近几年，随着我国高速公路的迅速发展，高速公路的机电设备（变压器、隧道灯具、机电产品、 UPS等）越来越多，对其日常使用、使用寿命和维修的需求越来越大，因此对电力系统的需求也越来越大。UPS、 EPS等为机电设备提供高可靠的电力供应，但其具有非线性，容易造成谐波污染，而高次谐波会严重影响到电力系统的通讯、通讯、服务器等；低次谐波将导致变压器的设备及线路寿命缩短，同时对电力系统造成较大的谐波损耗；而且，诸如隧道灯、电子电器等的装置也会造成谐波的污染；同时，由于部分负荷是感性负荷，会导致电力系统的功率因数下降，所以必须对电力系统进行综合的电力品质管理，以达到电力系统的运行需求。
1.高速公路行业负载分类和特性
1.1高速公路工业负荷等级划分
在高速公路上，除了极少数的电阻负荷，还有一些设备是感性的，比如高压钠灯、变压器等。其他的设备大多是非线性的，比如电脑，网络设备，收费车道设备，摄像机，可变情报板，各种检测器， LED灯等等。
高速公路供、配电网是指将10 kW或35 kW的高压电力从发电站或邻近区域的高压电网输送到高速公路上的变电站，利用低压变压器输出220 V或380 V的电力，然后通过低压配电板和输电线输送给相关的电力设备。在电源断电或因故障而无法正常提供电力的情况下，采用自备柴油发电机发电。
隧道变电站的主要负载包括应急照明设施、通风照明控制设施、应急呼叫设施和一些消防设施。这些隧道位于偏僻地区，使用的电力也是最多的，因为电力不稳定，很容易出现停电的情况，所以一般都是使用 EPS作为应急电源。如果所带的负荷有高电压，可以用 UPS提供电源。
收费站变电站的主要负载是通信、收费、监控等。通常配有 UPS作为操作机构，监控设备，测控单元和 ATS。
服务区变电站的主要负载有外场监控，通讯系统，生活水泵，消火栓泵，综合楼照明，场区照明。
1.2工业道路的负荷特征
(1)多相设备，单相电源易导致三相负荷不均衡，三相电流不均匀，三相电流不均匀。
(2)电力消耗装置中绝大部分是非线性负荷，以及具有电容的非线性负荷（包括切换式供电的装置）。二是具有含电感镇流器的电感非线性负载。
(3)由于大量的非线性负荷，使电流的谐波失真率增加，使无功功率增加，功率因数下降。传统的电容器补偿技术无法改善系统的性能。
(4)在所有采用直流电压的电器中，通常在供电设备前端采用桥型整流，这种整流电路会产生大量的奇次谐波，从而损坏整个电路。
2.高速公路行业谐波源分析
2.1变压器谐波
变压器的非线性电感是由其自身的结构所决定的，因为其磁路是非线性的，因而其励磁电流也是非线性的。一般情况下，电网电压可以大致地看作是正弦波，当电网电压施加到变压器的原边线圈上后，励磁电流就会引起线圈的磁通量Φ，由于磁路是非线性的，因此在励磁电流为尖峰时，就会出现正弦波，而在励磁电流为正弦波时，则会出现平顶波。但是，不管是平顶波，还是尖顶波，都存在着奇次谐波，而三次谐波的分量最大。若磁通是尖峰，则副边的相位电压将不是正弦形，而输出的电压也包含了谐波。当励磁电流是尖峰时，在受电端的原边值将包含谐波。
变压器的谐波成分不仅与其自身的结构有关，而且还与其运行状况密切相关。在正常工作的情况下，铁心的谐波成分非常低。在额定负荷条件下，励磁电流约为5%，其波形接近于正弦波。而当变压器无负载或无负载时，铁芯将处于饱和区，不正常的励磁电流会引起原侧线圈的漏感电压下降，从而使感应电位中包含了谐波成分。在无负载合闸时，会产生较大的励磁电流，这种励磁电流的大小取决于剩磁大小、合闸初相角和铁芯材质。
2.2 灯具谐波
节能灯是一种非线性照明装置，它的内部装有电子镇流器，因为价格低廉，因此照明装置的供电方式也受到了限制，这种负载会产生大量的奇次谐波，当三次谐波电流加到中性线和系统阻抗上时，就会造成50度的电压下降，造成电压失真，这种灯的功率系数一般为0.55。这种类型的电灯由于具有较高的谐波成分，当大量的开路时，会引起较多的谐波，从而影响到隧道的供电。虽然每个灯泡的功率都很小，但它的功率太大了，它的谐波会影响到电能的品质。节能灯的谐波电流失真率很高。所有的谐波均以奇次谐波为主要特征，3次谐波的数值最大。
高压气体放电灯是利用金属卤化物如汞和钠的蒸发而产生的光，在放电过程中会产生负阻。高压气体放电灯具有较强的发光强度，其谐波频率主要是3,5,7次，并且随着照明设备的功率增加，谐波电流也会增加。目前采用节能器调整高压气体放电灯的发光功率，主要是通过采用晶闸管、 IGBT、 GTO等功率电子设备来切断部分正弦电流，或减小工作电压。
LED。近年来， LED技术得到了快速发展，在隧道照明中的应用也得到了迅猛的发展，并显示出了很好的应用前景。LED照明驱动电源的结构有多种，目前最常见的有三种：无功因子修正（简单型）、2017年第4期（总第148期）297 （BOOST型）、以及被动功率因子修正（逐流型）。在这种情况下，不进行功率因数修正的电路将导致输入电流具有很高的谐波分量，从而导致输入电压失真率较高。采用有源 PFC的结构可以有效地改善 PFC的功率因数，从而可以得到较为理想的输入电流正弦波，同时也能降低谐波的含量。由于该方法具有较好的输入电流波形、较小的谐波分量、较低的成本，因此可以使用这种补偿电路。
2.3 机电设备谐波
目前，在高速公路上，电子设备的应用十分广泛，许多显示装置（例如：监视、控制、可变标识等），其产生谐波的原理与电视机十分类似。与单独使用时相比，整个控制系统的3~11次谐波电流畸变率略有降低，13,15,17的畸变率略有增加。由于控制系统的谐波失真率高，谐波电流与显示装置的谐波电流相一致，从而使谐波电流增加。由于控制系统的大量使用，它的谐波会和其它电力装置产生的谐波相互重叠，从而导致电网的谐波效应急剧增大。
2.4 不间断电源谐波
UPS系统包括：整流电路，逆变电路，控制电路，充电电路，电池组，旁路系统。其中， UPS的谐波主要是因为它的内部采用了一个整流装置，它所产生的谐波与整流装置的脉冲数量（即晶闸管、 IGBT、 GTO的数量）相关，当前 UPS常用的脉冲数量为6、12个脉冲，6脉宽的不间断电源的主要谐波频率是5,7次，12次，12次。
3.高速公路行业电能质量治理需求分析及主要特征
3.1需求分析
高速公路变电站由隧道变电站、服务区变电站、收费站变电站、沿线箱式变电站、互通枢纽等组成。同时，随着绿色交通的发展和规模的调整，目前的高速公路变电站已呈现出多个带状分布、距离长、位置分散、桥隧比高的特征。因此，在高速公路配电系统中，存在着以下几个难点：
(1)需要高的电源可靠性；
(2)由于电力供应的规模过大，导致维护和管理的难度；
(3)在隧道中，有多种控制装置，频率较高；
(4)长期居住在山区或农村地区，有很高的危险，而且缺少专门的工作人员。
3.2高速公路行业电能质量主要特征：
(1)我国将继续大力发展和大力发展的电力系统，电力系统的运行管理逐渐智能化、自动化，对电力系统的电力品质、电力系统的稳定、可靠性提出了更高的要求。
(2)低负载、低容量的变压器。
(3)电力系统的主要问题是电力系统的无功补偿问题，在负荷装置中， UPS是主要的谐波源，但是其谐波含量很低。
(4)采用 SVG作为补偿装置， SVG具有较高的精度，能够满足高速企业的低负荷特点。并且 SVG无维修、使用寿命长、无电容补偿、故障率高等问题。
4.高速公路行业电能质量监测与治理系统解决方案
4.1解决方案
从以上几个方面的分析可以看出，在高速公路配电网中，配电系统的稳定可靠度日益受到重视，同时也对电力品质提出了更高的要求。然而，由于电力供应与分配系统的负载分布比较分散，其负载往往只是日常用电中的一小部分，而且有一部分是感性负载，所以必须要有一套系统性的方法来加强对电力质量的监控，从而达到改善电力品质的目的。无锡沃思智能公司所开发的电能质量监控与管理系统，能够很好地满足电力系统的监控管理、运维和电能品质管理等方面的要求。
4.2方案特点
(1)电能质量监控与治理系统除了可以为用户提供电能质量监测、治理和设备维护等功能，还可以通过高速公路的综合能源效率管理平台，实现对用户的远程在线服务；
(2)电力品质的专业化监控：电力品质的实时在线监控，精度高，测量精度高，满足IEC61000-4-30要求；
(3)电力品质监控及治理设备的总体设计，采用上层平台进行统一的管理和闭环的控制；
(4)针对高速公路产业的特征，制订合理的电力品质管理对策；
(5)采用 DSP+ FPGA控制结构，模块式高功率 IGBT输出模式，保障电力系统的安全、可靠；
(6)电力管理业务的一体化协作：电力调度管理与运维、电能分析与电能质量信息的共享与协调，为电力供应和消费提供了有效的控制。
4.3方案价值
(1)对电力系统进行综合监控，保证电力系统的可靠运行，全面监控电力系统的运行状态，保证电力系统的运行安全。微秒级的故障录波和 SOE报警可以实时地将所有的数据信息记录下来，从而为故障的跟踪和定位提供了有力的支撑。
(2)全面的电力品质管理，针对高速公路供电、配电系统的特点，采用集中管理的方式，实现对电网无功、谐波治理的更经济、更有效的管理，从而达到改善电力系统供电品质、减少设备故障率的目标
改革开放后，我国高速铁路建设迅速。同时，随着高速公路规模的不断扩大和提升，对电力系统的供电品质要求也在不断提高。文章从电力系统的特点、性能、谐波源特性、治理需求、难点等方面进行了分析，提出了一套适合于电力质量的监控和治理的方案，为电力系统的电能质量提供了有效的监控和治理方案。
