電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)淺談

電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)作為智能電網(wǎng)發(fā)展的一部分，它的實(shí)現(xiàn)必定為智能電網(wǎng)的推進(jìn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)的逐步建立，對(duì)電能質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。電力用戶也要求高質(zhì)量的電能來(lái)保證其設(shè)備、儀器和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

但是，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一方面，由于電力電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，特別是各類沖擊負(fù)荷和非線性負(fù)荷容量的不斷擴(kuò)展，使得電網(wǎng)中電壓波形發(fā)生畸變，電壓波動(dòng)、閃變和三相不平衡等問題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重地影響了電能質(zhì)量;另一方面，由于人們?cè)絹?lái)越多地使用精密和復(fù)雜的電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備以及各種過程控制系統(tǒng)來(lái)處理和管理工作過程和事務(wù)。這就要求高質(zhì)量和高可靠性的配電系統(tǒng)，以提供與之相適應(yīng)的電能。

而且，隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展以及電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，電力運(yùn)行對(duì)電力調(diào)度自動(dòng)化水平的要求和安全性的要求越來(lái)越高，電力調(diào)度需要各種功能更為齊全、操作更為簡(jiǎn)便的各種電力檢測(cè)儀器儀表。但是，目前為止用于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)用戶端電能質(zhì)量的儀器儀表并沒有普及使用，而且隨著電力工業(yè)的發(fā)展和電能質(zhì)量概念的逐步深化，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)發(fā)生了新的變化。

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電公司要提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，其中一個(gè)最重要的部分就是提供高質(zhì)量的電能。那么，提供高質(zhì)量電能意味著需要對(duì)整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)測(cè)是分散的，是多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的。

并且隨著因特網(wǎng)的發(fā)展，電力企業(yè)更加要求監(jiān)控具有多點(diǎn)成面的效果，能夠構(gòu)成全網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與全網(wǎng)監(jiān)測(cè)信息的共享，在這個(gè)情況下，引進(jìn)了分布式的概念，從而使得電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)也具有分布式的效果，完全符合電力企業(yè)的要求。

1.推廣應(yīng)用及市場(chǎng)前景

近年來(lái)，國(guó)際上非常重視電網(wǎng)的智能化運(yùn)行和控制，自美國(guó)提出2030年智能電網(wǎng)規(guī)劃后，掀起了智能電網(wǎng)的研究熱潮。2006年，美國(guó)IBM公司與全球電力研究機(jī)構(gòu)、電力企業(yè)合作開發(fā)了“智能電網(wǎng)”解決方案。電力公司可以通過使用傳感器、計(jì)量表、數(shù)字控件、分析工具來(lái)自動(dòng)監(jiān)控電網(wǎng)、優(yōu)化電網(wǎng)性能、快速恢復(fù)供電，同時(shí)加強(qiáng)與消費(fèi)者的互動(dòng) ，以便讓他們對(duì)電能的使用和管理更加了解。意大利埃奈爾能源公司與凱捷咨詢合作啟動(dòng)了世界上最大的智能電表安裝項(xiàng)目大約2700萬(wàn)用戶安裝了智能電表，這些電表具有雙向通信、高級(jí)計(jì)量和管理能力，并通過IP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分層傳輸控制。

從發(fā)展規(guī)律來(lái)看，智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展到一定階段后必然形成的，體現(xiàn)如下：電力系統(tǒng)信息系統(tǒng)的耦合性增強(qiáng);復(fù)雜大系統(tǒng)的理論框架和理論與電力系統(tǒng)運(yùn)行控制的結(jié)合空間增大;輸配電領(lǐng)域與發(fā)電、用電側(cè)的互動(dòng)性增強(qiáng)。

從研究特點(diǎn)上看：在信息捕捉和應(yīng)用上，要體現(xiàn)信息感知的敏銳性、信息篩選的精細(xì)化、信息預(yù)測(cè)的精確化。在智能理論和方法與電力系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合上要體現(xiàn)決策模型的高效化，優(yōu)化決策的全局化，控制決策的過程化和結(jié)果展示的可知化。

我國(guó)智能電網(wǎng)的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)和支持原則：

1）智能電網(wǎng)的自愈技術(shù)

包括數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控系統(tǒng)，精密的測(cè)量單元，故障的診斷技術(shù)。

2）智能電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)

配電網(wǎng)的與用戶的電能雙向互動(dòng)及交易，用電信息的實(shí)時(shí)查詢和用電實(shí)時(shí)管理平臺(tái)。

3）智能電網(wǎng)高質(zhì)量及其支撐技術(shù)

定制電力技術(shù)，電能質(zhì)量技術(shù)。

4）制冷電網(wǎng)兼容理論與方法

考慮分布式能源的系統(tǒng)規(guī)劃，考慮不確定因素的電網(wǎng)靈活規(guī)劃（如沒預(yù)料到的嚴(yán)重自然災(zāi)害）。

2.國(guó)內(nèi)外相關(guān)概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家己進(jìn)行了多年的研究，獲得了大量的數(shù)據(jù)，并取得了重要的理論和應(yīng)用成果。我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量的研究正處于起步階段，但也取得了較大的進(jìn)展。早期的電能質(zhì)量問題主要局限在頻率偏移和電壓偏移兩個(gè)方面。但是，二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，隨著新興負(fù)荷的出現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的要求更高，還需要設(shè)法解決諸如失去電壓、電壓跌落和開關(guān)暫態(tài)等多方面的電能質(zhì)量問題。

目前，國(guó)內(nèi)在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面的研究大多局限在諧波問題的研究。也提出和開發(fā)了一些監(jiān)測(cè)和改善電能質(zhì)量的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，包括各種有源電力濾波器、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置，以及動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，與國(guó)外的差距是非常明顯的。

①電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)理論研究

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)理論研究，包括統(tǒng)一的畸變波形下電能質(zhì)量的含義，電能質(zhì)量的界定方法、評(píng)價(jià)體系的研究，各功率成份的定義及物理意義研究等。目前為適應(yīng)不同需要提出了許多功率成份的定義方法，在其數(shù)學(xué)表達(dá)式、物理意義及實(shí)施方面各有所長(zhǎng)，但距離理論上和實(shí)際上的統(tǒng)一的并易于接受的表達(dá)式尚有一定的差距。

②測(cè)量方法及各種電能質(zhì)量檢測(cè)儀器和設(shè)備

各種電能質(zhì)量指標(biāo)均應(yīng)有合理的計(jì)算分析方法，特別是針對(duì)不同干擾源的預(yù)測(cè)計(jì)算方法及其誤差估計(jì)等，建立電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算分析程序和數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)還應(yīng)建立起電能質(zhì)量控制裝置的系統(tǒng)仿真模型。

③積極采用數(shù)字化控制技術(shù)

隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，并得到廣泛應(yīng)用，采用模擬量控制的電能質(zhì)量控制置正用數(shù)字量控制代替。這有如下優(yōu)點(diǎn)：可以程序控制，改變控制方法或算法不必改變控制電路;提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和靈活性，系統(tǒng)不受溫度影響;可重復(fù)性好，易調(diào)試和批量生產(chǎn);易實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行和智能化控制。

3.其它情況

當(dāng)前小、微電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決方案層出不窮，以單片機(jī)、DSP、ARM、Nios II嵌入式處理器等為開發(fā)的系統(tǒng)均是較好的解決方案，之所以看中Nios II 軟核處理器作為我們的設(shè)計(jì)開發(fā)核心，關(guān)鍵有以下一些考慮：

首先，SOPC是Altera公司提出的一個(gè)靈活、高效的SOC解決方案。它將Nios II處理器、存儲(chǔ)器、I/O口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)FPGA上，構(gòu)件成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。具有靈活的設(shè)計(jì)方式，提供了許多可用的IP核，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)的功能。同時(shí)其高速的性能為該系統(tǒng)的復(fù)雜參數(shù)計(jì)算提供了很大的便利。

其次，Nios II屬于軟核嵌入式開發(fā)，具有靈活性、高性能、低成本、生命周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，并提供了大量的開發(fā)技術(shù)文檔和實(shí)例，只要有能力，結(jié)合FPGA可以做出來(lái)任何想象的到的東西，其創(chuàng)造能力是強(qiáng)大的，這就是Nios II乃至其他所有軟核CPU的最大的意義所在。Nios II支持MicroC/OS-II、uClinux等多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧，支持*.zip的文件系統(tǒng)，Nios II處理器允許用戶增加自定義指令和自定義硬件加速單元，無(wú)縫移植自定義外設(shè)和接口邏輯，在性能提升的同時(shí)，方便了用戶的設(shè)計(jì)。

再次，Altera在FPGA上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的研究一直走在前列，我們選擇Nios II來(lái)開發(fā)這個(gè)系統(tǒng)，正是看中了這點(diǎn)，而且軟核嵌入式的開發(fā)技術(shù)的發(fā)展正處于上升階段，盡早掌握這項(xiàng)技術(shù)，可以使我們開發(fā)人員盡早占領(lǐng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的前沿陣地。

綜合上述的考量，設(shè)計(jì)面向用戶終端設(shè)計(jì)，可自行操作，具備聯(lián)網(wǎng)功能的分布式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是很有必要的。

作者簡(jiǎn)介：高曉，講師，三峽電力職業(yè)學(xué)院電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)教研室主任，電廠設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)專業(yè)牽頭人。