貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng) 主站改造方案設(shè)計(jì)

龍秋風(fēng), 彭小俊, 肖小兵, 劉 斌, 王 冕, 辛明勇

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 貴州 貴陽 550001)

0 引 言

貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)于2009年開始建設(shè),截止2011年建成覆蓋全省10個地市局的在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)投運(yùn)以來一直穩(wěn)定運(yùn)行,截止目前積累了大量的有效電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),為掌握貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量分布水平、提高電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督工作效率、分析電網(wǎng)故障等提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。隨著電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等的快速發(fā)展[1],現(xiàn)有系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用的要求,主要體現(xiàn)在:① GB/T 19862—2016《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》[2]、GB/T 30137—2013《電能質(zhì)量 電壓暫降與短時中斷》[3]、GB/T 24337—2009《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)間諧波》[4]、南方電網(wǎng)公司《電能質(zhì)量監(jiān)測終端技術(shù)規(guī)范》、南方電網(wǎng)公司《電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主站技術(shù)規(guī)范》等國家、電力行業(yè)、企業(yè)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的頒布,提出新的電能質(zhì)量指標(biāo)的要求;② 2017年南網(wǎng)總部電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主站改造,要求各省公司電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)按照新的指標(biāo)和接口方式實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)上送;③ 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時的定位電能質(zhì)量技術(shù)分析應(yīng)用平臺,管理功能相對薄弱,無法基于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、指標(biāo)管理、干擾源管理等技術(shù)監(jiān)督管理工作;④ 隨著省網(wǎng)范圍內(nèi)電氣化鐵路(電鐵)、風(fēng)電等干擾源負(fù)荷以及數(shù)據(jù)中心等敏感性負(fù)荷的快速增長,傳統(tǒng)常規(guī)的電能質(zhì)量分析方法已不能實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量問題的深入分析,有必要結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的深化分析應(yīng)用。

綜上所述,有必要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)際工作需要,對貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化、監(jiān)測指標(biāo)完善、系統(tǒng)定位和功能架構(gòu)重新設(shè)計(jì),建設(shè)一套信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化管理的電能質(zhì)量在線監(jiān)測主站平臺,降低系統(tǒng)運(yùn)維成本,進(jìn)一步挖掘電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值。

1 監(jiān)測系統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時主要以保障數(shù)據(jù)完整率為目標(biāo),同時考慮到電能質(zhì)量監(jiān)測終端通信協(xié)議均為廠家自定義協(xié)議,直接接入其他廠家后臺系統(tǒng)的技術(shù)難度大,所以采用三層物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案,整個系統(tǒng)由變電站設(shè)備層、地市供電局子站層、省電科院主站層構(gòu)成[5]。其中,變電站設(shè)備層指不同廠家、不同型號的電能質(zhì)量監(jiān)測終端,分布安裝在不同地市局變電站;地市局子站層是指在地市局信息機(jī)房內(nèi)部署的數(shù)據(jù)采集和存儲平臺,實(shí)現(xiàn)本地市內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測終端(每個地市局以單一廠家的終端為主)的數(shù)據(jù)采集、存儲、上送和信息發(fā)布;省電科院主站層指在省電科院部署的主站平臺,負(fù)責(zé)全省電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成、存儲、分析應(yīng)用和信息發(fā)布。在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,省電科院主站層與地市局子站層以MSMQ+PQDIF文件形式實(shí)現(xiàn)接口,地市局子站層與變電站設(shè)備層之間采用廠家私有通信協(xié)議接口。

三層物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過PQDIF技術(shù)解決電能質(zhì)量監(jiān)測終端通信協(xié)議不一致而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)集成難度大的問題,但同時帶來地市局子站層維護(hù)成本高、電科院主站層數(shù)據(jù)缺乏實(shí)時性以及數(shù)據(jù)缺失后故障排查難度大等問題。隨著2011年IEC 61850在電能質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域的出現(xiàn)[6-8],國內(nèi)主流電能質(zhì)量監(jiān)測終端逐步開始支持IEC 61850通信協(xié)議,GB/T 19862—2016《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》、南方電網(wǎng)公司《電能質(zhì)量監(jiān)測終端技術(shù)規(guī)范》等均明確規(guī)定基于IEC 61850的電能質(zhì)量監(jiān)測終端信息模型,以IEC 61850為電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)相對成熟。因此,本文提出基于IEC 61850的貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)兩層物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖1所示。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)兩層物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

相對于三層物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),兩層物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)取消地市局子站層,從而大幅降低系統(tǒng)運(yùn)維成本,提高系統(tǒng)可靠性。在兩層物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,變電站設(shè)備層與省電科院主站層以IEC 61850實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)集成,對于部分存量、無法升級實(shí)現(xiàn)IEC 61850支持的監(jiān)測終端,由主站層開發(fā)獨(dú)立的接口程序?qū)崿F(xiàn)接入,并在后續(xù)逐步安排更換,以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和南方電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能完善

2.1 產(chǎn)品定位及功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

功能架構(gòu)的設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品定位為基礎(chǔ)的。貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時以“技術(shù)平臺”為定位,在業(yè)務(wù)上以滿足電能質(zhì)量專業(yè)人員技術(shù)分析工作的需要為主,在功能上以電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的不同分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為主。由于對電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的技術(shù)分析并不是電能質(zhì)量專業(yè)人員的日常工作,只是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障等情況下才需要開展,所以監(jiān)測系統(tǒng)作為技術(shù)平臺時使用率非常低。另一方面,在監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用過程中,不斷出現(xiàn)新的業(yè)務(wù)需求,尤其是管理方面的需求日益強(qiáng)烈,包括如下方面:① 監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)維管理,如數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、監(jiān)測終端可靠性診斷、系統(tǒng)穩(wěn)定故障排查等;② 電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理,如電能質(zhì)量分析報告編制、現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)管理、干擾源臺賬管理等。

監(jiān)測系統(tǒng)管理功能的缺失已經(jīng)嚴(yán)重阻礙電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。為解決問題,從實(shí)際工作需要出發(fā),提出“技術(shù)平臺+管理平臺”的監(jiān)測系統(tǒng)定位,并對貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)功能架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。電能質(zhì)量監(jiān)測管理系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集功能完善

數(shù)據(jù)采集是電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能的完善主要是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,完善電能質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo),并提供對IEC 61850通信協(xié)議的支持。

(1) 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容完善。按照GB/T 24337—2009《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波》、GB/T 30137—2013《電能質(zhì)量電壓暫降與短時中斷》、GB/T 19862—2016《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》等標(biāo)準(zhǔn)要求,監(jiān)測系統(tǒng)需要增加的監(jiān)測指標(biāo)包括間諧波電壓、間諧波電流、26～50次諧波電壓含有率和相角、26～50次諧波電流幅值和相角、電壓暫降特征值、短時電壓中斷特征值等。按照監(jiān)測系統(tǒng)新增管理功能的需要,還需要增加對干擾源臺賬信息、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息等采集。

改造后,監(jiān)測系統(tǒng)完整的電能質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)采集內(nèi)容包括穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息三類。穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)是指由電能質(zhì)量監(jiān)測終端采集并計(jì)算得到的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的150周波數(shù)據(jù),以及按預(yù)設(shè)統(tǒng)計(jì)時間間隔對150周波數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并標(biāo)注時間標(biāo)簽所得到的電能質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。暫態(tài)數(shù)據(jù)是指描述電能質(zhì)量暫態(tài)事件(電壓暫升、暫降、短時中斷)特征的數(shù)據(jù),包括電壓和電流波形、暫態(tài)事件特征值等。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息指電能質(zhì)量監(jiān)測終端對電網(wǎng)電能質(zhì)量事件、監(jiān)測終端運(yùn)行狀態(tài)變化、通信網(wǎng)絡(luò)故障等記錄。

(2) IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議支持。IEC 61850是GB/T 19862—2016《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》、南方電網(wǎng)公司《電能質(zhì)量監(jiān)測終端技術(shù)規(guī)范》明確規(guī)定的電能質(zhì)量監(jiān)測終端標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議,目前國內(nèi)主流的電能質(zhì)量終端全部提供對IEC 61850的支持,部分貴州電網(wǎng)已安裝的電能質(zhì)量監(jiān)測終端可通過升級實(shí)現(xiàn)對IEC 61850的支持。因此,監(jiān)測系統(tǒng)必須升級,以提供對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的支持。

(3) 存量非IEC 61850電能質(zhì)量監(jiān)測終端接入支持。經(jīng)過調(diào)研,貴州電網(wǎng)已安裝的部分型號的電能質(zhì)量監(jiān)測終端無法通過升級實(shí)現(xiàn)對IEC 61850的支持,但仍可穩(wěn)定運(yùn)行。針對這種情況,設(shè)計(jì)由監(jiān)測系統(tǒng)主站基于UAPI技術(shù)針對性開發(fā)獨(dú)立的通信接口程序,實(shí)現(xiàn)將該類非IEC 61850電能質(zhì)量監(jiān)測終端的接入。

2.3 管理功能設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)增加管理功能的目的是實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理工作和監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)維管理工作的信息化,提高工作效率和工作質(zhì)量。

(1) 電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理。電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理是基于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)管理平臺的定位,通過監(jiān)測終端覆蓋率、數(shù)據(jù)完整率等管理指標(biāo)的提取和實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量普測、非線性用戶管理、監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測終端臺賬管理、技術(shù)監(jiān)督報告編制管理等業(yè)務(wù)的信息化,將原本由人工完成的管理工作,通過監(jiān)測系統(tǒng)自動化、信息化手段予以實(shí)現(xiàn)。改造后電能質(zhì)量技術(shù)管理模塊的功能設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 改造后電能質(zhì)量技術(shù)管理模塊的功能設(shè)計(jì)

(2) 系統(tǒng)運(yùn)維管理。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是由服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、軟件、監(jiān)測終端等組成的整體,任何組成部分都有可能發(fā)生故障,導(dǎo)致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性下降。但無論哪部分的故障,最終直接影響的都是電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的完整性、正確性及數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可從數(shù)據(jù)質(zhì)量評估角度出發(fā),通過數(shù)據(jù)質(zhì)量定義、數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素判定等對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估,并以數(shù)據(jù)質(zhì)量作為系統(tǒng)運(yùn)維管理、診斷的依據(jù)。

2.4 與南網(wǎng)主站縱向接口功能設(shè)計(jì)

為提高南網(wǎng)主站與各省子站的信息交互效率和質(zhì)量,南網(wǎng)科研院制訂并頒布南網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)縱向接口規(guī)范,并在2017年開始對南網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主站進(jìn)行改造,要求各省電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)按指定的信息內(nèi)容和接口形式將監(jiān)測數(shù)據(jù)上送至南網(wǎng)主站。

按照南網(wǎng)主站的要求設(shè)計(jì)縱向接口模塊,基于Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)本省數(shù)據(jù)的上送。技術(shù)架構(gòu)上,客戶端和服務(wù)器端用SOAP協(xié)議通過HTTP來交互,客戶端根據(jù)WSDL描述文檔生成SOAP請求消息發(fā)送到服務(wù)端,服務(wù)端解析收到的SOAP請求,調(diào)用Web Service,然后再生成相應(yīng)的SOAP應(yīng)答,送回到客戶端。縱向接口模塊設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 縱向接口模塊設(shè)計(jì)方案

2.5 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)深化分析應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)改造的根本目的是為了挖掘電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)價值,用數(shù)據(jù)服務(wù)生產(chǎn)。結(jié)合國內(nèi)外電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)研究水平以及貴州電網(wǎng)實(shí)際情況,本文提出貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)深化分析應(yīng)用方案,與電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品定位與功能架構(gòu)相吻合。數(shù)據(jù)深化分析應(yīng)用功能既包含技術(shù)方面的應(yīng)用,也包括管理方面的應(yīng)用。部分深化分析應(yīng)用功能如下。

(1) 基于組合賦權(quán)和TOPSIS的電壓暫降嚴(yán)重程度評估。電壓暫降是造成電力用戶經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的電能質(zhì)量事件。鑒于目前貴州省大力推進(jìn)數(shù)據(jù)中心建設(shè),且數(shù)據(jù)中心是電壓暫降高敏感負(fù)荷,所以為電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)立的電壓暫降分析功能,包括暫降特征值和波形分析、暫態(tài)標(biāo)記、SARFI指標(biāo)分析、ITIC容忍曲線分析、暫降類型識別以及暫降嚴(yán)重程度評估等,可針對記錄到的電壓暫降進(jìn)行深入分析。

(2) 基于數(shù)據(jù)質(zhì)量的電能質(zhì)量監(jiān)測終端可靠性評估。電能質(zhì)量監(jiān)測終端長期運(yùn)行之后,難免由于元器件質(zhì)量、外部環(huán)境等因素導(dǎo)致可靠性下降。為加強(qiáng)對電能監(jiān)測終端的可靠性管理,基于項(xiàng)目數(shù)據(jù)質(zhì)量管理的基礎(chǔ)功能,提出從電能質(zhì)量數(shù)據(jù)質(zhì)量評估入手建立電能質(zhì)量監(jiān)測裝置可靠性評估模型,并開展電能質(zhì)量監(jiān)測終端可靠性評估工作。對于診斷為監(jiān)測終端不可靠的情況,還可以電能質(zhì)量監(jiān)測裝置可靠性按區(qū)域、設(shè)備型號等分類進(jìn)行評估,從而找出電能質(zhì)量終端可靠性的規(guī)律,并進(jìn)行針對性處理,為后續(xù)監(jiān)測終端周期檢驗(yàn)、招標(biāo)選型等提供參考依據(jù)。

(3) 基于虛擬集控站的電能質(zhì)量相關(guān)性分析和評價。作為電網(wǎng)運(yùn)行特性的表征,同一時刻、同一點(diǎn)的不同電能質(zhì)量指標(biāo)之間,以及不同時刻、同一點(diǎn)的相同電能質(zhì)量指標(biāo)之間,以及同一時刻、不同點(diǎn)的相同電能質(zhì)量指標(biāo)之間,均可能存在相關(guān)性。例如火車開過時,鐵路沿線的電氣化鐵路牽引站的電能質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的諧波、負(fù)序電壓等可能存在相同的變化特性。為分析上述電能質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)性,引入虛擬集控站概念,可將相關(guān)的多個監(jiān)測點(diǎn)(這些監(jiān)測點(diǎn)不一定存在地理上的一致性)即時組合成一個臨時虛擬集控站,并針對該集控站內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)開展電能質(zhì)量綜合評估、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)對比分析操作。

3 結(jié) 語

貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)承擔(dān)全省電能質(zhì)量水平實(shí)時監(jiān)測、綜合評估、故障診斷和分析工作,自建成投運(yùn)以來運(yùn)維穩(wěn)定,但隨著電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等的快速發(fā)展,現(xiàn)有系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足電能質(zhì)量相關(guān)國家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理和數(shù)據(jù)深化分析應(yīng)用等實(shí)際業(yè)務(wù)的要求。為提升貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化,進(jìn)一步發(fā)揮電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值,降低監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)維成本,本文從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能架構(gòu)兩個角度提出電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)升級改造設(shè)計(jì)方案,并對監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能、技術(shù)監(jiān)督管理和運(yùn)維管理功能、與南網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主站縱向接口功能、數(shù)據(jù)深化分析應(yīng)用功能等進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì),用于指導(dǎo)貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的升級改造工作。目前貴州電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)正在按該設(shè)計(jì)方案順利開展改造工作。