主動配電網(wǎng)PQMT一致性入網(wǎng)檢測平臺構建

李國棟，葛磊蛟，劉創(chuàng)華，冉冉，呂金炳

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津300384；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072）

分布式電源、微電網(wǎng)和柔性負荷等大規(guī)模接入配電網(wǎng)，使配電網(wǎng)具有靈活、互動等特性，從而構成了主動配電網(wǎng)［1］。但是，這些由電力電子元件、非線性阻抗、分布式發(fā)電機等構成的系統(tǒng)平臺導致主動配電網(wǎng)的電壓暫降暫升、電壓偏差、三相不平衡以及電壓諧波等電能質(zhì)量問題更為突出［2］。

通過手持式或固定安裝的電能質(zhì)量分析儀、電能質(zhì)量監(jiān)測儀等電能質(zhì)量監(jiān)測終端對重點線路進行監(jiān)測，提取主動配電網(wǎng)中的重要節(jié)點的電能質(zhì)量狀態(tài)，快速傳送至控制系統(tǒng)，一方面從系統(tǒng)層次上，通過控制系統(tǒng)對分布式能源進行調(diào)度，利用靈活的配電網(wǎng)絡拓撲對系統(tǒng)潮流進行控制［3］，另一方面在局部，通過控制電容器自動投切裝置，改善電能質(zhì)量狀態(tài)，最終達到及時解決電能質(zhì)量問題，提高各個分布式電源的利用率的目的，實現(xiàn)整個配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定高效的運行。但是現(xiàn)有的電能質(zhì)量相關設備在采集速度、測量方法、測量范圍、測量精度、通信接口等技術指標方面無法滿足主動配電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測要求。而且，在主動配電網(wǎng)中，由于加入的分布式電源、柔性負荷等更多，相應也需要更多的電能質(zhì)量監(jiān)測終端。因此，新型的電能質(zhì)量監(jiān)測終端已成為國際國內(nèi)各個電力設備供應商、儀表廠商等的重點研制對象。

肩負電網(wǎng)運行和管理的國家電網(wǎng)各省電力公司，面對主動配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題，將對大批次的電能質(zhì)量監(jiān)測終端進行升級換代，但是國內(nèi)外電能質(zhì)量監(jiān)測終端的設備廠家較多，良莠不齊，采用計算方法和統(tǒng)計方法各異，常出現(xiàn)相同的電能質(zhì)量，使用不同的廠家儀器測量，監(jiān)測結果數(shù)據(jù)不同的現(xiàn)象，因此，電能質(zhì)量監(jiān)測終端在投入使用前，需要依據(jù)相關國際國內(nèi)標準對其進行統(tǒng)一管理和校準，即一致性入網(wǎng)檢測［4］。一致性檢測后接入主動配電網(wǎng)的終端是整個電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)運行品質(zhì)的保證。

為了終端產(chǎn)品的標準化，國際電工委員會（IEC）制定了IEC 61000—4—30，IEC 62586—1 和IEC 62586—2；其中，IEC 61000—4—30 規(guī)定了電能質(zhì)量測量方法以及對測量結果的不確定度要求；IEC 62586—1 規(guī)定了電能質(zhì)量監(jiān)控儀器的工作環(huán)境、基本功能、安全性要求，并給出了功能，環(huán)境和安全型式試驗的要求；IEC 62586—2 規(guī)定了對于電能質(zhì)量監(jiān)測終端的功能性和不確定度的通用型式試驗方法。我國標準化院也制定了GB/T 19862—2005 和Q_GDW 650—2011；其中，GB/T 19862—2005 規(guī)定了電能質(zhì)量監(jiān)測設備通用要求；Q_GDW 650—2011 規(guī)定了電能質(zhì)量監(jiān)測終端的技術規(guī)范。

在入網(wǎng)檢測平臺方面，很多學者也進行了相關研究；文獻［4］對智能電能表通信協(xié)議及功能一致性檢測方法進行了設計；文獻［5］提出了一種充電機檢測平臺構建方案；文獻［6］提出了一種電能質(zhì)量監(jiān)測終端一體化測試的方法；文獻［7］提出一種配電自動化終端設備檢測平臺的構建方法；文獻［8］構建了對于集成風能系統(tǒng)電網(wǎng)中使用的電能質(zhì)量儀器的檢測平臺。文獻［9］構建了云臺板卡測試平臺。

本文依據(jù)國際國內(nèi)的標準從系統(tǒng)框架、硬件架構，通信性能檢測、功能性檢測等多方面對主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測終端一致性入網(wǎng)檢測平臺進行詳細闡述。

1 平臺功能需求分析

一致性入網(wǎng)檢測是電能質(zhì)量監(jiān)測終端投入使用前的校準或者故障后的檢測校準，一般校準項目繁多，主要包括頻率、諧波、三相不平衡、電壓閃變、電壓驟升驟降等，涉及的狀態(tài)量也比較多，主要有電壓、電流、頻率等，可遵行的國際國內(nèi)標準也比較多，主要有國際IEC系列、國內(nèi)和國網(wǎng)的標準，但從組成結構而言，平臺主要包括標準功率源和模擬電能質(zhì)量問題的狀態(tài)電路兩部分；從功能方面而言，主要有通信性能校準和功能性校準兩方面；其中，通信性能校準主要檢測通信協(xié)議一致性，以及終端數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性；功能性校準主要檢測監(jiān)測終端諧波、三相不平衡等功能。

由于主動配電網(wǎng)一致性入網(wǎng)檢測涉及的內(nèi)容繁多、采集數(shù)據(jù)信息量大、操作次數(shù)比較多，一般設計為自動化的檢測系統(tǒng)：即在系統(tǒng)上位機的軟件平臺中勾選相關校準項目，點擊“確定”設置后，能夠自動、連續(xù)完成對監(jiān)測終端的校準。平臺功能主要分為通信性能校準和功能性校準兩部分。

1.1 通信性能校準

電能質(zhì)量監(jiān)測設備種類繁多，盡管制造廠商均參考已有IEC 國際通信標準和國內(nèi)標準，但是制造商常為了產(chǎn)品的技術特點或者為了提高產(chǎn)品的競爭力而人為設置技術壁壘，對通信標準的擴展協(xié)議進行自身的規(guī)定，致使廠商之間相同標準但通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式差別較大，不同廠家的設備互不兼容；因此，為了有效開展電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測校準工作，檢測設備的通信性能校準是至關重要的第一步［10］。

據(jù)不完全統(tǒng)計，當前監(jiān)測終端主要遵行的通信標準和規(guī)范有：

1）國家電網(wǎng)企業(yè)標準Q_GDW 650—201；

2）IEC 61850通信標準；

3）數(shù)據(jù)存儲為PQDIF文件格式規(guī)范；

4）以太網(wǎng)接口、EIA RS—232/485，USB 等通信接口標準［6］。

通信性能校準的方法如下：

1）根據(jù)廠家提供的Modbus，DL645，IEC61850等通信標準，在上位機進行通信性能參數(shù)選擇設置；

2）設置好檢測終端的電能質(zhì)量越限定值，改變標準功率源的參數(shù)，造成電能質(zhì)量的越限報警事件；

3）查看主站端實時數(shù)據(jù)、報表數(shù)據(jù)的刷新速度，確認被檢測電能質(zhì)量監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，核對上送時間、數(shù)據(jù)的正確性等能否滿足技術規(guī)范；

4）對監(jiān)測終端斷電，再重新上電，再次重復測試；然后，在主站中通過“日志服務”功能模塊，檢索監(jiān)測終端的監(jiān)測歷史日志條目，以通信成功率達到95%為標準檢驗電能質(zhì)量監(jiān)測終端的通信功能。

1.2 功能性校準

監(jiān)測終端的通信功能檢測通過后，為功能性校準檢測的自動化提供了基礎。

由于大規(guī)模的分布式電源（DG）接入主動配電網(wǎng)，致使電網(wǎng)的電能質(zhì)量受到一定的影響，主要原因：一方面是受環(huán)境影響的分布式電源，具有不確定性，間歇性，在接入和退出電網(wǎng)時可能造成電壓驟升驟降閃變等電能質(zhì)量問題；另一方面經(jīng)過大量的電力電子裝置變換后，不能產(chǎn)生50 Hz 標準交流電的分布式電源才能接入電網(wǎng)，在變換過程中，產(chǎn)生大量的諧波。

為了準確監(jiān)控主動配電網(wǎng)上述電能質(zhì)量問題，電能質(zhì)量監(jiān)測終端應具備更高的測量精度以及更廣的測量范圍。因此本平臺電能質(zhì)量終端的功能性校準項目和對應所使用的方法如表1所示。

表1 功能性校準內(nèi)容Tab.1 Functional calibration content

誤差比對法。對被檢電能質(zhì)量監(jiān)測終端進行1～25次諧波電壓、諧波電流進行檢測校準，將1～25 次諧波分成低頻奇次、高頻奇次、低頻偶次、高頻偶次等4個諧波組進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)國家標準［11］對于諧波含有量的計算方法計算諧波電壓含有率HRU，諧波電流含有率HRI：

式中：Uh為第h次電壓諧波方均根值；U1為基波電壓方均根值。

式中：Ih為第h 次電流諧波方均根值；I1為基波電流方均根值。

將計算結論與標準（HRU 分為5%，2%，0.5%3 個級別，對應的HRI 分為11%，5%，2%）進行比對，依據(jù)四舍五入的原則，確定校準結論。

枚舉法。依次對電壓的幅值、相角進行枚舉校準，其操作步驟為：

1）先保持三相中兩相平衡，對第一相進行校準，通過模擬動態(tài)電路調(diào)整第一相電壓幅值變化，計算被監(jiān)測終端對應的電壓幅值變化；

2）通過變化動態(tài)模擬電路，使其電壓相角發(fā)生變化，計算被監(jiān)測終端的電壓相角變化；

3）依次進行第二、三相的線路電壓；

4）依據(jù)三相電壓服從平均分布的原則，計算被監(jiān)測終端相對標準電壓值的準確度，根據(jù)國家標準［12］的規(guī)定，應滿足

式中：εu為測試值；εuN為給定值。

方差法。模擬電壓從100%瞬時變至50%的閃變，記錄被監(jiān)測終端的電壓變化，然后從50%瞬時變至100%的閃變，記錄被監(jiān)測終端的電壓變化；如此重復20 次，計算被監(jiān)測終端的電壓變化方差，以方差小于5%為校準標準。

均值法。模擬電壓幅值50%，70%，80%3種驟降，分別對應的持續(xù)時間為200 ms，500 ms，1 000 ms，記錄被檢測終端的電壓幅值變化值；重復試驗10 次；然后先分別計算單一驟降的平均值，再計算3 種驟降的均值，以均值小于0.3為標準。

2 平臺架構

電能質(zhì)量監(jiān)測儀器的檢測平臺主要由標準功率源、模擬狀態(tài)電路和待校準監(jiān)測終端3 大部分組成，如圖1所示。

圖1 主動配電網(wǎng)一致性入網(wǎng)檢測平臺系統(tǒng)框架Fig.1 System framework of consistency detection network in active distribution network

圖1 中，標準功率源是一臺能夠產(chǎn)生高精度電壓、電流信號的標準源，為入網(wǎng)一致性檢測提供信號標準。傳統(tǒng)上，模擬狀態(tài)電路是一組由電阻、電容和電感構成的動態(tài)電路，在檢測過程中，通過采用不同電阻、電容和電感的配合，構搭成不同形式的諧振電路，產(chǎn)生不同的奇次諧波干擾源，其階數(shù)一般為3～11次。如果希望產(chǎn)生更高階的諧波，電路將變得非常復雜。這些狀態(tài)電路單元通過串并聯(lián)選擇后，注入待測電能質(zhì)量監(jiān)測終端，從而達到模擬主動配電網(wǎng)中出現(xiàn)的各種電能質(zhì)量問題。其組成圖如2所示。

圖2 模擬狀態(tài)電路的組成圖Fig.2 Framework of simulation circuit

如前文所述，主動配電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀態(tài)更為復雜，這種模擬狀態(tài)電路只能模擬諧波類或三相不平衡等電能質(zhì)量狀態(tài)，不能滿足前文提出的主動配電網(wǎng)中電能質(zhì)量終端一致檢測平臺的功能型校準的各項要求。這也是不同監(jiān)測終端一致性比較差的原因之一。

除此之外模擬狀態(tài)電路在各個狀態(tài)之間切換較為困難，不能連續(xù)精確調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，效率低下。電能監(jiān)測終端是被校準的對象，也是廣泛應用于電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量監(jiān)測的工具，根據(jù)IEC 62586—1［13］規(guī)定，一般結構如圖3所示。

圖3 電能質(zhì)量監(jiān)測終端的組成圖Fig.3 Framework of quality monitoring terminal

2.1 系統(tǒng)框架

鑒于前面指出的各種問題，可以建立一種新的框架平臺，通過一種可由計算機進行數(shù)字化控制的標準功率源與可以通過數(shù)字化模擬的模擬狀態(tài)電路，這樣一致性問題就可以通過軟件標準化的形式解決。

這種數(shù)字化模擬不但能夠解決高次諧波生成的問題，也比較容易實現(xiàn)各種用戶隨機定義的非線性參數(shù)，如電壓驟升驟降等。這種軟件形式的標準化也易于升級，以應對未來主動配電網(wǎng)的新變化。

選用?？怂笷luke 6100A 代替前述標準功率源與模擬狀態(tài)電路，其技術指標如表2所示。

表2 Fluke 6100A 技術指標Tab.2 Technical indicators of Fluke 6100 A

從表2 可以看出Fluke 6100A 可以實現(xiàn)標準功率源與模擬狀態(tài)電路的所有功能，并且其參數(shù)指標有很大程度的擴展。

2.2 硬件組成

主動配電網(wǎng)一致性入網(wǎng)監(jiān)測平臺系統(tǒng)的硬件，從組成上可以分為主站監(jiān)測系統(tǒng)和校準基礎平臺兩部分組成，如圖4 所示；其中，主站監(jiān)測系統(tǒng)是用戶進行自動化測試的操作支撐平臺，主要包括各種接口轉(zhuǎn)換器、GPIB 卡和監(jiān)控服務器，且監(jiān)控服務器是校準系統(tǒng)操作軟件的支撐平臺；校準基礎平臺是實際進行校準的硬件平臺，主要包括Fluke 6100A 標準源和待檢測終端。

圖4 主動配電網(wǎng)一致性入網(wǎng)檢測平臺硬件框架Fig.4 Hardware framework of consistency detection network in active distribution network

2.3 操作流程

基于系統(tǒng)架構和硬件組成，為了方便自動化進行批量對終端進行入網(wǎng)檢測，制定其操作流程如圖5所示。

圖5 主動配電網(wǎng)一致性入網(wǎng)檢測校準操作流程Fig.5 Operation process of consistency detection network in active distribution network

首先，將各項功能性測試所需要的測試狀態(tài)信息輸入計算機中，并導入6100A 主機內(nèi)部，按照順序，準確模擬各種電能質(zhì)量狀態(tài)；以6100A為主機的標準信號電源輸出各種電能質(zhì)量狀態(tài)的三相電壓電流信號，將該信號直接輸入到被測終端內(nèi)；電氣量經(jīng)由待測電能質(zhì)量終端處理后，得到的結果由通信接口輸出，數(shù)據(jù)傳至計算機的數(shù)據(jù)庫中；統(tǒng)計被測終端上傳的數(shù)據(jù)值與6100A 標準信號電源輸出值的誤差，對被測終端的精度性能做出評估。整個測試過程可以設定一個時間段，自動、連續(xù)、同時完成終端的精度和通信測試。

3 案例分析

選取長沙威勝WPQ1010、西安博宇電氣有限公司PQAny，F(xiàn)luke 電能質(zhì)量分析儀PW3198 共3家單位產(chǎn)品，進行對比分析測試，其測試結果如表3所示。

表3 產(chǎn)品對比測試表Tab.3 Product comparison test table

從表3中得出如下幾點結論：

1）3 個廠家的電能質(zhì)量監(jiān)測終端，整體綜合水平排序為：PW3198＞W(wǎng)PQ1010＞PQAny；

2）功能性校準中諧波、三相不平衡、電壓閃變、電壓驟降等子項，所分別對應的誤差比對法、枚舉法、方差法、均值法等方法，設計合理，能夠有效發(fā)現(xiàn)不同廠家的功能性能差別。

4 結論

主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測終端在實際使用過程中，常常出現(xiàn)相同電能質(zhì)量、不同廠家儀器、測試結果不同的現(xiàn)象，本文針對主動配電網(wǎng)對電能質(zhì)量檢測終端的更高要求，構建了一種自動化的主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測終端一致性入網(wǎng)檢測平臺。該自動化平臺具有操作簡單、測試功能齊全等特點，一定程度上解決主動配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測終端入網(wǎng)的校準問題，但是對于測試的智能化、校準的結果準確性、可信度評估等方面，將是未來值得研究的理論課題。

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