偏远区域机房谐波的远程监控与治理
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摘要：介绍了偏远区域机房存在的谐波污染现状及危害，并与常用谐波治理方式的比较，阐述了有源滤波器的特点和优势。通过设置远程通信监控模式，实现对此类系统电能质量的监控和治理。
中图分类号：P258 文献标识码：A
一、概述
随着当今社会信息化智能化的发展，各类信息化设备的广泛应用，在保证了数据安全的同时，其本身会产生大量谐波注入电网，对系统线路造成谐波干扰。
对于偏远区域的信息中心（简称机房），以下指高速公路收费站计算机收费系统及信息中心。由于此类机房地处城市边远或较远的区域，供电线路长，供电站变压器功率一般都较小（容量约为200KVA-500KVA），而UPS、开关电源等机房负载在整个供电使用中，占用比重较大（UPS容量一般在60KVA-150KVA之间），而这类负载自身属于一个较大的谐波源，在使用过程中将产生一定量的谐波。
由于地处偏远，这类机房供电回路的电能质量情况一直没有有效的监控和治理。针对这一情况，需要建立一套基于远程谐波监控及谐波治理装置以解决上述问题。
二、产生谐波的机房类负载设备
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。谐波电流值和电源内阻越大，谐波所造成的电压波形失真也就越大，所造成的危害也越大。
对于机房环境内产生谐波的设备类型主要有：不间断电源(UPS)、开关模式电源(SMPS)、电子荧光灯镇流器等。
(1) 不间断电源(UPS)：
(2) 开关模式电源(SMPS)：
(3)电子荧光灯镇流器：
三、UPS产生谐波机理
目前中大功率三进三出UPS的整流电路通常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥6脉冲整流电路和六相全桥12脉冲整流电路等。
对于6脉冲全波整流滤波型的非线性负载而言，在它所可能向输入电源反馈的各种电流谐波中、仅包含6n±1(n为正整数)的电流谐波分量,它并不含3次谐波及3次谐波的奇数倍的电流谐波分量，5次谐波是它的最大电流谐波分量。其它的各种高次谐波电流的幅值是随电流谐波的频谱次数n的增加而下降的。也就是说，n次电流谐波的频率越高，它的幅值就越小。
四、谐波电流的危害
第一：导致电缆过热
谐波电流流过电缆时，会导致电缆过热。导体过热会导致电缆早期老化、甚至诱发火灾。
第二：导致变压器过热
谐波电流流过变压器时，会导致变压器发出额外的热量，使变压器在没有达到额定功率时便出现温度过高的现象，导致变压器的实际容量降低。过高的温度会缩短变压器的寿命。
第三：导致变无功补偿装置损坏
无功补偿装置不能投切：这一般发生在无功补偿控制器中包含谐波保护装置的场合，当检测到谐波电流过大时，装置进入保护状态，同时会显示谐波过大的提示信息；
无功补偿装置中的电容炸裂：这是流过补偿电容的电流过大，导致电容过热引起的。
无功补偿装置与变压器构成的回路中发生了LC并联谐振。LC并联谐振会导致电流方法，烧毁无功补偿装置。
第四：三次谐波的特殊危害
在处理谐波问题时，三次谐波电流需要引起特别的关注。三次谐波电流之所以危害很大，是因为三次谐波电流在中线上叠加，会导致中线电流过大，造成火灾隐患。
第五：对其他电子设备的干扰
现代电子设备对电能质量的要求越来越高，当电源电压中包含较多的谐波电压成分时，电路会受到不良影响，导致有些电子设备收到谐波干扰，造成工作异常。
第六：导致意外跳闸
谐波电流导致的一个典型故障现象是意外跳闸，也就是电路的负荷远没有达到额定负荷的状态下，电路保护装置就会动作。
第七：导致额外的能量损失
谐波电流导致额外的电能消耗主要体现在两个方面：无功功率和电阻损耗。
五、谐波治理技术
谐波治理的措施主要有三种：一是主动治理，即从谐波源本身出发，通过改进用电设备，使其不产生或少产生谐波；二是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；三是被动治理，即通过安装电力滤波器，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流人负载端。
与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控制特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，能独立于电网阻抗及系统阻抗之外，不受电网阻抗和系统阻抗变化的影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点。综上所述，在通信供电系统中，应在电路解谐的基础上，首先考虑使用有源滤波器进行治理。
六、UPS谐波治理方案
1、概述
根据哪里产生谐波，就在哪里治理的原则，就地治理，能取得较好的治理效果。选择在UPS回路的输入端，加装有源滤波器，治理位置见下图：
有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发出补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。
2、有源滤波器远程监控运行控制方式
（1）手动控制：滤波器的启停由“启动/停止”触摸按钮控制。
（2）自动运行：滤波器上电自检通过后，自动启动。
（3）远程遥控：通过接点信号控制设备运行。
（4）通信遥控：通过RS232/RS485接口、TCP/IP网络接口，实现对设备的启停控制及运行状态监控。
3、有源滤波器远程通信监控
为了能够实现对现场参数的有效实时监控，以及对有源滤波器进行可靠的远端监测与控制，有源滤波器开发了基于AVR单片机的监控系统。该系统在有源滤波器中负责相关数据的显示与传输，使得人员对电力系统各项参数的观测简单、高效。主控单元的DSP负责对电力参数的采样与调节，并且根据需要，实时将系统运行参数传输给AVR单片机。
作为整套系统通信的中间件，AVR通过自身的串0(USART0)连接DSP，串口1(USART1)连接上位机端。作为显示与控制功能模块，AVR通过I/O口连了一块液晶屏以及一个薄膜键盘。AVR通过PA0~7以及其他几个端口操作液晶屏进行显示，通过1~PC7来查询按键是否被按下，从而执行相应操作。
AVR在整个数据传输中起着中转站的作用，现场操作人员通过AVR外键盘输入的数据可以直接通过RS-485总线传输给DSP，而DSP可以将数据回送给AVR显示在液晶屏上；对于远端的终端操作人员而言，终端发送的命令和数据，要首先经由终端一侧的RS-485总线传输给AVR的串口1；AVR再将该数据通过串口0转发至DSP，而DSP回送的数据先发至AVR的串口0，然后AVR再通过串口1发送给上位机终端。两个串口彼此独立，任何一个串口所接收到的数据包有错误，都会自动丢弃该包，不会将损坏的数据包通过另外一个串口发送，从而确保了数据传输的可靠性。
（1）远程监控示意图：
（2）通信硬件连接：
有源滤波器通过设备的人机界面（触摸屏）与远程上位机通信。触摸屏采用嵌入式低功耗CPU为核心的高性能嵌入式一体化工控机，物理接口有RS232/RS485接口、USB数据接口、TCP/IP网络接口，可满足不同连接方式的需要。
采用主从通信方式，上位机为主机，有源滤波器为从机，通过RS232/RS485接口监控时，通讯协议为ModbusRTU协议，实现主机与有源滤波器通讯连接。
若采用以太网接线通讯，只需分配给有源滤波器设备的IP地址、子网掩码、默认网关等参数，就可实现网络传输，进行远程数据传输及监控。
七、总结
通过在各偏远区域机房加装有源滤波器，并设置远程通信监控模式，不仅可以有效高效的治理谐波危害，也极大地方便了系统管理人员对不同偏远区域机房系统的电能质量情况的监控和管理，达到预期治理目标。