適用于區(qū)域電網(wǎng)的三級電能質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)

劉峻，鄭偉，馬超，周喜超，丁曉群，顧喬根

(1.甘肅省電力公司，蘭州市，730050;2.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州市，730050;3.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市，211100)

0 引言

為提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，確保電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行，需要對網(wǎng)內(nèi)的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，如諧波、電壓波動和閃變以及三相不平衡度等，必須建立電能質(zhì)量監(jiān)測分析系統(tǒng)。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)干擾具有一定的隨機(jī)性，它與負(fù)荷特性及系統(tǒng)工作情況有關(guān)，隨時間、空間的變化而變化，往往引發(fā)事故的干擾出現(xiàn)的時間較短，發(fā)生條件特殊，所以需要采用實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行長期監(jiān)視，摸清污染情況，以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制。

目前，國內(nèi)已有部分省市地區(qū)電網(wǎng)建成投運(yùn)監(jiān)測系統(tǒng)［1-2］，主要存在的問題有:系統(tǒng)可擴(kuò)展性不強(qiáng)、監(jiān)測目標(biāo)單一、監(jiān)測數(shù)據(jù)開發(fā)有限等，如部分省市采用的系統(tǒng)為2級結(jié)構(gòu)(監(jiān)測設(shè)備-數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu))，從長遠(yuǎn)的規(guī)劃來看，2級結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)具有很大的局限性，如所能承受監(jiān)測終端接入的能力有限、難以實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)互連、容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵等;另外，上述系統(tǒng)大多只針對某一特定目標(biāo)(如電鐵供電系統(tǒng))進(jìn)行監(jiān)測，難以實(shí)現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量的全面監(jiān)管，同時造成了難以對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的深入挖掘，限制了監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步開發(fā)利用［3-5］。

本文采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，將特殊負(fù)荷、城市供電、高壓輸電等多類目標(biāo)的監(jiān)測納入到系統(tǒng)設(shè)計中，實(shí)現(xiàn)了電能在發(fā)、輸、用等過程的全方位監(jiān)測(風(fēng)力發(fā)電的監(jiān)測按特殊負(fù)荷建設(shè))，大大提高了監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)管范圍和監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入挖掘能力。

1 系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)模式

作為國內(nèi)較早地面向大區(qū)域的電能質(zhì)量數(shù)字化分析平臺，本系統(tǒng)采用國內(nèi)領(lǐng)先的3級分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，即:監(jiān)測終端、地區(qū)供電公司子站、省監(jiān)測中心主站3層，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分級采集、處理和存儲。3級系統(tǒng)的提出實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布式計算，大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力和大區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析能力。3級結(jié)構(gòu)分流了數(shù)據(jù)，使各級平臺之間數(shù)據(jù)流向更合理，單向數(shù)據(jù)傳輸量更小，有效減輕了大量數(shù)據(jù)集中處理帶來的系統(tǒng)負(fù)擔(dān);同時，方便了今后新監(jiān)測點(diǎn)和子站的接入。

圖1 3級電能質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of power quality monitoring system

第1層為監(jiān)測終端，主要指變電站電能質(zhì)量監(jiān)測終端和用戶側(cè)電能質(zhì)量監(jiān)測終端，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的在線采集。

第2層為子站，即地區(qū)電能質(zhì)量監(jiān)測分析子系統(tǒng)，位于各超高壓輸變電公司或各地區(qū)供電公司，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的監(jiān)測和分析，并為主站全網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測和管理提供數(shù)據(jù)支撐。

第3層為主站，即省網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測中心，主要實(shí)現(xiàn)對全省電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的綜合監(jiān)測和統(tǒng)一管理。主站是電能質(zhì)量監(jiān)測管理系統(tǒng)的中心，建有對外統(tǒng)一的數(shù)據(jù)發(fā)布功能模塊。

3級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，大幅提升了電力監(jiān)管部門的監(jiān)管力度。(1)當(dāng)各個地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)有違限趨勢時，各地區(qū)電能質(zhì)量管理中心可以快速地給予控制命令;(2)省級電能質(zhì)量管理中心在可以對各地區(qū)電網(wǎng)下達(dá)電能質(zhì)量控制命令的同時，還可以在各地區(qū)電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的協(xié)調(diào)控制，如實(shí)現(xiàn)各地區(qū)電網(wǎng)之間的無功調(diào)度，這有利于進(jìn)一步改善全網(wǎng)電能質(zhì)量水平，更加有利于保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

系統(tǒng)中心站由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、采集服務(wù)器和管理終端組成，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)主網(wǎng)架，支撐各級用戶對電能質(zhì)量的需求，匯集各監(jiān)測點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生并發(fā)布電能質(zhì)量分析報告。系統(tǒng)中心站架構(gòu)采用 B/S＆C/S設(shè)計模式，集中式管理。C/S(Client/Server)是客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開銷。B/S(Browser/Server)是瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的用戶工作界面是通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)，主要業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，無需在客戶端安裝應(yīng)用軟件，簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量?；诖耍骷壠胀ㄓ脩粼L問系統(tǒng)采用B/S模式，管理終端和通信服務(wù)器均采用C/S模式，兼顧了B/S和C/S模式的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)瘦客戶端的同時，使本系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

1.2 系統(tǒng)的監(jiān)測對象

本設(shè)計引入集中化設(shè)計思想，在結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)共享1套分析平臺，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)架構(gòu)。系統(tǒng)將3個以不同監(jiān)測對象為目標(biāo)的子系統(tǒng)集中在1個分析平臺上，子系統(tǒng)包括:特殊負(fù)荷電能質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)、城市電網(wǎng)供電質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)、主網(wǎng)電壓質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同對象電能質(zhì)量監(jiān)測的統(tǒng)一管理。

2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織方式

2.1 數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化

系統(tǒng)采用IEEE推薦的PQDIF格式作為信息數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式［6-7］，要求不同廠商的前置機(jī)與系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸均采用該通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，以滿足系統(tǒng)脫離單一設(shè)備供應(yīng)商的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源自由接入為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)共享平臺。

電能質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備來源不同廠商，不同廠商監(jiān)測終端中數(shù)據(jù)存儲的格式、通信規(guī)約自成體系，互不兼容，而且目前國內(nèi)也沒有統(tǒng)一的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲格式要求和通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)。為保證電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的完整性、正確性、復(fù)用性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，使各廠商的設(shè)備能自由接入，系統(tǒng)在采集服務(wù)器和監(jiān)測終端之間引入前置機(jī)技術(shù)，通過前置機(jī)來屏蔽不同廠商的數(shù)據(jù)不兼容問題。

前置機(jī)與中心站的采集服務(wù)器間按規(guī)定的通信規(guī)約通信。數(shù)據(jù)交換格式采用IEEE1159推薦的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式PQDIF，將從監(jiān)測終端獲取的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)送到采集服務(wù)器并保存到數(shù)據(jù)庫中。同時，前置機(jī)還接收中心站采集服務(wù)器下發(fā)給監(jiān)測終端的指令，解析監(jiān)測終端的歸屬廠家，然后將指令按照該廠商的通信規(guī)約要求下發(fā)給監(jiān)測終端。因此，前置機(jī)使系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理建立在統(tǒng)一的平臺上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，達(dá)到多廠商自由接入的目的。

2.2 各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入

特殊負(fù)荷用電、城市供電、高壓輸電等對象可能出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題不同。如特殊負(fù)荷，通常關(guān)注諧波、三相不平衡等指標(biāo);城市供電以供電電壓合格率、電壓閃變和波動為重點(diǎn);輸電網(wǎng)則要包含電壓驟變、錄波數(shù)據(jù)、主網(wǎng)電壓等內(nèi)容。三者的數(shù)據(jù)來源也不盡相同。

特殊負(fù)荷電能質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)的接入:在變電站或用戶側(cè)線路上安裝電能質(zhì)量監(jiān)測儀進(jìn)行在線監(jiān)測，監(jiān)測終端將數(shù)據(jù)上傳至各地區(qū)子站，經(jīng)子站統(tǒng)一處理、分析后將分析結(jié)果上傳至主站;部分變電站監(jiān)測終端直接將監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)原通道上傳至主站。

城市電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)的接入:電壓質(zhì)量監(jiān)測儀通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service，GPRS)無線傳輸?shù)姆绞綄⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)送至主站GPRS服務(wù)器，由主站統(tǒng)一處理、發(fā)布。

主網(wǎng)電壓質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)的接入:主網(wǎng)電壓質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于省調(diào)度中心能量管理系統(tǒng) (energy management system，EMS)實(shí)時數(shù)據(jù)庫(屬于安全 I區(qū))。因此，需要在省調(diào)度中心安裝(正向型)隔離裝置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從安全I(xiàn)區(qū)到安全I(xiàn)II區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。主站從安全I(xiàn)II區(qū)的綜合數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(supervisory control and date acquisition，SCADA)鏡像數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)。

主站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，為充分利用電力運(yùn)營部門已有數(shù)據(jù)資源，本文提出電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)與SCADA、用電管理信息系統(tǒng) (management information system，MIS)等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，并能夠通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如TCP/IP協(xié)議)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信和數(shù)據(jù)交換，以便從MIS系統(tǒng)獲取變壓器、線路的檔案信息，并向SCADA系統(tǒng)傳送電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)送至主站后，分析服務(wù)器完成對各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析并形成各類圖形、報表等，分析結(jié)果由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器統(tǒng)一存儲。各子系統(tǒng)的分析結(jié)果由Web服務(wù)器統(tǒng)一發(fā)布。各級授權(quán)用戶按照其權(quán)限等級，通過Web瀏覽器登錄服務(wù)器瀏覽、查詢各類數(shù)據(jù)。主站數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向(方案1)Fig.3 System data flow(scheme 1)

考慮到省調(diào)度中心的SCADA鏡像數(shù)據(jù)庫可能出現(xiàn)的接入能力飽和情況，為高壓輸電網(wǎng)的監(jiān)測設(shè)計了第2方案:通過在變電所高壓側(cè)母線上安裝電能質(zhì)量監(jiān)測儀的方式獲取主網(wǎng)電壓質(zhì)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由變電站上傳子站后，經(jīng)子站統(tǒng)一處理后上傳至主站服務(wù)器。

此方式下主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可以看出，主網(wǎng)電壓質(zhì)量監(jiān)測終端將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至上級子站形成特殊負(fù)荷電能質(zhì)量監(jiān)測、主網(wǎng)電壓質(zhì)量監(jiān)測2類數(shù)據(jù)的交換數(shù)據(jù)包，并上傳至主站服務(wù)器。主站對各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析后形成各類報表，后經(jīng)Web服務(wù)器統(tǒng)一發(fā)布。此方式下主站數(shù)據(jù)流向如圖5所示。

圖4 主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(方案2)Fig.4 Structure of main station system(scheme 2)

圖5 主站數(shù)據(jù)流向(方案2)Fig.5 System data flow(scheme 2)

3 系統(tǒng)的高級應(yīng)用擴(kuò)展

3級多監(jiān)測目標(biāo)系統(tǒng)，豐富了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)來源，使系統(tǒng)用戶對監(jiān)測數(shù)據(jù)的高級應(yīng)用成為可能。專家系統(tǒng)能夠模仿人類電能質(zhì)量專家的思維來解決電力系統(tǒng)中有關(guān)電能質(zhì)量方面的復(fù)雜問題，它包含大量的電能質(zhì)量領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，擁有類似人類專家思維的推理能力，并能合理地運(yùn)用這些知識來解決實(shí)際工作中諸如諧波潮流、故障測距、故障性質(zhì)、嚴(yán)重程度等電能質(zhì)量問題，并給出解決問題最合理的方案［8-10］。主要設(shè)計功能有:

(1)故障診斷。推理機(jī)依據(jù)存儲在電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)庫中的電能質(zhì)量事件信息，并匹配電能質(zhì)量知識庫中的規(guī)則，按照知識庫中已建立的數(shù)學(xué)模型，仿照電能質(zhì)量專家的思維模式，對發(fā)生的事件及其原因進(jìn)行診斷，并提出整改建議。

(2)諧波潮流分析。推理機(jī)依據(jù)存儲在電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)庫中的諧波數(shù)據(jù)，匹配電能質(zhì)量知識庫中的規(guī)則，按照電能質(zhì)量知識庫中的數(shù)學(xué)模型，仿照電能質(zhì)量專家的思維模式，計算出監(jiān)測點(diǎn)的諧波潮流方向，為進(jìn)一步的諧波責(zé)任區(qū)分和治理提供依據(jù)。

(3)電能質(zhì)量評估。推理機(jī)依據(jù)存儲在電能質(zhì)量原始數(shù)據(jù)庫中的電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)合格率數(shù)據(jù)，匹配電能質(zhì)量知識庫中的規(guī)則，按照電能質(zhì)量知識庫中的數(shù)學(xué)模型，對監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量狀況進(jìn)行綜合評估。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)正式運(yùn)行后為甘肅電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與管理提供了有效的手段，圖6所示為系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析界面。以接入監(jiān)測系統(tǒng)的110 kV定定牽線為例，通過遠(yuǎn)程獲取該條輸電線路所對應(yīng)電鐵負(fù)荷的諧波、電壓波動和閃變等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并生成對應(yīng)趨勢圖、報表及評估報告等分析結(jié)果，可為電鐵負(fù)荷電能質(zhì)量現(xiàn)狀分析及治理提供詳實(shí)的決策依據(jù)。其中，110 kV定定牽線某時間段諧波電壓趨勢和電能質(zhì)量分析報表分別如圖7和圖8所示。

如圖8所示，應(yīng)用該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析110 kV定定牽線諧波現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測時間段內(nèi)主要以3、5、7、9次諧波電壓為主，且電壓總畸變率最大為1.79%，滿足國標(biāo)限制規(guī)定。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的電能質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)電能質(zhì)量全面監(jiān)測和綜合管理，目前系統(tǒng)已在甘肅電網(wǎng)成功投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了定西、嘉峪關(guān)、武威等6個330 kV變電站的接入。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，取得了良好的效果。該系統(tǒng)具有以下主要創(chuàng)新:(1)系統(tǒng)采用了國內(nèi)先進(jìn)的3級結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布式計算和高級應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力和大區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析能力。(2)該系統(tǒng)設(shè)計了含多個監(jiān)測對象的分類監(jiān)測子系統(tǒng)，如網(wǎng)內(nèi)的特殊負(fù)荷、城市供電、高壓輸電網(wǎng)等，集中監(jiān)測各類電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了對電能質(zhì)量的全方位監(jiān)測，對有效開展電能質(zhì)量監(jiān)測、監(jiān)督和治理工作具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

［1］柴保明，趙春宇.在線電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子測量技術(shù)，2008，31(7):128-131.

［2］黃攀，姚建剛，魯栗，等.基于WebGIS的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(7):52-55.

［3］劉兵.電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［4］李群，文沛先.網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量管理系統(tǒng)［J］.江蘇電機(jī)工程，2003，22(3):1-3.

［5］車權(quán)，楊洪耕.基于面向?qū)ο蟮碾娔苜|(zhì)量管理系統(tǒng)電網(wǎng)構(gòu)造［J］.繼電器，2004，32(8):45-48.

［6］仝海濤，陳建峰.PQDIF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國電子商務(wù)，2010(10):222-223.

［7］張濤.基于PQDIF的改進(jìn)型電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換模型及其實(shí)現(xiàn)［D］. 成都:四川大學(xué)，2006.

［8］徐升.專家系統(tǒng)在電力系統(tǒng)災(zāi)變恢復(fù)中的應(yīng)用［D］.上海:上海交通大學(xué)，2003.

［9］鄧武，楊鑫華，趙慧敏，等.粗糙集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)模型用于電力系統(tǒng)故障診斷［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(7):1624-1628.

［10］朱永利.電力系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)［J］.華北電力學(xué)院學(xué)報，2002(1):1-7.