湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)

王燦，宋永，寧志毫，張可人，張斌，羅瀟

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南長(zhǎng)沙410015)

湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)

王燦1，宋永2，寧志毫1，張可人1，張斌1，羅瀟1

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南長(zhǎng)沙410015)

介紹了湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理、電能質(zhì)量評(píng)估和電能質(zhì)量預(yù)測(cè)與預(yù)警等3個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量干擾源的管理、監(jiān)測(cè)和智能化分析，可為保障電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供重要支撐。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理模塊實(shí)現(xiàn)了干擾源監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管理和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示；電能質(zhì)量評(píng)估模塊可進(jìn)行電壓偏差、諧波、三相不平衡、頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變等單指標(biāo)評(píng)估，還建立了基于短板效應(yīng)的電能質(zhì)量綜合評(píng)估單元，可反映某地區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量整體情況。此模塊還可對(duì)電氣化鐵路、直流換流站、新能源發(fā)電、非線性大負(fù)荷等進(jìn)行專項(xiàng)電能質(zhì)量分析；電能質(zhì)量預(yù)測(cè)與預(yù)警模塊可依據(jù)大量歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用灰色預(yù)測(cè)、線性回歸預(yù)測(cè)和隨機(jī)時(shí)間序列預(yù)測(cè)等智能算法，對(duì)相關(guān)電能質(zhì)量指標(biāo)的進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且對(duì)未達(dá)到指標(biāo)要求的區(qū)域或重要用戶群進(jìn)行預(yù)警，以提示可能的電能質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

電能質(zhì)量；監(jiān)測(cè)；評(píng)估；預(yù)測(cè)和預(yù)警

近些年，隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用，湖南電網(wǎng)中非線性電能質(zhì)量干擾源日益增加〔1－2〕，接入的電壓等級(jí)也越來越高。以風(fēng)電場(chǎng)為代表的新能源發(fā)電快速增長(zhǎng)，截止2016年10月底，湖南并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)32座，總裝機(jī)容量達(dá)到1 984 MW，主要接入110 kV電網(wǎng)。隨著高速鐵路快速發(fā)展，湖南電網(wǎng)牽引站數(shù)量逐步增加，目前湖南電網(wǎng)共有牽引站約76座，其中42座并入220 kV變電站，34座并入110 kV變電站。±800 kV酒湖特高壓直流預(yù)計(jì)2017年建成投運(yùn)，湖南湘潭換流站將接入鶴嶺、云田、古亭和船山4個(gè)500 kV變電站。傳統(tǒng)冶金、化工等大負(fù)荷用戶仍然廣泛的接入各個(gè)電壓等級(jí)層面的電網(wǎng)。

為實(shí)現(xiàn)湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量干擾源的管理、監(jiān)測(cè)和智能化分析，避免電能質(zhì)量事故的發(fā)生，保障電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行〔3－5〕，國(guó)網(wǎng)湖南省電力科學(xué)研究院建立了電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了于不同廠家電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與智能化分析等功能。目前電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)共接入電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備146臺(tái)，覆蓋了101個(gè)變電站的146線路，其中樞紐變電站高低壓母線4臺(tái)，電氣化鐵路127臺(tái)，風(fēng)電場(chǎng)9座，電弧爐等大負(fù)荷6個(gè)。下一步，將繼續(xù)增加系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)直流換流站，風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站等新能源，電弧爐、中頻爐等干擾源用戶，精密加工、數(shù)據(jù)中心等敏感重要用戶的全覆蓋監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)體系構(gòu)架

湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)是3層式結(jié)構(gòu)，即監(jiān)測(cè)終端、地區(qū)監(jiān)測(cè)子站和省級(jí)監(jiān)測(cè)主站，系統(tǒng)體系構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系構(gòu)架

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端對(duì)電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；各地區(qū)級(jí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)子站采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并由文件服務(wù)器中的數(shù)據(jù)解析程序解析得到原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其后由數(shù)據(jù)處理程序計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的特征值，并將原始數(shù)據(jù)按文件分塊機(jī)制，以追加形式壓縮后寫入本服務(wù)器硬盤，形成文件索引；各地區(qū)級(jí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)子站將處理后的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過電力專用通信網(wǎng)絡(luò)光纖傳送省級(jí)監(jiān)測(cè)主站，省級(jí)監(jiān)測(cè)主站服務(wù)器對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析。

2 功能模塊分析

湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)主要包括電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理、電能質(zhì)量評(píng)估和電能質(zhì)量預(yù)測(cè)與預(yù)警等3個(gè)模塊，各個(gè)功能模塊構(gòu)架如圖2所示。

圖2 功能模塊構(gòu)架

2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理模塊

圖3 某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)波形

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓、電流波形的實(shí)時(shí)展示，如圖3所示，并生成電能質(zhì)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。與此同時(shí)，還具備監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理、電能質(zhì)量干擾源檔案管理、電網(wǎng)設(shè)備臺(tái)帳、電網(wǎng)拓?fù)涔芾淼裙δ堋?/p>

2.2 電能質(zhì)量評(píng)估模塊

2.2.1 穩(wěn)態(tài)評(píng)估

對(duì)于穩(wěn)態(tài)評(píng)估，根據(jù)不同需求，該系統(tǒng)既可以進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估，又可以進(jìn)行多項(xiàng)指標(biāo)的綜合評(píng)估。

1)單指標(biāo)評(píng)估

電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)單指標(biāo)評(píng)估包括電壓偏差、諧波、三相不平衡、頻率偏差、電壓波動(dòng)與閃變等。對(duì)于每個(gè)指標(biāo)，既可給出任意時(shí)間段的趨勢(shì)圖，又可生成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，數(shù)據(jù)形式包括最大、最小、平均、95%概率值等，并可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值水平給出是否越限結(jié)果。

2)綜合評(píng)估

電能質(zhì)量是一個(gè)多指標(biāo)的綜合體，為了反映某地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量的整體情況，有必要對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行合理的綜合評(píng)估〔6－7〕，主要是將電能質(zhì)量的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合量化，得出一個(gè)量化的描述，其最終結(jié)果以電能質(zhì)量的綜合指標(biāo)或綜合等級(jí)進(jìn)行表現(xiàn)。

本系統(tǒng)建立了基于短板效應(yīng)的電能質(zhì)量綜合評(píng)估模塊，其主要包括以下幾個(gè)步驟:

①將諧波電壓總畸變率、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、頻率偏差以及三相電壓不平衡度5個(gè)實(shí)測(cè)評(píng)估指標(biāo)的CP95值與其所在電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)限值相比，得到歸一化標(biāo)幺值，以表征單指標(biāo)對(duì)設(shè)備造成的影響程度。

②利用各單項(xiàng)指標(biāo)歸一化標(biāo)幺值進(jìn)行綜合評(píng)估計(jì)算。如果5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)歸一化標(biāo)幺值均小于1，則綜合評(píng)估值為其當(dāng)中的最大值；如果5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)歸一化標(biāo)幺值中存在大于1的值，則綜合評(píng)估值IG＝1＋∑n

(Ii－1)，其中，Ii代表大于1的單項(xiàng)指標(biāo)歸一化標(biāo)幺值，n為大于1的單項(xiàng)指標(biāo)歸一化標(biāo)幺值的個(gè)數(shù)。

③進(jìn)行綜合等級(jí)劃分。綜合評(píng)估值大于0小于2/3為優(yōu)等級(jí)；綜合評(píng)估值大于2/3小于1為良等級(jí)；綜合評(píng)估值大于1小于2為中等級(jí)；綜合評(píng)估值大于2小于5為差等級(jí)；綜合評(píng)估值大于5為劣等級(jí)。

另外，依據(jù)單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量綜合評(píng)估值，還可進(jìn)行分電壓等級(jí)、分區(qū)域的總體電能質(zhì)量綜合評(píng)估，其值為評(píng)估范圍內(nèi)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量綜合評(píng)估值的算術(shù)平均值，如圖4所示。

圖4 總體電能質(zhì)量綜合評(píng)估示意圖

基于短板效應(yīng)的電能質(zhì)量綜合評(píng)估方法，湖南省14個(gè)地市公司某日的電能質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)果如圖5所示。

圖5 湖南省14個(gè)地市的電能質(zhì)量綜合評(píng)估結(jié)果

2.2.2 暫態(tài)評(píng)估

暫態(tài)評(píng)估包括暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓、電壓暫降與短時(shí)中斷事件，可以直觀地反映一段時(shí)期內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓暫態(tài)事件的發(fā)生情況，主要反映事件發(fā)生的次數(shù)在幅值和持續(xù)時(shí)間上的分布。

2.2.3 專項(xiàng)分析

進(jìn)行電氣化鐵路、直流換流站、新能源發(fā)電、非線性大負(fù)荷等專項(xiàng)電能質(zhì)量分析，具體包括:

電氣化鐵路:開展電鐵 (高鐵)電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)/動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備的影響分析、不同車型的特性比較和不同供電變電站的電能質(zhì)量水平比較等。

直流換流站:開展不同輸送功率、運(yùn)行方式下的電能質(zhì)量特性分析、交直流側(cè)相互影響分析、對(duì)電網(wǎng)各電壓等級(jí)電能質(zhì)量的影響分析等，有助于采取有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，降低交直流電網(wǎng)的交互影響。

新能源發(fā)電:開展大規(guī)模風(fēng)電、光伏發(fā)電的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量特性分析，新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性對(duì)電網(wǎng)的影響分析，暫態(tài)事件對(duì)風(fēng)電、光伏發(fā)電的影響分析等。

非線性大負(fù)荷:研究冶金、化工、電解等非線性大負(fù)荷的用電特點(diǎn)、電能質(zhì)量特征，建立動(dòng)態(tài)更新的負(fù)荷模型庫(kù)等。

2.3 電能質(zhì)量預(yù)測(cè)與預(yù)警模塊

該模塊可依據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的大量歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)指標(biāo)的進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)未達(dá)到指標(biāo)要求的區(qū)域或重要用戶群進(jìn)行預(yù)警，以提示可能的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于電能質(zhì)量問題實(shí)施防范措施，預(yù)防問題的發(fā)生具有重要的意義〔8〕，具體預(yù)測(cè)與預(yù)警流程如圖6所示。

圖6 電能質(zhì)量預(yù)測(cè)與預(yù)警流程

電能質(zhì)量預(yù)測(cè)主要有灰色預(yù)測(cè)算法、線性回歸預(yù)測(cè)算法和隨機(jī)時(shí)間序列預(yù)測(cè)算法等3種。灰色模型預(yù)測(cè)算法在建模時(shí)無需計(jì)算統(tǒng)計(jì)量特征，當(dāng)電能質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)非線性變化時(shí)，仍然適用，且要求的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)量少，不必考慮其分布規(guī)律和變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)精度高；線性回歸模型預(yù)測(cè)算法的優(yōu)勢(shì)在于模型參數(shù)估計(jì)算法成熟，計(jì)算原理與結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，對(duì)歷史上未出現(xiàn)的電能質(zhì)量狀況有較好的預(yù)測(cè)。隨機(jī)時(shí)間序列模型預(yù)測(cè)算法則充分考慮了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)在時(shí)間上關(guān)聯(lián)性，所需電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)量少，且能夠準(zhǔn)確反映電能質(zhì)量近期變化的連續(xù)性。

本系統(tǒng)建立了基于上述3種預(yù)測(cè)模型的均值優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，綜合了3種預(yù)測(cè)算法的優(yōu)勢(shì)，提高電能質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)的情況，本模塊提供用戶自定義電能質(zhì)量預(yù)警功能，即用戶可根據(jù)超標(biāo)的嚴(yán)重程度，自己設(shè)置不同等級(jí)的預(yù)警閥值。另外，為適應(yīng)電能質(zhì)量多級(jí)管理模式，可以分級(jí)設(shè)置報(bào)警，即發(fā)生在不同層級(jí)的電能質(zhì)量問題，通過手機(jī)短信、電子郵件等形式向不同人員發(fā)送報(bào)警信息。

3 結(jié)論

全文介紹了湖南電網(wǎng)電能質(zhì)量智能化監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，其具有如下主要功能:

1)干擾源電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理:可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓、電流波形的實(shí)時(shí)展示，生成電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表等。

2)電能質(zhì)量評(píng)估:可實(shí)現(xiàn)單指標(biāo)評(píng)估、基于短板效應(yīng)的綜合評(píng)估以及專項(xiàng)電能質(zhì)量分析等。

3)電能質(zhì)量預(yù)測(cè)與預(yù)警:可實(shí)現(xiàn)基于灰色預(yù)測(cè)、線性回歸預(yù)測(cè)和隨機(jī)時(shí)間序列預(yù)測(cè)等智能算法的電能質(zhì)量預(yù)測(cè)，對(duì)未達(dá)到指標(biāo)要求的區(qū)域或重要用戶群進(jìn)行預(yù)警

〔1〕曲廣龍，楊洪耕，李蘭芳.主動(dòng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39(10): 117-123.

〔2〕 何維國(guó)，謝偉，張建.上海電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 〔J〕.華東電力，2010，38(4):497-499.

〔3〕張逸，林焱，吳丹岳.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(2):138-147.

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Intelligent Power Quality Monitoring and Analysis System for Hunan Grid

WANG Can1，SONG Yong2，NING Zhihao1，ZHANG Keren1，ZHANG Bin1，LUO Xiao1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

This paper introduces an intelligent power quality monitoring and analysis system for Hunan grid，which includes monitoring management module，assessment module，forecast and warning module.In this system，management，monitoring and intelligent analysis of interference sources are realized to prevent power quality accidents，which can provide important support to ensure the safe and economic operation of power grid.In the monitoring management module，the statistics of interference sources and real-time display ofmeasured data are implemented.In the assessment module，not only evaluations of voltage deviation，harmonic，three-phase imbalance，frequency deviation，voltage fluctuation and flicker are implemented，but also power quality comprehensive evaluation based on the short board effect is established which can reflect the power quality level of a district power grid.The special power quality analysis of electrified railway，the HVDC converter station，the new energy power generation，and nonlinear loads.In the forecast and warning module，the power quality prediction can be implemented based on a large amount of historical monitoring data，using some intelligent algorithms such as the grey prediction，linear regression prediction and stochastic time series prediction，and the warning will be given when the power quality do not meet the requirement to avoid the potential risk.

electric energy quality；monitoring；assessment；forecast and warning

TM711

:B

:1008-0198(2017)02-0056-04

2016-09-26 改回日期:2016-11-26

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司科技項(xiàng)目 (5216A514003G)

王燦(1986)，博士，主要從事電能質(zhì)量分析與控制、新能源并網(wǎng)檢測(cè)與性能評(píng)價(jià)、高壓直流輸電技術(shù)等方面的工作。

宋永(1985)，主要從事電能質(zhì)量、變電運(yùn)維管理等方面的工作。

寧志毫(1983)，博士，主要從事電能質(zhì)量分析與控制、新能源并網(wǎng)檢測(cè)與性能評(píng)價(jià)等方面的工作。