谐波污染对电力系统网络通信的影响及防治

王彬

(云南省昆明市华能澜沧江水电股份有限公司云南昆明650206)

摘要：近年来，电力系统内增加了大量的非线性负荷，这种非线性负荷产生的谐波对电网的污染和危害是多方面的，本文着重介绍了某电厂高频谐波导致计算机监控网络瘫痪的原因，并分析谐波的构成和对电力系统网络通信的危害以及防治可，供从业人员参考。

关键词：高频谐波；计算机监控网络；电力系统通信

一.前言

随着国内水电厂计算机监控的快速发展，目前国内许多水电厂的生产控制方式都实现了计算机自动化远方控制，在目前的计算机远方控制中，网络通信相当于整个计算机控制系统的骨架，它的可靠性和安全性也成为了一个不可忽视的问题，高频谐波对电力系统的危害是多方面的，本文重点讨论它对计算机监控网络的影响及防治。

二．某电厂高频谐波导致网络瘫痪的事件

某日某电厂在无任何征兆的情况下发生了监控系统网络瘫痪现象，导致监控网络除独立运行的节点状态正常外，其余讯在贮备冗余配置的节点都出现异常，AGC异常退出，一台机组数据采集异常，网络交换机报故障，主备工控机之间无法识别对方状态，经过检查发现，监控网络中出现了“网络广播风暴”现象，由于该厂监控网络采用了广播方式进行通讯，在交换机异常的情况下，很容易造成异常信息以广播的形式向整个网络不间断发送，造成网络堵塞，导致正常的数据包无法在网络中传送，经过事后检查分析，造成这次网络异常事件的主要原因是机组交换机故障，直接原因是检修人员接入机组动力电源盘使用交流电焊机，交流电焊机在工作时在电网中产生了大量的高频谐波，并且因为电焊机启动时负载电流过大，引起电源盘与厂用电连接的开关跳闸，机组交直流电源盘失电，产生冲击电流，高频谐波和冲击电流超过了给机组交换机供电的UPS的抗干扰能力范围，导致交换机受到冲击而出现异常情况。

三．谐波的定义

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。

四.谐波对电力系统通信网络的危害

通常，电力系统计算机通信网络少不了的换流设备和UPS设备本身是很严重的谐波源，由此产生的干扰电压将会严重影响通信线路的通信质量，轻者产生噪声，降低通信质量；重者甚至在某些情况下导致数据丢失，使通信系统无法正常工作，造成通信线路的中断等严重后果。比较常见的情况是，高频谐波经过配电盘进入到UPS供电电缆，并且超过了给通信交换机供电的UPS的抗干扰能力范围，然后串入网络系统，直接导致网络中的干扰比特流量占很大数值，争用网络有效带宽，破坏网络正在传输的有效数据，导致交换机受到冲击而出现异常情况，造成网络堵塞。

五、谐波危害的抑制

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：

5.1降低谐波源的谐波含量

也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。具体方法有：

5.1.1增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1／n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。

5.1.2脉宽调制法

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。

5.1．3三相整流变压器采用Y／Δ或Δ／Y的接线

这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。

5.2在谐波源处吸收谐波电流

这类方法可以对已有的谐波进行有效抑制，是目前电力系统使用最广泛的。主要方法有以下几种：

5.2.1无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网，具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

5.2.2有源滤波器

有源滤波器即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

5.2.3防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

5.2.4加装静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和跳变，有的还会造成系统电压三相不平衡。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

5.3完善预防措施

5.3.1谐波超过规定的电压正弦波形畸变率极限值时，应查明谐波源并尽快采取措施，把电压正弦波形畸变率限制在规定的极限值以内；

5.3.2限制非线性用电设备注入带网络通信设备负荷的线路的谐波电流是控制线路电压正弦波形畸变的关键，为此，因避免在开展工作中私拉乱接临时用电；

5.3.3在重要的网络通信设备附近和在电网中谐波量较高的地点逐步设置谐波监测点，并且考虑安装谐波警报指示器，以便进一步分析谐波情况；

5.3.4编写控制程序时，适当增加对检测信号和开出信号的软件滤波，增强系统自身的抗干扰能力。

5.3.5配线时避免和动力线接近，动力配电线路和计算机网络布线系统分开，在网络系统设计中应遵循“一点接地”的原则，把信号线放在有屏蔽的金属套内，或者动力线和信号线分开距离要在40cm以上；

5.3.6对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配；

5.3.7UPS、服务器等网络重要设备良好接地。选用滤波、抗冲击电流和谐波等综合性能良好的UPS电源,并将主要的网络设备如服务器、交换机等选择由单独的高性能的UPS供电;

5.3.8计算机网络定期测试电源谐波功率含量和网络错误率,当发现错误帧时一定要重视，尽快采取有效手段查找出根源。

六.结语

水电厂存在着大量的非线性电力设备，电力系统中谐波问题明显存在，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机网络、继电保护等控制系统设备的正常工作，谐波污染问题应引起足够的重视，采取必要的技术措施降低谐波对重要设备的影响，规范在各个需用电工作环节中对谐波源的控制。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利电力部.《电力系统谐波管理暂行规定》.1985.水利电力出版社

[2]张一中.电力谐波.成都科技大学出版社.1992

[3]查荣瑞.漫湾发电厂改造后的计算机监控系统.水电厂自动化.2001.

作者简介

王彬（1983-），男，汉族，云南玉溪人，工学学士，华能澜沧江水电股份有限公司工程师，从事水电厂计算机监控及自动化技术工作。