3G通信電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的應用

朱偉立，田曙光，張偉，謝澤，金偉偉

（1．南京燦能電氣自動化有限公司，南京211100；2．上虞市供電局，浙江上虞312300）

3G通信電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的應用

朱偉立1，田曙光1，張偉1，謝澤2，金偉偉2

（1．南京燦能電氣自動化有限公司，南京211100；2．上虞市供電局，浙江上虞312300）

基于MIS網(wǎng)絡的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在許多電網(wǎng)公司已經(jīng)得到了廣泛的應用。然而屬于電力企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的MIS網(wǎng)絡無法覆蓋電力系統(tǒng)外的電力用戶，使電能質(zhì)量監(jiān)測和管理工作出現(xiàn)盲區(qū)。根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)要求，組建了基于3G通信的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對各接入點的電能質(zhì)量狀況進行分析，實現(xiàn)了對用戶電能質(zhì)量的長期實時監(jiān)測。

3G通信；電能質(zhì)量；監(jiān)測系統(tǒng)

近幾年，有關部門先后制訂和修訂了多項關于電能質(zhì)量的國家標準，對電能質(zhì)量的概念、測量方法和運行規(guī)范提出了科學和明確的要求，進一步規(guī)范了電能質(zhì)量的監(jiān)測和評估工作。

然而，目前建立的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)使用的都是基于電力企業(yè)MIS（管理信息系統(tǒng)）的網(wǎng)絡，不可能納入系統(tǒng)外的電力用戶。因此，電力用戶即使安裝了電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，由于通信網(wǎng)絡的限制，電力企業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)也無法將其納入監(jiān)控管理。

3G（第三代數(shù)字通信技術）具有高覆蓋率、高傳送速率的特點。將3G通信技術應用于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，無需鋪設通信線路，項目實施方便，建設成本較低。隨著移動運營商對3G網(wǎng)絡的不斷建設，其通信穩(wěn)定性已經(jīng)可以滿足電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的要求。同時3G網(wǎng)絡的運行費用也在逐步較低，是目前對廣大電力用戶實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測的優(yōu)選方案。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構與功能

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)基于B/S（瀏覽器/服務器）構架，通信網(wǎng)絡采用3G技術，運用商業(yè)數(shù)據(jù)庫和內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方法，對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進行顯示、分析、管理和應用，適用于區(qū)域分散用戶的電能質(zhì)量集中監(jiān)控和管理。監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲見圖1。

監(jiān)測系統(tǒng)包含了系統(tǒng)服務器、3G通信環(huán)境、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、客戶端4個組成部分。系統(tǒng)服務器位于局端的中心機房，由以下4部分構成：

（1）數(shù)據(jù)服務器：負責對監(jiān)測點數(shù)據(jù)的讀、寫操作。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲

（2）通信服務器：負責進行與電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）VPN（虛擬專用網(wǎng)絡）服務器：負責建立3G平臺的通信環(huán)境。

（4）Web（網(wǎng)絡）服務器：負責發(fā)布系統(tǒng)的展示頁面和管理訪問用戶。

3G通信環(huán)境由3G路由設備和移動運營商的3G通信網(wǎng)絡組成（支持TD－SCDMA，CDMA 2000，WCDMA及混合模式），利用VPN和PPTP（點對點隧道協(xié)議）功能，建立內(nèi)部專網(wǎng)，DDNS（動態(tài)域名服務）動態(tài)域名解析。

挑選典型企業(yè)作為監(jiān)測對象，以PCC（可編程計算機控制器）點作為監(jiān)測點，裝設電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置。每個監(jiān)測點接入獨立的3G路由設備，由3G路由設備發(fā)送監(jiān)測點的分鐘統(tǒng)計數(shù)據(jù)和事件報文。

用戶通過互聯(lián)網(wǎng)，以頁面瀏覽方式登陸監(jiān)測系統(tǒng)。可根據(jù)管理員授權的用戶名和密碼，訪問系統(tǒng)頁面，查閱監(jiān)測點數(shù)據(jù)及各項電能質(zhì)量指標，分析監(jiān)測點電能質(zhì)量狀況。

1.2 監(jiān)測裝置的功能要求

電能質(zhì)量裝置須滿足IEC 61000－4－30《試驗和測量技術——電能質(zhì)量測量方法》、GB/T 198162《電能質(zhì)量監(jiān)測設備通用要求》、Q－GDW《650電能質(zhì)量監(jiān)測終端技術規(guī)范》規(guī)定的技術要求，采集電壓偏差、系統(tǒng)頻率及偏差、不平衡度、電壓波動和閃變、公用電網(wǎng)諧波、間諧波、驟升、驟降、電壓中斷等相關指標。裝置能夠遠程設置和修改電能質(zhì)量指標參數(shù)，支持PQDIF（電能質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式）數(shù)據(jù)接口，統(tǒng)計數(shù)據(jù)時間間隔1～10 min可調(diào)，支持數(shù)據(jù)補招功能。

1.3 通信環(huán)境指標

室內(nèi)、外環(huán)境中能夠分別支持至少2 Mbps和384 kbps傳輸速度，碼片速率1．2288 Mcps，3G路由設備需要支持PPTP/L2TP協(xié)議，支持端口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

以每個監(jiān)測點進行流量測算：3G路由設備定時發(fā)送心跳報文，監(jiān)測點數(shù)據(jù)為每1 min發(fā)送1次測試報文，每5 min發(fā)送1條監(jiān)測點的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

每天TCP（傳輸控制協(xié)議）連接、心跳報文、設備數(shù)據(jù)傳輸各部分產(chǎn)生的流量分別是：成功建立1次TCP連接產(chǎn)生的流量0．371KB；心跳報文產(chǎn)生的總流量116．64KB；監(jiān)測點測試報文產(chǎn)生的總流量172．8KB；24 h內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)產(chǎn)生的總流量8．492MB。

1天采用3G傳輸所產(chǎn)生的流量為以上數(shù)據(jù)的總和，約8．5MB。

1.4 后臺系統(tǒng)的功能

（1）監(jiān)測系統(tǒng)的容量：支持不少于300個PPTP客戶端，支持250個數(shù)據(jù)監(jiān)測點，每個監(jiān)測點流量約定為每月500MB。

（2）通信狀態(tài)的監(jiān)控：后臺系統(tǒng)能實時監(jiān)控裝置的運行狀態(tài)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)流量情況，具備歷史追溯功能。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲：監(jiān)測系統(tǒng)需采用專業(yè)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，監(jiān)測點的各項電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)能長期存儲在遠方服務器中，服務器中至少能保存3年以上的數(shù)據(jù)不丟失。

（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示：后臺系統(tǒng)能顯示基波電壓、電流、電網(wǎng)頻率、各次諧波電壓、電流曲線；不平衡度曲線，電壓、電流諧波總畸變率曲線，閃變曲線，ITIC（CEMBA）曲線，暫態(tài)事件描述。

（5）統(tǒng)計報表的形成：系統(tǒng)能自動形成日、月、年度統(tǒng)計報表，報表中需包含各項監(jiān)測指標的最大值、最小值、平均值、諧波電流值，支持報表手動生成，支持報表的遠程下載功能。

（6）監(jiān)測系統(tǒng)的安全：監(jiān)測系統(tǒng)由于其搭建的平臺是基于互聯(lián)網(wǎng)，而監(jiān)測點的數(shù)據(jù)又具有一定的保密性，對于系統(tǒng)的訪問需要有一定的安全措施，不同的權限用戶的訪問需要進行相關授權，同時還應有防止惡意攻擊的措施。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的運行

某地區(qū)非線性負荷用戶較多，選擇在城區(qū)具有代表性的某110 kV變電站，其系統(tǒng)接線如圖2所示。對該變電站供電的不同工況企業(yè)用戶進行梳理和歸類，選擇具有典型性和代表性的企業(yè)作為監(jiān)測對象，決定在該變電站選擇1號主變壓器（簡稱主變）低壓側(cè)、2號主變低壓側(cè)、508出線以及7個企業(yè)專線用戶（A—G）作為監(jiān)測對象（基本情況如表1），共計10個監(jiān)測點，分別安裝獨立的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置。

圖2 變電站主接線

通過對這些監(jiān)測點的電能質(zhì)量監(jiān)測，分析用電情況以及其產(chǎn)生的電能質(zhì)量污染對供配電系統(tǒng)的影響。

上述10個監(jiān)測點的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，通過3G路由設備接入Internet。3G路由設備和供電局機房服務器組通過DDNS動態(tài)域名解析，獲得進入電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)平臺的入口，組成電能質(zhì)量專用網(wǎng)絡。服務器組通過規(guī)約程序和Oracle數(shù)據(jù)庫協(xié)同工作，并開啟數(shù)據(jù)補召機制，將3G路由設備傳輸?shù)谋O(jiān)測點電能質(zhì)量分鐘統(tǒng)計數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量暫態(tài)事件傳輸?shù)椒掌髦写鎯头治觥?/p>

系統(tǒng)自2012年10月搭建完成以來，各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)完整，每個監(jiān)測點的日數(shù)據(jù)流量在9M左右，符合監(jiān)測點日流量的理論值。同時監(jiān)測系統(tǒng)后臺各功能模塊運行良好、系統(tǒng)穩(wěn)定，能隨時調(diào)閱各項電能質(zhì)量指標數(shù)據(jù)、事件報文、統(tǒng)計報表，進行展示和分析。

3 系統(tǒng)諧波電流分析

3.1 主要監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)系統(tǒng)運行2個月獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，觀察各監(jiān)測點的各次諧波電流值可以發(fā)現(xiàn)2號主變低壓側(cè)及2號主變所帶負荷的諧波電流較低；1號主變低壓側(cè)及1號主變所帶負荷的監(jiān)測點上3，5，7，11，13，17，19，23次諧波較為明顯，這也和這些企業(yè)整流性設備較多相符合，在這些諧波電流中以3，5，7，11次諧波更為突出。

下面對1號主變負荷的3，5，7，11次諧波情況進行初步分析。表2為各監(jiān)測點三相中諧波電流最大一相的數(shù)值。

3.2 3，5次諧波分析

表2中A軸承、B光伏、C銅業(yè)、D機電的3，5次諧波電流按照GB 14549－93《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》中諧波源的相量疊加公式計算。

式中：Ih為第h次諧波電流；Ih1為諧波源1的第h次諧波電流；Ih2為諧波源2的第h次諧波電流；Kh為系數(shù)，查文獻[4]可知，Kh=1．62（h=3），Kh=1．28（h=5）。

表1 各監(jiān)測點情況

表2 各監(jiān)測點諧波電流值

可以發(fā)現(xiàn)1號主變低壓側(cè)的電流諧波值主要由A軸承、C銅業(yè)產(chǎn)生。這4個負荷構成該段母線3，5次特征諧波電流值，其中以A軸承、C銅業(yè)為主要3，5次諧波電流輸出源。

3.3 7次諧波分析

表中508線路的7次諧波電流值由A軸承、B光伏的7次諧波電流迭加而成，但是在1號主變低壓側(cè)監(jiān)測到的7次諧波電流明顯大于它下面各分支監(jiān)測到的7次諧波電流的迭加。這說明A軸承、B光伏、C銅業(yè)、D機電不是這一母線上主要7次諧波源，必要時應該尋找新的監(jiān)測點接入系統(tǒng)進行分析。

3.4 11次諧波分析

表2中1號主變低壓側(cè)11次電流諧波值小于508線，可以看出A軸承產(chǎn)生的11次諧波電流并未完全注入系統(tǒng)，而是部分被同一母線上的其他負荷吸收。但要確定具體諧波情況，需要斷開接入系統(tǒng)的電容器組，監(jiān)測輸電線路中諧波電流的流向，只有當輸電線路上所有電容器組都切除，才會去除諧波諧振的影響，才能真正確定諧波源。

4 主要諧波負荷分析

A軸承、C銅業(yè)負荷的諧波電流在10個監(jiān)測點中比較突出，下面對這2個負荷的主要諧波電流情況進行分析。

A軸承的主要容量參數(shù)：用戶合同容量3．8 MVA，設備容量3．8 MVA，基準短路容量100 MVA，母線最小短路容量180 MVA。

以該企業(yè)工作時間段8∶00—17∶30的基波電流曲線（如圖3所示）可以看出，該企業(yè)負荷大約在1 000 kVA，占總?cè)萘?6%。經(jīng)過與企業(yè)現(xiàn)階段生產(chǎn)情況核實，目前市場需求不足大部分生產(chǎn)設備（包含中頻爐等諧波源）未使用。

圖3 A軸承B相基波電流曲線

特征諧波電流測量與限值如表3所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)11次諧波電流在26%負荷的情況下，諧波值比限值已經(jīng)到78%，處于越限邊緣。如果考慮該企業(yè)大部分生產(chǎn)設備均開啟的情況下，11次諧波電流有可能超標。

表3 各監(jiān)測點諧波電流值

C銅業(yè)的主要容量參數(shù)：用戶合同容量9．25 MVA，設備容量9．25 MVA，基準短路容量100 MVA，母線最小短路容量240 MVA。

從工作時間段0∶00—23∶55的基波電流曲線（如圖4所示）可以看出，該企業(yè)負荷大約在1 600 kVA，占總?cè)萘?7%。

特征諧波電流測量與限值比較如表4所示。從表4中數(shù)據(jù)可以看出在測試時間內(nèi)主要諧波電流在限值內(nèi)，但由于企業(yè)工作負荷只占總負荷17%，無法反應企業(yè)真實的諧波電流情況。

從上述數(shù)據(jù)可以看出由于各工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)情況隨市場環(huán)境變化較大。在2個多月的監(jiān)測期間，雖然諧波電流都沒有超過限值，但是不能說明企業(yè)在滿負荷生產(chǎn)條件下，諧波電流不超標。因此要掌握企業(yè)諧波電流具體情況，需進行長期的監(jiān)測分析。

圖4 C銅業(yè)B相基波電流曲線

表4 各監(jiān)測點諧波電流值

5 電壓偏差

通過監(jiān)測系統(tǒng)的電壓合格率統(tǒng)計，系統(tǒng)中的監(jiān)測點除了“C銅業(yè)”企業(yè)外，電壓合格率均為100%，而該企業(yè)電壓合格率長期在40%～50%之間。

圖5是C銅業(yè)與1號主變低壓側(cè)的電壓偏差曲線。從圖5可看出，C銅業(yè)的電壓偏差超過+7%的標準上限值，而同期變電站的母線電壓偏差合格。由于該企業(yè)是專線用戶，對比該企業(yè)電壓偏差趨勢曲線和上級變電站10 kV母線電壓偏差趨勢曲線發(fā)現(xiàn)，用戶側(cè)的線路末端電壓已經(jīng)超過了線路出線端電壓。查看該企業(yè)功率因數(shù)變化曲線，其功率因數(shù)長期在0．99左右，經(jīng)過對該企業(yè)用電設備排查，無功補償設備存在的無功過補償是造成電壓超上限的根本原因。

圖5 C銅業(yè)與1號主變低壓側(cè)的電壓偏差曲線

從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，各個監(jiān)測點在觀測期間三相電壓不平衡、頻率偏差、電壓總諧波畸變率、電壓波動與閃變都在國標限值以內(nèi)。

6 結(jié)語

從監(jiān)測系統(tǒng)的運行可看出：由于各個用戶的用電工況復雜，很難保證測試是滿足標準中“諧波電壓（或）電流測量應選擇在電網(wǎng)正常供電可能出現(xiàn)的最小運行方式，且應在諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量大的時間段進行”的要求。在這種情況下的電能質(zhì)量普測，無法全面真實衡量用戶的電能質(zhì)量狀況。只有采用在線電能質(zhì)量監(jiān)測設備的長期實時監(jiān)測，才能真實全面掌握工業(yè)用戶的電能質(zhì)量狀況。而僅僅采用獨立運行的在線式電能質(zhì)量監(jiān)測設備，難以站在供配電系統(tǒng)的角度分析各個監(jiān)測點間的電能質(zhì)量狀態(tài)關系。

基于3G通信技術的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定、建設方便、運行維護費用較低，可以便捷、靈活地實現(xiàn)對電力系統(tǒng)外各分散用戶的電能質(zhì)量狀況長期實時監(jiān)測。

依靠該系統(tǒng)的建立和長期監(jiān)測，對監(jiān)測系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)進行分析和評估，一方面可以發(fā)現(xiàn)用戶存在的潛在問題；另一方面在分析時可以依托系統(tǒng)收集的其他相關監(jiān)測點數(shù)據(jù)、趨勢圖和報表，分析各個監(jiān)測點的電能質(zhì)量指標相互關系，進而尋求最優(yōu)化的治理方案。

[1]肖湘寧．電能質(zhì)量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2010．

[2]李鵬，朱強，許曉芳．基于異構平臺的省級電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的實現(xiàn)[J]．浙江電力，2006，25（4）∶47－51．

[3]雷斌，余金霞，李忠．電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的方案探討[J]．江蘇電機工程，2009，30（2）∶63－65．

[4]GB/T 14549－93電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波[S]．北京：中國標準出版社，1993．

（本文編輯：陸瑩）

Application of Power Quality Monitoring System 3G Communication

ZHU Wei-li1，TIAN Shu-guang1，ZHANG Wei1，XIE Ze2，JIN Wei-wei2
（1．Nanjing Shining Electric Automation Co．，Ltd，Nanjing 211100，China；2．Shangyu Power Supply Bureau，Shangyu Zhejiang 312300，China）

The power quality monitoring system based on MIS network has been widely applied in many power grid corporations．However，the monitoring system can not cover power consumers outside of the system since MIS network is used in power grid corporations，which causes blind zone to power quality monitoring and management．The paper，in accordance with requirements of power quality monitoring system，establishes a power quality monitoring system based on 3G communication．The system analyzes power quality at each access pointvia the monitored data for long-term real-time monitoring on power quality ofconsumers．

3G communication；power quality；monitoring system

TM933∶TN919

：B

：1007－1881（2013）03－0069－05

2013-01-06

朱偉立（1970-），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化產(chǎn)品的技術研究工作。