摘要：对我国电能质量(PQ)的检测仪器和治理设备的发展作了概述，指出PQ产业有广阔的发展前景和市场，对PQ产业进一步发展指出了应给予特别关注的问题，如落实《电力法》有关规定，支持和鼓励静止无功补偿装置(SVC)技术的应用，积极开发灵活交流输电系统(FACTS)和FACTS在配电系统应用技术(DFACTS)装置，制定PQ产业化的相关标准等。所提出的一些建议，供有关专业和管理人员参考。
关键词：电能质量;产业;电力市场;供用电
0 引言
现代电网的负荷结构发生了很大变化，一方面非线性、冲击性和不平衡的用电负荷大量增加，使电网的电能质量恶化;另一方面基于计算机、微电子控制技术的设备、装置和生产线不断增加，使电网中许多负荷对电能质量异常敏感，电能质量某些指标的短时间(可以短至1～2周波，即20～40 ms)不正常就会造成严重事故，一次损失可达百万美元数量级[1]。因此电能质量是电网可持续发展中一个十分重要的问题。
自20世纪80年代以来，我国在电能质量各方面已做了大量工作，对保障电网(包括用户)的安全和经济运行起到了重要作用。目前电能质量专业技术领域已在我国形成，围绕着电能质量检测、治理的工业产品已逐步形成产业化局面，然而这方面仍存在不少问题[2]。本文对我国电能质量的检测仪器和治理设备的发展作一概述，对电力市场重要组成部分——“电能质量产业”进一步发展提出一些建议，供有关专业和管理人员参考。
1 电能质量检测仪器设备
电能质量检测仪器设备的研制，我国已有二十余年历史，目前市场上国产仪器已有多个厂家(例如深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、保定市方长电力电子有限公司等等)的系列产品问世。产品基本上都采用数字式，有单一功能的、也有多功能的;有固定式的、也有便携式的;大多数以测量相对稳定的质量指标为主，也有记录某些暂态质量指标的功能;大多数有一定的数据通讯功能，有的还具有一定的统计分析和自动形成报表功能。例如深圳领步科技有限公司生产的PQM电能质量监测系列产品，可以对频率偏差、电压偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度、电压暂升、暂降和短时中断进行同时监测，并具有实时录波、暂态事件记录、电压容限曲线即ITIC曲线分析、系统平均有效值频率指标(SARFI)统计报表以及RS-232、RS-485、以太网等通讯接口。该公司推出的PQM SCADA系统能够实现对电网各监测点的电能质量进行检测。该系统采用分布式面向对象的设计思路，应用最新的DSP技术对各终端单元进行连续检测。监测中心软件采用大型数据库对数据统一管理，能够对检测数据实行分类统计、报表分析、曲线绘制、数据打印等。中国电力科学研究院研制的VER 100过电压记录仪利用专有的波形压缩技术，解决了采样速率和记录时间的矛盾，能够记录雷电、操作、谐振和工频等不同形态的过电压事件，该仪器即将产品化。但总体上我国电能质量检测产品还存在不少问题，如：①检测指标不全面。极大部分仪器不能测量间谐波，多数仪器的基本功能只停留在对持续性和稳态性指标的检测上，对动态电能质量，特别是对偶发性瞬态变化的指标(例如电压暂降，暂时过电压和瞬态过电压)不能测量;②测量精度存疑。例如有的国产仪器，测得的闪变结果是国外同类仪器的一倍以上;某些仪器3次谐波测量结果明显不合理(排除测量方法、TV中性点接地等因素外);③不少产品没有经过权威部门的全面认证，质量不高(注：目前国内尚无一个能够全面认证这类仪器设备的检测部门;但作为一个产品，在国内对其精度、可靠性、抗干扰、环境适应性等分别经相关权威部门认证基本上应能做到);④检测不方便、效率低，检测和分析报告数据格式不统一，有的需要人工统计、整理;⑤电能质量的SCADA系统尚处于试点阶段，离成熟推广使用还有相当距离。这里有设备问题也有管理问题。因此对电网电能质量的检测远未做到实时、全面，许多电能质量事件(异常、事故)不能及时发现、记录和有效处理。⑥产品缺乏相应的国家或行业标准。目前仅有行标《电压监测仪订货技术条件》(DL500—1992)，这是为执行国标GB/T 12325《供电电压允许偏差》，由当时(1992年)电力部制定的。这方面工作缺额很大，还有大量专用标准需制定。⑦对于网省、地市各级电能质量检测中心(站)的仪器功能、配置和检验等没有统一规定，导致许多单位仪器选购上盲目，管理上混乱，造成很大浪费。
在电能质量检测产品领域，目前国内高端产品的市场份额基本上被美国Fluke(福禄克)公司、瑞士LEM(莱姆)公司、瑞典UNIPOWER公司等国际电能质量领域的知名公司占据，这些公司的产品代表了国际先进的技术水平，但价格也不菲。国内产品要提高竞争力，除了价格外，必须提高质量和完善功能。对于电能质量检测仪器，无论是便携式或是固定式，均有广阔的市场空间，随着网络通信技术和信息技术的迅速进步，为适应当代电力系统运行的需要，电能质量检测技术正向着网络化、信息化和标准化的方向发展。
2 电能质量治理设备
改善电能质量措施涉及面很广。在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前已有技术上成熟的设备或装置可供选择。为进一步提高输电能力，解决各种特殊的电能质量问题，以电力电子技术为基础的大量性能更好的新型控制设备正在走向实用化。
2.1 无源电力滤波器
无源电力滤波器是目前应用最广泛的谐波治理设备，这种设备兼有无功补偿和调压功能，一般要根据谐波源的参数和安装点的电气特性以及用户要求专门设计。为了适应负荷某些变化的需要，可以做成分组投切方式。利用晶闸管开关(由正反并联晶闸管对构成)实现投切是较好的方式，这种方式可以做到投切过程无冲击、速度快、投切次数不受限制。晶闸管投切的高压滤波器由于晶闸管开关技术上较复杂、投资大、在补偿负荷上用得较少。高压滤波器以用真空断路器或SF6断路器投切方式为主，这种方式由于投切时会产生冲击，且受制于断路器的机械和电气寿命，因此投切不能太频繁(如每天限投10次以下)。低压晶闸管投切滤波器(TSF)由于技术较简单、投资不大，在国内外现已得到较广泛应用。小容量(200kVar以下)低压TSF还可以选用复合开关(即复合固态继电器)实现投切。复合开关由机械接点和晶闸管开关组合成，其机械接点承担正常负荷电流，晶闸管开关只在投切过程中起作用，这样可以降低运行损耗(晶闸管部分的损耗)。当然，低压滤波器中还有相当部分仍用机械(接触器、继电器等)投切方式，一般用于负荷变化不频繁的场合。
目前，无源电力滤波器技术上基本已成熟，国内外能承担无源电力滤波器设计和成套供货的厂家(公司)很多，由于价格上优势，国产设备占据较大市场份额，但缺少相关产品的规范或标准，应尽快制定。
2.2 静止无功补偿装置
静止无功补偿装置(SVC)装置是一种综合治理电压波动和闪变、谐波以及电压不平衡的重要设备，主要分二大类产品;一类是直接用晶闸管控制的;另一类是利用铁磁饱和特性调节的。使用晶闸管的SVC包括以下几种结构：晶闸管控制电抗器(TCR);晶闸管控制的高阻抗变压器(TCT);晶闸管投切电容器(TSC);TCR+TSC混合装置;TCR+固定滤波器(或机械投切滤波器)的混合装置。TCT装置是TCR一种特殊型式，在国外(如日本、德国)主要用在小容量(20Mvar以下)装置上，国内只有少量引进，也曾试制过，由于高阻抗变压器技术上问题(如漏磁、损耗等)未能推广应用。TSC实质上和TSF相似，只是没有(或很少)滤波功能，在高压上主要是和TCR配合构成混合装置，单独使用较少。而低压TSC和TSF一样，在国内外也已广泛使用，这里不作进一步论述。至今世界上安装的高压SVC(以TCR为主)总数在900套左右，总容量超过93 000 Mvar，其中用于超高压输电系统的SVC已有200多套，最大一套装于墨西哥Temascal 400kV变电站，动态调节容量达600Mvar[3]。TCR装置由于性价比较好，响应速度快(10～20ms)，已成为SVC技术的主流。下面介绍我国TCR型SVC产业发展情况。
从20个世纪70年代中期，美国GE公司、BBC公司和ASEA公司(现合并为ABB公司)和Siemens公司等先后开发出TCR型SVC，开始在工业用户和输配电领域应用。我国在1982年由机械部和电力部联合通过西安电力机械公司引进了BBC公司的TCR型SVC无功补偿技术，并经过多年的努力，于1989年底首先在大冶钢厂投入使用，但由于控制调节器采用的是模拟技术，冷却系统采用半封闭开放式水冷方式，自动化程度和装置的可靠性较低，在国内推广步履艰辛，目前技术上已相对落后。90年代中期，鞍山荣信电力电子公司引进了乌克兰的TCR型SVC无功补偿技术，价格较低，在冶金、机械等行业赢得了相当市场，但控制器和调节器以分立元件为主，采用脉冲变压器隔离的电磁触发方式，风冷式热管散热，大容量下晶闸管的结温较水冷散热方式高30℃左右，因而损耗较大、装置故障率较高，也限制了推广使用，特别是在大容量装置中。
我国于80年代至90年代初，为提高输电能力和稳定性、提高供电质量、降低网损，在电力网中先后引进了6套TCR型SVC，调节容量为105～240MVA，分别安装在武汉凤凰山、广东江门、郑州小刘、沈阳沙岭和珠州云田5个500kV变电站。这6套引进的SVC运行都不太理想，主要原因是：未充分考虑中国电网实况，有的设计条件和电网不符;技术相对陈旧、自动化程度低、维护复杂、对运行人员素质要求较高;后期技术服务没有跟上，备品备件不能及时补充，又没有技术升级措施。
进入90年代，随着电力电子技术的不断发展和控制技术的不断提高，ABB、Siemens、Alstom、日本东芝、三菱等大公司全数字化大容量TCR型SVC装置进入实用化阶段，装置的可靠性和对无功补偿的效果得到提升，TCR在工业领域和输配电领域得到更广泛应用。
中国电力科学研究院于2001年推出了6～35kV TCR型SVC新平台，采用全数字化控制、封闭式循环纯水冷却、综合自动化、光电触发等一系列新技术，并成功地应用到工业用户(交流电弧炉、轧机)治理工程及电网变电站无功电压控制上，在技术平台上已经同国外各大公司处于同等水平。从2001年起已为工业用户提供26套装置，有效地改善了电网电能质量，保证了用户安全、可靠生产和节能降耗。2004年9月，由中国电力科学研究院承担的辽宁鞍山红旗堡220kV枢纽变电站TCR型输电网SVC示范工程投入正常运行，容量调节范围-100～+56Mvar，电压35kV，是我国第1套具有完全知识产权在输电网领域的大容量、高电压的SVC装置。
近年来，我国经济持续高速发展，电力供应已趋紧张，而不少电网中无功储备不足，配置不合理，特别是缺乏动态无功调节手段，这些已成为威胁电网安全稳定运行和保障电能质量的主要因素。SVC装置(其中以TCR为主)以其技术成熟、造价相对低廉、运行维护方便等优点，近10多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，始终占据着动态无功补偿的主导位置。因此，在国内近几年SVC装置还有广阔的发展空间。
2.3 FACTS和DFACTS装置
基于电力电子技术的灵活交流输电系统(FACTS)通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，是提高输电系统输送容量的有效装置。目前主要的FACTS装置有：静止同步补偿器(STATCOM)、晶闸管控制的串联投切电容器(TSSC)、可控串联补偿电容器(TCSC)、统一潮流控制器(UPFC)等。其中串联补偿装置，如TSSC、TCSC等能使输电线路的阻抗变小，相当于缩短了输电线路的长度，因此是提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段;而并联补偿装置——STATCOM，通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，因此是抑制系统电压波动、闪变和提高系统稳定性特别是电压稳定性的有力工具;UPFC则综合了串、并联补偿的功能，能对线路电压、阻抗、相位进行控制，从而实现控制潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性等多功能。
作为FACTS技术在配电系统应用的延伸——DFACTS技术，又称用户特定电力(Custom Power)技术，已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件IGBT比GTO具有更快的开关频率，并且关断容量已达MVA级，因此DFACTS装置具有更快的响应特性(可以达5ms以内)。目前主要的DFACTS装置有：有源电力滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止同步补偿器(D-STATCOM)、固态切换开关(SSTS)、蓄电池贮能(BESS)和超导贮能(SMES)、故障电流限制器(FCL)和固态断路器(SSB)等。其中APF是补偿谐波的有效工具;而DVR通过自身的储能单元，能够在ms级内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压暂降的有效装置。
在FACTS和DFACTS领域，一些发达国家(如美国、日本、德国)在80年代初就开始研究了。80年代末至90年代，一系列产品和示范工程问世，在电工届引起很大震动。从1995年起，我国在FACTS和DFACTS领域也陆续开展工作，取得了对产业化有重要意义的一些成果：①1999年清华大学和河南省电力局共同研制出20MVar STATCOM工业应用装置(装于洛阳220kV朝阳变电站)，使我国成为继美国、日本、德国之后第四个掌握大容量STATCOM装置核心技术的国家[4];②2004年中国电力科学研究院完成220kV可控串补(TCSC)国产化示范工程(甘肃碧成线)，使我国成为继瑞典、德国、美国之后第四个掌握TCSC技术并拥有完全知识产权的国家;③小容量有源滤波器产品已有多个单位开发出来，并在工业上获得应用，例如冶金自动化研究院，华北电力科学研究院[5]，西安赛博电气有限公司，四川大学电气信息学院。此外，华北电力大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、东南大学等许多高等院校均在电能质量产业领域做了大量卓有成效的工作，这里不一一介绍了。
实际上，目前国内对FACTS和DFACTS装置研究的面已相当广，对各种装置从理论探讨、仿真分析、实验模型、工业样机到示范工程等许多单位都在做，只是限于技术力量和资金投入，进度不一，其中不乏重复开发造成的很多浪费。作为电力市场中一个颇具发展前景的产业，因竞争造成的一些浪费是难免的，但应注意，许多装置是现代高新技术的综合结晶，其中可能涉及电力电子、微电子、计算机、自动控制、电力系统和通讯等专业技术，一般需要多学科专业人员联合攻关，而且开发工作往往需要一定的实验手段(例如电力电子实验室)，因此有关单位在项目开发立项时要通过充分调研和论证，恰当地估计自身实力和项目难度，严防盲目上马。另外这方面要取得成果，最终形成产品，还需要科研开发、生产制造和用户相结合。对此，完全依靠市场调节作用，有时难以形成产业，而上级行政或行业主管部门可发挥其指导和协调作用，并给予一定的资金支持，可能会大大加快产业化的进程。
总体上，FACTS和DFACTS产品有巨大的市场潜力。目前，国外设备价格很高而国产设备尚处于起步阶段，总之由于技术和经济上原因，还用得较少，随着电网中“敏感负荷”的增加以及满足电力负荷快速增加提高输电能力的需要，这类装置大有应用前景。
3 促进电能质量产业发展的几点建议
应该看到，PQ产业是随着PQ的重要性提高而崛起的，而PQ重要性的提高是电网负荷结构发生质变所致，因此PQ产业是电网发展的必然结果。目前PQ产业正在形成和发展，但存在不少困难，急需解决，具体有以下几个问题需特别关注：
(1)提高对PQ重要性的认识。应该认识到现代用电负荷对PQ不断提高的要求，PQ的好坏关系到国民经济的总体效益，也关系到电力可持续发展。PQ产业是电力市场中最活跃的因素之一，电力市场不仅要解决电能供求平衡问题，也要同时解决好电能质量问题。
(2)切实落实《电力法》中相关规定，特别是下列规定：“供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准”(第二十八条)，“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”(第三十二条)，“上网电价实行同网同质同价”(第三十七条)。这些规定为PQ产业的发展开辟了广阔的发展空间，而要落实这些规定，下列几点显然是必不可少的：①完善PQ国家标准;②建立完善的PQ监督管理体系;③PQ好坏应在电价中体现，要做到“优质优价”、“劣质低价”、“污染罚款”。
(3)搞好PQ是一个系统工程。实际上PQ问题已渗透到电力行业的各个领域，例如设备制造、电力规划设计、电力调度、用电管理、试验检测等，这些领域的相关规程，规范或导则中应将PQ有关规定纳入进去。
(4)吸取国内外电网中大停电事故的教训，及时消除电网中的隐患，积极采取措施防患于未然;应支持和鼓励对电网安全、稳定和质量有重要意义的SVC技术的推广应用以及FACTS和DFACTS设备开发和产业化。
(5)PQ产业的标准化工作必须同步进行。我国PQ国家标准一直归口于全国电压、电流等级和频率标准化技术委员会(SAC/TC1)，该标委会和国际电工委员会IEC/TC8对口，目前专业范围已明确为“电能供应的系统方面”，制定PQ检测和治理产品的相关标准是其专业工作，2004年已完成了国标《电能质量监测设备——通用要求》(报批稿)，预计今年完成国标《静止型无功功率补偿装置(SVC)功能特性》和《静止型无功功率补偿装置(SVC)现场试验》。目前，上列产品的电力行标也在制定中。事实上这方面还有大量标准需要配合产品或工程制定。
(6)各级电网公司应加强电能质量的管理。根据国家电力公司2002年8月参加马来西亚国际供电会议的考察团报告[7]，CIRED的上届主席connerotte先生称电能质量问题是当前“国际供电界关注的首要技术问题”。许多经济发达国家和地区(例如新加坡和香港)的电力(或电网)公司均成立了专门的电能质量管理机构处理有关问题，我国国家电网公司、南方电网公司以及各网、省公司也应积极考虑如何加强这方面管理工作。
4 结束语
本文对我国PQ的检测仪器和治理设备的发展作了概述，指出PQ产业有广阔的市场和发展前景，同时指出了进一步发展PQ产业应特别关注的问题。希望处理好这些问题，为促进PQ产业发展创造条件，架构平台。
