視機(jī)十分類(lèi)似。與單獨(dú)使用時(shí)相比，整個(gè)控制系統(tǒng)的3~11次諧波電流畸變率略有降低，13,15,17的畸變率略有增加。由于控制系統(tǒng)的諧波失真率高，諧波電流與顯示裝置的諧波電流相一致，從而使諧波電流增加。由于控制系統(tǒng)的大量使用，它的諧波會(huì)和其它電力裝置產(chǎn)生的諧波相互重疊，從而導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波效應(yīng)急劇增大。
2.4 不間斷電源諧波
UPS系統(tǒng)包括：整流電路，逆變電路，控制電路，充電電路，電池組，旁路系統(tǒng)。其中， UPS的諧波主要是因?yàn)樗膬?nèi)部采用了一個(gè)整流裝置，它所產(chǎn)生的諧波與整流裝置的脈沖數(shù)量（即晶閘管、 IGBT、 GTO的數(shù)量）相關(guān)，當(dāng)前 UPS常用的脈沖數(shù)量為6、12個(gè)脈沖，6脈寬的不間斷電源的主要諧波頻率是5,7次，12次，12次。
3.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量治理需求分析及主要特征
3.1需求分析
高速公路變電站由隧道變電站、服務(wù)區(qū)變電站、收費(fèi)站變電站、沿線箱式變電站、互通樞紐等組成。同時(shí)，隨著綠色交通的發(fā)展和規(guī)模的調(diào)整，目前的高速公路變電站已呈現(xiàn)出多個(gè)帶狀分布、距離長(zhǎng)、位置分散、橋隧比高的特征。因此，在高速公路配電系統(tǒng)中，存在著以下幾個(gè)難點(diǎn)：
(1)需要高的電源可靠性；
(2)由于電力供應(yīng)的規(guī)模過(guò)大，導(dǎo)致維護(hù)和管理的難度；
(3)在隧道中，有多種控制裝置，頻率較高；
(4)長(zhǎng)期居住在山區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，有很高的危險(xiǎn)，而且缺少專(zhuān)門(mén)的工作人員。
3.2高速公路行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：
(1)我國(guó)將繼續(xù)大力發(fā)展和大力發(fā)展的電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理逐漸智能化、自動(dòng)化，對(duì)電力系統(tǒng)的電力品質(zhì)、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性提出了更高的要求。
(2)低負(fù)載、低容量的變壓器。
(3)電力系統(tǒng)的主要問(wèn)題是電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，在負(fù)荷裝置中， UPS是主要的諧波源，但是其諧波含量很低。
(4)采用 SVG作為補(bǔ)償裝置， SVG具有較高的精度，能夠滿足高速企業(yè)的低負(fù)荷特點(diǎn)。并且 SVG無(wú)維修、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)電容補(bǔ)償、故障率高等問(wèn)題。
4.高速公路行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案
4.1解決方案
從以上幾個(gè)方面的分析可以看出，在高速公路配電網(wǎng)中，配電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠度日益受到重視，同時(shí)也對(duì)電力品質(zhì)提出了更高的要求。然而，由于電力供應(yīng)與分配系統(tǒng)的負(fù)載分布比較分散，其負(fù)載往往只是日常用電中的一小部分，而且有一部分是感性負(fù)載，所以必須要有一套系統(tǒng)性的方法來(lái)加強(qiáng)對(duì)電力質(zhì)量的監(jiān)控，從而達(dá)到改善電力品質(zhì)的目的。無(wú)錫沃思智能公司所開(kāi)發(fā)的電能質(zhì)量監(jiān)控與管理系統(tǒng)，能夠很好地滿足電力系統(tǒng)的監(jiān)控管理、運(yùn)維和電能品質(zhì)管理等方面的要求。
4.2方案特點(diǎn)
(1)電能質(zhì)量監(jiān)控與治理系統(tǒng)除了可以為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理和設(shè)備維護(hù)等功能，還可以通過(guò)高速公路的綜合能源效率管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的遠(yuǎn)程在線服務(wù)；
(2)電力品質(zhì)的專(zhuān)業(yè)化監(jiān)控：電力品質(zhì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，精度高，測(cè)量精度高，滿足IEC61000-4-30要求；
(3)電力品質(zhì)監(jiān)控及治理設(shè)備的總體設(shè)計(jì)，采用上層平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和閉環(huán)的控制；
(4)針對(duì)高速公路產(chǎn)業(yè)的特征，制訂合理的電力品質(zhì)管理對(duì)策；
(5)采用 DSP+ FPGA控制結(jié)構(gòu)，模塊式高功率 IGBT輸出模式，保障電力系統(tǒng)的安全、可靠；
(6)電力管理業(yè)務(wù)的一體化協(xié)作：電力調(diào)度管理與運(yùn)維、電能分析與電能質(zhì)量信息的共享與協(xié)調(diào)，為電力供應(yīng)和消費(fèi)提供了有效的控制。
4.3方案價(jià)值?
(1)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行綜合監(jiān)控，保證電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，全面監(jiān)控電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。微秒級(jí)的故障錄波和 SOE報(bào)警可以實(shí)時(shí)地將所有的數(shù)據(jù)信息記錄下來(lái)，從而為故障的跟蹤和定位提供了有力的支撐。
(2)全面的電力品質(zhì)管理，針對(duì)高速公路供電、配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用集中管理的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功、諧波治理的更經(jīng)濟(jì)、更有效的管理，從而達(dá)到改善電力系統(tǒng)供電品質(zhì)、減少設(shè)備故障率的目標(biāo)
改革開(kāi)放后，我國(guó)高速鐵路建設(shè)迅速。同時(shí)，隨著高速公路規(guī)模的不斷擴(kuò)大和提升，對(duì)電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)要求也在不斷提高。文章從電力系統(tǒng)的特點(diǎn)、性能、諧波源特性、治理需求、難點(diǎn)等方面進(jìn)行了分析，提出了一套適合于電力質(zhì)量的監(jiān)控和治理的方案，為電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量提供了有效的監(jiān)控和治理方案。
